JP3078273B2 - 超音波モータの速度制御方法及び装置 - Google Patents
超音波モータの速度制御方法及び装置Info
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- JP3078273B2 JP3078273B2 JP11016560A JP1656099A JP3078273B2 JP 3078273 B2 JP3078273 B2 JP 3078273B2 JP 11016560 A JP11016560 A JP 11016560A JP 1656099 A JP1656099 A JP 1656099A JP 3078273 B2 JP3078273 B2 JP 3078273B2
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータの速
度制御方法及び速度制御装置に関する。
度制御方法及び速度制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】圧電体を用いた振動体に周波電圧を印加
することによって励振させ、該振動体に加圧接触する被
駆動体を該振動体に対して相対的に回転又は直線移動さ
せる超音波モータはすでに公知である。
することによって励振させ、該振動体に加圧接触する被
駆動体を該振動体に対して相対的に回転又は直線移動さ
せる超音波モータはすでに公知である。
【0003】この超音波モータは振動体に印加する周波
電圧の振幅、周波数のいずれかを変えることによって速
度制御することができる。
電圧の振幅、周波数のいずれかを変えることによって速
度制御することができる。
【0004】しかし、周波電圧の振幅、周波数に変化に
対し超音波モータの速度の変化は線形にはならず、速度
制御が困難である。 図4は超音波モータの速度と印加
電圧の周波数との関係を示す図である。この図4で示さ
れるように、共振周波数f0で最高速度を発生し、該共
振周波数より高くなると速度は低下する。(なお、共振
周波数より低い周波数では急激に超音波モータの速度は
低下し、共振周波数より低い周波数領域では速度制御は
できない。) しかも、共振周波数近傍では、僅かな周波数変化でも速
度は大きく変化する。又、周波数が高くなり速度が低速
となる領域では、印加周波数が大きく変化しても超音波
モータの速度変化は少ない。すなわち、図4に示すよう
に超音波モーをの速度をΔvだけ変化させる場合、高速
領域(印加周波数が低い領域)では、Δf2と周波数を
僅か変化させればよいが、低速領域(印加周波数が高い
領域)ではΔf1と周波数を大きく変化させねばならな
い。
対し超音波モータの速度の変化は線形にはならず、速度
制御が困難である。 図4は超音波モータの速度と印加
電圧の周波数との関係を示す図である。この図4で示さ
れるように、共振周波数f0で最高速度を発生し、該共
振周波数より高くなると速度は低下する。(なお、共振
周波数より低い周波数では急激に超音波モータの速度は
低下し、共振周波数より低い周波数領域では速度制御は
できない。) しかも、共振周波数近傍では、僅かな周波数変化でも速
度は大きく変化する。又、周波数が高くなり速度が低速
となる領域では、印加周波数が大きく変化しても超音波
モータの速度変化は少ない。すなわち、図4に示すよう
に超音波モーをの速度をΔvだけ変化させる場合、高速
領域(印加周波数が低い領域)では、Δf2と周波数を
僅か変化させればよいが、低速領域(印加周波数が高い
領域)ではΔf1と周波数を大きく変化させねばならな
い。
【0005】又、超音波モータに印加する周波電圧の振
幅と速度との関係は、図6に示すように、線形の関係で
はない。印加周波電圧の振幅が小さければ超音波モータ
の速度は遅く、振幅が大きくなれば速くなるが、同じ速
度変化Δvでも、速度が低速な領域では印加周波電圧の
振幅の変化量はΔA1と小さい。しかし速度が高速の領
域では振幅の変化量はΔA2と大きい。
幅と速度との関係は、図6に示すように、線形の関係で
はない。印加周波電圧の振幅が小さければ超音波モータ
の速度は遅く、振幅が大きくなれば速くなるが、同じ速
度変化Δvでも、速度が低速な領域では印加周波電圧の
振幅の変化量はΔA1と小さい。しかし速度が高速の領
域では振幅の変化量はΔA2と大きい。
【0006】このように、超音波モータの振動体に供給
する周波電圧の周波数、振幅と超音波モータの速度の関
係が線形でないことから、速度制御が困難になる。そこ
で、印加周波数と速度の関係は、速度の逆数が印加周波
数と一次比例関係にあると見なし、速度の逆数に基づい
て、超音波モータの速度を制御することが特開平6−1
97565号公報で提案されている。
する周波電圧の周波数、振幅と超音波モータの速度の関
係が線形でないことから、速度制御が困難になる。そこ
で、印加周波数と速度の関係は、速度の逆数が印加周波
数と一次比例関係にあると見なし、速度の逆数に基づい
て、超音波モータの速度を制御することが特開平6−1
97565号公報で提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述したよう、超音波
モータの速度制御の操作量となる印加電圧の周波数や振
幅と超音波モータの出力速度が、比例関係にないことか
ら速度制御が困難であるが、本発明はこの点を改良し、
簡単にかつ精度のよい超音波モータの速度制御方法及び
制御装置を提供することにある。
モータの速度制御の操作量となる印加電圧の周波数や振
幅と超音波モータの出力速度が、比例関係にないことか
ら速度制御が困難であるが、本発明はこの点を改良し、
簡単にかつ精度のよい超音波モータの速度制御方法及び
制御装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、超音波モータ
の複数の速度に対して離散的に求めた最適ゲイン値を線
形補間して、速度に関するゲイン関数を生成し、モータ
速度に応じてこの関数に従い求まるゲイン値を速度制御
ループのゲイン値として設定して速度制御を行う。
の複数の速度に対して離散的に求めた最適ゲイン値を線
形補間して、速度に関するゲイン関数を生成し、モータ
速度に応じてこの関数に従い求まるゲイン値を速度制御
ループのゲイン値として設定して速度制御を行う。
【0009】特に、超音波モータに供給する周波電圧の
周波数とモータ速度、もしくは、超音波モータに供給す
る周波電圧の振幅とモータ速度の関係特性に基づいて前
記ゲイン関数を求め、このゲイン関数で求められるゲイ
ンを速度制御のゲインとして、周波数もしくは振幅を用
いてモータの速度制御を行う。
周波数とモータ速度、もしくは、超音波モータに供給す
る周波電圧の振幅とモータ速度の関係特性に基づいて前
記ゲイン関数を求め、このゲイン関数で求められるゲイ
ンを速度制御のゲインとして、周波数もしくは振幅を用
いてモータの速度制御を行う。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は本発明の超音波モータの速
度制御ブロック図である。図1において、符号2は超音
波モータであり、符号3は入力電圧に応じて出力周波数
が決まる電圧制御発振器である。該電圧制御発振器3の
出力を駆動回路4で増幅し、超音波モータを駆動するの
に十分な振幅を有する周波電圧として超音波モータ2に
入力印加する。又、該超音波モータ2には該超音波モー
タの位置、速度を検出するためのロータリエンコーダ又
はリニアスケール等の位置検出器5が取り付けれてい
る。
度制御ブロック図である。図1において、符号2は超音
波モータであり、符号3は入力電圧に応じて出力周波数
が決まる電圧制御発振器である。該電圧制御発振器3の
出力を駆動回路4で増幅し、超音波モータを駆動するの
に十分な振幅を有する周波電圧として超音波モータ2に
入力印加する。又、該超音波モータ2には該超音波モー
タの位置、速度を検出するためのロータリエンコーダ又
はリニアスケール等の位置検出器5が取り付けれてい
る。
【0011】符号1は制御用マイクロコンピュータであ
り、速度制御のための、微分要素10、比例ゲイン要素
11,積分要素12,積分ゲイン要素13、減算要素1
4等をその機能として備え、又、デジタル信号をアナロ
グ電圧に変換するD/A変換器15を有している。該コ
ンピュータ1は、速度指令Vcから位置検出器5で検出
された位置信号を微分要素10で微分して得られた速度
フィードバック信号Vfを減じて速度偏差εを求め、該
速度偏差εを積分要素12で積分し、その積分値に積分
ゲイン要素13の積分ゲインKiを乗じて得られた値
と、前記速度偏差εに比例ゲイン要素11の比例ゲイン
Kvを乗じた値を加算し、減算要素14では、前記比
例、積分の速度ループ処理で得られた前記加算された値
Eを電圧制御発振器3で超音波モータ2の速度が「0」
となる振動体の共振周波数より高い限界周波数が得られ
る電圧値Emから減じて指令電圧値Ec(Ec=Em−
E)を求め、この指令電圧EcをD/A変換器15でア
ナログ電圧に変換し、電圧制御発振器3に出力する。
り、速度制御のための、微分要素10、比例ゲイン要素
11,積分要素12,積分ゲイン要素13、減算要素1
4等をその機能として備え、又、デジタル信号をアナロ
グ電圧に変換するD/A変換器15を有している。該コ
ンピュータ1は、速度指令Vcから位置検出器5で検出
された位置信号を微分要素10で微分して得られた速度
フィードバック信号Vfを減じて速度偏差εを求め、該
速度偏差εを積分要素12で積分し、その積分値に積分
ゲイン要素13の積分ゲインKiを乗じて得られた値
と、前記速度偏差εに比例ゲイン要素11の比例ゲイン
Kvを乗じた値を加算し、減算要素14では、前記比
例、積分の速度ループ処理で得られた前記加算された値
Eを電圧制御発振器3で超音波モータ2の速度が「0」
となる振動体の共振周波数より高い限界周波数が得られ
る電圧値Emから減じて指令電圧値Ec(Ec=Em−
E)を求め、この指令電圧EcをD/A変換器15でア
ナログ電圧に変換し、電圧制御発振器3に出力する。
【0012】電圧制御発振器3は入力された電圧に応じ
た周波数の周波電圧を発生し、駆動回路4によってこの
周波電圧の振幅が増幅されて超音波モータ2に印加さ
れ、該超音波モータ2は速度制御されることになる。
た周波数の周波電圧を発生し、駆動回路4によってこの
周波電圧の振幅が増幅されて超音波モータ2に印加さ
れ、該超音波モータ2は速度制御されることになる。
【0013】図2は、上述した速度ループ制御を内包す
る位置ループ制御をも制御用マイクロコンピュータ1が
行う場合の制御ブロック図である。図1のブロック図と
相違する点は、位置指令Pcから位置検出器5で検出さ
れた位置のフィードバック信号Pfを減じて位置偏差を
求めこの位置偏差にポジションゲインKpを乗じて速度
指令Vcを求め、速度ループ制御への速度指令Vcとし
た点のみであり他は同一である。
る位置ループ制御をも制御用マイクロコンピュータ1が
行う場合の制御ブロック図である。図1のブロック図と
相違する点は、位置指令Pcから位置検出器5で検出さ
れた位置のフィードバック信号Pfを減じて位置偏差を
求めこの位置偏差にポジションゲインKpを乗じて速度
指令Vcを求め、速度ループ制御への速度指令Vcとし
た点のみであり他は同一である。
【0014】上記処理工程において、制御用マイクロコ
ンピュータ1は比例ゲインKv及び積分ゲインKiのど
ちらか一方若しくは両方を超音波モータの実速度(速度
フィードバック信号)又は速度指令値に基づいて変更し
て、上記速度ループ制御を行う。
ンピュータ1は比例ゲインKv及び積分ゲインKiのど
ちらか一方若しくは両方を超音波モータの実速度(速度
フィードバック信号)又は速度指令値に基づいて変更し
て、上記速度ループ制御を行う。
【0015】前述したように、超音波モータ2に印加す
る周波電圧の周波数fと超音波モータ2の速度vの関係
は図4に示されるような非線形の関係にある。そのた
め、超音波モータ2に同一の速度変化量Δvを生じせし
めようとすると、低速回転領域と高速回転領域では、印
加する周波電圧の周波数変化量Δfは異なってくる。例
えば、速度指令が変化して現在速度よりΔvだけ変化し
たとする。しかし、この速度変化が低速領域で変化した
ものであれば、速度指令に追従すべく超音波モータ2に
印加される周波数は図4に示すようにΔf1変化しなけれ
ばならないが、高速領域での変化であればΔf2の変化で
よい。
る周波電圧の周波数fと超音波モータ2の速度vの関係
は図4に示されるような非線形の関係にある。そのた
め、超音波モータ2に同一の速度変化量Δvを生じせし
めようとすると、低速回転領域と高速回転領域では、印
加する周波電圧の周波数変化量Δfは異なってくる。例
えば、速度指令が変化して現在速度よりΔvだけ変化し
たとする。しかし、この速度変化が低速領域で変化した
ものであれば、速度指令に追従すべく超音波モータ2に
印加される周波数は図4に示すようにΔf1変化しなけれ
ばならないが、高速領域での変化であればΔf2の変化で
よい。
【0016】しかし、速度ループのゲインが一定である
と、上記速度指令と現在速度との差Δvは速度偏差εと
して生じ、この速度偏差εに基づいて上述した比例、積
分の速度ループ処理がなされることから、この速度ルー
プ処理によって求められる値Eは格別なる差異はない。
そしてこの値Eから上述したように電圧制御発振器3へ
の指令電圧値Ecが求められるから、この指令電圧値E
cの変化量ΔEcも格別なる差異はないことになり、電
圧制御発振器3から出力される周波数の変化量Δfも差
異がない。そのため図4に示すように、速度変化Δv=
速度偏差εを埋めさせるために必要な印加周波数変化を
低速領域ではΔf1、高速領域ではΔf2を得ることはでき
ず、速度制御ができないことになる。
と、上記速度指令と現在速度との差Δvは速度偏差εと
して生じ、この速度偏差εに基づいて上述した比例、積
分の速度ループ処理がなされることから、この速度ルー
プ処理によって求められる値Eは格別なる差異はない。
そしてこの値Eから上述したように電圧制御発振器3へ
の指令電圧値Ecが求められるから、この指令電圧値E
cの変化量ΔEcも格別なる差異はないことになり、電
圧制御発振器3から出力される周波数の変化量Δfも差
異がない。そのため図4に示すように、速度変化Δv=
速度偏差εを埋めさせるために必要な印加周波数変化を
低速領域ではΔf1、高速領域ではΔf2を得ることはでき
ず、速度制御ができないことになる。
【0017】そこで、本発明は、超音波モータの速度に
応じて速度ループの比例ゲインKv又は速度ゲインKi
の一方、若しくは両方を変えて速度ループ処理を行い、
電圧指令Ecを求め、電圧制御発振器3を駆動制御す
る。例えば、図4に示す例で説明すると、速度が低速の
場合には、速度ループのゲインを大きくし、Δvの速度
変化に対して周波数の変化がΔf1と大きく変化するよう
に電圧指令値Ecも大きく変化するようにし、高速時で
はゲインを小さくし、同じ速度変化Δvでも小さな電圧
指令値Ecの変化で、周波数変化も小さいΔf2となるよ
うにする。
応じて速度ループの比例ゲインKv又は速度ゲインKi
の一方、若しくは両方を変えて速度ループ処理を行い、
電圧指令Ecを求め、電圧制御発振器3を駆動制御す
る。例えば、図4に示す例で説明すると、速度が低速の
場合には、速度ループのゲインを大きくし、Δvの速度
変化に対して周波数の変化がΔf1と大きく変化するよう
に電圧指令値Ecも大きく変化するようにし、高速時で
はゲインを小さくし、同じ速度変化Δvでも小さな電圧
指令値Ecの変化で、周波数変化も小さいΔf2となるよ
うにする。
【0018】すなわち、図4に示す速度と周波数の関係
特性に合致するような速度に対するゲイン特性の関数に
よってゲインを求める。すなわち、超音波モータ2の速
度vに応じて速度ループの各ゲインの最適値を調べて得
られた速度に対するゲイン関数によってゲインを求め、
その求められたゲインに基づいて速度ループの処理を行
うようにする。
特性に合致するような速度に対するゲイン特性の関数に
よってゲインを求める。すなわち、超音波モータ2の速
度vに応じて速度ループの各ゲインの最適値を調べて得
られた速度に対するゲイン関数によってゲインを求め、
その求められたゲインに基づいて速度ループの処理を行
うようにする。
【0019】このゲイン関数を2次や3次の関数として
求めて、この関数より速度に応じたゲインを求めてもよ
いが、本実施形態では、予め超音波モータ2の速度に応
じた各種ゲインの最適値を調べ、その内の任意点数を選
び線形補間して得られた、折れ線で近似されたモータの
速度に対する各種ゲインの関数としている。図5はこの
各種ゲイン関数の一例である。この例では、破線で示す
予め求められた最適ゲイン関数から4点を選択して、こ
れらの4点間を直線補間して3つの直線により速度に対
するゲインを求めるようにしている。すなわち、図5に
示すように、速度0から速度v1の第1の速度領域の速
度ループの比例、積分ゲインをf1(v)、f1’
(v)、速度v1から速度v2までの第2の速度領域の
ゲインをf2(v)、f2’(v)、速度v2以上の第
3の速度領域のゲインをf3(v)、f3’(v)の一
次関数でそれぞれのゲインを近似して求めるようにす
る。
求めて、この関数より速度に応じたゲインを求めてもよ
いが、本実施形態では、予め超音波モータ2の速度に応
じた各種ゲインの最適値を調べ、その内の任意点数を選
び線形補間して得られた、折れ線で近似されたモータの
速度に対する各種ゲインの関数としている。図5はこの
各種ゲイン関数の一例である。この例では、破線で示す
予め求められた最適ゲイン関数から4点を選択して、こ
れらの4点間を直線補間して3つの直線により速度に対
するゲインを求めるようにしている。すなわち、図5に
示すように、速度0から速度v1の第1の速度領域の速
度ループの比例、積分ゲインをf1(v)、f1’
(v)、速度v1から速度v2までの第2の速度領域の
ゲインをf2(v)、f2’(v)、速度v2以上の第
3の速度領域のゲインをf3(v)、f3’(v)の一
次関数でそれぞれのゲインを近似して求めるようにす
る。
【0020】図3は、本発明の一実施形態の図2に示し
た位置ループ処理、速度ループ処理を実行する制御用マ
イクロプロセッサ1の位置、速度ループ処理のフローチ
ャートである。又、この実施形態では、速度ループの比
例Kv、積分ゲインKiをそれぞれ上記図5のように3
つの速度領域に分割してそれぞれの領域の直線式f1
(v)、f1’(v)、f2(v)、f2’(v)、f
3(v)、f3’(v)によってそれぞれ求めるように
している。
た位置ループ処理、速度ループ処理を実行する制御用マ
イクロプロセッサ1の位置、速度ループ処理のフローチ
ャートである。又、この実施形態では、速度ループの比
例Kv、積分ゲインKiをそれぞれ上記図5のように3
つの速度領域に分割してそれぞれの領域の直線式f1
(v)、f1’(v)、f2(v)、f2’(v)、f
3(v)、f3’(v)によってそれぞれ求めるように
している。
【0021】制御用マイクロプロセッサ1は所定周期毎
にに図3に示す処理を実行する。
にに図3に示す処理を実行する。
【0022】まず、指令されている位置指令Pcを読み
込むと共に位置検出器5からの位置フィードバック値P
fを読み(ステップS1)、読みとられた位置フィード
バック値Pfと前周期に読み込まれた位置フィードバッ
ク値より、速度フィードバック値vfを求める。すなわ
ち図2の要素10の微分処理を行い速度フィードバック
値vfを求める(ステップS2)。次に、位置指令値P
cから位置フィードバック値Pfを減じた値にポジショ
ンゲインKpを乗じて速度指令値Vcを求める、図2の
要素16の処理を行う(ステップS3)。この処理で求
められた速度指令値VcからステップS2で求めた速度
フィードバック値vfを減して位置偏差を求め、この位
置偏差を積算するレジスタRに加算し積分処理を行う。
この処理は図2の要素12の積分要素の処理に対応する
(ステップS4)。
込むと共に位置検出器5からの位置フィードバック値P
fを読み(ステップS1)、読みとられた位置フィード
バック値Pfと前周期に読み込まれた位置フィードバッ
ク値より、速度フィードバック値vfを求める。すなわ
ち図2の要素10の微分処理を行い速度フィードバック
値vfを求める(ステップS2)。次に、位置指令値P
cから位置フィードバック値Pfを減じた値にポジショ
ンゲインKpを乗じて速度指令値Vcを求める、図2の
要素16の処理を行う(ステップS3)。この処理で求
められた速度指令値VcからステップS2で求めた速度
フィードバック値vfを減して位置偏差を求め、この位
置偏差を積算するレジスタRに加算し積分処理を行う。
この処理は図2の要素12の積分要素の処理に対応する
(ステップS4)。
【0023】次に、求められた速度フィードバック値v
fと第1領域から第2領域への第1の切換速度v1及び
第2速度領域から第3速度領域への第2の切換速度v2
とを比較し(ステップS5)、速度フィードバック値v
fが第1の速度v1度以下で第1の領域であれば関数f
1(v)、f1’(v)に基づいて、比例ゲインKv、
積分ゲインKiを次の1式、2式によって求める(ステ
ップS6,S7)。
fと第1領域から第2領域への第1の切換速度v1及び
第2速度領域から第3速度領域への第2の切換速度v2
とを比較し(ステップS5)、速度フィードバック値v
fが第1の速度v1度以下で第1の領域であれば関数f
1(v)、f1’(v)に基づいて、比例ゲインKv、
積分ゲインKiを次の1式、2式によって求める(ステ
ップS6,S7)。
【0024】 Kv=a1・vf+b1 ・・・(1) Ki=c1・vf+d1 ・・・(2) 又、速度フィードバック値vfが第1の速度v1と第2
の切換速度v2の間であると、関数f2(v)、f2’
(v)に基づいて、次の第3式、第4式によって比例ゲ
インKv、積分ゲインKiを求める(ステップS8,S
9)。
の切換速度v2の間であると、関数f2(v)、f2’
(v)に基づいて、次の第3式、第4式によって比例ゲ
インKv、積分ゲインKiを求める(ステップS8,S
9)。
【0025】 Kv=a2・vf+b2 ・・・(3) Ki=c2・vf+d2 ・・・(4) 同様に、速度フィードバック値vfが第2の速度v2度
以上で第3の領域であれば関数f3(v)、f3’
(v)に基づいて、比例ゲインKv、積分ゲインKiを
次の5式、6式によって求める(ステップS10,S1
1)。
以上で第3の領域であれば関数f3(v)、f3’
(v)に基づいて、比例ゲインKv、積分ゲインKiを
次の5式、6式によって求める(ステップS10,S1
1)。
【0026】 Kv=a3・vf+b3 ・・・(5) Ki=c3・vf+d3 ・・・(6) こうして求められた比例ゲインKv、積分ゲインKiに
基づいて、図2の要素11、要素13の処理及び加算処
理を行う。すなわち、次の7式の処理を行って速度ルー
プ処理の出力Eを求める(ステップS12)。 E=Kv(Vc−vf)+Ki・R ・・・(7) 次に、超音波モータ2の振動体の共振周波数f0以上の
周波数で、かつ、超音波モータ2の速度が「0」となる
周波数を電圧制御発振器3から出力する電圧の値Emか
ら、(ステップS12)で求めた速度ループ処理の出力
Eを減じて電圧制御発振器3への指令値Ecとする(ス
テップS13)。
基づいて、図2の要素11、要素13の処理及び加算処
理を行う。すなわち、次の7式の処理を行って速度ルー
プ処理の出力Eを求める(ステップS12)。 E=Kv(Vc−vf)+Ki・R ・・・(7) 次に、超音波モータ2の振動体の共振周波数f0以上の
周波数で、かつ、超音波モータ2の速度が「0」となる
周波数を電圧制御発振器3から出力する電圧の値Emか
ら、(ステップS12)で求めた速度ループ処理の出力
Eを減じて電圧制御発振器3への指令値Ecとする(ス
テップS13)。
【0027】速度ループ処理の出力が「0」の場合、電
圧制御発振器の入力電圧は上記電圧値Emに対応するア
ナログ電圧となり、超音波モータ2は停止状態にある。
そこで、位置指令Pc、若しくは図1に示す速度制御の
みの場合で速度指令Vcが出力され、速度ループの出力
Eが出力されると、電圧制御発振器3への入力電圧Ec
は減少し、出力周波数は減少する。これにより、超音波
モータ2の速度は上昇する。そして、速度が上昇するに
つれて、上述したように速度ループ処理の比例ゲインK
v、積分ゲインKiが変更され(速度が上昇するにつれ
てゲインは小さくなる)、速度ループ処理がなされる。
圧制御発振器の入力電圧は上記電圧値Emに対応するア
ナログ電圧となり、超音波モータ2は停止状態にある。
そこで、位置指令Pc、若しくは図1に示す速度制御の
みの場合で速度指令Vcが出力され、速度ループの出力
Eが出力されると、電圧制御発振器3への入力電圧Ec
は減少し、出力周波数は減少する。これにより、超音波
モータ2の速度は上昇する。そして、速度が上昇するに
つれて、上述したように速度ループ処理の比例ゲインK
v、積分ゲインKiが変更され(速度が上昇するにつれ
てゲインは小さくなる)、速度ループ処理がなされる。
【0028】なお、上記例では、図2に示す位置、速度
ループ制御処理を行う例の処理を説明したが、速度ルー
プ制御処理のみを実施する場合には、位置指令Pcの代
わりに速度指令Vcが制御用マイクロプロセッサ1に入
力されるものであるから、ステップS1では位置指令P
cの代わりに速度指令Vcが読み込まれ、又、速度指令
Vcはすでに読み込まれているので、ステップS3の処
理は必要がなく、ステップS2からステップS4に移行
する点が相違するのみである。
ループ制御処理を行う例の処理を説明したが、速度ルー
プ制御処理のみを実施する場合には、位置指令Pcの代
わりに速度指令Vcが制御用マイクロプロセッサ1に入
力されるものであるから、ステップS1では位置指令P
cの代わりに速度指令Vcが読み込まれ、又、速度指令
Vcはすでに読み込まれているので、ステップS3の処
理は必要がなく、ステップS2からステップS4に移行
する点が相違するのみである。
【0029】次に、超音波モータに印加する周波電圧の
周波数を変えるのではなく振幅を変えることによって該
モータの速度を制御する第2の実施形態について説明す
る。
周波数を変えるのではなく振幅を変えることによって該
モータの速度を制御する第2の実施形態について説明す
る。
【0030】超音波モータの速度と周波電圧の振幅Aの
関係は図6に示されるように非線形の関係にある。同じ
速度変化Δvでも低速時と高速時では、この速度変化Δ
vを起こさせるための振幅変化量ΔAは異なり、低速時
では小さな変化量ΔA1でよいが高速時では大きな変化
量ΔA2が要求される。そのため、この速度vに対する
振幅Aの特性に合わせて、速度ループの各ゲインKv,
Kiの大きさを調整し、同じ速度変化量(速度偏差)Δ
vでも、低速時には小さな振幅変化量ΔA1を指令でき
るようにゲインを小さく、高速領域では大きな振幅変化
量ΔA2が得られるようにゲインを大きくするようにす
ればよい。
関係は図6に示されるように非線形の関係にある。同じ
速度変化Δvでも低速時と高速時では、この速度変化Δ
vを起こさせるための振幅変化量ΔAは異なり、低速時
では小さな変化量ΔA1でよいが高速時では大きな変化
量ΔA2が要求される。そのため、この速度vに対する
振幅Aの特性に合わせて、速度ループの各ゲインKv,
Kiの大きさを調整し、同じ速度変化量(速度偏差)Δ
vでも、低速時には小さな振幅変化量ΔA1を指令でき
るようにゲインを小さく、高速領域では大きな振幅変化
量ΔA2が得られるようにゲインを大きくするようにす
ればよい。
【0031】そこで、超音波モータの速度に対する周波
電圧の振幅特性に合わせて、最適のゲインを図7に破線
で示すように求め、この速度vの関数としてのゲイン関
数によってゲインKv,Kiを求めるようにしてもよ
い。しかし、本実施形態ではこのゲイン関数曲線を直線
補間し、複数の直線で近似するようにしている。この実
施形態では、前述した第1の実施形態と同様に、速度v
によって3つの領域に分割し、速度v1以下の第1の領
域には、速度0から速度v1を直線式g1(v)で近似
し、速度v1から速度v2間での領域は直線式g2
(v)で、速度v2以上の領域は直線式g3(v)で近
似して速度vに対応するゲインKv,Kiを求めるよう
にした。
電圧の振幅特性に合わせて、最適のゲインを図7に破線
で示すように求め、この速度vの関数としてのゲイン関
数によってゲインKv,Kiを求めるようにしてもよ
い。しかし、本実施形態ではこのゲイン関数曲線を直線
補間し、複数の直線で近似するようにしている。この実
施形態では、前述した第1の実施形態と同様に、速度v
によって3つの領域に分割し、速度v1以下の第1の領
域には、速度0から速度v1を直線式g1(v)で近似
し、速度v1から速度v2間での領域は直線式g2
(v)で、速度v2以上の領域は直線式g3(v)で近
似して速度vに対応するゲインKv,Kiを求めるよう
にした。
【0032】図8は、この印加周波電圧の振幅によって
超音波モータの位置、速度を制御する第2の実施形態の
ブロック図である。
超音波モータの位置、速度を制御する第2の実施形態の
ブロック図である。
【0033】図2に示した第1の実施形態と相違する点
は、制御用マイクロプロセッサで構成される減算手段が
この第2の実施形態では、設けられていないことと、D
/A変換器15の出力が、駆動回路4に入力されている
こと、及び超音波モータに印加する周波電圧を発生する
発振器が前述した第1の実施形態では、電圧によってそ
の出力周波数を制御できる電圧制御発振器を用いたが、
この第2の実施形態では、出力周波数が一定の発振器6
を用いている点である。なお、図2に示した要素と同一
の要素は同一符号を付している。
は、制御用マイクロプロセッサで構成される減算手段が
この第2の実施形態では、設けられていないことと、D
/A変換器15の出力が、駆動回路4に入力されている
こと、及び超音波モータに印加する周波電圧を発生する
発振器が前述した第1の実施形態では、電圧によってそ
の出力周波数を制御できる電圧制御発振器を用いたが、
この第2の実施形態では、出力周波数が一定の発振器6
を用いている点である。なお、図2に示した要素と同一
の要素は同一符号を付している。
【0034】すなわち、指令された位置指令Pcから位
置検出器5で検出される位置のフィードバック情報Pf
を減じて位置偏差を求め、該位置偏差にポジションゲイ
ンKpを乗じて速度指令Vcを求め(要素16の処
理)、この速度指令Vcから位置検出器5の出力信号を
微分して(要素10の処理)求めれる速度フィードバッ
ク情報Vfを減じて速度偏差εを求める。この速度偏差
εに速度ループの比例ゲインKvを乗じた値と、速度偏
差を積分しその積分値に積分ゲインKiを乗じた値を加
算し速度ループ出力を求める(要素11、12、13の
速度ループ処理)。この出力をD/A変換器15でアナ
ログ信号に変換して駆動回路4に出力する。
置検出器5で検出される位置のフィードバック情報Pf
を減じて位置偏差を求め、該位置偏差にポジションゲイ
ンKpを乗じて速度指令Vcを求め(要素16の処
理)、この速度指令Vcから位置検出器5の出力信号を
微分して(要素10の処理)求めれる速度フィードバッ
ク情報Vfを減じて速度偏差εを求める。この速度偏差
εに速度ループの比例ゲインKvを乗じた値と、速度偏
差を積分しその積分値に積分ゲインKiを乗じた値を加
算し速度ループ出力を求める(要素11、12、13の
速度ループ処理)。この出力をD/A変換器15でアナ
ログ信号に変換して駆動回路4に出力する。
【0035】この第2の実施形態では、前述したよう
に、発振器6からは一定の所定周波数の周波電圧が出力
される。駆動回路4ではこの周波電圧の振幅をD/A変
換器15から出力される信号に基づいて増幅し、この振
幅の増幅された周波電圧のよって超音波モータ2は駆動
され、その速度が制御されることになる。
に、発振器6からは一定の所定周波数の周波電圧が出力
される。駆動回路4ではこの周波電圧の振幅をD/A変
換器15から出力される信号に基づいて増幅し、この振
幅の増幅された周波電圧のよって超音波モータ2は駆動
され、その速度が制御されることになる。
【0036】この第2の実施形態における制御用マイク
ロプロセッサ1の位置、速度ループ処理周期ごとの処理
は、前述した第1の実施形態の処理を示す図3とほぼ同
じであるが、図1、図2における減算処理がないことか
ら、これに対応するステップS13の処理がこの第2の
実施形態では必要がないこと。そして、他の処理のステ
ップS1からステップS12の処理は第1の実施形態と
同じであるが、ただし、前述したように、速度を3つの
領域に分割した分割点の速度v1、v2、v3の値、及
び各領域の速度に対するゲインKv,Kiを現す関数g
1(v)、g1’(v)、g2(v)、g2’(v)、
g3(v)、g3’(v)が異なり、ステップS6〜ス
テップS11の直線式の係数a1〜a3、b1〜b3、
c1〜c3、d1〜d3が異なるのみである。
ロプロセッサ1の位置、速度ループ処理周期ごとの処理
は、前述した第1の実施形態の処理を示す図3とほぼ同
じであるが、図1、図2における減算処理がないことか
ら、これに対応するステップS13の処理がこの第2の
実施形態では必要がないこと。そして、他の処理のステ
ップS1からステップS12の処理は第1の実施形態と
同じであるが、ただし、前述したように、速度を3つの
領域に分割した分割点の速度v1、v2、v3の値、及
び各領域の速度に対するゲインKv,Kiを現す関数g
1(v)、g1’(v)、g2(v)、g2’(v)、
g3(v)、g3’(v)が異なり、ステップS6〜ス
テップS11の直線式の係数a1〜a3、b1〜b3、
c1〜c3、d1〜d3が異なるのみである。
【0037】この第2の実施形態の処理は、第1の実施
形態の処理とほとんど同じであるので、簡単に説明す
る。位置指令Pcと位置フィードバック値Pfを読み速
度フィードバック値vfを求め、位置指令Pcから位置
フィードバック値Pfを減じた値にポジションゲインK
pを乗じて速度指令Vcを求め、この速度指令Vcから
速度フィードバック値vfを減じた値をレジスタRに加
算し速度偏差の積分値を求める。次に、速度フィードバ
ック値vfと速度領域を区分する設定速度v1,v2と
比較し、設定速度v1以下であれば関数g1(v)、g
1’(v)、に基づいて速度ループの比例ゲインKv、
積分ゲインKiを求め、速度フィードバック値vfがv
1<vf<v2であると、関数g2(v)、g2’
(v)に基づいて、比例ゲインKv、積分ゲインKiを
求め、v2≦vfであると、関数g3(v)、g3’
(v)に基づいて比例ゲインKV、積分ゲインKiを求
め。そして、こうして求められたゲインKv,Kiによ
り、速度ループ処理を行う。すなわち、速度指令Vcに
速度フィードバック値vfを減じた値に比例ゲインKv
を乗じた値と、前記レジスタRに積算された速度偏差の
積分値に積分ゲインKiを乗じた値を加算して、駆動回
路4への出力値Ecを求め、この出力値EcをD/A変
換器15でアナログ信号に変換し、この信号によって駆
動回路4の増幅度を制御し、発振器6から出力される周
波電圧の振幅を制御して超音波モータ2の速度vを制御
する。
形態の処理とほとんど同じであるので、簡単に説明す
る。位置指令Pcと位置フィードバック値Pfを読み速
度フィードバック値vfを求め、位置指令Pcから位置
フィードバック値Pfを減じた値にポジションゲインK
pを乗じて速度指令Vcを求め、この速度指令Vcから
速度フィードバック値vfを減じた値をレジスタRに加
算し速度偏差の積分値を求める。次に、速度フィードバ
ック値vfと速度領域を区分する設定速度v1,v2と
比較し、設定速度v1以下であれば関数g1(v)、g
1’(v)、に基づいて速度ループの比例ゲインKv、
積分ゲインKiを求め、速度フィードバック値vfがv
1<vf<v2であると、関数g2(v)、g2’
(v)に基づいて、比例ゲインKv、積分ゲインKiを
求め、v2≦vfであると、関数g3(v)、g3’
(v)に基づいて比例ゲインKV、積分ゲインKiを求
め。そして、こうして求められたゲインKv,Kiによ
り、速度ループ処理を行う。すなわち、速度指令Vcに
速度フィードバック値vfを減じた値に比例ゲインKv
を乗じた値と、前記レジスタRに積算された速度偏差の
積分値に積分ゲインKiを乗じた値を加算して、駆動回
路4への出力値Ecを求め、この出力値EcをD/A変
換器15でアナログ信号に変換し、この信号によって駆
動回路4の増幅度を制御し、発振器6から出力される周
波電圧の振幅を制御して超音波モータ2の速度vを制御
する。
【0038】この第2の実施形態においても、位置ルー
プ制御を行わないときは、第1の実施形態と同様に、位
置指令の代わりに速度指令を読み込み、ステップS3の
処理は必要とせず、ステップS4以下の処理を実行する
のみとなる。
プ制御を行わないときは、第1の実施形態と同様に、位
置指令の代わりに速度指令を読み込み、ステップS3の
処理は必要とせず、ステップS4以下の処理を実行する
のみとなる。
【0039】又、上述した第1、第2の実施形態では、
超音波モータ2の実速度、すなわち速度フィードバック
値に基づいて、速度ループ制御のゲインを変更するよう
にしたが、この超音波モータの実速度の代わりに速度指
令を用いてもよい。又、上記各実施形態では、速度ルー
プの比例ゲイン、積分ゲインを共に速度に応じて変更す
るようにしたが、どちらか一方のゲインのみを調整して
最適ゲインを得るようにしてもよい。
超音波モータ2の実速度、すなわち速度フィードバック
値に基づいて、速度ループ制御のゲインを変更するよう
にしたが、この超音波モータの実速度の代わりに速度指
令を用いてもよい。又、上記各実施形態では、速度ルー
プの比例ゲイン、積分ゲインを共に速度に応じて変更す
るようにしたが、どちらか一方のゲインのみを調整して
最適ゲインを得るようにしてもよい。
【0040】
【発明の効果】本発明は、超音波モータの速度に応じて
速度ループゲインを変更し操作量である超音波モータに
印加する周波電圧の周波数や振幅を変え、指令速度に線
形に超音波モータの速度が追従するようにしたから、速
度制御が正確となる。又、超音波モータの速度に対する
周波電圧の周波数や振幅の関係に基づいて、速度に対す
る速度ループの最適ゲインカーブを直線補間して近似
し、各速度に応じたゲインを求めることによって、簡単
な処理で最適の速度制御を得ることができる。又、この
速度ループ制御を内包した位置ループ制御を行えば、高
精度の位置制御も可能となる。
速度ループゲインを変更し操作量である超音波モータに
印加する周波電圧の周波数や振幅を変え、指令速度に線
形に超音波モータの速度が追従するようにしたから、速
度制御が正確となる。又、超音波モータの速度に対する
周波電圧の周波数や振幅の関係に基づいて、速度に対す
る速度ループの最適ゲインカーブを直線補間して近似
し、各速度に応じたゲインを求めることによって、簡単
な処理で最適の速度制御を得ることができる。又、この
速度ループ制御を内包した位置ループ制御を行えば、高
精度の位置制御も可能となる。
【図1】本発明の第1の実施形態における超音波モータ
の速度制御のブロック図である。
の速度制御のブロック図である。
【図2】位置制御をも実行する際の第1の実施形態にお
けるブロック図である。
けるブロック図である。
【図3】同第1の実施形態における制御用マイクロプロ
セッサの位置、速度ループ制御処理のフローチャートで
ある。
セッサの位置、速度ループ制御処理のフローチャートで
ある。
【図4】超音波モータの速度を該超音波モータに印加さ
れる周波電圧の周波数で制御する際の、速度と周波数の
関係特性を現す説明図である。
れる周波電圧の周波数で制御する際の、速度と周波数の
関係特性を現す説明図である。
【図5】本発明の第1の実施形態(周波数による速度制
御)における超音波モータの速度に対する速度ループの
ゲインの関係を現す図である。
御)における超音波モータの速度に対する速度ループの
ゲインの関係を現す図である。
【図6】超音波モータの速度を該超音波モータに印加さ
れる周波電圧の振幅で制御する際の、速度と振幅の関係
特性を現す説明図である。
れる周波電圧の振幅で制御する際の、速度と振幅の関係
特性を現す説明図である。
【図7】本発明の第2の実施形態(振幅による速度制
御)における超音波モータの速度に対する速度ループの
ゲインの関係を現す図である。
御)における超音波モータの速度に対する速度ループの
ゲインの関係を現す図である。
【図8】本発明の第2の実施形態における超音波モータ
の速度制御のブロック図である。
の速度制御のブロック図である。
1 制御用マイクロプロセッサ 2 超音波モータ 3 電圧制御発信器 4 駆動回路 5 位置検出器 6 発振器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−18453(JP,A) 特開 平11−18454(JP,A) 特開 平10−248276(JP,A) 特開 平6−237584(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00 G05B 13/02 G05D 13/62
Claims (4)
- 【請求項1】 速度指令と超音波モータの速度検出情報
に基づいて速度ループ制御を行うにあたり、前記超音波
モータに供給する周波電圧の周波数を制御して速度を制
御する超音波モータの速度制御方法において、前記速度ループ制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少な
くとも一方について、前記超音波モータの複数の速度値
のそれぞれに対するゲイン最適値を求め、該ゲイン最適
値間を線形補間した速度に対するゲインの関数を生成
し、速度制御時に超音波モータへの前記速度指令若しく
は前記速度検出情報に対応したゲインを前記ゲイン関数
から求め、速度制御ループのゲインとして速度ループ制
御を行うことを特徴とする超音波モータの速度制御方
法 。 - 【請求項2】 速度指令と超音波モータの速度検出情報
に基づいて速度ループ制御を行うにあたり、前記超音波
モータに供給する周波電圧の振幅を制御して速度を制御
する超音波モータの速度制御方法において、前記速度ループ制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少な
くとも一方について、前記超音波モータの複数の速度値
のそれぞれに対するゲイン最適値を求め、該ゲイン最適
値間を線形補間した速度に対するゲインの関数を生成
し、速度制御時に超音波モータへの前記速度指令若しく
は前記速度検出情報に対応したゲインを前記ゲイン関数
から求め、速度制御ループのゲインとして速度ループ制
御を行うことを特徴とする超音波モータの速度制御方
法。 - 【請求項3】 速度指令と超音波モータの速度検出情報
に基づいて速度ループ制御を行うにあたり、前記超音波
モータに供給する周波電圧の周波数を制御して速度を制
御する超音波モータの速度制御装置において、 前記速度ループ制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少な
くとも一方について、前記超音波モータの複数の速度値
のそれぞれに対するゲイン最適値を求め、該ゲイン最適
値間を線形補間した速度に対するゲインの関数を生成
し、速度制御時に超音波モータへの前記速度指令若しく
は前記速度検出情報に対応したゲインを前記ゲイン関数
から求め、速度制御ループのゲインとして速度ループ制
御を行うことを特徴とする超音波モータの速度制御装
置。 - 【請求項4】 速度指令と超音波モータの速度検出情報
に基づいて速度ルー プ制御を行うにあたり、前記超音波
モータに供給する周波電圧の振幅を制御して速度を制御
する超音波モータの速度制御装置において、 前記速度ループ制御の比例ゲイン及び積分ゲインの少な
くとも一方について、前記超音波モータの複数の速度値
のそれぞれに対するゲイン最適値を求め、該ゲイン最適
値間を線形補間した速度に対するゲインの関数を生成
し、速度制御時に超音波モータへの前記速度指令若しく
は前記速度検出情報に対応したゲインを前記ゲイン関数
から求め、速度制御ループのゲインとして速度ループ制
御を行うことを特徴とする超音波モータの速度制御装
置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11016560A JP3078273B2 (ja) | 1999-01-26 | 1999-01-26 | 超音波モータの速度制御方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11016560A JP3078273B2 (ja) | 1999-01-26 | 1999-01-26 | 超音波モータの速度制御方法及び装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000217375A JP2000217375A (ja) | 2000-08-04 |
JP3078273B2 true JP3078273B2 (ja) | 2000-08-21 |
Family
ID=11919677
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11016560A Expired - Fee Related JP3078273B2 (ja) | 1999-01-26 | 1999-01-26 | 超音波モータの速度制御方法及び装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3078273B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003295904A (ja) * | 2002-03-29 | 2003-10-17 | Honda Motor Co Ltd | プラントの制御装置 |
-
1999
- 1999-01-26 JP JP11016560A patent/JP3078273B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003295904A (ja) * | 2002-03-29 | 2003-10-17 | Honda Motor Co Ltd | プラントの制御装置 |
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---|---|
JP2000217375A (ja) | 2000-08-04 |
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