JP2855611B2 - 制御用モータのコントローラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明は、所定の手順に従って制御用モータの入力を
調節する制御用モータのコントローラに関する。

（従来の技術） 入力に対して忠実に作動し、制御対象を所定の回転
数、位置、速度、角度に制御する制御用モータが各方面
で利用されている。これら制御用モータの入力を所定手
順に従って調節するものが制御用モータのコントローラ
であり、個々の制御用モータの特性に応じた入力を制御
用モータに順次与えることで、制御用モータに一連の制
御を実行させている。例えば、工作機に利用される制御
用モータのコントローラは、更に上位のプログラム・コ
ントローラからの指令および制御用モータの特性に応じ
て制御用モータに与える入力を調節し、ツールを所定手
順で駆動してワークの加工などを実行する。

この様なコントローラの想定する通りに制御用モータ
が駆動されないとき、すなわちコントローラの制御系や
制御手順に何らかの不具合が存在するとき、これを放置
するならばその不具合が発生した後に実行される一連の
制御に波及してワークの加工などに悪影響を及ぼすこと
になる。そこで、この様な不具合の検出機能をコントロ
ーラ自体に備え、不具合を検出すると直ちに制御用モー
タの制御を中止すると共に不具合の発生を報知すると制
御用モータのコントローラが提案されている。

この種の制御用モータのコントローラによれば、上記
不具合の発生による被害を最小限度に抑えることがで
き、広く利用されている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記従来の制御用モータのコントローラも未
だに十分なものではなく、次のような問題点を有してい
る。

制御用モータのコントローラが不具合を報知して制御
用モータへの入力を中止したとき、保守要員はその不具
合に対処し、復旧を急がなくてはならない。

しかし、上記コントローラによる不具合の報知では、
制御用モータ自体に不具合が発生したか、制御用モータ
の制御対象に何らかの不具合があったか、また制御の手
順に無理があったものか等、不具合の発生要因を特定す
ることができない。このため、保守要因は不具合の原因
調査に多くの時間を必要とし、復旧が遅れることが多か
った。

また、制御用モータを効率よく制御するためには、制
御用モータの追随可能な限界付近で作動させることが必
要であるが、一連の制御の中で制御用モータの負荷の変
動などを正確に知る方法がなく、経験に頼るところが大
きいのが現状である。

本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、制御用モ
ータに不具合が発生したときその原因究明を簡単に、迅
速に行うことができ、しかも制御用モータを高効率制御
するための解析が容易になされる制御用モータのコント
ローラを提供することを目的としている。

発明の構成 （問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために本発明の構成した手段は
第１図の基本的構成図を示すごとく、 制御対象をどのように移動させるべきかを指示する制
御データによって表された制御手順に従って、前記制御
対象の駆動に用いる制御用モータの入力を調節すること
により、該制御用モータの出力を制御する制御用モータ
のコントローラにおいて、 前記制御用モータの回転位置を少なくとも含んだ該制
御用モータの出力と、該出力を得る際に入力された指令
値である前記制御データとを対応させ、これら対応させ
た両者の履歴を記憶する制御状態記憶手段を備えること
を特徴とする制御用モータのコントローラをその要旨と
している。

（作用） 本発明の制御用モータのコントローラも、従来同様に
制御対象をどのように移動させるべきか（例えば、位
置，速度，加速度，トルク，時間等）を指示する制御デ
ータによって表された制御手順Ｓに従って制御用モータ
Ｍの入力Ｎを調節して、制御用モータＭの出力Ｈを制御
する。これにより制御用モータＭは、制御対象を所定の
回転数、角度、速度、位置に制御することができる。

また、本発明の制御用モータのコントローラは、制御
用モータＭの回転位置を少なくとも含んだ制御用モータ
の出力Ｈと、該出力Ｈを得る際に入力された指令値であ
る制御データとを対応させ、これら対応させた両者の履
歴を記憶する制御状態記憶手段MKを備えている。

制御用モータＭの出力ＨはモータＭの状態と入力Ｎに
より一意的に定まるものであり、コントローラは制御用
モータＭの状態の情報を有し、その入力を調節して制御
用モータＭの出力Ｈを制御している。従って制御用モー
タＭの出力Ｈは、本来ならばコントローラの完全な制御
下にあり、その変化を記憶しておく必要はない。

しかし、例えば制御用モータＭの負荷が予定値から変
化したとき、制御用モータ自体に不具合が発生したと
き、制御用モータの制御対象に何らかの不具合があった
とき、あるいは制御の手順に無理があったときなど、制
御用モータＭの状態が変化するためコントローラから所
定の入力Ｎを与えても制御用モータＭが所期の動作（出
力Ｈ）を実行しなくなる。すなわち、制御系に発生した
何らかの不具合は、制御用モータＭの出力Ｈの変化とし
て現れるのであり、この制御用モータＭの回転位置を少
なくとも含んだ制御用モータＭの出力Ｈと、該出力Ｈを
得る際に入力された指令値である制御データとを対応さ
せ、これら対応させた両者の履歴を記憶することで制御
系全体の状態を管理することが可能となるのである。

なお、上記制御状態記憶手段MKとしては、制御用モー
タＭの出力Ｈがどの様に推移しているか記憶する作用を
なすもので、少なくとも制御用モータＭの回転位置を記
憶するものが用いられる。また、制御状態記憶手段MK
は、制御用モータＭの出力Ｈを直接記憶するものに限ら
ず間接的に記憶するものであってもよい。例えば、制御
用モータＭに取り付けられ直接その出力を検出するトル
クセンサ、回転数センサ、位置センサ、あるいは加速度
センサなどの検出結果を記憶する構成に限らず、コント
ローラがフィードバック制御を実行するタイプのもので
あれば、制御用モータＭの出力Ｈの変化はそのフィード
バック系にも影響を及ぼすため、フィードバック量また
は入力量とフィードバック量の偏差を記憶する構成であ
ってもよい。

以下、本発明をより具体的に説明するために実施例を
挙げて説明する。

（実施例） 第２図は実施例の制御用モータのコントローラのハー
ド構成を説明するための図である。

実施例のコントローラ10は、構成の簡略化、汎用性を
考慮して第２図に示すようにマイクロコンピュータを中
心としたディジタル回路により構成されている。すなわ
ち、論理演算を実行するCPU10a、該CPU10aの実行する各
種制御プログラムを不揮発的に記憶しているROM10b、情
報の一時的記憶を実行してCPU10aの演算を補助するRAM
い10cおよびこれら論理回路と他の機器との情報の授受
を受け持つ入出力ポート10dを主要部としている。

コントローラ10のその他の機器としては、入出力ポー
ト10dより入力する制御信号に従ったPWM信号を出力する
PWM回路10e、そのPWM信号に基づきパワートランジスタ
により構成されたパワーアンプ10fを駆動するプリドラ
イバー10gが設けられている。このパワーアンプ10fによ
ってPWM制御された三相交流が制御用モータ20の電機子
電流として供給されるため、制御用モータ20の駆動は入
出力ポート10dから出力される制御信号により、すなわ
ちCPU10aを中心とした論理回路により制御されることに
なる。

また、本実施例の制御用モータのコントローラ10は、
制御用モータ20をより高精度に安定して制御するため、
フィードバック制御方式を採用している。帰還される制
御用モータ20の出力の情報は、制御用モータ20の発生す
るトルクを検出するために電機子電流値を検出する電流
検出コイル22、24の検出出力および制御用モータ20の回
転軸の回転状況を検出するエンコーダ26の検出出力であ
る。

制御用モータ20の回転軸は、ワークなどが載置される
テーブル30と螺合するポールネジ32に連結されている。
従って、制御用モータ20の回転軸が回転するとポールネ
ジ32が回転し、螺合しているテーブル30を図面左右方向
に移動させることができる。このとき、回転軸の回転量
がテーブル30の移動量に、回転軸の回転速度がテーブル
30の移動速度に対応する。

以上のように構成される実施例の制御用モータのROM1
0bには、以下に説明する各種の情報が記憶されている。

まず、図示しないその他の工作機器と連動してワーク
に所定の加工を施すため、そのワークが載置されるテー
ブル30をどの様な速度で、どの様に移動すべきかを指示
する制御手順（以下、制御データＤという）が記憶され
ている。

また、記憶されている上記制御データＤに従って制御
用モータ30を実際に駆動するため、そのデータに示され
た内容に則った制御信号を入出力ポート10dから順次出
力するための各種プログラムが記憶されている。公知の
ように、CPU10aを中心とした論理回路は各種電子部品の
集合体のようなものであり、これらに所定のプログラム
を実行させることで、目的とする各種の電子回路を構成
することができる。

本実施例のROM10bに記憶されるプログラムのフローチ
ャートを第３図、第４図および第５図に示している。こ
れらのプログラムは、コントローラ10を含むサーボシス
テムの起動がなされたときから繰り返し実行されるもの
であり、第３図の2mSec割込みルーチンは2mSec毎に、第
４図の200μSec割込みルーチンは200μSec毎に、第５図
の60μSecルーチンは60μSec毎にCPU10aに割込むことで
繰り返し実行される。以下、各割込みルーチンの処理に
ついて説明する。

第３図の2mSec割込みルーチンの処理が開始される
と、まず現在の制御用モータ30の駆動状態を検出するた
め、エンコーダ26の検出結果より回転位置Xn（添え字の
ｎは、経過時間を表している）の検出（ステップ100）
が実行される。そして、この状態の制御用モータ30を次
にどの様に駆動すればよいかを指示している前記制御デ
ータDnの読み出しが実行され（ステップ110）、これら
のデータXn,Dnに基づき制御用モータ30の回転位置Ｘの
フィードバック制御系の演算が次式により実行される
（ステップ120）。

OX＝AX（Dn−β１・Xn） すなわち、今回の制御データDnに現在の回転位置Xnの
情報を負帰還するのであり、回転位置の偏差を算出する
ため、制御データDnから回転位置Xnにフィードバックゲ
インβ１を乗算した値（β１・Xn）が減算され、これに
増幅度AXを乗算して変数OXとしている。ここで増幅度AX
とは比例定数P1および積分定数I1を含むものであり、い
わゆるPI制御を実行する。

この様にして算出される変数OXは、第４図に示す200
μSecルーチンにて、次のように利用される。まず、200
μSec割込みルーチンでは、制御用モータ30の駆動状態
を検出するためエンコーダ26の検出結果より回転位置Xn
の検出を行い（ステップ200）、その結果を微分演算し
て回転速度Vnを算出する（ステップ210）。そして、上
記2mSec割込みルーチンにて算出される最新の変数OXの
読み込みを実行し（ステップ220）、これらのデータに
基づき次式により回転速度に対する負帰還の演算が実行
される（ステップ230）。

OV＝AV（OX−β２・Vn） ここで、β２はフィードバックゲインを表している。
また、AVは比例定数P2および積分定数I2を含む増幅度で
あり、前記同様にPI制御を実行する。

更に、この200μSecルーチンにて算出される変数OVは
第５図の60μSec割込みルーチンにより利用され、最終
的に目的としているPWM回路10eに出力する制御信号OTの
決定がなされる。すなわち、初めにアナログ情報である
電流検出コイル22、24の検出結果をディジタル情報に変
換したトルクTnを算出して（ステップ300）以下の処理
に備える。そして、上記200μSec割込みルーチンにて算
出された最新の変数OVの読み込みが実行され（ステップ
310）、変数OVにステップ120にて検出したトルクTnを負
帰還するため、次式による演算が実行され、最終的な制
御信号OTの算出がなされる（ステップ320）。

OT＝AT（OV−β３・Tn） ここで、β３はフィードバックゲインを表している。
また、ATは比例定数P3および積分定数I3を含む増幅度で
ある。

こうして最終的な制御信号OTが算出されると、この制
御信号OTを入出力ポート10dからPWM回路10eに出力し
（ステップ330）、一連の処理を完了する。

上記３つの割込みルーチンによる処理を要約するなら
ば、制御データDnと現実の制御用モータ30の回転位置Xn
との偏差が2mSec毎に検出され、速度の偏差が200μSec
毎におよび電流（トルク）の偏差が60μSec毎に検出さ
れ、これらを最小とするべく制御用モータ30の電機子電
流がPWM制御されるのである。

以上のような各種プログラムによりコントローラ10と
して構成される疑似的な電子回路を、視覚的に示した図
が第６図である。上記各種プログラムの実行により、CP
U10aないし入出力ポート10dにより構成される論理回路
は、図示するように３重のフィードバックループを有す
るサーボ回路を構成している。

簡単に説明すると、このサーボ系に指令を与える指令
部40aが、前述した制御手順を記憶しているROM10bの記
憶領域に相当する。この指令値を段階的に増幅する位置
アンプ40b、速度アンプ40cおよび電流アンプ40dの増幅
度（伝達関数）は、CPU10a内で実行される論理演算の際
の係数に相当し、位置アンプ40bの増幅度は前述ステッ
プ120の係数AXに、速度アンプ40cの増幅度は前述ステッ
プ230の係数AVに、電流アンプ40dの増幅度は前述ステッ
プ320の係数ATに相当する。また、このサーボ系の帰還
情報は、前述したごとく電流検出コイル22、23およびエ
ンコーダ26の検出出力であるが、電流検出コイル22、24
の検出出力はアナログ出力であるためA/D変換器40eによ
りディジタル情報に変換された後に、所定のフィードバ
ックゲインβ３を経て電流アンプ40dの入力に帰還され
る。またエンコーダ26の検出出力はディジタル信号であ
るため、直接フィードバックゲインβ１を経て位置アン
プ40bの入力に帰還され、また微分因子ｓおよびフィー
ドバックゲインβ２を経て速度アップ40cの入力に帰還
される。

以上が論理回路により構成しているサーボ系の説明で
あが、更に本実施例の制御用モータのコントローラ10に
は、上記構成に加えて次のような制御状態記憶部40fが
疑似的に構成されている。

制御状態記憶部40fとは、第６図に示す疑似的なサー
ボ系において各構成機器がどの様に作動したかを記録す
るものであり、順次出力される制御データDn、エンコー
ダ26の検出出力である制御用モータ20の現在の回転位置
Xn、その回転位置Xnを微分した値である回転速度Vn、電
流検出コイル22、24の検出出力をA/D変換した値である
電流（トルク）値Tn、最終的にPWM回路10eに出力する制
御信号OTの５つのデータを、それぞれ所定時間毎に検出
し、記憶するのである。

この様な機能の制御状態記憶部40fをCPU10aを中心と
した論理回路により実現するため、ROM10bには上記各種
プログラムに加えて第７図にそのローチャートを示す定
期割込みルーチンをプログラムが記憶されている。

この定期割込みルーチンは、上記各種プログラムの実
行による制御用モータ20の制御開始に同期して処理を開
始され、その後、予め設定された所定経過時間毎にCPU1
0aにより繰り返し処理されるものである。すなわち、制
御用モータ20の制御が開始されると直ちに現在の経過時
間に対応した制御データDnの読み込み、記憶を行い（ス
テップ400）、続いて電流検出コイル22、245およびエン
コーダ26の検出結果を入力して、現在の制御用モータ20
の駆動状態、すなわち回転位置Xn、回転速度Vn、電流
（トルク）値Tnを算出し、記憶する（ステップ410）。
また、コントローラ10の作動状況を検出するため、上記
処理の後には最終的にPWM回路10eに出力される制御信号
OTnを読み出し、記憶して（ステップ420）、本ルーチン
１回の処理を終了する。すなわち、定期割込みルーチン
を実行する度に、コントローラ10により構成されるサー
ボ系から制御用モータ20に出力される制御信号OTnおよ
び制御用モータ20の駆動状況が刻々と記憶され、記録さ
れることになる。

以上のように構成される本実施例の制御用モータのコ
ントローラ10によれば、次のような効果が明らかであ
る。。

例えば、制御用モータ20の回転により図面左右方向に
移動するテーブル30が、異物に当接するなどしてその移
動を阻止されたときなど、制御用モータ20の回転ムラが
発生し、これを抑制すべく制御信号OTnが大きくなり、
制御用モータ20の入力も大きくなる。従来のコントロー
ラはこの様な場合、単に制御用モータ20の電機子巻線を
保護し、サーボシステムの異常を報知するために異常報
知を実行するのみである。

しかし、本実施例の制御用モータのコントローラ10に
よれば、異常発生による制御信号OTn、回転位置Xnなど
の変化の過程が総てRAM10cの所定領域に記憶されている
ため、これらのデータを解析することで異常の発生状
態、発生場所などが判明し、異常の発生原因を簡単に究
明することができる。従って、その異常の原因を迅速に
取り去り、復旧を早期に完了することができる。

また、制御用モータ20の駆動状態は、その電機子電流
によって検定されるものであり、電流検出コイル22、24
を用いてこの電機子電流を検出しているため、極めて高
い応答性で制御用モータ20の駆動状態を検出し、かつ高
精度に異常の解析を行うことができる。

更に、制御用モータ20に異常が発生していない場合に
あっても、制御用モータ20の駆動状態が逐次記憶されて
いるため、この情報に基づき、一連の制御用モータ20の
駆動において余力の大きな工程をより高速化するなど、
高効率使用のために制御データＤを変更する際の重要な
情報を得ることができる。

なお上記実施例では、電機子電流を含めて各種のデー
タを逐次記憶して異常解析の際の利用に供しているが、
何らこの様な構成に限定されるものではなく、RAM10cの
記億容量およびCPU10aの演算能力などを考慮して、記憶
する情報をより限定してもよい。

また、実施例では第２図に示す用にCPU10aを中心とし
た論理回路および第３図ないし第５図の各種プログラム
により、第６図に示す疑似的なフィードバック制御系を
構成している。しかし、この様な論理回路によりコント
ローラ10を構成する実施例に何ら限定されず、直接第６
図に示すような電気回路をハード的に構成するなど、本
発明の要旨を逸脱しない種々なる態様により具現化して
もよい。

発明の効果 以上実施例を挙げて詳述したように本発明の制御用モ
ータのコントローラは、制御用モータの回転位置を少な
くとも含んだ制御用モータの出力と、該出力を得る際に
入力された指令値である制御データとを対応させ、これ
ら対応させた両者の履歴を記憶する制御状態記憶手段を
備え、制御用モータを含めた制御系の駆動条状況を記録
する機能を有する。

従って、制御用モータなどに何らかの不具合が発生し
たとき、その駆動状況を解析することで異常の原因を簡
単に究明することができる。特に制御状態記憶手段によ
り記憶される制御用モータの出力には、少なくとも制御
用モータの回転位置が含まれているので、制御用モータ
が制御対象の移動駆動に用いられている場合等では、異
常の原因究明において重要な情報となる異常の発生場所
を正確かつ簡単に見つけることができる。このため、異
常への対応を速やかに行うことができ、復旧を迅速に行
うことができる優れた制御用モータのコントローラとな
る。また、単に異常解析にとどまらず、制御用モータの
駆動状況を分析することで、より高効率に制御用モータ
を制御するための貴重な情報を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御用モータのコントローラの基本的
構成を示す基本構成図、第２図は実施例の制御用モータ
のコントローラの概略構成図、第３図、第４図および第
５図は同実施例のコントローラにて処理されるプログラ
ムのフローチャート、第６図はそのプラグラムの実行に
より作動するコントローラの疑似的な電気回路のブロッ
ク図、第７図は同実施例のコントローラにて処理される
定期割込みルーチンのフローチャート、を示している。 MK……制御状態記憶手段、10……コントローラ 10a……CPU、10b……ROM 10c……RAM、10d……入出力ポート 10f……パワーアンプ、10g……プリドライバー 10e……PWM回路、20……制御用モータ 22、24……電流検出コイル、26……エンコーダ 30……テーブル、32……ポールネジ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02P 5/00 - 5/52 H02P 7/00 - 7/80 G05B 9/00 - 9/05 G05B 23/00 - 23/02 301

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】制御対象をどのように移動させるべきかを
   指示する制御データによって表された制御手順に従っ
   て、前記制御対象の駆動に用いる制御用モータの入力を
   調節することにより、該制御用モータの出力を制御する
   制御用モータのコントローラにおいて、 前記制御用モータの回転位置を少なくとも含んだ該制御
   用モータの出力と、該出力を得る際に入力された指令値
   である前記制御データとを対応させ、これら対応させた
   両者の履歴を記憶する制御状態記憶手段を備えることを
   特徴とする制御用モータのコントローラ。