JP2015159660A - サーボモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置決め指令装置からのパルス列指令に応じて、サーボモータ制御装置に内蔵の電子ギアの変速比を変更することが可能なサーボモータ制御装置を提供する。
【解決手段】サーボモータ制御装置１００において、電子ギア１０は、位置決め指令装置１１０から第１のパルス列θｃを受け、第１のパルス列θｃのパルス数を設定された変速比Ｇで増減する。制御部１２は、電子ギア１０によってパルス数の増減された第１のパルス列θｃと、サーボモータ１２０の回転位置を検出するエンコーダ１３０から出力された第２のパルス列θｐとに基づいて、操作信号を生成して出力する。電力変換部１４は、操作信号に基づいて、サーボモータ１２０に供給するモータ電流Ｉｍを生成する。変速比設定部２０は、第１のパルス列θｃのデューティ比Ｄに基づいて、電子ギア１０の変速比Ｇを設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、位置決め指令装置からの位置決め指令に従って位置制御を行うサーボモータ制御装置に関する。

位置決め指令装置からのパルス列出力でモータ駆動を行う場合、モータを定格（最大）回転速度で動作させるためには、数１０Ｍｐｐｓを超える非常に高速なパルス列出力が必要となる場合がある。しかしながら、位置決め指令装置から出力できるパルス周波数には上限がある。このため、実際には、位置決め指令装置から出力されるパルス周波数を低く設定し、モータ制御装置に設けた電子ギアによって電子的にパルス数を変速比倍して、制御器に入力する方法が一般的に用いられている。

先行技術文献として、特開２００６−２３０１５０号公報（特許文献１）は、ギア比が可変の電子ギアを利用して電子カム機能を実現したモータ制御装置を開示する。特開２０１３−１７６２５６号公報（特許文献２）は、外部から供給される速度指令パルスのパルス周波数またはデューティ比に応じて、インバータ回路の駆動周波数を制御するモータ制御装置を開示する。

特開２００６−２３０１５０号公報 特開２０１３−１７６２５６号公報

上記のように、電子ギアを用いてサーボモータを動作させると、電子ギアの変速比（ギア比）が大きいほど、位置決め指令装置から出力するパルス列の周波数を低く設定できる。しかしながら、電子ギアの変速比（ギア比）を大きくするほど、サーボモータの動作分解能が低下してしまう問題がある。

したがって、この発明の目的は、位置決め指令装置からのパルス列指令に応じて、サーボモータ制御装置に内蔵の電子ギアの変速比を変更することが可能なサーボモータ制御装置を提供することである。

一実施の形態によるサーボモータ制御装置は、電子ギアと、制御部と、電力変換部と、変速比設定部とを備える。電子ギアは、位置決め指令装置から第１のパルス列を受け、第１のパルス列のパルス数を設定された変速比で増減する。制御部は、電子ギアによってパルス数の増減された第１のパルス列と、サーボモータの回転位置を検出するエンコーダから出力された第２のパルス列とに基づいて、操作信号を生成して出力する。電力変換部は、操作信号に基づいて、サーボモータに供給するモータ電流を生成する。変速比設定部は、第１のパルス列のデューティ比に基づいて、電子ギアの変速比を設定する。

上記の実施の形態によれば、位置決め指令装置からのパルス列指令に応じて、サーボモータ制御装置に内蔵の電子ギアの変速比を変更することができる。

実施の形態１によるサーボモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 サーボモータを台形駆動させる場合におけるパルス列指令の一例を示すタイミング図である。 モータ回転速度とパルス列指令のデューティ比と電子ギアの変速比との関係を表形式で表わした図である。 減速−停止期間において、目標回転速度およびデューティ比の変化を示すタイミング図である。 減速−停止期間におけるパルス列指令の波形変化を比較例と対比して示した図である。 実施の形態２によるサーボモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図６の定数格納部に格納される各種定数値の例を表形式で示す図である。 図７の数値例において、位置決め指令装置からのパルス列指令によって表される目標回転速度とデューティ比との関係を示すタイミング図である。 複数のサーボモータとそれらの制御装置とを備えたシステムの構成例を示すブロック図である。

以下、実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

＜実施の形態１＞
［サーボモータ制御装置の構成］
図１は、実施の形態１によるサーボモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

図１を参照して、サーボモータ制御装置１００は、位置決め指令装置１１０から入力された位置指令値θｃ（パルス列指令とも称する）と、エンコーダ１３０によって検出されたサーボモータ１２０のロータの現在位置（回転角度）θｐとに基づいて、モータ電流Ｉｍを生成する。エンコーダ１３０の出力も回転速度に応じた周波数を有するパルス列である。サーボモータ制御装置１００は、生成したモータ電流Ｉｍをサーボモータ（Ｍ）１２０のステータに供給する。

具体的にサーボモータ制御装置１００は、電子ギア１０と、制御部１２と、電力変換部１４と、変速比設定部２０とを含む。これらのうち、電子ギア１０、制御部１２、および変速比設定部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、タイマ、および入出力インターフェースなどを含むマイクロコントローラをベースに構成することができる。

電子ギア１０は、位置決め指令装置１１０から入力されたパルス列指令θｃのパルス数を指定された変速比（ギア比）Ｇで増減する。ここで、本実施の形態では、パルス列指令θｃは、パルスのカウント数で回転量を表し、パルスの周波数で回転速度指令を表すという一般的な構成に加えて、パルスのデューティ比で電子ギア１０の変速比を表すという点に特徴を有する。

制御部１２は、位置制御器、速度制御器、および電流制御器を含む公知のフィードバック制御器の構成を備える。制御部１２は、指定の変速比Ｇでパルス数が増大されたパルス列指令θｃと現在位置θｐを表すパルス列との偏差（具体的には、パルス数の差）に基づいて、偏差が０になるようにフィードバック制御を行う。電力変換部１４は、制御部１２から出力された操作信号に従い、モータ電流Ｉｍを生成する。

変速比設定部２０は、パルス列指令θｃの各パルスのデューティ比を検出し、検出したデューティ比に対応する変速比Ｇの値を電子ギア１０に出力する。図１に示すように変速比設定部２０は、周期検出部２２と、オン時間検出部２４と、デューティ算出部２６と、変速比決定部２８とを含む。

周期検出部２２は、パルス列指令θｃの各パルス（指令パルスとも称する）の周期Ｔを検出する。オン時間検出部２４は、各指令パルスのオン時間Ｔ_ONを検出する。パルス周期Ｔおよびオン時間Ｔ_ONは、たとえば、マイクロコントローラのタイマ機能を用いて測定される。

デューティ算出部２６は、測定されたパルス周期Ｔおよびオン時間Ｔ_ONを用いて、次式（１）に従ってデューティ比（Duty Ratio）Ｄを算出する。

デューティ比（Ｄ）＝オン時間（Ｔ_ON）／パルス周期（Ｔ） …(1)
変速比決定部２８は、メモリに格納されたデューティ比Ｄと変速比Ｇとの関係を表すテーブル（図３参照）に基づいて、算出されたデューティ比に対応する変速比Ｇの設定値を決定する。変速比決定部２８は、決定した変速比Ｇの設定値を電子ギア１０に出力する。上述の変速比設定部２０の動作については、図３〜図５を参照して後でさらに詳しく説明する。

［パルス列指令の具体例について］
図２は、サーボモータを台形駆動させる場合におけるパルス列指令の一例を示すタイミング図である。図２（Ａ）には目標回転速度のタイミング図が示され、図２（Ｂ）には位置決め指令装置１１０から入力されたパルス列指令θｃのタイミング速度が示されている。

図２を参照して、時刻ｔ１から時刻ｔ２の加速期間では、パルス列指令θｃのパルス周波数が徐々に高くなる。時刻ｔ２から時刻ｔ３の等速加速期間では、パルス列指令θｃのパルス周波数が最高回転速度Ｒｍａｘに対応する一定値に維持される。時刻ｔ３から時刻ｔ４の減速期間では、パルス列指令θｃのパルス周波数が徐々に低くなる。さらに、上述したように、位置指令値はパルス数で表現され、電子ギア１０の変速比は各パルスのデューティ比Ｄで表現される。デューティ比Ｄを変化させることによって変速比を変更することができる。

［電子ギアの変速比の設定方法について］
ここで、電子ギアの必要性について説明するため、１７ビット分解能（１３１０７２パルス／回転）のエンコーダを持つサーボモータを、５０００ｒｐｍの定格回転速度で動作させる場合について説明する。この場合、位置決め指令装置に要求されるパルス列指令θｃの周波数は、１３１０７２×５０００／６０［ｐｐｓ（パルス／秒）］で計算することができる。この結果、約１１［Ｍｐｐｓ］という非常に高速なパルス列の出力が必要となることがわかる。

しかしながら、通常の位置決め指令装置では、このような高速パルス列の出力には限界がある。そこで、実際には、位置決め指令装置からのパルス列を電子ギアで変速比（Ｇ）倍することによってモータ制御を行う。例えば、電子ギアの変速比（Ｇ）を１００に設定した場合、位置決め指令装置から出力されるパルス列の周波数は約１１０ｋＨｚで良いことになる。すなわち、電子ギアを使用することによって、位置決め指令装置から出力されるパルス列の周波数を低くできることがわかる。

しかしながら、発明が解決しようとする課題でも述べたように、電子ギアは原理的に変速比が大きくなればなるほど、モータの位置決め分解能が低くなることが問題となる。そこで、本実施の形態では、特に位置決め分解能が必要となる減速−停止期間において、電子ギアの変速比（Ｇ）を徐々に下げていくことで、位置決め分解能の低下を最小限に抑える構成となっている。以下、具体的に説明する。

図３は、モータ回転速度とパルス列指令のデューティ比と電子ギアの変速比との関係を表形式で表わした図である。図４は、減速−停止期間において、目標回転速度およびデューティ比の変化を示すタイミング図である。

図３および図４を参照して、回転速度が５０００［ｒｐｍ］から０まで徐々に変化する減速−停止期間では、図１の位置決め指令装置１１０から出力されるパルス列のデューティ比Ｄは、０．３から０．７まで段階的に増加する。このパルス列指令θｃのデューティ比Ｄを検出することによって、図１の変速比設定部２０は電子ギア１０の変速比Ｇの設定値を１００から２０まで段階的に低下させるので、モータの停止位置に近づくにつれて位置決め分解能を高めることができる。

図５は、減速−停止期間におけるパルス列指令の波形変化を比較例と対比して示した図である。

図５（Ａ）の比較例では、従来の一般的な場合に見られるように、パルス周波数によらずデューティ比が一定値（５０％）に維持される場合が示されている。この場合、周期Ｔ１のパルスおよび周期Ｔ２のパルスのいずれにおいてもオン時間Ｔ_ONとオフ時間Ｔ_OFFとが等しい。一方、図５（Ｂ）に示す本実施の形態の場合には、パルス周期がＴ１よりも長いＴ２のパルスの方が（すなわち、パルス周波数が低い場合のほうが）、デューティ比（パルス周期Ｔに対するオン時間Ｔ_ONの割合）が増加している。

なお、パルス列指令θｃのデューティ比Ｄと電子ギア１０の変速比との対応関係を上記と逆にして、デューティ比が大きいほど変速比が大きくなるように設定してもよい。この場合、減速−停止期間では、パルス列指令θｃのデューティ比Ｄは徐々に減少する。

［実施の形態１の効果］
以上のとおり、実施の形態１によるサーボモータ制御装置１００によれば、位置決め指令装置１１０から出力されるパルス列指令θｃのデューティ比Ｄに応じて、電子ギア１０の変速比Ｇが変更される。言い換えると、位置決め指令装置１１０から出力されるパルス列のデューティ比Ｄが可変に構成され、このデューティ比によって電子ギア１０の変速比Ｇが表現される。この構成によって、例えば目標位置（停止位置）に近づいたときは、電子ギア１０の変速比Ｇを比較的小さくすることによってサーボモータ１２０の位置決め分解能を向上させることができる。逆に、位置決め精度を必要としない高速動作をさせるときには、電子ギア１０の変速比Ｇを比較的大きくすることによって位置決め指令装置１１０から出力されるパルス列指令θｃのパルス周波数を低く抑えることが可能となる。

なお、単純に位置決め指令装置１１０から出力されるパルス列指令θｃ用の制御信号線以外に、電子ギア１０の変速比Ｇの指令値を伝達するための制御信号線を追加することも可能である。しかし、制御信号線を分けた場合には、パルス列指令信号θｃと変速比指令信号との同期の取り方の問題が生じ、さらには、信号線の増加に伴うコストアップの問題も生じる。本実施の形態の場合には、電子ギアの変速比を伝達するための制御信号線を新たに追加する必要がなく、信号の同期の問題も生じない。

＜実施の形態２＞
図６は、実施の形態２によるサーボモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

図６のサーボモータ制御装置１００は、変速比設定部２０の構成が図１の場合と異なる。すなわち、図６の変速比設定部２０では、デューティ比Ｄと変速比Ｇとの関係を示すテーブルに基づいて変速比Ｇを決定する図１の変速比決定部２８に代えて、デューティ比と各種定数値とに基づいて変速比Ｇを算出する変速比算出部３０が設けられている。変速比算出部３０において変速比Ｇの算出に用いられる各種定数は、定数格納部１４０に予め格納されている。定数格納部１４０に格納された各種定数は、位置決め指令装置１１０にも伝達される。

実施の形態１の場合には電子ギア１０の変速比Ｇを段階的にしか変化させられなかったのに対して、実施の形態２の場合には、上記の構成によって変速比Ｇを連続的に変化させることが可能になる。図６のその他の構成は図１の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

以下、位置決め指令装置１１０および変速比設定部２０（特に変速比算出部３０）の動作について具体的に説明する。

図７は、図６の定数格納部に格納される各種定数値の例を表形式で示す図である。図７に示す例では、定数格納部１４０には、最高回転速度Ｒｍａｘとして５０００［ｒｐｍ］、最大デューティ比Ｄｍａｘとして０．８、最小デューティ比Ｄｍｉｎとして０．２、最大ギア比Ｇｍａｘとして２００、最小ギア比Ｇｍｉｎとして５０が格納されている。

図６、図７を参照して、位置決め指令装置１１０は、目標回転速度をＲとしたとき、定数格納部１４０の各定数を用いることによって以下の式（２）に従ってパルス列指令θｃのデューティ比Ｄを決定する。

Ｄ＝Ｄｍｉｎ＋Ｒ×（Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ）／Ｒｍａｘ …(2)
図８は、図７の数値例において、位置決め指令装置から出力されるパルス列指令によって表される目標回転速度とデューティ比との関係を示すタイミング図である。図８に示ように、目標回転速度ＲをＲｍａｘ＝５０００ｒｐｍから０まで変化させる減速−停止期間では、位置決め指令装置１１０は、デューティ比Ｄが上式（２）に従って０．８から０．２まで連続的に変化するパルス列を出力する。

一方、図６のサーボモータ制御装置１００において、変速比算出部３０は、変速比設定部２０によって検出されたパルス列指令θｃのデューティ比Ｄに基づいて、以下の式（３）に従って、電子ギア１０の変速比Ｇを算出する。

Ｇ＝Ｄ×（Ｇｍａｘ−Ｇｍｉｎ）／（Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ） …(3)
図８に示すように、式（３）によって計算される変速比Ｇは最大値２００から最小値５０まで連続的に変化するので、実施の形態１の場合に比べて、モータ停止時により細かな位置決め分解能を実現することができる。

＜実施の形態３＞
図９は、複数のサーボモータとそれらの制御装置とを備えたシステムの構成例を示すブロック図である。

図９を参照して、実施の形態３では、位置決め指令装置１１０は、パルス列指令θｃＡ，θｃＢをそれぞれ出力するために出力ポートを２口（ポート１／ポート２）有する。サーボモータ１２０Ａを制御するためのサーボモータ制御装置１００Ａに第１のポートからパルス列指令θｃＡが供給される。サーボモータ１２０Ｂを制御するためのサーボモータ制御装置１００Ｂに第２のポートからパルス列指令θｃＢが供給される。なお、位置決め指令装置１１０の出力ポート数は、ハード設計で許される限り自由に変更可能である。

各サーボモータ制御装置１００Ａ，１００Ｂの構成は、図６で説明した実施の形態２の場合と同じである。なお、図９ではサーボモータ制御装置の各構成要素の末尾にＡ，Ｂを付すことによって区別している。

サーボモータ制御装置１００Ａ，１００Ｂにそれぞれ対応して定数格納部１４０Ａ，１４０Ｂが設けられている。各サーボモータ制御装置１００Ａ，１００Ｂは、対応の定数格納部１４０Ａ，１４０Ｂから読み出した定数と、対応のパルス列指令θｃＡ，θｃＢのデューティ比とに基づいて、内蔵の電子ギアの変速比の設定値を算出する。なお、定数格納部に格納されている定数は複数のサーボモータ制御装置１００Ａ，１００Ｂで共用することが可能である。

このように複数のサーボモータ１２０Ａ，１２０Ｂを動作させる場合においても、実施の形態１〜２の場合と同様に、各サーボモータ１２０Ａ，１２０Ｂが減速して停止する期間に、パルス列指令θｃＡ，θｃＢのデューティ比に応じて対応する電子ギア１０Ａ，１０Ｂの変速比を変化（減少）させることで、停止時の位置決め分解能の低下を抑えることができる。

＜実施の形態４＞
実施の形態３で説明した複数のサーボモータ制御装置と、これらの制御装置によってそれぞれ制御される複数のサーボモータとを、スカラーロボットに適用することができる。この場合、スカラーロボットを構成する各駆動軸を駆動するためのサーボモータの位置決め分解能を、従来の電子ギアを使ったモータ制御装置に比べて向上させることができる。この結果、実施の形態４によるスカラーロボットは、ある地点Ａから別の地点Ｂにワークを搬送する際に、ユーザーがより細かな位置決め制御を行うことができる。

＜付記＞
以下、上記の各実施の形態に記載した内容の一部を列挙する。

（１） サーボモータ制御装置１００は、電子ギア１０と、制御部１２と、電力変換部１４と、変速比設定部２０とを備える。電子ギア１０は、位置決め指令装置１１０から第１のパルス列θｃを受け、第１のパルス列θｃのパルス数を設定された変速比Ｇで増減する。制御部１２は、電子ギア１０によってパルス数の増減された第１のパルス列θｃと、サーボモータ１２０の回転位置を検出するエンコーダ１３０から出力された第２のパルス列θｐとに基づいて、操作信号を生成して出力する。電力変換部１４は、操作信号に基づいて、サーボモータ１２０に供給するモータ電流Ｉｍを生成する。変速比設定部２０は、第１のパルス列θｃのデューティ比Ｄに基づいて、電子ギア１０の変速比Ｇを設定する。

上記構成によれば、位置決め指令装置１１０から電子ギア１０の変速比Ｇを制御することが可能になる。したがって、たとえば、目標位置（停止位置）に近づいたときは、電子ギア１０の変速比Ｇを比較的小さくすることによってサーボモータ１２０の位置決め分解能を向上させることができる。逆に、位置決め精度を必要としない高速動作をさせるときには、電子ギア１０の変速比Ｇを比較的大きくすることによって位置決め指令装置１１０から出力するパルス列指令θｃのパルス周波数を低く抑えることが可能となる。

（２） （１）のサーボモータ制御装置１００において、変速比設定部２０は、第１のパルス列θｃのデューティ比Ｄに応じて、電子ギア１０の変速比Ｇを段階的に変化させる。

（３） （１）のサーボモータ制御装置１００において、変速比設定部２０は、第１のパルス列θｃのデューティ比Ｄに応じて、電子ギア１０の変速比Ｇを連続的に変化させる。変速比を連続的に変化させることによって、モータ停止時により細かな位置決め分解能を実現することができる。

（４） （１）のサーボモータ制御装置１００において、位置決め指令装置１１０は、定数格納部１４０に格納されている予め定める複数の定数に基づいて、目標回転速度に対応するデューティ比Ｄを算出し、算出されたデューティ比Ｄを有する第１のパルス列θｃを出力するように構成される。変速比設定部２０は、上記の定数格納部１４０に格納されている予め定める複数の定数に基づいて、入力された第１のパルス列θｃのデューティ比Ｄに対応する変速比Ｇを算出し、算出された変速比Ｇで電子ギア１０を動作させるように構成される。

（５） スカラーロボットは、複数の駆動軸をそれぞれ駆動するための複数のサーボモータと、複数のサーボモータをそれぞれ制御する上記（１）〜（４）のいずれかに記載の複数のサーボモータ制御装置と、複数のサーボモータ制御装置の各々に対して、対応の第１のパルス列を出力する位置決め指令装置とを備える。

上記の構成のスカラーロボットによれば、ワークを搬送する際に、ユーザーがより細かな位置決め制御を行うことが可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 電子ギア、１２ 制御部、１４ 電力変換部、２０ 変速比設定部、２２ 周期検出部、２４ オン時間検出部、２６ デューティ算出部、２８ 変速比決定部、３０ 変速比算出部、１００ サーボモータ制御装置、１１０ 位置決め指令装置、１２０ サーボモータ、１３０ エンコーダ、１４０ 定数格納部、Ｄ デューティ比、Ｇ 変速比、Ｉｍ モータ電流、Ｒ 目標回転速度。

Claims (5)

1. 位置決め指令装置から第１のパルス列を受け、前記第１のパルス列のパルス数を設定された変速比で増減する電子ギアと、
   前記電子ギアによってパルス数の増減された前記第１のパルス列と、サーボモータの回転位置を検出するエンコーダから出力された第２のパルス列とに基づいて、操作信号を生成して出力する制御部と、
   前記操作信号に基づいて、前記サーボモータに供給するモータ電流を生成する電力変換部と、
   前記第１のパルス列のデューティ比に基づいて、前記電子ギアの変速比を設定する変速比設定部とを備える、サーボモータ制御装置。
2. 前記変速比設定部は、前記第１のパルス列のデューティ比に応じて、前記電子ギアの変速比を段階的に変化させる、請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
3. 前記変速比設定部は、前記第１のパルス列のデューティ比に応じて、前記電子ギアの変速比を連続的に変化させる、請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
4. 前記位置決め指令装置は、定数格納部に格納されている予め定める複数の定数に基づいて、目標回転速度に対応するデューティ比を算出し、前記算出されたデューティ比を有する前記第１のパルス列を出力するように構成され、
   前記変速比設定部は、前記定数格納部に格納されている予め定める複数の定数に基づいて、入力された前記第１のパルス列のデューティ比に対応する変速比を算出し、前記算出された変速比で前記電子ギアを動作させるように構成される、請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
5. 複数の駆動軸をそれぞれ駆動するための複数のサーボモータと、
   前記複数のサーボモータをそれぞれ制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載の複数のサーボモータ制御装置と、
   前記複数のサーボモータ制御装置の各々に対して、対応の前記第１のパルス列を出力する位置決め指令装置とを備えた、スカラーロボット。

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