JPS59169376A - 速度サ−ボ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は速度サーボ制御装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 第１図は従来の速度サーボ制御装置のブロック図である
。第２図は前記速度サーボ制御装置の各部の動作波形を
示すものである。第１図で１０１はマイクロコンピュー
タ、１０２はモータドライブ回路、１０３はモータ、１
ｏ４はインクリメンタル型エンコーダ、１ｏ５はパルス
処理回路、１０６は速度カウンタ、１ｏ７は速度カウン
タレジスタ、１ｏ８はマイクロコンピュータ内部の比例
積分微分演算回路である。

速度検出器としてはインクリメンタル型エンコ−ダをモ
ータに接続して使用しており前記インクリメンタル型エ
ンコーダからの９０度位相差の異なる２相矩形波信号を
パルス処理回路を通して速度に比例したパルス列を発生
させて前記パルス列を速度カウンタに入力している。前
記速度カウンタは一定のサンプリング周期Ｔｓでパルス
列をカウントするようになっていて前記速度カウンタの
値はサンプリング周期ごとに速度カウンタレジスタに収
められる。マイクロコンピュータは一定の動作周期ＴＭ
で前記速度カウンタレジスタを読凍行きモータの動作速
度１）ｆを検出し指令速度ｖｒと比較し比例積分微分演
算処理を行ない指令信号としてモータドライブ回路に出
力しモータを駆動する。速度カウンタのサンプリング周
期Ｔｓはマイクロコンピュータの動作周期ＴＭのｍ倍（
ｍは整勿であシ同期しで動作している。

第２図は前記速度サーボ制御装置の各部の検出速度を示
している。速度カウンタによって検出された速度１）ｆ
は実際のモータの速度ｖＭと違いサンプリング周期Ｔｓ
ごとに階段状になる。マイクロコンピータは前記速度カ
ウンタと同期して動作し速度カウンタの値が速度カウン
タレジスタに収められた時点Ｔｍで速度カウンタレジス
タの値を読み取りモータの動作速度７）ｆ′ｆ：検出指
令速度ｖｒと比較し比例積分微分演算処理を行ないＴｒ
ｎ十Δτ時点（ΔＴはＴＭと等しい）でマイクロコンピ
ュータは指令信号をモータドライブ回路に出力しモ〜り
を駆動する。Ｔｍ時点壕ではマイクロコンピュータは指
令信号としてＴｒｎ＋Δτ時点に出力したものと同じ信
号を出力する。Ｔｍ時点からＴｍ＋１時点種でマイクロ
コンピュータ内で使用されるサンプリング速度は’ｌ）
ｆ　（Ｔｍ）であるが実際のモータの速度は前記ｖｆ（
Ｔｍ）とは異なっており、指令信号を出力する時点Ｔｍ
＋ΔＴではマイクロコンピュータの動作周期ＴＭたけ経
過したモータの速度となっている。また第２図において
Ｔ。＋１時点までの実際のモータの速度もＴｍ時点にサ
ンプリングした速度υｆ　（Ｔｍ）とは大きく異なった
ものとなっている。これの顕著な例としてモータの動作
方向が反転するＴｍ８１時点からＴｍ＋２時点までのモ
ータの動きについて考えるならばＴｍ＋１時点で速度カ
ウンタに取シ込まれた速度ｖｆ（Ｔｒｎ＋１）は正の値
を示しているが実際にマイクロコンピュータがｖｆ（Ｔ
ｒｎ＋１）を読み込んで演算処理をした後指令信号とし
てモータドライブ回路に出力する時点Ｔｍ＋１＋バでは
モータの速度は零に近い状態でありＴｍ　＋　２時点に
おいてはモータの速度は負の値を示しているが指令信号
はＴｍ＋１時点のサンプリングされた速度ｖｆ（Ｔｍ＋
１）を使用しているために制御系としては正帰還となり
従来の速度サーボ制御方式は応答性及び安定性の面で悲
くなるという問題点を有していた。

また速度サーボ制御系の分解能について考えるならば分
解能を増やすには １　インクリメンタル型エンコーダの１回転当りの出力
パルス数を増加させる。

２　速度サンプリング周期を大きくする。

方法が考えられたが前記１の方法についてはインクリメ
ンタル型エンコーダの値段が著しく高くなるという問題
があり、また２の方法については前記に示したように低
速でのモータの検出速度とモータの実際の動作速度が速
度のサンプリング周期を増やしたために大きく異なり速
度制御系が不安定になるという問題を有していた。

発明の目的 本発明は上記欠点に鑑み、制御系の応答性及び安定性を
向上させ、しかも速度のサンプリング時間を増加させて
も低速での速度制御が安定にてき、速度制御可能な範囲
が広くなり速度分解能をふやす事ができ、さらに従来の
速度サーボ制御装置と速度分解が同じであれば速度サン
プリング時間をふやす事によりインクリメンタル型エン
コーダの１回転当りのパルス数を減らす事が可能となり
、前記インクリメンタル型エンコーダの低価格化を実現
できる速度サーボ制御装置を提供することを目的とする
。

発明の構成 本発明は負荷を回転させるモータと、前記モータの速度
を検出するためにモ〜りに接続されたインクリメンタル
型エンコーダと、前記インクリメンタル型エンコーダか
らの９０度位相の異なった２相矩形波信号を入力としモ
ータの速度に比例したパルス列を発生させるパルス処理
回路と、前記パルス処理回路の出力パルス列を入力とす
る速度カウンタと、前記速度カウンタの値を一定時間保
存しておく速度カウンタレジスタと、前記速度カウンタ
レジスタの値を一定の周期で読み込むマイクロコンピュ
ータと、前記マイクロコンピュータの内部においては前
記速度カウンタレジスタの値と過去に読み込んた速度カ
ウンタレジスタの値あるいは後述する速度予測演算回路
により予測した速度とからマイクロコンピータの中で計
算したモータの加速度の１次微分値と加速度の２次微分
値と、前記マイクロコンピュータが過去に出力した指令
信号から計算したモータの両端に印加される電圧の微分
値と、前記速度カウンタレジスタの値から実際のモータ
の速度を予測する速度予測演算回路と、速度カウンタレ
ジスタの値とその時点での速度予測演算回路の値との誤
差を用い前記速度予測演算回路の値を補正する速度補正
回路と、前記マイクロコンピュータ内部において前記速
度補正回路の速度値を用い指令速度と比較し比例積分微
分演算を行なう演算処理回路と、前記演算処理回路の出
力を入力とし前記モータを駆動するモータドライブ回路
とで構成されている。又、前記速度サーボ制御装置の始
動は従来の速度サーボ制御装置で行ない速度カウンタレ
ジスタの値を前記マイクロコンピュータが４回読み込ん
だ時点で速度予測演算回路が動き過去２回に指令信号と
して出力した値から計算したモータの両端に印加される
電圧の微分値と過去４回に読み込んだ速度カウンタレジ
スタの値から計算したモータの加速度の１次微分値及び
加速度の２次微分値とから次にマイクロコンピュータが
指令信号を出す時点での速度変動分を計算しモータの実
際の速度の予測を行ない次にマイクロコンピュータ内部
で指令速度と比較し比例積分微分演算をし指令信号とし
てモータドライブ回路に出力し゛、前記モータの駆動を
行ない次に速度予測演算回路においては過去３回の速度
カウンタレジスタの値及び速度予測演算回路によシ予測
した速度から計算したモータの加速度の１次微分値及び
加速度の２次微分値と過去２回に出力した指令信号から
計算したモータの両端に印加される電圧の微分値から次
に指令信号を出力する時点での速度変動分を計算しモー
タの予測速度を出力し、前記と同様にその予測速度を基
にしてマイクロコンピュータ内部で指令信号を作りモー
タを駆動する。以下同様の動作を次に速度をサンプルす
る時点脣で繰り返し定常状態において速度予測演算回路
は過去２回の出力した指令信号から計算したモータの両
端に印加された電圧の微分値と過去４回の速度補正回路
の出力値または速度カウンタレジスタの値から計算した
モータの加速度の１次微分値及び加速度の２次微分値と
からマイクロコンピュータが次に指令信号を出力する時
点での速度変動分を計算してモータの動作速度を予測し
、さらに速度補正回路内で速度カウントレジスタの値と
その時点での速度補正回路の値との誤差で前記予測速度
を補正し、マイクロコンピュタ内で補正した予測速度と
指令速度を比較し比−例、積分微分演算処理を行ない指
令信号としてモータドライブ回路に出力しモータを駆動
する。従って従来の速度サーボ制御装置が有していたサ
ンプリングした速度とそれを基にし演算処理を行なって
指令信号として出力する時点での速度が異なる事及びサ
ンプリングした速度と次に速度をサンプリングする時点
までの速度が実際には大きく異なっている事から生じる
制御系の応答性及び安定性の悪化という欠点をなくシ、
シかも本発明は速度を予測して制御を行なうために速度
のサンプリング時間をふやしても低速において安定な制
御ができる事によりインクリメンタル型エンコーダの１
回転当９のパルス数を減少させる事ができ、低価格のイ
ンクリメンタル型エンコーダを使用する事ができる。さ
らに従来の制卸方式に比較しインクリメンタル型エンコ
ーダの１回転当シのパルス数が同じであれば本発明の方
式は速度の分解能を大きく取る事ができるという利点を
有する。

実施例の説明 以下発明の一実施例について図面を参照しながら説明す
る。第３図は本発明の一実施例における速度サーボ制御
方式のブロック図を示すものである。１はマイクロコン
ピュータ、２はモータドライブ回路、３はモータ、４は
インクリメンタル型エンコーダ、５はパルス処理回路、
６は速度カウンタ、７は速度カウンタレジスタ、８はマ
イクロコンピュータ内部の比例積分微分演算処理回路、
９はマイクロコンビ二−タ内部の速度予測演算回路、１
０はマイクロコンピュータ内部の速度補正回路である。

以下前記速度予測演算回路における考え方について説明
する。

モータの両端にかかる電圧をＥＭとし、アマチュアに流
れる電流をＩａとし、アマチュアの抵抗をＲａとし、ア
マチュアのインダクタンスをＬａとし、モータの逆起電
力をＥａとし、モータの角度をωとし、モータのイナー
シャをＪｍとし、モータ軸に換算した負荷イナーシャを
Ｊ４とし、モータの発生トルクをＴｇとし、モータの誘
起電圧定数をＫＥとし、モータのトルク定数をＫＴとし
、モータの短時間における変化を考えた時モータの摩擦
トルク、負荷摩擦トルク及びモータダンピングトルクは
無視する詩法の式が成立する。

ＥＭ＝Ｌａｄ′Ｉａ／ｄ、十ＲａＩａ十ＫＥω　　・・
・−（１）Ｔｇ−（Ｊｍ＋ＪＬ）ｄω／ｄｔ＝ＫＴＩ、
　　−−−−−−（２）Ｊ　二Ｊ　、、十Ｊ　Ｌ　　　
　　　　　　　　　　　　　・・・・・　　　（３）上
記１．２．３式よシ また一般的に時点Ｔの速度がω■である時Ｔ＋ΔＴ時点
での速度を予測する時次式のように近似する。

ｄｔ。

ω（Ｔ十ΔＴ）−ω（Ｔ）＋Δω−ω（Ｔ）十　　ΔＴ
　・・・（すｄｔ 上記４，５式より次式が成９立つ。

・・・・・・　　　　（６） マイクロコンピュータの動作周期をＴ、とし指令信号の
指令時間幅をＴｗとし、モータ駆動電圧源をＥｏとする
時次式が成立する。

よってｄＥＭ／ｄｔ　は８式のようになり指令信号の微
分値を求めればｄＥＭ／ｄｔ　は計算できる。

”ｍｔＴｍ−１時点の指令信号の指令時間幅をそれぞれ
ＴＷ（Ｔｍ）、ＴＷ（Ｔｍ、）とする時ｄＥＭ／ｄｔは
９式で近似できる。

のサンプリングした速度あるいは速度補正回路で予測し
た角速度をそれぞれω（Ｔｍ）　、ω（Ｔｍ−１）９次
のように近似できる。

上記より９．１０．１１式から６式におけるから７１時
間後の速度変化量を予測する事ができる。以上のような
演算を本発明の速度予測演算回路内で行なうものである
。

また速度補正回路における演算方法を説明する。

ある時点Ｔｍでの速度カウンタの出力を１）ｆｃＴｒｎ
）とし、速度補正回路の出方をＶ。（Ｔｍ）とする時、
速度補正回路によシ予測した速度Ｖ。（Ｔｍ）と、実際
のモータのサンプリング速度ｔ）ｆ　（Ｔｒｎ）とは誤
差があシその誤差をΔＺ７ｏ（Ｔｍ）とおくとその誤差
は速度サンプリング時間ＴＢ時間に発生したものであシ
、前記速度予測演算回路においてＴ＋Δτ時点のモータ
の速度の予測値ｖａ（Ｔｍ＋バ）はモータの実際の速度
みとは異なＩ）誤差を生じるがそれを前記ΔＺ、’、（
Ｔｍ）を用い１２式のように補正を行なう。

（’ｌ）ｆ（Ｔｍ）−１）。（Ｔｍ））町・・（１２）
第４図は本発明の速度サーボ制御方式の起動時の動作例
を示すものである。マイクロコンピュータの動作周期Ｔ
Ｍと速度のサンプリング周期Ｔｓとは同期していてＴ３
はＴ、のｍ倍（但しｍは整数）とする。よって以下の関
係がある。

起動時Ｔ０においてマイクロコンビ二−タ内で指令信号
ｖｒとサンプリング速度ｖａ（実際には起動時であ・る
から零）を比較し比例積分微分演算処理を行ない指令信
号を作９モータドライブ回路に前記指令信号を送シモー
タに起動をかける。次にＴ１．Ｔ２，７３時点ではマイ
クロコンピュータハ速度カウンタレジスタの値を読みに
行き前記Ｔ時点と同様の処理を行ないモータを駆動する
。

７３時点まではマイクロコンピュータからの指令信号は
速度サンプリング期間ＴｓＯ間は同一のものを出力する
。１３時点以後では速度力ウンタレスタの値をマイクロ
コンピュータ／！／Ｓ読み堆シ指令速度ｖｒと比較し比
例積分微分演算処理を行なって指令信号を出すＴ　十Δ
τ時点のモータの実際の速度を速度予測演算回路によっ
て予測し指令信号を計算する。すなわちＴ２，７３時点
の指令信号ＴＷ（Ｔ２）、ＴＷ（Ｔ３）　　を使用し９
式より計算したング速度ｖ（Ｔ□）、ｖ（Ｔ１）、ｖ（
Ｔ２）、ｖ（’ｒ３）を使用し１０式１１式より計算し
た７３時点におけｄ５ｔ。

次微分ｉ１］−（Ｔ３）を６式に代入しＴ３＋Δτ時点
のモータの速度ｖａ（Ｔ３＋ΔＴ）を予測し指令速度ｖ
ｒと比較し比例積分微分演算処理を行ない指令信号を作
９モータドライブ回路に送る。７３＋２ΔＴ’ｊ　ンク
速度’１）ｆ（”１　）　＊１）ｆ（Ｔ２）　＊’１）
ｆ（Ｔ３）　及Ｕ予測速度ｖａ（Ｔ３＋ΔＴ）を使用し
１０式１１式かを６式に代入する事によシＴ３＋Δτ時
点から、（Ｔ後の速度変化量を予測し予測速度ｖａ（Ｔ
３＋ΔＴ）に加算する事により’ｌ）　ａ（Ｔ　３＋２
ΔＴ）を予測し以下Ｔ３＋Δτ時点と同様の処理を行な
う。以下の時点Ｔ　＋３ΔＴ　、Ｔ　ｓ　＋　４ΔＴ・
・・・・・Ｔ３＋（ｍ−１）ΔＴおいても上記と同様の
処理を行なう。

第５図に本発明の速度サーボ制御方式が定常状態にある
場合の動作例を示している。Ｔ１２１時点での動作につ
いて説明を行なう。本発明の速度サーボ制御装置におい
て起動時については前記説明を行なったが定常状態にお
いては下記の通りである。

Ｔｍ時点で速度カウンタレジスタ７の値をマイクロコン
ピュータ１が読み取りサンプリング速度ｔ）ｆ’（Ｔｍ
）を取り込み速度予測演算回路においてＴｍ時点及びＴ
ｍ−２７時点の指令信号ＴＷ（Ｔｍ）。

ＴＷ（Ｔｍ−ΔＴ）から９式に代入を行なって計算した
モータの両端に印加される電圧ＥＭの微分値（Ｔｍ）及
びＴ−ΔＴ、Ｔ−２ΔＴ　、　Ｔ−３ΔＴ時点の速度補
正回路の出力ｖ０（Ｔｍ−ΔＴ）、ｖ。

（Ｔｍ−２ΔＴ　）　、１）０（Ｔｍ−３ΔＴ）を使用
し１０式。

１１式に代入して計算したＴｍ時点のモータの加Ｔｍ時
点からΔＴ後の速度変化量ｄωを求めＴｒＱ時点のサン
プリング速度ｖｆ（Ｔｒｎ）を加算することによｐＴｍ
＋Δτ時点のモータの速度ｖａ（Ｔｍ＋ΔＴ）を予測し
、さらに速度補正′回路においてＴｍ時点のサンプリン
グ速度ｔ）ｆｃＴｍ）　　と速度補正回路出力Ｖ。（Ｔ
ｍ）を１２式Ｆ泪ンＪ゛る陳よりＴｍ＋７１時点での前
記速度予測演算回路の出力値を補正した予測速度Ｖ。（
Ｔｏ十ΔＴ）を算出し、次にマイクロコンビ二−タ１内
で指令速度ｖｒと比較し比例積分演算処理を行なって指
令信号としてモータドライブ回路に交シモータを駆動す
る。上記のような制御においてはある時点におけるモー
タの加速度の１次微分値及び加速度の２次微分値を求め
る場合に使用する速度は過去に予測した速度補正回路の
出力又はサンプリング速度のうちの４値を使用するがマ
イクロコンビーータの動作周期ＴＭと速度サンプリング
周期Ｔｓが同期しているためにある時点では予測した速
度とサンプリング速度が同時に検出できどちらの値も使
用可能であるがそのような場合前記説明においてはサン
プリング速度を使って説明を行なっている。

上記のような制御ではＴｒＱ時点でＴｍ＋３１時点のモ
ータの速度を予測するために従来の速度サーボ制御方式
が有していた欠点であるサンプリングした時点のモータ
の速度とマイクロコンピュータが演算処理して次に指令
信号を出力する時点でのモータの速度が違う事とＴｍ＋
ｉ１．時点でモータの速度をサンプリングするまではＴ
ｍ時点のサンプリング速度を基にした指令信号を出し続
けるためにモータの速度がＴｍ時点の速度とは大きく違
ってくる事によって起こる制御系の応答性及び安定性の
悪化をなくす事ができる。又第５図において速度のサン
プリング周期Ｔｓはマイクロコンピュータの動作周期Ｔ
、のｍ倍（ｍは整数）であるとしたがｍの値が大きい程
速度をサンプリングする時間が長くなシ本制御系の速度
分解能が増加するのであるが従来の速度サーボ制御装置
においてはｍの値を大きくしていけば低速においである
速度サンプリング周期の間は１つ前のサンプリングした
速度を使用し指令信号を出力するため実際のモータの速
度とは大きく異なる・ので制御系が不安定になるという
欠点を有していたが、本制御方式においては過去に出力
した指令信号とサンプリングした速度及び過去に予測し
た速度を用いマイクロコンピ二−タが次に指令信号を出
力する時点での速度を予測し、さらにサンプリング速度
と予測した誤差を用い予測速度を補正するために制御系
は低速においても安定に動作し速度分解能が従来の制御
方式に比較し増加させる事ができるという利点を有する
。父上記とは逆に従来の制御方式と速度分解能が同じで
あれば本制御装置は速度のサンプリング時間を増加させ
る事ができるためにインクリメンタル型エンコーダの１
回転当りのパルス数を減少させる事ができ低価格のイン
クリメンタル型エンコーダを使用することが可能となり
経済的にも大きなメリットを有する速度サーボ制御装置
である。

なお本実施例において速度カウンタのサンプリング周期
Ｔｓはマイクロコンピュータの動作周期ＴＭのｍ倍（ｍ
は整数）としたが逆の場合すなわちマイクロコンピュー
タの動作周期ＴＭが速度カウンタのサンプリング周期Ｔ
ｓのｍ倍（ｍは整数）である場合でも制御方式は前記説
明と同様である。

又本実施例においては速度カウンタのサンプリング周期
Ｔｓとマイクロコンビ二−タの動作周期とは同期させて
動作させたが非同期の場合においても本制御装置は使用
する事ができる。

発明の効果 以上のように本発明はあるＴｍ時点においてマイクロコ
ンピュータの速度補正回路内でＴｍ時点で出力した指令
信号と１回前に出力した指令信号から計算したモータの
両端に印加される電圧ＥＭの微分値と過去４回のサンプ
リング速度または予測された速度を使用し計算したＴｍ
時点のモータの加速度の１次微分値及び加速度の２次微
分値から次に指令信号が出力されるＴｍ＋７１時点にお
けるモータの速度を予測し、１つ前にサンプリングした
速度とその時点での速度補正回路の予測速度との誤差に
よ逆補正をする事によりモータの速度サーボ制御を行な
うもので従来の速度サーボ制御方式が持っていたマイク
ロコンピュータ内の演算処理の遅れ時間によるモータの
速度変化と速度サンプリング期間中のモータの速度変化
によシ起こる制御系の応答性及び安定性の悪化という欠
点をなくすものである。

また従来の速度サーボ制御装置においては速度サンプリ
ング時間を増加させるとモータの低速時において制御系
が不安定になっていたが本発明においては上記のように
モータの動作速度を予測する制御方式であるため低速時
においても安定な制御ができ速度の分解能を大きく取る
事ができるという利点を有している。

また従来の制御装置と比較した場合に速度分解能を同じ
ようにとれば本発明の制御装置では速度のサンプリング
時間を長くしても安定な制御ができるためインクリメン
タル型エンコーダの１回転当りのパルス数を減らす事が
可能であり低価格のインクリメンタル型エンコーダを使
用する事ができその実用的効果は大いなるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の速度サーボ制御装置のブロック図、第２
図は第１図のブロック図の各点の動作説明図、第３図は
本発明の一実施例における速度サーボ制御装置のブロッ
ク図、第４図は第３図のブロック図の起動時の動作説明
図、第５図は第３図のブロック図の定常時の動作説明図
である。 １・・・・・・マイクロコンピュータ、２・・・・・・
モータドライブ回路、３・・・・・・モ〜り、４・・・
・・・インクリメンタル型エンコーダ、５・・・・・・
パ・ルス発生処理回路、６・・・・・・速度カウンタ、
７・・・・・・速度カウンタレジスタ、８・・・・・・
マイクロコンピュータ内部の比例積分微分演算処理回路
、９・・・・・・マイクロコンピュータ内部の速度予測
演算回路、１ｏ・・・・・・マイクロコンピュ〜り内部
の速度補正回路。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 ＴＡ４＝ａ丁 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. サーボ増幅手段によシ駆動されるモータの動作速度に比
   例したパルス列を発生する信号発生手段と、前記パルス
   列を一定のサンプリング周期でカウントする速度カウン
   ト手段と、前記速度カウント手段の値を入力とする速度
   予測演算手段と、前記速度予測演算手段と速度指令手段
   を入力とするサーボ増幅手段とで構成され、前記速度予
   測演算手段は速度カウント手段の値又は前記速度予測演
   算手段により以前に予測演算されたモータの速度から計
   算したモータの加速度の１次微分値と、過去２回にサー
   ボ増幅手段からモータに送られた指令信号から計算した
   モータの両端に印加される電圧の微分値と、前記速度カ
   ウント装置の値から次にサーボ増幅手段がモータに指令
   を送る時点のモ〜りの速度の予測演算を行ない、前記予
   測速度に補正を加える速度補正手段を有し、前記速度補
   正手段においては１回前の速度カウント手段の値と前記
   時点の速度補正手段の値の誤差を検出し次に速度予測演
   算手段が予測したモータの速度に前記誤差を用い補正を
   行ない実際のモータの速度にさらに近づける演算を行な
   う速度サーボ制御装置。