JP2007151356A - モータ制御回路及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの回転速度をカウントする周期をモータの回転周期に応じて可変させ、カウンタのビット数を増やすことなく、制御精度を向上させることができるモータ速度制御回路及びモータ速度制御方法を提供すること。
【解決手段】モータ制御回路１は、モータの回転速度に応じた検出信号Ｄを出力する検出器１６と、検出信号が示す回転周期に応じてクロックをカウントするカウンタ１７と、カウント結果に応じてＤＣモータ１５を制御する制御部と、設定された分周値に基づき基本クロックＣＬＫ０を分周してカウント用クロックＣＬＫｎを生成する分周器１８とを有する。分周器１８は、回転周期に応じた周波数のカウント用クロックＣＬＫｎを生成し、カウンタ１７は、このカウント用クロックＣＬＫｎをカウントする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディジタルフィードバック制御によりモータの回転速度等を制御するモータ制御回路及びモータ制御方法に関する。

モータの回転速度を一定に保つ方法としてフィードバック制御が一般的に用いられる。図３は、一般的なディジタルフィードバック制御回路を示すブロック図である。図３に示すように、従来の一般的なフィードバック制御回路１０１は、比較器１１２、ＰＩ（比例・積分）演算回路１１３、定電流回路・ドライバ１１４、ＤＣモータ１１５、検出器１１６及びカウンタ１１７を有する。

このディジタルフィードバック制御回路１０１は、ＤＣモータ１１５が定電流回路・ドライバ１１４からの電流によってその回転が制御され、このＤＣモータ１１５の回転周期を検出器１１６が検出する。カウンタ１１７は、検出器１１６が検出する間のクロックＣＬＫをカウントし、比較器１１２へそのカウント値を出力する。比較器１１２は、カウンタ１１７から供給される現在の状態（モータの回転数）と、外部から設定される目標設定速度とを比較して、目標設定速度に近づけるように制御する。すなわち、演算回路１１３により、目標設定速度となる電流値を演算し、定電流回路・ドライバ１１４の電流値を調節してモータを駆動する。

このようなディジタルフィードバック制御は速度及び周期の情報をディジタル値として制御する。アナログフィードバック制御では、安定な制御をおこなうために、抵抗や容量値を負荷に応じて調整する必要があるが、ディジタルフィードバック制御の場合では、定数をディジタルデータとして入力するため調整が容易であるという利点がある。

ところで、このフィードバック回路において、モータの目標回転速度を可変とする構成とした場合、回転周期が可変となるものの、クロックＣＬＫのカウント周期が一定であるため、目標速度に対する制御精度が変化してしまうという問題点がある。例えば、高速回転に合わせ、カウントするクロックのカウント周期を短く（周波数を高く）すると、低速回転で動作させる場合においてはカウント数が増加してしまう。よってカウンタ１１７のビット数を大きくする必要がある。また、低速回転に合わせてクロックＣＬＫの周期を長く（周波数を低く）すると、高速回転時で動作させる際には速度をカウントする制御精度が不足してしまうという問題が生じる。

これに対し、特許文献１には、複数のカウンタ部及びラッチ部を設けたモータの制御装置が開示されている。図４は、特許文献１に記載のモータの制御装置を示すブロック図である。図４に示すように、この特許文献１に記載のモータの制御装置２００は、ディジタルエンコーダ２０１と、駆動制御部２０３と、モータドライバ部２１１とを有し、モータ２０２の駆動を制御する。ディジタルエンコーダ２０１は、モータ２０２の駆動により機構部分が所定の距離（角度）だけ移動（回転）する度に矩形波状の信号を出力する。駆動制御部２０３は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）部２０４、周期検出部２０５、第１の速度検出カウンタ部２０６、第２の速度検出カウンタ部２０７、第１の速度情報ラッチ部２０８、第２の速度情報ラッチ部２０９、サーボコントロール部２１０を有している。

ディジタルエンコーダ２０１からの出力信号は、駆動制御部２０３のＬＰＦ部２０４を通過することによりノイズが除去され、周期検出部（エッジ検出部）２０５に入力される。周期検出部２０５はディジタルエンコーダ２０１の出力信号から周期検出信号を生成し、第１の速度検出カウンタ部２０６及び第２の速度検出カウンタ部２０７に出力する。これら２つのカウンタ部２０６及び２０７は、ディジタルエンコーダの出力信号の周期をその間に入力されたクロックの数でカウントするが、互いに単位とするエンコーダの周期数が異なり、例えば、第１の速度検出カウンタ部２０６は１つのエンコーダ周期、第２の速度検出カウンタ部２０７は２つのエンコーダ周期を単位としてクロック数をカウントする。

ここで、ディジタルエンコーダ２０１の出力信号とＬＰＦ部２０４及びカウンタ部２０６、２０７は非同期の関係にあるため、量子化誤差が必ず生じる。モータ２０２を低速回転させる場合にはエンコーダ２０１の出力信号の周期は長くなるため、量子化誤差の影響は小さいが、回転を高速化していくと量子化誤差の影響が顕著になる。高速回転時の量子化誤差の影響を抑える手段として、カウント周波数を高くする方法があるが、この場合には低速回転時のカウント数が大きくなり、ビット数が大きいカウンタを準備しなければならなくなる。

そこで、カウンタ部を２つのカウンタ部２０６、２０７及びラッチ部２０８、２０９で構成し、その問題を回避する。例えば目標回転速度に対する基準のカウント値を５と設定し、実際にそれに近い速度で駆動されている場合でも、検出されるカウント値としては４〜６の間で変動（量子化誤差）する場合がある。カウンタ１つで構成する場合には、このカウント値の変動をそのまま出力してしまうが、カウンタ２つで構成すると、２つのエンコーダ周期に対するカウント値の変動は１つのエンコーダ周期に対するカウント値の変動の約半分になる。したがってカウント値の変動、すなわち量子化誤差を低減することができる。このように、特許文献１においては、連続した複数の周期の間に入力されたクロック数をカウントすることで、量子化誤差を低減している。
特開２００４−５４７６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、複数のカウンタ部及びラッチ部を設けることで量子化誤差の影響を低減することができるが、モータの回転速度をカウントする周期が一定なため、低速回転時と高速回転時とで目標速度に対する制御精度が変化してしまうという上述の従来と同様の問題が生じる。つまり、高速回転で動作する場合に合わせてカウントするクロック周期を短くすると、低速回転で動作させる場合においてはカウント数が増加するため、カウンタのビット数を大きくする必要がある。また、低速回転で動作する場合に合わせてクロック周期を長くすると、高速回転で動作させた場合に制御精度が不足するという問題点がある。

この問題点について具体的に説明する。図５及び図６はそれぞれ回転速度が速い場合及び回転速度が遅い場合の回転周期（検出信号Ｄの周期）及びクロックＣＬＫを示す図である。例えば、ＤＣモータの目標回転速度を１０Ｈｚ〜１ｋＨｚまで可変できるように設計する場合、１００ｍｓより長い周期をカウントでき、１ｍｓより小さい周期を十分な速度分解能でカウントできるようにする必要がある。

そこで、回転速度が速い場合、例えば１ｋＨｚに、仮にカウンタのビット数を８とし、目標速度が最大カウント数の半分程度の１２５とする。この場合、クロックＣＬＫの周期は１ｍｓ／１２５＝０．００８ｍｓとなる（図５（ａ））。このクロックＣＬＫの周期で、回転速度が遅い場合（１０Ｈｚ）を考えると、１５ビット（１００ｍｓ／０．００８ｍｓ＝１２５００）程度のカウンタのビット数が必要となる（図５（ｂ））。したがって、これに応じて、その他の回路のビット構成も１５ビットのカウント値を基準とした構成が必要となり、回路規模が大きくなってしまう。

同様に、回転速度が遅い場合、例えば１０Ｈｚに合わせて考えると、カウント周期は１００ｍｓ／１２５＝０．８ｍｓとなり（図６（ａ））、上述の回転速度が速い場合（１ｋＨｚ＝１ｍｓ）の１ビット幅分程度である（図６（ｂ））。このビット数では、充分な精度でフィードバック制御することができない。

本発明にかかるモータ制御回路は、ディジタルフィードバック制御によりモータ駆動を制御するモータ制御回路であって、前記モータ駆動による移動速度に応じて、前記移動速度をカウントするカウント周期を可変にすることを特徴とする。

本発明にかかるモータ制御方法は、ディジタルフィードバック制御によりモータ駆動を制御するモータ制御方法であって、前記モータ駆動による移動速度に対応した移動周期を検出し、前記移動周期に応じた周期を有するカウント用クロックを生成し、前記カウント用クロックをカウントし、前記カウント結果に応じて前記モータを制御することを特徴とする。

本発明においては、モータ駆動による移動速度に応じて、移動速度をカウントするカウント周期を可変にすることで、低速回転時と高速回転時とで目標速度に対する制御精度を略同一とすることができる。

本発明によれば、目標の移動速度が異なる場合であっても、カウンタのビット数を増やすことなく、制御精度を維持することができるモータ制御回路及びモータ制御方法を提供することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるモータ制御回路を示す図である。本実施の形態にかかるモータ制御回路１は、モータの回転数を一定に保つようにディジタルフィードバック制御する図３に示す従来のモータ制御回路に対し、新たに分周器１８及びデコーダ１１を追加した構成を有する。すなわち、図１に示すように、本実施の形態にかかるモータ制御回路１は、デコーダ１１、比較器１２、ＰＩ演算回路１３、定電流回路（ドライバ）１４、ＤＣモータ１５、検出器１６、カウンタ１７及び分周器１８を有する。

デコーダ１１は、ＤＣモータ１５の目標回転速度に応じた分周値を発生させる。比較器１２は、設定値とカウンタ１７におけるカウント値を比較しその結果をＰＩ演算回路１３へ供給する。ＰＩ演算回路１３及定電流回路・ドライバ１４は、カウント結果に応じてモータを制御する制御部として機能する。ＰＩ演算回路１３は、比較結果に基づき、定電流回路・ドライバ１４において生成する電流値を演算する。また、定電流回路・ドライバ１４は、ＰＩ演算回路１３の演算結果に基づき定電流を生成する。

ＤＣモータ１５は、定電流回路・ドライバ１４にて生成された電流の電流値に応じて回転駆動される。検出器１６は、機器の移動の大きさに応じて検出信号を出力する。具体的には、ＤＣモータ１５の回転を検出してカウンタ１７へその回転周期を示す検出信号Ｄを供給する。

分周器１８は、デコーダ１１からの分周値となるよう、基本クロックＣＬＫ０を分周したカウント用クロック（分周クロック）ＣＬＫｎを生成し、カウンタ１７へ供給する。なお、本実施の形態においては、デコーダ１１により分周値を設定するものとして説明したが、外部から分周値を分周器に直接設定するようにしてもよい。カウンタ１７は、検出器１６からの検出信号Ｄが供給され、その周期（回転周期）の長さに応じたカウント結果を出力する。例えば分周器１８から供給されるカウント用クロックＣＬＫｎを回転周期の間、カウントして比較器１２へ供給する。

次に、本実施の形態のモータ制御方法について説明する。まず、検出器１６は、ＤＣモータ１５の回転速度に応じた検出信号Ｄを出力する。このとき、デコーダ１１は、目標回転速度に応じた分周値を生成し、分周器１８へ供給する。分周器１８は、デコーダ１１にて設定された分周値に基づき基本クロックＣＬＫ０を分周してカウント用クロックＣＬＫｎを生成する。そして、このカウント用クロックをカウンタ１７へ供給する。

カウンタ１７は、上記検出信号Ｄが示す回転周期でカウント用クロックＣＬＫｎをカウントする。そして、このカウント結果を比較器１２へ供給する。比較器１２には、デコーダ１１を介して目標回転速度のカウント数（目標カウント数）が供給され、カウンタ１７からの実際のカウント数と、目標カウント数とを比較する。ＰＩ演算回路１３は、その比較結果に基づき定電流回路・ドライバ１４にて生成する電流値を演算する。

具体的には、比較結果に基づき、目標カウント数＜実際のカウント数、すなわち現在のＤＣモータ１５の回転速度が目標回転速度より遅い場合は速くなるよう電流を増加させ、目標カウント数＞実際のカウント数、すなわち回転速度が目標回転速度より速い場合は遅くなるよう電流を減少させるなどする。定電流回路・ドライバ１４は、ＰＩ演算回路１３の設定値に基づきＤＣモータ１５を駆動する駆動電流を生成する。

本実施の形態においては、デコーダ１１により分周値を発生させ、発生させた分周値を分周器１８へ入力し、カウンタ１７にてカウントするクロックＣＬＫ０を分周値に応じて分周する。このことにより、目標速度を可変させ、回転周期が異なった場合においても、これをカウントするカウント用クロックのカウント周期も可変とすることで、カウンタのビット数を増加させず、又は回転周期に必要なカウント数をカウントすることができる。すなわち、カウンタ１７や比較器１２、ＰＩ演算回路１３の回路面積を増やすことなく、制御精度の低下を防ぐことができる。

次に、本実施の形態にかかるモータ制御回路の動作について実際に数値を設定し具体的に説明する。本実施の形態においては、ＤＣモータ１５の目標回転速度を１０Ｈｚ〜１ｋＨｚまで可変にできるように設計する場合について説明する。この場合、１００ｍｓより長い周期をカウントでき、１ｍｓより小さい周期を十分な速度分解能でカウントできるようにする必要がある。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、それぞれ目標速度が遅い場合、速い場合におけるカウンタ及び回転周期を示す模式図である。目標速度を１０Ｈｚ〜１ｋＨｚの間で可変にできるように設計した場合、デコーダ１１にて発生させる分周値を、目標速度が遅い場合、すなわち回転速度が１００ｍｓに対しては図２（ｂ）に示すように、例えばカウント用クロックＣＬＫｎのカウント周期を０．８ｍｓとしてカウントする。また、目標速度が速い場合、すなわち回転速度が１ｍｓに対しては図２（ａ）に示すように、例えばカウント用クロックＣＬＫｎのカウント周期を０．００８ｍｓでカウントする。このようにデコーダ１１にて発生させる分周値を設定し、分周器１８にてクロックＣＬＫ０を分周することで、デコード後の目標値を共に８ビット程度の制御精度（７Ｄｈ＝１２５）とすることが可能になる。

なお、ここではカウンタのビット数が８ビット程度になるような分周値の例についての説明であって、実際にはカウンタのビット数と制御精度とを考慮し、分周値を予め設定しておく必要がある。

本実施の形態においては、高速回転時に制御精度が低下してしまうという従来の問題点を、デコーダ１１及び分周器１８を追加することで解決することができる。すなわち、デコーダ１１からは、目標回転速度に応じた分周値を発生させ、カウンタ１７によりカウントするクロックの周波数を分周器１８にて分周させる。この際、低速回転時でも高速回転時でも制御精度（ビット数）が同じになるような分周値を予めデコーダに設定しておくことにより、制御精度を低下させることなく高速回転時においてもフィードバック制御を実行することができる。

このように、本実施の形態においては、ディジタルフィードバック制御でモータの回転速度を制御する際、回転数を可変にできるように設定しても目標速度に対する制御精度の変化が生じない。また、回転速度に応じた周波数を有するカウント用クロックＣＫＬｎにより回転周期をカウントするのみ、本実施の形態においては、カウント用クロックＣＫＬｎを生成するためのデコーダ１１及び分周器１８を追加するのみで実現することができ、例えば複数のカウンタ回路を追加して回路規模を増大させ量子化誤差の影響を低減させる必要がない。

更に、高速回転時に必要な制御精度で、カウンタ１７へ供給するカウント用クロックＣＬＫｎの周波数を決定した場合においても、低速回転時にカウンタ１７へ供給するカウント用クロックＣＬＫｎの周波数を小さくすることができるため、ＰＩ演算回路１３等、他の回路面積の増加を抑えることができる。これによって、全体として回路規模を大幅に低減することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、本実施の形態においては、デコーダ１１及び分周器１８を設けてカウント用クロックＣＬＫｎを生成するものとして説明したが、これに限らず、モータの回転速度に応じて可変の周波数を有するカウント用クロックＣＫＬｎにより、回転周期をカウントできる構成であればよい。また、回転周期に応じてカウント用クロックのクロック周期を可変とするものとしたが、その他、モータにより駆動される機構の移動速度に応じて、カウント用クロックのクロック周期を可変とするようにしてもよい。

本発明の実施の形態にかかるモータ制御回路を示すブロック図である。 本発明の実施の形態にかかるモータ制御回路における回転周期及びクロックを説明する図である。 一般的なディジタルフィードバック制御回路を示す図である。 特許文献１に記載のモータ制御回路を示す図である。 従来の問題点を説明する図であって、モータ制御回路における回転速度が回転周期及びクロックを説明する図である。 同じく、従来の問題点を説明する図であって、モータ制御回路における回転速度が回転周期及びクロックを説明する図である。

符号の説明

１ モータ制御回路
１１ デコーダ
１２ 比較器
１３ ＰＩ演算回路
１４ 定電流回路・ドライバ
１５ ＤＣモータ
１６ 検出器
１７ カウンタ
１８ 分周器

Claims (7)

1. ディジタルフィードバック制御によりモータ駆動を制御するモータ制御回路であって、
   前記モータ駆動による移動速度に応じて、前記移動速度をカウントするカウント周期を可変にすることを特徴とするモータ制御回路。
2. ディジタルフィードバック制御によりモータ駆動を制御するモータ制御回路であって、
   前記モータ駆動による移動速度に対応した移動周期に応じてクロックをカウントするカウンタと、
   前記カウント結果に応じて前記モータを制御する制御部と、
   前記移動周期に応じて設定された分周値に基づき基本クロックを分周してカウント用クロックを生成する分周器とを有し、
   前記カウンタは、前記分周器からのカウント用クロックをカウントすることを特徴とするモータ制御回路。
3. 前記移動速度の目標値に基づき前記分周値を設定するデコーダを有する
   ことを特徴とする請求項２記載のモータ制御回路。
4. 前記制御部は、前記カウンタのカウント値と目標値とを比較する比較部と、
   前記比較部の比較結果に基づき前記モータの駆動電流を算出する演算部と、
   前記演算部の演算結果に基づき前記モータを駆動するドライバ部とを有する
   ことを特徴とする請求項２又３記載のモータ制御回路。
5. ディジタルフィードバック制御によりモータ駆動を制御するモータ制御方法であって、
   前記モータ駆動による移動速度に対応した移動周期を検出し、
   前記移動周期に応じた周期を有するカウント用クロックを生成し、
   前記カウント用クロックをカウントし、
   前記カウント結果に応じて前記モータを制御することを特徴とするモータ制御方法。
6. 前記クロックの生成は、
   前記移動速度の目標値に基づき分周値を設定し、前記設定された分周値に基づき基本クロックを分周する
   ことを特徴とする請求項５記載のモータ制御方法。
7. 前記モータ駆動の制御は、
   前記カウンタのカウント値と目標値とを比較し、
   前記比較結果に基づき前記モータの駆動電流を算出し、
   前記演算結果に基づき前記モータを駆動する
   ことを特徴とする請求項５又６記載のモータ制御方法。

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