JP2010172056A - 速度パターン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータの速度周波数パルスを発生させる場合、レートマルチを使用したパルス発生器とすると位相誤差が大きくなり、場合によってはモータが脱調し、運転不能となる。
【解決手段】この改善策として、基準発振クロックを必要な分解能が得られるビット数の２進加算器で加算し、位相レジスタ中のビット位置情報から論理ビットを取り出し、適正なパルス発生位置を計算することによって設定されたパルス数を発生するパルス発生装置とした。
【選択図】図１

Description

本発明は一般産業用モータの速度制御用パルス発生装置に関するものである。

従来、一般産業用に使用されるモータのなかでも機械加工等に使用され、厳密な回転角度位置まで制御する必要のあるものについてはステッピングモータが使用されている。ステッピングモータの回転指令は最小分解能単位の回転指令パルスによって回転方向を指定してなされ、目的とする回転位置に到達するまで指定のパルス数を指定した時間に発生させながらモータを回転させていく。この場合の回転指令パルスはモータの回転に従った滑らかに変化する必要があり、急激な速度の変化によっては最大トルクを超えモータが制御不能の脱調状態となる場合もある。したがって回転指令パルスの発生装置はこのモータの位置と速度とを正確に計算しながら制御するのが目的である。また回転指令パルスを設定したパターンで出力することによってモータを回転させ、制御対象である機械を設定した動作パターンで適切な動作することができれば最小量の機械動作量ですむ。このため、いかに細かく回転指令パルスを制御することによってモータ電力の消費量が減り、無駄な費用を抑制することも可能となってくる。

このため、マイクロプロセッサを利用したパルス発生回路を構成して回転指令パルスを速度パルスとしてモータ制御を実行することが考えられるが、予め速度パターンデータをメモリに記憶しておき、経過時間毎に速度データを呼び出し速度周波数として制御することが一般的であったが、パターンの変更に伴う手続きや手間が掛かるという欠点があった。

これは、開発ツールにおいても速度パターンを予め設計するうえでも不連続点のない2次曲線にする等のノウハウを必要としているため、誰もができるというものでなく装置も大掛かりとなり高価で適さないという欠点があった。

この改善策として、位置決め指定ポイントにおける到達時間と到達位置から逆算する加々速度（加速度の変化率）を予め計算し、当該位置決め指定ポイントと次の位置決め指定ポイント間の時間差および位置変化から逆算する加々速度のデジタル値を記憶する機能と、内部基準クロックに基づいて加々速度を積分して加速度を計算する第１の積分器と、計算された該加速度を更に積分して速度を計算する第２の積分器と、計算された該速度から速度パルスのオン・オフ値を計算するために加算器を設け、加算器の演算結果を順次加算し、加算結果の2進値のうち当該モータが必要とする所望のビットからオン・オフ値を取り出すための変換器と、該変換器からのオン・オフ信号を出力パルス信号に変換するための信号変換器と、該内部基準クロックを運転条件によってカウントアップして設定した時間を計測するカウンタ機能と、カウントアップした値とデジタル値で設定した時間軸設定値との比較演算によって指定された時間位置内の所望の加々速度値を選択する選択機能を構成することによって、所望の位置決め位置へ到達するためのモータ速度設定値に該当した速度パターンパルスを出力するパルス発生装置の開発が望まれていた。

特開平５−１５１９７号公報 特開２００２−１６５４９２号公報 特開２００２−２７７９７１号公報

本発明は上述したようなステッピングモータの回転指令パルスの発生を具現化したもので速度制御する場合、速度指令に相当する出力パルスを周波数で制御するのが合理的なために速度指令値を周波数に変換するため、従来からレートマルチ等のデジタル回路が使用されてきた。この回路によれば回路・制御とも単純であり、出力パルスの平均周波数と発生パルス数には問題がなかったが、出力パルスに含まれる歯抜け部分から起因する瞬時的な周波数変化は高速化したモータ側の速度指令としては好ましくない。そこで、最小量のハードウェアで最適な装置を提供することが可能な装置の開発が課題となっていた。

請求項１の発明によれば、一般産業用機械に使用される位置決め用ステッピングモータの回転指令パルスを制御する装置において、位置決め指定ポイントにおける到達時間と到達位置から逆算する加々速度（加速度の変化率）を予め計算し、当該位置決め指定ポイントと次の位置決め指定ポイント間の時間差および位置変化から逆算する加々速度のデジタル値を記憶する機能と、内部基準クロックに基づいて加々速度を積分して加速度を計算する第１の積分器と、計算された該加速度を更に積分して速度を計算する第２の積分器と、計算された該速度から速度パルスのオン・オフ値を計算するために加算器を設け、加算器の演算結果を順次加算し、加算結果の2進値のうち当該モータが必要とする所望のビットからオン・オフ値を取り出すための変換器と、該変換器からのオン・オフ信号を出力パルス信号に変換するための信号変換器と、該内部基準クロックを運転条件によってカウントアップして設定した時間を計測するカウンタ機能と、カウントアップした値とデジタル値で設定した時間軸設定値との比較演算によって指定された時間位置内の所望の加々速度値を選択する選択機能を構成することによって、所望の位置決め位置へ到達するためのモータ速度設定値に該当した速度パターンパルスを出力することを特徴とする。

すなわち、これは、最高周波数の1000倍以上の周波数を基準発振器からの基準クロックとし、位置決め指定ポイントにおける到達時間と到達位置から逆算する加々速度（加速度の変化率）を予め計算し、当該指定ポイントと次の指定ポイント間の時間差および位置変化から逆算する加々速度のデジタル値を記憶する機能と、内部基準クロックに基づいて加々速度を積分して加速度を計算する第１の積分器と、計算された加速度を更に積分して速度を計算する第２の積分器と、所望の速度周波数に相当する２進バイナリ値を設け、計算された速度から速度パルスのオン・オフ値を計算するために加算器を設け、加算器の演算結果を順次加算し、加算結果の2進値のうち当該モータが必要とする所望のビットからオン・オフ値を取り出すための変換器と、変換器からのオン・オフ信号を出力パルス信号に変換するための信号変換器と、基準クロックを運転条件によってカウントアップして設定した時間を計測するカウンタ機能と、カウントアップした値とデジタル値で設定した時間軸設定値との比較演算によって指定された時間位置内の所望の加々速度値を選択する選択機能を構成することによって、所望の位置決め位置へ到達するためのモータ速度設定値に該当した速度パターンパルスを出力するパルス発生装置である。

以上説明したように本発明によれば、複雑な回路やソフトウェアを構成することなく最小のシステムで構成できる格別なパルス発生装置を提供することができる。

本発明における一実施例を示す全体ブロック図 本発明における一実施例を示すタイミングチャート図 本発明における一実施例を示す計算式および設定例 本発明における一実施例を示す出力結果チャート図 本発明における一実施例を示すフローチャート図

図１は本発明の一実施例の概要構成を示すものであり、この動作の理解を容易にするためのパルス発生メカニズムを示したものが図２〜図３で、本装置をソフトウェアにて構成した場合についてのフローチャートが図５である。

第１図において１は基準発振クロックであり、水晶発振子を利用した所望の最高周波数の数倍以上の周波数を発振する基準クロックである。
２は外部からの運転条件を入力する外部操作入力ポートである。
３は運転条件により基準クロックからの信号をオン・オフする切り替え器である２進カウンタ入力スイッチである。
４は２進カウンタであり、基準発振クロック１から発振される信号をカウントし必要な分解能におけるカウント時刻情報を取り出すための必要なビット数で構成されるものである。
今、位置決め指定ポイントを５点とした場合について考え、以下に説明する。
１１〜１５は各位置決め指定ポイントにおける到達時間時刻データを設定するＴ１時刻設定器〜Ｔ５時刻設定器である。
２１〜２５は２進カウンタ４と各到達時間時刻データとを比較するＴ１時刻比較器〜Ｔ５時刻比較器である。
３０〜３５は加速度を計算するための加々速度で予め計算するＢ０加々速度設定器〜Ｂ５加々速度設定器である。
特に３０のＢ０加々速度設定器で設定されるのは加々速度の初期値であり通常はゼロである。
５１は位置決め指定ポイントにおける到達時間時刻データを設定するＴ１時刻設定器〜Ｔ５時刻設定器１１〜１４と２進カウンタ値４とを比較するＴ１時刻比較器２１〜Ｔ４時刻比較器２４によって比較した結果より予め計算しておいた加々速度を設定する
Ｂ０加々速度設定器３０〜Ｂ４加々速度設定器３４から選択して得られたもので、加々速度現在値を切り替える加々速度切り替え器である。
５２は加々速度を積分して加速度を得るための第１積分器である。
５３は第１積分器５２で計算された加速度を蓄積する加速度レジスタである。
５４は加速度を積分して速度を得るための第２積分器である。
５５は第２の積分器で計算された速度を蓄積する速度レジスタである。
５６は計算された速度データを２進値に変換した速度・周波数変換を記録する速度・周波数変換レジスタである。
５７は2進加算器で、最大速度データの２進値の２倍以上のビット幅を有する速度・周波数変換用加算器である。
５８は2進加算器である速度・周波数変換用加算器５７の加算結果を蓄積する位相レジスタである。
５９は運転条件により2進加算器である速度・周波数変換用加算器５７の加算命令を実行するか否かの切り替えをする加算器入力スイッチである。
６０は2進加算器である速度・周波数変換用加算器５７の加算結果から必要なビットを取り出す変換器である位相レジスタビット位置選択器である。
６１は変換器からのオン・オフ信号を最終的に外部へ導入するためのパルス出力回路であり、モータ制御用として適切なインタフェース回路を含んだもので外部機器に使用することも可能である速度パルス出力ポートである。

つぎに図１の適用例の動作について、横軸を時間軸とした場合の制御対象の位置Ｘ，速度Ｖ、加速度Ａ、加々速度Ｂについて図２を用いて各時刻における位置の求め方から説明する。
図２で時刻Ｔ０を動作開始時間として、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５の各時刻における制御対象を初期位置Ｘ０から各Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５で表した位置に制御することが目的であり、各時刻における速度はそれぞれＶ０、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５とし、また各時刻における加速度はそれぞれＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５とし、また各時刻における加々速度はそれぞれＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５とする。
また時刻Ｔ０〜Ｔ１の所要時間をｔ１、時刻Ｔ１〜Ｔ２の所要時間をｔ２、時刻Ｔ２〜Ｔ３の所要時間をｔ３、時刻Ｔ３〜Ｔ４の所要時間をｔ４、時刻Ｔ４〜Ｔ５の所要時間をｔ５とすると、（１式）
（数１） ｂ=K 加々速度は一定 ……（１式）
より加々速度が一定であるから、各時刻における加速度は（２式）
（数２）

より加々速度Ｂ１〜Ｂ５を積分して求められる。
さらに各時刻における速度は（３式）
（数３）

より加速度Ａ０〜Ａ５を積分して求められ、制御目的である各時刻における位置は（４式）
（数４）

より速度Ｖ０〜Ｖ５を積分して求められる。

つぎに図２で計算した（１式）、（２式）、（３式）、（４式）について図３では加々速度の算出の方法について説明する。
図３は図２の（１式）、（２式）、（３式）、（４式）における各時刻Ｔ０〜Ｔ５間を５つのゾーンに分割し、これに番号１〜５を付加し、ゾーン１〜ゾーン５として、それぞれのゾーンの最終到達位置から逆算して必要な加々速度を求めている。
図３各式において（ｎ）はゾーン番号ｎ（１〜５）を表し一般化したものであるが、１式〜４式
（数５) B(n)=B(n) ……１式
（数６) A(n)=A(n-1)+B(n)*t ……２式
（数７) V(n)=V(n-1)+A(n-1)*t+B(n)*t**2/2 ……３式
（数８) X(n)=X(n-1)+V(n-1)*t+A(n-1)*t**2/2+B(n)*t**3/6 ……４式
は図２の（１式）〜（４式）を一般化しているので説明は省略するが、４式より逆算してＢ（ｎ）を求めると、
（数９） B(n)=6(x(n)-x(n-1)-V(n-1)t-A(n-1)*t**2/2)/t**3 ……５式
となり、これは５式となる。
ゾーン１は初期値０により（初速度は設定する）順次計算すると、
（数１０） B(n)=6*X(n)/t**3 ……６式
となりこれは６式となる。さらに計算を進めると、
（数１１） A(n)=A(n-1)+B(n)*t ……７式
となりこれは７式となる。さらに計算を進めると、
（数１２） V(n)=V(n-1)+A(n-1)*t+B(n)*t**2/2 ……８式
となりこれは８式となる。
あたえられた条件から算出した一例が図３内の下表である。

さらに図１の適用例の動作について、図３で設定した条件についての結果を図４で説明する。
図４は図１の適用例の動作について、図３で設定した条件の場合について横軸を時間軸としてモータ速度とモータ回転位置を表したもので、モータ速度およびモータ回転位置はいずれの場合においても滑らかに変わっており、モータに与えるショックは限りなく小さなものとなったおり、モータ速度の変曲点におけるモータ回転位置については何れの点でも設定した位置となっている。

以上説明したように本発明によれば、無駄な回路やソフトウェアを構成することなく最小のシステムで構成できる格別なパルス発生装置を提供することができる。

本装置の技術を応用すれば、ステッピングモータの回転指令パルスの発生する装置や、モータ速度制御用の速度設定周波数の分解能が大きくとることが可能で、最小量のハードウェアで構成することが可能である。

１ 基準発振クロック
２ 外部操作入力ポート
３ ２進カウンタ入力スイッチ
４ ２進カウンタ
１１ Ｔ１時刻設定器
１２ Ｔ２時刻設定器
１３ Ｔ３時刻設定器
１４ Ｔ４時刻設定器
１５ Ｔ５時刻設定器
２１ Ｔ１時刻比較器
２２ Ｔ２時刻比較器
２３ Ｔ３時刻比較器
２４ Ｔ４時刻比較器
２５ Ｔ５時刻比較器
３０ Ｂ０加々速度設定器
３１ Ｂ１加々速度設定器
３２ Ｂ２加々速度設定器
３３ Ｂ３加々速度設定器
３４ Ｂ４加々速度設定器
３５ Ｂ５加々速度設定器
５１ 加々速度切り替え器
５２ 第１積分器
５３ 加速度レジスタ
５４ 第２積分器
５５ 速度レジスタ
５６ 速度・周波数変換レジスタ
５７ 速度・周波数変換用加算器
５８ 位相レジスタ
５９ 加算器入力スイッチ
６０ 位相レジスタビット位置選択器
６１ 速度パルス出力ポート

Claims (1)

1. 一般産業用機械に使用される位置決め用ステッピングモータの回転指令パルスを制御する装置において、位置決め指定ポイントにおける到達時間と到達位置から逆算する加々速度（加速度の変化率）を予め計算し、該位置決め指定ポイントと次の位置決め指定ポイント間の時間差および位置変化から逆算する加々速度のデジタル値を記憶する機能と、内部基準クロックに基づいて加々速度を積分して加速度を計算する第１の積分器と、計算された該加速度を更に積分して速度を計算する第２の積分器と、計算された該速度から速度パルスのオン・オフ値を計算するために加算器を設け、加算器の演算結果を順次加算し、加算結果の2進値のうち当該モータが必要とする所望のビットからオン・オフ値を取り出すための変換器と、該変換器からのオン・オフ信号を出力パルス信号に変換するための信号変換器と、該内部基準クロックを運転条件によってカウントアップして設定した時間を計測するカウンタ機能と、カウントアップした値とデジタル値で設定した時間軸設定値との比較演算によって指定された時間位置内の所望の加々速度値を選択する選択機能を構成することによって、所望の位置決め位置へ到達するためのモータ速度設定値に該当した速度パターンパルスを出力することを特徴とする速度パターンパルス発生装置。

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