DE69023401T2 - Verfahren zur Berechnung der Regelspannung und Motorregelvorrichtung, die dieses Verfahren anwendet. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Berechnen einer Motorsteuerspannung sowie eine das Verfahren anwendende Motorsteuervorrichtung, und insbesondere ein Verfahren zum Detektieren der Drehzahl eines Motors, um eine Steuerspannung auf der Basis der detektierten Drehzahl zu berechnen, und eine Motorsteuervorrichtung, um den Motor auf der Basis der Rechenergebnisse mit konstanter Drehzahl zu steuern.
• Als Steuerverfahren zum Konstanthalten der Drehzahl eines Motors ist herkömmlich die Proportionalregelung bekannt. Die Proportionalregelung ist ein Regelverfahren, bei dem die Istdrehzahl eines Motors erfaßt und eine Steuerspannung, die zu der Differenz zwischen der Istdrehzahl und der Solldrehzahl proportional ist, zugeführt wird.
• Die herkömmliche Proportionalregelung weist jedoch den Nachteil auf, daß sie einer Drehzahländerung nicht rasch folgt. Insbesondere in einem Fall, in dem die Istdrehzahl niedriger als die Solldrehzahl ist und versucht wird, die Drehzahl des Motors auf die Solldrehzahl zu erhöhen, dauert es relativ lang, bis die Drehzahl des Motors die Solldrehzahl erreicht. Insbesondere gilt, daß es umso länger dauert, bis die Drehzahl des Motors die Solldrehzahl erreicht, je höher die Solldrehzahl ist.
• Die vorstehenden Ausführungen werden nun konkretisiert.
• Eine Bewegungsgleichung zum Zeitpunkt des Anlegens einer Spannung V an den Motor wird im allgemeinen wie folgt geschrieben:
• mit Ra: Ankerwiderstand (Ω)
• KT: Drehmomentkonstante (kgm/A)
• Ke: Induktionsspannungskonstante (V/rpm)
• I&sub0;: Leerlaufstrom (A)
• GD²: Trägheitsmoment durch Last und Motor (kgm²)
• TBL: Gleitlast (kgm).
• Diese Gleichung wird für n gelöst. Wenn n = Np im Fall von t = 0, dann ist n wie folgt:
• Aus dieser Gleichung erhält man die Beschleunigung a in einem Fall, in dem die Abtastdrehzahl NS ist, durch die folgende Gleichung unter Einsetzen von Np = NS und t = 0:
• N sei die Solldrehzahl, NS sei die Abtast- bzw. Istdrehzahl, und ΔN sei die Differenz zwischen beiden. Dann ist die Beschleunigung a in einem Fall, in dem eine Spannung V = KΔN = K(N-NS) angelegt wird, wie folgt bei der herkömmlichen Proportionalregelung unter Einsetzen von V = KΔN, NS = N - ΔN in die Gleichung (4):
• Diese Gleichung zeigt, daß auch dann, wenn ΔN der gleiche Wert ist, die Beschleunigung a gering ist, wenn die Solldrehzahl N groß ist, wohingegen sie groß ist, wenn N klein ist.
• Die Erfindung wurde also gemacht, um diesen Nachteil zu beseitigen, und die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Motorsteuervorrichtung, die fähig ist, einen Motor so zu steuern, daß sie der Drehzahl sehr rasch folgt.
• Gemäß einem Aspekt ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Motors gemäß Anspruch 1 aufweist.
• Bei diesem Verfahren wird die Beschleunigung aus der Differenz zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl ungeachtet der Solldrehzahl bestimmt. Außerdem kann eine gewünschte Beschleunigung in bezug auf die Drehzahldifferenz gegenüber dem Sollwert erhalten werden, indem eine Beschleunigungskonstante mit einem beliebigen Wert gewählt wird. Daher kann der Motor gesteuert werden, wobei er der Drehzahl sehr rasch folgt.
• Gemäß einem anderen Aspekt sieht die Erfindung eine Motorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 2 vor.
• Die so ausgebildete Motorsteuervorrichtung ermöglicht es der Drehzahl des Motors, der Solldrehzahl innerhalb kürzerer Zeit zu folgen, wobei es keine Rolle spielt, ob die Solldrehzahl hoch oder niedrig ist.
• Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden genauen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Die Zeichnungen zeigen in:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau einer Steuerschaltung eines Gleichstrom-Servomotors zeigt, wobei eine Ausführungsform der Erfindung angewandt wird;
• Fig. 2 ein Blockdiagramm, das die Ausbildung von Hauptteilen eines Drehzahldetektors des Gleichstrom- Servomotors zum Antrieb eines optischen Systems zeigt;
• Fig. 3A und 3B Diagramme, die die Beziehung zwischen der Drehzahl N des Motors und einer Abweichung N' zeigen;
• Fig. 4 ein Flußdiagramm, das den Ablauf für die Verarbeitung der Drehzahldetektierung zeigt;
• Fig. 5 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des speziellen Aufbaus einer Drehzahlführungssignal-Eingabeeinheit zeigt;
• Fig. 6 ein Flußdiagramm, das den Verarbeitungsablauf für die Berechnung der Phasenabweichung zeigt;
• Fig. 7 ein Schaltbild, das eine Ersatzschaltung eines Gleichstrom-Servomotors vom Permanentmagnetfeld- Typ zeigt;
• Fig. 8 ein Blockdiagramm, das den speziellen Aufbau einer PDM-Einheit zeigt; und
• Fig. 9 ein Zeitdiagramm, das eine Operation der PDM- Einheit zeigt.
• Es folgt nun als Beispiel die Beschreibung einer Steuerschaltung eines Gleichstrom-Servomotors zum Antreiben eines optischen Systems (einer Beleuchtungseinheit und eines Reflektors) einer elektrophotographischen Kopiermaschine.
• Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für den Aufbau einer Steuerschaltung eines Gleichstrom-Servomotors zeigt, der ein optisches System einer elektrophotographischen Kopiermaschine antreibt. Diese Steuerschaltung verwendet ein Impulsdauermodulationssignal bzw. PDM-Signal als eine Spannung, die an den Gleichstrom-Servomotor angelegt wird.
• Dieser Gleichstrom-Servomotor 10 ist von dem Permanentmagnetfeld-Typ, der von einer Treibereinheit 11 angetrieben wird, um ein optisches System 17 zu bewegen.
• Ein Drehgeber 12 ist mit der Welle des Servomotors 10 verbunden. Der Drehgeber 12 gibt jedesmal, wenn der Servomotor 10 um einen vorbestimmten, sehr kleinen Winkel gedreht wird, einen Drehzahldetektierimpuls ab, wie das bereits bekannt ist. Drehzahldetektierimpulse der A-Phase und B-Phase, die die gleiche Periode haben, aber um 90º phasenversetzt sind, werden von dem Drehgeber 12 gemäß der vorliegenden Ausführungsform abgegeben. Drehzahldetektierimpulse der jeweiligen Phasen, beispielsweise 200 Drehzahldetektierimpulse, werden für eine Umdrehung des Servomotors 10 abgegeben.
• Der Drehgeber 12 kann jedoch durch andere Einrichtungen zum Abgeben von Impulsen ersetzt werden, die synchron mit der Drehung des Servomotors 10 periodisch erzeugt werden.
• Der von dem Drehgeber 12 abgegebene Drehzahldetektierimpuls wird einer Drehgebersignal-Eingabeeinheit 13 zugeführt. Die Drehgebersignal-Eingabeeinheit 13 ist eine Schaltung, die die Rotation des Servomotors 10 auf der Basis des von dem Drehgeber 12 zugeführten Drehzahldetektierimpulses mißt, wie noch im einzelnen beschrieben wird. Ein Ausgangssignal der Drehgebersignal-Eingabeeinheit 13 wird einer Steuereinheit 14 zugeführt.
• Die Steuereinheit 14 umfaßt beispielsweise eine CPU, einen ROM, in dem ein Programm oder dergleichen gespeichert ist, einen RAM zum Speichern von notwendigen Informationen und zum Durchführen von Verarbeitungsvorgängen wie etwa der Rechenverarbeitung von PDM-Information, um den Servomotor 10 zu steuern.
• Ein Betriebsbefehlssignal und ein Drehzahlführungssignal oder Drehzahlführungstakt werden der Steuereinheit 14 von einem Steuerteil (nicht gezeigt) des Hauptkörpers der elektrophotographischen Kopiermaschine zugeführt. Der Drehzahlführungstakt unterliegt der Signalverarbeitung in einer Drehzahlführungssignal-Eingabeeinheit 15 und wird dann der Steuereinheit 14 zugeführt.
• Eine PDM-Einheit 16 ist eine Einheit zum Erzeugen eines PDM- Signals, dessen Impulsdauer (Abgabedauer) der von der Steuereinheit 14 zugeführten PDM-Information entspricht. Die Drehzahl des Servomotors 10 wird durch das von der PDM-Einheit 16 abgegebene PDM-Signal gesteuert.
• Die Treibereinheit 11 bestimmt die Drehrichtung des Servomotors 10 oder bremst den Servomotor 10 auf der Basis eines von der Steuereinheit 14 zugeführten Treibereinheitsansteuersignals.
• Um den Servomotor 10 mit einer gewünschten Führungsdrehzahl zu drehen, muß die Drehzahl des Servomotors 10 exakt detektiert werden.
• Diese Steuerschaltung ist ausgelegt, um die Drehzahl des Servomotors 10 exakt zu bestimmen, indem die Drehgebersignal-Eingabeeinheit 13 wie in Fig. 2 gezeigt ausgebildet wird und das Lesen von Signalen durch die Steuereinheit 14 vorgesehen ist.
• Gemäß Fig. 2 umfaßt die Drehgebersignal-Eingabeeinheit 13 eine Vorderflankendetektierschaltung 131, um die Vorderflanke des A-Phase-Drehzahldetektierimpulses von dem Drehgeber 12 zu detektieren, einen freischwingenden Zähler 133 beispielsweise mit 16-Bit-Konstruktion, um Referenztakte vorwärtszuzählen, und ein Halteregister 134, um einen Zählwert in dem freischwingenden Zähler 133 zu lesen und zu halten, indem als Haltesignal ein Vorderflankendetektiersignal von der Vorderflankendetektierschaltung 131 genutzt und das Haltesignal als Triggersignal genutzt wird.
• Der Referenztakt ist ein Takt, der eine Basis für den Betriebstakt der gesamten in Fig. 1 gezeigten Schaltung bildet. Wenn die Schaltung von einem Mikrocomputer gebildet ist, wird ein Maschinentakt genutzt. Wenn kein solcher Referenztakt vorhanden ist, kann außerdem ein Referenztakterzeugungskreis vorgesehen sein.
• Die Drehgebersignal-Eingabeeinheit 13 weist ferner eine Vorwärts-Rückwärts-Detektiereinheit 135 und einen Vorwärts- Rückwärtszähler 136 auf. Die Vorwärts-Rückwärts-Detektiereinheit 135 bestimmt den Pegel des B-Phase-Drehimpulses, wenn die Vorderflanke des Detektierausgangssignals des A- Phase-Drehzahldetektierimpulses von der Vorderflankendetektierschaltung 131 zugeführt wird, um je nachdem, ob der B- Phase-Drehimpuls einen Hochpegel oder einen Niedrigpegel hat, zu bestimmen, ob der Servomotor 10 in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung gedreht wird. Der Vorwärts-Rückwärtszähler 136 zählt den Detektierausgang der Vorderflankendetektierschaltung 131 vorwärts oder rückwärts auf der Basis eines Bestimmungsausgangssignals der Vorwärts-Rückwärts-Detektiereinheit 135.
• Es folgt nun die Beschreibung einer Operation der in Fig. 2 gezeigten Schaltung.
• Der Inhalt des Halteregisters 134 wird jedesmal, wenn ein Haltesignal, d. h. die Vorderflanke eines A-Phase-Drehzahldetektierimpulses, detektiert wird, aktualisiert. Außerdem zählt der Vorwärts-Rückwärtszähler 136 die Anzahl von Malen der Detektierung der Vorderflanke des Drehzahldetektierimpulses, d. h. die Anzahl von Drehzahldetektierimpulsen.
• Wenn daher der Vorwärts-Rückwärtszähler 136 einen Zählwert von Referenztakten, die von dem freischwingenden Zähler 133 gezählt wurden, zählt, während er gleichzeitig n Drehzahl detektierimpulse innerhalb einer vorbestimmten Abtastperiode ΔT zählt, kann die Drehzahl N auf der Basis des Zählwerts berechnet werden.
• Dabei soll f[Hz] die Frequenz eines Referenztakts sein, C[ppr] soll die Anzahl von A-Phase-Drehzahldetektierimpulsen sein, die von dem Drehgeber 12 für eine Umdrehung des Servomotors 10 abgegeben werden, CPTn soll der momentane Inhalt des Halteregisters 1,31 sein, CPTn-1 soll der vorhergehende Inhalt des Halteregisters 131 sein, und n soll die Anzahl der gezählten Drehzahldetektierimpulse sein. In diesem Fall kann die Drehzahl N[U/min] des Servomotors 10 nach der folgenden Gleichung berechnet werden:
• Da die Frequenz f des Referenztakts und die Anzahl C der Drehzahldetektierimpuls Konstanten sind, wird die Gleichung (6) wie folgt geschrieben:
• Eine Abweichung N' der Drehzahl N des Servomotors 10, die durch die Gleichung (7) ausgedrückt ist, wird zu einem Absolutwert, der durch Differenzieren von N nach einer Variablen X erhalten wird, und wird somit gemäß der folgenden Gleichung geschrieben:
• Insbesondere ist die Beziehung zwischen der Drehzahl N des Servomotors 10 und der Abweichung N' eine solche Beziehung, daß die Abweichung N' mit einer Rate des Quadrats der Drehzahl N größer wird, wenn die Drehzahl N größer wird. Wenn also mit anderen Worten die Drehzahl N des Servomotors 10 erhöht wird, nimmt die Abweichung N' zu, so daß die Detektiergenauigkeit der Drehzahl N schlechter wird.
• Es wurde ein Fall beschrieben, bei dem der Zählwert in dem freischwingenden Zähler 133 gezählt wird, während ein Drehzahldetektierimpuls abgegeben wird. Es wird nun der Fall beschrieben, bei dem der Zählwert in dem freischwingenden Zähler 133 gezählt wird, während zwei Drehzahldetektierimpulse abgegeben werden. In diesem Fall ist die Drehzahl N wie folgt:
• Die Beziehung zwischen der Drehzahl N und der Abweichung N' ist wie folgt
• Wenn dabei im allgemeinen der Zählwert der Referenztakte, die von dem freischwingenden Zähler 133 gezählt werden, während n Drehzahldetektierimpulse abgegeben werden, gezählt wird, um die Drehzahl N auf der Basis des Zählwerts zu berechnen, wird die Drehzahl N gemäß der folgenden Gleichung geschrieben:
• Die Beziehung zwischen der Drehzahl N und der Abweichung N' ist wie folgt:
• Die Beziehung zwischen der Drehzahl N und der Abweichung N' ist durch das Diagramm von Fig. 3A dargestellt.
• Die Motorsteuerschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist so ausgebildet, daß die Abweichung N', die dazu tendiert, mit einer Rate entsprechend der zweiten Potenz der Drehzahl N gemäß der Gleichung (7) mit dem Anstieg der Drehzahl N zuzunehmen, auf die Zunahme mit einer Rate entsprechend der ersten Potenz derselben begrenzt ist, um die Abweichung N' zu unterdrücken, so daß die Drehzahl N präzise detektiert werden kann, indem die Beziehung zwischen der Drehzahl N und der Abweichung N' berücksichtigt und ein Abtastzeitpunkt vorgesehen wird, zu dem die Steuereinheit 14 Zählwerte des Halteregisters 134 und des Vorwärts-Rückwärtszählers 136 ausliest, so daß die Zahl n der Drehzahldetektierimpulse mit zunehmender Drehzahl N zunimmt.
• Dabei sei Δt ein Abtastintervall von einem gegebenen Abtastzeitpunkt zum nächsten Abtastzeitpunkt. In diesem Fall muß wenigstens ein Drehzahldetektierimpuls, d. h. ein Detektierausgangssignal der Vorderflankendetektierschaltung 131, innerhalb der Abtastzeit Δt abgeleitet werden, um die Drehzahl N zu detektieren.
• Zu diesem Zweck muß die obige Gleichung (12) der folgenden Bedingung genügen:
• X ≤ Δt.
• Schließlich müssen die Drehzahl N und die Abweichung N' der folgenden Beziehung genügen:
• N' ≥ (l/Δt)/N (14).
• Die durch die Gleichung (14) gegebene Beziehung gilt oberhalb einer Geraden N' = (l/Δt) N, wie in Fig. 3B gezeigt ist.
• Daher ist die Abtastzeit Δt mit einer geeigneten konstanten Dauer vorgegeben, die der durch die Gleichung (14) gegebenen Beziehung genügt, so daß es möglich ist, die Drehzahl N zu detektieren, indem Bereiche in Fig. 3B, die mit Vollinien dargestellt sind, d. h. der Bereich, in dem die Abweichung N' in bezug auf die Drehzahl N relativ klein ist, gut genutzt werden.
• Fig. 4 zeigt den Ablauf bei der Verarbeitung, die von der Steuereinheit 14 ausgeführt wird, um die Inhalte des Halteregisters 134 und des Vorwärts-Rückwärtszählers 136 für jede Abtastdauer Δt auszulesen, um die Drehzahl N zu berechnen.
• Die Abtastdauer Δt ist mit einem Zeitintervall vorgegeben, das der Gleichung (14) genügt.
• Es folgt nun die Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3 und 4.
• In der Steuereinheit 14 wird jedesmal, wenn ein interner Taktgeber die konstante Abtastdauer Δt erreicht (Schritt Sl), der Taktgeber rückgesetzt (Schritt S2). Die Inhalte des Halteregisters 134 und des Vorwärts-Rückwärtszählers 136 werden ausgelesen (Schritt S3).
• Dann wird ein Zählwert CPTn-l, der letztesmal in dem Halteregister 134 ausgelesen wurde und der in einem Speicher gespeichert ist, von einem diesmal in dem Halteregister 134 ausgelesenen Zählwert CPTN subtrahiert, um so die Anzahl X von Referenztakten innerhalb einer Abtastdauer Δt zu finden, und dann wird der Zählwert CPTn in dem Speicher gespeichert (Schritt S4).
• Andererseits wird ein Zählwert UDCn-1, der beim letztenmal in dem Vorwärts-Rückwärtszähler ausgelesen wurde und der in dem Speicher gespeichert ist, von einem diesmal in dem Vorwärts-Rückwärtszähler ausgelesenen Zählhwert UDCn subtrahiert, um die Zahl von Drehimpulsen innerhalb einer Abtastdauer Δt zu finden, und dann wird der Zählwert UDCn in dem Speicher gespeichert (Schritt S5).
• Danach wird die Drehzahl N des Servomotors 10 auf der Basis der oben beschriebenen Gleichung (12) ermittelt (Schritt S6).
• Wenn die Drehzahl N des Servomotors 10 in den Schritten S5 und 56 erhöht wird, wird die Anzahl n von Drehzahldetektierimpulsen allmählich innerhalb der Abtastdauer Δt erhöht. Infolgedessen kann die Drehzahl N des Servomotors 10 unter Nutzung der Bereiche detektiert werden, die durch die Volllinien in Fig. 38 dargestellt sind, wie oben beschrieben wurde.
• Es folgt nun die Beschreibung der Drehzahlführungssignal- Eingabeeinheit 15 in Fig. 1.
• Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des speziellen Aufbaus der Drehzahlführungssignal-Eingabeeinheit 15 zeigt. Die Drehzahlführungssignal-Eingabeeinheit 15 umfaßt eine Vorderflankendetektierschaltung 151, um die Vorderflanke eines Drehzahlführungstakts zu detektieren, einen freischwingenden Zähler 152, um Referenztakte aufwärtszuzählen, ein Halteregister 153 zum Auslesen eines Zählwerts in dem freischwingenden Zähler 152, um Referenztakte aufwärtszuzählen, ein Halteregister 153, um einen Zählwert in dem freischwingenden Zähler 152 auszulesen und zu halten, indem ein Vorderflankendetektiersignal der Vorderflankendetektierschaltung 151 als ein Haltesignal genutzt und das Haltesignal als Trigger benutzt wird, und ein Aufwärtssignal 154, um Ausgangsimpulse der Vorderflankendetektierschaltung 151 aufwärtszuzählen.
• Der freischwingende Zähler 152 ist beispielsweise ein Zähler von 16-Bit-Konstruktion. Der freischwingende Zähler 133 in der oben beschriebenen Drehgebersignal-Eingabeeinheit 13 (siehe Fig. 2) kann auch als dieser freischwingende Zähler 152 verwendet werden.
• Der Betrieb dieser Schaltung ist wie folgt.
• Ein Drehzahlführungstaktsignal, das von einem Mikrocomputer auf der Seite des Hauptkörpers der Vorrichtung, beispielsweise auf der Betätigungsseite des Hauptkörpers der elektrophotographischen Kopiermaschine abgegeben wird, wird der Vorderflankendetektierschaltung 151 zugeführt, und die Vorderflanke des Drehzahlführungstaktsignals wird in der Vorderflankendetektierschaltung 151 detektiert. Ein Ausgangssignal der Vorderflankendetektierschaltung 151 wird dem freischwingenden Zähler 152 als Haltesignal zugeführt. Daher wird der Inhalt des Halteregisters 153 aufgrund der Vorderflanke des Drehzahlführungstaktsignals aktualisiert. Wenn daher der Inhalt des Halteregisters 153 auf der Basis eines gegebenen Vorderflankendetektiersignals ausgelesen wird und der Inhalt des Halteregisters 153 auf der Basis des nächsten Vorderflankendetektiersignals ausgelesen wird, um die Differenz zwischen beiden zu ermitteln, kann ein Zählwert in einer Periode des Drehzahlführungstaktsignals in dem freischwingenden Zähler 152 gezählt werden. Insbesondere kann die Drehzahl N&sub0; als Führungsdrehzahl erhalten werden.
• Die vorliegende Ausführungsform, die mit dem Verfahren arbeitet, daß ein Zählwert, der einer Differenz zwischen einem Zählwert nach der Aktualisierung und einem Zählwert vor der Aktualisierung entspricht, jedesmal dann ermittelt wird, wenn der Inhalt des Halteregisters 153 aktualisiert wird, arbeitet mit der gleichen Methode des Auslesens des Zählwerts in dem Halteregister 134 in der Drehgebersignal- Eingabeeinheit 13.
• Dabei liest die Steuereinheit 14 den Inhalt des Halteregisters 153 und den Inhalt des Vorwärts-Rückwärtszählers 154 für jede vorbestimmte Abtastdauer Δt aus, ermittelt die Differenz zwischen dem diesmal ausgelesenen Zählwert und dem letztesmal in dem Halteregister 153 ausgelesenen Zählwert und dividiert die Differenz zwischen beiden durch die Differenz zwischen dem letztesmal ausgelesenen Zählwert und dem diesmal ausgelesenen Zählwert in dem Vorwärtszähler, um so die Anzahl von Referenztakten innerhalb einer Periode des Drehzahlführungstaktsignals genauer zu ermitteln.
• Fig. 6 zeigt den Verarbeitungsablauf, der von der Steuereinheit 14 durchgeführt wird, um die Phasendiffernez zwischen dem Drehzahlführungstaktsignal und dem Drehzahldetektierimpuls zu berechnen.
• Wenn die Vorderflanke des Drehzahldetektierimpulses von der Vorderflankendetektierschaltung 131 in der Drehgebersignal- Eingabeeinheit 13 detektiert wird (Schritt S21), wird zuerst ein Zählwert in dem freischwingenden Zähler 133 ausgelesen, und der Wert wird als Phasenvergleichswert PDTn gespeichert (Schritt S22). Der freischwingende Zähler beginnt mit der Zählung von Referenztaktsignalen ab dem Start der Motorsteuerung. Daher wird der Phasenvergleichswert PDTn zu einem Wert, der der Drehzahl ab dem Start der Motorsteuerung bis zu dem Zeitpunkt entspricht, zu dem die Vorderflanke des Impulses diesmal detektiert wird.
• Der phasenvergleichswert PPIn wird dann in der nachstehenden Gleichung berechnet und gespeichert (Schritt S23):
• PPIn = PPI(n-l) + SPD (15)
• mit
• PPI(n-l): der letztesmal gespeicherte Phasenreferenzwert,
• SPD : die Anzahl Referenztakte in einer Periode des Drehzahlführungstakts (SPD ist ein Festwert).
• Da jedoch der Anfangswert von PPI(n-l) Null ist, wird der Phasenreferenzwert PPIn, der dem Zeitpunkt entspricht, zu dem die erste Vorderflanke des Drehzahldetektierimpulses nach dem Start der Motorsteuerung in dem obigen Schritt S21 detektiert wird, zu SPD.
• Danach wird eine Phasendifferenz PHDT gemäß der folgenden Gleichung berechnet und gespeichert (Schritt S24):
• Der vorstehende Verarbeitungsablauf wird wiederholt. Dabei werden jedesmal, wenn die Vorderflanke des Drehzahldetektierimpulses detektiert wird (Schritt S21), das Lesen des Zählwerts in dem frei schwingenden Zähler 133 und die Aktualisierung des Phasenvergleichswerts PDTn (Schritt S22), die Berechnung und Aktualisierung des Phasenreferenzwerts PPIn (Schritt S23) und die Berechnung der Phasendifferenz PHDT (Schritt S24) wiederholt.
• Nach dem Start der Motorsteuerung ist der Phasenreferenzwert PPIn, der in Schritt S23 berechnet wurde, 2SPD, wenn die zweite Vorderflanke des Drehzahldetektierimpulses in Schritt S21 detektiert wird, während er 3SPD ist, wenn die dritte Vorderflanke des Drehzahldetektierimpulses detektiert wird. Dabei wird der in Schritt S23 berechnete Phasenreferenzwert PPIn das Produkt aus SPD und der Gesamtzahl von Drehzahldetektierimpulsen, die seit dem Start der Motorsteuerung bis zu dem Zeitpunkt abgegeben wurden, zu dem die Vorderflanke des Drehzahldetektierimpulses diesmal detektiert wird. SPD ist ein Festwert, der der Periode des Drehzahlführungstakts entspricht. Daher wird der in Schritt S23 berechnete Phasenreferenzwert PPIn zu einem Wert, der der Dauer seit dem Start der Motor steuerung bis zu dem Zeitpunkt der Vorderflanke eines Drehzahlführungstakts, entsprechend dem Drehzahldetektierimpuls, dessen Vorderflanke diesmal detektiert wird, entspricht.
• Die Differenz zwischen einem Wert, der der Dauer seit dem Start der Motorsteuerung bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Vorderflanke des Drehzahldetektierimpulses diesmal detektiert wird (dem Phasenvergleichswert PDTn), entspricht, und einem Wert, der der Dauer seit dem Start der Motorsteuerung bis zu dem Zeitpunkt der Vorderflanke des Drehzahlführungsimpulses entsprechend dem Drehzahldetektierimpuls, dessen Vorderflanke diesmal detektiert wird (dem Phasenvergleichswert PPIn), entspricht, durch einen Wert (SPD) dividiert, der der Periode des Drehzahlführungstakts entspricht, um so die Phasendifferenz PHDT zu berechnen. Selbst wenn also die Phasendifferenz zwischen dem Drehzahlführungstakt und dem Drehzahldetektierimpuls eine Periode oder mehr des Drehzahlführungstakts ist, wird die Phasendifferenz PHDT präzise detektiert.
• Die auf die oben beschriebene Weise detektierte Phasendifferenz PHDT wird auf die folgende Weise zu PDM-Daten rückgeführt.
• Da eine Spannung V für PDM-Daten durch die Gleichung (18), die noch beschrieben wird, berechnet wird, wird eine Ausgangsspannung VOUT für PDM-Daten bestimmt durch Addition und Subtraktion eines Koeffizienten α, multipliziert mit der Phasendifferenz PHDT, zu und von der berechneten Spannung.
• VOUT = V&spplus;±α PHDT ...(17)
• Wenn der Koeffizient α in der obigen Gleichung (17) geändert wird, kann das Verhältnis der Phasendifferenz eingestellt werden, so daß eine raschere Steuerung des Servomotors 10 bei einer Konstantdrehzahl ermöglicht wird.
• Es folgt nun die Beschreibung einer Methode zum Berechnen der Spannung V. Gemäß der Erfindungwird die Spannung V durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt, und zwar unter Verwendung einer Drehzahldifferenz ΔN zwischen der Istdrehzahl NS des Servomotors 10 und der Führungsdrehzahl N&sub0;, die von der Drehzahlführungssignal-Eingabeeinheit 15 zugeführt wird:
• mit
• Ra: Ankerwiderstand [Ω]
• KT: Drehmomentkonstante [kgm/A]
• ke: Induktionsspannungskonstante [V/rpm]
• IO: Leerlaufstrom [A]
• GD²: Trägheitsmoment durch Last und Motor [kgm²]
• TBL: Gleitlast [kgm]
• In einem Fall, in dem die durch diese Gleichung (18) gegebene Spannung angewandt wird, ist die Beschleunigung wie folgt unter Substitution der Gleichung (18) in die oben beschriebene Gleichung (4) und Substitution von NS = (N0 - ΔN)
• Die Drehzahldifferenz ΔN, dividiert durch Δt, ist gleich der Beschleunigung. Eine für ΔN am besten geeignete Konstantbeschleunigung wird durch Optimierung von Δt erhalten.
• Es folgt nun die Beschreibung des Vorgangs der Ableitung der obigen Gleichung (18).
• Fig. 7 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung des Gleichstrom-Servomotors 10 vom Permanentmagnetfeld-Typ zeigt.
• Eine Übertragungsfunktion des Motors in einem Fall, in dem eine Signalspannung V einem Anker des Motors zugeführt wird, um eine Winkelverlagerung e der drehenden Welle als Ausgangswert zu erhalten, wird wie folgt abgeleitet:
• Eine Induktionsspannung E des Motors ist zu der Winkelgeschwindigkeit ω der drehenden Welle proportional, so daß:
• mit Ke: Induktionsspannungskonstante.
• Erzeugtes Drehmoment ist zu einem Ankerstrom I proportional, so daß:
• T = KTI ... (22)
• mit KT: Drehmomentkonstante.
• J sei die Summe des Trägheitsmoments eines Rotors und des Trägheitsmoments einer Last, und B sei eine Bremslast des Motors einschließlich eines Lagerverlusts. In diesem Fall ist das Lastdrehmoment TL wie folgt:
• Das erzeugte Drehmoment des Motors ist gleich seinem Lastdrehmoment, so daß:
• Da die Induktivität La eines Ankerkreises im allgemeinen gegenüber dem Trägheitsmoment J kleiner ausgelegt ist, gilt La = 0.
• Ferner ist die Bremslast B vernachlässigbar.
• Bei B = 0 ist daher die Gleichung (20) wie folgt
• V = RaI + E (25).
• Die Gleichung (23) ist wie folgt:
• Das Trägheitsmoment J [kgmsec²] wird zu GD² [kg m²] geändert, weil es zweckmäßig ist, GD² zu verwenden.
• GD² = Mg (2k)² (27)
• mit
• G = Mg: Objektgewicht [kg]
• M: Masse
• g: Schwerkraftbeschleunigung [9,8 m/s²]
• k: Gyrationsradius.
• Das physikalische Trägheitsmoment J [kgmsec²] wird durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt, wobei berücksichtigt ist, daß die Gesamtmasse in einem Punkt in einiger Entfernung konzentriert ist:
• J = Mk² (28).
• Daher ist
• GD² = 4gJ (29).
• Aus den Gleichungen (26) und (29) erhält man die nachstehenden Gleichungen:
• Aus den Gleichungen (30) und (31) erhält man die nachstehenden Gleichungen:
• Drehmoment, das notwendig ist, um die Änderung ΔN der Drehzahl innerhalb der Zeitdauer Δt zu erhalten, wird durch diese Gleichung (32) ausgedrückt.
• Das erforderliche Lastdrehmoment ist das von dem Motor erzeugte Drehmoment. Daher werden aus den Gleichungen (22) und (32) die nachstehenden Gleichungen erhalten:
• Aus der Gleichung (22) erhält man das erzeugte Drehmoment und den Strom durch einen proportionalen Ausdruck, wobei KT eine Konstante ist. Es wird jedoch auch im lastfreien Zustand ein Strom benötigt (Leerlaufstrom).
• I&sub0; sei der Leerlaufstrom. In diesem Fall wird die folgende Gleichung erhalten:
• Dann ist ein tatsächliches Antriebssteuerverfahren von einem Spannungsantriebs-Typ und nutzt ein PDM-Signal. Daher wird aus den Gleichungen (25) und (34) die nachstehende Gleichung erhalten:
• In diesem Fall ist die Induktionsspannung E wie folgt:
• E = KEN
• mit KE: Induktionsspannungskonstante.
• Daher wird die Gleichung (35) wie folgt geschrieben:
• Die Gleichung (36) enthält jedoch keinen Term für die Gleitlast und für die Bremslast des Motors. TBL sei die Gleitlast und die Bremslast. In diesem Fall ist TBL wie folgt:
• Die Bremslast TBM am Motor, die aus dem Leerlauf strom I&sub0; berechnet wird, ist wie folgt:
• Die Bremslast TB (Bω) in der Gleichung (23) ist wie folgt:
• Infolgedessen ist die Gleichung (36) wie folgt:
• Um das Vorstehende zusammenzufassen: Wenn die Drehzahldifferenz ΔN gegenüber der Solldrehzahl N&sub0; auftritt, kann die in der nachstehenden Gleichung erhaltene Spannung V dem Motor zugeführt werden:
• Somit werden N&sub0;, ΔN und Δt zu Variablen zum Zeitpunkt der Steuerung.
• Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des speziellen Aufbaus der PDM-Einheit 16 zeigt, und Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm, das eine Operation der PDM-Einheit 16 erläutert.
• Die PDM-Einheit 16 umfaßt eine Setzsignalerzeugungseinheit 161, ein PDM-Datenregister 162, einen Abwärtszähler 163 und ein RS-Flipflop 164.
• Die Setzsignalerzeugungseinheit 161 erzeugt ein Setzsignal für jede konstante Periode. Diese Setzsignalerzeugungseinheit 161 ist beispielsweise aus einem Ringzähler gebildet und ist ausgelegt, um jedesmal dann ein Setzsignal zu erzeugen, wenn sie eine konstante Anzahl Referenztakte zählt.
• Das PDM-Datenregister 162 dient dem Halten von PDM-Daten, die von der Steuereinheit 14 zugeführt werden. Die von der Steuereinheit 14 zugeführten Daten bestehen in einer Spannung VOUT, die in der obigen Gleichung (17) ermittelt wird, d. h. einer Spannung VOUT, die durch Korrektur der in Gleichung (18) gegebenen Spannung V mit Daten der Phasendifferenz PHDT erhalten wird. Diese PDM-Daten werden genutzt, um das Tastverhältnis eines PDM-Ausgangssignals zu bestimmen, das von der PDM-Einheit 16 abgegeben wird.
• Der Abwärtszähler 163 zählt jedesmal PDM-Referenztakte (bei der vorliegenden Ausführungsform werden die in der Drehgebersignal-Eingabeeinheit 13 und der Drehzahlführungssignal- Eingabeeinheit 15 genutzten Referenztakte auch als die PDM- Referenztakte genutzt) abwärts, wenn sie angelegt werden, und gibt ein Rücksetzsignal ab, wenn die vorgegebene Anzahl gezählt ist.
• Der Betrieb der PDM-Einheit 16 ist wie folgt. Wenn ein Setzsignal von der Setzsignalerzeugungseinheit 161 abgegeben wird, wird der Inhalt des PDM-Datenregisters 162, d. h. PDM- Daten, die von der Steuereinheit 14 zugeführt werden, in den Abwärtszähler 163 gesetzt. Ferner wird das Flipflop 164 von dem Setzsignal gesetzt. Infolgedessen nimmt ein Ausgang des Flipflops 164, d. h. ein PDM-Signal, einen Hochpegel an.
• Der Abwärtszähler 163 zählt dann PDM-Referenztakte jedesmal abwärts, wenn sie angelegt werden, und führt dem Flipflop 164 ein Rücksetzsignal zu, wenn der vorgegebene Zählwert Null wird. Daher nimmt der Ausgang des Flipflops 164 einen Niedrigpegel an.
• Infolgedessen wird das Tastverhältnis durch einen Wert bestimmt, der in dem PDM-Datenregister 162 gehalten ist, d. h. in der Gleichung (11) berechnete Spannungsdaten, so daß das PDM-Signal von der PDM-Einheit 16 gewonnen wird.
• Die vorliegende Erfindung ist im übrigen nicht auf eine Vorrichtung zum Steuern eines optischen Systems einer elektrophotographischen Kopiermaschine beschränkt. Beispielsweise kann sie bei einem Motor zum Steuern einer Leseeinrichtung eines Faksimilegeräts und bei anderen allgemeinen Motorsteuerschaltungen angewandt werden.
• Außerdem kann die Erfindung in einem Fall angewandt werden, in dem eine angelegte Spannung durch Signale berechnet wird, die nicht das PDM-Signal sind.
• Die Erfindung wurde zwar im einzelnen beschrieben und gezeigt, es versteht sich jedoch von selbst, daß dies nur beispielhaft ist und keine Einschränkung darstellt, da der Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die beigefügten Patentansprüche begrenzt ist.

Claims (3)

1. Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Motors (10) mit einer spannungsabhängigen Steuereinrichtung (16), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Bestiminen einer Solldrehzahl N&sub0; für den Motor (10);

Bestimmen einer Istdrehzahl NS des Motors (10) während einer vorbestimmten Abtastzeit Dt;

Berechnen einer Steuerspannung V, um die Drehzahl des Motors zu steuern;

Anlegen der Steuerspannung V an die spannungsabhängige Steuereinrichtung (16), um die Drehzahl des Motors (10) zu steuern,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuerspannung V nach Maßgabe der folgenden Gleichung berechnet wird:

mit

Ra: Ankerwiderstand (W)

KT: eine Drehmomentkonstante [kgm/A)

Ke: eine Induktionsspannungskonstante [Vrpm)

Io: Leerlaufstrom [A]

GD²: Trägheitsnlonlent durch Last und Motor [kgm²]

TBL: Gleitlast [kgm].

2. Motorsteuervorrichtung zum Steuern der Drehzahl eines motors auf der Basis der Differenz zwischen einer Leitsolldrehzahl NO und einer detektierten Istdrehzahl NS, wobei die Steuervorrichtung folgendes aufweist:

eine spannungsabhängige Steuereinrichtung (16), um die Drehzahl des Motors (10) zu ändern;

eine Einrichtung (15) zum Einstellen der Solldrehzahl NO;

eine Drehzahldetektiereinrichtung (13), um die Istdrehzahl NS des Motors (10) während einer vorbestimniten Abtastzeit Dt zu detektieren;

eine Recheneinrichtung (14), um eine Steuerspannung V zum Steuern der Drehzahl des Motors zu berechnen;

eine Steuerspannungsabgabeeinrichtung, um die von der Recheneinrichtung (14) berechnete Steuerspannung V an die spannungsabhängige Steuereinrichtung (16) abzu-geben,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Recheneinrichtung (14) ausgebildet ist, um die Steuerspannung V nach Maßgabe der folgenden Gleichung zu berechnen:

mit

Ra: Ankerwiderstand (W)

KT: eine Drehmomentkonstante [kgm/A]

Ke: eine Induktionsspannungs-Konstante [Vrpm)

IO: Leerlaufstrom [A]

GD²: Trägheitsmoment durch Last und Motor [kgm²]

TBL: Gleitlast [kgm].

3. Motorsteuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Drehzahldetektiereinrichtung (13) aufweist:

eine Impulsabgabeeinrichtung (12), die mit der Welle des Motors (10) verbunden ist, um jedesmal, wenn die Welle um einen vorbestimmten sehr kleinen Winkel gedreht wird, Achsdrehpulse abzugeben;

eine Referenztaktimpuls-Zähleinrichtung (134), um daran angelegte Referenztaktimpulse zu zählen;

eine Achsdrehpuls-Zähleinrichtung (136), um die von der Impulsabgabeeinrichtung (12) abgegebenen Achsdrehpulse zu zählen;

eine Ausleseeinrichtung (S3), um Zählwerte in der Referenztaktimpuls-Zähleinrichtung (134) und der Achsdrehpuls-Zähleinrichtung (136) für jede vorbestimmte Abtastzeit Dt auszulesen; und

eine Drehzahlrecheneinrichtung (S6), um die Anzahl von Referenztaktimpulsen und die Anzahl von Achsdrehpulsen innerhalb einer Abtastzeit Dt, gemessen von einer vorhergehenden Abtastzeit bis zu einer inomentanen Abtastzeit, auf der Basis des Auslesens von Zählwerten durch die Ausleseeinrichtung zu finden und um die Mo-tordrehzahl nach Maßgabe der folgende Gleichung zu berechnen:

X=CPTn - CPTn-1: die Anzahl von Referenztaktimpulsen

CPTn: der moinentane Zählwert in der Referenztaktimpuls-Zähleinrichtung (134)

CPTn-1: der vorhergehende Zählwert in der Referenztaktimpuls-Zähleinrichtung (134)

n: die Zahl der Achsdrehpulse

C[ppr]: die Zahl der Achsdrehpulse aufgrund einer Umdrehung

f[Hz]: die Frequenz eines Referenztakts.