JPH05122970A - モータ速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】モータの電流制御ループを省略しても外乱トル
ク推定の精度を高く保持すること、また簡単な構成によ
り高い周波数及び不特定な低周波の速度変動を同時に抑
制すること 【構成】電圧制御ループのモータ速度制御装置にオブザ
ーバ方式のトルク外乱補償手段３０内に、外乱トルク推
定値補正手段３５を設け、速度検出値に一定ゲインを乗
じて得られる値により外乱トルクの推定値を補正して、
電圧制御ループに反映されない誘起電圧定数又は／及び
粘性の影響を排除する。また、出力部にフィルタを有す
る外乱トルク補償手段３０を設けた場合と、設けない場
合の速度変動の比をＲvとし、フィルタ関数をＦ(ｓ)と
すると、Ｒv＝１−Ｆ(ｓ)という単純な関係が成り立つ
ことを利用し、フィルタの特性を、特定の高い周波数及
び不特定な低周波の速度変動を同時に抑制するものに設
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、情報記録再生装置の情
報記録再生ヘッドや情報記録媒体を走行駆動等させるモ
ータの速度制御装置に関する。情報記録再生装置として
はビデオテープレコーダ（ＶＴＲ）、ビデオカメラ、デ
ータストリーマ、光磁気ディスク、ファクシミリ等があ
り、情報記録再生ヘッドとしては磁気ヘッド、光ヘッド
等があり、情報記録媒体としては磁気テープ、光・磁気
ディスク、記録紙等がある。

【０００２】

【従来の技術】上記のようなヘッドや記録媒体をモータ
により走行駆動する部分を持つ装置においては、ヘッド
と記録媒体との相対速度が変動すると、画質や音質が低
下することが知られている。一方、モータの回転速度
は、モータのトルクリップルによるトルク変動や、予測
できない外乱などの影響により変動する。そこで、従
来、トルク外乱等によるモータの速度変動を抑制する方
法が各種提案されている。

【０００３】その一つの方法として、１９９０年 イン
ターナショナル パワーエレクトロニクス コンファレ
ンス(1990 INTERNATIONALPOWER ELECTRONICS CONFERENC
E)の予稿集第450頁から第456頁において論じられている
外乱オブザーバ方式が代表的である。この方式は、ま
ず、速度指令に対応するモータ電流指令とモータの発生
トルクとの特性関係を模擬してなるモータトルクモデル
により、与えられる電流指令に対するモータの発生トル
クを推定する。一方、モータの検出速度又は磁気テープ
や回転シリンダ等の負荷の検出速度とモータの発生トル
クとの特性関係を模擬してなる負荷トルク逆モデルによ
り、モータ又は負荷の検出速度に対応するモータの発生
トルクを推定する。そして、それら２つのモデルにより
求めたモータの発生トルクの推定値の差を外乱トルクと
して求め、この求めた外乱トルクを打ち消すように電流
指令を補正する。これにより、理論的には、トルク外乱
がモータ速度出力に及ぼす影響を除去できる。

【０００４】また、他の方法として、特開昭61-240871
号公報に記載されているように、トルク外乱などにより
発生するモータの速度変動を、学習制御によって除去し
ようとする試みが多くなされている。つまり、速度変動
に含まれる周期的な変動パターンをモータの複数回転分
にわたりランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：RandomAcce
ss Memory）等に収集し、その変動パターンを打ち消す
補正信号を作成して、モータの速度変動を小さくしよう
とするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記した外乱オブザー
バ方式は、高精度の制御を達成するために、速度制御ル
ープに加え電流制御ループを備えることを前提にしてい
る。

【０００６】しかし、近年になって機器の小形軽量化、
低価格化が要求されるようになってくると、必ずしも速
度制御に不可欠とはいえない電流制御ループを省略する
ことが要求されるようになってきた。

【０００７】ところが、モータの速度制御において、電
流制御ループを省略した場合、制御対象とするモータの
内部誘起電圧や粘性抵抗が制御系に直接影響するように
なってくる。すなわち、モータの内部誘起電圧や粘性抵
抗はモータの回転速度に応じて変化するが、それらの影
響はモータ電流に反映されるため、電流制御ループがあ
ればそれらの影響を除去できるのに対し、電流制御ルー
プを省略してしまうとその作用が無くなるためである。

【０００８】また、前記した外乱オブザーバ方式の場
合、比較的低周波の速度変動は抑制できるが、観測ノイ
ズ（サンプリングノイズ）や制御の遅れ等の理由から、
高周波の速度変動に対しては効果が少ないことが明らか
になってきた。

【０００９】一方、前記した他の方法によれば、周期的
な変動に対しては比較的高い周波数にまで対応できる
が、周波数が特定しない変動に対しては対応できないと
いう問題がある。しかも、回転変動の振幅や位相を検出
するため検出手段と、検出された変動パターンに基づき
補正信号を作成するための手段とＲＡＭが必要になるこ
とから、トルク変動補償手段の回路構成が複雑になり、
コストアップの要因になるという問題がある。

【００１０】本発明の第１の目的は、電流制御ループを
具備しない速度制御ループにおいて、外乱オブザーバに
よる外乱トルク推定の精度を高めたモータ速度制御装置
を提供することにある。

【００１１】また、本発明の第２の目的は、比較的高い
周波数の速度変動及び不特定周波数の低周波の速度変動
とを同時に抑制できる簡単な構成のモータ速度制御装置
を提供することにある。

【００１２】また、本発明の第３の目的は、上記第１と
第２の目的を同時に達成できるモータ速度制御装置を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、本発明のモータ速度制御装置は、モータの速度
検出値を速度指令値に一致させるようにモータの電圧指
令値を調節する速度制御手段と、前記電圧指令値に基づ
いて前記モータの入力電圧を制御するモータ駆動手段
と、前記電圧指令値と前記速度検出値とを入力し、前記
モータと該モータの負荷を模擬してなるモデルに基づい
てトルク外乱の推定値を求め、該トルク外乱推定値を打
ち消すように前記電圧指令値を補正する外乱トルク補償
手段とを具備してなるモータ速度制御装置において、前
記速度検出値を入力し、該速度検出値に応じて前記トル
ク外乱推定値を補正する外乱トルク推定値補正手段を設
けたことを特徴とする。

【００１４】この場合において、前記トルク外乱推定値
補正手段が、前記速度検出値を一定倍する比例要素を有
してなり、該比例要素の出力を前記外乱トルク推定値に
加算または減算する構成とすることができる。また、前
記比例要素のゲインが、前記モータのトルク定数と誘起
電圧定数との積を該モータのコイル抵抗値で除算して得
られる値、又は該値に前記モータと負荷の粘性定数を加
えた値に設定することが好ましい。

【００１５】上記第２の目的を達成するため、本発明の
モータ速度制御装置は、モータの速度検出値を速度指令
値に一致させるようにモータの制御量指令値を調節する
速度制御手段と、前記制御量指令値に基づいて前記モー
タの入力制御量を制御するモータ駆動手段と、前記制御
量指令値と前記速度検出値とを入力し、前記モータと該
モータの負荷を模擬してなるモデルに基づいてトルク外
乱の推定値を求め、該トルク外乱推定値を打ち消すよう
に前記制御量指令値の補正値を求め、該補正値をフィル
タ処理した値により前記制御量指令値を補正する外乱ト
ルク補償手段とを具備してなるモータ速度制御装置にお
いて、前記フィルタ処理にかかる伝達関数が、一次以上
のハイパスフィルタの伝達関数に、前記モータのトルク
リップルと電源ノイズの少なくとも一方の周波数又は周
波数帯域のゲインを小さくする伝達関数を乗じて得られ
る伝達関数を１から減じた関数に設定されてなることを
特徴とする。

【００１６】また、前記フィルタ処理する手段を、一次
以上のハイパスフィルタとノッチフィルタの伝達関数の
積を１から減じた伝達関数を有し、該ノッチフィルタの
伝達関数が、前記モータのトルクリップルと電源ノイズ
の少なくとも一方の周波数又は周波数帯域のゲインを小
さくする伝達関数に設定して構成することができる。

【００１７】上記の外乱トルク推定値補正手段と、上記
のフィルタ処理とを双方を具備することにより、上記第
３の目的を達成することができる。

【００１８】

【作用】このように構成されることから、本発明によれ
ば、次の作用により本発明の目的が達成される。

【００１９】モータの内部誘起電圧や粘性抵抗がトルク
に及ぼす影響は、基本的にモータの回転速度の１次関数
で近似できる。したがって、モータの速度検出値に応じ
て外乱トルク推定値を補正することにより、それらの影
響を打ち消した外乱トルクを推定できる。その結果、外
乱オブザーバ方式において電流制御ループを省略して
も、簡単な構成の補正手段により、高い精度で速度制御
を実現できることになり、情報記録再生装置のモータ制
御に適用して、画質や音質の低下又はデータストリーマ
の信頼性の低下を防止できる。

【００２０】また、フィルタ特性と速度変動比との間に
簡単な関係があることを利用して、フィルタ処理にかか
る伝達関数が、一次以上のハイパスフィルタの伝達関数
に、前記モータのトルクリップルと電源ノイズの少なく
とも一方の周波数又は周波数帯域のゲインを小さくする
伝達関数を乗じて得られる伝達関数を１から減じた関数
に設定したことから、低周波の不規則な速度変動と、従
来適用が困難だった高周波の規則的な速度変動の双方を
効果的に抑制できる。

【００２１】また、上記外乱トルク補償手段を設けると
共に、上記のフィルタ特性のフィルタを介して外乱トル
ク補正値を処理することにより、電流制御ループを省略
した外乱オブザーバ方式でも、モータの内部誘起電圧や
粘性の影響を除去できるとともに、簡単な構成によりト
ルクリップルのような特定の高周波の速度変動を抑制で
きる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を図示実施例に基づいて説明す
る。図１に、本発明の一実施例のモータ速度制御装置の
主要部ブロック構成図を示す。図示のように、モータ１
１は例えば磁気テープ走行装置等の負荷１２に連結さ
れ、モータ１１（又は負荷１２）の回転速度は速度検出
器１３により検出される。速度検出器１３により検出さ
れたモータの速度検出値ωは、加算手段２１により速度
指令値ωｃと突き合わされ、その偏差が速度制御手段２
２に入力される。速度検出手段２２は入力される速度偏
差を打ち消すような電圧指令値Ｖｃを、モータ１１の制
御量指令値として出力する。なお、速度制御手段２２
は、低周波域ではゲインが大きく、高周波域ではゲイン
が小さく設定された位相遅れ補償機能を有してなる。電
圧指令値Ｖｃは加算手段２３において後述する外乱トル
クの補正値Ｖｃｏｍｐが加算され、最終的な電圧指令値
Ｖｉｎとしてモータドライバ２４に入力される。モータ
ドライバ２４は入力される電圧指令値Ｖｉｎに従ってモ
ータ１１に供給する電圧を制御する。

【００２３】外乱トルク補償手段３０は基本的にいわゆ
る外乱オブザーバ方式の外乱トルク補償手段であり、モ
ータトルクモデル３１と、負荷トルク逆モデル３２と、
モータトルク逆モデル３３と、ローパスフィルタ３４
と、本実施例の特徴部である外乱トルク推定値補正手段
３５を含んで構成されている。モータトルクモデル３１
はモータ１１が電圧指令値Ｖｉｎ従って駆動されたとき
に発生するモータトルクを推定する模擬特性関数であ
る。負荷トルク逆モデル３２は、モータ１１と負荷１２
からなる機械系の入力トルクを速度検出値ωから推定す
る模擬特性関数である。それらのトルク推定値の差が外
乱トルクに対応するものであり、加算手段３６で外乱ト
ルク推定値として求められる。モータトルク逆モデル３
３はトルクの次元を電圧指令値の次元に変換するもので
ある。速度制御手段２２及び外乱トルク補償手段３０
は、マイクロコンピュータを用いて構成することができ
る。

【００２４】ここで、本実施例の特徴部である外乱トル
ク推定値補正手段３５を中心として、外乱トルク補償手
段３０の詳細構成を、図２に示したブロック線図を参照
しながら説明する。図２において、図１のブロック又は
構成部品に対応するブロックに同一の符号を付して示
す。なお、モータドライバ２４は伝達関数的には無視で
きるとして記載を省略している。図中のブロック１０１
は、モータ１１と負荷１２のブロック線図に対応する部
分である。ここでモータ１１としては、情報記録再生装
置に広く用いられている小形ブラシレスモータを例に示
している。このモータはコイルインダクタンスが無視で
きるほど小さく、また電流制御ループを備えていないも
のとする。図示のように、ブロック１０１を構成する各
ブロックのうち、ブロック１１１はモータ１１のトルク
定数の電圧換算量であり、ブロック１１２はモータ１１
及び負荷１２の慣性モーメントＪと粘性定数Ｂとから構
成されるモータ・負荷特性の伝達関数である。ブロック
１１３はモータ１１の内部誘起電圧を定数で表したもの
である。また、外乱は全て外乱トルクτDとして作用す
るものとして表している。

【００２５】モータトルクモデル３１の関数は、ブロッ
ク１１１のモデルに相当し、電圧指令値Ｖinからモータ
１１の発生トルク推定値３８を求める。モデル３１はト
ルク定数ＫTに変えてモータ１１のカタログ等に記載し
てあるトルク定数の公称値ＫTnom（添字のnomは公称値n
ominalを表す、以下同じ）を用いている。また、Ｒcは
モータコイルの電気的抵抗を表わす。負荷トルク逆モデ
ル３２は、ブロック１１２の逆モデルに対応するもので
あり、速度検出値ωからモータ１１と負荷１２からなる
負荷系の入力トルク推定値３９を求める。また、モータ
１１と負荷１２の慣性モーメントＪとして、その公称値
Ｊnomを用いて構成している。なお、本例では粘性定数
Ｂは小さいものとして無視している。これらのモデル３
１と３２により推定されたトルク推定値の差４０が加算
手段３６で求められ、これが基本的な外乱トルクτＤに
相当する。

【００２６】外乱トルク推定値補正手段３５は、本発明
の特徴部であり、後述するように、ゲインｋcompの比例
要素として表わすことができる。この外乱トルク推定値
補正手段３５は、速度検出値ωを入力として外乱トルク
推定値の補正値４１を求め、加算手段３７に出力する。
モータトルク逆モデル３３は、加算手段３７により補正
されたトルク推定値τDintを電圧指令値の次元に変換す
る変換ゲインであり、図示のようにモータトルクモデル
の逆関数になっている。ローパスフィルタ３４は、ノイ
ズ及びサンプリング制御のサンプリングの影響を減少さ
せるために設けられたものである。

【００２７】ここで、上記のように構成される実施例の
動作及び外乱トルク推定値補正手段３５の詳細を説明す
る。なお、簡単のため、ここではノイズ除去用のローパ
スフィルタ３４の動作を省略して説明する。前述したよ
うに、従来の外乱オブザーバは、電流制御ループを設
け、制御指令が電流であることを前提としていたため、
その電流制御ループによってモータ１１が発生するトル
クを直接制御できる。したがって、モータ１１の内部誘
起電圧や、負荷系の運動に関係する粘性の影響を考慮す
る必要がなく、本実施例のような外乱トルク推定値補正
手段３５を具備する必要はなかった。しかし、小形軽量
化の要求と、低価格化の要求から、高精度速度制御を必
要とする機器においても、電流制御ループを省略する要
求がある。そこで、本発明は、外乱トルク推定値補正手
段３５を設け、電流制御ループを省略してもモータの内
部誘起電圧と粘性の影響を排除できる外乱オブザーバを
実現したのである。以下、このことを詳細に説明する。

【００２８】外乱オブザーバの原理に戻ってその機能を
考察するため、図２の外乱トルク補償手段３０を図３に
示すように外乱トルク推定手段１０２と補正信号作成手
段１０３にわけて考える。まず、電圧指令値の補正値Ｖ
compと外乱トルクτDとの関係から、補正信号作成手段
１０３を導出する。

【００２９】電圧指令値Ｖｃ、その補正値Ｖcomp、外乱
トルクτDと、速度検出値ωとの間には数１の関係が成
り立つ。

【００３０】

【数１】

【００３１】速度検出値ωすなわちモータの回転速度
が、外乱トルクτDに無関係になるためには、補正値Ｖc
ompが数２のように表せればよい。

【００３２】

【数２】

【００３３】ここで、数２のトルク定数をその公称値Ｋ
Tnomを用い、かつ外乱トルクとして推定値τDinfを用い
ると、補正値Ｖcompは数３のように表せる。

【００３４】

【数３】

【００３５】よって、補正信号作成手段１０３は、トル
ク定数公称値ＫTnom、コイル抵抗ＲCを用いて数４のよ
うに表せる。

【００３６】

【数４】

【００３７】次に、外乱トルク推定手段１０２について
導出する。

【００３８】まず、モータ入力電圧Ｖin、外乱トルクτ
Dと、速度検出値ωとの間には数５のような関係が成り
立つ。

【００３９】

【数５】

【００４０】数５を変形すると、外乱トルクτDは数６
のようになる。

【００４１】

【数６】

【００４２】よって、外乱トルク推定値τDinfは、モー
タ入力電圧Ｖin、速度検出値ω、トルク定数公称値ＫTn
om、コイル抵抗Ｒc、モータ及び負荷の慣性モーメント
の公称値Ｊnom、粘性定数の公称値Ｂnom、誘起電圧定数
公称値ＫEnomとを用いて、数７のように表すことができ
る。

【００４３】

【数７】

【００４４】上記の数４、数７より、電流制御ループを
備えていないモータ制御装置において、速度検出値ωす
なわちモータの回転速度が、外乱トルクτDに無関係に
なるためには、外乱オブザーバは図２のような構成の外
乱トルク補償手段３０にしなければならないことが理解
できる。また、外乱トルク推定値補正手段３５のゲイン
ｋcompは数８のように表される。

【００４５】

【数８】

【００４６】このように、外乱トルク推定値補正手段３
５を設定することにより、モータの内部誘起電圧や粘性
の影響を排除して、外乱トルクτDの影響を抑制できる
外乱オブザーバが実現される。

【００４７】また、モータ１１が小形ブラシレスモータ
のように、粘性定数Ｂが無視できるほど小さい制御対象
の場合には、外乱トルク推定値補正手段３５のゲインを
数９のように設定しても差し支えない。

【００４８】

【数９】

【００４９】ここで、本実施例による外乱トルク抑制効
果を従来技術と比較して説明する。ここで、従来技術
は、図２において、外乱トルク推定値補正手段３５を具
備しない構成とする。なお、簡単のため粘性抵抗の影響
は無視した。また、ノイズ除去用のローパスフィルタ３
４は一次遅れ特性を持つものとし、そのカットオフ周波
数をωfとした。

【００５０】図２の本実施例では、指令電圧Ｖｃを０と
したときの外乱トルクτDに対する速度検出値ωの関係
は次式で表せる。

【００５１】

【数１０】

【００５２】同様に、従来例の場合は、指令電圧Ｖｃを
０としたときの外乱トルクτDに対する速度検出値ωの
関係は次式で表せる。

【００５３】

【数１１】

【００５４】ここで、上式より外乱トルク推定値補正手
段３５の効果を試算してみる。なお、具体的な制御パラ
メータは表１のように設定した。また、簡単のため制御
パラメータの公称値が実際の値と一致しているものとす
る。

【００５５】

【表１】

【００５６】上記の条件下で、図４に、外乱トルクτD
に対する速度検出値ωの関係を、横軸を周波数、縦軸を
ゲインとして表す。同図中、実線Ｌ１は本実施例の外乱
トルクに対する速度変動のゲイン特性であり、同様に点
線Ｌ２は従来例の特性、点線Ｌ３は外乱オブザーバなし
のモータ単体の特性である。同図から、外乱トルク推定
値補正手段３５を設けたことで、特に低周波領域で、外
乱トルク抑制効果が大きくなっていることがわかる。

【００５７】以上説明したように、本発明はモータの内
部誘起電圧や粘性抵抗の影響を考慮することにより外乱
オブザーバの能力を向上させることができる。このこと
は、本発明によれば、従来外乱オブザーバの適用が難し
いとされていた電流制御ループを持たない制御対象に対
しても有効な制御系を構成できる。

【００５８】従って、本発明の方法によれば、精密制御
に必要とされてきた電流制御ループが省略できるため、
精密な制御の要求を満たしつつ、機器の小形化、軽量
化、低価格化が図れる。

【００５９】また、電圧により速度指令を与えられるモ
ータの精度を飛躍的に向上できるため、ＶＴＲ、ファク
シミリ、ハンディコピー器の画質の向上、情報機器の補
助記録装置の信頼性向上などが図れる。

【００６０】次に図５を用いて、比較的高い周波数の速
度変動と不特定周波数の低周波の速度変動とを同時に抑
制できる本発明の実施例について説明する。図５は本実
施例の主要部の制御構成をブロック線図で表したもので
あり、図示のように図１又は２の実施例と同様にオブザ
ーバ方式により外乱トルクを補償するものである。ま
た、基本的には、電圧制御ループと電流制御ループの双
方を備えたもの、電流制御ループが省略されたものにも
適用できる。本実施例は、外乱オブザーバ内のフィルタ
特性と、外乱トルクに対する速度変動特性との間に成立
する関係式を用いてフィルタの特性を設定することを特
徴とする。これにより、制御対象機器に応じた速度変動
特性を設定することができ、従来より一層高音質、高画
質のＶＴＲや信頼性の高いデータストリーマなどが実現
できる。以下、図に沿って説明する。 図５において、
ブロック２００は制御対象となるモータ及び負荷をモデ
ル化して表したものであり、外乱は外乱トルクτとして
加わる。また、ブロック２２０は外乱オブザーバ方式の
外乱トルク補償手段を示している。ブロック２００にお
いて、ブロック２０１はモータのトルク定数ＫT、ブロ
ック２０２はモータや負荷の慣性モーメントが制御系に
及ぼす影響をモデル化したブロックであり、伝達関数１
／Ｊｓで表せる。ブロック２２１はモータのトルク定数
の公称値ＫTnom、ブロック２２２はモータや負荷の慣性
モーメントが制御系に及ぼす影響の負荷トルク逆モデル
である。図２実施例と同様に、ブロック２２１と２２２
によりそれぞれ推定されたモータ発生トルクと負荷入力
トルクの推定値２２４，２２５の差が、加算手段２２５
で外乱トルク推定値τinfとして求められる。ブロック
２２６は外乱トルク推定値τinfをモータに入力される
制御量指令値ｕの次元に変換するゲインであり、モータ
トルク定数の公称値の逆数になっている。ブロック２２
６を通った外乱トルク推定値は制御量指令値の補正値ｕ
´compとなる。ブロック２２７は本実施例の特徴部であ
り、後述するフィルタ特性Ｆ（ｓ）に設定されている。
ここで補正値ｕ´compに含まれている比較的高い周波数
の速度変動と不特定周波数の低周波の速度変動とが減少
されて補正値ｕcompとなる。この補正値は加算手段２３
０にて制御量指令値ｕに加算され外乱トルクτを除去す
るように作用する。制御量指令値ｕは電圧指令値、電流
指令値等いずれでもよい。なお、以後の説明で用いる速
度変動は、回転速度（速度検出値）ωの変動分と等価で
あり、特に断らない限り回転速度と速度変動とは区別せ
ずに扱うことにする。

【００６１】次に、ブロック２２７のフィルタ特性につ
いて説明する。一般に、外乱オブザーバを用いた制御装
置はオブザーバ内部にノイズや演算遅れ補償用の一次ロ
ーパスフィルタを備えている。これによって、高周波領
域での感度を減少させて、全体の安定性を確保してい
る。

【００６２】本実施例のフィルタ特性は、そのような特
性に加え、特定の周波数においてフィルタ感度を局所的
に変化させることで、従来の外乱オブザーバにない速度
変動の低減特性を持たせようとするものである。いか、
その仕組みについて説明する。

【００６３】図５において、外乱トルク補償手段２２０
が存在しないとした場合の外乱トルクτに対する速度変
動ｖnullは、ブロック線図から操作量ｕinを無視して、
数１２のように表せる。

【００６４】

【数１２】

【００６５】一方、外乱トルク補償手段２２０を設けた
場合、外乱トルクτに対する速度変動ｖobsは、次の数
１３と１４の方程式を解いて得られる。

【００６６】

【数１３】

【００６７】

【数１４】

【００６８】すなわち、数１３と１４から速度変動ｖob
sは、数１５のようになる。

【００６９】

【数１５】

【００７０】ここで、ＫTnom等の公称値の全てが、それ
らに対応するパラメータの実際値に等しいとするとし、
このときの速度変動比Ｒvをｖobs／ｖnullで定義し、制
御量ｕinを無視すると、速度変動比Ｒvは次の数１６の
関係式になる。

【００７１】

【数１６】

【００７２】これから明らかなように、速度変動比Ｒv
はフィルタ特性のみによって決定されることになり、フ
ィルタ特性を設定することによって簡単に速度変動の抑
制を実現できることになる。

【００７３】ここで、上記の関係に基づいて、外乱トル
ク補償手段２２０のフィルタブロック２２７の特性設定
について説明する。なお、制御対象の具体例としてビデ
オムービーのキャプスタンモータ速度制御系を対象とし
て考える。ビデオムービー用のモータは精度の高い制御
特性を必要とするため、一般に３相ブラシレスモータが
用いられる。いま、モータの構造が８極６コイルで、回
転速度が一定で2.28Hzであるとする。このとき、モータ
は界磁磁束の正弦波的な変動に合わせて、約５４．５Ｈ
ｚのトルクリプルを発生する。このトルクリプルはテー
プの速度変動の要因となり画質を劣化させることになる
のである。一方、サンプリング制御に基づく制御計算が
１．３９ｍｓ毎に行われるとした場合、外乱オブザーバ
の適用限界周波数は最大約２０Ｈｚという実験結果を得
ている。したがって、従来の外乱オブザーバ方式では、
上記の５４．５Ｈｚのトルクリプルを除去することがで
きない。

【００７４】そこで、本発明では、低周波における速度
変動抑制効果は従来の外乱オブザーバと同じでよいが、
上記トルクリプル周波数又は帯域においてのみ大きな速
度変動抑制効果を示すようなフィルタ特性に設定するこ
とにより、モータのトルクリップルによる速度変動を抑
制しようとするのである。ところで、キャプスタンモー
タの場合、記録再生時には回転速度が一定であるので、
トルクリプルは一定の周波数で発生する。したがって、
フィルタ特性により、安定性に悪影響を与えることな
く、一定の高いトルクリプル周波数にも適用可能な外乱
オブザーバが実現可能であると考えられる。

【００７５】いま、フィルタとして一次ローパスフィル
タを用いた場合、数１６から速度変動比Ｒvは一次ハイ
パスフィルタ特性を示すことが簡単な計算によりわか
る。そこで、速度変動比Ｒvが図６（ａ），（ｂ）に示
すような、一次ハイパスフィルタとノッチフィルタとを
組み合わせた形の特性にすれば、上記条件を満足する。
これを数式で表すと数１７のようになる。

【００７６】

【数１７】

【００７７】但し、ωcはハイパスフィルタのカットオ
フ周波数、ωnはノッチの周波数、ζは減衰定数であ
る。ここではωc＝10.0(Hz)、ωn＝54.5(Hz)、ζ＝0.06
としている。

【００７８】数１６、数１７より、求めるフィルタ特性
は、数１８のように表せる。

【００７９】

【数１８】

【００８０】図３（ａ），（ｂ）に数１８のフィルタ特
性を示す。このような特性のフィルタを用いることによ
り、従来の低周波数の速度変動抑制効果を有する外乱オ
ブザーバ特性に加えて、特定周波数の速度変動を選択的
に抑制できる特性をつけ加えることができる。

【００８１】以上述べたように、フィルタ特性と速度変
動比との間に数１６のような関係があることを利用し
て、フィルタ特性を設定するようにしたのである。その
結果、制御対象を含む制御系の特性に応じて、速度変動
抑制効果をある程度自由に設計できることになる。上記
実施例では、低周波の不規則な速度変動と、従来適用が
困難だった高周波の規則的な速度変動の双方を効果的に
抑制できる。これにより、ＶＴＲやＦＡＸなどの画質の
向上や、モータを用いた情報記録再生装置の信頼性向上
に有効である。

【００８２】また、図１，２に示した外乱トルク補償手
段３５と、図５に示したフィルタ特性とを双方設けて外
乱トルク補償手段を構成すれば、電流制御ループを省略
した外乱オブザーバ方式でも、モータの内部誘起電圧や
粘性の影響を除去できるとともに、簡単な構成によりト
ルクリップルのような特定の高周波の速度変動を抑制す
ることができる。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
の効果が得られる。まず、従来の外乱オブザーバ方式の
前提である電流制御ループを省略しても、本発明によれ
ば制御対象のモータの内部誘起電圧又は／及び粘性特性
の影響を補正する外乱トルク推定値補正手段を設けたこ
とから、十分精度の高い外乱トルク補償を行わせること
ができる。その結果、機器の小形軽量化、低価格化が図
れるとともに、情報記録再生装置のモータ制御に適用し
て、画質や音質の低下又はデータストリーマの信頼性の
低下を防止できる。

【００８４】また、外乱を無反応化するフィルタ特性と
速度変動比との簡単な関係に着目して、低周波の不規則
な速度変動と、従来適用が困難だった高周波の規則的な
速度変動との双方を減少するようにフィルタ特性を設定
したことから、簡単な構成により不特定周波数の低周波
の速度変動と比較的高い周波数の速度変動とを、同時に
効果的に抑制できる。その結果、ＶＴＲやＦＡＸなどの
画質の向上や、モータを用いた情報記録再生装置の信頼
性向上に有効である。また、各機種に応じた制御特性が
簡単に設計できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のモータ速度制御装置の主要
部構成図である。

【図２】図１実施例のブロック線図である。

【図３】図２実施例の外乱トルク推定値補正手段の関数
を導出するための説明図である。

【図４】図１，２実施例の効果を説明するため、外乱ト
ルクに対する速度変動のゲイン特性を比較して示した線
図である。

【図５】本発明の他の実施例のモータ速度制御装置の主
要部のブロック線図である。

【図６】フィルタ特性を設定するための原理を説明する
ための速度変動比の設計例を示す図であり、（ａ）はゲ
イン特性、（ｂ）は位相特性を示す。

【図７】図５実施例のフィルタの特性を示す線図であ
り、（ａ）はゲイン特性、（ｂ）は位相特性である。

【符号の説明】

１１ モータ １２ 負荷 １３ 速度検出手段 ２２ 速度制御手段 ２３ 加算手段 ２４ モータドライバ ３０ 外乱トルク補償手段 ３１ モータトルクモデル ３２ 負荷トルク逆モデル ３３ モータトルク逆モデル ３４ ローパスフィルタ ３５ 外乱トルク推定値補正手段 ２２７ フィルタブロック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武藤 信義 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 長田 俊男 茨城県勝田市大字稲田1410番地 株式会社 日立製作所東海工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータの速度検出値を速度指令値に一致
   させるようにモータの電圧指令値を調節する速度制御手
   段と、 前記電圧指令値に基づいて前記モータの入力電圧を制御
   するモータ駆動手段と、 前記電圧指令値と前記速度検出値とを入力し、前記モー
   タと該モータの負荷を模擬してなるモデルに基づいてト
   ルク外乱の推定値を求め、該トルク外乱推定値を打ち消
   すように前記電圧指令値を補正する外乱トルク補償手段
   とを具備してなるモータ速度制御装置において、 前記速度検出値を入力し、該速度検出値に応じて前記ト
   ルク外乱推定値を補正する外乱トルク推定値補正手段を
   設けたことを特徴とするモータ速度制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記トルク外乱補償手段が、前記電圧指令値を入力し、
   該電圧指令値に予め設定されたトルク定数を乗じて前記
   モータの発生トルク推定値を求めるモータトルクモデル
   と、 前記速度検出値を入力し、予め設定された前記モータの
   負荷慣性モーメントを含んでなる負荷入力トルクと速度
   との相関関数に基づいて、前記速度検出値に対応する負
   荷入力トルク推定値を求める負荷トルク逆モデルと、 前記各トルク推定値の差を外乱トルク推定値として入力
   し、該外乱トルク推定値を前記トルク定数で除して前記
   モータの電圧指令値の補正値を求めるモータトルク逆モ
   デルと、 該電圧指令値の補正値を前記電圧指令値に加算する速度
   補正手段とを含んでなることを特徴とするモータ速度制
   御装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記トルク外乱補償手段が、前記モータトルク逆モデル
   の出力側に設けられたローパスフィルタを有してなるこ
   とを特徴とするモータ速度制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１，２，３のいずれかにおいて、 前記トルク外乱推定値補正手段が、前記速度検出値を一
   定倍する比例要素を有してなり、該比例要素の出力を前
   記外乱トルク推定値に加算または減算することを特徴と
   するモータ速度制御装置。
5. 【請求項５】 前記請求項４において、 前記比例要素のゲインが、前記モータのトルク定数と誘
   起電圧定数との積を該モータのコイル抵抗値で除算して
   得られる値、又は該値に前記モータと負荷の粘性定数を
   加えた値に設定されたことを特徴とするモータ速度制御
   装置。
6. 【請求項６】 モータの速度検出値を速度指令値に一致
   させるようにモータの制御量指令値を調節する速度制御
   手段と、 前記制御量指令値に基づいて前記モータの入力制御量を
   制御するモータ駆動手段と、 前記制御量指令値と前記速度検出値とを入力し、前記モ
   ータと該モータの負荷を模擬してなるモデルに基づいて
   トルク外乱の推定値を求め、該トルク外乱推定値を打ち
   消すように前記制御量指令値の補正値を求め、該補正値
   をフィルタ処理した値により前記制御量指令値を補正す
   る外乱トルク補償手段とを具備してなるモータ速度制御
   装置において、 前記フィルタ処理にかかる伝達関数が、一次以上のハイ
   パスフィルタの伝達関数に、前記モータのトルクリップ
   ルと電源ノイズの少なくとも一方の周波数又は周波数帯
   域のゲインを小さくする伝達関数を乗じて得られる伝達
   関数を１から減じた関数に設定されてなることを特徴と
   するモータ速度制御装置。
7. 【請求項７】 モータの速度検出値を速度指令値に一致
   させるようにモータの制御量指令値を調節する速度制御
   手段と、 前記制御量指令値に基づいて前記モータの入力制御量を
   制御するモータ駆動手段と、 前記制御量指令値を入力し、該制御量指令値に予め設定
   されたトルク定数を乗じて前記モータの発生トルク推定
   値を求めるモータトルクモデルと、 前記速度検出値を入力し、予め設定された前記モータの
   負荷慣性モーメントを含んでなる負荷入力トルクと速度
   との相関関数に基づいて、前記速度検出値に対応する負
   荷入力トルク推定値を求める負荷トルク逆モデルと、 前記各トルク推定値の差を外乱トルク推定値として入力
   し、該外乱トルク推定値を前記トルク定数で除して前記
   モータの制御量の補正値を求めるモータトルク逆モデル
   と、 該制御量の補正値をフィルタ処理するフィルタ手段と、 該フィルタ手段によりフィルタ処理された前記補正値を
   前記制御量指令値に加算する速度補正手段とを含んでな
   るモータ速度制御装置において、 前記フィルタ手段が、一次以上のハイパスフィルタとノ
   ッチフィルタの伝達関数の積を１から減じた伝達関数を
   有してなり、 該ノッチフィルタの伝達関数が、前記モータのトルクリ
   ップルと電源ノイズの少なくとも一方の周波数又は周波
   数帯域のゲインを小さくする伝達関数に設定されてなる
   ことを特徴とするモータ速度制御装置。
8. 【請求項８】 モータの速度検出値を速度指令値に一致
   させるようにモータの電圧指令値を調節する速度制御手
   段と、 前記電圧指令値に基づいて前記モータの入力電圧を制御
   するモータ駆動手段と、 前記電圧指令値を入力し、該電圧指令値に予め設定され
   たトルク定数を乗じて前記モータの発生トルク推定値を
   求めるモータトルクモデルと、 前記速度検出値を入力し、予め設定された前記モータの
   負荷慣性モーメントを含んでなる負荷入力トルクと速度
   との相関関数に基づいて、前記速度検出値に対応する負
   荷入力トルク推定値を求める負荷トルク逆モデルと、 前記各トルク推定値の差を外乱トルク推定値として入力
   し、該外乱トルク推定値を前記トルク定数で除して前記
   モータの電圧指令値の補正値を求めるモータトルク逆モ
   デルと、 該電圧指令値の補正値をフィルタ処理するフィルタ手段
   と、 該フィルタ手段によりフィルタ処理された前記補正値を
   前記電圧指令値に加算する速度補正手段とを含んでなる
   モータ速度制御装置において、 前記速度検出値を入力し、該速度検出値に応じて前記ト
   ルク外乱推定値を補正する外乱トルク推定値補正手段を
   設けるとともに、 前記フィルタ手段が、一次以上のハイパスフィルタとノ
   ッチフィルタの伝達関数の積を１から減じた伝達関数を
   有してなり、 該ノッチフィルタの伝達関数が、前記モータのトルクリ
   ップルと電源ノイズの少なくとも一方の周波数又は周波
   数帯域のゲインを小さくする伝達関数に設定されてなる
   ことを特徴とするモータ速度制御装置。