JP2581585B2

JP2581585B2 - 加減速制御装置

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Publication number: JP2581585B2
Application number: JP63063534A
Authority: JP
Inventors: 寿一丸山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPH01237806A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は工作機械やロボットアーム等の駆動に於い
て一定の加速度で加速あるいは減速する制御を行う加減
速制御装置に関し、特に指令速度の変化に対し、一定の
加速度で加速あるいは減速することができる加減速制御
装置に関するものである。

［従来の技術］従来、機械の駆動を行なう場合、起動時や停止時に機
械系にショックや振動を与えないように加速・減速制御
が行われる。このような加減速制御においては、駆動時
間を短くするため駆動系の能力や機械の特性できまる最
大許容加速度を越えない一定の加速度で加速や減速を行
なう直線形加減速制御方式が望まれている。

第７図は特開昭59−62909号公報に示された従来の加
減速制御装置の構成図である。図おいて（1a）（1b）…
（1n）はｎ個のバッファレジスタ、（２）は加算器、
（３）は加算結果を一時的に記憶するアキュムレータ、
（４）は加算結果の転送レジスタ、（５）は加算結果を
1/nする除算器である。各バッファレジスタ（1a）〜（1
n）は直列に接続され、１サンプリング毎にこのサンプ
リング周期の移動量が指令速度V_iとして初段のバッファ
レジスタ（1a）に入力される。同時に各バッファレジス
タの内容は次段のバッファレジスタへ転送され、最終段
のバッファレジスタ（1n）の内容V_(i-n)は加算器（２）
の入力へ送られる。

サンプリング時刻ｉ−１における、転送レジスタ
（４）の内容をS_(i-1)とすればサンプリング時刻ｉにお
いて、加算器（２）の出力S_iは S_i＝S_(i-1)＋V_i−V_(i-n) 但しS₀＝0,V_-＝０となり、この結果はアキュムレータ（３）に格納され、
除算器（５）で1/nされて出力される。なお、上記のV_-
＝０はV_(i-n)において、ｉが０からｎ迄に対応する値が
０であることを簡略化して表わしたものである。

以上のことから、出力速度F_iはとなる。

一方、アキュムレータ（３）の加算結果S_iは転送レジ
スタ（４）に送られ次のサンプリング時刻の加算器
（２）の入力となる。

上記のような構成により第８図に示すように指令速度
（10a），（10b）の入力に対しそれぞれ直線形加減速特
性をもつ出力速度（11a），（11b）が与えられる。

［発明が解決しようとする課題］従来の加減速制御装置は以上のように構成されている
ので、サンプリング周期をΔＴとすれば加減速の時定数
はＴ＝ｎ・ΔＴと一定で、また、指令速度をＶとすれば
加速度ａはａ＝V/Tとなり、指令速度に比例し変化して
しまう。従って、最大指令速度のとき最大許容加速度を
満すように時定数Ｔを選ぶ必要があり、この場合指令速
度が小さくなると最大許容加速度以下の領域で駆動する
ことになり駆動系の能力を最大限に発揮させることがで
きない。

また、きめ細かい加減速制御を行なうためには、時定
数Ｔに比べサンプリング周期ΔＴを十分小さく選ぶ必要
があり、バッファレジスタの数ｎ（＝T/ΔＴ）が多く必
要となって構成が複雑となる。

さらに、短い駆動距離Ｌを指令速度Ｖで移動する場合
は、第９図に示すように移動時間ｔ＝L/Vが時定数Ｔに
比べて小さくなり、このとき従来の加減速制御装置の出
力速度の最大値はＶ・t/Tまでしか上昇できず、従って
位置きめ時間が長くなるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためにな
されたもので、指令速度の変化に対し、一定の加速度の
加減速特性を有し、短い距離の移動指令に対して移動時
間が最短となる出力速度を発生し、かつ応答が速く、き
め細かな速度制御を実現する加減速制御装置を得ること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明の請求項１に係る加減速制御装置は、指令さ
れた一定の加速度で直線的に加速又は減速を行う直線形
加減速制御装置において、一定のサンプリング周期毎に
外部から入力される指令速度と第３の計算部が出力する
現在の出力速度との差を積分して指令位置と現在位置の
間の追従距離を算出する第１の計算部と、前記第３の計
算部が出力する現在の出力速度から前記指令された一定
の加速度で直線的に減速して停止するまでに要する減速
距離を算出する第２の計算部と、前記指令速度、現在の
出力速度、追従距離、減速距離及び指令された一定の加
速度を用いて加速又は減速の要否を判別すると共に、加
速又は減速時にはそれぞれ前記指令された一定の加速度
で加速又は減速を行う出力速度であって且つ減速時に
は、現在の出力速度から一定の加速度で出力速度が零に
なるまで減速する間の移動距離が現在の追従距離と等し
くなるように各サンプリング周期毎に求めた減速加速度
に基づく出力速度を算出して出力する第３の計算部とを
備えたものである。

またこの発明の請求項２に係る加減速制御装置は、前
記第３の計算部の出力する出力速度を入力し、この出力
速度を平滑して外部に出力する平滑手段を前記請求項１
に係る加減速制御装置に付加したものである。

［作用］この発明においては、出力速度の演算は追従距離と減
速距離を比較し、加速・減速を判断し、指定された一定
の加速度で出力速度を指令速度に一致するまで加速ある
いは減速しているから、指令速度の積分値である移動距
離を正確に移動する速度出力を発生する。なおこの速度
出力は、減速時には指令された停止位置に指令された一
定の加速度で直線的に減速して停止し得る速度出力であ
る。また、移動距離が短い場合でも指令された一定の加
速度で加速・減速する最適な三角波の速度出力を発生す
る。

また前記演算された出力速度を平滑手段を通して出力
することにより加速度変化を滑らかにする。

［実施例］以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は
この発明の加減速制御装置の一実施例の制御動作を示す
フローチャート、第３図はこの発明の加減速制御装置を
数値制御装置（以下、NC装置と記す）に適用した場合の
構成図である。

第１図において、（20）は第１の計算部である追従距
離計算部で、指令速度と出力速度の差を積分し、指令位
置と現在の出力位置の間の距離、即ち追従距離を計算す
るものである。（21）は第２の計算部である減速距離計
算部で、現在の出力速度から与えられた加速度でゼロま
で減速する間に移動する距離、即ち減速距離を計算する
ものである。（22）は第３の計算部である出力速度計算
部で、この出力速度計算部（22）は指令速度と出力速度
を比較する第１の比較器（23）と、追従距離と減速距離
を比較する第２の比較器（24）とこれら比較判断結果に
より出力速度を計算する速度計算部（25）から構成され
ている。

第３図において、（35）はメインコントロールCPU（C
PU:中央処理装置）で、NCテープ入力や手動データ入力
等の入力情報を解析し、演算制御を行う演算処理装置で
ある。（36）はテープリーダ、（37）はCRTディスプレ
イボードで、オペレータとCN装置間でコミニュケーショ
ンを行うための設定表示ボードである。（38）はメイン
メモリである。（40）は機械のサーボ制御処理を行うサ
ーボコントロール、（41）はサーボCPU、（42）は割込
回路、（43）はRAMで構成された２ポートメモリ、（4
4）はROMで構成された制御メモリ、（45a），（45b）及
び（45c）はインターフェイス、（46）はサーボ出力コ
ントロール、（47）はフィードバックコントロール、
（48）は駆動部ユニット、（49）はサーボモータ、（5
0）は検出器、である。

なお、L₁はコントロールライン、L₂はアドレスライ
ン、L₃はデータラインである。

第３図に示す構成において、第２図に示す加減速制御
の実行の手順は制御プログラムとして制御メモリ（44）
に格納されている。

割込回路（42）は一定のサンプリング周期ΔＴごとに
サーボCPU（41）に割込を発生する。

指令速度はメインコントロールCPU（35）で作成さ
れ、２ポートメモリ（43）を通してサーボCPU（41）に
受渡しされる。

サーボCPU（41）は制御メモリ（44）の制御プログラ
ムに基づき２ポートメモリ（43）内の指令速度を読み取
り、加減速制御の処理を実行して出力速度を計算する。

さらに、フィードバックコントロール（47）のフィー
ドバック信号をインターフェイス（45c）を通して入力
し、出力速度と比較し、その差を計算してインターフェ
イス（45c）を介してサーボ出力コントロール（46）へ
出力する等のサーボ制御処理も実行する。

なお、サーボ出力コントロール（46）はインターフェ
イス（45c）からの入力をディジタル／アナログ変換し
て駆動部ユニット（48）へ出力する。その出力は駆動部
ユニット（48）により増幅され、サーボモータ（49）を
回転させる。フィードバックコントロール（47）は検出
器（50）からのフィードバックパルスをカウントしてイ
ンターフェイス（45c）へ出力する。

次に、第２図に示すフローチャートに従って加減速制
御の動作を説明する。

第２図に示す一連の制御動作は、割込回路（42）から
発生する割込みに基づいて、つまり一定のサンプリング
周期ΔＴごとに行われる。

また第２図では、L_i,D_iは１サンプル周期の距離の移
動量、F_i,V_iは１サンプル周期の速度の移動量、ΔF,Δ
Ｖは１サンプル周期の速度移動量の変化量（加速度）と
して、これらの各数量をディメンションのない移動量と
して取り扱っている。従って各サンプル周期毎にこれら
の各数量間の大小関係の比較や計算処理が可能となる。

先ず、割込みが発生すると、サーボCPU（41）は指令
速度V_iを２ポートメモリ（43）から読み取る（ステップ
S1）。

次に、追従距離計算部（20）により指令速度と出力速
度の差を積分し、指令位置と現在の出力位置の間の距
離、即ち追従距離を求める。これは下記（１）式により
計算する。即ちサンプリング時刻ｉにおける追従距離L_i
は指令速度V_iと前回の出力速度F_(i-1)を用いて、 L_i＝L_(i-1)＋V_i−F_(i-1) ……（１）但しL₀＝0,F₀＝０により計算する（ステップS2）。

次に、減速距離計算部（21）により現在の出力速度か
ら与えられた加速度でゼロまで減速する間に移動する距
離を計算する。これは下記（２）式により計算する。即
ち、前回の出力速度F_(i-1)に対応する減速距離D_iはにより計算される（ステップS3）。ここでΔＦは加速度
指令値（以下、単に加速度と記す。）で、サンプリング
周期間の速度変化量である。なお、この加速度ΔＦは制
御される機械によって決まる定数であり、制御メモリ
（44）に記憶させてある。

出力速度計算部（22）の動作は第２図のフローチャー
トの点線部（30）で示される。

即ち、先ず第１の比較器（23）で指令速度V_iと前回の
出力速度F_(i-1)を比較し（ステップS4）、次に第２の比
較器（24）で、追従距離L_iと減速距離D_iを比較する（ス
テップS5又はS6）と、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）
に示される４つのケースに分かれる。これらの結果をう
けて速度計算部（25）は一点鎖線部（31）で示される動
作を行う。

先ず（ａ）は、指令速度V_iが出力速度F_(i-1)より大き
いため、加速を行う状況にあるが、追従距離L_iが減速距
離D_iより小さいため出力速度は前回の値をそのまゝ保持
し（ステップS7）、追従距離L_iが減速距離D_iを越えるま
で待つ。

（ｂ）は、指令速度V_iが出力速度F_(i-1)より大きく、
追従距離L_iが減速距離D_iより大きいため加速を行う状況
にある。このときは、前回の出力速度F_(i-1)と加速度Δ
Ｆの加算値と指令速度V_iを比較し（ステップS8）、加算
値が指令速度V_iを越えるときは、指令速度V_iを出力速度
F_iとして出力し（ステップS9）、越えないときは加算値
を出力速度F_iとする（ステップS10）。

（ｃ）のケースは高速の指令速度で短い距離の移動指
令を行った場合に発生し、このときは、指令速度V_iが出
力速度F_(i-1)より小さいにも関らず、追従距離L_iが減速
距離D_iより大きいため、出力速度を加速する。これは前
述のステップ10と同じ処理で、F_(i-1)とΔＦの加算値を
出力速度F_iとして出力する。なお、この加速により、追
従距離L_iが減速距離D_iより小さくなったときは、減速に
切換えるが、この減速の処理は後述の（ｄ）の処理とな
る。

（ｄ）は指令速度V_iが出力速度F_(i-1)より小さく、か
つ追従距離L_iが減速距離D_iより小さくなった場合で減速
を行う状況にある。この場合は指令された位置に一定加
速度で減速し停止するために、各サンプリング時刻ごと
に、その時刻における追従距離と出力速度を用いて次の
時刻の加速度を求め、出力速度を計算して出力する。こ
れは下記のようにして計算する。即ち、前回の出力速度
F_(i-1)から一定の加速度で出力速度がゼロになるまで減
速するとき、この間の移動距離が現在の追従距離L_iに等
しくなるようにするためには減速加速度ΔＶは（２）式
を用いてで与えられる。

従って、追従距離がゼロとなる点すなわち、指令位置
と出力位置が一致する点で出力速度がゼロとなるように
一定加速度で減速するためには次の出力速度F_iはで与えられる。そこで、（４）式により出力速度F_iを計
算して出力する（ステップS12）。

但し、（３）式の近似誤差を吸収するため、L_iがΔＦ
より小さくなる場合を、予めステップS12の処理の前に
判断し（ステップS11）、その場合は出力速度F_i＝L_iを
出力する（ステップS13）。

なお、上記の動作中、ステップS4,S5,S6,S8及びS11に
おいて、＝の場合も「YES」と判断して次のステップへ
移る。

上記のような動作により、この発明の加減速制御装置
の動作特性は第４図に示すように大きさの異なる指令速
度（10a），（10b）が入力されても、その出力速度はそ
れぞれ（11a），（11b）のように加速および減速時の加
速度は一定となる。また、指令速度の値が時間と共に任
意に変化しても、出力速度は加速度が指定され値を越す
ことなく迅速にこれに追従する。

ここで第２図の各処理により第４図の動作特性が得ら
れることを説明する。

いま指令速度Va（10a）が入力されると、出力速度Fa
は、まず第２図のフローチャートのステップS1,S2,S3で
V_i,L_i,D_iを求め、次にステップS4,S5,S8,S10を通って、
Faの初期値の零からサンプリング周期ΔＴ毎にΔＦずつ
増加する（第４図の加速期間を参照）。このとき図４に
おいてあるサンプリング時刻（以下時刻と記す）t_pにお
ける追従距離L_tpは、指令速度Va（10a）と現在の出力速
度Fa（11a）との差の時刻t₀からt_pまでの積分値である
ので、時刻t₀〜t_p間で、指令速度Va（10a）と出力速度F
a（11a）に囲まれた斜線部の面積で表わされ、同様に減
速距離D_tpは、時刻t₀からt_pまでの間で、速度零のライ
ンと出力速度Fa（11a）に囲まれたドット表示部の面積
で表わされる。

各サンプリング周期毎にステップS8で出力速度Fa（11
a）が指令速度Va（10a）に達したかどうかが判別され、
第４図の時刻t_aからステップS4,S5,S8,S9を通って出力
速度Fa（11a）は指令速度Va（10a）と同じ値を出力する
（第４図の等速期間）。そしてこの等速期間では時刻t₀
から時刻t_aまでの間で得られた追従距離L_taと減速距離D
_taの値は変化しない。なお第４図の等速期間において
は、上記追従距離L_taと減速距離D_taとは等しい値になっ
ている。

次に時刻t_bで速度指令値Va（10a）が零になると、図
２のステップS4の判別結果がNOとなり、出力速度Fa（11
a）はこの時点からの移動距離（第４図の時刻t_bからt_e
までの出力速度Faと速度零のラインとの間の点線斜線部
の面積）が時刻t_bにおける追従距離Lt_pと等しくなるよ
うに一定加速度で減速し停止する処理に入る。即ち時刻
t_b以降は、サンプリング周期毎にステップS4,S6,S11,S1
2を通って出力速度Fa（11a）は、前記（３）式の計算式
で得られる減速加速度ΔＶずつ減少して減速する。そし
てステップS11で追従距離L_iがΔＦより小さくなると、
最後はステップS13を通り残った追従距離L_iを全部出力
し時刻t_eで減速は完了する（第４図の減速期間を参
照）。

また第５図に示すように、短い距離を高速移動する速
度指令（10）が入力された場合も出力速度は（11）のよ
うに指定された加速度値で加速減する最適な波形を出力
する。

ここで第２図の各処理により第５図の動作特性が得ら
れることを説明する。

第５図は加速期間中に指令速度Ｖが零になった場合の
例である。いま指令速度Ｖが入力されると、出力速度Ｆ
は、まず第２図のフローチャートのステップS1,S2,S3で
V_i,L_i,D_iを求め、次にステップS4,S5,S8,S10を通って、
Ｆ初期値の零からサンプリング周期ΔＴ毎にΔＦずつ増
加する。時刻t_bで指令速度Ｖが零になると、この時刻t_b
における追従距離L_tb（第５図の時刻t₀〜t_b間で指令速
度Ｖと出力速度Ｆとの間の斜線部の面積）は、減速距離
D_tb（上記と同一時間における速度零のラインと出力速
度Ｆとの間のドット表示部の面積）より大きいため、ス
テップS4,S6からS10を通って出力速度はさらにΔＦずつ
増加してゆく。

そして出力速度Ｆが増加すると、前記（２）式から得
られるように減速距離Ｄが増加するため、時刻t_cでステ
ップS6の判別結果がNOとなり、それ以降は前記第４図の
減速期間の動作と同様にステップS4,S6,S11,S12を通っ
て前記（３）式の計算式で得られる減速加速度ΔＶずつ
出力速度は減少して減速する。そしてステップS11で追
従距離L_iがΔＦより小さくなると、最後はステップS13
を通り残った追従距離L_iを全部出力し時刻t_eで減速を完
了する。このとき時刻t_bから減速終了時刻t_eまでの移動
距離（第５図の時刻t_b〜t_e間で出力速度Ｆと速度零のラ
インとの間の点線斜線部面積）は時刻t_bでの追従距離L
_tbと等しくなるように処理される。

なお、ここで指令加速度ΔＦと減速加速度ΔＶとの関
係について説明する。

上記の加速期間では無条件に加速度ΔＦずつ速度を増
加させて加速することができるが、減速時には一定加速
度で減速し停止するまでの距離を指令値に合わせる必要
があるため、停止距離（減速開始時の追従距離に等し
い）に応じて減速加速度ΔＶを（３）式により計算する
必要がある。このΔＶは、第４図の減速期間の間の移動
距離（第４図の点線斜線部分の面積）が減速開始時点の
追従距離Ｌとなるように一定加速度で減速してゆくとき
の減速加速度（出力速度の変化量）を表すもので、減速
開始時点の追従距離Ｌがその時点の減速距離Ｄと等しい
場合は、与えられた指令加速度ΔＦと等しくなる。しか
し通常の制御特性では、追従距離Ｌは減速距離Ｄより若
干大きいことが多いので、この場合にはΔＶはΔＦより
若干小さくなる。

なお、上記実施例において、出力速度計算部の機能は
一定の加速度で出力速度を加速あるいは減速するもので
あるが、出力速度の加速度変化を滑らかにするため第６
図に示すように出力速度の出力端に簡単な平滑フィルタ
（60）を設けてもよい。

［発明の効果］この発明は以上説明したとおり、指令速度、加速度及
び出力速度から追従距離と減速距離を求め、これらを用
いて加速・減速を判断し、指定された一定の加速度で加
速・減速を行なうように構成したので、駆動系の効率を
最大に発揮させ、高速・高精度の位置制御を可能とする
きめ細かい円滑な速度波形を発生する加減速制御装置が
得られる効果がある。

また演算された出力速度を平滑手段を通して出力する
ことにより加速度変化を滑らかにし、駆動される機械に
与える衝撃や振動を低く抑さえることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図はこ
の発明の加減速制御装置の一実施例の制御動作を示すフ
ローチャート、第３図はこの発明の加減速制御装置をNC
装置に適用した場合の構成図、第４図および第５図はこ
の発明の動作特性を示す波形図、第６図はこの発明の他
の実施例を示す出力速度計算部の構成図、第７図は従来
の加減速制御装置の構成図、第８図および第９図は従来
の加減速制御装置の動作特性を示す波形図である。図において、（20）は追従距離計算部（第１の計算
部）、（21）は減速距離計算部（第２の計算部）、（2
2）は出力速度計算部（第３の計算部）である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】指令された一定の加速度で直線的に加速又
は減速を行う直線形加減速制御装置において、一定のサンプリング周期毎とに外部から入力される指令
速度と第３の計算部が出力する現在の出力速度との差を
積分して指令位置と現在位置の間の追従距離を算出する
第１の計算部と、前記第３の計算部が出力する現在の出力速度から前記指
令された一定の加速度で直線的に減速して停止するまで
に要する減速距離を算出する第２の計算部と、前記指令速度、現在の出力速度、追従距離、減速距離及
び指令された一定の加速度を用いて加速又は減速の要否
を判別すると共に、加速又は減速時にはそれぞれ前記指
令された一定の加速度で加速又は減速を行う出力速度で
あって且つ減速時には、現在の出力速度から一定の加速
度で出力速度が零になるまで減速する間の移動距離が現
在の追従距離と等しくなるように各サンプリング周期毎
に求めた減速加速度に基づく出力速度を算出して出力す
る第３の計算部とを備えたことを特徴とする加減速制御
装置。
【請求項２】前記第３の計算部の出力する出力速度を入
力し、この出力速度を平滑して外部に出力する平滑手段
を付加したことを特徴とする請求項１記載の加減速装
置。