JP2023022749A - サーボシステムおよびサーボシステムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コストの上昇が少なく、高信頼度のサーボシステムおよびサーボシステムの制御方法を提供する。【解決手段】サーボシステムは、サーボモータと、サーボモータの位置・速度の回転情報を検知するエンコーダと、回転情報を用いて前記サーボモータを駆動制御するサーボアンプと、を有する。サーボアンプは、ハードウェアにより構成されたエンコーダ通信インターフェースと、運転指令とエンコーダ通信インターフェースを介して入力された回転情報とに基づいて前記サーボモータを制御する制御指令を演算するプロセッサと、制御指令に基づき前記サーボモータを駆動制御する制御部とを含む。そして、プロセッサは、エンコーダから直接受信した回転情報と、前記ハードウェア通信インターフェースを介して入力された回転情報とを比較し、両方の回転情報を比較し、一致していない場合には故障と診断するようにした。【選択図】図1
Description
本発明は、サーボシステムおよびサーボシステムの制御方法に関する。
サーボシステムは、サーボモータの回転情報(回転速度、回転位置)を検知するエンコーダと、エンコーダからの回転情報を取り込み(フィードバック)し、サーボモータの駆動指令情報(運転指令)とフィードバックされた回転情報とに基づいてサーボモータの制御指令を求め、その制御指令によりサーボモータを駆動制御するサーボアンプとを備えている。サーボアンプは、マイクロプロセッシングユニット(MPU)などのプロセッサと、プロセッサからの制御指令で動作する制御部とで構成されることが多い。
ところで、サーボシステムにおいて制御精度を上げるには、高頻度に制御信号を生成して制御する必要があり、エンコーダからの回転情報をより高速に確実にサーボアンプにフィードバックさせる必要がある。しかし、このフィードバックされる回転情報(エンコーダの出力信号)をサーボアンプに取り込む場合に、ソフトウェアを用いたインターフェースを介して取り込もうとすると、回転情報を高速に取り込むことができない場合がある。そのため、回転情報を入力する際のインターフェース(エンコーダ通信インターフェース)として、FPGA(Field-Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)などのハードウェアを用いることが行われている。例えば、特開2015-231255号公報(特許文献1)には、エンコーダの出力(回転情報)を、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を介してプロセッサであるMPUにフィードバックする構成を開示している。
特許文献1に示すように、通信インターフェースにFPGAやASICなどのハードウェアを用いたエンコーダ通信インターフェースを用いることにより、高速で回転情報を入力することができるので高速処理を行うことができ、サーボ精密制御を実現することができる。
しかし、FPGAやASICなどのハードウェアを用いたエンコーダ通信インターフェースを使用する場合、ハードウェアについてのすべての故障(例えば、ソフトエラーなど)を検出することは困難な場合があり、高安全度水準の機能安全に適用する場合に課題を残している。このような場合、高安全度水準の機能安全を担保するために、ハードウェアを用いたエンコーダ通信インターフェースの冗長化、すなわち、2以上のエンコーダ通信インターフェースを設け、それらの情報の一致の有無を検知してハードウェアの故障検知の信頼性を高め、サーボシステム全体の信頼性を高めることが考えられる。
しかしながら、このようなハードウェアを用いたエンコーダ通信インターフェースの冗長化による方法では、サーボシステムのコストが高くなること、および設置のための面積が増大することなどの課題が生じることになる。
そこで、本発明は、コストの上昇が少なく、高信頼度のサーボシステムおよびサーボシステムの制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、その一例を挙げると、サーボモータと、前記サーボモータの回転情報を検知するエンコーダと、前記回転情報を用いて前記サーボモータを駆動制御するサーボアンプと、を有するサーボシステムであって、前記サーボアンプは、ハードウェアにより構成されたエンコーダ通信インターフェースと、運転指令と前記エンコーダ通信インターフェースを介して入力された前記回転情報とに基づいて前記サーボモータを制御する制御指令を演算するプロセッサと、前記制御指令に基づき前記サーボモータを駆動制御する制御部とを含み、前記プロセッサは、前記エンコーダから直接受信した前記回転情報と、前記エンコーダ通信インターフェースを介して入力された前記回転情報とを比較し、両方の前記回転情報の比較結果に基づいて前記エンコーダ通信インターフェースの故障の有無を診断するサーボシステムである。
また、本発明の他の一例を挙げると、サーボモータと、前記サーボモータの回転情報を検知するエンコーダとを有し、前記エンコーダの前記回転情報に基づいて前記サーボモータを駆動するサーボシステムの制御方法であって、運転指令とハードウェアを用いたエンコーダ通信インターフェースを介して入力された前記回転情報とに基づいて前記サーボモータを駆動するとともに、前記エンコーダ通信インターフェースを介して入力された前記回転情報と、前記エンコーダから直接入力した前記回転情報とを比較し、両方の前記回転情報の比較結果により前記エンコーダ通信インターフェースの故障の有無を診断するサーボシステムの制御方法である。
本発明によれば、ハードウェアを用いたエンコーダ通信インターフェースによりサーボシステムを駆動する場合でも、コストの上昇が少なく高信頼度のサーボシステムを実現できるサーボシステムおよびサーボシステム制御の方法を提供することができる。
以下、本発明を具体的な実施例により詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。すなわち、本発明は、以下に説明する実施例を含めて種々の態様に変形することができる。また、以下の説明で用いる図面において、同一の部品や構成機器には同一の符号(番号)を用いており、すでに説明した部品や構成機器に関する説明を省略する場合がある。
≪実施例1≫
次に、本発明の実施例1について、図1~図3を用いて説明する。図1は、本発明の実施例1におけるサーボシステムの全体構成を示す図である。図2は、実施例の動作フローを示す図である。図3は、実施例1における2種類の回転情報を比較する際のデータ間引きを説明するための図である。
次に、本発明の実施例1について、図1~図3を用いて説明する。図1は、本発明の実施例1におけるサーボシステムの全体構成を示す図である。図2は、実施例の動作フローを示す図である。図3は、実施例1における2種類の回転情報を比較する際のデータ間引きを説明するための図である。
図1に示すように、サーボシステム1は、サーボアンプ2と、サーボモータ3と、サーボモータ3の回転情報(回転位置、回転速度等)を検知するエンコーダ4とから構成される。エンコーダ4は、通信プロトコルに従いサーボアンプ2からのリクエストを受信し、リクエストに応じてサーボアンプ2へリクエストに対応した回転情報を送信する。サーボアンプ2は、エンコーダ4との通信で得られた回転情報を取り込み(フィードバックし)、サーボモータの指令情報(運転指令)と取り込まれた回転情報とに基づいてサーボモータの制御指令を求め、その制御指令によりサーボモータを駆動制御する。
ここで、サーボアンプ2は、マイクロプロセッサをベースとしたコントロールICであるマイクロコントローラユニット(MCU:Micro Controller Unit)5、サーボモータ3を制御する制御部6、及びエンコーダ4から送信される回転情報(回転位置、速度)のフィードバックデータを受信し、処理するエンコーダ通信インターフェース7を備える。このエンコーダ通信インターフェース7は、FPGAやASICなどのハードウェアを使用している。
この実施例において、MCU5は、シリアルコミュニケーションインターフェース(SCI:Serial Communication Interface)51、エンコーダ通信インターフェース7の異常診断(故障診断)を行う機能が含まれた安全診断部52、及び制御部6への制御指令を演算生成する制御指令生成部53、エンコーダ4へのリクエストを出力するリクエスト生成部54、及び安全診断部52が故障(異常)を診断した場合にその対処を行う故障対処部55を備える。なお、SCI51はMCU5の外付けとしても良いが、ここではMCU5内の入力端部に設けてコンパクト化を図っている。
制御指令生成部53における制御指令の生成には、サーボ精密制御を実現するため、エンコーダ4の回転情報を高速に入力するエンコーダ通信インターフェース7から得られた回転情報FB2を使用する。
SCI51は、エンコーダ通信プロトコルから送信されるシリアルデータを受信するインターフェースである。SCI51は、全二重通信を行うことができ、エンコーダ4からシリアルで送られてくるデータ(回転情報)を受信し、SCI51のレジスタにその回転情報を蓄積するとともに、FIFOの順番でレジスタに蓄積されたデータをMCU5およびエンコーダ通信インターフェース7へ送信する。このように、MCU5およびエンコーダ通信インターフェース7へ回転情報を、1つのSCI51で共用することにより回路が簡単になり、コスト的にも制御的にも好ましい。
安全診断部52は、サーボアンプ2の安全を確保すべく安全診断を行う。安全診断は、サーボアンプ2のハードウェア回路の故障検出、MCU5の内部ソフトウェア関連の故障検出、及びエンコーダ通信インターフェース7の故障診断を実施する。これらの安全診断のうち、エンコーダ通信インターフェース7の故障診断は、SCI51を介してMCU5に直接入力される(フィードバックされる)回転情報FB1と、エンコーダ通信インターフェース7経由でMCU5に入力される回転情報FB2とを比較することにより行われる。故障対処部55は、安全診断部52の診断結果に基づき、サーボモータの緊急停止などの適切な対策を行う。
制御指令生成部53は、制御部6の位置制御部61、速度制御部62、モータ制御部63への制御指令を生成する。この制御指令は、運転指令とエンコーダ通信インターフェース7経由で得られる回転情報FB2とに基づいて生成される。具体的には、運転指令と回転情報との差がなくなるようにするための制御指令を生成(演算)する。
リクエスト生成部54は、エンコーダプロトコルに準じて受信すべきデータに対応したリクエストを生成し、SCI51を介してエンコーダ4に送信する。リクエストとしては、通常の制御のための回転情報の送信要求のほかに、テスト用の情報を送信要求などがある。エンコーダ4は、このリクエストに対応した回転情報をサーボアンプ2に送信する。具体的には、MCU5の入力端部に設けたSCI51に送信する。
制御部6は、位置制御部61、速度制御部62及びモータ制御部63を備える。位置制御部61、速度制御部62、モータ制御部63は、MCU5の制御指令生成部53が生成した制御指令を入力し、サーボモータ3の位置、速度及びトルクを制御する。
エンコーダ通信インターフェース7は、エンコーダデータ受信部71及びエンコーダデータ送信部72を備える。エンコーダデータ受信部71は、エンコーダから送信された回転情報のデータを受信する。エンコーダデータ送信部72は、FPGAやASICなどのI/Oポートを介して、受信される回転情報FB1をMCU5へ送信する。MCU5は、この回転情報FB1を入力される順番に従って図示しないメモリに保存する。
なお、図1では、理解を容易にするためにMCU5の構成を機能ブロック形式で示したが、実際にはROMに記憶されたプログラムに従いMPUやCPUがモータの制御および故障診断を実施する。
次に、実施例1におけるハードウェアを使用したエンコーダ通信インターフェース7の故障診断について、図2に示す動作フローにより説明する。図2は、MCU5の故障診断処理の動作を示すフロー図である。
図2において、ステップS01では、リクエスト生成部54が、モータの制御に求める回転情報を得るためのリクエストRを生成する。
次に、ステップS02では、リクエスト生成部54がそのリクエストRを、SCI51を介して、エンコーダ4へ送信する。これにより、エンコーダ4は、リクエストに対応する回転情報をサーボアンプ2に送信する。ステップS03では、エンコーダ4から送信された回転情報(回転位置や速度など)をSCIで受信する。
次に、ステップS04において、SCI51内のレジスタに蓄積された回転情報をFIFOの順番でエンコーダ通信インターフェース7へ送信する。同時に、MCU5内にも同じ回転情報を取り込む。ここで、エンコーダ通信インターフェース7に送信されエンコーダデータ送信部72から出力される回転情報をFB2とし、MCUに直接取り込まれ保存された回転情報をFB1とする。
次に、ステップS05において、安全診断部52は、エンコーダ通信インターフェース7経由で得られる回転情報FB2とSCI51で受信されMCU5に取り込まれた回転情報FB1とを比較する。そして、ステップS05において、FB1とFB2とが一致する場合、安全診断部52はエンコーダ通信インターフェース7の故障(異常)がないと判断し、ステップS01に戻る。このステップS01~ステップS05に示す故障診断ルーチンは、サーボモータの運転中継続される。
ステップS05において、もし比較したデータ(回転情報FB1とFB2)が一致しない状態が生じた場合、安全診断部52はエンコーダ通信インターフェース7が故障していると判断し、次のステップS06に進む。
ステップS06では、エンコーダ通信インターフェース7の故障信号を故障対処部55へ送信する。
そして、ステップS07において、故障対処部55は、故障信号に基づき、サーボシステムに対する適切な緊急対処を行う。例えば、故障対処部55はサーボモータ3へ供給する電源を遮断し、サーボモータを停止させる。また、これと同時に、故障状態にあることをシステム全体を管理する上位装置に通知するなどの対処を行う。
このように、サーボシステムが動作中(運転中)において、サーボモータの運転制御に合わせて継続して故障診断動作を実施する。そして、故障と判断した場合(FB1とFB2のデータが不一致の場合)には、故障と診断して緊急対処を行うことができる。
次に、安全診断部52における診断動作(ステップS05の比較判断動作)において、FB1とFB2とを比較するに際し、エンコーダ4が同じタイミングで出力した回転情報を比較するための方法について説明する。上述したように、ハードウェアによるエンコーダ通信インターフェース7の方が高速動作を行うため、単位時間当たりで入手できる回転情報FB2の数は、直接MCU45に入力するFB1よりも多くなる。したがって、より正確にFB1とFB2とを比較するには、FB2のデータを間引きタイミングを合わせてFB2と比較する方がより正確な診断ができる。図3は、この間引き処理及びデータ比較を説明するための図である。
図3において、下側がエンコーダ通信インターフェース7の出力である回転情報FB2であり、上側がSCI51から直接MPU5に入力される回転情報FB1である。
図3に示すように、この両方のデータの比較するタイミングを合わせるために、直接MPU5に入力される回転情報FB1に対して、エンコーダ通信インターフェース7の出力である回転情報FB2をデータ通信周期時間と複数周期時間の比率で設定する間引き率で間引き処理を行う。そして、設定していた間引き率より時間を置き、間引き処理された回転情報FB2と、FB1とを比較する。このような間引き処理を行うことにより、より正確にエンコーダ通信インターフェース7の故障を判断することができる。FB2の間引き処理は、事前に設定することができる。図3では、間引き率は1:3の例を示しており、三つ周期の中で一つ周期の回転情報FB2がFB1との比較のために使われる。
以上説明した本発明の実施例1によれば、ハードウェアを用いたエンコーダ通信インターフェースによりサーボシステムを駆動する場合でも、コストの上昇が少なく高信頼度のサーボシステムを実現することができる。
≪実施例2≫
次に、本発明の実施例2について、図4を用いて説明する。図4は、実施例2におけるサーボシステムの構成図である。実施例2の基本的な構成はすでに説明した実施例1と同様であるので説明を省略し、ここでは主に実施例1と異なる構成の部分について説明する。
次に、本発明の実施例2について、図4を用いて説明する。図4は、実施例2におけるサーボシステムの構成図である。実施例2の基本的な構成はすでに説明した実施例1と同様であるので説明を省略し、ここでは主に実施例1と異なる構成の部分について説明する。
図4に示す実施例2は、図1におけるハードウェアを使用したエンコーダ通信インターフェース7に代えて、MCU5内に同様の機能を有するエンコーダ通信インターフェース70を設けている。すなわち、MCU5に内蔵されるエンコーダ通信インターフェース70には、動的再構成プロセッサであるDRP(Dynamically Reconfigurable Processor)を用いている。DRP(動的再構成プロセッサ)は、演算器間の接続を動的に切り替えながらアプリケーションを実行するハードウェアである。一般的なDRP内部の回路は、格子状に配置された8ビット単位のPE(Processor Element)アレイと、それらをダイナミックに選択するSTC(State Transition Controller)、およびPEにデータを供給するRAMとメモリコントローラとを備えている。なお、DRPの構成自体は公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
この実施例2の動作は、実施例1と同様であり、すでに説明した内容と重複するため、ここではその詳細な説明は省略する。また、実施例2の動作フローは、図2に示す内容と同様の動作フローであるため、その動作説明も省略する。また、安全診断部52における診断動作において、FB1とFB2とを比較するに際し、エンコーダ4が同じタイミングで出力した回転情報を比較するために、データ間引きすることについても実施例1と同様である。つまり、実施例2でも図3のような間引き処理を行う。したがって、それらに関する説明も省略する。
図4において、DRPで構成されるエンコーダ通信インターフェース70は、MCU5に内蔵され、ハードウェアロジックの高い処理能力と、CPUのような高い柔軟性・機能拡張性を持つ。
なお、この実施例2においては、実施例1の場合と同様に、DRPで構成されるエンコーダ通信インターフェース70に回転情報を取り込むためのSCIと、MCU5に取り込むためのSCIとを独立して設けず、共通の1個のSCI51を利用する。また、DRPによるエンコーダプロトコル対応のエンコーダ通信インターフェース70を内蔵することで、外付けのハードウェア(FPGAやASICなど)が不要となり、コンパクトで一部ハードウェアのコスト削減ができる。
図5は、例えば、クロック同期式シリアル通信を用いるエンコーダとの接続形態の例を示す。エンコーダ4とマイクロコントローラユニット5間の接続には、例えば、RS-485規格などの作動信号を用い、ツイストペアケーブル41で配線することでノイズ等の影響を緩和できる。マイクロコントローラユニット5には、DRPおよびSCIの両機能ブロックに相当する入出力ピンが各々備えられ、これら両方の入出力ピンにRS-485トランシーバの各信号(SCL,Rx,Tx)を夫々並列接続するといった形態でも構わない。
図6は、図5で示されたマイコンコントローラー5がDRPおよびSCIの入出力ピンが備えられ、両方の入出力ピンにRS-485トランシーバの各信号(SCL,Rx,Tx)を夫々並列接続する場合の構成図である。
以上説明した本発明の実施例2によれば、実施例1と同様の効果を有するとともに、コンパクトでより安価なサーボシステムを提供することができる。
1…サーボシステム、2…サーボアンプ、3…サーボモータ、4…エンコーダ、5…マイクロコントローラユニット、6…制御部、7…エンコーダ通信インターフェース、41…ツイストペアケーブル、51…シリアルコミュニケーションインターフェース、52…安全診断部、53…制御指令生成部、54…リクエスト生成部、55…故障対処部、61…位置制御部、62…速度制御部、63…モータ制御部、70…エンコーダ通信インターフェース、71…エンコーダデータ受信部、72…エンコーダデータ送信部
Claims (16)
- サーボモータと、前記サーボモータの回転情報を検知するエンコーダと、前記回転情報を用いて前記サーボモータを駆動制御するサーボアンプと、を有するサーボシステムであって、
前記サーボアンプは、ハードウェアにより構成されたエンコーダ通信インターフェースと、運転指令と前記エンコーダ通信インターフェースを介して入力された前記回転情報とに基づいて前記サーボモータを制御する制御指令を演算するプロセッサと、前記制御指令に基づき前記サーボモータを駆動制御する制御部とを含み、
前記プロセッサは、前記エンコーダから直接受信した前記回転情報と、前記エンコーダ通信インターフェースを介して入力された前記回転情報とを比較し、両方の前記回転情報の比較結果に基づいて前記エンコーダ通信インターフェースの故障の有無を診断するサーボシステム。 - 請求項1に記載されたサーボシステムにおいて、前記プロセッサとして、マイクロコントローラユニットを用いたことを特徴とするサーボシステム。
- 請求項1に記載されたサーボシステムにおいて、前記エンコーダから送信されるシリアルの前記回転情報を受信して蓄積しFIFOの順番で該蓄積されたデータを前記プロセッサよび前記エンコーダ通信インターフェース7へ送信するシリアルコミュニケーションインターフェースを設けたことを特徴とするサーボシステム。
- 請求項3に記載されたサーボシステムにおいて、前記プロセッサ内に前記回転情報の受信すべきデータを決定するリクエストを生成するリクエスト生成部を設け、前記リクエストを前記シリアルコミュニケーションインターフェースを介して前記エンコーダに送信することにより、前記エンコーダは前記リクエストに対応した前記回転情報を前記シリアルコミュニケーションインターフェースに送信するようにしたことを特徴とするサーボシステム。
- 請求項3に記載されたサーボシステムにおいて、前記シリアルコミュニケーションインターフェースは前記プロセッサの入力端部に設けたことを特徴とするサーボシステム。
- 請求項1に記載されたサーボシステムにおいて、前記エンコーダ通信インターフェースを前記プロセッサに内蔵させたことを特徴とするサーボシステム。
- 請求項6に記載されたサーボシステムにおいて、前記エンコーダ通信インターフェースとして動的再構成可能プロセッサを使用したことを特徴とするサーボシステム。
- 請求項7に記載されたサーボシステムにおいて、前記エンコーダから送信されるシリアルの前記回転情報を受信して蓄積するとともにFIFOの順番で蓄積されたデータを前記プロセッサよび前記エンコーダ通信インターフェース7へ送信するシリアルコミュニケーションインターフェースを前記プロセッサに内蔵させたことを特徴とするサーボシステム。
- 請求項1に記載されたサーボシステムにおいて、前記エンコーダ通信インターフェースを経由して入力した前記回転情報を間引いた情報と前記エンコーダから直接受信した前記回転情報とを比較するようにしたことを特徴とするサーボシステム。
- 請求項1に記載されたサーボシステムにおいて、前記故障を診断した場合には、サーボシステムに対する緊急対処を行うことを特徴とするサーボシステム。
- サーボモータと、前記サーボモータの回転情報を検知するエンコーダとを有し、前記エンコーダの前記回転情報に基づいて前記サーボモータを駆動するサーボシステムの制御方法であって、
運転指令とハードウェアを用いたエンコーダ通信インターフェースを介して入力された前記回転情報とに基づいて前記サーボモータを駆動するとともに、
前記エンコーダ通信インターフェースを介して入力された前記回転情報と、前記エンコーダから直接入力した前記回転情報とを比較し、両方の前記回転情報の比較結果により前記エンコーダ通信インターフェースの故障の有無を診断するサーボシステムの制御方法。 - 請求項11に記載されたサーボシステムの制御方法において、前記エンコーダから送信されるシリアルの前記回転情報を受信して蓄積するとともにFIFOの順番で蓄積されたデータを送信するシリアルコミュニケーションインターフェースを介して、前記回転情報をエンコーダ通信インターフェースに取り込むことを特徴とするサーボシステムの制御方法。
- 請求項11に記載されたサーボシステムの制御方法において、前記エンコーダから受信すべきデータを決定するリクエストを生成し、前記リクエストを前記エンコーダに送信し、前記エンコーダから前記リクエストに対応した前記回転情報を入力するようにしたことを特徴とするサーボシステムの制御方法。
- 請求項11に記載されたサーボシステムの制御方法において、前記エンコーダ通信インターフェースを経由して入力した前記回転情報を間引いた情報と前記エンコーダから直接受信した前記回転情報とを比較するようにしたことを特徴とするサーボシステムの制御方法。
- 請求項11に記載されたサーボシステムの制御方法において、
前記故障を診断した場合、サーボシステムに対する緊急対処を行うことを特徴とするサーボシステムの制御方法。 - 請求項1に記載されたサーボシステムにおいて、前記プロセッサには動的再構成プロセッサおよびシリアルコミュニケーションインターフェースの機能に相当する入出力ピンを備え、前記エンコーダから送信されるシリアルの前記回転情報を前記入出力ピンにより受信することを特徴とするサーボシステム。
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