JP3200908B2 - 電動機の停止角度制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電動機の停止角度を制
御する停止角度制御方法及び該方法を実施するために用
いる制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】逆転可能な電動機を用いて負荷を駆動す
る場合に、負荷を任意の位置に停止させるため、図２に
示すような電動機の停止角度制御装置が用いられてい
る。

【０００３】図２において１は制御対象としての電動
機、２は電動機の目標停止角度を設定する目標回転角度
設定器、３は電動機の出力軸の回転角度を検出する回転
角度検出器、４は電動機の回転数を検出する回転数検出
器である。回転角度検出器３は電動機が一定の角度（単
位角度）回転する毎に検出パルスを発生する検出器で、
この回転角度検出器としては、通常ロータリエンコーダ
が用いられる。また回転数検出器は、電動機の回転数に
比例した信号を出力するもので、一般にはこの回転数検
出器としてタコジェネレータが用いられている。

【０００４】５は回転角度検出器３から得られる検出パ
ルスを入力として、電動機の現在の回転角度を演算する
回転角度演算手段で、この演算手段は例えば回転数検出
器から得られる検出パルスを計数するカウンタと、該カ
ウンタの計数値に単位角度を乗算する乗算器とから構成
される。６は回転数検出器４の出力から電動機の回転数
（ｒｐｍ）を演算する回転数演算手段で、回転角度演算
手段５の出力及び回転数演算手段６の出力は電動機出力
演算部７´に与えられている。

【０００５】電動機出力演算部７´は、目標回転角度設
定器２により設定された目標回転角度と回転角度演算手
段により演算された現在の回転角度との偏差を求めて、
各回転数において該偏差を零にするために必要な電動機
の出力を演算する。電動機出力演算部７´の出力は電動
機駆動部８に与えられ、該電動機駆動部８から電動機１
に、演算された出力を発生させるために必要な駆動電流
が与えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図２に示した従来の制
御装置では、回転角度検出器３と回転数検出器４との２
つの検出器を電動機に取り付ける必要があるため、コス
トが高くなるだけでなく、電動機ユニットが大形になる
という問題があった。

【０００７】図２に示した制御装置において、回転数検
出器４を省略して、回転角度検出器から得られる検出パ
ルスを回転数演算手段６に与えて、該検出パルスの発生
間隔から回転数を演算することも考えられる。しかしな
がら、電動機を目標回転角度で停止させるように制御す
る場合にこのような回転数の検出方法を採用すると以下
に示すような問題があった。

【０００８】回転角度検出器から各検出パルスが発生
してから次の検出パルスが発生するまで電動機の回転数
を演算できないため、回転数が低く、検出パルスの発生
間隔が長くなる領域で回転数の検出を的確に行うことが
できない（回転数の検出が間に合わない）。

【０００９】回転数が低い領域では、電動機の回転数
の微視的な変動が大きいため、回転数の検出誤差が大き
くなる。

【００１０】回転数の検出値から電動機が停止したこ
との判断を行うことができない。

【００１１】本発明の目的は、回転数検出器を用いるこ
となく、電動機の停止角度を的確に制御することができ
るようにした電動機の停止角度制御方法及び該方法を実
施するために用いる制御装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定の負荷を
駆動する電動機の回転角度と目標回転角度との偏差を検
出し、偏差を零にするように電動機を制御して、該偏差
が零になったときに電動機を停止させる電動機の停止角
度制御方法に係わるものである。

【００１３】本発明においては、電動機が一定の角度回
転する毎にリセットされる計時手段を設けておき、上記
偏差に第１のゲインを乗算して第１の出力を演算する第
１の演算と、計時手段による時間の計測値に第２のゲイ
ンを乗算して第２の出力を演算する第２の演算とを行っ
て、電動機が第１の出力と第２の出力との和に相当する
出力を発生するように電動機を駆動する。

【００１４】上記第１のゲインは電動機の目標回転角度
と現在の回転角度との偏差を零にするために必要な電動
機出力を偏差の関数として求める場合に、偏差に乗ずる
係数で、定数でもよく、偏差に応じて変化する変数でも
よい。

【００１５】また第２のゲインは負荷の静止トルクに抗
して電動機を起動させるために必要な電動機出力を時間
の関数として求める場合に、時間に乗ずる係数で、定数
でもよく、時間に応じて変化する変数でもよい。

【００１６】本発明では、電動機の回転角度と目標回転
角度との偏差が設定値以下になったときに上記第１の出
力により決まる電動機の出力トルクが負荷の静止トルク
以下になり、電動機が停止して計時手段による時間の計
測値が所定の大きさを超えた時に電動機の出力トルクが
静止トルクを超えるように第１及び第２のゲインを設定
する。

【００１７】上記の方法を実施する本発明の制御装置
は、図１に示したように、所定の負荷を駆動する電動機
１の目標回転角度を設定する目標回転角度設定器２と、
電動機が一定の角度回転する毎に検出パルスを出力する
回転角度検出器３と、検出パルスを入力として電動機の
回転角度を演算する回転角度演算手段５と、回転角度演
算手段５により演算された回転角度と目標回転角度設定
器２により設定された目標回転角度との偏差を零にする
ために必要な電動機の出力を演算する電動機出力演算部
７と、電動機が電動機出力演算部により演算された出力
を発生するように該電動機に駆動電流を供給する電動機
駆動部８とを備えている。

【００１８】本発明においては、検出パルスが発生する
毎にリセットされる計時手段９を設け、電動機出力演算
部を、偏差に第１のゲインを乗算して第１の出力を演算
する第１の演算手段７Ａと、計時手段９による時間の計
測値に第２のゲインを乗算して第２の出力を演算する第
２の演算手段７Ｂと、該第１の出力と第２の出力とを加
算する加算手段７Ｃとにより構成する。第１のゲイン及
び第２のゲインの設定の仕方は前記と同様である。

【００１９】尚当然のことながら、回転角度位置が目標
停止位置に一致して偏差が零になったときには電動機を
停止させる必要があるが、電動機を停止させるには、例
えば偏差が零になったときに電動機駆動部に停止指令を
出して電動機への駆動電流の供給を強制的に停止させる
ようにしてもよく、また偏差が零になったときに例えば
計時手段９による計時動作を停止させて、時間の計測値
を零にすることにより電動機出力演算部７が演算する電
動機出力を零にするようにしてもよい。

【００２０】

【作用】上記のように構成すると、電動機の出力は下記
の式で与えられる。

【００２１】 電動機出力＝δ×Ｇ1 ＋Ｔ×Ｇ2 …（１） ここでδは電動機の現在の回転角度位置と目標回転角度
との偏差、Ｔは計時手段による時間の計測値、Ｇ1 は第
１のゲイン、Ｇ2 は第２のゲインである。

【００２２】目標回転角度が設定されて偏差δが現れる
と、上記（１）式の第１項により決まる出力を発生する
ように電動機が駆動される。電動機が回転しているとき
には計時手段が一定の回転角度（微小角度）毎にリセッ
トされるため、該計時手段による時間の計測値はほぼ零
である。そのため電動機が回転しているときには、上記
（１）式の第２項はほぼ零である。

【００２３】電動機の回転角度が目標回転角度に近付い
て、偏差が設定値以下になると、（１）式の第１項によ
り決まる電動機の出力トルクが負荷の静止トルク以下に
なるため電動機が一旦停止する。電動機が停止すると、
計時手段がリセットされ無くなるため、該計時手段によ
る時間Ｔの計測値が増大していき、該計測値が所定の大
きさを超えると電動機が再起動する。電動機が再起動し
た後一定の回転角度回転すると、回転角度検出器３が検
出パルスを発生するため、計時手段９がリセットされて
その時間計測値が零になり、電動機が停止する。これら
の動作が繰り返されるため、電動機の回転角度位置（負
荷の位置）は、一定の回転角度ずつ段階的に目標回転角
度位置に近付いていき、電動機の回転角度位置と目標回
転角度との偏差δが零に近付いていく。偏差が零になる
と電動機が停止する。

【００２４】上記の構成において、計時手段９を省略し
て、（１）式の第１項のみを用いて制御を行うことも考
えられるが、この場合、第１のゲインが小さいと、偏差
が零に近付いたときに電動機の出力が不足して停止して
しまうため、図３（Ａ）の曲線ａのように不足制御とな
って偏差を零にすることができない。また第１のゲイン
を大きくすると、図３（Ａ）の曲線ｂのように過制御と
なって目標回転角度を中心にして発振し、電動機の回転
角度を目標回転角度に収束させることができなくなる。

【００２５】これに対し、本発明のように（１）式の第
１項及び第２項を用いて制御を行わせると、第１のゲイ
ンは、制御系を振動させる恐れがある大きさよりも十分
低く設定することができる。しかも、回転角度が目標回
転角度に近付いて電動機が一旦停止した後は、（１）式
の第２項を用いて、電動機の回転角度が目標回転角度に
一致するまで該電動機を間欠的に駆動するので、図３
（Ｂ）の曲線ｂのように偏差を確実に零にすることがで
きる。尚図３（Ｂ）の曲線ａは（１）式の第１項のみに
より制御を行った場合の特性を示している。

【００２６】

【実施例】図１の制御装置を実現するに当り、回転角度
検出器３としては、ロータリエンコーダ等、電動機が一
定角度回転する毎にパルスを発生するものを用いればよ
く、その構成は任意である。

【００２７】計時手段９は例えば、一定の周波数のクロ
ックパルスを発生する発振器と、該クロックパルスを計
数して回転角度検出器３が検出パルスを発生する毎にリ
セットされるカウンタとにより構成できる。

【００２８】回転角度位置演算手段５は、回転角度検出
器３が出力する検出パルスを計数するカウンタと、該カ
ウンタの計数値を記憶するメモリとにより構成できる。

【００２９】電動機出力演算部７の各演算手段はコンピ
ュータを用いて実現することができる。

【００３０】電動機駆動部８は、電動機出力演算部７に
より演算された電動機出力に応じた駆動電流を電動機に
流す回路であればよく、演算された電動機出力に応じて
デューティ比が変るパルス電流を電動機に供給するよう
にした回路や、演算された電動機出力に応じて電動機の
駆動電流を位相制御するようにした回路などを用いるこ
とができる。

【００３１】電動機出力演算部７をコンピュータにより
実現する場合の制御アルゴリズムの一例を示すフローチ
ャートを図４に示した。このフローチャートに従う場合
には、制御開始指令が与えられたときにまず各部（メモ
リ等）の初期化を行い、次いで動作停止指令が与えられ
ているか否かをチェックする。動作停止指令が与えられ
ていない場合には、目標停止位置θo のデータと現在の
回転角度位置θx のデーとを読み込み、更に計時手段に
より時間の計測値Ｔを読み込む。次いで偏差δを演算
し、δが零でない場合には、Ａ＝δ×Ｇ1 ［（１）式の
第１項］、Ｂ＝Ｔ×Ｇ2 ［（１）式の第２項］及びＣ＝
Ａ＋Ｂを演算する。次いで電動機駆動部８に電動機出力
Ｃに相当する駆動電流の供給を指令し、電動機を駆動す
る。その後目標回転角度θo のデータを読み込む過程以
下を繰り返し、偏差δが零になったときに駆動電流の供
給を停止させる。

【００３２】尚（１）式により制御を行う代りに、下記
の式（２）を用いて電動機の出力を求めることによって
も、回転角度検出器のみを用いて停止位置の制御を行う
ことができる。

【００３３】

【数１】 （２）式の比例ゲインは、偏差_n を零にするために必要
な電動機出力を偏差_n の関数として用いる場合に該偏差
_n に乗ずる比例定数である。また積分ゲインは、偏差の
積分値の関数として、該偏差を零にするために必要な電
動機出力を演算する場合に偏差の積分値に乗ずる係数で
ある。更に微分ゲインは、偏差の微小変化分（偏差_n-1
−偏差_n ）の関数として、制御の応答性を向上させるた
めに必要な電動機出力を求める場合に、該偏差の微小変
化分（偏差_n-1 −偏差_n ）に乗じる係数である。

【００３４】上記（２）式による場合には、回転角度を
ＰＩＤ制御することになるため、不足制御または過制御
になることなく、図３（Ｂ）の曲線ｂのような的確な制
御を行うことができる。しかしながらこの場合には、演
算時間が長くかかるため、本発明に比べて整定時間が長
くなるのを避けられない。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、偏差を
零にするように電動機出力を制御して電動機の回転角度
を目標回転角度に近付けた時点で一旦電動機を停止させ
て、以後電動機を一定の回転角度ずつ間欠的に駆動する
ことによりその回転角度位置を段階的に目標回転角度に
到達させるようにしたので、偏差を零にするために必要
な電動機出力を決定するためのゲインを比較的小さく設
定して、制御系の発振を防ぎ、安定な制御を行わせるこ
とができる。また回転角度が目標回転角度に一致するま
で電動機を間欠的に駆動するので、偏差を確実に零にす
ることができ、検出器として回転角度検出器のみを用い
て的確な停止角度制御を行うことができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の全体的な構成を示すブロック
図である。

【図２】従来の制御装置の全体的な構成を示したブロッ
ク図である。

【図３】（Ａ）は従来の制御装置による場合の制御特性
を示す線図である。（Ｂ）は本発明の実施例による場合
の制御特性を示す線図である。

【図４】本発明の実施例の制御アルゴリズムの一例を示
したフローチャートである。

【符号の説明】

１…電動機、２…目標回転角度設定器、３…回転角度検
出器、５…回転角度演算手段、７…電動機出力演算部、
８…電動機駆動部、９…計時手段。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の負荷を駆動する電動機の回転角度と
   目標回転角度との偏差を検出し、前記偏差を零にするよ
   うに電動機を制御して、該偏差が零になったときに電動
   機を停止させる電動機の停止角度制御方法において、 前記電動機が一定の角度回転する毎にリセットされる計
   時手段を設けておき、 前記偏差に第１のゲインを乗算して第１の出力を演算す
   る第１の演算と、前記計時手段による時間の計測値に第
   ２のゲインを乗算して第２の出力を演算する第２の演算
   とを行って、前記電動機が前記第１の出力と第２の出力
   との和に相当する出力を発生するように前記電動機を駆
   動し、 前記偏差が設定値以下になったときに前記第１の出力に
   より決まる電動機の出力トルクが負荷の静止トルク以下
   になり、前記電動機が停止して前記計時手段による時間
   の計測値が所定の大きさを超えた時に前記電動機の出力
   トルクが前記静止トルクを超えるように前記第１及び第
   ２のゲインを設定することを特徴とする電動機の停止角
   度制御方法。
2. 【請求項２】所定の負荷を駆動する電動機の目標回転角
   度を設定する目標角度設定器と、前記電動機が一定の角
   度回転する毎に検出パルスを出力する回転角度検出器
   と、前記検出パルスを入力として電動機の回転角度を演
   算する回転角度演算手段と、前記回転角度演算手段によ
   り演算された回転角度と前記目標回転角度設定器により
   設定された目標回転角度との偏差を零にするために必要
   な前記電動機の出力を演算する電動機出力演算部と、前
   記電動機が前記電動機出力演算部により演算された出力
   を発生するように該電動機を駆動する電動機駆動部とを
   備えた電動機の停止角度制御装置において、 前記検出パルスが発生する毎にリセットされる計時手段
   を備え、 前記電動機出力演算部は、前記偏差に第１のゲインを乗
   算して第１の出力を演算する第１の演算手段と、前記計
   時手段による時間の計測値に第２のゲインを乗算して第
   ２の出力を演算する第２の演算手段と、該第１の出力と
   第２の出力とを加算する加算手段とを備え、 前記偏差が設定値以下になったときに前記第１の出力に
   より決まる電動機の出力トルクが負荷の静止トルク以下
   になり、前記電動機が停止して前記計時手段による時間
   の計測値が所定の大きさを超えた時に前記電動機の出力
   トルクが前記静止トルクを超えるように前記第１及び第
   ２のゲインが設定されていることを特徴とする電動機の
   停止角度制御装置。