JPS61143821A - サ−ボ制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ア）技術分野 モータ等を駆動してロボットアームや工作Ｊａ賊の位置
ぎめ制御を行う自動制御技術の一形思としてサーボ制御
がある。

本発明はサーボ制御方式の改良に関する。

サーボ制御に於ては、動作させている物体、たとえばロ
ボットアームや工作機械の現在の位置を、なんらかの方
法で検出し、目標位置との差（偏差とよばれる）に比例
した量でモータの駆動力を制御する。

（イ）従来技術とその間質点 一般的に用いられる動力源であるモータを例にとってサ
ーボ制御を説明する。

現在のモータ軸の回転位置をθとする。これは変数であ
る。目標とする回転位置をθ工とする。比例定数をＫｆ
とする。最も簡単なおＪ御系では、モータに与える電流
値Ｉを次のように決める。

１＝Ｋｒ　（θコーグ）（１） このモータは正負２方向に回転することができ、方向の
切換えは、電流の方向の切換えによって行われ、かつ駆
動力は電流に比例するものとする。

電流工は、偏差（θコーグ）を小さくする方向へ流し、
かつ偏差に比例する大きさの電流を流す。このため、θ
は目標値へ近づいてゆく。

しかし、（１）式は、θの変化の割合、すなわち速度が
考慮されていない。モータの回転子や、減速器、負荷て
は慣性があるので、（１）式だけでは、θは目漂値θエ
ヘ迅速に近付くことができない。θ工ののまわりで振動
することになる。

ｄθ これを避けるため、現在の回転速度−の項をｔ 加え、補償するのが一般的である。

速度方間と反対側に力を加えて制５Ｊ彷果を与えるのが
、速度項を附加する目的である。従って、モータ電流Ｉ
は 江よって与えることとする。＜２）式は現在量もよく行
われている、サーボ制御の制御式である。

回転角度θの位置検出方式として、例えばポテンシオメ
ータの回転を利用する。回転速度（ｄθ／ｄｔ）はタコ
ジェネレータで検出できる。これらの検出値をもとにし
て、演算増幅器の組合せにより、（２）式の電流に対応
するモーフ電圧を作り出すことができる。このような電
圧をかけると、（２）式のようなモータ電流が流れる。

そして、回転角度θは、目標位置θ工に接近してゆく。

集積回路作製技術の進歩により、マイクロプロセッサが
安価に入手できるようになってきた。このため（２）式
で表わされる制御をマイクロプロセッサで計算゛させる
サーボ制御系が増えてきている。

ソフトフェアサーボと呼ぶ。

ソフトフェアサーボの場合、（２）式で示す基本形の池
に、重力その他の外力や慣性力に対する補償を加えるこ
とが、ソフトフェアの変更によって容易に行われる。こ
のため、さらに精度の良い制御を行うことができる。

ソフトフェアサーボの長所は、もうひとつある。

それは角度位置θの検出をデジタル処理できる、という
事である。従来の演算増幅器を用いるアナログ処理の場
合は、角度検出もアナログ的に行わなければならず、こ
のためポテンシオメータなどを使っていた。しかし、ソ
フトフェアサーボの場合、角度位置θそのものがデジタ
ル値をとるので、ロータリーエンコーダに代表される。

パルス型の回転量検出器を使用することができるように
なる。

これによって、θの検出という観測系の面でも精度を高
めることができる。

また、パルス信号であるために、基本的にノイズに強く
、誤動作が少ない。

このように、ソフトフェアサーボは （１）マイクロプロセッサが安価になったことから、゛
システム全体を安価に構成でき、 （２）　　ソフトフェアを工夫することにより、重力、
慣性力などの補正項を添加するのが容易であること、 （３）角度位置θを精度良く測定できノイズに強く誤動
作が少ないなど優れた特徴がある。

従来のサーボ制御系では、タコジェネレータなどの速度
検出器を位置検出器と全く独立に設け、速度と、位置の
両方を測定していた。

ソフトフェアサーボの場合、メモリを使えるから、速度
検出器を用いず、位置検出器の測定値を時間微分して速
度を計算する、というようにすることが多い。

一定時間（サンプリング時間という）Δｔごとに、角度
位置θを検出する。これは、ロークリエンコーグのパル
ス数を積算することによって求められる。この場合、速
度として、現在の位置θ（１）と、メモリに記憶させで
ある１回前のサンプリング時の位置の値θ（ｔ−Δｔ）
の差を用いる。

これにより、差分方程式が得られる。

速度をθの差分として求める方法は、マイクロプロセッ
サによるサーボ制御に向いているし、速度が大きい場合
、つまシ、θの変化の著しい場合は精度も良い。反面、
速度の遅い場合には精度が悪くなる傾向がある。

速度が小さい時、（３）式の分母、分子ともに小さい値
になる。Δｔはもともと、サンプリング時間であるから
小さい時間である。θはロークリエンコーダで測定する
ので、最小の大きさというものが決まっておシ、これを
１単位として、θを測定してゆく。１単位ごとにローク
リエンコーダはパルスを生ずる。単位よシ短い角度変位
は測定できない。

速度が極めて遅い場合、（３）の分子が１単位程度にな
ったシ、１単位以下になったりする。そうすると、（３
）式の近似は極めて悪いものになってしまう。

ロボット等の制御機器においては、高速動作とともに、
低速、高精度の動作も要求される。低速動作時において
も、充分精度の良い速度検出方式％式％ 速度が遅いのは、目標位置θ工に、現在の位置θが充分
近いからである。この場合、できるだけ早く、θがθ工
に収束しなければならない。速度が低下すると、Δを時
間内に、θの１単位以上動かないようになる。この時、
（２）式に於て、速度積がＯになシ、消えてしまう。こ
れが消えると、グンピングカがなくなるので、単振動に
なる。つまり、θはθ工のまわりをゆっくり振動し、θ
工に収束できないことになる。

サンプリング時間Δｔを大きくすればよいようにみえる
。しかし、こうすると高速動作の時の動作が不安定にな
ってしまう。サンプリング時間は短い方がよいのである
。

（り）目　的 本発明はソフトクエアサーポ方式による自動制御の改良
に関するが、その目的は、低速動作時においても十分精
度の良い速度検出を行ない、低速動作時のサーボ制御性
能の向上を図ることである。

（１）発明の構成 従来のソフトフェアサーボは、角度位置θの測定値から
微分を求めるため、サンプリング時間Δｔを分母にし、
分子にはΔを内に於けるθの変化を代入していた。この
ため、遅い速度の場合に、速度の計算値が不正確になっ
たわけである。

本発明は、そうではなく、角度位置θの最小の変化単位
Δθを考え、θがΔθだけ変化するのに必要な時間ΔＴ
を測定する。

のように近似するが、Δθが一定であってΔＴを測定す
るのである。従来の方法のようにΔｔが一定で、Δθを
求めるものとは異なる。

速度が遅い時、（４）式の分母、分子は（３）式の分母
、分子よシずりと大きな値となる。また、従来の方式で
は、速度は差分として求められた、りまり差演算により
求められたが、本発明では、速度は、除算によって求め
られることになる。

ｉ　化単位Δθは、ロークリエンコーダのパルス１個分
の角度変化εの数個分（ｍ個）として表わされる。

Δθ＝ｍε　　　　　　　　　　（５）であり、εは一
定で、ｍは定数である。Δθは定数である。

ロータリーエンコーダがｍ個のパルスを生ｆる時間ΔＴ
を測定する。このためには、基準局を改の発振器から得
られるクロックパルスを社歌することによって測定子る
。タロツクパルスの周波数をｆとすると、ロータリーエ
ンコーダがｍ個のパルスを生ずる（Δθの変化を生ずる
）時間内にＸのクロックパルスをカクントしたとすると
、ΔＴ　＝　−（６） である。

ΔＴが変数であるから、（２）式のかわりに、モータ電
流Ｉは に＝ＫＹΔθ　　　　　　　　　（８）となる。速度係
＆には、変化単位Δθを含む値となる。低速でθが変化
している場合、ΔＴが長くなる。

分子が一定で、分母が大きくなるのであるから、除算の
結果は、精度の高いものとなる。

（５）、（６）より となる３ｍ、　ｆ’、　ｔは定数、Ｘが測定すべき数値
（整＆）である。

第１図は本発明のサーボ制御方式に於て用いられる、デ
ジタル回路で構成する速度検出回路のブロック図である
。

モータ１は、適当な減速機を介して、ロボットアームや
工作機械の回転軸につン’ｌがっており、これらの負荷
を駆動するものである。

モータ１には、直接に、或は増速機、減速機などを介し
て、ロータリーエンコンブ２が連結されている。ロータ
リーエンコーダはモータの回転変位をパルス列によって
出力する。モータの回転が、最小単位εだけ進むごとに
、ひとつのパルスを生ずる。実際には、正負の回転方向
も検出する必要があるから、２つの１／４位相だけずれ
たパルス列を発生するようになっている。ｍパルスが生
じた時、モータの回転変位Δθは（５）式によって表わ
される。

ロータリーエンコーダ２のパルス列は、波形整形回転方
向判別回路３によって、εごとに１パルスが対応するき
れいなパルス列９になり、しかも回転方向（右まわり、
左まわり）が判別される。

第１図に示す回路は、２つの計数回路を含んでいる。第
１の計数回路は、モータの回転変位がΔθになるまで回
転変位の代数和を検出するものである。代数和というの
は、回転方向も含めて、ということである。これはカク
ンク４、カクント数判別回ｉ、８５よシなる。

第２の計数回路は、基準局ｉ敗（周波＆ｆ）のパルス数
を計数するものである。第１の計数回路によって、モー
タの回＠変位がΔθに達したことが分る。回転変位が０
からΔθに達するまでの時間ΔＴだけ、タロツクパルス
を計数し、この時間ΔＴを求める。

カクンタ４は、パルス列９をカウントする。カクン）＆
判別回路５は、カクント敗が予め定められた［ｍに達し
たかどうかを判別する。ｍは（５）式によって与えられ
る数で、ｍ個のパルスを生じたということは、モータが
Δθだけ回転したという事を意味する。この時、リセッ
ト信号１１が生じ、カクンタ４はリセットされる。

基準周波数発振器６は、時間ΔＴを測定するための基準
のクロックパルスを生ずる。カクンタ７は計時用クロッ
クパルスを計数する。クロックパルスの繰返し周？：＆
、数をｆとする。

カクンタ７はカクント敗判別回路５から、スタート信号
を入力した時に計数を始め、ストップ信号を入力した時
に計数を中止する。カクント数判別回路５は、カクンク
４がロータリーエンコーダのパルスを計数しはじめた時
にスタート信号を発生し、カクンタ４がｍ番目のパルス
を計数した時にストップ信号を発生する。つまり、モー
タ変位がΔθになる間だけ、カクンタ７ｆｉ、計時用ク
ロックパルスを生じる。

ストップ信号が発せられた瞬間のカクンタ７の値がＸで
あったとする。

次いで、カクント敗判別回路５がクリア信号を発生し、
カクンク７へ入力する。この信号によってカクンタのカ
クント値がレジスタ８に入力され記憶される。つまり、
レジスタはＸを記憶する。

この値Ｘはレジスタからマイクロプロセッサへ入力され
る。ｍ、　ｆ’、εが既知であるのでＸから（９）式に
より速度を求めることができる。マイクロプロセッサは
（９）式、（２）式又は（７）式から、モータ電流Ｉを
計算する。このモータ電流ｌは、適当なモータ制御回路
によって発生させることができる。

ヤイクロプロセッサが（２Ｌ　（７）式から、モータ電
流を計算するためては、現在の回転位置θも必要である
。これは、カクンク４とは別のカクンタでパルス９をカ
クントすることによって求められる。

このカクンタは第１図では図示を省略している。

このカクンタは、アップグクンカクンタであって、波形
整形回転方向判別回路３の回転方向信８１０により、ア
ンプカクントと、ダクンカクントを切換える。

回転方向信号１０は、カクンタ４にも与えられる。右ま
わシを例えば正にとる。カクンタ４はアップグクンカク
ンタであって、回転方向信号１０が右まわり信号（＋１
）であれば、アップカクントし、左まわシ信号（−１）
であればグクンカクントする。アップ方向にｍｌ又はグ
クン方向に−ｍだけカクント数が進んだ時にカクント敗
判別回路５がストップ信号を発する。

クリア信号は、カクンタ７の値Ｘをレジスタ８に移すと
ともにカクンタ７をクリアするものである。ストップと
クリアとを同時に行ってもよい。

プログラマプルアソプグクンカクンタを用いれば・カク
ンタ４とカクント飲判別回路５とはひとつの素子にまと
めることができる。ストップ信号とともに、カクンタ４
の正負信号も、カクンタγに出力するようにすれば、ｍ
の正負がレジスタ８に記憶される。これによって（ｄθ
／ｄｔ）の正負も分ることになる。

カクンタ７に続いて設けられたカクント数判別回路１３
−は、速度がＯであるか、そうでないかを判別するもの
である。

モータの回転が停止している時、又は非常に遅い時、モ
ータの変位がΔθになるまでには、長い時間がかかる。

このため、ストップ信号が発生せず、カクンタ７はカク
ントを進めるが、レジスタ８にはデータが書きこまれな
い、という事態が生ずる。

そこで、予め十分大きな数Ｘを定めておき、ＸがＸを超
えた時、レジスタ８に速度値０を書き込むものである。

０の近くで、速度の測定精度は、最大誤差、【てよって
評価することができる。

（オ）効　果 （１）モータの回転が非常に遅い時であっても、精度の
高い速度（ｄθ／ｄｔ）の計算ができる。

（２）モータ回転が速い時は、Δθの回転変位の起こる
時間ΔＴが短いから、ΔＴの測定について誤差が発生す
る。しかし、モータ回転の速い時は、θが目標値θ工か
ら大きく離れている時であって、サーボ制御系が動きは
じめた最初の短い時期である。この場合、抵抗の項より
も、（θニーθ）の項の大きさのほうがはるかに大きい
わけであるから、抵抗項の誤差があってもさしつかえは
ない。

（３）従来のサーボ制御に於て、低速時の速度（ｄθ／
ｄｔ　）の精度は、（３）式から Ｅ　２＝　−（ＩＩ） Δｔ である。ξはロータリーエンコーダの１パルスに対応す
る角度変位である。本発明の場合、αＱによって最大誤
差が与えられる。ｆΔｔを大きくすれば、つまり、基準
局？ｔＬ数発振器６のタロツクパルスを速くすれば、本
発明の最大誤差は、従来のものの最大誤差より著しく小
さくすることができる。

（４）　　速度０と、０より次に大きい速度の差が小さ
い。本発明では、ストップ信号が発せられない内に、ク
ロックパルス欽がＸを超えた場合、速度を０とする。デ
ィジタル処理であるから、速度が無限°小であることは
できない。しかし、本発明の場合、速度の最小値は である。従来例では 本発明の０４で示す速度の最小値は十分小さいので、目
標値θエヘ十分近くまで接近できる。

従って、目標値θエヘ近付く速度が速いし、しかも、θ
工のよシ近くに停止できる。精度の高い位置決めができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサーボ制御方式の速度検出回路のブロ
ック図。 １・・・・・・・・・・・・モ　−　タ２・・・・・・
・・・・・・ロータリーエンコーダ３・・・・・・・・
・・波形整形回転方向判別回路４　・・・・・・・・・
・・　カ　　り　　ン　　り５・・・・・・・・・・・
・カクン）＆判別回路６・・・・・・・・・・・・基準
周波数発振器７　・・・・・・・・・・・・　カ　　り
　　ン　　タ８・・・・・・・・・・・・レジスタ ９・・・・・・・・・・・・パルス列 １０・・・・・・・・・・・回転方向信号１１・・・・
・・・・・・・・リセット信号１３・・・・・・・・・
・・カクント欽判別回路発明者　　岡本賢司

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転体の目標角度位置をθ＿Ｉ、現在の角度位置
   をθ、現在の速度を（ｄθ／ｄｔ）とし、回転動力源に
   与える駆動力Ｉを少なくとも Ｋｆ｛（θ＿Ｉ−θ）−Ｋｖ（ｄθ／ｄｔ）｝を含む制
   御変数によつて与えることとし、現在の角度位置θはロ
   ータリーエンコーダによつて検出し、ある一定の変化単
   位Δθだけ回転体角度位置θが変化するのに要する時間
   ΔＴを測定する速度検出回路から、（Δθ／ΔＴ）の値
   を計算し、これを（ｄθ／ｄｔ）の計算値として、駆動
   力Ｉを算出することを特徴とするサーボ制御方式。
2. （２）速度検出回路が、ロータリーエンコーダのパルス
   列を回転方向を含めて計数する第１の計数回路と、基準
   周波数発振器で発生したパルス列を計数する第２の計数
   回路とよりなり、第１の計数回路のカウント数が予め定
   められた値まで達する間に、第２の計数回路が計数した
   カウント数ｘにより、時間ΔＴを求めるものである特許
   請求の範囲第（１）項記載のサーボ制御方式。