JP2014158178A - Control device and industrial machinery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ケーブルで接続された親機及び子機を備える制御装置及びそれを備える産業機械に関するものである。 The present invention relates to a control device including a master unit and a slave unit connected by a cable, and an industrial machine including the control device.
例えば、防災支援作業や建築物保全作業などにおいて、管理室の管理者は、各種の作業場所に設置または移動したロボットを遠隔操作して各種の作業を行っている。この場合、ロボットは、マニピュレータの先端部にハンド、工具、センサ、カメラなどのエンドエフェクタ（先端工具）が装着された状態で各種の作業を行っている。そして、管理室に配置された親機とエンドエフェクタを含む子機とは電源ケーブル及び制御ケーブルで接続され、親機は制御ケーブルを介して子機を制御する。 For example, in disaster prevention support work and building maintenance work, the manager of the management room performs various operations by remotely operating robots installed or moved at various work locations. In this case, the robot performs various operations in a state where an end effector (tip tool) such as a hand, a tool, a sensor, or a camera is attached to the tip of the manipulator. The master unit arranged in the management room and the slave unit including the end effector are connected by a power cable and a control cable, and the master unit controls the slave unit via the control cable.
関連する技術として、下記の特許文献１には、電源供給を行うＤＣ電源と前記ＤＣ電源より出力される供給電流が内部を流れる電力線とコイルから成る中継機と、前記中継機より電力線を介して前記供給電流を受ける親局と、前記中継機より電力線を介して前記供給電流を受ける複数の子局から成り、前記電力線を介して通信を行う電力線通信システムにおいて、前記複数の子局は前記中継機にスター型に接続されていることを特徴とする電力線通信システムが記載されている。
As a related technique, the following
特許文献１記載の電力線通信システムでは、複数の子局が中継機にスター型に接続されている。そのため、この電力線通信システムを複数の子局を備えるロボットアームなどに適用した場合には、電力を供給する中継機から複数の子局へ延びるケーブルが複数必要となり、ロボットアームの関節の可動範囲を狭めるという問題がある。
In the power line communication system described in
また、特許文献１記載の電力線通信システムでは、親局と子局との間のノイズの抑制については十分な考慮がされていない。
In addition, in the power line communication system described in
本発明は上述した課題を解決するものであり、電力を供給するケーブルの本数を低減するとともに親機と子機との間のノイズを抑制することを可能とする制御装置及び産業機械を提供することを目的とする。 This invention solves the subject mentioned above, and provides the control apparatus and industrial machine which can suppress the noise between a main | base station and a subunit | mobile_unit while reducing the number of the cables which supply electric power. For the purpose.
上記の目的を達成するための本発明の制御装置は、ケーブルで接続された親機及び複数の子機を備え、前記子機は、モータ及びセンサのうちの少なくとも１つを駆動するエフェクトボードと、前記ケーブルと前記エフェクトボードとの間に接続され、前記エフェクトボードと前記親機との間の通信を行う子機側ＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）モデムと、前記ケーブルに接続され、前記子機と前記ケーブルとの間のインピーダンス整合を維持すると共に、前記エフェクトボードからのノイズを抑制し、前記ケーブルを介して前記親機から供給される直流電圧を出力する子機側インピーダンスアッパ回路と、前記子機側インピーダンスアッパ回路から出力される直流電圧を前記エフェクトボードの動作に適した第１の電圧に降圧して前記エフェクトボードに出力する降圧回路と、を備え、前記親機は、前記エフェクトボードを制御するための制御部と、前記ケーブルと前記制御部との間に接続され、前記制御部と前記子機との間の通信を行う親機側ＰＬＣモデムと、前記第１の電圧より高い第２の電圧の直流電圧を出力する電源回路と、前記ケーブルと前記電源回路との間に接続され、前記親機と前記ケーブルとの間のインピーダンス整合を維持すると共に、前記電源回路側からのノイズを抑制し、前記電源回路から出力される直流電圧を前記ケーブルを介して前記子機に出力する親機側インピーダンスアッパ回路と、を備えることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a control device of the present invention includes a master unit and a plurality of slave units connected by a cable, and the slave unit includes an effect board that drives at least one of a motor and a sensor. A slave unit side PLC (Power Line Communication) modem connected between the cable and the effect board and performing communication between the effect board and the master unit, and connected to the cable and the slave unit A slave unit side impedance upper circuit that maintains impedance matching with the cable, suppresses noise from the effect board, and outputs a DC voltage supplied from the master unit via the cable; The DC voltage output from the machine side impedance upper circuit is the first suitable for the operation of the effect board. A step-down circuit that steps down the voltage to output to the effect board, and the master unit is connected between the control unit for controlling the effect board, the cable and the control unit, Between the master unit side PLC modem that performs communication between the control unit and the slave unit, a power supply circuit that outputs a DC voltage of a second voltage higher than the first voltage, and between the cable and the power supply circuit To maintain impedance matching between the parent device and the cable, suppress noise from the power supply circuit side, and supply the DC voltage output from the power supply circuit via the cable to the child device. And a base unit side impedance upper circuit for outputting to the main unit.
これにより、親機から子機へ電力を供給するケーブルの本数を抑制することができるとともに、親機と子機との間のノイズを抑制することができる。また、電源回路の出力電圧を第２の電圧に設定し、降圧回路で第１の電圧に降圧することで、現地設置環境（例えば、ケーブルの長さの違い等）に起因して送電経路での電圧ロスが異なっても、第１の電圧をエフェクトボードに安定して供給できる。これにより、現地設置時の電圧調整（電源回路及び降圧回路の電圧調整）を不要とすることができる。 Accordingly, the number of cables that supply power from the parent device to the child device can be suppressed, and noise between the parent device and the child device can be suppressed. Also, the output voltage of the power supply circuit is set to the second voltage, and the voltage is stepped down to the first voltage by the step-down circuit, so that the power transmission path is caused by the local installation environment (for example, cable length difference). Even if the voltage loss differs, the first voltage can be stably supplied to the effect board. Thereby, voltage adjustment (voltage adjustment of the power supply circuit and the step-down circuit) at the time of local installation can be made unnecessary.
本発明の制御装置では、前記ケーブルは、ツイストペアケーブルであり、前記親機側インピーダンスアッパ回路及び前記子機側インピーダンスアッパ回路は、バランス型であることを特徴としている。 In the control device of the present invention, the cable is a twisted pair cable, and the parent device side impedance upper circuit and the child device side impedance upper circuit are balanced.
これにより、対地平衡度を確保し外部への漏洩を低減すると共に、コモンモード雑音に対する耐力を向上させ、外部からの誘導雑音に対する影響も抑制可能となる。さらに、インピーダンス整合を維持することで、広帯域化が可能となり、より高速の伝送路を構築可能となる。具体的には、ＡＣ−ＤＣ電源からケーブルへの雑音及びＤＣ−ＤＣ電源からケーブルへの雑音を低減することができる。 As a result, the degree of ground balance can be ensured and leakage to the outside can be reduced, the resistance to common mode noise can be improved, and the influence on external induced noise can also be suppressed. Furthermore, by maintaining impedance matching, it is possible to widen the bandwidth and to construct a higher-speed transmission path. Specifically, noise from the AC-DC power supply to the cable and noise from the DC-DC power supply to the cable can be reduced.
本発明の制御装置では、前記親機側インピーダンスアッパ回路及び前記子機側インピーダンスアッパ回路は、前記ケーブルを構成する線に挿入された１次巻線と、２次巻線と、前記１次巻線及び前記２次巻線に挿入され、ギャップを有するコアと、を備えるトランスと、前記２次巻線の両端を結ぶ抵抗と、を備えることを特徴としている。また、図６に示すように、単純に電流飽和耐力のあるギャップ有りのインダクタを使用し、これにパラレルに抵抗を付加して等価なインダクタを構成してもよい。 In the control device of the present invention, the master unit side impedance upper circuit and the slave unit side impedance upper circuit include a primary winding, a secondary winding, and the primary winding, which are inserted in a wire constituting the cable. A transformer including a wire and a core inserted in the secondary winding and having a gap; and a resistor connecting both ends of the secondary winding. Further, as shown in FIG. 6, an inductor having a current saturation resistance and having a gap may be simply used, and an equivalent inductor may be configured by adding a resistor in parallel thereto.
これにより、電流飽和耐力と所望帯域の周波数特性の平坦性を確保することができる。 Thereby, the flatness of the current saturation tolerance and the frequency characteristics of the desired band can be ensured.
本発明の制御装置では、前記子機側ＰＬＣモデムは、予めアドレスが設定されており、前記制御部は、複数の前記子機の内の動作させる子機のアドレスを指定して、該子機の電源投入を行うことを特徴としている。 In the control device of the present invention, the slave side PLC modem has an address set in advance, and the control unit designates the address of the slave unit to be operated among the plurality of slave units, and It is characterized in that the power is turned on.
これにより、トータルシステムとしての消費電力を低減することができる。 Thereby, the power consumption as a total system can be reduced.
本発明の制御装置では、前記親機側ＰＬＣモデムと前記子機側ＰＬＣモデムとの間のトランスポート層のプロトコルは、ＵＤＰ（Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）ベースのプロトコル（他の独自のプロトコルでもＵＤＰと同等の概念のプロトコルであればよい）であり、前記親機側ＰＬＣモデム及び前記子機側ＰＬＣモデムは、雑音の時間幅よりも時間間隔を空け、かつ、周期雑音の１周期時間間隔内に同一内容の２つのＵＤＰパケットを含むＵＤＰパケット群を送信することを特徴としている。 In the control device of the present invention, the protocol of the transport layer between the master unit side PLC modem and the slave unit side PLC modem is a UDP (User Datagram Protocol) -based protocol (other unique protocols are equivalent to UDP). The master unit side PLC modem and the slave unit side PLC modem are spaced apart from each other by a time interval longer than the noise time width, and are identical within one cycle time interval of periodic noise. A UDP packet group including two UDP packets of contents is transmitted.
これにより、一方のＵＤＰパケットが雑音に重なってデータが破壊されても、他方が雑音に重なることがないので、データを喪失することがない。これにより、ＴＣＰのような再送を行わなくても、安定した通信が可能となるので、再送に伴う処理が不要となり、システムとして低レイテンシを確保することができる。 Thus, even if one UDP packet overlaps with noise and the data is destroyed, the other does not overlap with noise, so that data is not lost. Accordingly, since stable communication is possible without performing retransmission like TCP, processing associated with retransmission is unnecessary, and low latency can be secured as a system.
本発明の制御装置では、前記親機側ＰＬＣモデム及び前記子機側ＰＬＣモデムは、図１８に示すように、ダブルパケットを雑音の時間幅よりも長いｔ４の時間長を設けて送信し、かつ、ダブルパケットを雑音の１周期時間長よりも短いｔ５の時間長内に送信完了することを特徴としている。 In the control device of the present invention, as shown in FIG. 18, the base unit side PLC modem and the slave unit side PLC modem transmit a double packet with a time length t4 longer than the noise time width, and The transmission of the double packet is completed within a time length of t5 shorter than the time length of one cycle of noise.
これにより、一方のＵＤＰパケットが雑音に重なっても、他方のＵＤＰパケットが雑音に重なることがない。ＵＤＰパケット群はダブルパケットで構成されているので、どちらかが必ず受信可能となる。これにより、ＴＣＰのような再送を行わなくても、通信が可能となるので、再送に伴う伝送遅延をなしとできるため、低レイテンシを確保することができる。 Thereby, even if one UDP packet overlaps with noise, the other UDP packet does not overlap with noise. Since the UDP packet group is composed of double packets, one of them can always be received. Accordingly, communication is possible without performing retransmission such as TCP, so that transmission delay associated with retransmission can be eliminated, and low latency can be ensured.
本発明の制御装置で多数の分岐を要する制御装置では、前記ケーブルを構成する各線の分岐点から前記親機側又は前記子機側へ延在する部分に挿入されたインダクタと、前記インダクタに並列接続された抵抗と、を備える分岐回路を備えることを特徴としている。 In the control device that requires a large number of branches in the control device of the present invention, an inductor inserted in a portion extending from a branch point of each line constituting the cable to the parent device side or the child device side, and in parallel to the inductor And a branch circuit including a connected resistor.
これにより、個々の分岐点でのインピーダンス整合を確保することができ、対地平衡度を確保することができる。これにより、外部への漏洩雑音を低減することができ、かつ、外部からの誘導雑音の影響を低減することができる。また、抵抗付加により、分岐点でのインピーダンス整合を広帯域で確保することができ、高速通信が可能となる。さらに、ＤＣ抵抗は実質ゼロであるため、直流電力ロスを低減し、長距離環境下でも子機での所望の電圧を確保することができる。 Thereby, impedance matching at each branch point can be ensured, and ground balance can be ensured. Thereby, leakage noise to the outside can be reduced, and the influence of externally induced noise can be reduced. Further, by adding a resistor, impedance matching at a branch point can be ensured in a wide band, and high-speed communication is possible. Furthermore, since the DC resistance is substantially zero, it is possible to reduce DC power loss and to secure a desired voltage in the slave unit even in a long distance environment.
本発明の制御装置で、システムとして多数の子機を接続し、かつ、更なる低レイテンシを要求するシステムでは、前記親機側ＰＬＣモデムと前記子機側ＰＬＣモデムとの間の物理層及びデータリンク層のプロトコルは、イーサキャット（登録商標）であることを特徴としている。 In the control apparatus of the present invention, in a system in which a large number of slave units are connected as a system and a further low latency is required, the physical layer and data link between the master unit side PLC modem and the slave unit side PLC modem The protocol of the layer is characterized in that it is Ethercat (registered trademark).
これにより、低レイテンシを確保することができる。 Thereby, low latency can be ensured.
本発明のイーサキャット（登録商標）を搭載した制御装置では、イーサキャット（登録商標）のフレームは、時間軸または周波数軸または符号軸で分割多重することを特徴としている。 In the control device equipped with the Ethercat (registered trademark) of the present invention, the Ethercat (registered trademark) frame is divided and multiplexed on the time axis, the frequency axis, or the code axis.
これにより、より多くの子機を同時アクセス可能とし、低レイテンシを確保可能である。 As a result, more slave units can be accessed simultaneously, and low latency can be ensured.
本発明の産業装置は、本発明の制御装置を備える。 The industrial device of the present invention includes the control device of the present invention.
本発明の産業装置の適用用途には、ロボットアーム以外に、ロボット、ロボットスーツ、ロケット又は車載等がある。 The application of the industrial apparatus of the present invention includes a robot, a robot suit, a rocket, or a vehicle, in addition to the robot arm.
本発明によれば、電力を供給するケーブルの本数を低減するとともに、装置外部への漏洩を最小化、かつ、外部からの誘導雑音に対する雑音耐力を向上可能である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while reducing the number of the cables which supply electric power, the leakage to the apparatus exterior can be minimized, and the noise tolerance with respect to the induction noise from the outside can be improved.
以下に添付図面を参照して、本発明に係る制御装置の最適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。 Exemplary embodiments of a control device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment, and when there are two or more embodiments, what comprises combining each embodiment is also included.
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置の構成図である。図２は、本実施形態に係る制御装置を適用したロボットアームの外観図である。図３は、比較例のロボットアームの外観図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of a control device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an external view of a robot arm to which the control device according to the present embodiment is applied. FIG. 3 is an external view of a robot arm of a comparative example.
図１に示すように、この制御装置１は、ケーブル３０で接続された親機（マスタ、ホスト、コントローラ）１０及び子機（スレーブ、端末）２０を備える。子機２０は、モータ及びセンサのうちの少なくとも１つを駆動するエフェクトボード２４と、ケーブル３０とエフェクトボード２４との間に接続され、エフェクトボード２４と親機１０との間の通信を行うＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）モデム２３と、ケーブル３０に接続され、子機２３とケーブル３０との間でインピーダンス整合を維持するとともに、エフェクトボード２４からのノイズを抑制し、ケーブル３０を介して親機１０から供給される直流電圧を出力するフィルタ（インピーダンスアッパ回路）２１と、フィルタ２１から出力される直流電圧をエフェクトボード２４の動作に適した第１の電圧に降圧してエフェクトボード２４に出力するＤＣ−ＤＣ電源（ＤＣ−ＤＣコンバータ）２２と、を備える。エフェクトボード２４は、工具などを動かすモータや、画像センサなどを駆動する。エフェクトボード２４とＰＬＣモデム２３とは、ＬＡＮケーブル２５を介して接続されている。
As shown in FIG. 1, the
親機１０は、エフェクトボード２４を制御するための制御ＰＣ１３と、ケーブル３０と制御ＰＣ１３との間に接続され、制御ＰＣ１３と子機２０との間の通信を行うＰＬＣモデム１４と、第１の電圧より高い第２の電圧の直流電圧を出力するＡＣ−ＤＣ電源１１と、ケーブル３０とＡＣ−ＤＣ電源１１との間に接続され、親機１４とケーブル３０との間のインピーダンス整合を維持するとともに、ＡＣ−ＤＣ電源１１側からのノイズを抑制し、ＡＣ−ＤＣ電源１１から出力される直流電圧をケーブル３０を介して子機２０に出力するフィルタ（インピーダンスアッパ回路）１２と、を備える。制御ＰＣ１３とＰＬＣモデム１４とは、ＬＡＮケーブル１５を介して接続されている。
The
制御装置１は、ケーブル３０を介して親機１０から子機２０に直流電力を送電するとともに、ケーブル３０を介して親機１０と子機２０との間で制御信号及びデータを送受信する。そのため、制御装置１は、制御信号及びデータを送受信するための制御ケーブルが不要となる。
The
また、ＡＣ−ＤＣ電源１１の出力電圧は、エフェクトボード２４の動作に適した第１の電圧（例えば、２４Ｖ）に、送電経路（フィルタ１２〜ケーブル３０〜フィルタ２１）で見込まれる電圧ロスを加えた電圧以上の第２の電圧（例えば、４８Ｖ）とする。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、フィルタ２１の出力電圧を第１の電圧に降圧して、エフェクトボード２４に供給する。これにより、制御装置１は、送電経路で電圧ロスがあったとしても、適切な電圧をエフェクトボード２４に供給できるとともに、ケーブル３０に流れる電流値を低減し、フィルタ１２、２１の小型化を図ることができる。ケーブル３０における電力ロスは、流れる電流をＩ、ケーブル抵抗をＲとすると、Ｉ２Ｒとなるため、電力ロスを最小化するためには、できるだけ第２の電圧を高電圧にし電流Ｉを最小化することが得策である。第２の電圧を高電圧にすることで、電流Ｉは最小化でき、フィルタに搭載する部品も小型化できると共に、ケーブル３０もより細い線を適用することが可能となる。
Further, the output voltage of the AC-
また、制御装置１は、ＡＣ−ＤＣ電源１１の出力電圧を第２の電圧に設定し、ＤＣ−ＤＣ電源（ＤＣ−ＤＣコンバータ）２２で第１の電圧に降圧することで、制御装置１の現地設置環境（例えば、ケーブル３０の長さの違い等）に起因して送電経路での電圧ロスが異なっても、第１の電圧をエフェクトボード２４に供給できる。これにより、制御装置１は、現地設置時の電圧調整（ＡＣ−ＤＣ電源１１及びＤＣ−ＤＣ電源（ＤＣ−ＤＣコンバータ）２２の電圧調整）を不要とすることができる。ケーブル３０の伝送距離が異なっても現地設置時の現地調整が不要となる。
Further, the
また、フィルタ１２、２１として、バランス型インピーダンスアッパ回路を採用することで、対地平衡度を確保しコモンモード雑音に対する耐力を向上させるとともに、ＡＣ−ＤＣ電源１１からケーブル３０への雑音及びＤＣ−ＤＣ電源２２からケーブル３０への雑音を低減することができる。これにより、高速通信路の確保が可能になる。
In addition, by adopting balanced impedance upper circuits as the
なお、ケーブル３０は、ツイストペアケーブルとすると好適である。これにより、外部への雑音漏洩および、外部からの誘導雑音の影響を低減することができる。本発明をロボットスーツ等へ搭載した場合には、電波の人体への影響を無視できるレベルにすることが重要であり、ツイストペア線により、ケーブルから外部へ漏洩する雑音低減も重要な課題のひとつである。
The
図２に示すように、ロボットアーム４０は、親機１０と、ベース部材４１と、第１部材４２と、第２部材４３と、子機２０と、を備える。ベース部材４１は、作業室の床に設置されている。第１部材４２の基端は、ベース部材４１に関節によって接続されており、可動できる。第２部材４３の基端は、第１部材４２の先端に関節によって接続されており、可動できる。子機２０は、第２部材４３の先端に接続されている。子機２０は、モータ２６と、カメラ２７と、に接続されている。モータ２６は、第２部材４３の先端に搭載されており、子機２０のエフェクトボード２４（図１参照）の制御下で、子機２０の姿勢を変化させることができる。カメラ２７は、子機２０のエフェクトボード２４（図１参照）の制御下で、画像を撮像することができる。子機２０は、別室（制御室）に設置された親機１０によって制御され、動作する。
As shown in FIG. 2, the
図３に示すように、ロボットアーム５０は、ベース部材５１と、第１部材５２と、第２部材５３と、エフェクトボード５４と、を備える。ベース部材５１は、作業室の床に設置されている。第１部材５２の基端は、ベース部材５１に関節によって接続されており、可動できる。第２部材５３の基端は、第１部材５２の先端に関節によって接続されており、可動できる。エフェクトボード５４は、第２部材５３の先端に関節によって接続されており、可動できる。ロボットアーム５０は、別室（制御室）に設置された制御ＰＣ（図示せず）によって制御され、動作する。
As shown in FIG. 3, the
ロボットアーム５０は、エフェクトボード５４と制御ＰＣとの間を接続して制御信号及びデータを送受信するための、例えば６０φの制御ケーブル５５を備える。そのため、ロボットアーム５０は、制御ケーブル５５が邪魔となり、関節が大きく曲げられないという現場での作業性の問題があった。
The
一方、図２に示すロボットアーム４０は、ベース部材４１、第１部材４２及び第２部材４３の内部に配線された、エフェクトボード２０に電力を送電するケーブルを利用して、制御ＰＣとエフェクトボード２０との間で制御信号及びデータを送受信する。そのため、ロボットアーム４０は、制御ケーブルが不要となるので、関節を大きく曲げることが可能となり、現場での作業性が向上可能となる。
On the other hand, the
なお、ここでは、制御装置１をロボットアームに適用した例について説明したが、制御装置１は、種々の産業機械に適用可能である。ここで、産業機械とは、ロボットアーム、汎用ロボット、遠隔操作ロボット、ロボットスーツ、ロケット、車載等を含む。
In addition, although the example which applied the
図４は、車載内のネットワークの一例を示す図である。この車載６０は、コンピュータ６１と、エアコン６２と、ドア６３と、ルーフ６４と、ライト６５と、を備える。コンピュータ６１、エアコン６２、ドア６３、ルーフ６４及びライト６５は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス６６を介して接続されている。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an in-vehicle network. This in-
また、車載６０は、ミラー位置センサ６７と、パワーウィンドウモータ６８と、ウィンドウ位置センサ６９と、電動シートモータ７０と、シート位置センサ７１と、ドアオープンセンサ７２と、ドアライト７３と、を備える。
The in-
ドア６３と、ミラー位置センサ６７、パワーウインドウモータ６８、ウインドウ位置センサ６９、電動シートモータ７０、シート位置センサ７１、ドアオープンセンサ７２及びドアライト７３と、は、ＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス７４を介して接続されている。
The
このＬＩＮバス７４に本実施形態の制御装置１を適用し、ドア６３を親機とし、ミラー位置センサ６７、パワーウインドウモータ６８、ウインドウ位置センサ６９、電動シートモータ７０、シート位置センサ７１、ドアオープンセンサ７２及びドアライト７３を子機とする。そして、電力ケーブルを介してドア６３からミラー位置センサ６７、パワーウインドウモータ６８、ウインドウ位置センサ６９、電動シートモータ７０、シート位置センサ７１、ドアオープンセンサ７２及びドアライト７３に直流電力を送電するとともに、電力ケーブルを介してドア６３とミラー位置センサ６７、パワーウインドウモータ６８、ウインドウ位置センサ６９、電動シートモータ７０、シート位置センサ７１、ドアオープンセンサ７２及びドアライト７３との間で制御信号及びデータを送受信する。これにより、車載６０は、制御信号及びデータを送受信するための制御ケーブルが不要となる。
The
図５は、他の実施形態に係る制御装置の構成図である。この制御装置８０は、ケーブル３０で接続された親機（マスタ、ホスト、コントローラ）９０及び子機（スレーブ、端末）１００を備える。子機１００は、モータ及びセンサのうちの少なくとも１つとそれを駆動するエフェクトボードで構成される負荷装置１０４と、ケーブル３０に接続され、負荷装置１０４と親機９０との間の通信を行うＰＬＣモデム２３とケーブル３０とのインピーダンス整合を維持するとともに、ケーブル３０を介して親機９０から供給される直流電圧を出力するバランス型インピーダンスアッパ回路１０２と、バランス型インピーダンスアッパ回路１０２から出力される直流電力の電圧を負荷装置１０４の動作に適した第１の電圧に降圧して負荷装置１０４に出力するＤＣ−ＤＣコンバータ１０３と、を備える。ＰＬＣモデム２３と負荷装置１０４とは、ハーネス群１０５を介して接続されている。
FIG. 5 is a configuration diagram of a control device according to another embodiment. The
親機９０は、ケーブル３０に接続され、子機１００との間の通信を行うＰＬＣモデム１４と、第１の電圧より高い第２の電圧の直流電圧を出力するＤＣ電源９１と、ケーブル３０とＤＣ電源９１との間に接続され、ＤＣ電源９１からのノイズをカットするとともに、ＤＣ電源９１から出力される直流電圧をケーブル３０を介して子機１００に出力するバランス型インピーダンスアッパ回路９２と、を備える。ＰＬＣモデム１４は、ハーネス群９４を介して、負荷装置１０４を制御するための制御ＰＣ（図示せず）に接続されている。
制御装置８０は、ハーネス群９４をＰＬＣモデム１４で集線し、ハーネス群１０５をＰＬＣモデム２３で集線し、ＰＬＣモデム１４とＰＬＣモデム２３とをケーブル３０で接続することで、軽量化を図ることができる。
The
ロボット、ロボットスーツ、ロケット、車載等は、移動体であるので、エネルギー消費を低減するために、低消費電力化と軽量化が重要である。制御装置８０は、ハーネス群９４をＰＬＣモデム１４で集線し、ハーネス群１０５をＰＬＣモデム２３で集線し、ＰＬＣモデム１４とＰＬＣモデム２３とをケーブル３０で接続することで、軽量化を図ることができるので、ロボット、ロボットスーツ、ロケット、車載等に適用すると好適である。
Since robots, robot suits, rockets, in-vehicle vehicles, and the like are mobile objects, it is important to reduce power consumption and weight in order to reduce energy consumption. The
図６は、図５のバランス型インピーダンスアッパ回路の内部回路構成図である。バランス型インピーダンスアッパ回路９２は、ケーブル３０を構成する２本の線間に接続され、ノイズを低減するキャパシタ９２ａと、ケーブル３０を構成する２本の線の内の一方に挿入されたインダクタ９２ｂと、インダクタ９２ｂに並列接続された抵抗９２ｃと、ケーブル３０を構成する２本の線の内の他方に挿入されたインダクタ９２ｄと、インダクタ９２ｄに並列接続された抵抗９２ｅと、を備える。
6 is an internal circuit configuration diagram of the balanced impedance upper circuit of FIG. The balanced impedance
バランス型インピーダンスアッパ回路１０２は、ケーブル３０を構成する２本の線間に接続され、ノイズを低減するキャパシタ１０２ａと、ケーブル３０を構成する２本の線の内の一方に挿入されたインダクタ１０２ｂと、インダクタ１０２ｂに並列接続された抵抗１０２ｃと、ケーブル３０を構成する２本の線の内の他方に挿入されたインダクタ１０２ｄと、インダクタ１０２ｄに並列接続された抵抗１０２ｅと、を備える。
The balanced impedance
図７は、インダクタの等価回路を示す図である。なお、インダクタ９２ｄ、１０２ｂ、１０２ｄも、インダクタ９２ｂと同様である。
FIG. 7 is a diagram showing an equivalent circuit of the inductor. The
インダクタ９２ｂは、直列接続されたインダクタンス成分（Ｌｅ）１０６及び抵抗成分（Ｒｅ）１０７と、インダクタンス成分１０６及び抵抗成分１０７に並列接続されたキャパシタンス成分（Ｃｅ）１０８と、を有する。
The
図８は、インダクタの周波数特性を示す図である。理想的な（純粋な）インダクタの周波数特性１１１は、周波数が高くなるとともに直線的にインピーダンスが上昇する。しかし、インダクタ９２ｂは、図７に示すように、インダクタンス成分１０６、抵抗成分１０７及びキャパシタンス成分１０８を有する。そのため、インダクタ９２ｂの周波数特性１１０は、低周波数領域Ａでは、インダクタンス成分１０６が支配的となり、周波数が高くなるとともに上昇する。また、インダクタ９２ｂの周波数特性１１０は、中間周波数領域Ｂでは、インダクタンス成分１０６とキャパシタンス成分１０８の並列回路が支配的となり、自己共振を起こし、インピーダンスが非常に大きくなる。また、インダクタ９２ｂの周波数特性１１０は、高周波数領域Ｃでは、キャパシタンス成分１０８が支配的となり、インピーダンスが低下する。
FIG. 8 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the inductor. The
一方、本実施形態では、広い周波数領域において所望のインピーダンスが得られるフラットな周波数特性１１２が望ましい。そこで、バランス型インピーダンスアッパ回路９２は、図６に示したように、ケーブル３０を構成する２本の線間に接続されたキャパシタ９２ａと、ケーブル３０を構成する２本の線の内の一方に挿入されたインダクタ９２ｂと、インダクタ９２ｂに並列接続された抵抗９２ｃと、ケーブル３０を構成する２本の線の内の他方に挿入されたインダクタ９２ｄと、インダクタ９２ｄに並列接続された抵抗９２ｅと、を備えることとした。バランス型インピーダンスアッパ回路９２をこのような回路構成とすることで、中〜高周波数領域では抵抗９２ｃ、９２ｅが支配的となり、広い周波数領域においてフラットな周波数特性１１２を得ることができる。また、バランス型インピーダンスアッパ回路９２のインピーダンスをケーブル３０のインピーダンスの整合を維持できるようにある程度のハイインピーダンスとすることで、パラレルに接続されているＰＬＣモデム１４、２３とケーブル３０とのインピーダンス整合を確保することができる。バランス型インピーダンスアッパ回路１０２も、バランス型インピーダンスアッパ回路９２と同様である。
On the other hand, in the present embodiment, a flat frequency characteristic 112 that provides a desired impedance in a wide frequency region is desirable. Therefore, as shown in FIG. 6, the balanced impedance
図９は、図６に関する直流成分（直流電力）に関する制御装置の等価回路を示す図である。直流成分（直流電力）に関しては、バランス型インピーダンスアッパ回路９２、１０２は作用せず、ＤＣ電源９１とＤＣ−ＤＣコンバータ１０３とは、直結された状態となる。
FIG. 9 is a diagram showing an equivalent circuit of the control device related to the DC component (DC power) related to FIG. Regarding the direct current component (direct current power), the balanced impedance
図１０は、交流成分（制御信号及びデータ）に関する制御装置の等価回路を示す図である。交流成分（制御信号及びデータ）に関するバランス型インピーダンスアッパ回路９２の等価回路は、ケーブル３０を構成する２本の線間に接続されたキャパシタ９２ａと、ケーブル３０を構成する２本の線の内の一方に挿入された抵抗９２ｃと、ケーブル３０を構成する２本の線の内の他方に挿入された抵抗９２ｅと、を備える。これにより、バランス型インピーダンスアッパ回路９２の等価回路は、キャパシタ９２ａでノイズを低減し、抵抗９２ｃ、９２ｅで広い周波数領域においてフラットな周波数特性を得ることができる。バランス型インピーダンスアッパ回路１０２も、バランス型インピーダンスアッパ回路９２と同様である。
FIG. 10 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the control device regarding AC components (control signals and data). The equivalent circuit of the balanced impedance
図１１は、インピーダンスアッパ回路の他の例を示す構成図である。このインピーダンスアッパ回路１２０は、インダクタとしてトランスを利用したものである。
FIG. 11 is a configuration diagram illustrating another example of the impedance upper circuit. The impedance
インピーダンスアッパ回路１２０は、ケーブルを構成する２本の線の内の一方に１次巻線が直列に接続されたトランス１２２、１２４と、ケーブルを構成する２本の線の内の他方に１次巻線が挿入されたトランス１２１、１２３と、トランス１２２とトランス１２４との接続点とトランス１２１とトランス１２３との接続点との間に接続されたキャパシタ１２５と、トランス１２１〜１２４の２次巻線の両端をそれぞれ結ぶ抵抗１２６〜１２９と、を備える。
The impedance
図１２は、インピーダンスアッパ回路の他の例を示す構成図である。このインピーダンスアッパ回路１３０は、インピーダンスアッパ回路１２０（図１１）の１段目のトランス１２１、１２２、抵抗１２６、１２７を削除した構成である。
FIG. 12 is a configuration diagram illustrating another example of the impedance upper circuit. This impedance
図１３は、トランスの説明図であり、一部を切り欠いて示すものである。このトランス１２１は、コア１４５の中心のコア中脚１４６にギャップ１４７を形成し、このコア中脚１４６に２次巻線１４４を巻回し、その上にバイファイラー巻線構成の１次巻線１４２を１層構成で巻回し、その上に２次巻線１４３を巻回した構成を有する。各巻線１４２〜１４４は、ボビン１４１に収納されており、端子１４８を介してケーブル３０に接続される。
FIG. 13 is an explanatory diagram of a transformer, with a part cut away. In this
図１４は、トランスのギャップの大きさとインダクタンス及び直流重畳電流との関係を示す図である。線１４９に示すように、トランス１２１のギャップ１４７が小さいほどインダクタンスは大きくなり、トランス１２１のギャップ１４７が大きいほどインダクタンスは小さくなる。一方、線１５０に示すように、トランス１２１のギャップ１４７が大きいほど直流重畳電流は大きくなり、トランス１２１のギャップ１４７が小さいほど直流重畳電流は小さくなる。インダクタンス及び直流重畳電流のバランスを考慮しながら、トランス１２１のギャップ１４７を決定する。このギャップ１４７により、電流飽和耐力を確保することができる。また、巻線として太い巻線を使用することにより、電流ロスを低減することができ、制御装置１内の温度上昇を低減することができる。
FIG. 14 is a diagram illustrating the relationship between the size of the transformer gap, the inductance, and the DC superimposed current. As indicated by a
図１５は、トランスのインダクタンスと直流電流（直流重畳電流）との関係を示す図である。図１５の線１５１は、トランス１２１のギャップ１４７が小さい場合、線１５２は、トランス１２１のギャップ１４７が大きい場合を示す。トランス１２１のインダクタンスを大きくしたい場合、ギャップ１４７を小さくすることで、ＤＣＲ（巻線の直流抵抗）を増加させることなく、実現できる。また、逆にトランスの電流飽和耐力をある程度大きくしたい場合には、ギャップ１４７を大きくすることで、インダクタンスは線１５２に示すように小さくなるが、実現可能である。本発明では、インダクタンスをある程度犠牲とし、トランスのギャップを大きくとることで、トランス１２１〜１２４の電流飽和耐力を確保している。
FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the inductance of the transformer and the direct current (direct current superposition current). A
次に、制御装置の親機と子機との間のプロトコルについて説明する。図１６は、制御装置の親機の制御ＰＣ及びＰＬＣモデム、並びに、制御装置の子機のＰＬＣモデム及びエフェクトボードのプロトコルレイヤを示す図である。 Next, a protocol between the parent device and the child device of the control device will be described. FIG. 16 is a diagram illustrating a control PC and a PLC modem of the parent device of the control device, and a protocol layer of the PLC modem and the effect board of the child device of the control device.
制御装置１の親機１０の制御ＰＣ１３及び子機２０のエフェクトボード２４のプロトコルレイヤは、ＯＳＩ（Ｏｐｅｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）参照モデルを採用しており、物理層、データリンク層、ネットワーク層、トランスポート層、セッション層、プレゼンテーション層及びアプリケーション層を有する。ＰＬＣモデム１４、２３のプロトコルレイヤは、ＰＬＣ−ＰＨＹ、ＰＬＣ−ＭＡＣを有する。制御ＰＣ１３とＰＬＣモデム１４との間はＬＡＮケーブル１５を介して接続され、ＰＬＣモデム１４とＰＬＣモデム２３との間はケーブル３０を介して接続され、ＰＬＣモデム２３とエフェクトボード２４との間はＬＡＮケーブル２５を介して接続されている。
The protocol layer of the
一般に、ＰＬＣモデム間のトランスポート層のプロトコルとしてＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）が利用されている。しかし、ＰＬＣモデム間のトランスポート層のプロトコルとしてＴＣＰを利用した場合、ケーブル３０上で伝送エラーが発生すると、ＴＣＰは伝送エラーが発生したら再送を行う仕様となっているので、ＰＬＣモデム１４とＰＬＣモデム２３との間でＴＣＰによる再送が行われる。一方、制御ＰＣ１３のトランスポート層のＴＣＰとエフェクトボード２４のトランスポート層のＴＣＰとの間でも再送が行われることとなる。結果として、図１の装置１内で二重の再送が行われることとなり、低レイテンシの確保が困難となる。
Generally, TCP (Transmission Control Protocol) is used as a transport layer protocol between PLC modems. However, when TCP is used as a transport layer protocol between PLC modems, if a transmission error occurs on the
そこで、本実施形態では、ＰＬＣモデム１４及びＰＬＣモデム２３のＴＣＰによる再送は削除し、トランスポート層のプロトコルとしてＵＤＰ（Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を採用するとともに、同一内容のパケットを、所定時間間隔を空けて２回送信するダブルパケット伝送を採用する。パケット受信側のＰＬＣモデムでは、同一内容の２つのパケットの内の一方がエラーで他方がエラーではない場合、エラーのパケットを破棄し、エラーではない方のパケットを採用する。また、パケット受信側のＰＬＣモデムでは、同一内容の２つのパケットの両方がエラーではない場合、一方のパケットを採用し、他方のパケットを破棄する。
Therefore, in this embodiment, the retransmission of the
ダブルパケット伝送時のダブルパケット間の離隔時間（図１８のｔ４）ならびにダブルパケット群の送信周期（図１８のｔ５）は、ノイズの影響を受けないように設定する。ここでは、ノイズとして、ＩＥＣ／ＥＮ６１０００−４−４ Ｅｄ２．０規格のＦＴＢ（ファーストトランジェントバースト）試験レベル４のノイズを想定する。 The separation time between double packets during transmission of double packets (t4 in FIG. 18) and the transmission cycle of double packet groups (t5 in FIG. 18) are set so as not to be affected by noise. Here, IEC / EN61000-4-4 Ed2.0 standard FTB (first transient burst) test level 4 noise is assumed as noise.
図１７は、ＦＴＢ試験レベル４のノイズを示すタイミング図である。ＦＴＢ試験レベル４のノイズは、所定の時間幅ｔ１を有する雑音１５３が所定の周期ｔ２で繰り返し発生するものである。ここで、時間幅ｔ１は、１５ｍｓ（５ｋＨｚ時）又は０．７５ｍｓ（１００ｋＨｚ時）である。また、周期ｔ２は、３００ｍｓである。
FIG. 17 is a timing diagram showing noise at the FTB test level 4. The noise of the FTB test level 4 is a
図１８は、ダブルパケット伝送の時間間隔を示すタイミング図である。第１のパケット群１５４は、同一内容の２つのＵＤＰパケット１５４ａ、１５４ｂを含む。第２のパケット群１５５は、同一内容の２つのＵＤＰパケット１５５ａ、１５５ｂを含む。ＵＤＰパケット１５４ａ、１５４ｂとＵＤＰパケット１５５ａ、１５５ｂとは、異なる内容のパケットである。
FIG. 18 is a timing diagram showing a time interval of double packet transmission. The
ＵＤＰパケット１５４ａとＵＤＰパケット１５４ｂとの時間間隔ｔ４は、雑音のｍａｘ．時間幅である１５ｍｓ以上とする。同様に、ＵＤＰパケット１５５ａとＵＤＰパケット１５５ｂとの時間間隔ｔ４も、１５ｍｓ以上とする。また、図１８の時間長ｔ５であるが、これは図１７の時間長ｔ２よりも短い構成とする。ＦＴＢ試験レベル４のノイズの時間幅ｔ１は１５ｍｓ又は０．７５ｍｓであるので、ＵＤＰパケット１５４ａ又はＵＤＰパケット１５４ｂの一方がＦＴＢ試験レベル４のノイズに重なっても、他方がノイズに重なることがない。また、図１８のｔ５も図１７のｔ２よりも短く設定されているため、図１７の雑音が、図１８のパケットに複数回、影響を与えることはない。これにより、ＴＣＰのような再送を行わなくても、安定した通信が可能となり、低レイテンシを確保することができる。なお、受信側では、ＵＤＰパケット１５４ａ又はＵＤＰパケット１５４ｂのうちエラーではない方を採用し、他方は破棄する。また、受信側では、ＵＤＰパケット１５４ａ及びＵＤＰパケット１５４ｂの両方がエラーではない場合は、いずれか一方を採用し、他方は破棄する。これはユーザのアプリケーション層で対応する。
The time interval t4 between the
具体的な時間長であるが、第１のパケット群１５４と第２のパケット群１５５との周期ｔ５は、３００ｍｓ以内とする。ＦＴＢ試験レベル４のノイズの周期ｔ２は３００ｍｓであるので、第１のパケット群１５４と第２のパケット群１５５の間隔を３００ｍｓ以内とすることで、個々のパケット群に２個の雑音が入ることがない。また、個々のパケット間の時間長を１５ｍｓ以上離隔することで、ＦＴＢ試験レベル４のノイズが両方の個々のパケットに同時に重畳することがない。これにより、ＴＣＰのような再送を行わなくても、通信が可能となるので、低レイテンシを確保することができる。
Although it is a specific time length, the period t5 between the
ところで、ロボットアーム、ロボット、ロケット、車載等では、１台の親機で複数台の子機を制御したい場合がある。図１９は、１台の親機で複数台の子機を制御する制御装置の構成図である。この制御装置１６０は、１台の親機１７０と、親機１７０とケーブル３０を介して接続された３台の子機１８０、１９０、２００と、を備える。
By the way, in a robot arm, a robot, a rocket, an in-vehicle, etc., there are cases where it is desired to control a plurality of slave units with a single master unit. FIG. 19 is a configuration diagram of a control device that controls a plurality of slave units with one master unit. The
親機１７０は、制御ＰＣ１３と、ＰＬＣモデム１４と、ＤＣ電源９１と、バランス型インピーダンスアッパ回路９２と、を備える。
子機１８０は、ケーブル３０に接続されたＰＬＣモデム１８１と、ＰＬＣモデム１８１に接続されたエフェクトボード１８２と、エフェクトボード１８２に接続された制御対象物１８３と、を備える。子機１９０は、ケーブル３０に接続されたＰＬＣモデム１９１と、ＰＬＣモデム１９１に接続されたエフェクトボード１９２と、エフェクトボード１９２に接続された制御対象物１９３と、を備える。子機２００は、ケーブル３０に接続されたＰＬＣモデム２０１と、ＰＬＣモデム２０１に接続されたエフェクトボード２０２と、エフェクトボード２０２に接続された制御対象物２０３と、を備える。
The
制御装置１６０では、ケーブル３０は、ＰＬＣモデム１８１、１９１、２０１の手前で３分岐され、ＰＬＣモデム１８１、１９１、２０１に接続されている。
In the
ＰＬＣモデム１８１、１９１、２０１は、予めアドレスが設定されている。制御ＰＣ１３は、子機１８０、１９０、２００の内の動作させる必要がある子機のアドレスを指定して動作開始制御信号を出力する。子機１８０、１９０、２００の内のアドレス指定された子機内のＰＬＣモデムは、スリープモードが解除され、電源投入される。そして、ケーブル３０を介して供給される直流電圧がエフェクトボードに供給されるとともに、制御ＰＣ１３から送信された制御信号がエフェクトボードに供給され、制御対象物が駆動される。このように、制御装置１６０は、子機１８０、１９０、２００の内の動作させる必要がある子機のみを電源投入するので、消費電力を低減することができる。
The addresses of the PLC modems 181, 191 and 201 are set in advance. The
図２０は、１台の親機で複数台の子機を制御する制御装置の他の例の構成図である。この制御装置２１０は、１台の親機１７０と、親機１７０とケーブル３０を介して接続されたスイッチボックス２２０と、スイッチボックス２２０に接続された３台の子機１８０、１９０、２００と、を備える。
FIG. 20 is a configuration diagram of another example of a control device that controls a plurality of slave units with one master unit. The
スイッチボックス２２０は、手動で子機１８０、１９０、２００との接続を切換可能であるとともに、子機１８０、１９０、２００の電源投入が可能である。制御装置２１０は、スイッチボックス２２０の操作により、子機１８０、１９０、２００の内の動作させる必要がある子機のみを電源投入することができるので、消費電力を低減することができる。
The
図２１は、１台の親機で複数台の子機を制御する制御装置の他の例の構成図である。この制御装置２３０は、１台の親機１７０と、親機１７０とケーブル３０を介して接続されたＰＬＣモデム２４０と、ＰＬＣモデム２４０に接続された３台の子機２５０、２６０、２７０と、を備える。
FIG. 21 is a configuration diagram of another example of a control device that controls a plurality of slave units with one master unit. The
子機２５０は、ＰＬＣモデム２４０に接続されたエフェクトボード１８２と、エフェクトボード１８２に接続された制御対象物１８３と、を備える。子機２６０は、ＰＬＣモデム２４０に接続されたエフェクトボード１９２と、エフェクトボード１９２に接続された制御対象物１９３と、を備える。子機２７０は、ＰＬＣモデム２４０に接続されたエフェクトボード２０２と、エフェクトボード２０２に接続された制御対象物２０３と、を備える。
The subunit |
ＰＬＣモデム２４０は、制御ＰＣ１３から制御可能な遠隔スイッチを内蔵している。ＰＬＣモデム２４０は、制御ＰＣ１３からの制御信号に基づき、子機２５０、２６０、２７０との接続を切換可能であるとともに、子機２５０、２６０、２７０の電源投入が可能である。制御装置２３０は、ＰＬＣモデム２４０内の遠隔スイッチを制御ＰＣ１３から制御することで、子機２５０、２６０、２７０の内の動作させる必要がある子機のみを電源投入することができるので、子機２５０、２６０、２７０から離れた親機１７０からの制御で消費電力を低減することができる。
The
図２２は、１台の親機と複数（ここでは２台）の子機とを接続するためのケーブルの分岐回路の構成図である。この分岐回路２８０はケーブル３０の間に接続されているため、インピーダンスアッパのようにケーブル３０とＰＬＣモデム間のインピーダンス整合を維持する場合と機能が異なり、分岐してもケーブル間でインピーダンス整合を確保できることが特徴となる。この分岐回路２８０は、ケーブル３０を構成する一方の線３１の分岐点３７から親機１７０側へ延在する部分に挿入されたインダクタ２８１と、インダクタ２８１に並列接続された抵抗２８２と、を有する。また、分岐回路２８０は、ケーブル３０を構成する他方の線３２の分岐点３８から親機１７０側へ延在する部分に挿入されたインダクタ２８３と、インダクタ２８３に並列接続された抵抗２８４と、を有する。
FIG. 22 is a configuration diagram of a cable branch circuit for connecting one master unit and a plurality (two in this case) of slave units. Since this
また、分岐回路２８０は、分岐点３７から子機１８０側へ延在する線３３に挿入されたインダクタ２８５と、インダクタ２８５に並列接続された抵抗２８６と、を有する。また、分岐回路２８０は、分岐点３８から子機１８０側へ延在する線３５に挿入されたインダクタ２８７と、インダクタ２８７に並列接続された抵抗２８８と、を有する。
また、分岐回路２８０は、分岐点３７から子機１９０側へ延在する線３４に挿入されたインダクタ２８９と、インダクタ２８９に並列接続された抵抗２９０と、を有する。また、分岐回路２８０は、分岐点３８から子機１９０側へ延在する線３６に挿入されたインダクタ２９１と、インダクタ２９１に並列接続された抵抗２９２と、を有する。
図２２では、２分岐の分岐回路について説明したが、３分岐以上の分岐回路も同様に構成可能である。つまり、ケーブルの分岐点での分岐数を増やし、分岐された各ケーブルにインダクタを挿入し、該インダクタに並列に抵抗を接続すれば良い。 In FIG. 22, a branch circuit with two branches has been described, but a branch circuit with three or more branches can be similarly configured. That is, the number of branches at the branch point of the cable is increased, an inductor is inserted into each branched cable, and a resistor is connected in parallel to the inductor.
ｎ分岐（ｎは２以上の自然数）の分岐回路において、負荷インピーダンスをＺとすると、抵抗Ｒは、
２Ｒ＝（ｎ−１）／（ｎ＋１）×Ｚ ・・・（１）
とする。
In a branch circuit of n branches (n is a natural number of 2 or more), when the load impedance is Z, the resistance R is
2R = (n−1) / (n + 1) × Z (1)
And
図２３は、図２２に関する直流成分（直流電力）に関する分岐回路の等価回路を示す図である。直流成分（直流電力）に関しては、分岐回路２８０の素子は作用せず、親機１７０と子機１８０と、親機１７０と子機１９０と、はそれぞれ直結された状態となる。
FIG. 23 is a diagram showing an equivalent circuit of the branch circuit related to the DC component (DC power) related to FIG. Regarding the DC component (DC power), the element of the
図２４は、図２２に関する交流成分（制御信号及びデータ）に関する分岐回路の等価回路を示す図である。交流成分（制御信号及びデータ）に関する分岐回路２８０の等価回路は、分岐点３７と親機１７０との間に挿入された抵抗２８２と、分岐点３８と親機１７０との間に挿入された抵抗２８４と、分岐点３７と子機１８０との間に挿入された抵抗２８６と、分岐点３８と子機１８０との間に挿入された抵抗２８８と、分岐点３７と子機１９０との間に挿入された抵抗２９０と、分岐点３８と子機１９０との間に挿入された抵抗２９２と、を備える。これにより、分岐回路２８０の等価回路は、抵抗２８２、２８４、２８６、２８８、２９０、２９２で広い周波数領域においてフラットな周波数特性を得ることができる。
FIG. 24 is a diagram showing an equivalent circuit of the branch circuit related to the AC component (control signal and data) related to FIG. The equivalent circuit of the
エフェクトボードの先には、多数のセンサ等の制御対象物があり、種々の雑音環境下で安定動作する必要がある。また、ロボットスーツでは、人体への電磁波の影響を低減する必要がある。そこで、分岐回路２８０は、分岐点３７と親機１７０との間に挿入されたインダクタ２８１と、インダクタ２８１に並列接続された抵抗２８２と、分岐点３８と親機１７０との間に挿入されたインダクタ２８３と、インダクタ２８３に並列接続された抵抗２８４と、分岐点３７と子機１８０との間に挿入されたインダクタ２８５と、インダクタ２８５に並列接続された抵抗２８６と、分岐点３８と子機１８０との間に挿入されたインダクタ２８７と、インダクタ２８７に並列接続された抵抗２８８と、分岐点３７と子機１９０との間に挿入されたインダクタ２８９と、インダクタ２８９に並列接続された抵抗２９０と、分岐点３８と子機１９０との間に挿入されたインダクタ２９１と、インダクタ２９１に並列接続された抵抗２９２と、を備えた構成を有する。これにより、分岐回路２８０は、分岐点３７、３８でのインピーダンス整合を確保することができ、対地平衡度を確保することができ、外部への漏洩雑音を低減することができ、かつ、外部からの誘導雑音から受ける影響を低減することができる。また、分岐回路２８０は、分岐点３７、３８でのインピーダンス整合を広帯域で確保することができ、直流電力ロスを低減し、エフェクトボードでの所望の電圧を実現することができる。
There are many objects to be controlled such as sensors at the end of the effect board, and it is necessary to stably operate in various noise environments. In the robot suit, it is necessary to reduce the influence of electromagnetic waves on the human body. Therefore, the
なお、分岐回路２８０は、線３１と線３２、線３３と線３５、線３４と線３６をそれぞれツイストペア線とすると、更に外部への漏洩雑音を低減することができ、かつ、外部からの誘導雑音から受ける影響を低減することができる。更に、分岐回路２８０は、線３１〜３６を太い線にすると、更に直流電力ロスを低減することができる。
Note that the
また、図２２では、ケーブルを１段に分岐する例について説明したが、多段に分岐させることも可能である。図２５は、ケーブルを３段に分岐した制御装置の構成図である。 In addition, although the example in which the cable is branched into one stage has been described with reference to FIG. FIG. 25 is a configuration diagram of a control device in which a cable is branched into three stages.
制御装置２９０は、親機１７０と、子機３００〜３０７と、Ｎ分岐（ここでは２分岐）回路３０８〜３１４と、を有する。Ｎ分岐回路３０８〜３１４の内部構成は、図２２に示す分岐回路２８０と同様である。
The
Ｎ分岐回路３０８は、親機１７０からのケーブル３１５を、ケーブル３１６、３１７に２分岐する。Ｎ分岐回路３０９は、ケーブル３１６を、ケーブル３１８、３１９に２分岐する。Ｎ分岐回路３１０は、ケーブル３１７を、ケーブル３２０、３２１に２分岐する。
The N branch circuit 308 splits the cable 315 from the
Ｎ分岐回路３１１は、ケーブル３１８を、ケーブル３２２、３２３に２分岐する。ケーブル３２２は子機３００に、ケーブル３２３は子機３０１に、それぞれ接続されている。Ｎ分岐回路３１２は、ケーブル３１９を、ケーブル３２４、３２５に２分岐する。ケーブル３２４は子機３０２に、ケーブル３２５は子機３０３に、それぞれ接続されている。Ｎ分岐回路３１３は、ケーブル３２０を、ケーブル３２６、３２７に２分岐する。ケーブル３２６は子機３０４に、ケーブル３２７は子機３０５に、それぞれ接続されている。Ｎ分岐回路３１４は、ケーブル３２１を、ケーブル３２８、３２９に２分岐する。ケーブル３２８は子機３０６に、ケーブル３２９は子機３０７に、それぞれ接続されている。
The N branch circuit 311 branches the cable 318 into two
制御装置２９０は、ケーブルを多段に分岐することができるので、多数の子機を効率的な配線で親機に接続することができる。
Since the
また、図２５に示す制御装置２９０のように多数の子機３００〜３０７を備える場合は、通信の低レイテンシを確保する必要がある。現在、通信のレイヤ１（物理層）及びレイヤ２（データリンク層）のプロトコルとして、イーサネット（登録商標）が広く用いられている。しかしながら、イーサネット（登録商標）では、各ノードは自由にフレームを発信することができ、フレームの衝突が発生するので、通信路上を常に監視し（キャリア・センス）、フレームの衝突が検出（コリジョン・ディテクション）された場合は、若干の時間待機した後、フレームを再送する（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ／Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）。そのため、イーサネット（登録商標）では、低レイテンシを確保することが難しい。そこで、本実施形態では、レイヤ１（物理層）及びレイヤ２（データリンク層）のプロトコルとして、イーサネット（登録商標）に代えて、イーサキャット（登録商標）を用いる。イーサキャット（登録商標）では、フレームの中に全スレーブ（子機）と読み書きするエリアを設定し、スレーブ（子機）は自機宛てのデータ位置及び書き込みデータ位置を使用すること、フレームを一筆書きのようにネットワーク内を循環させること、などから、低レイテンシを確保することができる。具体的には、広帯域のナイキスト伝送とし、ビット単位で複数端末（子機）を高速サポート可能とする。
In addition, when a large number of
図２６は、イーサキャット（登録商標）を用いた制御装置を示す図である。この制御装置４３０は、コントローラ（親機）４３１と、端末（子機）４３２〜４３５と、分岐回路４３６〜４３８を有する。分岐回路４３６〜４３８の回路構成は、図２２に示した分岐回路２８０と同様である。
FIG. 26 is a diagram illustrating a control device using Ethercat (registered trademark). The
コントローラ４３１は、ケーブル４３９を介して分岐回路４３６、４３７に接続されている。分岐回路４３６は、ケーブル４３９を、ケーブル４４０、４４１に２分岐する。ケーブル４４０は、分岐回路４３８に接続されている。ケーブル４４１は、端末（子機）４３３に接続されている。分岐回路４３７は、ケーブル４３９を、ケーブル４４３、４４４に２分岐する。ケーブル４４３は、端末（子機）４３４に接続されている。ケーブル４４４は、端末（子機）４３５に接続されている。分岐回路４３８は、ケーブル４４０をケーブル４４２に１分岐する。ケーブル４４２は、端末（子機）４３２に接続されている。
The controller 431 is connected to the
図２７は、比較例としてのイーサネット（登録商標）を用いた制御装置を示す図である。この制御装置４５０は、コントローラ（親機）４５１と、端末（子機）４５２〜４５５と、スイッチングハブ４５６〜４５８を有する。
FIG. 27 is a diagram illustrating a control device using Ethernet (registered trademark) as a comparative example. The
コントローラ４５１は、ケーブル４５９を介してスイッチングハブ４５６、４５７に接続されている。スイッチングハブ４５６は、ケーブル４５９を流れるフレームの宛先ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）アドレスが端末４５２のＭＡＣアドレスの場合、該フレームをケーブル４６０に流す。スイッチングハブ４５８は、ケーブル４６０を流れるフレームの宛先ＭＡＣアドレスが端末４５２のＭＡＣアドレスの場合、該フレームをケーブル４６２に流し、該フレームはケーブル４６２を介して端末４５２に届けられる。
The controller 451 is connected to the switching hubs 456 and 457 via a
また、スイッチングハブ４５６は、ケーブル４５９を流れるフレームの宛先ＭＡＣアドレスが端末４５３のＭＡＣアドレスの場合、該フレームをケーブル４６１に流し、該フレームはケーブル４６１を介して端末４５３に届けられる。
Further, when the destination MAC address of the frame flowing through the
スイッチングハブ４５７は、ケーブル４５９を流れるフレームの宛先ＭＡＣアドレスが端末４５４のＭＡＣアドレスの場合、該フレームをケーブル４６３に流し、該フレームはケーブル４６３を介して端末４５４に届けられる。
When the destination MAC address of the frame flowing through the
スイッチングハブ４５７は、ケーブル４５９を流れるフレームの宛先ＭＡＣアドレスが端末４５５のＭＡＣアドレスの場合、該フレームをケーブル４６４に流し、該フレームはケーブル４６４を介して端末４５５に届けられる。
When the destination MAC address of the frame flowing through the
イーサネット（登録商標）を利用したシステム４５０では、スイッチングハブ４５６〜４５８がフレームの宛先ＭＡＣアドレスを監視し、宛先ＭＡＣアドレスが自身の下流の端末のＭＡＣアドレスであるか否かを判断し、宛先ＭＡＣアドレスが自身の下流の端末のＭＡＣアドレスであると判断したら、該フレームを下流に流すので、オーバーヘッド時間がかかり、低レイテンシを確保することが難しい。一方、イーサキャット（登録商標）を利用したシステム４３０では、分岐回路４３６〜４３８でのオーバーヘッド時間がかからないので、また、イーサネット（登録商標）のようなロングパケットは使用せず、極めて小さな情報単位に細分化して時分割／周波数分割／符号分割等を活用して分割多重を行うため、全子機に対して、ほぼ同時接続が可能であり、低レイテンシを確保することができる。イーサネット（登録商標）は情報をパケット単位でやりとりするが、イーサキャット（登録商標）ではこれを正確にマスタ同期させることで、時分割／周波数分割／符号分割し情報を細かいビット単位で分割多重し、低レイテンシを実現していることが本発明の特徴である。
In the
図２８は、イーサキャット（登録商標）を用いた制御装置の論理的な接続を示す図である。この制御装置４４０は、マスタ（親機）４４１と、６台のスレーブ（子機）Ａ〜Ｆ４４２〜４４７と、を備えている。フレームは、マスタ４４１〜スレーブＡ４４２〜スレーブＢ４４３〜スレーブＣ４４４〜スレーブＤ４４５〜スレーブＥ４４６〜スレーブＦ４４７の順に流れる。イーサキャット（登録商標）では、このフレーム時間を極めて短く設定することで、装置としての低レイテンシを実現している。
FIG. 28 is a diagram showing a logical connection of a control device using Ethercat (registered trademark). The
図２９は、イーサキャット（登録商標）を用いた制御装置のスレーブが応答するタイミングを示す図である。図２９に示すように、スレーブＢ４４３が応答するタイミング、スレーブＤ４４５が応答するタイミング及びスレーブＦ４４７が応答するタイミングは、マスタ４４１とスレーブ４４２〜４４７との間で正確な時間同期がとられているため、所定の許容時間範囲ｔ６内に収まっている。このように、イーサキャット（登録商標）を用いたシステム４４０は、低レイテンシを確保することができる。
FIG. 29 is a diagram illustrating the timing at which the slave of the control device using Ethercat (registered trademark) responds. As shown in FIG. 29, the timing at which the
図３０は、フレームの同期信号を示す図である。図３１は、フレームの周波数ドメインでのチャネルを示す図である。図３２は、フレームの時間ドメインでの波形を示す図である。 FIG. 30 is a diagram illustrating a frame synchronization signal. FIG. 31 is a diagram illustrating channels in the frequency domain of a frame. FIG. 32 is a diagram illustrating a waveform in the time domain of a frame.
図３０に示すように、周波数軸で同期信号を伝送する。この同期信号により、全ての子機は親機に時間軸で同期し、時間軸上で無駄のない、分割多重が実現可能となる。図３１に示すように、ナイキスト周波数間隔Ｆ１だけ離隔した５つのチャネル４６１〜４６５で、広帯域内で、ナイキスト間隔で時分割で信号を伝送する。なお、チャネル４６１からチャネル４６５までの周波数間隔Ｆ２は、図３１の例では、ナイキスト周波数間隔Ｆ１の６倍である。また、同期信号を個々の周波数軸で共通に配置するとオーバーヘッドが大きくなり、一挙にレイテンシを悪化させるので、メインの同期信号は図３０に示すように、特定の周波数軸だけに固定して伝送する。帯域の大半は図３０に示すようにユーザデータに割り当てる。図３２は、周波数軸での個々のチャネルの時間波形を示したものである。時間軸では、この時間波形を実質の干渉がなきよう、個々に離隔して波形多重する。さらに上位に符号分割多重を加え、最終的なイーサキャット（登録商標）を実現する。図３２に示すように、信号４６５の０レベルからピークレベルまでの時間ｔ７は、ナイキスト時間間隔となる。
As shown in FIG. 30, a synchronization signal is transmitted on the frequency axis. With this synchronization signal, all the slave units are synchronized with the master unit on the time axis, and division multiplexing can be realized without waste on the time axis. As shown in FIG. 31, five
１、８０、１６０、２１０、２３０、２９０、４３０、４４０、４５０ 制御装置
１０、９０、１７０ 親機
１４、２３、１８１、１９１、２０１ ＰＬＣモデム
２０、１００、１８０、１９０、２００、２５０、２６０、２７０、３００〜３０７ 子機
２４、４４、５４、１８２、１９２、２０２ エフェクトボード
３０ ケーブル
９２、１０２、１３０ バランス型インピーダンスアッパ回路
９２ａ、１０２ａ キャパシタ
９２ｃ、９２ｅ、１０２ｃ、１０２ｅ、１２６〜１２９、２８２、２８４、２８６、２８８、２９０、２９２ 抵抗
９２ｂ、９２ｄ、１０２ｂ、１０２ｄ、２８１、２８３、２８５、２８７、２８９、２９１ インダクタ
１０３ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２１〜１２４ トランス
３０８〜３１４ Ｎ分岐回路
４３１、４５１ コントローラ
４３２〜４３５、４５２〜４５５ 端末
４３６〜４３８ 分岐回路
４４１ マスタ
４４２〜４４７ スレーブ
４５６〜４５８ スイッチングハブ
1, 80, 160, 210, 230, 290, 430, 440, 450
Claims (11)
前記子機は、
モータ及びセンサのうちの少なくとも１つを駆動するエフェクトボードと、
前記ケーブルと前記エフェクトボードとの間に接続され、前記エフェクトボードと前記親機との間の通信を行う子機側ＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）モデムと、
前記ケーブルに接続され、前記子機と前記ケーブルとの間のインピーダンス整合を維持すると共に、前記エフェクトボードからのノイズを抑制し、前記ケーブルを介して前記親機から供給される直流電圧を出力する子機側インピーダンスアッパ回路と、
前記子機側インピーダンスアッパ回路から出力される直流電力の電圧を前記エフェクトボードの動作に適した第１の電圧に降圧して前記エフェクトボードに出力する降圧回路と、
を備え、
前記親機は、
前記エフェクトボードを制御するための制御部と、
前記ケーブルと前記制御部との間に接続され、前記制御部と前記子機との間の通信を行う親機側ＰＬＣモデムと、
前記第１の電圧より高い第２の電圧の直流電圧を出力する電源回路と、
前記ケーブルと前記電源回路との間に接続され、前記親機と前記ケーブルとの間のインピーダンス整合を維持し、前記電源回路側からのノイズを抑制し、前記電源回路から出力される直流電圧を前記ケーブルを介して前記子機に出力する親機側インピーダンスアッパ回路と、
を備えること
を特徴とする制御装置。 It has a master unit and multiple slave units connected by cable,
The slave is
An effect board that drives at least one of a motor and a sensor;
A slave-side PLC (Power Line Communication) modem connected between the cable and the effect board and performing communication between the effect board and the master unit;
Connected to the cable, maintains impedance matching between the slave unit and the cable, suppresses noise from the effect board, and outputs a DC voltage supplied from the master unit via the cable. Handset side impedance upper circuit,
A step-down circuit that steps down the voltage of the DC power output from the handset side impedance upper circuit to a first voltage suitable for the operation of the effect board and outputs the voltage to the effect board;
With
The base unit is
A control unit for controlling the effect board;
A master-side PLC modem connected between the cable and the control unit and performing communication between the control unit and the slave unit;
A power supply circuit that outputs a DC voltage of a second voltage higher than the first voltage;
Connected between the cable and the power supply circuit, maintains impedance matching between the master unit and the cable, suppresses noise from the power supply circuit side, and outputs a DC voltage output from the power supply circuit. A base unit side impedance upper circuit that outputs to the handset via the cable;
A control device comprising:
前記親機側インピーダンスアッパ回路及び前記子機側インピーダンスアッパ回路は、バランス型であること
を特徴とする請求項１に記載の制御装置。 The cable is a twisted pair cable,
The control device according to claim 1, wherein the base unit side impedance upper circuit and the handset side impedance upper circuit are of a balanced type.
前記ケーブルを構成する線に挿入されたインダクタと前記インダクタはギャップ有のコアを使用し、かつ、前記インダクタにパラレルに抵抗が付加された構成とし、電流飽和耐力を確保、さらに周波数特性の平坦性を確保したこと
を特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。 The parent device side impedance upper circuit and the child device side impedance upper circuit are:
The inductor inserted in the wire constituting the cable and the inductor use a core with a gap, and a resistance is added in parallel to the inductor, ensuring current saturation resistance, and flatness of frequency characteristics The control device according to claim 1, wherein the control device is secured.
前記制御部は、複数の前記子機の内の動作させる子機のアドレスを指定して、該子機の電源投入を行うこと
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置。 The slave side PLC modem has an address set in advance,
The said control part designates the address of the subunit | mobile_unit to operate | move among the some said subunit | mobile_unit, and turns on this subunit | mobile_unit, The one of Claim 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned. Control device.
前記親機側ＰＬＣモデム及び前記子機側ＰＬＣモデムは、雑音の時間幅よりも時間間隔を空けた同一内容の２つのＵＤＰパケットを含むＵＤＰパケット群を送信すること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。 The transport layer protocol between the base unit side PLC modem and the handset side PLC modem is UDP (User Datagram Protocol),
The base unit-side PLC modem and the slave unit-side PLC modem transmit a UDP packet group including two UDP packets having the same content with a time interval longer than the time width of noise. 5. The control device according to any one of 4.
を特徴とする請求項５に記載の制御装置。 The base unit side PLC modem and the handset unit side PLC modem transmit a plurality of different UDP packet groups with a time interval narrower than a period of periodically generated noise. The control device described.
を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御装置。 A branch circuit including an inductor inserted in a portion extending from a branch point of each line constituting the cable to the master unit side or the slave unit side, and a resistor connected in parallel to the inductor. The control device according to any one of claims 1 to 6.
を特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の制御装置。 The control according to any one of claims 1 to 7, wherein a protocol of a physical layer and a data link layer between the base unit side PLC modem and the slave unit side PLC modem is Ethercat. apparatus.
を特徴とする請求項８記載の制御装置。 The control apparatus according to claim 8, wherein the Ethercat frame is divided and multiplexed on a time axis, a frequency axis, or a code axis.
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