JP2007073071A - サーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストが低く、小型であり、かつ、制御対象の制御周期が従来よりも短いサーボ制御装置を提供する。
【解決手段】サーボ制御装置５０は、制御対象を駆動させるため駆動部２０へ駆動電流を供給する電流供給部１５と、少なくとも駆動電流値を検出する検出部１７と、制御対象を所望の位置へ移動させるために駆動部２０の駆動速度を制御する駆動電流を定めた電流指令を入力し、検出部１７からフィードバックされた駆動電流値を入力し、駆動電流値に基づいて電流指令をディジタルロジック方式により補正して補正後の該電流指令を電流供給部１５へ出力する論理演算部５１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明はサーボ制御装置に関する。

サーボ制御装置は、工作機械、ロボット、射出成形機、ワイヤ放電加工機、電動プレス等の各種産業機器のサーボ機構に用いられている。

一般に、複数のサーボモータを制御するサーボ制御装置は、サーボモータの各軸をクロック周期ごとに制御する。サーボ制御装置はサーボモータを駆動させるための電流ドライバおよび電流ドライバを制御するための制御演算部を備える。
サーボ制御装置がサーボモータの各軸を制御するために、これらの電流ドライバおよび制御演算部はサーボモータの各軸ごとに対応して設けられている。

図３は、従来のサーボ制御装置１０およびサーボモータ２０を模式的に示したブロック図である。サーボ制御装置１０は、位置制御部１１、速度制御部１２、制御演算部１３、電流ドライバ１５、電流検出器１７、電流フィードバック回路１９、位置検出器２１および位置フィードバック回路２２を有する。制御演算部１３、電流ドライバ１５、電流検出器１７および電流フィードバック回路１９は、サーボモータ２０の各軸ごとに対応して設けられている。各サーボモータ２０には位置検出器２１が設けられている。

位置制御部１１は位置指令に基づいて速度指令を発生する。速度制御部１２は位置制御部１１からの速度指令に基づいて電流指令を発生する。

それぞれの制御演算部１３は、位置制御部１１からの電流指令に基づいて電流ドライバ１５を制御し、それぞれの電流ドライバ１５は電流を対応するサーボモータ２０へ供給する。サーボモータ２０はこの電流を受けて駆動する。

位置検出器２１はサーボモータ２０の位置を検出し、位置フィードバック回路２２が、検出されたサーボモータ２０の位置を位置制御部１１へフィードバックする。

サーボモータ２０へ供給される電流は電流検出器１７によって検出される。電流検出器１７によって検出された電流値は電流フィードバック回路１９によって制御演算部１３へフィードバックされる。

制御演算部１３は、電流検出器１７からフィードバックされた電流値と電流指令によって指定された電流値とを比較しサーボモータ２０へ供給する電流を補正するための演算を行う。

制御演算部１３は、フィードバックされた電流値に基づき電流制御を行うために、制御演算部１３内のキャッシュメモリまたは制御演算部１３の外部にある記憶媒体に記憶されているプログラムを実行する。よって、従来のサーボ制御装置１０においては、ハードウェアとしての制御演算部１３がソフトウェアとしてのプログラムを演算処理することによって電流制御を行っていた。このプログラムは、電流ドライバ１５や制御演算部１３内の回路等のハードウェアを制御する制御信号を制御するために、所定の演算方式に従って記述したものであり、通常、数100から数1000のステップからなる。制御演算部１３は、このようなプログラムを逐次処理することによって、制御対象を制御するための演算処理を行う。即ち、従来においては、制御演算部１３はプログラム制御方式を採用していた。

プログラム制御方式による場合には、制御演算部１３は数100から数1000のステップからなるソフトウェアを実行しなければならない。よって、指令値が入力されてから電流制御信号が出力されるまでの制御周期（ターンアラウンドタイムともいう）は、制御演算部１３に内蔵されるCPUの演算処理能力に依存する。従って、演算処理能力の高いCPUほどより短い周期で電流を制御することができる。ターンアラウンドタイムが短い場合に、制御理論における無駄時間は削減され、制御ループゲインが高くなる。即ち、サーボ制御装置の制御性能が向上する。

しかし、演算処理能力が高く高性能のCPUは高価であり、また、市販されているCPUの性能の高さには限界がある。さらに、制御演算部１３はサーボモータ２０ごとに設けられている。よって、サーボモータ２０と同数のCPUが必要となる。それによって、益々、サーボ制御装置１０のコストは高くなり、かつ、サーボ制御装置１０の大きさが大型化してしまうという問題もある。

そこで、本発明の目的は、製造コストが低く、小型であり、かつ、制御対象の制御周期が従来よりも短いサーボ制御装置を提供することである。

本発明に従った実施の形態によるサーボ制御装置は、制御対象を駆動させるため駆動部へ駆動電流を供給する電流供給部と、少なくとも前記駆動電流値を検出する第１の検出部と、前記制御対象を所望の位置へ移動させるために前記駆動部の駆動速度を制御する前記駆動電流を定めた電流指令を入力し、前記第１の検出部からフィードバックされた前記駆動電流値を入力し、前記駆動電流値に基づいて前記電流指令をディジタルロジック方式により補正して補正後の該電流指令を前記電流供給部へ出力する論理演算部とを備えている。

好ましくは、前記論理演算部は、前記電流指令を入力し保持する入力レジスタと、前記第１の検出部からフィードバックされた前記駆動電流値を入力し保持するフィードバック・レジスタと、前記入力レジスタからの前記電流指令および前記フィードバック・レジスタからの前記駆動電流値の差に基づいて前記電流指令を補正する電流制御演算器とを含む。

好ましくは、前記駆動部は複数のサーボモータであり、前記電流供給部および前記第１の検出部は前記複数のサーボモータに対応して同数だけ設けられ、
前記論理演算部は、前記複数のサーボモータのそれぞれに対応して設けられそれぞれの前記サーボモータの前記電流指令を入力し保持する入力レジスタと、前記複数のサーボモータのそれぞれに対応して設けられ前記第１の検出部からフィードバックされた前記駆動電流値を入力し保持するフィードバック・レジスタと、複数の前記入力レジスタからの前記電流指令および複数の前記フィードバック・レジスタからの前記駆動電流値のそれぞれの差に基づいて前記電流指令を時分割で補正する電流制御演算器とを有する。

本実施の形態において、前記電流供給器は、パルス幅変調信号によって制御されるインバータ回路であり、前記論理演算部は、前記インバータ回路と前記電流制御演算器との間に接続され、該電流制御演算器からの信号をパルス幅変調方式によりパルス幅変調信号に変調して前記インバータ回路へ出力するパルス波発生器をさらに有してもよい。

本実施の形態において、サーボ制御装置は、前記駆動部の位置に基づいて速度指令と電気角を出力する位置制御部と、前記駆動部の位置を検出する第２の検出器をさらに備え、前記論理演算部は、前記第２の検出器からフィードバックされた前記駆動部の位置に基づき前記位置制御部が算出した電気角と前記電流指令とを入力し、前記第１の検出部からフィードバックされた前記駆動電流値および前記駆動部の磁極位置を入力し、前記駆動電流値および前記電気角に基づいて前記電流指令をディジタルロジック方式により補正して補正後の該電流指令を前記電流供給部へ出力してもよい。

好ましくは、前記入力レジスタ、前記フィードバック・レジスタおよび前記電流制御演算器は１チップに組み込まれている。

本発明によるサーボ制御装置は、製造コストを低くでき、小型であり、かつ、制御対象の制御周期を従来よりも短くすることができる。

以下、図面を参照し、本発明による実施の形態を説明する。

図１は、本発明による実施の形態に従ったサーボ制御装置５０およびサーボモータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび２０ｄ（以下単にサーボモータ２０ともいう）を模式的に示したブロック図である。サーボモータ２０は制御対象（図示せず）を駆動させる駆動部として作用する。制御対象として、リニアモータ、ラックピニオン、静圧ウォームラック、静圧ねじなどの送り駆動機構が用いられてもよい。送り駆動機構としてリニアモータを採用する場合には、リニアモータは駆動部としても作用するので、リニアモータはサーボモータ２０に代えて採用され得る。また、制御対象の実施形態として、ベルト駆動等の回転駆動機構を採用することもできる。

サーボ制御装置５０は、サーボモータ２０を駆動しかつ制御するための駆動電流を供給する。サーボ制御装置５０は、サーボモータ２０を駆動させるための駆動電流をサーボモータ２０のそれぞれへ供給するＰＷＭ（Pulse Width Modulator）インバータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃおよび１５ｄ（以下単にＰＷＭインバータ１５ともいう）と、この駆動電流値を検出する電流検出器１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよび１７ｄ（以下単に電流検出器１７ともいう）とを備える。

また、サーボ制御装置５０は、制御対象を所望の位置へ移動させるためにサーボモータ２０の駆動速度を制御する駆動電流を定めた電流指令を受信し、電流検出器１７からそれぞれ電流フィードバック回路１９ａ、１９ｂ、１９ｃおよび１９ｄ（以下単にフィードバック回路１９ともいう）を介してフィードバックされた駆動電流値を入力し、この駆動電流値に基づいて電流指令をディジタルロジック方式により補正し、その補正後の電流指令をＰＷＭインバータ１５のそれぞれへ出力する論理演算部５１とを備える。

サーボ制御装置５０は、制御対象の位置の差分に基づいた速度指令を出力する位置制御部１１と、位置制御部１１からの速度指令を入力して電流指令に変換し、この電流指令を論理演算部５１へ出力する速度制御部１２とをさらに備える。

サーボ制御装置５０は、サーボモータ２０のそれぞれの位置を検出する位置検出器２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄ（以下単に位置検出器２１ともいう）と、位置検出器２１において検出されたサーボモータ２０の位置を位置制御部１１へフィードバックする位置フィードバック回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃおよび２２ｄ（以下単に位置フィードバック回路２２ともいう）をさらに備える。

論理演算部５１は、各サーボモータ２０への電流指令を入力し保持する入力レジスタ５２ａ、５２ｂ、５２ｃおよび５２ｄ（以下、入力レジスタ５２ともいう）と、電流検出器１７からフィードバックされた各サーボモータ２０のそれぞれの駆動電流値を入力し保持する電流フィードバック・レジスタ５８ａ、５８ｂ、５８ｃおよび５８ｄ（以下、電流ＦＢレジスタ５８ともいう）と、入力レジスタ５２からの電流指令および電流ＦＢレジスタ５８からの駆動電流値が等しくなるように電流指令を補正する電流制御演算器５５とを備える。

電流制御演算器５５は、セレクタ５３を介して入力レジスタ５２および電流ＦＢレジスタ５８と通信できるように接続されている。さらに、電流制御演算器５５は、セレクタ５３を介してＰＷＭ発生器５６ａ、５６ｂ、５６ｃおよび５６ｄ（以下、ＰＷＭ発生器５６ともいう）とも通信できるように接続されている。ＰＷＭ発生器５６は電流制御演算器５５からの信号をパルス幅変調方式によりパルス幅変調信号に変調してＰＷＭインバータ１５へ出力するように構成されている。

ＰＷＭインバータ１５、入力レジスタ５２、電流FBレジスタ５８およびＰＷＭ発生器５６は、それぞれサーボモータ２０に対応して設けられており、サーボモータ２０と同数だけ設けられている。一方で、電流制御演算器５５は、複数のサーボモータ２０に対して１つだけ設けられている。本実施の形態によれば、電流制御演算器５５は４つのサーボモータ２０に対して１つだけ設けられている。

電流制御演算器５５は、内部データレジスタ５９にも通信できるように接続されている。電流制御演算器５５が積分器などの内部記憶要素を必要とする場合がある。そのために、内部データレジスタ５９が設けられている。

本実施の形態によれば、論理演算部５１は、論理演算部５１に含まれる各要素が1チップに組み込まれたＬＳＩ（Large-Scale Integration）であり、デジタル論理回路として形成されている。

次に、本発明による実施の形態に従ったサーボ制御装置５０およびサーボモータ２０の動作を説明する。

位置制御部１１は、制御対象の位置を位置検出器２１から受けて、その位置フィードバックと位置指令との差から制御対象を目的の位置に制御するように速度指令を出力する。また、位置制御部１１は、位置検出器２１からの位置フィードバックからサーボモータ２０の電気角を算出し、出力する。

速度制御部１２は、位置制御部１１から入力した位置フィードバック値の時間微分により制御対象の速度フィードバックを算出し、その速度フィードバックと位置制御部１１からの速度指令との差から制御対象を目的の速度に制御するように電流指令を出力する。電流指令は、サーボモータ２０ａから２０ｄのいずれかへ供給する駆動電流のデータである。よって、速度制御部１２は、電流指令がサーボモータ２０ａから２０ｄのいずれに対する指令かを示すアドレスデータも出力する。また、速度制御部１２は、電流指令のほかにサーボモータ２０の電気角の情報をも出力する。

電流指令や電気角の情報は論理演算部５１によって受信され、アドレスデータに従った所定のレジスタ領域に保持される。例えば、論理演算部５１内の入力レジスタを４つの領域からなると考え、それぞれのレジスタ領域をサーボモータ２０の軸ごとに割り当てる。本実施の形態によれば、サーボモータ２０ａに関する電流指令や電気角の情報は１軸目入力レジスタ５２ａに保持され、サーボモータ２０ｂに関する電流指令や電気角の情報は２軸目入力レジスタ５２ｂに保持され、サーボモータ２０ｃに関する電流指令や電気角の情報は３軸目入力レジスタ５２ｃに保持され、サーボモータ２０ｄに関する電流指令や電気角の情報は４軸目入力レジスタ５２ｄに保持される。

電流指令や電気角のデータは入力レジスタ５２においては1軸目から４軸目までの並列したデータである。セレクタ５３は、この並列データを直列データに変換し時分割して電流制御演算器５５へ送信する。

一方において、電流検出器１７はＰＷＭインバータ１５からサーボモータ２０へ供給される駆動電流値を検出する。電流検出器１７により検出された駆動電流値は、フィードバック回路１９によって論理演算部５１へフィードバックされる。このとき、駆動電流値は所定のレジスタ領域に保持される。例えば、論理演算部５１内の電流ＦＢレジスタ５８を４つの領域からなると考え、それぞれのレジスタ領域をサーボモータ２０の軸ごとに割り当てる。本実施の形態によれば、サーボモータ２０ａの駆動電流値のデータは１軸目電流ＦＢレジスタ５８ａに保持され、サーボモータ２０ｂの駆動電流値のデータは２軸目電流ＦＢレジスタ５８ｂに保持され、サーボモータ２０ｃの駆動電流値のデータは３軸目電流ＦＢレジスタ５８ｃに保持され、サーボモータ２０ｄの駆動電流値のデータは４軸目電流ＦＢレジスタ５８ｄに保持される。

駆動電流値のデータは電流ＦＢレジスタ５８においては1軸目から４軸目までの並列したデータである。セレクタ５３は、この並列データを直列データに変換し時分割して電流制御演算器５５へ送信する。

電流制御演算器５５は、入力レジスタ５２からの電流指令および電流ＦＢレジスタ５８からの駆動電流値を比較し演算を行う。このとき電流指令および駆動電流値はそれぞれ時分割された直列データであるので、電流制御演算器５５は、電流指令および駆動電流値のそれぞれの直列データに対応して時分割で処理する。
また、同様に、電流制御演算器５５は、入力レジスタ５２からの電気角により補正された電流指令を演算することができる。

図２は、論理演算部５１の動作を示すタイミングチャートである。1軸目から４軸目までのサーボモータ２０ａから２０ｄに関する処理を時間軸に関して並べている。

まず、入力レジスタ５２が電流指令および電気角を取得し保持する。電流ＦＢレジスタ５８が電流フィードバックを取得し保持する。電流フィードバックは電流検出器１７によって検出された駆動電流値を含む情報である。

次に、セレクタ５３によって電流指令、電気角および電流フィードバックは直列データに変換され、電流制御演算器５５に時分割で送信される。電流制御演算器５５は、４つのサーボモータ２０を対象に演算処理を行わなければならないので、各サーボモータ２０ごとに時分割で演算処理する。本実施の形態によれば、電流制御演算器５５は、最初に、1軸目のサーボモータ２０ａの電流制御演算を行い、順次、２軸目のサーボモータ２０ｂ、３軸目のサーボモータ２０ｃ、そして４軸目のサーボモータ２０ｄの電流制御演算を行う。

電流制御演算は、駆動電流値と電流指令との差から目的の電流値をサーボモータ２０へ供給するために電気角によって補正された電流指令を算出する。
次に、電流制御演算器５５は、セレクタ５３へ補正後の電流指令を送り、セレクタ５３は補正後の電流指令を並列データへ変換してＰＷＭ発生器５６へ出力する。ＰＷＭ発生器５６は補正後の電流指令に基づいてＰＷＭ信号をＰＷＭインバータ１５へ出力する。このようにして論理演算部５１は動作する。

さらに、ＰＷＭインバータ１５はＰＷＭ信号を電流指令に従った値の電流へ変換し、その電流をサーボモータ２０へ供給する。サーボモータ２０は、その電流を受けて駆動し、制御対象を所望の位置へ所望の速度およびトルクで移動させる。

上述の通り、本実施の形態によれば、電流制御演算器５５はディジタルロジック方式により構成されている。即ち、電流制御演算器５５はプログラムを使用することなくハードウェアにてデジタル論理化されている。

ディジタルロジック方式は、制御動作が制御回路の中の論理回路で構成されているので、高度の機能や多用途への適応性には欠けるものの、規定された繰り返しの制御動作を高速に行うのには効率がよい。

一方で、従来のように、プログラム制御方式による場合には、プログラムの変更だけで機能拡張が可能であり、機器を多用途への適応させることができる。しかし、制御動作がプログラム内の複数個の命令を読み出しや解読を含み、その結果、制御速度が遅くなる欠点がある。

一般に、工作機械、ロボット、射出成形機、ワイヤ放電加工機、電動プレス等の各種産業機器の多くには、サーボモータが用いられており、その電流制御演算器は単一のアルゴリズムによって設計することができる。また、ＣＰＵ１３と電流制御演算器５５とが同じクロック周波数で動作した場合であっても、ディジタルロジック方式によるサーボ制御装置は、プログラム制御方式によるものよりも制御周期が数10倍速くなり得る。

ディジタルロジック方式によればプログラム制御方式による場合よりも制御周期が数10倍速くなるので、１つのLSIチップで複数のサーボモータを制御することができる。例えば、本実施の形態によれば、１つの電流制御演算器５５を有する論理演算部５１は４つのサーボモータ２０を制御している。本実施の形態のように複数軸を1つのLSIチップで制御する場合であっても、本実施の形態のサーボ制御装置５０の制御周期は従来のサーボ制御装置１０の制御周期より数10／4倍だけ速い。また、これによりサーボ制御装置５０に必要となる電流制御用のLSIチップ数は少なくて済み、サーボ制御装置５０のコストが低減する。

サーボ制御装置５０の制御周期をさらに速くするためには、1つのLSIチップ、即ち、１つの電流制御演算器５５が制御するサーボモータ２０の数を減らし、若しくは、処理能力のより高いLSIチップを用いればよい。例えば、サーボモータ２０ごとに１つの電流制御演算器５５を設けた場合（図示せず）には、従来のサーボ制御装置１０よりも数10倍速い制御周期が得られる。

ただし、サーボモータ２０ごとに１つの電流制御演算器５５を設けた場合や高処理能力の電流制御演算器５５を設けた場合には、サーボ制御装置のコストが上昇する。よって、制御周期の速さとサーボ制御装置のコストとはトレードオフの関係にあり、これらは必要に応じて設計することができる。例えば、従来の制御周期の速さを維持しつつサーボ制御装置のコストを従来よりも低減させることは、サーボ制御装置に設けるLSIチップ数を減少させることで達成でき、若しくは、低価格かつ処理能力の低いLSIチップを従来と同数だけ設けても達成できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本発明による実施の形態に従ったサーボ制御装置およびサーボモータを模式的に示したブロック図。 論理演算部５１の動作を示すタイミングチャート。 従来のサーボ制御装置およびサーボモータを模式的に示したブロック図。

符号の説明

１１ 位置制御部
１２ 速度制御部
１５ インバータ
１７ 電流検出器
１９ フィードバック回路
２０ サーボモータ
２１ 位置検出器
５０ サーボ制御装置
５１ 論理演算部
５２ 入力レジスタ
５３ セレクタ
５５ 電流制御演算器
５６ ＰＷＭ発生器
５８ 電流ＦＢレジスタ
５９ 内部データレジスタ

Claims (6)

1. 制御対象を駆動させるため駆動部へ駆動電流を供給する電流供給部と、
   少なくとも前記駆動電流値を検出する第１の検出部と、
   前記制御対象を所望の位置へ移動させるために前記駆動部の駆動速度を制御する前記駆動電流を定めた電流指令を入力し、前記第１の検出部からフィードバックされた前記駆動電流値を入力し、前記駆動電流値に基づいて前記電流指令をディジタルロジック方式により補正して補正後の該電流指令を前記電流供給部へ出力する論理演算部とを備えたサーボ制御装置。
2. 前記論理演算部は、
   前記電流指令を入力し保持する入力レジスタと、
   前記第１の検出部からフィードバックされた前記駆動電流値を入力し保持するフィードバック・レジスタと、
   前記入力レジスタからの前記電流指令および前記フィードバック・レジスタからの前記駆動電流値の差に基づいて前記電流指令を補正する電流制御演算器とを含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
3. 前記駆動部は複数のサーボモータであり、
   前記電流供給部および前記第１の検出部は前記複数のサーボモータに対応して同数だけ設けられ、前記論理演算部は、
   前記複数のサーボモータのそれぞれに対応して設けられそれぞれの前記サーボモータの前記電流指令を入力し保持する入力レジスタと、
   前記複数のサーボモータのそれぞれに対応して設けられ前記第１の検出部からフィードバックされた前記駆動電流値を入力し保持するフィードバック・レジスタと、
   複数の前記入力レジスタからの前記電流指令および複数の前記フィードバック・レジスタからの前記駆動電流値のそれぞれの差に基づいて前記電流指令を時分割で補正する電流制御演算器とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のサーボ制御装置。
4. 前記電流供給器は、パルス幅変調信号によって制御されるインバータ回路であり、
   前記論理演算部は、前記インバータ回路と前記電流制御演算器との間に接続され、該電流制御演算器からの信号をパルス幅変調方式によりパルス幅変調信号に変調して前記インバータ回路へ出力するパルス波発生器をさらに有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のサーボ制御装置。
5. 前記駆動部の位置に基づいて速度指令と電気角を出力する位置制御部と、
   前記駆動部の位置を検出する第２の検出器をさらに備え、
   前記論理演算部は、前記第２の検出器からフィードバックされた前記駆動部の位置に基づき前記位置制御部が算出した電気角と前記電流指令とを入力し、前記第１の検出部からフィードバックされた前記駆動電流値を入力し、前記駆動電流値および前記電気角に基づいて前記電流指令をディジタルロジック方式により補正して補正後の該電流指令を前記電流供給部へ出力することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のサーボ制御装置。
6. 前記入力レジスタ、前記フィードバック・レジスタおよび前記電流制御演算器は１チップに組み込まれていることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載のサーボ制御装置。

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