JP2007219601A

JP2007219601A - サーボシステムの制御方法

Info

Publication number: JP2007219601A
Application number: JP2006036294A
Authority: JP
Inventors: Yoshishige Ikeuchi; 慶成池内; Tomohisa Hirakawa; 智久平川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】上位装置のソフトウェア開発工数を抑え、装置全体のコストダウンと小型化、およびノイズに対する信頼性が向上したサーボシステムを提供する。
【解決手段】複数のサーボアンプ１３内の１軸をマスタ軸１７、残りをスレーブ軸１８とし、マスタ軸１７はデジタル通信手段１０を経由して伝送される上位装置１１からの位置指令１２に基づき位置制御演算処理を行い、マスタ軸１７の位置制御演算処理内で生成されるトルク指令１９を、デジタル通信手段１０を経由してスレーブ軸１８のサーボアンプ１３に伝送し、スレーブ軸１８はトルク指令１９に基づき制御演算処理を行い、サーボアンプ１３に接続されたサーボモータ１４を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の軸（車輪等）を制御するサーボシステム（自走式搬送装置等）における上位装置のソフトウェア開発工数を抑えるとともに、ノイズによる異常動作を防止し、コストダウンと小型化を可能とする制御方法に関するものである。

図１０に示すような駆動部にサーボモータが使用されている自走式搬送装置１０６において、各車輪１０５にそれぞれサーボモータ１０４とそれを制御するサーボアンプ１０３、さらにサーボアンプ１０３に指令を出力する上位装置１０１が接続されている。これら各車輪１０５に加えるトルクを同一に制御する（同期制御を行う）ことで、直進性を保ち装置のねじれを防いでいる。また、自走式搬送装置１０６は所定の位置に移動する必要があるため、上位装置１０１から各サーボアンプ１０３に対し位置指令１０２を伝送し、位置決め動作を行う必要がある。

しかし、位置決め動作はサーボモータ１０４内蔵の位置センサが検出した検出位置をサーボアンプ１０３に入力して位置制御演算処理を行うため、各車輪１０５の径の違いやスリップ時に各車輪１０５間の直線移動量差が生じ、装置にねじれが発生する。

上記、車輪径の違いから生じる装置のねじれを図１１に示す。各車輪の直線移動量を同値とすべく、上位装置から各サーボアンプに位置指令として与えられた各サーボモータの回転移動量は同値となる。しかし、車輪Ａ１１１に対し車輪Ｂ１１２の車輪径は小さく各車輪と接地面にすべりがない場合、車輪Ａ１１１の直線移動量に対し車輪Ｂの直線移動量は小さくなる。車輪Ａ１１１と車輪Ｂ１１２を制御する各サーボアンプはともに位置制御演算処理を行っているため、位置指令で与えられた位置を保持しようとするため、装置がねじれる方向にトルクが発生し続けることとなる。

このねじれを緩和するための方法として、図１２に示すように、上位装置１２１はサーボアンプ１２３の１軸から検出位置１２７を取り込み、上位装置１２１にて位置制御演算処理を行い、この演算で生成したトルク指令１２２を、車輪１２５駆動を制御する全てのサーボアンプ１２３に入力し、サーボアンプ１２３はそれぞれトルク制御演算処理を行う構成としていた。これにより、車輪同士がそれぞれの位置を保持しようとするトルクが発生しなくなり、ねじれを緩和することが可能となる。

また、検出位置を直接位置センサから上位装置に入力したり（例えば、特許文献１参照）、同期制御により全サーボアンプのモータ制御演算周期を一致させ、デジタル通信手段からの移動指令（位置指令、速度指令、トルク指令など）をモータ制御演算周期へ全軸同時に反映させて装置のねじれを緩和させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−３３４２１７号公報特開２００３−１８９６５４号公報

解決しようとする問題点は、図１２のような構成とした場合、上位装置側で位置制御演算処理を行う必要が発生し、上位装置の大幅なソフトウェア開発工数が必要となることである。

また、サーボモータ内の位置センサで検出した検出位置を上位装置に入力する必要があるが、一般的にはサーボアンプ側で検出したデジタル値である検出位置をパルス列に変換し、検出位置として上位装置に伝送しているため、パルス列を生成する回路がサーボアンプに必要となり、かつ上位装置側にもパルス列を取り込む回路が必要となる。さらに、上位装置側にてデジタル値であるトルク指令をアナログ信号に変換し、トルク指令としてサーボアンプに伝送するため、上位装置側にデジタル／アナログ変換回路、サーボアンプ側にアナログ／デジタル変換回路が必要となるため、機器のコストアップ、サイズアップとなるる課題があった。

また、アナログ信号によるデータ伝送は、ノイズ等が伝送ケーブルに印加することにより、アナログ信号にサージ電圧、オフセット電圧等が重畳するため、本来の値とは異なる値を伝送することとなり、結果、軸間のトルク差が発生する。また、パルス列の伝送ラインにノイズが印加した場合も、パルスのミスカウントが発生し、位置ずれを起こす可能性がある。一般的に伝送ラインが長くなるほどノイズ耐量が低下する傾向にあるため、配線長を極力短く制限する必要があるなど課題がある。また、アナログ／デジタル双方の変換時に誤差が生じる課題もある。
本発明は上記全ての課題を解決するものであり、上位装置のソフトウェア開発工数を抑え、装置全体のコストダウンと小型化、およびノイズに対する信頼性が向上したサーボシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、上位装置と複数のサーボアンプをデジタル通信手段で接続したサーボシステムにおいて、複数のサーボアンプ内の１軸をマスタ軸、残りをスレーブ軸とし、マスタ軸はデジタル通信手段を経由して伝送される上位装置からの位置指令に基づき位置制御演算処理を行い、マスタ軸の位置制御演算処理内で生成されるトルク指令もしくは速度指令を、前記デジタル通信手段を経由してスレーブ軸のサーボアンプに伝送し、スレーブ軸は前記指令に基づき制御演算処理を行い、サーボアンプに接続されたサーボモータを制御する。

本発明のサーボシステムの制御方法によれば、マスタ軸で生成されたトルク指令もしくは速度指令に基づき、スレーブ軸を制御するため、上位装置側で位置制御演算処理を行う必要がなくなり、上位装置のソフトウェア開発工数を抑えることができる。また、サーボアンプ内にパルス列を生成する回路および上位装置にパルス列を取り込む回路が不要となり、さらに、上位装置側のデジタル／アナログ変換回路、サーボアンプ側のアナログ／デジタル変換回路も不要にできるため、サーボシステムの小型化とコストダウンが可能となる。
この制御方法を自走式搬送装置などに用いれば、装置のねじれを緩和できるとともにサーボシステムのコストダウンと小型化、およびノイズに対する信頼性を向上させることが可能となる。

本発明のサーボシステムの制御方法は、複数のサーボアンプ内の１軸をマスタ軸、残りをスレーブ軸とし、マスタ軸はデジタル通信手段を経由して伝送される上位装置からの位置指令に基づき位置制御演算処理を行い、マスタ軸の位置制御演算処理内で生成されるトルク指令もしくは速度指令を、前記デジタル通信手段を経由してスレーブ軸のサーボアンプに伝送し、スレーブ軸は前記指令に基づき制御演算処理を行い、サーボアンプに接続されたサーボモータを同期制御する。

図８に自走式搬送装置８６のシステム構成例を示しており、複数の車輪８５にそれぞれサーボモータ８４とこれらを制御するサーボアンプ８３を接続し（場合によってはギアも接続）、これら全ての車輪８５を同期させて位置決め動作を行う。

この位置決め動作は上位装置８１からマスタ軸８７であるサーボアンプ８３に位置指令８２をパルス列により入力する。パルス列とは９０度位相差の２相パルス式やパルス列と符号の組み合わせ式などの伝送形態を示し、特に２相パルス式かどうかは規定しない。

サーボモータ内蔵の位置センサが検出した検出位置をマスタ軸８７に入力して位置制御演算処理を行うが、各車輪８５の径の違いやスリップ時に発生する車輪８５の回転量差により発生する生じる機械のねじれを緩和するために、位置制御演算処理を行うサーボアンプをマスタ軸８７の１軸のみとし、その他のサーボアンプ８３はスレーブ軸８８としトルク制御演算処理を行っている。

マスタ軸８７の位置制御演算処理内で生成されるデジタル値であるトルク指令を元にアナログ信号に変換したトルク指令８９を、スレーブ軸８８である複数のサーボアンプ８３に伝送し、スレーブ軸８８はトルク指令８９に基づきトルク制御演算処理を行い、各サーボモータ８４の制御を行っている。

図８のシステム構成を実現するためのサーボアンプ８３とサーボモータ８４の内部構成例を図９に示しており、サーボアンプ８３がマスタ軸として使用される場合、パルス列である位置指令Ａ９１をパルス列受信カウンタ回路９７で取り込み、デジタル値として位置指令Ｂ９２を生成する。この位置指令Ｂ９２を位置制御器に入力し、さらに位置制御器はサーボモータ８４内部の位置センサの検出位置と位置指令Ｂ９２の比較演算を行い、演算結果を速度制御器に入力し、トルク指令Ａ９３を速度制御器の演算結果として出力する。さらに、デジタル値であるトルク指令Ａ９３は切替器を通じて電流制御器とデジタル／アナログ変換回路９９に入力し、デジタル／アナログ変換回路９９はアナログ信号であるトルク指令Ｂ９４を生成し、各スレーブ軸に伝送する。

次に、サーボアンプ８３がスレーブ軸として使用される場合、アナログ信号であるトルク指令Ｃ９５をアナログ／デジタル変換回路９８に入力する。伝送データに劣化が全くない場合、このスレーブ軸の入力であるトルク指令Ｃ９５はマスタ軸の出力であるトルク指令Ｂ９４と同値となる。アナログ／デジタル変換回路９８はデジタル値であるトルク指令Ｄ９６を生成し、必要に応じて車輪の回転方向にトルク指令の極性を極性反転器９０で合わせ、さらに切替器を通じて電流制御器に入力する。

上記の構成により上位装置側で位置制御演算処理を行う必要がなくなり、上位装置側のソフトウェア開発工数を抑えることができ、かつ自走式搬送装置のねじれを緩和できる。

ここまでは、上位装置側のソフトウェア開発工数を抑える本発明の要部であるが、他に課題が残っており、サーボアンプ８３はパルス列受信カウンタ回路９７、アナログ／デジタル変換回路９８およびデジタル／アナログ変換回路９９を必要とするため、サーボアンプ８３のコストアップおよびサイズアップは改善されない。

また、アナログ信号によるデータ伝送は、ノイズ等が伝送ケーブルに印加することにより、アナログ信号にサージ電圧、オフセット電圧等が重畳するため、本来の値とは異なる値を伝送することとなり、結果、軸間のトルク差が発生する。パルス列の伝送ラインにノイズが印加した場合も、パルスのミスカウントが発生し、位置ずれを起こす可能性があり、配線長を極力短く制限する必要がある。さらに、アナログ／デジタル双方の変換時に誤差が生じる可能性が高くなる。

そこで、上記の課題も併せて解決する自走式搬送装置のシステム構成例を図１に、そのシステム構成を実現するサーボアンプとサーボモータの内部構成例を図２に、通信手段を使用して伝送する通信データパケット構成例を図３、図４に示しており、以下相違点を中心に説明する。

システム構成上の主な相違点は、図１に示すように上位装置１１と複数のサーボアンプ１３間のデータ伝送をデジタル通信手段１０経由によって行う点である。このシステムを実現するため、図２に示すように図９と比べて、パルス列受信カウンタ回路、デジタル／アナログ変換回路およびアナログ／デジタル変換回路を不要にできる。

ここで実施例１のシステム構成を実現するためのサーボアンプとサーボモータの内部構成例について図１と図２を併用しながら説明する。

図１において、上位装置１１からマスタ軸１７となるサーボアンプ１３に位置指令１２がデジタル通信手段１０によって伝送される。マスタ軸１７内では位置指令１２に基づき、位置制御演算処理を行い、この位置制御演算処理内で生成されるトルク指令をデジタル通信手段１０を介してスレーブ軸となる残り３つのサーボアンプ１３に伝送する。

なお、各サーボアンプ１３がマスタ軸１７であるか、スレーブ軸１８であるかどうかは指令を伝送する前に設定しておく必要がある。ここではサーボアンプ１３の内部パラメータにて設定しておくこととする。マスタ軸１７にはスレーブ軸１８の台数も入力され、この場合３台となる。

まず、サーボアンプ１３がマスタ軸１７として使用される場合、図２に示すように、デジタル値である位置指令Ａ２１をデジタル通信器２９で取り込み、デジタル値である位置指令Ｂ２２を生成する。位置指令Ａ２１と位置指令Ｂ２２はデジタル値であるため、劣化等がなく同値となる。位置指令Ｂ２２は参考実施例の場合と同様に、位置制御器に入力され、さらに速度制御器を通じてトルク指令Ａ２３を生成する。このトルク指令Ａ２３は切替器を通じて電流制御器とデジタル通信器２９に入力し、デジタル通信器２９はデジタル値であるトルク指令Ｂ２４を生成し、スレーブ軸に伝送する。トルク指令Ａ２３とトルク指令Ｂ２４はデジタル値であるため、伝送データに劣化等がなく同値となる。
次に、サーボアンプ１３がスレーブ軸１８として使用される場合、デジタル値であるトルク指令Ｃ２５をデジタル通信器２９で取り込み、デジタル値であるトルク指令Ｄ２６を生成する。トルク指令Ｃ２５とトルク指令Ｄ２６はデジタル値であるため、伝送データに劣化がなく同値となる。トルク指令Ｄ２６は必要に応じて車輪の回転方向にトルク指令の極性を極性反転器２０で合わせ、切替器を通じて電流制御器に入力する。さらに、トルク指令Ｄ２６を切替器を通じてデジタル通信器２９に入力し、この出力であるトルク指令Ｂ２４を次のスレーブ軸にデジタル通信手段を経由して伝送し、最後尾のスレーブ軸まで同値のトルク指令を入力する。

ここで、デジタル通信手段１０を使用して伝送する通信データパケット構成例について、更に図３、図４を用いて説明する。

図３において、サーボアンプ１３が接続している軸数分（実施例１では４軸分）の指令データと応答データを通信データパケット上に割り当てている。ここでは接続順にデータのエリアを割り当てていることにする。また各指令データ、応答データともデータサイズは１６バイトであるとする。各サーボアンプ６３は自身の設定された指令データと応答データのエリアにアクセスすることができ、ここでは図３の接続順に前記データのエリアを割り当てていることにする。

各指令データ、応答データには誤り検出符合（ＣＲＣなど）が付加されており、仮にデータ化けが生じた場合にはそのデータを無視する、もしくは過去のデータから推定するなどの処理を行う。

上位装置１１は第１軸指令データのエリアに位置指令３１を書き込みマスタ軸１７に伝送し、マスタ軸１７は３台のスレーブ軸が接続されていることをパラメータ値から判断し、第２軸、第３軸、第４軸それぞれの指令データエリアにトルク指令３２を書き込みスレーブ軸１８に伝送する。

または、図４のように、マスタ軸１７が第１軸応答データエリアにトルク指令４２を書き込み、スレーブ軸１８が第１軸応答データエリアに書き込まれたトルク指令４２の値を取り込む方法でもよい。

さらに、もし直接マスタ軸１７がスレーブ軸１８の指令データエリアにアクセスすることやスレーブ軸１８がマスタ軸１７の応答データエリアにアクセスすることが問題となる場合は、図４の通信データパケットを一旦上位装置１１を経由して、上位装置側で第１軸の応答データであるトルク指令４２を取り込み、図３の通信データパケットのように、第２軸、第３軸、第４軸それぞれの指令データエリアにトルク指令３２を書き込み、スレーブ軸１８に伝送するなどの方法でもよい。ただし、この場合、上位装置１１の内部パラメータにマスタ軸とスレーブ軸の構成台数を設定しておく必要がある。

上記の構成により、上位装置側で位置制御演算処理を行う必要がなくなり、上位装置側のソフトウェア開発工数を抑えることができ、かつ自走式搬送装置のねじれを緩和することが可能となることに加え、上位装置とサーボアンプそれぞれのデータ伝送をデジタル通信手段で行うため、データ伝送に対する信頼性を向上させることが可能となり、パルス列受信カウンタ回路、アナログ／デジタル変換回路およびデジタル／アナログ変換回路を不要とし、かつ配線を通信ケーブルのみに統一することができ、サーボアンプおよび上位装置を含めた自走式搬送装置全体のコストダウンと小型化が可能となる。

なお、通信トポロジについては、実施例１ではリングとしたが、バス等の他のトポロジでも同様に実現が可能である。また、デジタル通信手段としては上述した特許文献２のように複数のサーボモータの動作を同期制御することが可能なものが望ましく、同期制御により全サーボアンプのモータ制御演算周期を一致させ、デジタル通信手段からの移動指令（位置指令、速度指令、トルク指令など）をモータ制御演算周期へ全軸同時に反映させることが可能となり、より装置のねじれを緩和させることが可能となる。

また、位置センサについては、実施例１ではサーボモータ１４内の位置センサを使用したが、装置の移動距離を直接外部位置センサにて測定し、この出力をサーボモータ１４内の位置センサの出力と置き換えてマスタ軸のサーボアンプ内の位置制御器に入力するなどの方法（位置フルクローズ制御）もある。この方法はマスタ軸がスリップし装置の移動距離が短くなるなどが問題となる場合に有効であるが、外部位置センサが必要となりコストアップするなどの課題がある。

実施例２は、マスタ軸からスレーブ軸へ伝送される指令を、トルク指令から速度指令としている点が実施例１と異なり、その他の構成は同じである。図５に自走式搬送装置のシステム構成例を、図６にそのシステムを実現するサーボアンプとサーボモータの内部構成例を示す。

図６において、サーボアンプ５６３がマスタ軸５６７として使用される場合、デジタル値である位置指令Ａ５６１をデジタル通信器５６９で取り込み、デジタル値である位置指令Ｂ５６２を生成する。位置指令Ａ５６１と位置指令Ｂ５６２はデジタル値であるため、劣化等がなく同値となる。位置指令Ｂ５６２は位置制御器に入力され、速度指令Ａ５６３を生成する。この速度指令Ａ５６３は切替器を通じて速度制御器とデジタル通信器５６９に入力し、デジタル通信器５６９はデジタル値である速度指令Ｂ５６４を生成し、スレーブ軸５６８に伝送する。速度指令Ａ５６３と速度指令Ｂ５６４はデジタル値であるため、劣化等がなく同値となる。

次に、サーボアンプ５６３がスレーブ軸５６８として使用される場合、デジタル値である速度指令Ｃ５６５をデジタル通信器５６９で取り込み、デジタル値である速度指令Ｄ５６６を生成する。速度指令Ｃ５６５と速度指令Ｄ５６６はデジタル値であるため、伝送データに劣化がなく同値となる。

速度指令Ｄ５６６は必要に応じて車輪の回転方向に速度指令の極性を極性反転器５６０で合わせ、さらに切替器を通じて速度制御器に入力する。さらに、速度指令Ｄ６６を切替器を通じてデジタル通信器６９に入力し、この出力である速度指令Ｂ５６４を次のスレーブ軸にデジタル通信手段を経由して伝送し、最後尾のスレーブ軸まで同値の速度指令Ｂ５６４を入力する。
上記の構成により実施例１と同様に、上位装置側のソフトウェア開発工数を抑えることができ、自走式搬送装置のねじれを緩和することが可能となる。さらに、データ伝送に対する信頼性が向上し、装置全体のコストダウンと小型化が可能となる。

実施例３のシステムは、マスタ軸とスレーブ軸とから成るサーボグループを、同一のデジタル通信手段内に複数配置し、１つの上位装置で複数の通信サーボグループを制御するもので、１つの上位装置によって２つのサーボグループを制御するものである。

図７において、１台目の自走式搬送装置７６Ａ内に上位装置７１を設置しており、とサーボグループ７１０Ａを設置しており、２台目の自走式搬送装置７６Ｂ内にサーボグループ７１０Ｂを設置している。

上位装置７１から１台目の自走式搬送装置７６Ａ内のサーボグループ７１０Ａに属するマスタ軸７７Ａにデジタル通信手段７０を経由して位置指令７２Ａを伝送する。実施例１と同様にマスタ軸７７Ａは自走式搬送装置Ａ１０６内のサーボグループ７１０Ａに属する全て（実施例３では３つ）のスレーブ軸７８Ａにデジタル通信手段７０を経由してトルク指令７９Ａを伝送する。

また、上位装置７１からは２台目の自走式搬送装置７６Ｂ内のサーボグループ７１０Ｂに属するマスタ軸７７Ｂに対する位置指令７２Ｂを位置指令７２Ａと同一通信パケットデータ内に配置し、同一のデジタル通信手段７０を経由して伝送している。そして、マスタ軸７７Ｂは上位装置２１からの位置指令７２Ｂを取り込み、スレーブ軸７８Ｂにマスタ軸７７Ｂの位置制御演算処理内で生成したトルク指令７９Ｂを自走式搬送装置７６Ｂ内の全て（実施例３では１つ）のスレーブ軸７８Ｂにデジタル通信手段７０を経由して伝送する。

上記の構成とすることで、複数の通信グループに対して上位装置７１を１台のみとすることができ、サーボシステム全体のコストダウンが可能となる。

本発明のサーボシステムの制御方法は、複数の車輪にそれぞれサーボモータとそれを制御するサーボアンプを接続し、これらの車輪を同期させて駆動する自走式搬送装置だけでなく、それ以外の同期制御が必要な装置にも有用である。

本発明の実施例１におけるサーボシステムの説明図本発明の実施例１におけるサーボアンプの説明図本発明における通信手段で伝送する通信パケットデータ例１の説明図本発明における通信手段で伝送する通信パケットデータ例２の説明図本発明の実施例２におけるサーボシステムの説明図本発明の実施例２におけるサーボアンプの説明図本発明の実施例３におけるサーボアンプの説明図本発明におけるサーボシステムの説明図本発明におけるサーボアンプの説明図従来の自走式搬送装置における位置指令を説明する説明図従来の自走式搬送装置におけるねじれの説明図従来の自走式搬送装置のねじれ対策を説明する説明図

符号の説明

１０デジタル通信手段
１１上位装置
１２位置指令
１３サーボアンプ
１４サーボモータ
１５車輪
１６自走式搬送装置
１７マスタ軸
１８スレーブ軸
１９トルク指令

Claims

上位装置と複数のサーボアンプをデジタル通信手段で接続したサーボシステムにおいて、複数のサーボアンプ内の１軸をマスタ軸、残りをスレーブ軸とし、マスタ軸はデジタル通信手段を経由して伝送される上位装置からの位置指令に基づき位置制御演算処理を行い、マスタ軸の位置制御演算処理内で生成されるトルク指令もしくは速度指令を、前記デジタル通信手段を経由してスレーブ軸のサーボアンプに伝送し、スレーブ軸は前記指令に基づき制御演算処理を行い、サーボアンプに接続されたサーボモータを制御するサーボシステムの制御方法。
マスタ軸から伝送されたトルク指令もしくは速度指令の極性をスレーブ軸の内部パラメータにより回転方向に応じて反転可能とする請求項１に記載のサーボシステムの制御方法。
マスタ軸とスレーブ軸とから成る通信サーボグループを、同一のデジタル通信手段内に複数配置し、１つの上位装置で複数のサーボグループを制御する請求項１記載のサーボシステムの制御方法。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のサーボシステムの制御方法を用いた自走式搬送装置。