JP2653130B2 - 加減速制御装置 - Google Patents

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お
いて、加速度を連続的に変化させて加速あるいは減速す
る制御を行う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、加速度
を連続的に変化させかつ最大許容加速度を越えないよう
に加速や減速を行なうＳ字形加減速制御方式が望まれて
いる。

第９図は従来の加減速制御装置の構成図である。同図
において、（20）は追従距離計算部で、指令速度と平滑
前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）
は減速距離計算部で、現在の平滑前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
により平滑前出力速度を計算する速度計算部（25）と、
加速度を滑らかにし出力速度を計算する平滑フィルタ
（26）とから構成されている。次に上記従来の加減速制
御装置の動作について説明する。まず、追従距離計算部
（20）により平滑前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との間の距離、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_Ciと
前回の平滑前出力速度V_(i-1)を用いて、 L_i＝L_(i-1)＋V_Ci−V_(i-1) …（１） 但しL_O＝O,V_O＝Ｏ により計算する。

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V_(i-1)に対応する減速距離D_iは により計算される。ここでΔＶ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ΔＶは制御される機械に
よって決まる定数である。

平滑前出力速度計算部（22）の動作について説明す
る。先ず第１の比較器（23）で指令速度V_Ciと前回の平
滑前出力速度V_(i-1)を比較し、次に第２の比較器（24）
で、追従距離L_iと減速距離D_iを比較すると、以下のよう
な（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示される４つのケ
ースに分かれる。

（ａ）は指令速度V_ciが前回の平滑前出力速度V_(i-1)よ
り大きく追従距離L_iが減速距離D_iより小さいケース、 （ｂ）は指令速度V_Ciが前回の平滑前出力速度V_(i-1)よ
り大きく追従距離L_iが減速距離D_iより大きいケース、 （ｃ）は指令速度V_Ciが前回の平滑前出力速度V_(i-1)よ
り小さく追従距離L_iが減速距離D_iより大きいケース、 （ｄ）は指令速度V_Ciが前回の平滑前出力速度V_(i-1)よ
り小さく追従距離L_iが減速距離D_iより小さいケースであ
る。

先ず（ａ）は、指令速度V_Ciが平滑前出力速度V_(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
まま保持し、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_Ciが平滑前出力速度V_(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、前回の平滑前出力速度V
_(i-1)と加速度ΔＶの加速値と指令速度V_Ciを比較し、加
速値が指令速度V_Ciを越えるときは、指令速度V_Ciを平滑
前出力速度V_iとして出力し、越えないときは加速値を平
滑前出力速度V_iとする。

（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_Ciが
平滑前出力速度V_(i-1)より小さいにも拘らず、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（ｂ）の場合と同じ処理で、V_(i-1)とΔＶ
の加速値を平滑前出力速度V_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_Ciが平滑前出力速度V_(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平滑前出力速
度を用いて次の時刻の加速度を求め、平滑前出力速度を
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、前回の平滑前出力速度V_(i-1)から一定の加速度で
平滑前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
ためには加速度Ａ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平滑前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平滑前出力速
度V_iは で与えられる。そこで（４）式により平滑前出力速度を
計算して出力する。

最後に平滑フィルタ（26）により、平滑前出力速度V_i
を滑らかにした出力速度V_{out i}を計算する。例えば平滑
フィルタとして最も簡単な１次フィルタを用いたとき、
出力速度V_{out i}は（５）式で求めることができる。

V_{out i}＝T_S・（V_i＋DL_i-1） …（５） ただし、T_Sは与えられた１次フィルタの時定数であ
る。またDL_iは１次フィルタのたまり量であり、（６）
式で計算できる。

DL_i＝V_i−V_{out i}＋DL_i-1 …（６） 上記のような構成により第10図（ａ），（ｂ）に示す
ように指令速度（14）の入力に対し、Ｓ字形の加減速特
性をもつ出力速度（15b）と連続な出力加速度（16b）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、加速度の変化量の最大値は最大許容加速度と平滑
フィルタの時定数によって決まり、任意に指定すること
が困難である。また加速度の変化量の最大値は加速度の
立上り時にのみ生じ機械の振動系に対して望ましくな
い。さらにフィルタを使用しているため、速やかな停止
ができず、位置きめ時間が長くなるという課題があっ
た。

この発明は上記のような課題を解消するためになされ
たもので、速度指令の変化に対し、加速度、加速度の変
化量とも、それぞれ予め設定した最大許容加速度、最大
許容加速度変化量の値以下に制限された加減速特性を有
し、この制限の範囲内での移動時間が最短となる加減速
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〕

この発明に係る加減速制御装置は、一定のサンプリン
グ周期毎の指令速度を第１の速度として入力して、出力
速度を加速あるいは減速して第１の速度に一致させるよ
うに計算し、その計算結果を出力する加減速制御装置に
おいて、指令速度のサンプリング周期毎の差分をとって
第１の加速度を求める第１の計算部と、第１の加速度と
加速度の許容変化値と前回の出力速度と前回の出力加速
度とから、指令速度及び第１の加速度と一致し且つ加速
度の許容値以下及び加速度の許容変化値以下であるよう
な第２の速度及び第２の加速度をそれぞれ求める第２の
計算部と、指令速度の積分値と前回の出力速度の積分値
との差から追従距離を、第２の速度と第２の加速度と加
速度の許容値とから減速距離をそれぞれ計算し、減速距
離が前記追従距離以下であれば第２の速度及び第２の加
速度を出力速度及び出力加速度とし、減速距離より追従
距離が大きければ減速距離が追従距離以下になるように
第２の速度及び第２の加速度を修正して出力速度及び出
力加速度をそれぞれ求める第３の計算部とを備えたもの
である。

〔作用〕

この発明においては、指令速度のサンプリング周期毎
の差分をとって第１の加速度を求め、第１の加速度と加
速度の許容変化値と前回の出力速度と前回の出力加速度
とから、指令速度及び第１の加速度と一致し且つ加速度
の許容値以下及び加速度の許容変化値以上であるような
第２の速度及び第２の加速度をそれぞれ求め、指令速度
の積分値と前回の出力速度の積分値との差から追従距離
を、第２の速度と第２の加速度と加速度の許容値とから
減速距離をそれぞれ計算し、減速距離が追従距離以下で
あれば第２の速度及び第２の加速度を出力速度及び出力
加速度とし、減速距離より追従距離が大きければ減速距
離が追従距離以下になるように第２の速度及び第２の加
速度を修正して出力速度及び出力加速度をそれぞれ求め
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図は第２
の計算部にあたる速度管理計算部の詳細を示す構成図、
第３図は第３の計算部にあたる位置管理計算部の詳細を
示す構成図、第４図は速度管理計算部の制御動作を示す
フローチャート、第５図は位置管理計算部の制御動作を
示すフローチャート、第６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、第７図は減加速速度の計算部の動作を示
すフローチャート、第８図（ａ），（ｂ）はこの発明の
動作特性を示す波形図である。

第１図において、（１）は第１の加速度A¹ _iを求める
第１の計算部にあたる加速度指令計算部、（２）は第２
の速度V² _i、第２の加速度A² _iを計算する第２の計算部に
あたる速度管理計算部、（３）は出力速度V_iと出力加速
度A_iを計算する第３の計算部にあたる位置管理計算部で
ある。また第２図において、（４）は追従速度計算部、
（５）は減加速度計算部、（６）は第２の比較器、
（７）は第１の比較器、（８）は速度加速度計算部であ
る。さらに第３図において（９）は追従距離計算部、
（10）は減速距離計算部、（11）は第３の比較器、（1
2）は速度加速度修正部、（13）は追従距離修正部であ
る。

第６図において、（35）はメインコントロールCPU
（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NC装置間でコミュニケーション
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、（44）
はROMで構成された制御メモリ、（45a），（45b）及び
（45c）はインタフェース、（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、（50）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４図および第５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ボートメモリ（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ボートメモリ（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フェース（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フェー
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）はインタフェー
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
タフェース（45c）へ出力する。

なお、以下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、一定のサンプリング周
期ΔＴごとに行われる。

まず、第１の加速度A¹ _iを計算する加速度指令計算部
（１）の計算内容について説明する。先ず、割込みが発
生すると、サーボCPU（41）は指令速度V_Ciを２ポートメ
モリ（43）から読み取る。そして第１の加速度A¹ _iは前
回の指令速度V_C(i-1)と今回の指令速度V_Ciとの差分をと
ることにより次式によって得られる。

A¹ _i＝V_Ci−V_C(i-1) …（７） 次に速度管理計算部（２）の動作を第２図の構成図と
第４図、第７図のフローチャートに従って説明する。速
度管理部（２）においては、与えられたA¹ _iの積分値と
この速度管理部で計算したA² _iの積分値が一致し、かつA
² _iの大きさが最大許容加速度A_maxより大きくならず、さ
らにサンプリング周期ΔＴごとのA² _iの変化量の絶対値
がΔＡを越えないようなA² _iおよびその積分値V² _iを計算
する。なおこのA_maxおよびΔＡ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。具体的には、指令速度と実際の速度との差AL_iを追
従速度計算部（４）で計算し、一定速度になるまでに必
要な速度変化分AD_iを減加速速度計算部（５）で計算す
る。第１の比較器（７）で速度指令V_Ciと前回の出力速
度V_i-1の比較を行い、同時に第２の比較器（６）でAL_i
とAD_iの比較を行い、これら比較判断結果により速度加
速度計算部（８）で第２の加速度A² _i、第２の速度V² _iを
求める。まず実際の速度と指令速度との差AL_iは次の式
によって計算される（ステップS1）。

AL_i＝AL_(i-1)＋A_Ci−A_(i-1) …（８） また、減加速速度AD_iの計算部（５）の内容を第７図
のフローチャートに示す。AD_iの計算は前回の出力加速
度A_(i-1)から絶対値が大きくなる方向に変化した場合を
考慮し、その加速度の値（第７図中のAX）をもとに求め
る。すなわち、A_i-1が正の場合はAXをΔＡだけ増加さ
せ、A_i-1が負の場合はΔＡだけ減少させる（ステップS3
1〜S33）。その結果、AXの絶対値がA_maxを越えた場合は
その値を制限する（ステップS34〜37）。AD_iの値はA_i-1
の符号により次の２つの式で計算できる（ステップS38,
S39）。

続いて、第１の比較器（７）で指令速度V_Ciと前回の
出力速度V_(i-1)とを比較し指令速度の方が小さければ、
最短時間で一定速になるように加速シーケンスに入る。
また第２の比較器でAL_iとAD_iを比較し、AL_iの方が大き
ければ加速シーケンスに入る（ステップS4）。加速シー
ケンスでは、前回の出力加速度A_(i-1)に最大許容加速度
ΔＡを加えることにより第２の加速度A² _iを得る。ここ
でその結果がA_maxより大きくなった場合にはA_maxをA² _i
とする（ステップS8〜S10）。減速の場合には、追従速
度AL_iをもとに減速量を により求める。加速時と同様にA_i-1より（11）式の値を
減じたものが−A_maxより小さければ第２の加速度として
−A_maxを用いる（ステップS5〜S7）。なお、追従速度AL
_iの値が許容加速度変化量ΔＡより小さくかつ前回の出
力加速度A_(i-1)とAL_iとの差の絶対値もΔＡより小さい
場合には、指令速度と第２の出力速度を一致させてもよ
いと判断し第２の加速度としてAL_iを用いる（ステップS
3,S11）。最後に前回の出力速度V_(i-1)に計算した第２
の加速度A² _iを加えて第２の速度V² _iを求める（ステップ
S12）。

位置管理計算部（３）の動作を第３図の構成図と第５
図のフローチャートに従って説明する。位置管理部
（３）においては、速度管理部（２）によって計算され
た第２の速度V² _iと第２の加速度A² _iとを今回の出力速度
V_i、加速度A_iとして用いた場合、速度指令V_Ciの積分値
で与えられる目標位置に停止できるかどうかを判断し、
できない場合は修正を加えてV_i,A_iを決定する。すなわ
ち、追従距離計算部（９）により指令位置と現在の出力
位置の間の距離（追従距離）L_iを求め（ステップS1
3）、減速距離計算部（10）により第２の速度、加速度
で動作している場合に、加速度の最大値の制限、最大変
化量の制限を満足しつつ停止するまでに移動する距離
（減速距離）D_iを求める（ステップS14）。そして、第
３の比較器（11）でL_iとD_iを比較し（ステップS17）、D
_iの方が小さければ出力速度、加速度として第２の速
度、加速度を採用し（ステップS18）、そうでなければ
停止が可能な速度、加速度を計算して出力速度、出力加
速度とする（ステップS19〜S29）。また、追従距離L_iが
ΔＡよりも小さくなった場合には、停止が完了した場合
とみなし、出力速度V_iを０とする（ステップS15〜S1
6）。最後に、次回に利用する追従距離の値L_iを修正し
て終了する（ステップS30）。

以下では各計算部における計算式について述べる。追
従距離計算部（９）においては、追従距離L_iは次の式に
よって計算できる（ステップS13）。

L_i＝L_i-1＋V_Ci−V² _i …（12） なお、追従距離の修正の場合も、同様な次の式になる
（ステップS30）。

L_i＝L_i-1＋V_Ci−Vⁱ …（13） 減速距離計算部（10）では、停止までに生ずる最小の
加速度が−A_maxまで達するかどうかで計算式が異る。最
小の加速度A_minは次式で求まる。

A_minが−A_maxより大きい場合、減速距離DL_iは次式で求
まる。

A_minが−A_maxより小さい場合は、n₁,n₂,n₃を中間変数と
して次式で求まる。

n₁＝（V² _i＋A_max）／ΔＡ …（16） n₃＝A_max/ΔＡ 第３の比較器（11）における結果により、速度・加速
度修正部（12）における修正が必要となった場合、次の
ような計算を行う。この場合に現在の速度から加速度を
直線的に減少させて滑らかな停止を行わせる場合に、今
回の加速度として必要な大きさＸは次式で計算できる
（ステップS19）。

求めたＸが前回の出力加速度A_i-1から、±ΔＡの範囲
に含まれて、かつ−A_maxより大きい場合には（20）式の
結果を出力加速度A_iとする。上記の範囲に含まれない場
合には制限を満たす中で最もＸに近い値を出力加速度A_i
とし（ステップS20〜S28）、A_iと前回の出力速度V_i-1か
ら今回の出力速度V_iを計算する（ステップS29）。

以上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８図（ａ），（ｂ）に示すように、加
速度をほぼ直線的に変化させることができ、加速度の最
大値、最大変化量を制限しながら最短時間での位置決め
が可能となる。

なお、第８図（ａ），（ｂ）において、（14）は指令
速度、（15）は出力速度、（16）は出力加速度である。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、指令速度のサンプリ
ング周期毎の差分をとって第１の加速度を求め、第１の
加速度と加速度の許容変化値と前回の出力速度と前回の
出力加速度とから、指令速度及び第１の加速度と一致し
且つ加速度の許容値以下及び加速度の許容変化値以下で
あるような第２の速度及び第２の加速度をそれぞれ求
め、指令速度の積分値と前回の出力速度の積分値との差
から追従距離を、第２の速度と第２の加速度と加速度の
許容値とから減速距離をそれぞれ計算し、減速距離が追
従距離以下であれば第２の速度及び第２の加速度を出力
速度及び出力加速度とし、減速距離より追従距離が大き
ければ減速距離が追従距離以下になるように第２の速度
及び第２の加速度を修正して出力速度及び出力加速度を
それぞれ求めるように構成したので、速度及び加速度の
最大変化量を任意に指定でき、なおかつサンプリング周
期ごとに発生する速度指令値に基づいて動作中に設定値
を変更して加減速を行うことができる加減速制御装置が
得られる効果がある。

【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図は第
１図における速度管理計算部の詳細を示す構成図、第３
図は第１図における位置管理計算部の詳細を示す構成
図、第４図は速度管理計算部の動作を示すフローチャー
ト、第５図は位置管理計算部の動作を示すフローチャー
ト、第６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７図は第４図の減加速速度計算の
詳細動作を示すフローチャート、第８図（ａ），（ｂ）
はこの発明の動作特性を示す波形図、第９図は従来の加
減速制御装置の構成図、第10図（ａ），（ｂ）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。 （１）……加速度指令計算部（第１の計算部）、 （２）……速度管理計算部（第２の計算部）、 （３）……位置管理計算部（第３の計算部）。 なお、各図中同一符号は同一、又は相当部分を示すもの
とする。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一定のサンプリング周期毎の指令速度を第
   １の速度として入力して、出力速度を加速あるいは減速
   して前記第１の速度に一致させるように計算し、その計
   算結果を出力する加減速制御装置において、 前記指令速度のサンプリング周期毎の差分をとって第１
   の加速度を求める第１の計算部と、 前記第１の加速度と加速度の許容変化値と前回の出力速
   度と前回の出力加速度とから、前記指令速度及び前記第
   １の加速度と一致し且つ加速度の許容値以下及び前記加
   速度の許容変化値以下であるような第２の速度及び第２
   の加速度をそれぞれ求める第２の計算部と、 前記指令速度の積分値と前記前回の出力速度の積分値と
   の差から追従距離を、前記第２の速度と前記第２の加速
   度と前記加速度の許容値とから減速距離をそれぞれ計算
   し、前記減速距離が前記追従距離以下であれば前記第２
   の速度及び前記第２の加速度を出力速度及び出力加速度
   とし、前記減速距離より前記追従距離が大きければ前記
   減速距離が前記追従距離以下になるように前記第２の速
   度及び前記第２の加速度を修正して出力速度及び出力加
   速度をそれぞれ求める第３の計算部と を具備することを特徴とする加減速制御装置。