JPH0682303B2 - 移動速度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はモータ等により物体を所定位置まで移動させる
場合の移動速度の制御装置に関する。

（従来の技術） モータ等の速度制御は、下記の速度制御曲線によると、
振動が少なく、しかも短時間で移動を完了出来ることが
知られている。

第２図（イ）は上述の速度制御曲線であり、（ロ）は加
速度ａを示し、（ハ）は加速度ａの微分値ｊ（以下ジヤ
ークｊとする）を示す。この速度制御曲線は図の様に、
加速領域ｐ、定速領域ｃ及び減速領域ｍに分けられ、そ
れぞれに所要時間T_p、T_c及びT_mが振り当てられている。
又加速領域ｐ及び減速領域ｍは、それぞれτ_p1，τ_p2，
τ_p3（τ_p1＋τ_p2＋τ_p3＝１）及びτ_m1，τ_m2，τ
_m3（τ_m1＋τ_m2＋τ_m3＝１）の比率で３つの区間に分け
ることが出来る。なお添字ｐ及びｍを省略して、τ
_i（ｉ＝1,2,3）と表すことがある。制御目標速度ｖ、移
動距離ｓ、加速度ａ及びジヤークｊについても、上記各
区間のいずれにおける値であるかを示す方がわかりやす
い場合は、v_i、s_i、、a_i及びj_i（ｉ＝1,2,3）の様に添
字をつける。又、速度v_i及び移動距離s_iの最大値をそれ
ぞれ区間到達速度V_i（ｉ＝1,2,3）及び区間到達距離S_i
（ｉ＝1,2,3）とし、各区間の経過時間をt_i（ｉ＝1,2,
3）とする。又加速度ａの最大値を最大加速度Ａとす
る。なお通算経過時間ｔは、加速領域ｐについては始点
p₀からの値とし、減速領域ｍについては終点m₀からの値
とする。すると第２図の速度制御曲線は、周知の様に下
式の様に表せる。なお以下の各式は加速側及び減速側の
いずれにも適用出来るので通常は区別しないで表すが、
区別を要する場合は、加速側にｐ減速側にｍの添字をつ
けて表す。

ｉ）０≦ｔ≦τ₁T，（t₁＝ｔ）の場合 V₁＝v₁（τ₁T），S₁＝s₁（τ₁T） （５） ii）τ₁T＜ｔ≦（τ₁＋τ₂）T,（t₂＝ｔ−τ₁T）の場合 j₂(t₂)＝０ （６） a₂(t₂)＝Ａ （７） v₂(t₂)＝A_t2＋V₁ （８） iii）（τ₁＋τ₂）Ｔ＜ｔ≦T,（t₃＝ｔ（τ₁＋τ₂）
Ｔ）の場合 V_p3＝V_m3＝v₃（τ₃T），S₃＝s₃（τ₃T） （15） iv）Ｔ≦ｔ≦Ｔ＋T_cの場合 ｊ＝０ （16） ａ＝０ （17） ｖ＝V_max （18） ｓ＝S₃＋V_max(t-T) （19） 従つて上述の各式により、移動距離ｓに対する移動速度
ｖを求め、これに比例した駆動出力を発生すると共に、
現在速度を検知しつつこれをフイードバツクして、常に
上述の制御曲線にそつた制御を行えばよい。この場合、
使用目的あるいは駆動条件等により、上述の各式におけ
るパラメータをその都度変更し、最も適合する速度制御
曲線を算出して制御を行いたい場合が多い。しかるに、
この様な計算は極めて複雑である為、実用上は不可能に
近かつた。

（目的） 本発明はこの様な欠点を改良する為になされたものであ
る。

（発明の概要） 以上の目的を達成する為、本発明においては前述の速度
制御曲線を無次元化・正規化した用いることにより、動
作条件で異なることのない共通事項をとりだして、あら
かじめ算出し、これを記憶しておくことにより、制御目
標速度の算出を容易にしたものである。

（動作原理） 今前述の（ｉ）（ii）（iii）の場合の各式の速度ｖ及
び距離ｓを無次元正規化する為 とおく。ここで とすると関数f_iは と表わせる。又g_iは と表せる。又V_iS_iについても、 と表せる。ただし とする。

まず（21）式（22）式からv_iを求めると、 ただしF_i＝f_i(g_i ^-1) となり、到達速度V_i，到達距離S_i及び関数F_iがあらかじ
め分つていれば、移動距離s_iに対する制御目標速度v_iを
求めることが出来る。従つて駆動すべきモータの実際の
速度をフイードバツクして、正確な速度制御をすること
が出来る。この為には、F_iの値をあらかじめ知つておく
必要がある。第３図はf_i及びg_iテーブルからF_iテーブル
を作成する過程を示すものである。

図中f_iテーブルは、（24）（25）及び（26）式を用い
て、 までの256ケのζの値に対するf_iの値を15bitの分解能を
もつたデイジタルデータとして求め記憶したものであ
る。次にg_iテーブルは、まず１組のτ_iを定め、このτ_i
に対して（27）（28）及び（29）式を用い、上述のf_iの
場合と同じく、256ケのζに対するg_iの値を15bitの分解
能をもつたデイジタルデータとして求め、記憶したもの
である。従つてτ_iが異なればg_iテーブルも異なつたも
のとなる。

こうして求められたf_iテーブル及びg_iテーブルから、F_i
＝f_i(g_i ^-1)、即ちg_iの種々なる値に対して、これらg_iを
与えるζに対応するf_iの値を示すF_iテーブルを、第３図
の様な操作により求めることが出来る。

即ち、まず第３図（イ）のg_iテーブルから、 （ｎ＝1,2,……256）に対応するζの真の値に最も近い
２つの値 （ｍ＝1,2,……256）をさがし、この近似値に対する とを求める。次にこの２つの近似値 に対応する を第３図（ロ）のf_iテーブルから求める。これらの値か
らζの真の値に対するf_i（ζ）の値を下記の様な直線近
似式により求めることが出来る。

こうして に対するf_iの値を15bitの分解能で求めることが出来
る。次にｎのすべての値に対してg_iとf_iの値を求めるこ
とにより、第３図（ハ）の様にF_iテーブルを得ることが
出来る。

こうして求めたF_iテーブルを用いて（38）式により、各
距離s_iに対するモータ速度v_iを求めることが出来る。従
つて物体の移動速度を制御するには、時々刻々の移動距
離s_iを測定しつつ、このs_iに対する制御目標速度v_iを求
め、実際の物体移動速度がこの速度v_iと一致する様フイ
ードバツク制御すればよい。

以上の様な速度制御を行う場合、速度ｖ及び加速度ａの
最大値V₃及びＡは、周囲の状況、あるいは駆動源の能力
等を考慮して定めた最大値の範囲内とし、出来るだけ速
く安全に目標までの移動を行う必要がある。この為種々
の具体的制御方式が考えられるが、いずれにしても、速
度制御を行うには、まず各区間における到達速度V_i及び
到達距離S_iを知る必要がある。この為には前述の（30）
式及び（31）式にある様に区間比率τ_i、最大加速度
Ａ、所要時間Ｔをあらかじめ知らなければならない。

まず区間比率τ_iについては使用するモータ等の駆動
源、あるいは動力伝達機構等の性質に応じて個々に定め
る必要がある。次に、最大加速度Ａについては、これを
許容出来る最大の値に固定し、所要時間ＴはこのＡに基
づいて定めてもよい。この場合所要時間Ｔは短く出来、
素早く移動が行われ都合がよいのであるが、短距離の移
動の場合は、加速度の変化率ｊが大きくなりすぎる為、
移動の際の振動，衝撃が大きくなるという短所も生ず
る。又所要時間Ｔを固定にして最大加速度ＡをこのＴに
基づいて定めてもよい。ただしこの場合は、移動距離の
大小にかかわらず加減速期間P,mにおける所要時間が一
定であるから、短距離の移動のさい不利である。

後述の実施例ではこれらの点をも改善する為 を一定となる様に制御を行う様にしたので、以下まず後
述の実施例についてその動作原理の説明を行う。

まず について考えるに、ジヤークｊの最大値は（１）式より
ｔ＝０のとき生じるのでj_Oと表し、又（11）式より最小
値はｔ＝Ｔ（即ちt₃＝τ₃T）のとき生じるのでj_Tと表す
と、 となるから、上述の様に を一定とすることにより、j_O及びj_Tを一定とすることが
出来る。

とおくと、（30）式を用いて定数Ｊは と書ける。

ところで、後述の実施例では、毎回の演算量をへらす為
に、まず当面の使用目的の範囲内で考えられる速度及び
加速度の最大値をあらかじめ定めて、これを絶対最大速
度V_MAX，及び絶対最大加速度A_MAXとし、さらに区間比率
τ_iについてもあらかじめ定め、これらの値からあらか
じめ種々のパラメータを算出しておく。次に実際の使用
目的に応じて、移動を行う毎に移動距離Ｓ及び周囲状況
に応じて速度V_max（≦V_MAX）を毎回指定して必要な演算
を行つている。

そこで、上述の定数Ｊについても、（43）式を、 と変形してあらかじめ求める様にした。従つて上述の絶
対最大加速度A_MAX，絶対最大速度V_MAX及び区間比率τ_i
を定めるさいには、（44）式で定数Ｊを用いて（41）式
で算出したジヤークj_O及びj_Tが、駆動機構あるいは被駆
動体等の条件に応じて定まる最大値をこえない様に考慮
する必要がある。

こうして、 を適当な値に固定することにより、j_O及びj_Tは問題を生
じない範囲で出来るだけ大きな値に固定することが出来
る。又上述の様に毎回指定する移動距離Ｓ及び最大加速
度V_max（≦V_MAX）に基づいて比較的自由に所要時間Ｔ及
び最大加速度Ａを最適な値に設定することが出来る。

次に上記の定数Ｊを用いると（30）（31）式により、 又（15）式と（45）式から V₃＝D_p3J_pT_p ²＝D_m3J_mT_m ² （47） となる。

ここで、（45）、（46）式におけるＴ（T_p，T_m）がわか
ると、V_i及びS_iが定まり、（38）式を決定出来るので、
以下Ｔを求めることにする。

今定速領域をもたない場合について考えてみる。この場
合はＳ＝S_p3＋S_m3であるから（46）式により 従つて この結果を（47）式に代入すると ここで である。従つて （ｉ）今、（51）又は（52）式と（47）式とから得られ
るV₃がV₃＜V_MAXであればＴ及びT_mはそれぞれ（51）及び
（52）式で与えられ、この場合、定速領域をもつ必要は
ない。

（ii）次に上述の如くして与えられる計算上のV₃がV₃≧
V_maxである場合、実際の速度V₃はV_maxを越えてはならな
いのでV₃＝V_maxとしなくてはならない。そこで、定速領
域を付加することにより移動距離の不足を補う必要があ
る。従つて、この場合、（47）式のV₃をV_maxとするの
で、（47）式より こうして式（51），（52）又は（54），（55）により求
めた時間T_p，T_mにより、V_pi，V_mi，S_pi及びS_miが（4
5），（46）式より算出されるので、（38）式より速度
ｖと距離ｓの関係が定まり、速度制御を行うことが出来
る。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例である。図において、初期定
数入力部１からのデータは初期演算部２に加えられ、そ
の演算結果は、位置決め指令量入力部３からのデータと
共に区間到達値演算部４に加えられる。区間到達値演算
部４の演算結果は領域判定部６からのデータと共に速度
演算部５に加えられる。速度演算部５の出力は差動増幅
器８を介してモータ７に加えられる。モータ７には、速
度を検出するタコジエネレータ９と、モータ７の１回転
毎にパルスを発生するモータエンコーダ10が設けられて
いる。タコジエネレータ９の出力は差動増幅器８に加え
られる。モータエンコーダ10の出力は領域判定部６に加
えられる。

以上の構成による動作を説明する。初期定数入力部１で
区間比率τ_i、絶対最大加速度A_MAX及び絶対最大速度V
_MAXが設定される。

初期演算部２のf_iテーブル演算部27では、（24）（25）
及び（26）式からf_iテーブルが作られる。又定数演算部
21及び22では、設定された区間比率τ_iを、前式（32）
〜（34）及び（35）〜（37）に代入して定数D_i及びE_iを
求め、さらにテーブル演算部26で（27）〜（29）式を用
いてg_iテーブルを作る。又定数演算部23では定数D_i，絶
対最大加速度A_MAXと絶対最大速度V_MAXから（44）式より
定数Ｊが求められる。定数演算部24及び25では、定数J,
D_i及びE_iからそれぞれ（49）式及び（50）式により定数
Ｋ及びγが求められる。一方テーブル演算部28では、g_i
テーブル及びf_iテーブルからF_iテーブルが作られる。

こうして得られたk,γ，D_i，E_i及びＪは、区間到達値演
算部４の所要時間演算部41で、位置決め指令量入力部３
からの移動目標距離Ｓ及び最大速度V_maxを用いて、（5
1）及び（52）式による演算と、（54）及び（55）式に
よる演算とがなされ、所要時間Ｔ（加速所要時間T_p又は
減速所要時間T_m）が算出される。このT,D_i及びＪから区
間到達速度V_iが求められ、T,E_i及びＪから区間到達距離
S_iが求められる。

一方領域判定部６ではブロツク61でエンコーダ10から得
られる現在移動距離ｓを用いて、まず目標位置から現在
位置までの距離s_m、即ち移動目標距離Ｓと現在移動距離
ｓとの差を求める。次に０≦ｓ≦S_p1，S_p1＜ｓ≦S_p2及
びS_p2＜ｓ≦S_p3の場合は、ブロツク62,63及び64で加速
領域Ｐのｉ＝1,i＝２及びｉ＝３であることが判定さ
れ、ｓ＞S_p3で且つs_m＞S_m3である場合は、ブロツク68で
定速領域ｃであると判定され、０≦s_m≦S_m1，S_m1＜s_m≦
S_m2及びS_m2＜s_m≦S_m3の場合は、ブロツク65,66及び67で
それぞれ減速領域ｍのｉ＝1,i＝２及びｉ＝３であるこ
とが判定され、それぞれ領域データP_i,c及びm_iを出力す
る。s_m＝０である場合は移動目標位置に到達したことが
判定され、周知のモータロツク回路11に伝達されてモー
タを停止させる。上述の領域判定データP_i，m_i及びｃ
は、データ選択器53及び54に加えられ、区間到達値演算
部４からの到達速度V_i及び到達距離S_iのうちから該当す
る区間のデータを選択して、それぞれ目標速度演算部51
及びg_i演算部52に加えられる。この様に選択された区間
到達距離S_iと、エンコーダ10からの移動距離ｓとを用い
て、g_i演算部52で（22）式の演算が行われ、g_iが求めら
れる。こうして求められたg_iの値は前記F_iテーブル28に
加えられ、対応する時々刻々のF_iデータがとり出され、
目標速度演算部51に加えられる。目標速度演算部51では
このF_iデータと、前述の如く選択されたV_iのデータを用
いて（38）式の演算を行い、制御目標速度ｖに応じた制
御電圧を発生し、差動増幅器８に加える。なお領域判定
データがｃである場合は定速領域であるから、制御目標
速度ｖは加速領域における最大値V₃がそのまま保持され
る。差動増幅器８ではタコジエネ９から与えられる現在
速度に応じた電圧と前記制御電圧とが比較され、その差
に応じたモータ駆動電流を発生し、モータ７の回転速度
が上記制御目標速度ｖとなる様に制御する。なお、以上
の各演算はマイクロコンピュータで容易に行える。

この様に通常の使用状態で最良と考えられる区間比率τ
_iと、これ以上大きくすべきでないと考えられる絶対最
大速度V_MAX及び絶対最大加速度A_MAXをまず与えて、これ
により、あらかじめ種々のパラメータを算出しておくの
で、通常の使用の度毎に与えるデータは目標距離と使用
状態に近い実用的な最大速度だけであるから、演算速度
が極めて速く、従つて又応答速度も速い。

（発明の効果） 以上の様に本発明によれば簡単なテーブルを記憶するこ
とにより、種々な条件下でそれぞれ最適な速度制御曲線
に基づいた速度制御を行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、第２図
（イ）（ロ）（ハ）は速度制御曲線の一例を示す線図、
第３図は本発明の原理説明に供する線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被駆動物体の駆動の為に、駆動速度、加速
   度、又はジャークの時間依存性を表すとともに、加速度
   増加区間、加速度一定区間及び加速度減少区間を一連に
   設けた速度制御曲線により上記被駆動物体の駆動速度を
   制御する様にした速度制御装置において、上記駆動速度
   をｖ、駆動量をｓとし、上記各区間の駆動速度の最大値
   をV₁、V₂及びV₃とし、上記各区間の駆動量の到達値を
   S₁、S₂及びS₃とし、駆動速度及び駆動量の初期値V₀及び
   S₀を０とし、上記全区間の所要時間をＴ及び各区間の所
   要時間をτ₁T、τ₂T及びτ₃T（τ₁＋τ₂＋τ₃＝１）と
   し、各区間内での経過時間ｔをt/τ_iTにより無次元化及
   び正規化した変数をζとし、上記速度制御曲線から無次
   元化及び正規化して得られる駆動速度を表すζの関数f_i
   （ζ）、及び駆動量を表すζの関数g_i（ζ）を、 としたとき となるF_iの値をg_iの様々なる値に対して算出したF_iテー
   ブルを記憶する手段と、駆動量ｓを検出する手段と、該
   駆動量ｓに応じて前記関数g_iの値を算出する手段と、該
   算出値g_iに対応するF_iの値を前記F_iテーブルから読み出
   す手段と、この読み出されたF_iを用いて、 なる演算をして上記駆動量ｓに対応する速度ｖを算出す
   る手段と、該速度ｖに応じて前記被駆動物体を駆動する
   手段とを有することを特徴とする移動速度制御装置。