JP2564326B2

JP2564326B2 - デイジタル位置サーボ装置

Info

Publication number: JP2564326B2
Application number: JP62261680A
Authority: JP
Inventors: 謙二久保; 正彦渡辺; 力大前
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-10-19
Filing date: 1987-10-19
Publication date: 1996-12-18
Anticipated expiration: 2011-12-18
Also published as: JPH01106119A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、デイジタル位置サーボ装置に係り、特に、
産業用ロボツトのサーボ装置等に用いて好適な、低速状
態で速度変動の小さい制御を行うことを可能としたデイ
ジタル位置サーボ装置に関する。

〔従来の技術〕

産業用ロボツトや数値制御装置等に用いられる位置サ
ーボ装置に関する従来技術として、例えば、柿倉著「産
業用ロボツトの制御方式と利用技術」日刊工業新聞社、
1986年（pp−204−208）等に記載された技術が知られて
いる。この種従来技術は、サーボ駆動系に対する位置指
令値と、アクチユエータに取付けられたエンコーダの出
力パルスを計数して得られる位置検出値とから位置偏差
を演算し、この位置偏差に比例してアクチユエータに対
する速度指令値を決定するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記従来技術は、ロータリエンコーダ等の離散値的に
位置検出を行う位置検出器を用いるものであり、このよ
うな位置検出器のエンコーダパルスを計数することによ
り得られる位置検出値の分解能が、エンコーダの検出分
解能で制限されるため、エンコーダの出力パルス周期が
長くなる低速動作状態において、位置検出の１パルスの
ばらつきにより、アクチユエータに対する速度指令値が
変動してしまうという問題点を有し、特に、TIG溶接等
のように低速状態の制御が必要な機器に用いる場合に
は、速度むらのない制御を行うことが困難であるという
問題点があつた。

本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決し、低
速の動作状態においても、速度変動の小さい安定な位置
制御を行うことのできるデイジタル位置サーボ装置を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、前記目的は、サーボ処理のサンプリ
ング周期内のエンコーダによる位置検出パルスが変化し
ないような低速状態において、エンコーダパルス間の位
置変化を推定し、これにより得られる位置検出値に基づ
いて、位置制御系のフイードバツク制御を実行すること
により達成される。

〔作用〕

エンコーダパルス間の位置変化を推定する位置推定器
は、エンコーダ出力パルスの１パルス以内の位置変化を
高い分解能で推定するために用いられる。この位置推定
器の出力を用い、。実際に得られるエンコーダパルス間
の位置を内挿することにより、より高い分解能の位置検
出値を得ることができる。本発明は、この位置検出値を
用いてサーボ系の制御を行うことにより、速度指令の分
解能を向上させことができ、特に、低速制御状態での速
度変動を低減することができる。

〔実施例〕

以下、本発明によるデイジタル位置サーボ装置の一実
施例を図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示すブロック
図、第２図は動作を説明するフローチャート、第３図は
本発明の動作原理を説明する図、第４図（ａ）〜（ｅ）
は各部の動作波形を示す図である。第１図，第３図にお
いて、１はマイクロコンピユータ、２は位置制御処理
部、3,16はD/A変換器、４は速度制御処理部、５はパワ
ーアンプ、６は電流検出器、７はモータ、８は負荷、９
は速度検出器、10はエンコーダ、11,14はカウンタ、12
は位置推定器、13はV/f変換器である。

第１図に示す本発明の第１の実施例は、本発明を負荷
８としてのアクチユエータをモータ７で駆動するサーボ
系に適用したものであり、デイジタル位置制御を実行す
るマイクロコンピユータ（以下マイコンという）１と、
D/A変換器３と、アナログ回路である速度制御処理部４
と、エンコーダ10の出力パルスを計数するカウンタ11
と、位置推定器12と、モータ７を駆動するパワーアンプ
５とにより構成される。モータ７の速度を検出する速度
検出器９により検出されるモータ速度（負荷８の動作速
度と等価）検出値ω_ｍは、速度制御処理部４にフイード
バツクされ、モータ７の速度制御処理に用いられるとと
もに、位置推定器12にも与えられ、エンコーダパルス間
の位置推定のために用いられる。エンコーダ10によるモ
ータ７の位置検出信号（負荷８の位置と等価）となるエ
ンコーダパルスP_Eは、カウンタ11により計数され位置検
出値θ_ｍとされる。位置推定器12は、マイコン１による
ソフトウエア処理と、速度検出器９の出力値をパルス信
号に変換するV/f（voltage to frequency）変換器13
と、この発生パルスを計数するカウンタ14と、位置推定
値の補正量Δθ_ｍをアナログ値に変換し、モータ速度検
出値ω_ｍを補正するD/A変換器とにより構成され、カウ
ンタ11の出力である位置検出値θ_ｍとモータ速度検出値
ωとにより、エンコーダ10より高い分解能で位置推定値を演算し、この値をマイコン１内の位置制御処理部２に
与える。これにより、マイコン１は、ソフトウエア処理
によりモータ７の位置サーボ、すなわち、アクチユエー
タである負荷８の位置サーボを実行する。

以下、マイコン１が位置制御を行う処理を第２図に示
すフローチヤートにより説明する。

マイコン１は、一定周期毎の割込みにより、位置制御
処理及び位置推定器12における位置推定処理を実行す
る。以下の説明では、ｉ番目の割込み時点の処理を説明
する。

（１）まず、外部より与えられる位置指令値θ
_mr（ｉ）、カウンタ11からの位置検出値θ_ｍ（ｉ）及び
カウンタ14からの位置推定値を取込む（処理S101〜S103）。

（２）次に、前回の割込時点（ｉ−１）における位置
検出値θ_ｍ−（ｉ−１）と今回の検出値θ_ｍ（ｉ）とを
比較し、両者の値に変化があるか否かをチエツクする
（処理S104）。

（３）処理S104で、位置検出値に変化があれば、今回
の位置検出値θ_ｍ（ｉ）と位置推定値との差を演算し、位置推定値の補正量Δθ_ｍを演算し、
この補正量をD/A変換器16に出力する。この補正量によ
り、位置推定器12が出力する位置推定値が実際の位置検
出値と一致するように修正される（処理S105,S106）。
なお、この動作原理については後述する。

（４）処理S106の終了後、または、処理S104で、位置
検出値に変化がない場合、位置指令値θ_mr（ｉ）と位置
推定値とを用いて位置制御処理が実行され、その制御演算結果
が位置制御処理部２よりD/A変換器３に出力される。こ
れにより、モータ７に対する速度指令値ω_mrが更新さ
れ、モータ７を位置指令値に追従して制御するための位
置サーボが実行される。

次に、位置推定器12の動作原理を第３図により説明す
る。

第３図において、モータ７の速度ω_ｍは、速度検出器
９により検出されるので、この検出値を位置推定器12内
の積分器18で積分することにより位置推定値を得ることができる。積分器18におけるＳは、ラプラス
演算子であり、1/Sが積分機能を表わしている。しか
し、このような積分だけでは、初期位置オフセツト等に
よる入力誤差のため、位置推定値とエンコーダから検出される位置検出値θ_ｍとを一致さ
せることができない。このような線形システムの状態を
推定する方法として、例えば、伊藤外著「線形制御系の
設計理論」（計測自動制御学会刊、昭53年）に記載され
ているような、状態推定器の手法が知られている。この
方法によれば、モータの状態変数としてその位置θ_ｍを
選ぶと、システムの状態方程式は、次式で与えられる。

但し、Ａ＝０、Ｂ＝１、ω_ｍはモータ速度である。

これに対し、モータの位置を推定するための状態推定
器は、次式を演算するように構成される。

但し、A_M,B_Mは、夫々A,Bに等しく設定され、g₁は、状
態推定器の出力を実際のシステムの状態変数（この場合
は位置検出値）と一致させるための推定器ゲインであ
る。

この第（２）式において、A_M＝０、B_M＝１に設定され
るので、状態推定器（この場合状態変数として位置が選
ばれているので、位置推定器と同義）の出力である位置
推定値は、として求めることができる。すなわち、第３図に示す位
置推定器12は、積分器18の出力である位置推定器と、エンコーダ10の出力パルスを計数することにより得
られる位置検出値θ_ｍとの減算を行い、この減算結果に
推定器ゲインg₁を乗じた値を、正しく位置推定値を推定するための補正量とする。このとき、g₁を大きく
選ぶことにより位置推定誤差を小さくすることができる
が、補正量の演算は、エンコーダ10の出力パルス毎にし
か実行されないため、位置推定器12の動作が離散値系と
なる。このため、推定器ゲインg₁は、位置推定器12の安
定性を損なわない範囲で位置推定値誤差が充分に小さく
なるように設定される。

次に、このような原理エンコーダ10の出力パルス間の
位置変化を推定する位置推定器12の動作波形を第４図
（ａ）〜第４図（ｅ）により説明する。

まず、第１図において、位置推定器12内のV/f変換器1
3は、速度検出器９より得られるモータ速度ω_ｍと補正
量Δω_ｍとを加算したアナログ値を、その大きさに比例
した周波数のパルス列に変換する。このパルス列をカウ
ンタ14で計数することにより、位置推定値を得ることができる。すなわち、V/f変換器13とカウン
タ14とが、第３図における積分器18の機能を実行してい
る。一方、マイコン１のソフトウエア処理により計算さ
れた位置推定誤差は、D/A変換器16によりアナログ値に変換され、補正量
Δω_ｍとされる。このとき、推定器ゲインg₁は、D/A変
換器16における変換係数に含まれるものとした。

第４図（ａ），（ｂ）は夫々カウンタ11及び14の動作
波形を示している。カウンタ11は、エンコーダ10の出力
パルスP_Eを計数することにより、その計数値である位置
検出値θ_ｍを出力する。一方、カウンタ14は、V/f変換
器13の出力パルス列を計数した位置推定値を出力する。このとき、両カウンタ11,14とも回転方向
を検出してアツプ、ダウンカウントが制御される。これ
に対し、マイコン１は、一定周期毎の割込みにより制御
演算を実行する。この割込みパルス列が第４図（ｃ）に
示されている。このパルス周期T_Pが位置制御（APR）周
期となる。マイコン１は、この割込み毎に、カウンタ11
及びカウンタ14の計数値を読出すので、マイコン内の位
置検出値θ_md及び位置推定値は、この割込みパルスに同期して第４図（ｄ）のように
変化する。また、マイコン１は、位置検出値θ_mdが前回
の割込時点より更新されている場合に、位置推定誤差Δ
θ_ｍを演算し、これをD/A変換することにより補正量Δ
ω_ｍを算出する。この動作波形が第４図（ｅ）に示され
ている。

第１図に示す実施例において、位置推定値を得るためのV/f変換器13は、その分解能を充分高く選
ぶことができるので、エンコーダ10の出力パルスを計数
して得られる位置検出値θ_ｍより、高い分解能の位置推
定器を得ることができる。第１図に示す実施例は、これによ
り、等価的に位置検出分解能を向上することができるの
で、位置検出器としてポテンシヨメータのような連続的
に位置検出できる手段を用いた場合と同様な円滑な位置
サーボ性能を得ることができる。このため、前述の実施
例は、特に、極低速で速度変動の小さい位置送り制御が
要求される数値制御工作機や溶接作業用ロボツト等の位
置サーボに適した制御を行うことができる。

前述したように、本発明の第１の実施例によれば、位
置検出分解能の高い高級なエンコーダを用いることな
く、等価的に高分解能のエンコーダを用いたのと同一の
高性能な低速送り制御を実行することができるという効
果を奏する。また、一般に、モータに取付けられるエン
コーダの出力パルス信号は、基本的にその伝送上の問題
からパルスレートをあまり高く選ぶことができず、エン
コーダ自体を高分解能化したとき、単にエンコーダ単体
のコストだけでなく、エンコーダの出力パルスのレシー
ブ回路を含めて制御回路が複雑になるという問題点が生
じる。これに対し、本発明の実施例によれば、安価なパ
ルスレシーブ回路のままで、等価的に位置検出信号を高
分解能化することができるという効果を生じる。このと
き、位置推定値を得るためのV/f変換器のパルス出力
は、制御回路内部で処理されるので、エンコーダ10の出
力パルスに比較して充分高い周期に設定しても問題とは
ならない。

次に、本発明の第２の実施例を第５図のフローチヤー
トにより説明する。

前述の第１の実施例は、位置サーボ処理に用いる位置
フイードバツク値として、恒に位置推定値を用いるものであつた。この第１の実施例では、特に低
速での位置制御状態において滑らかな追従特性を得るこ
とができる。しかし、この実施例は、位置推定器を用い
ているのでエンコーダの出力パルス間の位置検出分解能
を向上させることができるが、精度そのものはエンコー
ダ自体の分解能に制約されることになる。このため、本
発明の第２の実施例は、最終的な位置決め領域に近づい
たとき、位置フイードバツクを位置推定値から、エンコーダの出力パルスによる位置検出値θ_ｍに
切換え、制御精度の向上を図るものであり、その動作フ
ローが第５図に示されている。

（１）まず、すでに説明した第１の実施例の場合と同
じ第２図の処理S101〜S106が実行される（処理S110）。

（２）次に、位置検出値θ_ｍ（ｉ）と位置決め位置θ
_meとの偏差θ_ｅ（ｉ）を計算し、この偏差θ_ｅ（ｉ）が
位置決め範囲内か否かを判別する（処理S111,S112）。

（３）処理S112の結果、偏差θ_ｅ（ｉ）がまだ位置決
め領域内に入つていなければ、引続き位置推定値を用いた位置制御を実行し、この結果をD/A変換器３に
出力する（処理S113,S115）。

（４）一方、処理S112の結果、偏差θ_ｅ（ｉ）が位置
決め領域内のときには、エンコーダの出力パルスの計数
値であるθ_ｍ（ｉ）をフイードバツク値として位置制御
を実行し、この結果をD/A変換器３に出力する（処理S11
4,S115）。

この実施例は、最終的な位置決めに、位置推定器の推
定誤差を含まず、精度よく位置決めを実行することがで
き、また、位置決め点に向うまでの動作経路を高分解能
な位置推定器の出力を用いて円滑に制御することができ
るという効果を有する。

次に、本発明の第３の実施例を第６図のフローチヤー
トにより説明する。

前述した第１の実施例は、位置検出の分解能を向上さ
せることにより、特に、低速領域での速度変動を低減で
きるものである。従つて、高速の動作状態で位置サーボ
を実行している場合には、エンコーダの位置検出の量子
化に起因する速度変動率は充分小さくなる。本発明の第
３の実施例は、このような点を配慮したもので、モータ
速度に応じて位置推定器を用いるか否か切換えるように
したものであり、その動作フローが第６図に示されてい
る。

（１）まず、すでに説明した第１の実施例の場合と同
じ第２図の処理S101〜S106が実行される（処理S117）。

（２）次に、今回の位置検出値θ_ｍ（ｉ）と、前回の
位置検出値θ_ｍ（ｉ−１）との差V_m（ｉ）を求め、この
大きさよりモータの速度領域を判別し、この絶対値|V_m
（ｉ）｜が予め定めた所定の大きさV_maxより大きいか小
さいか判定する（処理S118,S119）。

（３）処理S119で、|V_m（ｉ）｜がV_maxより小さい場
合、位置推定値を用いて位置制御を行い、|V_m（ｉ）｜がV_maxより大き
い場合、高速領域と判別し、エンコーダの出力パルスに
よる位置検出値θ_ｍ（ｉ）を用いて位置制御を実行し、
その結果をD/A変換器３に出力する（フローS120〜S12
2）。

この本発明の第３の実施例は、位置推定器を用いる速
度範囲を特定の低速領域に制限しているので、第１の実
施例のV/f変換器13のダイナミツクレンジ及びカウンタ1
4の上限周波数を制限できるため、より簡単なハードウ
エアで位置推定器を構成することができるという効果を
有する。

前述した本発明の第２及び第３の実施例のハードウエ
ア構成は、第１の実施例と同一でよい。これらの実施例
において、速度検出値を積分する手段として、V/f変換
器とその出力パルスを計数するカウンタを用いている
が、速度検出値を積分する手段は、デイジタルサーボ技
術で用いられるように、エンコーダの出力パルス間の時
間計測により速度を演算し、その速度検出値をマイコン
のソフトウエア処理により積算する構成としてもよい。

第７図は本発明の第４の実施例の構成を示すブロツク
図である。第７図において、20はD/A変換器、101は位置
制御処理部、102は速度制御処理部、103は速度検出器、
104は位置検出器、105は速度及び位置推定器、112は切
換え部であり、他の符号は第１図の場合と同一である。

第７図に示す本発明の第４の実施例は、位置推定器の
構成を、更に速度の積分として位置推定値を求める構成
とするのではなく、速度の推定も可能な速度及び位置推
定器とした点で、第１の実施例と相違している。そし
て、この実施例は、位置制御処理、速度制御処理、速度
検出、位置検出及び速度位置推定の各機能がマイコン１
内のソフトウエア処理により実行されるように構成され
ている。

第７図に示す実施例において、マイコン１の制御処理
の結果は、電流指令imrとしてD/A変換器20に与えられ、
このD/A変換器20の出力に応じて、パワーアンプ５がモ
ータ７を駆動制御する。モータ７の位置及び速度の検出
にエンコーダ10が用いられ、エンコーダ10の出力パルス
がカウンタ11により計数され、その計数結果がマイコン
１に与えられる。マイコン１内のソフトウエア処理によ
る速度検出器103及び位置検出器104は、一定周期毎のカ
ウンタ11のパルス計数値の変化から、モータ速度ω_ｍ及
びモータ位置θ_ｍを検出する。

速度及び位置推定器105は、パワーアンプ５及びモー
タ７の動作特性を表わすモデル部及びモデルの状態を実
際の検出値に一致させるための補正量を演算する部分に
より達成されており、第１の実施例の場合と同様に線形
システムにおける状態推定器として構成される。まず、
モデル106は、パワーアンプ５及びモータ７の駆動トル
クを生成する部分のモデルであり、次式に従つて駆動ト
ルクの推定値を演算する。

但し、は駆動トルクの推定値、_T,T_Cは駆動トルク定数及び電
流制御系時定数の設定値である。

この駆動トルクの推定値により、モータの速度推定値が次式により演算される。

但し、J_eはモータを含めた駆動系の慣性モータメント
の設定値、Ｓはラプラス演算子、Ｆ（Ｓ）、g₂は推定器
ゲインであり、Ｆ（Ｓ）は、として設定される。1/Sは積分機能を表わしているの
で、前記第（５）式に第（６）式を代入すると、速度推
定値は、次式のように演算される。

この速度推定値から位置推定値は、第１の実施例の場合と同様に、次式のように演算す
ることができる。

前述の第（７），（８）式において、f₁,f₂,g₁,g₂は
速度及び位置推定器の推定器ゲインであり、推定器の状
態推定値が、検出値と一致するように最適に設定される。

速度及び位置推定器105より得られた、速度推定誤差を含めて演算された位置推定値は、切換え部112を介して位置制御処理部101にフイード
バツクされ、また、速度検出器103の速度検出値ω
_ｍは、速度制御処理部102にフイードバツクされる。こ
れにより、マイコン１は、位置指令値θ_mrに基づいて、
モータ７を制御する電流指令imrを出力する。

前述した本発明の第４の実施例は、専用の速度検出器
を用いることなく、エンコーダの出力パルスのみで位置
及び速度を演算できるデイジタルサーボ系であり、エン
コーダの出力パルス間の速度及び位置の状態を充分高分
解能に推定することができる。このため、この実施例
は、単に速度検出値を積分する方法を用いるのに比較し
て、より安定に位置推定器を演算することができるという効果を有している。さら
に、この実施例は、速度及び位置推定器が、第（７）式
に示すように、速度推定値の演算に、速度推定誤差だけでなく、位置推定誤差をフイードバツクしているので、その推定器ゲインg₂を
最適に設定することにより、エンコーダの出力パルス間
の速度をより安定に推定することができるという効果を
有する。

さらに、このようにして得られた位置推定値は、前述した本発明の第2,第３の実施例で説明したと同
様に、位置決め範囲や速度領域に応じて、エンコーダの
出力パルスによる位置検出値θ_ｍと切換えられて、位置
制御のために用いられてよい。このときの切換えは、第
７図に示す切換え部112で行われる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、高価なエンコ
ーダを用いることなく、高分解能の位置検出値が得られ
るので、低速時においても滑らかな位置サーボを実行す
ることができるという効果を奏することができる。ま
た、高分解能のエンコーダを用いた場合、高速動作状態
においてエンコーダパルスレートが高くなり、パルスレ
シーブ回路等が高価なものとなるが、本発明によれば、
エンコーダパルス数を増すことなく高分解能化を達成で
きるので、システム全体のコストを低減できるという効
果も奏する。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の第１の実施例の構成を示すブロツク
図、第２図は動作を説明するフローチヤート、第３図は
本発明の動作原理を説明する図、第４図（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は各部の動作波形を示
す図、第５図，第６図は本発明の第2,第３の実施例の動
作を説明するフローチヤート、第７図は本発明の第４の
実施例の構成を示すブロツク図である。１……マイクロコンピユータ、2,101……位置制御処理
部、3,16,20……D/A変換器、4,102……速度制御処理
部、５……パワーアンプ、６……電流検出器、７……モ
ータ、８……負荷、9,103……速度検出器、10……エン
コーダ、11,14……カウンタ、12……位置推定器、13…
…V/f変換器、104……位置検出器、105……速度及び位
置推定器、112……切換え部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アクチユエータを駆動する手段、アクチユ
エータの位置検出のために前記駆動手段に設けたエンコ
ーダを備え、該エンコーダの出力パルスの計数値と、外
部から与えられる位置指令値とに基づいて、アクチユエ
ータの位置サーボを行うサーボ装置において、エンコー
ダの出力パルス間の位置変化を推定し、この推定した位
置変化とエンコーダの出力パルスの計数値とによりアク
チユエータの位置を検出する位置推定手段を備え、該位
置推定手段の出力により位置サーボを行うことを特徴と
するデイジタル位置サーボ装置。
【請求項２】前記特許請求の範囲１項において、アクチ
ユエータの位置が所定の位置決め領域内にあるとき、前
記位置推定手段の出力でなく、エンコーダの出力パルス
の計数値により位置サーボを行うことを特徴とするデイ
ジタル位置サーボ装置。
【請求項３】前記特許請求の範囲第１項において、アク
チユエータの速度が所定の動作速度以下の場合、前記位
置推定手段の出力により位置サーボを行い、アクチユエ
ータの速度が所定の動作速度以上の場合、前記エンコー
ダの出力パルスの計数値により位置サーボを行うことを
特徴とするデイジタル位置サーボ装置。
【請求項４】前記特許請求の範囲第１項，第２項または
第３項において、位置推定手段は、アクチユエータの速
度検出値と、エンコーダの出力パルスのカウント値とに
より、アクチユエータの位置を検出することを特徴とす
るデイジタル位置サーボ装置。
【請求項５】前記特許請求の範囲第１項，第２項または
第３項において、位置推定手段は、エンコーダの出力よ
り得た速度検出値より、エンコーダの出力パルス間のア
クチユエータ速度を推定し、この速度の推定値によりア
クチユエータの位置を検出することを特徴とするデイジ
タル位置サーボ装置。