WO2011132411A1 - モータ制御装置、モータ制御方法、モータシステム及びコンピュータ可読媒体 - Google Patents

モータ制御装置、モータ制御方法、モータシステム及びコンピュータ可読媒体 Download PDF

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柳田 美穂
青木 一彦
俊弘 栗井
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日本電気株式会社
Nec東芝スペースシステム株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/18Controlling the angular speed together with angular position or phase

Definitions

  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing an operation of scanning a predetermined area of an object with an observation sensor including a rotating body (load) attached to a motor.
  • the motor system in FIG. 8 rotates the rotator 202 attached to the motor 203 at a constant target rotational angular velocity (steady target rotational angular velocity) in the direction indicated by the dotted arrow in FIG.
  • the direction in which the rotator 202 faces that is, the directivity angle of the rotator 202 (solid line arrow and one-dot chain line arrow in FIG. 8) is defined by an angle from the reference direction.
  • the reference angle is, for example, an angle (indicated by a solid line arrow in FIG.
  • FIG. 9 shows one method for controlling a motor that drives a rotating body to rotate at a target rotational angular velocity.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a motor system having a constant sample period.
  • the motor system includes a scanning unit 201, a clock generation unit 205, an interrupt signal generation unit 207, and a control unit 209.
  • the scanning unit 201 includes a rotating body 202 that rotates at a steady target rotational angular velocity, and a motor 203 that drives the rotating body 202.
  • the scanning unit 201 detects the rotation angle 204 of the motor 203 and outputs it to the control unit 209.
  • the scanning unit 201 controls the motor 203 based on the command value 211 output from the control unit 209 so that the rotating body 202 rotates at the target rotational angular velocity.
  • the interrupt signal generation unit 207 generates a interrupt signal 208 by counting a predetermined number of clocks 206 input from the clock generation unit 205 and outputs the interrupt signal 208 to the control unit 209.
  • the object of the present invention is to control the rotational angular velocity of the motor with high precision, that is, while synchronizing the motor with an external reference signal input from the outside, the error of the rotational angle of the rotating body from the target rotational angle.
  • An object of the present invention is to provide a motor control device, a motor control method, a motor system, and a computer-readable medium that can be controlled with high accuracy so as to be small.
  • FIG. 1 shows an example of a block diagram of a motor control device according to the present embodiment.
  • the motor control device according to the present embodiment includes a synchronization unit 200 and a control unit 300.
  • the control unit 300 calculates a command value 900 for causing the rotation angle 401 to follow the target rotation angle 801 and outputs the command value 900 to the scanning unit 100, whereby the rotation angle 402 and the target at the time t2 when the reference period T0 has elapsed from the time t1.
  • the rotation angle 802 matches with a predetermined accuracy.
  • the synchronization unit 11 generates an interrupt signal 104 from the external reference signal 110 input from the outside and the rotating body reference signal 109 input from the scanning unit 1, and outputs it to the digital control unit 2.
  • the external reference signal 110 is input to the synchronization unit 11 at the reference rotation period Tr while synchronizing with the external device.
  • the interrupt generation unit 1103 generates an interrupt signal 104 from the clock 103 and the clock count value 1106 and outputs it to the digital control unit 2.
  • the interrupt signal 104 is repeatedly generated, for example, by counting the clock 103 by the clock count value 1106 immediately after the initial value setting performed after the power is turned on until the start of motor rotation.
  • the interrupt signal 104 is input to the digital control unit 2 at the reference period T0.
  • the scanning unit 1 is controlled to follow the target rotation angle 106 in the reference period T0, the rotation angle 102 and the target rotation angle 106 coincide with each other with a predetermined accuracy, and the three-phase command
  • the control using the value 101 synchronization between the rotating body reference signal 109 and the external reference signal 110 is maintained.
  • the interrupt signal 104 is obtained by adding or subtracting the difference (clock count correction value 1105) to the clock count initial value.
  • the clock count value 1106 is input to the digital control unit 2 at a cycle Tv.
  • the digital control unit 2 calculates a three-phase command value 101 for adjusting the rotation according to the difference (clock count correction value 1105).
  • the rotation of the scanning unit 1 is adjusted according to the difference, and the rotating body reference signal 109 and the external reference signal 110 coincide with each other with a predetermined accuracy.
  • the rotator reference signal 109 is synchronized with the external reference signal 110 with a predetermined accuracy.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

 モータ制御装置は、回転体(112)を駆動するモータ(111)の回転角度を制御するモータ制御装置であって、外部から入力される外部基準信号(600)と回転体が生成する回転体基準信号(500)とに基づき割込信号(700)を生成して出力する同期化手段(200)と、割込信号が入力されるごとに、モータの回転角度を目標回転角度に追従させるための指令値を演算してモータへ出力する制御手段(300)と、を備る。ここで、同期化手段(200)は、外部基準信号(600)と回転体基準信号(500)との時間差に応じて割込信号(700)の出力周期を変更する。

Description

モータ制御装置、モータ制御方法、モータシステム及びコンピュータ可読媒体
 本発明は、モータ制御装置、モータ制御方法、モータシステム及びコンピュータ可読媒体に関し、特に、基準信号と回転体の基準角度との同期を取りながらベクトル制御によって3相モータを制御するモータ制御装置、モータ制御方法、モータシステム及びコンピュータ可読媒体に関する。
 センシング技術の一つに、対象物の所定の領域をモータシステムを含む観測センサを用いて走査する技術がある。該モータシステムのモータは、基準信号と回転体の基準角度との同期を取りながら、目標回転角速度で回転するように制御される。
 図8に、モータに装着した回転体(負荷)を含む観測センサで、対象物の所定の領域を走査する動作を示す概念図を示す。図8のモータシステムは、モータ203に装着した回転体202を一定の目標回転角速度(定常目標回転角速度)で、図8の点線矢印で示した方向に回転させる。一般的に、回転体202が向いた方向、すなわち、回転体202の指向角度(図8の実線矢印および一点鎖線矢印)は基準方向からの角度で規定される。基準角度とは、例えば図8において、回転体202が対象物301の走査領域302の特定の位置303を指向したときの角度(図8の実線矢印)である。そして、モータ203は、外部装置と同期させるための外部基準信号が入力されたときの指向角度が、基準角度と一致するように制御される。
 回転体を目標回転角速度で回転するように駆動するモータを制御する方式の一つを図9に示す。図9は、サンプル周期が一定のモータシステムの構成を示すブロック図である。図9において、モータシステムは、走査部201、クロック発生部205、割込信号生成部207および制御部209を備える。
 走査部201は、定常目標回転角速度で回転する回転体202と、回転体202を駆動するモータ203とを備える。走査部201は、モータ203の回転角度204を検出して制御部209へ出力する。また、走査部201は、制御部209から出力された指令値211により、回転体202が目標回転角速度で回転するようにモータ203を制御する。
 クロック発生部205は、システム動作の基準となるクロック206を生成して、割込信号生成部207に出力する。
 割込信号生成部207は、クロック発生部205から入力されたクロック206を一定数カウントして割込信号208を生成し、制御部209に出力する。
 制御部209には、外部から走査部201のモータ203を制御するための目標回転角度210が、走査部201から回転角度204が入力される。そして、制御部209は割込信号生成部207から割込信号208が入力されるごとに、回転角度204を目標回転角度210に追従させるための指令値211を生成し、走査部201に出力する。
 図9のモータシステムでは、制御部209が、一定のサンプル周期で発生する割込信号208の入力を受けて、指令値211を生成して走査部201に出力する。走査部201のモータ203が該指令値211に基づいて制御されることにより、回転体202は所望の回転角速度が実現され、対象物の走査領域の特定の位置を指向する。
 回転体の回転角速度を外部基準信号に同期するように制御する技術として、特許文献1(特開2005-351981号公報)には、外部基準信号と基準角度との位相差に応じて制御ゲインを変化させる技術が開示されている。特許文献2(特開2006-050717号公報)には、回転速度制御と、外部基準信号-基準角度間の位相差に応じた位相制御と、に基づいてモータ制御信号を生成する技術が開示されている。
特開2005-351981号公報 特開2006-050717号公報
 特許文献1の技術は、制御ゲインを変化させることにより外部基準信号と基準角度との位相差を減らすことはできるが、制御ゲインには所定の設定限界があり、制御ゲインを微小の範囲で制御することは困難である。
 また、特許文献2の技術は、速度制御を行うモータ制御装置において、回転同期制御を行うための回転速度制御信号は、1回転に数パルス発生するFG信号から算出した回転速度推定値、および、目標回転速度から生成される。また、位相制御を行うための位相制御信号は、外部基準信号と回転体基準信号との位相差から生成される。回転速度制御は、1回転に発生するFG信号のパルス数で算出した回転速度精度で制御されるが、回転体が回転することにより生成される信号の場合、信号の生成間隔に所定の限界があり、生成間隔はある間隔以下にすることは困難である。
 本発明の目的は、モータの回転角速度を高精度に制御することができる、すなわち、モータを、外部から入力する外部基準信号と同期をとりながら、回転体の回転角度の目標回転角度からの誤差が小さくなるように高精度に制御することができる、モータ制御装置、モータ制御方法、モータシステム及びコンピュータ可読媒体を提供することにある。
 上記目的を達成するために、本発明に係るモータ制御装置は、回転体を駆動するモータの回転角度を制御するモータ制御装置であって、外部から入力される外部基準信号と回転体が生成する回転体基準信号とに基づき割込信号を生成して出力する同期化手段と、割込信号が入力されるごとに、モータの回転角度を目標回転角度に追従させるための指令値を演算して前記モータへ出力する制御手段と、を備る。ここで、同期化手段は、外部基準信号と回転体基準信号との時間差に応じて割込信号の出力周期を変更する。
 上記目的を達成するために本発明に係るモータ制御方法は、回転体を駆動するモータの回転角度を制御するモータ制御方法であって、外部から入力される外部基準信号と回転体が生成する回転体基準信号との時間差に応じた周期で割込信号を生成して出力し、割込信号が出力されるごとに、回転角度を目標回転角度に追従させるための指令値を演算し、該指令値を用いて回転角度を制御する。
 上記目的を達成するために本発明に係るモータシステムは、回転に応じて回転角度が変化する回転体と該回転体を駆動するモータとを備え、回転角度を検出して出力するとともに、回転体の回転速度に応じた回転体基準信号を生成して出力する走査手段と、外部から入力される外部基準信号と回転体が生成する回転体基準信号との時間差に応じた周期で割込信号を生成して出力する同期化手段と、割込信号が入力されるごとに、走査手段から入力される回転角度を外部から入力される目標回転角度に追従させるための指令値を演算して出力する制御手段と、を備え、走査手段は、制御手段から受け取った指令値に基づきモータの回転角度を制御する。
 上記目的を達成するために本発明に係るプログラムは、回転体を駆動するモータの回転角度を制御するためのプログラムであって、外部から入力される外部基準信号と回転体が生成する回転体基準信号との時間差に応じた周期で割込信号を生成して出力する手順と、割込信号が出力されるごとに、回転角度を目標回転角度に追従させるための指令値を演算する手順と、該指令値を用いて回転角度を制御する手順と、をコンピュータに実行させる。
 本発明によれば、モータを、外部から入力する外部基準信号と同期をとりながら、回転体の回転角度の目標回転速度からの誤差が小さくなるように制御することが可能なモータ制御装置、モータ制御方法、モータシステム及びプログラムを提供することができる。すなわち、モータの回転角速度を高精度に制御することが可能なモータ制御装置、モータ制御方法、モータシステム及びプログラムを提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係るモータ制御装置の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第2の実施形態に係るモータシステムの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第2の実施形態における、回転体基準信号と外部基準信号が同期している時の、目標回転角度と回転角度との関係の一例を示す図である。 本発明の第2の実施形態における、回転体基準信号と外部基準信号が同期していない時の、目標回転角度と回転角度との関係の一例を示す図である。 本発明の第2の実施形態における、回転体基準信号と外部基準信号が同期している時の、割込信号、回転体基準信号および外部基準信号の経時変化を示す図である。 本発明の第2の実施形態における、回転体基準信号と外部基準信号が同期していない時の、割込信号、回転体基準信号および外部基準信号の経時変化を示す図である。 本発明の第3の実施形態に係る3相モータシステムの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第3の実施形態に係る同期化部11の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第4の実施形態に係る同期化部11Bの構成の一例を示すブロック図である。 モータに装着した回転体で対象物を走査する動作の一例を示す概念図である。 関連技術のモータシステムの構成を示すブロック図である。
 (第1の実施形態)
 第1の実施形態に係るモータ制御装置について説明する。図1に、本実施形態に係るモータ制御装置のブロック図の一例を示す。図1において、本実施形態に係るモータ制御装置は、同期化部200と制御部300とを備える。
 同期化部200には、回転体基準信号500と外部基準信号600とが外部から入力される。回転体基準信号500は、図示しない走査システムの回転体が所定の指向角度(例えば、基準角度)を示すごとに入力される信号であり、走査システムの回転体が1回転するごとに入力される。ここで、走査システムは、回転に応じて回転角度が変化する回転体と該回転体を駆動するモータとを備え、本実施形態に係るモータ制御装置から出力された指令値900を用いてモータを制御する。一方、外部基準信号600は、外部の処理装置と同期を取るため、外部から入力される信号である。
 同期化部200は、走査システムから入力される回転体基準信号500と外部から入力される外部基準信号600とから制御演算を行わせるための割込信号700を生成して制御部300へ出力する。本実施形態において、同期化部200は、回転体基準信号500と外部基準信号600との時間差に基づいて補正した出力周期で、割込信号700を出力する。
 制御部300には、外部から回転角度400と目標回転角度800とが、同期化部200から割込信号700が、入力される。回転角度400は、上述の走査システムがモータの回転角度400を検出して出力した角度である。一方、目標回転角度800は、所定の目標角度軌跡を所定の間隔で算出した角度である。
 制御部300は、同期化部200から割込信号700が入力されるごとに、走査システムから入力された回転角度400を目標回転角度800に追従させるための指令値900を演算し、出力する。該割込信号700の出力周期が外部基準信号600と回転体基準信号500との時間差に基づいて補正されていることから、制御部300は、外部基準信号600と回転体基準信号500との時間差を解消し、且つ、モータの回転角度400を目標回転角度800に追従させる指令値900を演算し、出力する。
 従って、該指令値900によって走査システムを制御することにより、走査システムは、外部基準信号600と回転体基準信号500との時間差が所定の範囲内になるように、且つ、モータの回転角度400が目標回転角度800に追従するように、制御される。以上のように、上記構成とすることにより、走査システムのモータの回転角度を高精度に制御することができるモータ制御装置を提供することができる。
 (第2の実施形態)
 第2の実施形態について説明する。本実施形態は、走査部と、同期化部および制御部(第1の実施形態に係るモータ制御装置)と、を備えるモータシステムである。本実施形態に係るモータシステムの構成図を図2に示す。
 図2において、点線で囲んだ部分が、第1の実施形態で説明したモータ制御装置(図1)である。図2において、走査部100は、モータ111と回転体112とを備える。本実施形態において、走査部100は、モータ111の回転角度400を検出して制御部300へ出力するとともに、回転体112が基準角度を指向するごとに、回転体基準信号500を生成して同期化部200へ出力する。同期化部200は、外部から入力される外部基準信号600と走査部100から入力される回転体基準信号500との時間差に基づいて割込信号700を生成し、制御部300へ出力する。そして、制御部300は、該割込信号700が入力されるごとに、モータ111の回転角度400を目標回転角度800に追従させるための指令値900を演算し、走査部100へ出力する。
 本実施形態において、外部基準信号600は、所定の基準回転周期Trで外部から同期化部200へ入力される。また、同期化部200は、外部基準信号600と回転体基準信号500との同期が取れている場合、所定の基準周期T0で割込信号700を出力する。一方、外部基準信号600と回転体基準信号500との間に時間差aがある場合、同期化部200は、基準周期T0を時間差aに応じて補正した周期Twで割込信号700を出力する。なお、本実施形態では、同期化部200は、外部基準信号600と回転体基準信号500との時間差aをn周期に亘って解消する。時間差aをn周期に亘って解消する場合、補正した周期Twは下記となる。
 周期Tw=基準周期T0±(時間差a/n)
 同期化部200は、回転体基準信号500が外部基準信号600より先に検出されたとき、基準周期T0よりも長い周期Tw=基準周期T0+(時間差a/n)で割込信号700を出力する。反対に、回転体基準信号500が外部基準信号600より遅れて検出されたときは、同期化部200は、基準周期T0よりも短い周期Tw=基準周期T0-(時間差a/n)で割込信号700を出力する。
 次に、制御部300に、基準周期T0で割込信号700が入力された時の目標回転角度800および回転角度400の経時変化と、周期Twで割込信号700が入力された時の目標回転角度800と回転角度400の経時変化について説明する。図3Aは、回転体基準信号500と外部基準信号600とが同期している場合の目標回転角度800と回転角度400の経時変化を、誇張して示したものである。図3Bは、回転体基準信号500が外部基準信号600よりも進んでいる場合の目標回転角度800と回転角度400の経時変化を、誇張して示したものである。
 図3A、Bにおいて、丸印は、走査部100から入力された回転角度401、401a、…、三角印は、目標回転角度801、801a、…である。ここで、本実施形態に係る目標回転角度801、801a、…は、走査部100の回転体112が所定の回転角速度で回転した場合の目標角度軌跡を上述の基準周期T0間隔で算出した角度(θ0、θ1、θ2、…)で表される。
 図3Aに示すように、時刻t0で回転体基準信号500と外部基準信号600とが同期している場合、時刻t0の割込信号700の次の割込信号701は、基準周期T0後の時刻t1に制御部300に入力する。時刻t1の時、制御部300には、走査部100から回転角度401(白丸)が、外部から目標回転角度801(白三角)が入力される。走査部100は基準周期T0で目標回転角度801に追従するように制御されているため、回転角度401と目標回転角度801とは所定の精度で一致する。制御部300が回転角度401を目標回転角度801に追従させる指令値900を演算して走査部100に出力することにより、時刻t1からさらに基準周期T0が経過した時刻t2において、回転角度402と目標回転角度802とは所定の精度で一致する。
 一方、図3Bにおいて、時刻t0で回転体基準信号500が外部基準信号600よりも先に検出された場合、割込信号700は周期Tw(=基準周期T0+時間差a/n)となる。以下、回転体基準信号500と外部基準信号600との時間差が「時間差a」であり、4周期(n=4)で時間差aを解消する場合について説明する。4周期に亘って時間差aを解消する場合、周期は、Tw=基準周期T0+時間差a/4となる。すなわち、同期化部200は、時間(a/4)分だけ制御演算を遅らせる割込信号700を出力する。つまり、時刻t0の割込信号700の次の割込信号701aは、基準周期T0後の時刻t1からさらに、時間(a/4)だけ後の時刻t1aに制御部300に入力する。時刻t1aの時、制御部300には、走査部100から回転角度401a(黒丸)が、外部から目標回転角度801a(=θ1)(斜線三角)が入力される。走査部100は基準周期T0で目標回転角度801aに追従するように制御されているため、時刻t1aにおける回転角度401aは、目標回転角度801aから時間(a/4)分だけ進んでいる。そして、制御部300は回転角度401aを目標回転角度801aに追従させる指令値900を演算する。そして、制御部300は回転角度401aを目標回転角度801aに追従させる指令値900を演算する。
 さらに、割込信号701aの入力から周期Tw=T0+(a/4)が経過した時、制御部300に割込信号702aが入力され、制御部300は、回転角度402aを目標回転角度802aに追従させる指令値900を演算する。同期化部200が、時間(a/4)分だけ制御演算を遅らせる割込信号700を4回出力することにより、回転体基準信号500と外部基準信号600との時間差aが解消される。5周期目以降は割込信号700の入力間隔が周期Twから基準周期T0に戻ることにより、一定時間が経過した時刻tkでは、目標回転角度80kaと回転角度40kaとは所定の精度で一致する。そして、次の回転体基準信号500が同期化部200に入力するときには(回転体112が1回転したとき)、回転体基準信号500と外部基準信号600との同期が保たれる。
 なお、本実施形態では時間差aを4周期に分けて解消したが、これに限定されない。制御部300は、時間差aを2周期に分けて解消する指令値900を演算して走査部100に出力することもできるし、10周期以上に分けて長時間かけて徐々に解消することもできる。
 次に、時間差aを長時間かけて徐々に解消する場合の割込信号700、回転体基準信号500および外部基準信号600の経時変化について説明する。図4Aに、回転体基準信号500と外部基準信号600とが同期している場合の、割込信号700、回転体基準信号500および外部基準信号600の経時変化を示す。図4Bに、時刻120の時に回転体基準信号500が外部基準信号600に対して時間差aだけ早く検出された場合の、その後の割込信号700、回転体基準信号500および外部基準信号600の経時変化を示す。
 図4A、Bにおいて、割込信号700が入力するときをHighレベルで示す。また、回転体基準信号500は回転体112が所定の角度を指向するごとに、すなわち、回転体112が1回転するごとにHighレベルになる。なお、割込信号700、回転体基準信号500、および、外部基準信号600のアサートはHighレベルに限定されるものではなく、例えばLowレベルとしてもよい。
 図4Aにおいて、回転体基準信号500と外部基準信号600とが同期している場合、割込信号700は所定の基準周期T0で発生する。基準周期T0に基づいて生成された指令値900によって走査部100が制御されることにより、回転体基準信号500と外部基準信号600との同期が保たれる。すなわち、回転体基準信号500と外部基準信号600とは、時刻120および時刻120から基準回転周期Trが経過した時の時刻124において、所定の精度で一致する。
 一方、図4Bにおいて、回転体基準信号500が外部基準信号600よりも時間差aだけ先に検出された場合、時刻120の次の割込信号700は、時刻121ではなく、時間差aを所望の期間に分けて調整するための周期Tw後の、時刻121aに制御部300に入力する。制御部300が周期Twに応じた指令値900を演算することにより、走査部100は、回転体基準信号500と外部基準信号600との時間差aが小さくなるように制御される。そして、基準周期T0と周期Twとの時間差の合計が時間差aと一致した時、割込信号700の出力周期を、周期Twから基準周期T0に戻す。
 図4Bにおいて、時刻120の時に出力された回転体基準信号500の次の回転体基準信号500は、基準周期T0のみに基づいて制御されていた場合に出力される時刻124から時間差aだけ後の時刻124aに出力される。従って、時刻124aにおいて、回転体基準信号500と外部基準信号600とは所定の精度で一致する。
 このように基準周期T0と周期Twとの時間差の合計が回転体基準信号500と外部基準信号600との時間差aと一致するまでの所定の期間内の複数周期に亘って解消する場合、走査部100の回転体112の回転角速度が急激に変化することを避けることができる。
(第3の実施形態)
 第3の実施形態について説明する。図5は、第3の実施形態に係る3相モータシステムの構成を示すブロック図である。図5において、本実施形態に係る3相モータシステムは、走査部1とディジタル制御部2とクロック発生部3と同期化部11とを備える。
 走査部1は、モータ部5と回転体6と回転体基準信号生成部12とを備える。モータ部5は、図示しない3相モータと角度検出器とドライバ回路とを備える。モータ部5の3相モータに、観測機器などの回転体6が取り付けられている。3相モータは、ドライバ回路から3相電力線を介して3相電力の供給を受けて動作する。ドライバ回路は、3相電力線を介して3相モータに3相電力を供給する。回転体基準信号生成部12は、3相モータの回転に基づき回転体基準信号109を生成する。本実施形態において、回転体基準信号生成部12は、3相モータが1回転するごとに回転体基準信号109として1パルスを発生する。
 そして、走査部1は、角度検出器が検出した3相モータの回転角度102を、ディジタル制御部2へ出力するとともに、回転体基準信号生成部12が生成した回転体基準信号109を同期化部11へ出力する。さらに、走査部1は、ディジタル制御部2から入力された3相指令値101に基づいてモータ部5のドライバ回路を制御する。本実施形態において、ドライバ回路は、3相電力線の各相の電圧(u相電圧Vu、v相電圧Vv、w相電圧Vw)が3相モータの逆起電力の影響を受けても3相指令値Vu*、Vv*、Vw*の値に維持されるように3相電力線の電流制御を行う。3相電力線の電流制御は、例えば、PWM(Pulse Width Modulation)制御によって行われ得る。
 ここで、3相モータとしては、誘導電動機、永久磁石電動機を含む同期電動機を使用することができる。角度検出器としては、例えば、レゾルバ、エンコーダ、磁気センサ、ホール素子等を使用することができる。ドライバ回路としては、例えば、電源およびアナログ回路を使用することができる。また、回転体基準信号生成部12としては、3相モータのロータや回転軸あるいは回転体6に取り付けた反射型フォトリフレクタ、3相モータに取り付けた磁気センサやエンコーダやホール素子等を使用することができる。
 ディジタル制御部2は、A/D変換部7と角度制御部8と速度制御部9とD/A変換部10とを備える。ディジタル制御部2は、同期化部11から割込信号104が入力されるごとに、走査部1から入力された回転角度102を外部から入力された目標回転角度106に追従させるための3相指令値101を演算して、走査部1へ出力する。
 A/D変換部7は、同期化部11から割込信号104が入力されるごとに、走査部1から入力されるアナログ信号の回転角度102をサンプリングしてディジタル信号の回転角度ディジタル値105を生成し、角度制御部8と速度制御部9とに出力する。
 角度制御部8は、例えば、積分器とラグリードフィルタとを用いて構成される。角度制御部8は、外部から入力される目標回転角度106と回転角度ディジタル値105とに基づき速度指令値107を生成して、速度制御部9へ出力する。ここで、目標回転角度106は、一定の回転角速度で変化する目標角度軌跡を、サンプル周期の基準値である基準周期T0間隔で算出したものである。なお、積分器を用いてループ帯域以下の周波数領域の外乱補償を行いながら、ラグリードフィルタにより制御系の安定性を高めることが望ましい。
 速度制御部9は、例えば、レート生成部とレートループ補償要素部とを用いて構成される。レート生成部は、A/D変換部7から入力された回転角度ディジタル値105を用いて3相モータの回転速度を推定する。レート生成部としては、ハイパスフィルタ(低周波数微分)を用いることができる。レートループ補償要素部は、角度制御部8から入力された速度指令値107とレート生成部が推定したモータの回転速度とから、回転角度102を目標回転角度106に追従させるための3相指令ディジタル値108を生成して、D/A変換部10へ出力する。レートループ補償要素部としては、ラグリードフィルタを使用することができる。ラグリードフィルタを使用した場合、低周波領域の外乱補償を行うことができる。
 D/A変換部10は、同期化部11から割込信号104が入力されるごとに、速度制御部9から入力されたディジタル信号の3相指令ディジタル値108をアナログ変換し、3相指令値101として走査部1に出力する。
 クロック発生部3は、システム動作の基準となるクロック103を生成して、同期化部11に出力する。
 同期化部11は、外部から入力された外部基準信号110と走査部1から入力された回転体基準信号109とから割込信号104を生成して、ディジタル制御部2へ出力する。ここで、外部基準信号110は外部装置と同期を取りながら、基準回転周期Trで同期化部11に入力する。
 図6を用いて、本実施形態に係る同期化部11について詳細に説明する。図6は、同期化部11のブロック図の一例である。図6において、本実施形態に係る同期化部11は、差分検出部1101とクロックカウント値生成部1102と割込生成部1103とを備える。外部から入力された外部基準信号110と走査部1から入力された回転体基準信号109は、差分検出部1101に入力される。また、クロック発生部3から入力されたクロック103は、差分検出部1101と割込生成部1103とに入力される。
 差分検出部1101は、回転体基準信号109と外部基準信号110のエッジを検出し、クロック103を基準にエッジ間の差分をカウントする。差分検出部1101は、カウント結果に基づいて極性信号1104とクロックカウント補正値1105とを生成し、クロックカウント値生成部1102へ出力する。本実施形態において、差分検出部1101は、回転体基準信号109の立ち上がりが外部基準信号110の立ち上がりよりも早い場合、および、エッジ間の差分がゼロの場合(回転体基準信号109と外部基準信号110とが同期している場合)は、極性信号1104として「0」を、回転体基準信号109の立ち上がりが外部基準信号110の立ち上がりよりも遅い場合は、極性信号1104として「1」を出力する。さらに、差分検出部1101は、検出したエッジ間をクロック103でカウントした結果をクロックカウント補正値1105として出力する。なお、エッジ間の差分がゼロの場合にはクロックカウント補正値1105として「0」を出力する。
 クロックカウント値生成部1102は、基準周期T0に相当するクロックカウント初期値を保持する。そして、クロックカウント値生成部1102は、差分検出部1101から入力された極性信号1104とクロックカウント補正値1105とを用いてクロックカウント初期値を補正し、クロックカウント値1106を生成する。例えば、極性信号1104が「0」の場合、クロックカウント初期値にクロックカウント補正値1105を加算してクロックカウント値1106とする。一方、極性信号1104が「1」の場合、クロックカウント初期値からクロックカウント補正値1105を減算してクロックカウント値1106とする。以下、補正したクロックカウント値1106の周期をTvと記す。なお、クロックカウント補正値1105が「0」の場合(回転体基準信号109と外部基準信号110とが同期している場合)、クロックカウント初期値をそのまま、すなわち、基準周期T0のクロックカウント値1106を出力する。
 割込生成部1103は、クロック103とクロックカウント値1106とから割込信号104を生成して、ディジタル制御部2へ出力する。割込信号104は、例えば、電源投入後からモータ回転開始までの間に行う初期値設定直後からクロック103をクロックカウント値1106だけカウントして繰り返し生成される。
 ディジタル制御部2は、割込信号104が入力されるごとに、走査部1から入力された回転角度102を目標回転角度106に追従させるための3相指令値101を演算し、走査部1へ出力する。
 回転体基準信号109と外部基準信号110とが同期している場合、基準周期T0で割込信号104がディジタル制御部2に入力される。この時、走査部1は、基準周期T0で目標回転角度106に追従するように制御されていることから、回転角度102と目標回転角度106とは所定の精度で一致しており、3相指令値101を用いた制御により、回転体基準信号109と外部基準信号110との同期が維持される。
 一方、回転体基準信号109と外部基準信号110とのエッジ間に差分があるとき、割込信号104は、該差分(クロックカウント補正値1105)をクロックカウント初期値に加算または減算することにより得たクロックカウント値1106の周期Tvでディジタル制御部2に入力する。ディジタル制御部2に周期Tvで割込信号104が入力することにより、ディジタル制御部2は、差分(クロックカウント補正値1105)に応じて回転を調整するための3相指令値101を演算する。そして、走査部1は、差分に応じて回転が調整され、回転体基準信号109と外部基準信号110とが所定の精度で一致する。
 上記の制御において重要な点は、割込信号104の出力周期が回転基準信号109と外部基準信号110との時間差に応じて変化することである。デジタル制御器2は割込信号104が入力されるごとに3相指令値101を演算することにより、走査部1を、回転体基準信号109と外部基準信号110とが同期するように、且つ、3相モータの回転角度102が目標回転角度106に追従するように、制御することができる。
 さらに、上記構成とすることにより、回転基準信号109を外部基準信号110に同期させることと、回転角度102を目標回転角度106に追従させることとを、それぞれ独立に制御することができる。これは、モータの角度制御を行いながら外部基準信号と同期をとるために大変有効である。
 なお、本実施形態では、極性1104とクロックカウント1105とを区別したが、差分検出部1101は極性1104を出力せずに、クロックカウント補正値1105が正の値あるいは負の値あるいは零を出力するようにしてクロックカウント初期値を補正する構成にしてもよい。
(第4の実施形態)
 第4の実施形態について説明する。本実施形態に係る3相モータシステムは、図5に示した第3の実施形態に係る3相モータシステムとほぼ同様である。第3の実施形態と異なる点は、同期化部11の代わりに、同期化部11Bを備える点である。
 図7に、本実施形態に係る同期化部11Bのブロック図を示す。図7において、同期化部11Bは、差分検出部1101Bと調整速度設定部1109と割込生成部1103Bとを備える。
 差分検出部1101Bは、クロック103を基準に回転体基準信号109と外部基準信号110のエッジを検出し、エッジ間の差分がゼロの場合は「0」の差分信号1108を、回転体基準信号109の立ち上がりが外部基準信号110の立ち上がりよりも早く検出された場合は「+1」の差分信号1108を、回転体基準信号109の立ち上がりが外部基準信号110の立ち上がりよりも遅く検出された場合は「-1」の差分信号1108を、割込生成部1103Bへ出力する。さらに、差分検出部1101Bは、第3の実施形態で説明したクロックカウント補正値1105を調整速度設定部1109と割込生成部1103Bへ出力する。
 調整速度設定部1109は、クロックカウント補正値1105に対応づけられた調整速度情報1110を複数保持する。そして、差分検出部1101Bからクロックカウント補正値1105が入力された場合、該クロックカウント補正値1105に対応する調整速度情報1110を選択して、割込生成部1103Bへ出力する。本実施形態において、調整速度設定部1109は、クロックカウント補正値1105が小さい場合は小さな調整速度情報1110を、クロックカウント補正値1105が大きい場合は大きな調整速度情報1110を自動的に選択する。なお、調整速度情報1110については、後述する。
 割込生成部1103Bは、差分検出部1101Bから入力された差分信号1108およびクロックカウント補正値1105と、調整速度設定部1109から入力された調整速度情報1110とから、割込信号104Bを生成し、ディジタル制御部2へ出力する。割込生成部1103Bは、「0」の差分信号1108が入力された場合、基準周期T0で割込信号104Bを出力する。また、「0」以外の差分信号1108が入力された場合、基準周期T0を補正した周期Tvで割込信号104Bを周期補正回数m回、出力する。周期Tvと周期補正回数mとは、下記で計算することができる。
 周期Tv:
 ・調整速度情報1110が1,2,…,k,…,nの場合
  周期Tv=基準周期T0+(クロック103の出力間隔×調整速度情報1110×差分信号1108)
 ・調整速度情報1110が1/2,1/3,…,1/k,…,1/nの場合
  割込信号104Bを、基準周期T0で(k-1)回、周期Tv=基準周期T0+(クロック103の出力間隔×差分信号1108)で1回、出力する。
 周期補正回数m:
 ・周期補正回数m=クロックカウント補正値1105/(クロック103の出力間隔×調整速度情報1110)。
 次に、調整速度情報1110の違いによって、外部基準信号110と回転体基準信号109との差分がどのように解消されるかについて、具体例を挙げて説明する。以下、クロック発生部3のクロック出力間隔が0.00001msec(100MHz)、割込信号104Bの基準周期T0が1.00000msec、外部基準信号110の基準回転周期Trが500.00000msec、回転体基準信号109が外部基準信号110より時間差1.00μsec進んでいる場合を例に挙げて説明する。
 なお、外部基準信号110と回転体基準信号109とが同期している場合、調整速度情報1110の違いに関わらず、差分検出部1101Bが「0」の差分信号1108を割込生成部1103Bへ出力し、割込生成部1103Bは基準周期T0の割込信号104Bをディジタル制御部2へ出力する。ディジタル制御部2が基準周期T0の割込信号104Bに基づいて3相指令値101を演算することにより、3相モータは、回転角度102を目標回転角度106に追従するように、且つ、回転体基準信号109と外部基準信号110との同期が維持されるように制御される。
 以下、回転体基準信号109が外部基準信号110より時間差(クロックカウント補正値1105)1.00μsecだけ進んでいる場合について説明する。
 先ず、調整速度情報1110として「1」が設定されている場合について説明する。この場合、周期Tvと周期補正回数mは、下記となる。
 周期Tv=1.00000msec+0.00001msec=1.00001msec
 周期補正回数m=1.00μsec/(0.00001×1)msec=100。
 すなわち、割込信号104Bは、Tv=1.00001msecごとに、周期補正回数m=100回、割込生成部1103Bからディジタル制御部2へ入力する。Tv=1.00001msecで割込信号104Bが入力された場合、第2の実施形態の図3で説明したように、走査部1からディジタル制御部2に入力された回転角度102は、目標回転角度106に対して0.00001msec分進んでいることから、ディジタル制御部2は、回転角度102を目標回転角度106に追従させるための3相指令値101を演算して、走査部1へ出力する。そして、割込信号104Bが周期Tv=1.00001msecで周期補正回数m=100回入力されることにより、101回目の割込信号104Bの周期は、周期Tv(=1.00001msec)から基準周期T0(=1.00000msec)に戻る。これにより、回転体基準信号109が外部基準信号110より1.00μsecだけ進んだことを検出してから次の外部基準信号110が入力される基準回転周期Tr(=500.00000msec)後に、回転体基準信号109が外部基準信号110に所定の精度で同期する。
 次に、調整速度情報1110として「5」が設定されている場合について説明する。この場合、周期Tvと周期補正回数mは、下記となる。
 周期Tv=1.00000msec+0.00005msec=1.00005msec
 周期補正回数m=1.00μsec/(0.00001×5)msec=20。
 割込生成部1103Bは、割込信号104Bを周期Tv=1.00005msecでディジタル制御部2へ、周期補正回数m=20回出力する。ディジタル制御部2が3相モータの回転角度102を目標回転角度106に追従させる3相指令値101を20回、走査部1へ出力する。そして、21回目の割込信号104Bの周期は、周期Tv(=1.00005msec)から基準周期T0(=1.00000msec)に戻る。これにより、回転体基準信号109が外部基準信号110より1.00μsecだけ進んだことを検出してから次の外部基準信号110が入力される基準回転周期Tr(=500.00000msec)後に、回転体基準信号109が外部基準信号110に所定の精度で同期する。 
 さらに、調整速度情報1110として「1/3」が設定されている場合、割込信号104Bの出力周期と周期補正回数mは、下記となる。
 出力周期:基準周期T0=1.00000msecで2回出力した後、周期Tv=1.00000msec+0.00001msec=1.00001msecで1回出力する。 
 周期補正回数m=1.00μsec/(0.00001×1/3)msec=300。
 割込生成部1103Bが、割込信号104Bを基準周期T0=1.00000msecで2回出力した後、周期Tv=1.00000msec+0.00001msec=1.00001msecで1回出力することにより、3周期ごとに3相モータの回転角度102が0.00001msec遅れる。これを100セット、すなわち、割込生成部1103Bが300回ディジタル制御部2に入力された後、301回以降の割込信号104Bの周期は基準周期T0に戻る。これにより、回転体基準信号109が外部基準信号110より1.00μsecだけ進んだことを検出してから次の外部基準信号110が入力される基準回転周期Tr(=500.00000msec)後に、回転体基準信号109が外部基準信号110に所定の精度で同期する。
 本実施形態において、調整速度設定部1109Bは、クロックカウント補正値1105が小さい場合は小さな調整速度情報1110B(例えば、「1/3」)を、クロックカウント補正値1105が大きい場合は大きな調整速度情報1110B(例えば、「5」)を選択する。従って、外部基準信号110と回転体同期信号109との時間差が小さい時には滑らかに、時間差が大きい時には速やかに、走査部1の回転が制御され、回転体同期信号109を外部基準信号110に所定の精度で同期させることができる。
 一方、調整速度設定部1109Bに複数セットの調整速度情報1110Bを保持させ、外部基準信号600が出力される外部装置の状態等に応じて、適切な調整速度情報1110Bのセットが設定されるようにしても良い。すなわち、外部基準信号600と回転体基準信号500との間に頻繁に大きな時間差が発生する場合は大きな調整速度情報1110Bのセット(例えば、「1」~「10」のセット)を設定し、該セットの中から適切な調整速度情報1110Bを選択する。一方、時間差がほとんど発生しない場合は小さな調整速度情報1110Bのセット(例えば、「1/5」~「1」のセット)を設定し、該セットの中から適切な調整速度情報1110Bを選択する。なお、上記の調整速度情報1110Bのセットは、調整速度設定部1109Bが自動的に切り替えることもできるし、ユーザが設定することもできる。
 上記の制御において重要な点は、外部基準信号110と回転体同期信号109との時間差の調整速度を、クロック発生部3のクロック信号103の出力精度で調整できることである。さらに、上記の制御において重要な点は、本実施形態に係る走査部1は、クロック発生部3の出力精度を基準に、調整速度を自由に設定することができることである。
 (その他の実施形態)
 上記の各種モータ制御方法は、走査部100を制御する制御部300または走査部1を制御するディジタル制御部が搭載された装置のコンピュータが、プログラムを読み込むことによっても実現できる。また、該モータ制御方法の各処理は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行する。ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM(Compact Disk-Red Only Memory)、DVD-ROM(Digital Versatile Disk-Red Only Memory)、半導体メモリ等をいう。
 上述の実施の形態では、本発明をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明は、任意の処理を、CPU(Central Processing Unit)にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。)
 プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD-ROM(Read Only Memory)、CD-R、CD-R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
 以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
 この出願は、2010年4月22日に出願された日本出願特願2010-098705を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 本発明は、例えば、モータ制御装置に適用することができる。
1  走査部
2  ディジタル制御部
3  クロック発生部
5  モータ部
6  回転体
7  A/D変換部
8  角度制御部
9  速度制御部
10  D/A変換部
11  同期化部
12  回転体基準信号生成部
101  3相指令値
102  回転角度
103  クロック
104  割込信号
105  回転角度ディジタル値
106  目標回転角度
107  速度指令値
108  3相指令ディジタル値
109  回転体基準信号
110  外部基準信号
111  モータ
112  回転体
201  走査部
202  回転体
203  モータ
204  回転角度
205  クロック発生部
206  クロック
207  割込信号生成部
208  割込信号
209  制御部
210  目標回転角度
211  指令値
100  捜査部
200  同期化部
300  制御部
400  回転角度
500  回転体基準信号
600  外部基準信号
700  割込信号
800  目標回転角度
900  指令値

Claims (9)

  1.  外部から入力される外部基準信号と回転体が生成する回転体基準信号とに基づき割込信号を生成して出力する同期化手段と、
     前記割込信号が入力されるごとに、モータの回転角度を目標回転角度に追従させるための指令値を演算して前記モータへ出力する制御手段と、を備え、
     前記同期化手段は、前記外部基準信号と前記回転体基準信号との時間差に応じて前記割込信号の出力周期を変更する、モータ制御装置。
  2.  前記同期化手段は、前記回転体基準信号が前記外部基準信号に同期しているときは前記出力周期を所定の基準周期とし、前記回転体基準信号が前記外部基準信号より先に検出されたときは前記出力周期を前記基準周期よりも長い周期とし、前記回転体基準信号が前記外部基準信号より遅れて検出されたときは前記出力周期を前記基準周期よりも短い周期とする、請求項1記載のモータ制御装置。
  3.  クロックを生成して前記同期化手段に出力するクロック発生手段をさらに備え、
     前記同期化手段は、前記出力周期に対応する前記クロックの数をカウントして、前記割込信号を出力する、請求項1または2記載のモータ制御装置。
  4.  前記同期化手段は、所定の期間内の複数周期に亘って、前記割込信号の出力周期を前記基準周期から変更する、請求項2または3記載のモータ制御装置。
  5.  前記同期化手段は、前記クロック発生手段のクロック出力間隔に応じて前記出力周期を変更し、
     前記複数周期に亘って変更された出力周期と前記基準周期との差分の合計は、前記回転体基準信号と前記外部基準信号との差分に一致する、請求項4記載のモータ制御装置。
  6.  前記同期化手段は、前記外部基準信号と前記回転体基準信号との時間差の大きさに対応づけられた複数の調整速度設定情報を保持し、前記時間差に応じて所定の調整速度設定情報を選択し、該選択した調整速度設定情報に基づいて前記出力周期を変更する、請求項4または5記載のモータ制御装置。
  7.  外部から入力される外部基準信号と回転体が生成する回転体基準信号との時間差に応じた周期で割込信号を生成して出力し、
     前記割込信号が出力されるごとに、前記回転角度を目標回転角度に追従させるための指令値を演算し、
     前記指令値を用いて前記回転角度を制御する、モータ制御方法。
  8.  モータシステムであって、
     回転に応じて回転角度が変化する回転体と該回転体を駆動するモータとを備え、前記回転角度を検出して出力するとともに、前記回転体の回転速度に応じた回転体基準信号を生成して出力する走査手段と、
     外部から入力される外部基準信号と前記回転体が生成する回転体基準信号との時間差に応じた周期で割込信号を生成して出力する同期化手段と、
     前記割込信号が入力されるごとに、前記走査手段から入力される回転角度を外部から入力される目標回転角度に追従させるための指令値を演算して出力する制御手段と、を備え、
     前記走査手段は、前記制御手段から受け取った指令値に基づき前記モータの回転角度を制御する、モータシステム。
  9.  プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
     前記プログラムは、コンピュータに対して、
     外部から入力される外部基準信号と回転体が生成する回転体基準信号との時間差に応じた周期で割込信号を生成して出力する手順と、
     前記割込信号が出力されるごとに、前記回転角度を目標回転角度に追従させるための指令値を演算する手順と、
     前記指令値を用いて前記回転角度を制御する手順と、を実行させる。
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