JP2006178832A - モータ駆動用パルス出力ｉｃ、および電子カム制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 電子カム制御において、ＣＰＵの負担を軽減すると共に、従節駆動用モータの応答性を向上させると共に、従節駆動用モータを動作させるために設けられていた、単に回転するだけの主軸駆動用モータやエンコーダを不要にする。

【解決手段】 モータ駆動用パルス出力ＩＣ２０、および電子カム制御システム１は、電子カムの形状データを記憶するカムデータ記憶部２４ａと、電子カムの主軸回転角度を管理する主軸情報管理部２４ｂと、カムデータ及び主軸情報をもとに、カム半径及びモータ目標位置の計算を行うカム半径・モータ目標位置計算部２４ｄと、従節駆動用モータ１０に対して、モータ目標位置まで動作させるためのモータ駆動用パルスを出力するモータ駆動用パルス出力部２４ｅとを備える電子カム従節制御回路１０を、仮想主軸のモータ駆動用パルス信号を主軸情報として取り込むことにより自律的に駆動制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入力データに応じたパターンのモータ駆動用パルスを出力するモータ駆動用パルス出力ＩＣに関し、詳しくは、電子カムの従節駆動用モータを自律的に駆動制御可能なモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システムに関する。

ステッピングモータやサーボモータに代表されるパルス信号で駆動制御されるモータ（以下、単にモータという。）の普及に伴い、その駆動パルスを発生させるモータ駆動用パルス出力ＩＣが種々提案されている。この種のモータ駆動用パルス出力ＩＣは、制御データ（動作コマンド、目標位置データ、動作速度データなど）の入力に応じて、所定パターンのモータ駆動用パルスを出力するように構成されるため、モータを容易に制御できる。

上記のモータ駆動用パルス出力ＩＣは、いわゆる電子カム制御システムにも適用することができる。電子カムとは、機械的なカム動作をモータの駆動制御によって再現するものであり、エンコーダ信号を取り込み、この信号に同期して予め設定されたカム形状のパルスを出力する機能を有し、そのカム形状はパソコン等で簡単に作成しカム形状データとして取り入れることができ、特に、与えられた速度指令にしたがって回転し、同時に変化回転量にも同期して多軸制御できることから工作機械分野で広く採用されている（例えば、特許文献１参照。）。以下、電子カムの概念について説明する。

図４の（Ａ）、（Ｂ）は、電子カムの概念を示す説明図である。図４の（Ａ）に示すように、機械カム１００は、主軸１０１、カム１０２及び従節１０３から構成されており、カム１０２は、回転運動を直線運動に変える一つの手段として、１サイクル中の所望の動作カーブ（変位曲線）に対応した形状で作成され、その周上に従節１０３をおき、カム１０２を回転させることで所望の直線運動を得ることによって、主軸１０１の回転を機械的に従節１０３の変位に変換するものである。一方、電子カムは、図４の（Ｂ）に示すように、主軸回転角度（例えばエンコーダ信号）に対する従節位置（従節駆動用モータのＡ〜Ｄの目標位置）をデータ（電子カム形状データ）として保持し、カム形状の制御対象となる従節駆動用モータを、任意の主軸回転角度に対して、その回転角度に対応する位置まで駆動制御することにより、機械カム１００と同等の従節動作を実現するものである。

図５は、従来のモータ駆動用パルス出力ＩＣを、特許文献１の主軸回転制御回路部に採用した工作機械に適用させた例を示している。この図に示される電子カム制御システム２００は、ＣＰＵ２０１や記憶部２０２を備える制御ユニット２０３と、ステッピングモータとしての主軸駆動用モータ２０４及び複数の従節駆動用モータ２０５と、主軸の回転角度を検出するエンコーダ２０６と、主軸駆動用モータ２０４や従節駆動用モータ２０５の駆動パルスを出力するモータ駆動用パルス出力ＩＣ２０７、２０８と、モータ駆動用パルス出力ＩＣ２０７、２０８の出力パルスに応じて主軸駆動用モータ２０４や従節駆動用モータ２０５を駆動させる駆動回路２０９とを備えて構成されている。

ＣＰＵ２０１は、まず、記憶部２０２に記憶される動作手順データをもとに、主軸駆動用の制御データをモータ駆動用パルス出力ＩＣ２０７に出力し、主軸駆動用モータ２０４を所定のパターンで駆動させる。主軸駆動用モータ２０４が駆動すると、主軸の回転角度がエンコーダ２０６により検出され、ＣＰＵ２０１にフィードバックされる。エンコーダ信号を入力したＣＰＵ２０１は、記憶部２０２に記憶されるカムデータを参照して、主軸回転角度に応じた各従節駆動用モータ２０５の目標位置を計算し、これをモータ駆動用パルス出力ＩＣ２０８にデータ出力する。これにより、従節駆動用モータ２０５は、主軸回転に同期しながら、所定のパターンで駆動し、所定のカム形状パターンで従節を変位させる。

しかしながら、上記のように構成された電子カム制御システム２００では、従節駆動用モータ２０５の目標位置を、ＣＰＵ２０１が計算し、このデータに基づいて各従節駆動用モータ２０５をソフトウエア制御しているため、ＣＰＵ２０１の負担が大きい。これは、制御対象の従節駆動用モータ２０５が多くなるほど顕著となり、ソフトウエア処理時間の遅れ等により同期制御処理が遅延するなどの問題を招来する。そのため、主軸回転に対する従節駆動用モータ２０５の応答性能がＣＰＵ２０１の処理能力に依存してしまい、処理能力の高い高価なＣＰＵが必要になるという問題がある。
また、一般的な電子カム制御システムを含め、従来では、主軸情報を得るために、主軸駆動用モータ２０４とその回転角度を検出するエンコーダ２０６を必要としているため、主軸駆動用モータ２０４が回転するだけの単純な機構のものであっても、従節駆動用モータ２０５を動作させるために、単に回転するだけの主軸駆動用モータやエンコーダを残し主軸動作として機能させなければならず、電子カム化のメリットが薄くなり、かつ、コスト高の要因となるという問題がある。

特開２００３−５８２１１号公報

本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、主軸回転に応じて従節駆動用モータを所定のカム形状パターンで駆動制御するにあたり、従節駆動用モータを自律的に駆動制御することにより、ＣＰＵの負担を軽減でき、しかも、主軸駆動用モータそのもの（駆動回路、エンコーダを含む）の省略を可能ならしめるモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するために本発明のモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システムは、入力データに応じたパターンのモータ駆動用パルスを出力するモータ駆動用パルス出力ＩＣであって、電子カムの形状データを記憶するカムデータ記憶部と、電子カムの主軸回転角度又は主軸回転位置を入力し、これを主軸情報として管理する主軸情報管理部と、電子カムの形状データ及び主軸情報をもとに、適用するカム半径の計算を行うと共に、このカム半径に対応するモータ目標位置の計算を行うカム半径・モータ目標位置計算部と、電子カムの従節駆動用モータに対して、前記モータ目標位置まで動作させるためのモータ駆動用パルスを出力するモータ駆動用パルス出力部とにより電子カム従節制御回路を構成し、該電子カム従節制御回路は、電子カムの仮想主軸を駆動制御する電子カム主軸制御回路から出力されるモータ駆動用パルス信号を、主軸情報として取り込むことにより、前記従節駆動用モータを自律的に駆動制御されることを特徴とする。

本発明におけるモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システムは、主軸回転角度に応じて従節駆動用モータを所定のカム形状パターンで駆動制御するにあたり、モータ駆動用パルス出力ＩＣによって従節駆動用モータを自律的に駆動制御することが可能になる。これにより、主軸回転に対する従節駆動用モータの応答性能がＣＰＵの処理能力に依存しないだけでなく、主軸情報を主軸エンコーダからの入力信号を待つことなく、主軸モータ駆動用に供されていた駆動パルス信号を主軸エンコーダ信号に相当する仮想主軸信号として直接的に取り込むことができ、その結果、必要に応じてエンコーダを含む主軸駆動用モータそのものを不要とすることが可能となるばかりか、ＩＣによる高速処理によって従節駆動用モータの応答性能を飛躍的に高めることができる。しかも、ソフトウエア処理時間の遅れ等を生じることもなく、処理能力の高い高価なＣＰＵを用いる必要もなくなり、もって、電子カム制御システムの大幅なコストダウンが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を好適な実施の形態として例示するモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システムを図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動用パルス出力ＩＣを適用した電子カム制御システムのブロック図である。この図に示すように、電子カム制御システム１は、電子カムの従節を駆動させる複数の従節駆動用モータ１０と、従節駆動用モータ１０の駆動パルスを出力するモータ駆動用パルス出力ＩＣ２０と、該モータ駆動用パルス出力ＩＣ２０に制御データを入力するＣＰＵ３０と、モータ駆動用パルス出力ＩＣ２０の出力パルスに応じて、従節駆動用モータ１０を動作させる駆動回路５０とを備えて構成されている。なお、仮想主軸（駆動回路、主軸駆動用モータ、主軸の回転角度又は回転位置を検出するエンコーダ）は設けられておらず、実装される場合には、モータ駆動用パルス出力ＩＣ２０の出力パルスに応じて動作することができる。

モータ１０は、ステッピングモータ、サーボーモータなどのパルス駆動モータである。本実施形態で採用されるステッピングモータは、駆動パルスの周波数に比例する速度で回転し、その回転量が駆動パルス数に比例するという特性を備える。

ＣＰＵ３０は、例えば、１６ビットのデータ入出力端子及び４ビットのアドレス出力端子を備える。データ入出力端子は、モータ駆動用パルス出力ＩＣ２０との間で制御データの入出力を行い、また、アドレス出力端子は、制御データの書き込み先指定や読み込み先指定に使用される。ＣＰＵ３０が出力する制御データには、動作コマンド、レジスタ制御コマンド、レジスタ書き込みデータなどがある。

前記モータ駆動用パルス出力ＩＣ２０は、ＣＰＵインタフェース回路２１、入出力ラインインタフェース回路２２、後述する仮想の主軸モータ用として駆動パルスを出力する電子カム主軸制御回路２３、および複数の電子カム従節制御回路２４を備えて構成される。

動作コマンドは、仮想の主軸モータや従節モータ１０の動作を指定するコマンドであり、スタートコマンド、停止コマンド、速度変更コマンドなどが含まれる。レジスタ書き込みデータは、仮想の主軸モータや従節モータ１０の動作条件を指定するデータであり、目標位置データ、初期速度データ、目標速度データ、加速レートデータ、減速レートデータ、減速開始位置データなどの主軸制御用データや、カム形状データなどの従節制御用データが含まれる。これらのレジスタ書き込みデータをモータ駆動用パルス出力ＩＣ２０に書き込む際には、レジスタ制御コマンドによって書き込み先のレジスタが指定される。

ＣＰＵインタフェース回路２１は、ＣＰＵ３０が出力した動作コマンド、レジスタ制御コマンドなどを格納するコマンド格納部や、ＣＰＵ３０が出力したレジスタ書き込みデータなどを一時的に格納する入出力バッファを備えており、入出力バッファに格納されたレジスタ書き込みデータは、レジスタ制御コマンドに基づいて、所定のレジスタに書き込まれる。また、入出力バッファに格納された動作コマンドは、モータ停止時であれば、直ちに各制御回路２３、２４へ送られ、モータ動作中であれば、次動作用として待機する。

入出力ラインインタフェース回路２２は、制御回路２３から出力される駆動パルスの各制御回路２４……への出力や、各制御回路２４……から出力される駆動パルスをモータ１０（駆動回路５０）に出力する出力回路、および制御回路２３から出力される駆動パルス信号（仮想主軸が実装された際には、エンコーダの信号）を入力する入力回路を備える。なお、サーボーモータ等の動作の監視を要するモータを用いる場合には、特許文献１に開示された如くセットされたエンコーダにより、その動作結果（位置データ）を各駆動回路５０へフィードバック出力するようにする。

図２は、本発明の実施形態に係るモータ駆動用パルス出力ＩＣの電子カム主軸制御回路を示すブロック図である。この図に示すように、電子カム主軸制御回路２３は、データ記憶部２３ａ、コントロール部２３ｂ、モータ駆動用パルス出力部２３ｃ、カウンタ部２３ｄなどを備え、実装されない主軸モータを実装されていると仮想し、実装の主軸モータを駆動制御するごとく機能する。

データ記憶部２３ａは、目標位置データ、初期速度データ、動作速度データ、加速レートデータ、減速レートデータ、減速開始位置データなどのモータ動作パラメータを記憶保持する各種のレジスタを備える。各レジスタには、モータ動作完了時（一つの動作ブロック完了時）にＦＩＦＯ動作（ファーストイン・ファーストアウト動作）する第一プリレジスタ及び第二プリレジスタが接続されており、各プリレジスタに、次動作、次々動作のデータを予め書き込むことができる。これにより、動作条件が異なる複数の位置決め動作を連続的に実行することが可能になる。

コントロール部２３ｂは、動作コマンド、レジスタ値、カウンタ値などに基づいて、モータ駆動用パルス出力部２３ｃにモータ駆動パルスの出力を指示する部分である。モータ駆動用パルス出力部２３ｃは、コントロール部２３ｂからの指示に従い、各種パラメータに応じた速度、移動量のモータ駆動パルスを発生させ、これを入出力ラインインタフェース回路２２、或いは、外部の従節駆動回路や別の電子カムシステムの主軸エンコーダ入力に接続させるなどして（図示しない）出力する部分である。この外部接続により多数の電子カムが同期して動作させることが可能となっている。カウンタ部２３ｄは、モータ駆動用パルス出力部２３ｃが出力するモータ駆動パルス、或いは、前記仮想主軸が実装された際にエンコーダのモータ回転検出パルスをカウントする部分である。

図３は、本発明の実施形態に係るモータ駆動用パルス出力ＩＣの電子カム従節制御回路を示すブロック図である。この図に示すように、電子カム従節制御回路２４は、カムデータ記憶部２４ａ、主軸情報管理部２４ｂ、コントロール部２４ｃ、カム半径・モータ目標位置計算部２４ｄ、モータ駆動用パルス出力部２４ｅなどを備える。

カムデータ記憶部２４ａは、電子カムの形状データを記憶保持するレジスタを備える。電子カムの形状データは、主軸回転角度に対する従節駆動用モータ１０の目標位置（カム半径）を示すものである。例えば、図４の（Ｂ）に示すカム動作（従節動作）を行う場合は、カム形状の変化点となる５点（Ａ〜Ｅ）のデータ（主軸回転角度データと、それに対応するカム半径データで１点分）がカムデータ記憶部２４ａに書き込まれる。

主軸情報管理部２４ｂは、主軸回転角度又は主軸回転位置を入力し、これを主軸情報として管理する部分である。本実施形態では、従来実装されていたエンコーダの検出パルスに替えて、電子カム主軸制御回路２３のカウンタ部２３ｄにおいてカウントされる仮想の主軸駆動用モータの駆動パルスカウント値を主軸情報として入力するようになっている。コントロール部２４ｃは、動作コマンドに応じて、カムデータ記憶部２４ａや主軸情報管理部２４ｂからデータ（電子カム形状データや主軸情報）を読み出し、これらのデータをカム半径・モータ目標位置計算部２４ｄに出力する部分である。

カム半径・モータ目標位置計算部２４ｄは、電子カムの形状データ及び主軸情報をもとに、適用するカム半径の計算を行うと共に、このカム半径に対応する従節駆動用モータ１０の目標位置計算を行う部分である。ここで計算されたモータ目標位置をモータ駆動用パルス出力部２４ｅに出力すると、従節駆動用モータ１０を目標位置まで動作させるためのモータ駆動用パルスがモータ駆動用パルス出力部２４ｅから出力される。これにより、従節駆動用モータ１０は、主軸（仮想／実装）の回転に同期しながら、所定のカム形状パターンで駆動制御される。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、電子カム制御を行う場合、まず、主軸駆動用モータ（仮想／実装）の動作パラメータ及び各従節駆動用モータ１０……のカムデータを、ＣＰＵ３０からモータ駆動用パルス出力ＩＣ２０に送る。このとき、主軸駆動用モータ（仮想／実装）の動作パラメータは、電子カム主軸制御回路２３のデータ記憶部２３ａに記憶され、各従節駆動用モータ１０のカムデータは、電子カム従節制御回路２４のカムデータ記憶部２４ａに記憶される。その後、ＣＰＵ３０からモータ駆動用パルス出力ＩＣ２０にスタートコマンドを送ると、電子カム主軸制御回路２３が動作パラメータに応じたモータ駆動パルスを入出力インターフェース２２に出力し、主軸駆動用モータが設けられない場合には主軸情報として提供され、実装された場合には主軸を動作させる。

一方、電子カム従節制御回路２４は、電子カム主軸制御回路２３からのモータ駆動パルスを、従来実装されていた主軸エンコーダのパルスカウント信号に代用した主軸情報として取り込むことで主軸回転角度を認識する。なお、主軸駆動用モータが実装された場合にはエンコーダの検出パルスにより主軸回転角度を認識することもできる。この主軸回転角度と記憶したカムデータをもとに、カム半径及びモータ目標位置の計算を行い、モータ目標位置に対応するモータ駆動パルスを出力する。これにより、従節駆動用モータ１０は、速度指令により与えられる主軸回転に同期し、かつ回転量変化に追随しながら、所定のカムパターンに応じた従節動作を実行することになる。

上記のように構成された本発明によれば、主軸回転角度に応じて従節駆動用モータ１０を所定のカム形状パターンで駆動制御するにあたり、従来の主軸モータ駆動用に供されていた駆動パルス信号を、主軸エンコーダのパルスカウント信号に相当する仮想化された主軸信号として代用し、直接的に主軸回転角度データ（主軸情報）として入出力ラインインターフェース回路２２へ出力させ、或いは外部に同様に出力させて取り込むハードウエア構成により行うことができ、そのシステムを極めて容易に構築することが可能となり、ＣＰＵ３０でカム半径やモータ目標位置の計算を行うことなく、電子カム制御システム１、およびモータ駆動用パルス出力ＩＣ２０によって、従節駆動用モータ１０を、ＣＰＵ３０からの指令によらず、自身の従節動作情報に従って自律的（自立的）に駆動制御することができる。

その結果、主軸エンコーダのパルス信号と主軸モータ駆動用パルス信号の何れの信号も主軸情報として用いることができるようになり、従来、従節駆動用モータ１０を動作させるために設けられていた、単に回転するだけのエンコーダや駆動回路を含む主軸駆動用モータそのものを、必要に応じて不要とすることが可能となるばかりか、仮想／実装を問わず主軸回転に対する従節駆動用モータ１０の応答性能がＣＰＵ３０の処理能力に依存しなくなり、ＩＣによる高速処理によって従節駆動用モータ１０の応答性能を飛躍的に高めることができるだけでなく、ＣＰＵによるソフトウエア処理時間の遅れ等を生じることもないので、処理能力の高い高価なＣＰＵを不要にして、電子カム制御システムの大幅なコストダウンを図ることができる。

また、電子カム主軸制御回路２３は、モータ駆動用パルス出力部２３ｃが出力するモータ駆動パルスをカウントするカウンタ部２３ｄを備え、該パルスカウント値を主軸情報として出力するため、主軸駆動用モータが実装された際には、そのエンコーダ信号を取り込み、主軸モータ駆動用パルス信号を主軸駆動用としてモータ入出力ラインインターフェース回路２２へ出力することが可能であり、主軸モータの要・不要に応じた切換え構成の構築が容易に行える。

また、前記主軸情報は、前記主軸情報管理部２４ｂに入力されるため、駆動パルスカウント値や、実装された際のエンコーダの検出パルス値の何れかを、選択的に主軸回転角度又は主軸回転位置の主軸情報として管理することができる。

また、電子カム従節制御回路２４を複数備え、複数の従節駆動用モータ１０を自律的に同期制御することが可能であるため、複数の従節駆動用モータ１０が含まれる電子カム制御システムのコストダウンや省配線に寄与することができる。

また、本実施形態のモータ駆動用パルス出力ＩＣ２０は、電子カムの仮想主軸駆動用モータを駆動制御する電子カム主軸制御回路２３を備えるため、電子カム主軸制御回路を別に設ける場合に比べて、電子カム制御システムのコストダウンや省配線が可能になる。

本発明の実施形態に係るモータ駆動用パルス出力ＩＣを適用した電子カム制御システムのブロック図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システムの電子カム主軸制御回路を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システムの電子カム従節制御回路を示すブロック図である。 （Ａ）は機械カムの説明図、（Ｂ）は電子カムのカムデータを示す説明図である。 電子カム制御システムの従来例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電子カム制御システム
１０ 従節駆動用モータ
２０ モータ駆動用パルス出力ＩＣ
２１ インタフェース回路
２２ 入出力ラインインタフェース回路
２３ 電子カム主軸制御回路
２３ａ データ記憶部
２３ｂ コントロール部
２３ｃ モータ駆動用パルス出力部
２３ｄ カウンタ部
２４ 電子カム従節制御回路
２４ａ カムデータ記憶部
２４ｂ 主軸情報管理部
２４ｃ コントロール部
２４ｄ カム半径・モータ目標位置計算部
２４ｅ モータ駆動用パルス出力部
３０ ＣＰＵ
５０ 駆動回路
１００ 機械カム
１０１ 主軸
１０２ カム
１０３ 従節
２００ 電子カム制御システム
２０１ ＣＰＵ
２０２ 記憶部
２０３ 制御ユニット
２０４ 主軸駆動用モータ
２０５ 従節駆動用モータ
２０６ エンコーダ
２０７、２０８ モータ駆動用パルス出力ＩＣ
２０９ 駆動回路

Claims (5)

1. 入力データに応じたパターンのモータ駆動用パルスを出力するモータ駆動用パルス出力ＩＣおよび電子カム制御システムであって、
   電子カムの形状データを記憶するカムデータ記憶部と、
   電子カムの主軸回転角度又は主軸回転位置を入力し、これを主軸情報として管理する主軸情報管理部と、
   電子カムの形状データ及び主軸情報をもとに、適用するカム半径の計算を行うと共に、このカム半径に対応するモータ目標位置の計算を行うカム半径・モータ目標位置計算部と、
   電子カムの従節駆動用モータに対して、前記モータ目標位置まで動作させるためのモータ駆動用パルスを出力するモータ駆動用パルス出力部とにより電子カム従節制御回路を構成し、
   該電子カム従節制御回路は、電子カムの仮想主軸を駆動制御する電子カム主軸制御回路から出力されるモータ駆動用パルス信号を、主軸情報として取り込むことにより、前記従節駆動用モータを自律的に駆動制御されることを特徴とするモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システム。
2. 請求項１記載において、前記電子カム主軸制御回路は、モータ駆動用パルス出力部が出力するモータ駆動パルスをカウントするカウンタ部を備え、該パルスカウント値を主軸情報として出力することを特徴とするモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システム。
3. 請求項１または２において、前記主軸情報は、前記主軸情報管理部に入力されることを特徴とするモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システム。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記電子カム従節制御回路を複数備え、複数の前記従節駆動用モータを自律的に同期制御することを特徴とするモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システム。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、電子カムの仮想主軸駆動用モータを駆動制御する電子カム主軸制御回路を備えることを特徴とするモータ駆動用パルス出力ＩＣ、および電子カム制御システム。