(57)【要約】【課題】モータ起動時から加速初期の速度追従性を向上させることができる振動型モータの駆動制御装置を提供する。【解決手段】ＣＰＵ３０１は、振動型モータ３１０を目標速度にするための速度指令値を、関数演算値に基づき逐次変化させて生成する速度指令値生成部４０１と、振動型モータ３１０の実速度を検出する速度検出部４０３とを備える。また、速度指令値生成部４０１で生成される速度指令値と速度検出部４０３で検出される実速度とを逐次比較し、両者の差分に対し比例、積分演算を行う比較演算部４０２を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動型モータを駆動制御する振動型モータの駆動制御装置において、
前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力手段と、
前記パルス出力手段により出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの目標速度との偏差を演算処理し、前記振動型モータの速度フィードバック制御を行う制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を、関数演算値に基づき逐次変化させて生成する速度指令値生成部と、
前記振動型モータの実速度を検出する速度検出部と、
前記速度指令値生成部で生成される前記速度指令値と前記速度検出部で検出される前記実速度とを逐次比較し、両者の差分に対し比例、積分演算を行う比較演算部と、
を備えることを特徴とする振動型モータの駆動制御装置。
【請求項２】
振動型モータを駆動制御する振動型モータの駆動制御装置において、
前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力手段と、
前記パルス出力手段により出力される前記パルス信号をカウントするパルスカウント手段と、
前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成手段と、
前記パルスカウント手段から得られたカウント値を元に、前記速度指令値生成手段に前記速度指令値の更新を行わせ、前記振動型モータの駆動を制御する制御手段とを備え、
前記速度指令値の生成は、前記振動型モータが起動を開始した後、前記パルスカウント手段が前記パルス信号のカウントにより初めて前記振動型モータの速度を確定したタイミングで行うことを特徴とする振動型モータの駆動制御装置。
【請求項３】
前記速度指令値生成手段の出力と前記パルスカウント手段の出力とを比較する比較演算手段を備え、前記比較演算手段の比較演算の結果に基づき前記振動型モータに対する操作量を決定することを特徴とする請求項２記載の振動型モータの駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型モータの駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動型モータは、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子に位相の異なる２相の周波電圧を印加することによって振動子（圧電素子を含む）の表面に進行性振動波を励起し、振動子の表面に加圧接触する移動子を相対的に移動させ、駆動を得るものである。
【０００３】
振動型モータは、印加する周波数が高い場合は回転速度が低く、周波数を下げていくことで回転速度が高くなる特性を有する。
【０００４】
振動型モータの速度制御を行う場合は、以下のフィードバック制御方式が一般的である。
【０００５】
即ち、フィードバック制御方式においては、モータの回転軸上に備えられたロータリーエンコーダ等から回転速度を検出し、速度指令値とロータリーエンコーダにより検出された実速度とを逐次比較する。そして、速度指令値との偏差に所定の演算方法によりゲインを持たせ、振動型モータに与える周波数を操作して駆動を行う。
【０００６】
加速時の制御においては、振動型モータに限らず電磁モータにおいても速度指令値を関数として持ち、制御開始時点からの時間軸に対して速度指令値となる目標速度を逐次変化させ、この目標速度に対してモータの回転を追従させる制御方法が一般的である。
【０００７】
加速時の速度指令値となる関数には、制御対象及び負荷条件等により一次関数や、２次以降の高次の関数を組み合わせて適用し、起動、加速、定速の状態を滑らかに移行させる制御方法についてさまざまな提案がなされている。
【０００８】
例えば、特許文献１には、加速時間の前半に、許容される最大加速度を要求する時間を設け、加速時間の後半は、加速度を滑らかにゼロに導くように、速度指令曲線を設定し、駆動初期における速度追従性を向上させる技術が提案されている。
【０００９】
図７に速度指令値の時間変化の一例を示す。
【００１０】
図中において、速度指令値は、制御開始となった時点から徐々に増加させ、所定の回転数に達したところで一定値としている。
【００１１】
振動型モータの起動時の処理方法としては、モータに印加する周波電圧を高周波側から低周波側に向かって周波数掃引させる方法や、固定高周波電圧を印加し、起動開始させる方法等がある。速度制御においては、いずれの処理方法の場合も、モータが回転を始めてから最初の速度値が確定するのを待って速度制御処理を開始することが可能となる。
【特許文献１】特開２００６−６７７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
振動型モータは、振動子と振動子の表面に加圧接触する移動子との摩擦力によって駆動を得るものであり、移動子と振動子の摩擦材の構成及び与圧のかけ方によっては、この接触面が静止摩擦状態から動摩擦状態になったときに急激に回転を生じる特性を持つ。
【００１３】
図１３は、モータ起動時における速度指令値と実速度の時間変化を示す図である。
【００１４】
速度検出可能となった時点（エンコーダエッジが最初に確定したタイミング）でモータの回転数が既に速度指令値から大きく外れており、起動開始以降も速度指令値に対する実速度の追従性が悪い。
【００１５】
またこのような場合、フィードバック制御系の演算ゲインを調整しても、速度指令値に収束させることが困難であった。
【００１６】
このように、振動型モータの起動時においては、一旦、速度指令値から大きく外れてしまうと、その後収束するまでに無駄な時間を要してしまい、速度追従性を悪化させてしまうという問題があった。
【００１７】
本発明の目的は、モータ起動時から加速初期の速度追従性を向上させることができる振動型モータの駆動制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の振動型モータの駆動制御装置は、前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力手段と、前記パルス出力手段により出力される前記パルス信号をカウントして前記振動型モータの実速度を計測し、前記振動型モータの目標速度との偏差を演算処理し、前記振動型モータの速度フィードバック制御を行う制御手段とを備え、前記制御手段は、前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を、関数演算値に基づき逐次変化させて生成する速度指令値生成部と、前記振動型モータの実速度を検出する速度検出部と、前記速度指令値生成部で生成される前記速度指令値と前記速度検出部で検出される前記実速度とを逐次比較し、両者の差分に対し比例、積分演算を行う比較演算部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の振動型モータの駆動制御装置は、前記振動型モータの速度に応じてパルス信号を出力するパルス出力手段と、前記パルス出力手段により出力される前記パルス信号をカウントするパルスカウント手段と、前記振動型モータを目標速度にするための速度指令値を生成する速度指令値生成手段と、前記パルスカウント手段から得られたカウント値を元に、前記速度指令値生成手段に前記速度指令値の更新を行わせ、前記振動型モータの駆動を制御する制御手段とを備え、前記速度指令値の生成は、前記振動型モータが起動を開始した後、前記パルスカウント手段が前記パルス信号のカウントにより初めて前記振動型モータの速度を確定したタイミングで行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の振動型モータの駆動制御装置によれば、モータ起動時から加速初期の速度追従性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
図１は、振動型モータの構成図、図２は、図１の振動型モータの要部拡大図である。
【００２３】
振動型モータは、超音波領域周波数の機械振動を利用し、移動子を摩擦駆動させるものである。
【００２４】
圧電素子１１は、２極に分極され、多重に積層され、焼成された所謂電気−機械エネルギー変換素子である。圧電素子１１は、２つの相、Ａ相・Ｂ相が複数対、リング中心に対し、放射状にほぼ等中心角を以って交互に形成されている。
【００２５】
振動子１２は、圧電素子１１に溶接され、圧電素子群からの振動を増幅する。スライダ部材１３は、移動子１４に固定されており、振動子１２に加圧されている。圧電素子１１のＡ相・Ｂ相に互いに９０度の位相を持った２つの周波信号を印加することで、圧電素子１１の電歪現象により微弱な振動が発生し、振動子１２の表面に進行波が生ずる。
【００２６】
振動子１２の表面の一点の動作を見ると、その点は楕円運動をしており、この摩擦力が運動対象物であるスライダ部材１３、移動子１４へと伝達され、シャフト１５が回転し連続的な機械運動となる。
【００２７】
図３は、本発明の実施の形態に係る振動型モータの駆動制御装置のブロック図である。
【００２８】
図３において、ＣＰＵ３０１は、Ｄ／Ａ変換器３０３に振動型モータ３１０を駆動するための発振周波数データを出力する。
【００２９】
Ｄ／Ａ変換器３０３は、ＣＰＵ３０１からの発振周波数データに基づき、アナログの電圧信号をＶＣＯ３０４に出力する。
【００３０】
ＶＣＯ（VoltAge  Controlled  OscillAtor）３０４は、アナログの電圧信号に応じた周波数のパルスを発生する可変周波数発振器であり、電圧信号の変化に従って発振周波数を可変する。
【００３１】
ＶＣＯ３０４で生成された信号は、位相変換部３０５に入力され、振動型モータ３１０に印加する第１の相であるＡ相と、Ａ相とは位相が９０度異なる第２の相であるＢ相に変換される。
【００３２】
ここで変換される信号の位相差がＡ相に対してＢ相が９０度進みの場合と、９０度遅れの場合のどちらかに切り換えることにより、振動型モータ３１０の回転方向を換えることが可能である。
【００３３】
ここまでで生成された信号は、増幅器３０６、３０７を介し、振動型モータ駆動用のマッチングコイル３０８、３０９を通して、振動型モータ３１０のＡ相、Ｂ相にそれぞれ印加され振動型モータ３１０を駆動する。
【００３４】
振動型モータ３１０の回転軸に備えられたエンコーダ３１１は、回転軸の回転に応じてパルス信号を出力する。
【００３５】
ＣＰＵ３０１は、このパルス信号のエッジ間の時間をカウントし、振動型モータ３１０の実速度を計測し、目標速度との偏差を演算処理し、利得計算を行い、Ｄ／Ａ変換器３０３に演算値を出力して速度フィードバック制御を行う。
【００３６】
ホストコンピュータ３０２は、起動の開始、停止命令や目標速度、加速、減速等のパラメータをＣＰＵ３０１に出力する。
【００３７】
ＣＰＵ３０１は、パルス出力手段としてのエンコーダ３１１により出力されるパルス信号をカウントするパルスカウント手段として機能する。
【００３８】
図４は、図３におけるＣＰＵのブロック図である。
【００３９】
図４において、速度指令値生成部４０１は、制御開始時点からの時間軸に対して速度指令値となる目標速度の生成を行う。速度指令値生成部４０１は、加速時の制御においては、速度指令値を、タイマ４０４からの出力を元に演算し、制御開始時点から時間軸に対して速度指令値となる目標速度を関数演算値に基づき逐次変化させて比較演算部４０２に出力する。
【００４０】
速度検出部４０３は、エンコーダ３１１からのパルス出力のエッジ間の周期を計測し、振動型モータ３１０の実速度を検出し、速度指令値生成部４０１と比較演算部４０２に出力する。
【００４１】
比較演算部４０２は、速度指令値生成部４０１からの目標速度と速度検出部４０３からの実速度を逐次比較し、両者の差分に対し比例、積分演算を行い、Ｄ／Ａ変換器３０３へ出力する。比較演算部４０２の比較演算の結果に基づき振動型モータ３１０に対する操作量を決定する。
【００４２】
このようにして、図３の構成と併せて振動型モータ３１０の速度フィードバック制御のループを形成している。
【００４３】
ＣＰＵ３０１は、パルスカウント手段から得られたカウント値を元に、速度指令値生成部４０１に速度指令値の更新を行わせ、振動型モータ３１０の駆動を制御する制御手段として機能する。
【００４４】
（第１の実施の形態）
図５は、図３の駆動制御装置によって実行される振動型モータの駆動制御処理（加速処理）の第１の実施の形態の手順を示すフローチャートである。
【００４５】
本処理は、図３におけるＣＰＵ３０１の制御の下に実行される。
【００４６】
ホストコンピュータ３０２から振動型モータ３１０（以下、単にモータと呼ぶこともある）の起動指令を受けて本処理は開始される。
【００４７】
ステップＳ５０１では、ＣＰＵ３０１は、モータが回転を始めて最初に得られる実速度を取り込む。
【００４８】
図６は、図３における振動型モータの起動時のエンコーダの出力波形と周期を示すタイミングチャートである。
【００４９】
図６中のＡ相及びＢ相信号は、エンコーダ出力波形でモータが徐々に加速する際のパルス周期が短くなっていく様子を示している。
【００５０】
モータが回転を始めて最初に得られる実速度は、図６中、周期Ｔの計測により得られた値であり、本実施の形態では、立ち上がりエッジ間の周期を測定し、ここから算出している。以下では、初めて得られたこの実速度を初速値Ｙ０とする。
【００５１】
ステップＳ５０２では、目標速度となる指令関数を、得られた初速値Ｙ０を用いて計算処理する。
【００５２】
本実施の形態では、加速度を滑らかに変化させるため、時間に対する３次関数と２次関数を組み合わせた以下の式を用いて指令関数を算出し、加速時における目標速度の速度指令値とした。
【００５３】
図７は、図５における初速値Ｙ０がゼロの場合の目標速度Ｖ（ｔ）の時間変化を示す図である。
【００５４】
Ｖ（ｔ） = −Ｙ４ ／ ４Ｘ３×ｔ３ + ３Ｙ３ ／ ４Ｘ２×ｔ２ + Ｙ０
Ｘ：加速開始を原点とした加速完了までの位置
Ｙ０ ：初速値
Ｙ：目標速度 − 初速値
ｔ：時間
ここで目標速度となる速度指令値（Ｖ（ｔ）とする）は、タイマ４０４からの時間出力である周期（ｔとする）によって決定される。ｔにかかる３次の第１項と２次の第２項の係数は目標速度と初速値Ｙ０の差（Ｙとする）を利用するため、モータが回転を始めてから最初に得られる実速度である初速値Ｙ０が必須である。
【００５５】
このため速度指令値（目標速度）は、モータが回転を始めてから検出可能となった時点での初速値Ｙ０が確定してから、これを上記式に代入し、各項の係数を算出することで決定する。
【００５６】
また、タイマ４０４の起動は、初速値Ｙ０が確定した時点からスタートさせ、これをｔとして使用する。
【００５７】
図８は、図４における速度指令値生成部で生成される速度指令値の第１の例を示す図である。
【００５８】
ステップＳ５０３では、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ５０２で算出された係数に基づいて目標速度の速度指令値であるＶ（ｔ）をタイマ周期ｔの値に応じて算出する。
【００５９】
ステップＳ５０４では、ＣＰＵ３０１は、速度検出部４０３により、モータの実速度を算出（計測）する。
【００６０】
ステップＳ５０５では、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ５０３で得られた速度指令値（目標速度）と、ステップＳ５０４で得られたモータの実速度を比較し、両者の差分の比例、積分演算を行う。
【００６１】
ステップＳ５０６では、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ５０５の演算結果を元に算出した、駆動周波数をＤ／Ａ変換器３０３へ出力し、モータの速度を可変させる。
【００６２】
ステップＳ５０７では、ＣＰＵ３０１は、モータが目標速度に達したかどうかの判断を行う。目標速度に達していない場合は、ステップＳ５０３に戻り、以降の処理を繰り返す。
【００６３】
以上のステップの処理を行った後に本処理を終了する。
【００６４】
図９は、図５の振動型モータの加速処理による実速度の時間変化を示す図である。
【００６５】
本実施の形態では、モータ起動時に検出しうる最初の実速度（初速値Ｙ０）を目標速度となる速度指令値にかさ上げし、新たに速度指令カーブを生成し、かさ上げの有無に関係なく目標速度（定常速度）に達するまでの時間を一定となるようにした。
【００６６】
（第２の実施の形態）
本実施の形態では、既に生成された速度指令カーブに対し初速値をかさ上げし、目標速度（定常速度）に達するまでの時間を短縮する。
【００６７】
図１０は、図４における速度指令値生成部によって生成される速度指令値と時間の対応テーブルを示す図である。
【００６８】
第１の実施の形態では、速度指令値の演算を、計算式に基づきタイマ４０４の値が更新される度に逐次行う構成としたが、第２の実施の形態では、図１０に示すように、時間と速度指令値の対応テーブルを備える。
【００６９】
図１０において、時間データｔ（０）、ｔ（１）、ｔ（２）‥ｔ（ｎ）と、その時間の値に応じた速度指令値Ｖ（ｔ０）、Ｖ（ｔ１）‥Ｖ（ｔｎ）が予め計算され、テーブルとして、ＣＰＵ３０１内に格納されている。速度指令値を参照する場合、通常、タイマ周期を規定して使用するため、タイマ４０４が更新されるタイミングに合わせて行う。
【００７０】
例えば（ｉ）番目を参照した後、次にタイマ４０４が更新されたタイミングで（ｉ＋１）番目の速度指令値の参照を行う。また逆に、得られた速度の値からそれに対応する時間をテーブルから参照することも可能である。テーブルは予めモータの制御を開始する前に作成することで演算処理時間を短縮することができる。
【００７１】
本実施の形態では、初速値Ｙ０が得られた時点で最近傍の実速度を導き出し、その実速度に対応する時間値を制御開始時から使用することによりかさ上げを実現している。テーブルを使用した動作について、図１１のフローチャートを用いて説明する。
【００７２】
図１１は、図３の駆動制御装置によって実行される振動型モータの駆動制御処理（加速処理）の第２の実施の形態の手順を示すフローチャートである。
【００７３】
本処理は、図３におけるＣＰＵ３０１の制御の下に実行される。
【００７４】
本処理の開始の前に、予めタイマ周期ｔ（ｎ）とそれに応じた速度指令値であるＶ（ｔｎ）のテーブルを作成しておく。ホストコンピュータ３０２からの指令を受けて本処理が開始される。
【００７５】
ステップＳ１１０１で、ＣＰＵ３０１は、モータが回転を始めて最初に得られた実速度である初速値Ｙ０を取り込む。
【００７６】
ステップＳ１１０２で、ＣＰＵ３０１は、ステップＳ１１０３で初速値Ｙ０とテーブル上の速度指令値とを比較するための変数Ｖ（ｉ）を設け、テーブル上の速度指令値に対応させる。このＶｉに、時間値がゼロの際の速度値Ｖ０=０を初期値として設定する。
【００７７】
変数Ｖ（ｉ）を設ける目的は、初速値Ｙ０に対し、これより大きい値を持つ速度指令値をテーブルから参照し、テーブル上の速度指令値に応じた時間値を導き出すためである。
【００７８】
ステップＳ１１０３で、ＣＰＵ３０１は、上記Ｖ（ｉ）とＹ０を比較し、Ｙ０がテーブル上の値より大きいか否かを判断する。比較した結果、Ｖ（ｉ）のほうが小さい場合は、ステップＳ１１０４に進み、ｉの値をインクリメントし、テーブル上の次に大きい速度指令値であるＶ（ｉ＋１）を参照する。以降、比較を繰り返し、Ｙ０以上のＶ（ｉ）を導き出す。
【００７９】
ステップＳ１１０５で、ＣＰＵ３０１は、導き出されたＶ（ｉ）に対応したｔ（ｉ）をテーブルから参照し、タイマ値の初期値に設定する。この時点で、制御開始のための時間値と速度指令値が確定し、得られたＶ（ｉ）がかさ上げされた値となる。
【００８０】
ステップＳ１１０６乃至Ｓ１１１０では、図５の第１の実施の形態と同様に、速度指令値と実速度の比較演算処理を行う。
【００８１】
ステップＳ１１１１で、ＣＰＵ３０１は、次の速度指令値をテーブル参照するため、タイマ値をインクリメントさせている。以降、速度指令値が目標速度（定常速度）に達するまで繰り返し、本処理を終了する。
【００８２】
図１２は、図４における速度指令値生成部で生成される速度指令値の第２の例を示す図である。
【００８３】
本実施の形態では、速度指令値が予め作成してあり、その速度指令値カーブにモータの回転速度を乗せているため、目標速度（定常速度）までに達する時間が、第１の実施の形態の場合よりも短縮できる。
【００８４】
本実施の形態によれば、モータ起動時に検出しうる最初の実速度を目標速度となる速度指令値にかさ上げすることにより、モータ起動時から加速初期の速度追従性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】振動型モータの構成図である。
【図２】図１の振動型モータの要部拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る振動型モータの駆動制御装置のブロック図である。
【図４】図３におけるＣＰＵのブロック図である。
【図５】図３の駆動制御装置によって実行される振動型モータの駆動制御処理（加速処理）の第１の実施の形態の手順を示すフローチャートである。
【図６】図３における振動型モータの起動時のエンコーダの出力波形と周期を示すタイミングチャートである。
【図７】図５における初速値Ｙ０がゼロの場合の目標速度Ｖ（ｔ）の時間変化を示す図である。
【図８】図４における速度指令値生成部で生成される速度指令値の第１の例を示す図である。
【図９】図５の振動型モータの加速処理による実速度の時間変化を示す図である。
【図１０】図４における速度指令値生成部によって生成される速度指令値と時間の対応テーブルを示す図である。
【図１１】図３の駆動制御装置によって実行される振動型モータの駆動制御処理（加速処理）の第２の実施の形態の手順を示すフローチャートである。
【図１２】図４における速度指令値生成部で生成される速度指令値の第２の例を示す図である。
【図１３】モータ起動時における速度指令値と実速度の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
３０１  ＣＰＵ
３０２  ホストコンピュータ
３０３  Ｄ／Ａ変換器
３０４  ＶＣＯ
３０５  位相変換部
３０６、３０７７  増幅器
３０８、９  マッチングコイル
３１０  振動型モータ
３１１  エンコーダ
４０１  速度指令値生成部
４０２  比較演算部
４０３  速度検出部
４０４  タイマ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010063229.tif 000011
【図１０】
2010063229.tif 000012
【図１１】
2010063229.tif 000013
【図１２】
2010063229.tif 000014
【図１３】
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