JP2011113118A - サーボモータ制御ネットワークとその通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 双方向シリアル通信ケーブルにてリング状に接続したサーボモータ制御システムの場合においては、全ての指令／応答データを２分割するため、あるアンプとコントローラで通信する時間における、アンプとコントローラ間のフレームの送受信回数は、分割しない場合の２倍となる。その結果、総伝送時間Ｔｔｏｔａｌに占めるフレーム間のマージン時間割合が多く、通信の高速化を阻害するという問題があった
【解決手段】 本発明によれば、コントローラは、一方の前記モータに接続された前記アンプに対して、反時計回り側の一方の前記モータに接続された前記アンプ向け指令フレームを出力すると同時に、時計回り側の他方の前記モータに接続された前記アンプに対して、時計回りに他方のモータに接続されたアンプ向け指令フレームを出力することとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のサーボモータを制御するサーボモータ制御システムに関するものである。特に本発明は、モーションコントローラ（以下、コントローラと呼ぶ）と、サーボモータ（以下、モータと呼ぶ）を個別に駆動する複数のサーボアンプ（以下、アンプと呼ぶ）との間に行われるシリアル通信の方法に関する。

放電加工機やマシニングセンタのような工作機械は、制御対象物を個別の軸方向に移動させる複数のモータと、そのモータに個別に駆動電流を供給する複数のアンプと、各アンプへ位置、速度などの指令を送るコントローラを備えている。以下、コントローラからアンプへのデータを「指令」と呼び、アンプからコントローラへのデータを「応答」と呼ぶ。

一般的に、アンプは、省配線のため双方向シリアル通信ケーブルを用いたデイジーチェーン構成でコントローラへ接続されている。近年は、工作機械の位置決め精度および、加工速度に関する要求が高まっており、コントローラとアンプで指令および応答を送受する時間の間隔（以下、通信周期と呼ぶ）を短くするために１００ＭｂｐｓやＧｂｐｓ（ギガビット／秒）のイーサネットケーブルが必要とされている。１００Ｂａｓｅ−Ｔや１０００Ｂａｓｅ−Ｔのようなイーサネット（登録商標）に含まれる物理層が、サーボモータ制御システム中においてデータを送信および受信するために使用されている。

従来のコントローラと複数のアンプとを、双方向シリアル通信ケーブルにてリング状に接続した場合において、通信周期の短縮を実現する発明としては以下がある。（例えば、特許文献１参照）。
この文献によると、指令データは２つのデータに等分割される。指令データの前半部分を搭載したフレーム（以下、指令データの前半フレームとする）は反時計回りにアンプへ送信され、同時に指令データの後半部分を搭載したフレーム（以下、指令データの後半フレームとする）は時計回りにアンプへ送信される。アドレスを確認する時間を節約するため、各第１のＰＨＹが指令データの前半フレームを受信し始めた後、直ちに各第２のＰＨＹは無条件に指令データの前半フレームを隣のノードへ反時計回りに転送し始める。また、各第２のＰＨＹが指令データの後半フレームを受信し始めた後、直ちに各第１のＰＨＹは無条件に指令データの後半フレームを隣のノードへ時計回りに転送し始める。指令データの前半フレームと指令データの後半フレームは、一巡して同時にコントローラに戻る。

アンプからの応答データも２つのデータに等分割される。各第１のＰＨＹが指令データの前半フレームの受信を完了しアドレスを確認した後、各第２のＰＨＹは無条件に応答データの前半フレームを隣のノードへ反時計回りに送信し始める。また、各第２のＰＨＹが指令データの後半フレームの受信を完了しアドレスを確認した後、各第１のＰＨＹは無条件に応答データの後半フレームを隣のノードへ時計回りに送信し始める。

特開２００８−１６５７４５号公報

従来のコントローラと複数のアンプとを、双方向シリアル通信ケーブルにてリング状に接続したサーボモータ制御システムの場合においては、全ての指令／応答データを２分割するため、あるアンプとコントローラで通信する時間における、アンプとコントローラ間のフレームの送受信回数は、分割しない場合の２倍となる。その結果、総伝送時間Ｔｔｏｔａｌに占めるフレーム間のマージン時間割合が多く、通信の高速化を阻害するという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、総伝送時間におけるマージン時間を減らすことにより、総伝送時間を小さくする方法を提供することを目的とする。

本発明は、各々、モータに接続された複数のアンプと、前記モータを制御するコントローラとを、双方向のシリアル通信ケーブルを用いてループ状に接続されたサーボモータ制御ネットワークにおいて、
前記コントローラは、一方の前記モータに接続された前記アンプに対して、反時計回り側の一方の前記モータに接続された前記アンプ向け指令フレームを出力すると同時に、時計回り側の他方の前記モータに接続された前記アンプに対して、時計回りに他方のモータに接続されたアンプ向け指令フレームを出力し、該当する二つのアンプからそれぞれ応答フレームを受信し、
各々のアンプは、前記モータまたは前記コントローラ双方向シリアル通信ケーブルによって接続されるための時計方向及び半時計方向にある二つの物理層を備え、一方の物理層から受信した指令データまたは応答データを、即座に他方の物理層から出力する
ことを特徴とするサーボモータ制御ネットワークを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、
各々、モータに接続された複数のアンプと、前記モータを制御するコントローラとを、双方向のシリアル通信ケーブルを用いてループ状に接続されたサーボモータ制御ネットワークにおいて、
前記コントローラは、一方の前記モータに接続された前記アンプに対して、反時計回り側の一方の前記モータに接続された前記アンプ向け指令フレームを出力すると同時に、時計回り側の他方の前記モータに接続された前記アンプに対して、時計回りに他方のモータに接続されたアンプ向け指令フレームを出力し、該当する二つのアンプからそれぞれ応答フレームを受信し、
各々のアンプは、前記モータまたは前記コントローラ双方向シリアル通信ケーブルによって接続されるための時計方向及び半時計方向にある二つの物理層を備え、一方の物理層から受信した指令データまたは応答データを、即座に他方の物理層から出力する
ことを特徴とするサーボモータ制御ネットワークを備えたので、複数のアンプがコントローラから各自の指令フレームの受信を完了しコントローラが複数のアンプから応答フレームの受信を完了する総伝送時間を、総伝送時間におけるマージン時間を減らすことにより総伝送時間を低減することができる。

実施の形態１におけるサーボモータ制御システムの構成図。 実施の形態１におけるサーボモータ制御システムの指令フレームの発信動作を示す図。 実施の形態１におけるサーボモータ制御システムの指令フレームの周回動作を示す図。 実施の形態１におけるサーボモータ制御システムの応答フレームの動作を示す図。 実施の形態１におけるサーボモータ制御システムのタイミングチャートを示す図。

実施の形態１．
実施の形態１では、双方向シリアル通信ケーブルにてリング状に接続したサーボモータ制御システムの場合において、総伝送時間におけるフレーム間のマージン時間を減らすことにより、総伝送時間を小さくする方法について説明する。
図１は、実施の形態１におけるサーボモータ制御システムの構成図である。
図１において、制御対象物を個別の軸方向に移動させる複数のモータ７１〜７４と、モータ７１〜７４に個別に駆動電流を供給する複数のアンプ１〜４と、アンプ１〜４へモータ７１〜７４の位置、速度などの指令を送るコントローラ５を備えている。シリアル通信ケーブル６１、６５は、アンプとコントローラとの間を接続し、シリアル通信ケーブル６２、６３、６４はアンプ間の接続を行う。

シリアル通信ケーブル６１〜６５による接続は、アンプの物理層（以下、ＰＨＹと呼ぶ）１１、１２、２１、２２、３１、３２、４１、４２とコントローラのＰＨＹ５１、５２とシリアル通信ケーブル６１〜６５とが接続することにより行われる。
具体的には、コントローラ５のＰＨＹ５２は、シリアル通信ケーブル６１を介してアンプ１のＰＨＹ１１に、アンプ１のＰＨＹ１２はシリアル通信ケーブル６２を介してアンプ２のＰＨＹ２１に、アンプ２のＰＨＹ２２はシリアル通信ケーブル６３を介してアンプ３のＰＨＹ３１に、アンプ３のＰＨＹ３２はシリアル通信ケーブル６４を介してアンプ４のＰＨＹ４１に接続されている。最後のサーボアンプのＰＨＹ４２は、シリアル通信ケーブル６５を介してコントローラのＰＨＹ５１に接続されている。

まずは、コントローラ５から各アンプ向けに送信される固定長の指令フレームの発信動作について説明する
図２は、実施の形態１におけるサーボモータ制御システムの指令フレームの動作を示す図である。
コントローラ５は、アンプ１宛ての指令フレームをＰＨＹ５２経由して反時計回り送信し、同時にアンプ４宛て指令フレームをＰＨＹ５１を経由して時計回りに送信する。続いて、アンプ１宛て指令フレームをＰＨＹ１１経由にて受信したアンプ１は反時計回りにこのフレームをＰＨＹ１２経由にて送信し、同様にアンプ４宛て指令フレームをＰＨＹ４２にて受信したアンプ４は時計回りに、このフレームをＰＨＹ４１経由にて送信する。

図３は、実施の形態１におけるサーボモータ制御システムの指令フレームの周回動作を示す図である。
アンプ１から送信されたアンプ１宛て指令フレームは、アンプ２、アンプ３、アンプ４の順に経由し、コントローラ５に戻る。同様にアンプ４から送信されたアンプ４宛て指令フレームは、アンプ４、アンプ３、アンプ２の順に経由してコントローラ５に戻る。

なお、アンプ１〜４はアドレスを確認する時間を節約するため、アンプ１〜４の第１のＰＨＹ１１、２１、３１、４１が反時計回りの指令フレームを受信し始めた後、直ちにアンプ１〜４の第２のＰＨＹ１２、２２、３２、４２は無条件に指令フレームを隣のノードへ反時計回りに転送し始める。また、アンプ１〜４の第２のＰＨＹ１２、２２、３２、４２が時計回りの指令フレームを受信し始めた後、直ちにアンプ１〜４の第１のＰＨＹ１１、２１、３１、４１は無条件に指令フレームを隣のノードへ時計回りに転送し始める。

続いて、各アンプからコントローラ５向けに送信される固定長の応答フレームの動作について説明する。
図４は、実施の形態１におけるサーボモータ制御システムの応答フレームの動作を示す図である。
アンプ１の第１のＰＨＹ１１が指令フレームの受信を完了しアドレスを確認して自身宛ての指令フレームと確認した後、第２のＰＨＹ１２は、指令フレームの送信後、マージン期間を経て、応答フレームを隣のアンプ２へ反時計回りに送信し始める。その後、アンプ２、アンプ３、アンプ４はそれぞれ、順に、応答フレームを受信後、無条件に反時計まわりに応答フレームを転送し、コントローラ５へ応答フレームが到達する。
同様にアンプ４の第２のＰＨＹ４２が指令フレームの受信を完了しアドレスを確認して自身宛ての指令フレームと確認した後、第１のＰＨＹ４１は、指令フレームの送信後、マージン期間を経て、応答フレームをアンプ３へ時計回りに送信し始める。その後、アンプ４、アンプ３、アンプ２はそれぞれ、順に応答フレームを受信後、無条件に反時計まわりに応答フレームを転送し、コントローラ５へ応答フレームが到達する。

上述の動作によって、コントローラ５は、アンプ１とアンプ４に対し、指令フレームと応答フレームの巡回を終えることができる。
次に、コントローラ５は、アンプ２とアンプ３に対し、指令フレームと応答フレームの巡回作業を実施する。
コントローラ５がアンプ１およびアンプ４からの応答フレームを受信した後、続いてコントローラ５はアンプ１の時と同様に、反時計まわりにアンプ２との通信を行うとともに、コントローラ５はアンプ４の時と同様に、時計まわりにアンプ３との通信を行う。
なお、コントローラ５とアンプ２間での通信手順は先に説明したコントローラ５とアンプ１間での通信手順と同様に、指令フレームの受信と応答フレームの送信を実施する。
またコントローラ５とアンプ３間での通信手順は先に説明したコントローラ５とアンプ４間での通信手順と同様に指令フレームの受信と応答フレームの送信を実施する。ここでは説明を省略する。

次に、本発明における総伝送時間について説明する。
図５は、実施の形態１におけるサーボモータ制御システムのタイミングチャートを示す図である。
時間ｔ１でＰＨＹ５２はアンプ１宛ての指令フレームをアンプ１のＰＨＹ１１へ送信し、ＰＨＹ５１はアンプ４宛ての指令フレームをアンプ４のＰＨＹ４２へ送信する。ＰＨＹの遅延Ｔｄの後、時間ｔ２にＰＨＹ１１およびＰＨＹ４２は自身宛ての指令フレームを受信し始める。
その際、コントローラ５からの指令フレームの送信時間は、時間ｔ１から遅延Ｔｄよりも長い、フレーム送信時間Ｔｐ_ｉを要する。

また、時間ｔ２にＰＨＹ１１が自身宛ての指令フレームを受信し始めるとすぐに、ＰＨＹ１２はアンプ１宛ての指令フレームをアンプ２のＰＨＹ２１へ転送し始める、そして、アンプ２、アンプ３、アンプ４へと、指令フレームがアンプ間を経るたびに、ＰＨＹにおける遅延Ｔｄを経過しながら、コントローラ５に到達する。
同様に、時間ｔ２にＰＨＹ４２が自身宛ての指令フレームを受信し始めるとすぐに、ＰＨＹ４１はアンプ４宛ての指令フレームをアンプ３のＰＨＹ３２へ転送し始める。そして、アンプ３、アンプ２、アンプ１へと、指令フレームがアンプ間を経るたびに、ＰＨＹにおける遅延Ｔｄを経過しながら、コントローラ５に到達する。

一方、ＰＨＹ１１がアンプ１宛ての指令フレームの受信を完了しアドレスを確認した後、指令データを読出するとともに、時間ｔ２から、フレーム送信時間Ｔｐ_ｉと、マージンの時間Ｔｍ_ｉが経過した時間ｔ３に、アンプ１のＰＨＹ１２は、応答データをフレーム内の専用の領域である応答フレームに書き込み、アンプ２のＰＨＹ２１へ送信し始める。アンプ１からコントローラ５向けの応答フレームは、その後、アンプ２、アンプ３、アンプ４の順に、応答フレームを受信後、無条件に反時計まわりに応答フレームを転送し、アンプ間を経るたびに、ＰＨＹにおける遅延Ｔｄを経過しながら、コントローラ５へ応答フレームが送信される。

同様に、ＰＨＹ４１がアンプ４宛て指令フレームの受信を完了しアドレスを確認した後、時間ｔ３にアンプ４のＰＨＹ４１は、応答フレームをアンプ３のＰＨＹ３２へ送信し始める。アンプ４からコントローラ５向けの応答フレームは、アンプ３、アンプ２、アンプ１の順に、応答フレームを受信後、無条件に時計まわりに応答フレームを転送し、アンプ間を経るたびに、ＰＨＹにおける遅延Ｔｄを経過しながら、コントローラ５へ応答フレームが送信される。

コントローラ５は、時間Ｔｃｙｃ_ｉの周期で、アンプ１とアンプ４、アンプ２とアンプ３向けの指令フレームを生成する。データの衝突を防止するため、時間Ｔｃｙｃはフレーム送信時間Ｔｐ_ｉの最大値にマージンの時間Ｔｍ_ｉを加えた時間の２倍である。
すなわち、Ｔｃｙｃ_ｉ＝２×（Ｔｐ_ｉ＋Ｔｍ_ｉ）となる。

ここで、先の先行事例（特許文献１）のＴｃｙｃと比較する。先行事例ではコントローラ５と各アンプ１、２、３、４間との通信データを２分割していることを踏まえると、先行事例でのフレーム送信時間は、本実施の形態のフレーム送信時間Ｔｐ_ｉの半分となる。
また、マージン時間については、コントローラやアンプからフレームの送信が開始される時刻の偏差が影響し、フレーム送信時間の長さには依存しないため、先行事例と本実施の形態におけるマージンの時間Ｔｍ_ｉは同じと考えられる。
すると、先の先行事例（特許文献１）は、同じ宛先向けのフレームを半分に割って送信している関係上、本実施の形態と比べて、指令フレームの処理において、マージン時間１回分、応答フレーム処理時にマージン時間１回分、余計に時間を要し、指令フレーム、応答フレームの巡回においては、マージン時間２回分、余計に時間を要することになる。

時間ｔ１からＴｃｙｃ_ｉ経過した時間ｔ４に、ＰＨＹ５２はアンプ２宛ての指令フレームをアンプ１のＰＨＹ１１へ送信し、ＰＨＹ５１はアンプ４宛ての指令フレームをアンプ４のＰＨＹ４２へ送信する。アンプ１を経由してＰＨＹ２１が自身宛ての指令フレームの受信を完了しアドレスを確認した後、時間ｔ５にアンプ２のＰＨＹ２２は応答フレームをアンプ３のＰＨＹ３１に向けて送信し始める。
同様にアンプ４を経由してＰＨＹ３２が自身宛ての指令フレームの受信を完了しアドレスを確認した後、時間ｔ５にアンプ３のＰＨＹ３１は応答フレームをアンプ２のＰＨＹ２２に向けて送信し始める。
アンプ２からの応答フレームは、アンプ３、アンプ４を介してコントローラ５へ送信される。アンプ３からの応答フレームは、アンプ２、アンプ１を介してコントローラ５へ送信される。そして、時間ｔ６に、コントローラ５はアンプ２からの応答フレームとアンプ３からの応答フレームの受信を完了する。

アンプ１〜４がそれぞれの指令フレームの受信を完了し、コントローラ５がアンプ１〜４から応答フレームの受信を完了する総伝送時間 Ｔｔｏｔａｌ は、一般化すると、次の式で表される。
Ｔｔｏｔａｌ＝（ｎ＋１）×Ｔｄ＋ｎ×１／２×Ｔｃｙｃ
＝（ｎ＋１）×Ｔｄ＋ｎ×１／２×２×（Ｔｐ_ｉ＋Ｔｍ_ｉ）
ここで、ｎはアンプの個数、ＴｄはＰＨＹの遅延である。

したがって、本実施の形態では、
各々、モータ７１〜７４に接続された複数のアンプ１〜４と、モータ７１〜７４を制御するコントローラ５とを、双方向のシリアル通信ケーブル６１〜６５を用いてループ状に接続されたサーボモータ制御ネットワークにおいて、
コントローラ５は、一方のモータに接続されたアンプに対して、反時計回りに一方のモータに接続されたアンプ向け指令フレームを出力すると同時に、他方のモータに接続されたアンプに対して、時計回りに他方のモータに接続されたアンプ向け指令フレームを出力し、該当する二つのアンプからそれぞれ応答フレームを受信するとともに、
各々のアンプ１〜４は、時計方向及び半時計方向にあるサーボモータまたはコントローラ５と双方向シリアル通信ケーブルによって接続されるための二つの物理層を備え、一方の物理層から受信した指令データまたは応答データを、即座に他方の物理層から出力するとともに、指令データが自分向けであった場合には、受信した物理層側とは反対側から指令データを出力後、所定のマージン時間後に応答フレームを出力することを特徴とするサーボモータ制御ネットワークを備えたので、複数のアンプがコントローラから各自の指令フレームの受信を完了しコントローラが複数のアンプから応答フレームの受信を完了する総伝送時間を、総伝送時間におけるマージン時間を減らすことにより総伝送時間を低減することができる。

１〜４ アンプ
５ コントローラ
１１〜１２ アンプ１のＰＨＹ
２１〜２２ アンプ２のＰＨＹ
３１〜３２ アンプ３のＰＨＹ
４１〜４２ アンプ４のＰＨＹ
５１〜５２ アンプ５のＰＨＹ
６１〜６５ シリアル通信ケーブル
７１〜７４ モータ

Claims (4)

1. 各々、モータに接続された複数のアンプと、前記モータを制御するコントローラとを、双方向のシリアル通信ケーブルを用いてループ状に接続されたサーボモータ制御ネットワークにおいて、
   前記コントローラは、一方の前記モータに接続された前記アンプに対して、反時計回り側の一方の前記モータに接続された前記アンプ向け指令フレームを出力すると同時に、時計回り側の他方の前記モータに接続された前記アンプに対して、時計回りに他方のモータに接続されたアンプ向け指令フレームを出力し、該当する二つのアンプからそれぞれ応答フレームを受信し、
   各々のアンプは、前記モータまたは前記コントローラ双方向シリアル通信ケーブルによって接続されるための時計方向及び半時計方向にある二つの物理層を備え、一方の物理層から受信した指令データを、即座に他方の物理層から出力する
   ことを特徴とするサーボモータ制御ネットワーク。
2. 各々、モータに接続された複数のアンプと、前記モータを制御するコントローラとを、双方向のシリアル通信ケーブルを用いてループ状に接続されたサーボモータ制御ネットワークにおいて、
   前記コントローラは、一方の前記モータに接続された前記アンプに対して、反時計回り側の一方の前記モータに接続された前記アンプ向け指令フレームを出力すると同時に、時計回り側の他方の前記モータに接続された前記アンプに対して、時計回りに他方のモータに接続されたアンプ向け指令フレームを出力し、該当する二つのアンプからそれぞれ応答フレームを受信し、
   各々のアンプは、前記モータまたは前記コントローラ双方向シリアル通信ケーブルによって接続されるための時計方向及び半時計方向にある二つの物理層を備え、一方の物理層から受信した指令データまたは応答データを、即座に他方の物理層から出力するとともに、前記指令データが自分向け指令データであった場合には、受信した物理層側とは反対側から指令データを出力後、所定のマージン時間後に応答フレームを出力する
   ことを特徴とするサーボモータ制御ネットワーク。
3. 各々、モータに接続された複数のアンプと、前記モータを制御するコントローラとを、双方向のシリアル通信ケーブルを用いてループ状に接続されるとともに、前記コントローラ及び複数の前記アンプとが、各々、シリアル通信ケーブルと接続するための二つの物理層を備えたサーボモータ制御ネットワークの通信方法において、
   前記コントローラが、一方の前記モータに接続された前記アンプに対して、反時計回り側の一方の前記モータに接続された前記アンプ向け指令フレームを出力すると同時に、時計回り側の他方の前記モータに接続された前記アンプに対して、時計回りに他方のモータに接続されたアンプ向け指令フレームを出力するステップと、
   各々のアンプが、一方の物理層から受信した指令データを、即座に他方の物理層から出力するステップと、
   前記コントローラが、前記シリアル通信ケーブルと、時計方向及び反時計方向に接続された前記アンプから周回された前記指令フレームを受信するステップと、
   備えたことを特徴とするサーボモータ制御ネットワークの通信方法。
4. 各々、モータに接続された複数のアンプと、前記モータを制御するコントローラとを、双方向のシリアル通信ケーブルを用いてループ状に接続されるとともに、前記コントローラ及び複数の前記アンプとが、各々、シリアル通信ケーブルと接続するための二つの物理層を備えたサーボモータ制御ネットワークの通信方法において、
   前記コントローラが、一方の前記モータに接続された前記アンプに対して、反時計回り側の一方の前記モータに接続された前記アンプ向け指令フレームを出力すると同時に、時計回り側の他方の前記モータに接続された前記アンプに対して、時計回りに他方のモータに接続されたアンプ向け指令フレームを出力するステップと、
   各々のアンプが、一方の物理層から受信した指令データを、即座に他方の物理層から出力するステップと、
   前記指令データが自分向け指令データであった場合には、受信した物理層側とは反対側から指令データを出力後、所定のマージン時間後に応答フレームを出力するステップと、
   前記コントローラが、前記シリアル通信ケーブルと、時計方向及び反時計方向に接続された前記アンプから周回された前記指令フレームを受信するステップと、
   備えたことを特徴とするサーボモータ制御ネットワークの通信方法。

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