計測自動制御学会東北支部

第 217 回研究集会(2004.7.15)

資料番号217-2低分解能角度検出によるサーボモータの低速駆動
The Low Speed Drive of a Servo Motor by Low Resolution Angle Detection○大平雄輝＊，秋山宜万＊，松尾 健史＊，三浦 武＊，谷口 敏幸＊○Yuki Ohira＊，Yoshikazu Akiyama＊，Kenshi Matsuo＊，Takeshi Miura＊，Toshiyuki Taniguchi＊
＊

秋田大学

＊

Akita University

キーワード：DC サーボモータ(DC servo motor)，低速駆動(low speed drive)，低分解能(low resolution)，開ループ制御(open loop control)，電圧指令(voltage command)，
連絡先：〒010-8502 秋田県秋田市手形学園町 1-1
三浦

秋田大学工学資源学部 電気電子工学科

武，TEL．
：(018)889-2329，FAX．
：(018)837-0406，E-mail：miura@ipc.akita-u.ac.jp．はじめに1．

パルスが得られない区間において，何らかの方法を用いて開ループ制御で低速に駆動させる必要がある．

近年，多くの産業機器に制御用小形モータ

低速に駆動できるモータとしてステッピが使用され，使用用途もさまざまに要求されてきている．そのような用途のひとつとして， ングモータがある．これは，入力パルスにモータを低速に駆動させるということがあ

対して，基本ステップ角毎に回転する 2)といげられる．

う特徴をもっている．入力パルスの周波数をモータの速度や位置を制御するとき，一般低く設定することで，開ループで低速駆動がに検出器としてロータリーエンコーダがよ可能となる．

く使用される．ロータリーエンコーダは分解さて，ここで DC サーボモータに注目する．

能が高いものだと高価である．そこで，装置

DC サーボモータとは，制御性がよく，電子のコスト低減のため，低分解能のエンコーダサーボ用アクチュエータとして使用されてを用いるが，モータを低分解能のエンコーダいるモータである 3)．本研究では，このモーを用いて低速駆動で制御するとき，制御周期タを，ステッピングモータのように動作させにおいてエンコーダのパルスを得ることがる手法を開発した．すなわち，サーボモータできず，その区間の閉ループ制御が行えないを一定角度駆動させることを連続的に行う

1)ということになる ．このような理由のため，手法を考案し，開ループ制御での低速駆動をモータを低速に制御することが困難である．

実現させた．また，この手法とは，サーボモ

そこで，モータを低速駆動させるためには，ータに対して，微小時間電圧指令を与え，そ1

PC9821Xa13
DA converter

UD counter board

Servo amplifier
DC servo motor(load)DC servo motor

Rotary encoder

Fig.1 Experimental system

Voltageの指令を一定時間間隔で与えるという手法をとる．時間間隔の調整については，高分解能での実験データを元に手動で調整した．実験においては，ある目標速度を設定し，それ1[ms]に対して，電圧指令の大きさを一定という条tt：Time interval

件で，時間間隔の調整を行い，実験を行った．
その次に，電圧指令の大きさを変え，それにFig.2

Voltage command

対して，時間間隔の調整を行ってみた．そして，負荷装着時の変動に対して，時間間隔に動するよう実験を行った．調整の際は，高分ついて無負荷時と比較し，調整，検討した．

解能で測定したデータを元に調整した．なお，一定時間間隔で電圧を与えるということで、．実験システム
2．実験システム

電圧の印加時間は 1[ms]とした．

．実験方法
3．実験方法本研究で使用したモータは R301-011(山洋電気社製，定格出力，11W，定格電圧 24V，定格電流 1.25A)である．

Fig.2 の電圧指令を基に，無負荷時において，本研究での実験システムを Fig.1 に示す．

目標速度をあらかじめ設定し，電圧指令値パソコンからの電圧指令を DA 変換器を介し， 10[V]とし，その目標速度で駆動できるよう，サーボアンプにて電圧を増幅し，モータに電実験的に時間間隔を調整した．

圧が印加されることで，モータが駆動される．

次に，目標速度を 1[min-1]と設定し，印加回転子角度は，分解能 3600[pulse/rev.]のロー電圧を変化させたときにおいて，時間間隔のタリーエンコーダによって検出され，アップ調整を行い，目標速度で駆動できる時間間隔ダウン(UD)カウンタボードを介して，パソコを探索した．

ンに入力することで測定される．また，負荷

次に，負荷装着時において，目標速度をとして，本研究で使用したモータと同一のサ1[min-1]に設定し，無負荷時と同じ電圧指令でーボモータを使用した．

駆動させ，無負荷時との比較を行い，さらに，今回，電圧指令として Fig.2 のような，パ時間間隔の調整を施し，負荷装着時と無負荷ルス状の電圧指令を考案し，振幅の大きさ，時の比較，検討を行った．なお，低分解能の時間の間隔を調整することで，目標速度で駆角度検出において，エンコーダのパルスがく
2reference value
experimental value

4040030300

rotor angle[deg]rotor angle[deg]reference value
experimental value

2010200

10003

6020time[s]4060time[s]Fig.3 Experimental result

Fig.4 Experimental result-1(Voltage=10[V] Time interval=85[ms])(1[min ],0.5[min-1]0.25[min-1],0.1[min-1])

るまでの間，開ループ制御ということを想定

Table.1 The adjustment result in the time interval

し，実験において，一切閉ループ制御はせず，開ループ制御とした．また，駆動時間は 1 分として実験を行った．

4．実験結果
．実験結果

Reference speed[min-1]

Time interval[ms]1.00

910.501800.253620.10900

3 章で述べた方法により，実験を行った．
無負荷時において，目標速度を 1[min-1]とし，6 秒間，開ループで駆動させた結果を Fig.3
Time interval[ms]800に示す．電圧指令における印加電圧の大きさ
は 10[V]とし，時間間隔を実験的に調整した
結果，t=85[ms]において，大体目標速度で駆動させることができた．ステッピングモータ
的にある一定角度駆動させることを連続的

600
400
200
0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1に行って駆動しているため，やや階段状の角

Reference speed[min-1]

度の変化がみられた．急激な始動と停止を繰

Fig.5 The adjustment result in the time interval

り返すことから，停止の区間が長ければ長いほど，階段状の変化が顕著に現れた．

行った結果を Fig.4 に示す．また，目標速度次に，印加電圧を 10[V]に固定し，目標速と時間間隔の調整結果を Table.1 に示す．
Fig.4

度を変え，実験を行った．時間の間隔は，目と Table.1 より，時間間隔を長くとればとる

標速度で駆動できるよう，実験的に調整した． ほど，低速に回転させることができるという目標速度は 1[min-1]，0.5[min-1]，0.25[min-1]， ことがわかる．また，Fig.5 で，速度と時間間0.1[min-1]と設定し，時間間隔を調整し実験を

隔の関係を見ると回転速度と時間間隔は大3reference value
experimental value

400

400300300

rotor angle[deg]rotor angle[deg]reference value
experimental value

200

100

100

020406002040

time[s]time[s](a) Voltage=10.0[V](c) Voltage=15.0[V]reference value
experimental valuereference value
experimental value

400

400

300300rotor angle[deg]rotor angle[deg]

200

200

10060

200

1000204060

02040

time[s]time[s](b) Voltage=12.5[V](d) Voltage=17.5[V]60Fig.6 Experimental result(10[V],12.5[V],15.0[V],17.5[V])300

Voltage[V]Time interval[ms]Table.2 The adjustment result in the time intervalTimeinterval[ms]10.09112.5

165

15.0260

17.5

365

200

100
0 0 1012 14 16Voltage[V]18Fig.7 The adjustment result in the time interval

4reference value
experimental value(load)
experimental value(adjusted time interval)400

400300300

rotor angle[deg]rotor angle[deg]reference value
experimental value(load)
experimental value(adjusted time interval)

200

100

200

1000204060020time[s](a) Voltage=10.0[V]60(c) Voltage=15.0[V]reference value
experimental value(load)
experimental value(adjusted time interval)

reference value
experimental value(load)
experimental value(adjusted time interval)

400

400

300

300

rotor angle[deg]rotor angle[deg]40time[s]

200

100

200

1000204060020time[s]4060time[s](b) Voltage=12.5[V](d) Voltage=17.5[V]Fig.8 Experimental result（on load）
no loadon load(after adjusted)

Table.3 The adjustment result in the time interval
400

Time
Time interval[ms]Voltage[V] Timeinterval[ms] interval[ms](no load)(on loadafteradjusted)

10.0[V]91

20

12.5[V]165

47

15.0[V]260

80

17.5[V]

365

123

300
200
100
00 1012141618

Voltage[V]Fig.9 The adjustment result in the time interval5体反比例の関係があると推測できる．反比例値に戻るというように，速度変化と時間間隔の関係を用いることで大体目標速度で駆動の変化の対応は比例関係にあると推測できすることができる．

る．
-1

次に，目標速度を 1[min ]に固定し，印加以上の実験結果より，目標速度に対して，電圧の大きさを 10.0[V]，12.5[V]，15.0[V]，高分解能で検出したデータを元に印加電圧，17.5[V]と変え，同様に時間を調整し実験を行

時間間隔を調整することにより，開ループにった．その実験結果を Fig.6 に示す．また，て一定区間低速に駆動できることが示され印加電圧値に対する時間の間隔の調整の結た．また，負荷による速度の変動に対しても，果を Table.2 に示す．Fig.6 より，印加電圧にその変動に対して，変動した速度に対する時応じて，時間間隔を調整することで目標速度間間隔の関係を用いれば，目標速度で低速にに近くで駆動することが可能であることを駆動することができる．このことから，低分検証することができた．Table.2 より印加電圧解能の角度検出での制御においても，情報のを大きくとるに従って，時間間隔が長くなるない間，制御が可能であると考えられる．

ことがわかる．このことと Fig.6 とを比較し5．おわりに．おわりにてみると，印加電圧を大きくとるに従って，時間間隔が長くなるために，印加電圧が大きいほど，角度の変化において階段状の応答が低分解能の角度検出によるモータの低速みられるようになる．また，Fig.7 より，印加駆動において，制御周期内に情報が得られな電圧の大きさと時間間隔の関係は大体比例いという問題に対して，情報が得られない一関係にあると推測できる．これは，同じ回転定区間を開ループで低速駆動をさせる目的速度において，平均電圧が同じになるというで，ある一定時間間隔おきに微小時間の電圧理由から，推測できる．

印加という手法で実験を行った．時間の間隔先ほどと同様の条件の下，負荷として DCは高分解能時の測定データを元に，調整を行サーボモータを装着し，実験を行った．そのった．

-1

後，1[min ]で回転するよう時間間隔を調整し， 実験を行った結果，印加電圧，時間間隔を調実験を行った．その結果を，Fig.8 に示す．印

整することにより，一定区間の開ループでの加電圧及び負荷装着時の調整前の時間間隔低速駆動が可能であることが実験的に示さと調整後の時間間隔の関係を Table.3，Fig.9

れた．また，速度と時間間隔に一定の関係がに示す．負荷を装着することにより，無負荷あると推測され，その関係を用いて，速度を状態に比べて，速度は低下する．実験では無変えられるということが実験的に示された．

負荷状態に比べて，負荷時は約 1/4 程度の速

上記のように，本研究で用いた手法を用い度となる．その低下に対しては時間間隔を調ることで，モータを開ループで低速駆動でき整することで目標速度へと戻すことが可能ることがわかった．このことより，低分解能である．Fig.8 より，負荷装着時において，印の角度検出での低速駆動が可能であると思

加電圧が高いほど，目標速度に追従する．まわれる．また，分解能の低い角度検出器の使た，Table.3 より，負荷により低下した速度と用も可能であることから，装置のコストの低目標速度に戻す時間の間には一定の関係が減も望まれる．

あると推測でき，速度が負荷装着時 1/4 に下がった場合．時間間隔も 1/4 にすれば，目標6参考文献
1) 大石潔，小川泰明，百目鬼英雄：低分解能エンコーダと速度オブザーバを併用した PM
モータの一速度制御法，電気学会論文誌 D，122-3，209/216(2002)
2) 見城尚志：小型モータの基礎とマイコン制
御，96/97，総合電子出版社(1989)
3) 岡田養二，長坂長彦：サーボアクチュエー
タとその制御，6/7，コロナ社(1991)

7