JP2597374B2

JP2597374B2 - 位置制御装置

Info

Publication number: JP2597374B2
Application number: JP62317409A
Authority: JP
Inventors: 憲藤井; ▲ツトム▼ 斉藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1997-04-02
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JPH01159711A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は位置制御装置に係り、特にエンコーダを用い
て位置決め動作を行なう位置制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より、位置信号を出力するエンコーダを用いて負
荷（例えば回転体，テーブル等）の現在位置を検出し、
この検出値と目標位置との偏差（位置偏差量）に基づき
サーボモータの速度を制御しつつ、負荷が目標位置に至
るようにする位置決め制御が知られている。この種の位
置制御装置については、「日経エレクトロニクス」（19
82年１月18日号発行、発行社、日経マグロウヒル社）第
219頁から第228頁に記載されており、次のような位置決
め制御がなされている。

例えば、位置決め用のサーボ制御系への入力信号（速
度制御信号）として、負荷の現在位置が目標位置から離
れているときは位置偏差量をDA変換した信号のみを用い
ている。具体的には現在位置と目標位置との位置偏差量
が大きい程サーボモータの出力（負荷速度）を大きく
し、位置偏差量が小さい程サーボモータの出力を小さく
して徐々に目標位置に減速しつつ接近するようにしてい
る。

また、負荷の位置が目標位置に極めて接近（例えば位
置偏差量がエンコーダ分解能の１ビツト以内）とする
と、前記DA変換器の信号に基づく速度制御に代わり、エ
ンコーダからの正弦波信号の一部をサーボ制御系の入力
信号に利用することにより、円滑にサーボモータを停止
させて、停止誤差１パルス以下で位置決め制御を行うも
のである。

第５図は、前記公知例から引用した従来技術の具体例
である。

第５図において、１は電子計算機、２はDA変換器、３
はサーボ増幅器、４はモータ（サーボモータ）で、モー
タ４は、サーボ増幅器３の出力に応じて負荷７を駆動す
る。タコジエネレータ５は、モータ４の速度を検出し、
サーボ増幅器３にフイードバツクすることにより速度制
御系を構成する。この速度制御系は、モータ４の実速度
が電子計算機１で設定された目標速度値となるようにフ
イードバツク制御するものである。

６は２相出力エンコーダ（以下、エンコーダとする）
で、エンコーダ６の２相出力Ａ及びＢは、波形整形器８
を経て方形波信号Ａ′及びＢ′となる。第６図の（Ｉ）
〜（IV）には、これらの出力波形A,B,A′,B′等を表わ
しており、同図に示すようにエンコーダ６の２相出力の
うちＡはサイン波信号,Bはそれよりも90度位相がずれた
コサイン波信号であり、また位相ずれの極性はモータ４
の回転方向に依存する。

２相出力A,Bは方形波信号Ａ′,B′に波形整形された
後に、さらにカウントパルス発生器９に入力され、カウ
ントパルス発生器９は、２相信号Ａ′,B′を基にモータ
４の回転方向に依存するカウントアップ，カウントダウ
ン信号を発生し、電子計算機１にカウントアツプ及びカ
ウントダウンのいずれかの信号を与える。カウントパル
ス発生器９の出力Ｃを第６図の（Ｖ）に示す。

電子計算機１は、カウントアツプ及びカウントダウン
の信号により負荷の現在位置を読み取り、（目標位置）
−（現在位置）＝（位置偏差量）をDA変換器２を介して
サーボ増幅器３に入力し、位置制御系を構成する。

第６図の（VI）は、この位置偏差量ΔｘとDA変換器出
力との関係を表わし、横軸の０は目標位置、横軸の
（＋）は正の位置偏差量、（−）は負の位置偏差量であ
り、縦軸はDA変換器出力を表わす。同図（VI）に示すよ
うに位置偏差量の絶対値が大きい程DA変換器２の出力が
大きい。

従つて、負荷の現在位置が目標位置より離れる程（位
置偏差の絶対量が大きい程）、DA変換器の出力（モータ
速度）も大きく、逆に負荷の現在位置が目標位置に近づ
く程（位置偏差の絶対量が小さい程）、DA変換器の出力
（モータ速度）が小さくなり、徐々に減速される。ま
た、現在位置が目標位置に極めて接近（例えば位置偏差
量がエンコーダ分解能の１パルス以内）すると、DA変換
器出力による速度制御に代つて、電子計算機１がアナロ
グスイツチ31をONすることによりエンコーダ出力Ａ〔第
６図（VI）のx₁,x₁′の範囲にある出力〕をサーボ増幅
器３に入力し、位置偏差量が１パルス以内でもモータ４
から負荷７にトルクを与え、停止誤差１パルス以下で位
置決めを行うようになつている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで上記従来技術は、位置偏差サーボ信号（モー
タの目標速度値）であるDA変換器出力が階段状の出力で
あるため、エンコーダの１パルス毎にDA変換器出力が急
激に変化する部分について特別な配慮がされておらず、
つぎのような改善すべき点があつた。

（１）すなわち、負荷が目標位置に近づく途中におい
て、DA変換器出力は１パルス毎に階段状に変化するが、
このようにDA変換器出力が急激に変化すると、モータの
トルクが不連続に変化する。そのため、モータ及び負荷
の動きが滑らかでなく、機械的な振動を発生しやすい。

（２）また負荷に摩擦や外乱トルクが働いて、位置偏差
量がエンコーダ分解能の１パルス以上の位置で負荷が停
止した場合、この停止位置がDA変換器出力の急激に変化
する部分（階段波形の段差部分）と一致すると、この位
置でのDA変換器出力のゲイン勾配が大きいため、位置制
御系のループゲインが非常に大きくなり、負荷がハンチ
ングを引き起こす。従つて、系のループゲインを大きく
とることができず、負荷の目標位置に至るまでの動作速
度を早くしつつ停止精度を高くすることが困難であつ
た。

このような問題に対処するためには、例えば、実開昭
54−75908号公報のように、サーボモータの回転位置検
出信号発生器により発生するサイン波を90度位相器によ
り90度位相させ、このようにして得られたコサイン信号
を180度ごとに位相を反転させて前記階段波形に加算す
れば、第７図のようにほゞ直線に近い位置偏差サーボ信
号を得られ、上記問題を改善できる。しかし、コサイン
信号の曲線に影響により位置偏差信号にうねりが残り、
これがモータの回転に影響することにより、モータの位
置によって系のループゲインが均一にならないため、機
械的振動やハンチング現象が未だ発生することもあっ
た。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、その目的
は、位置制御動作のさいにモータから発生するトルクが
滑らかに変化し、且つうねりも生じさせないで、機械的
振動を起こしにくい、また、負荷に摩擦や外乱が存在し
てもハンチングを起こさない、安定かつ高精度な位置制
御装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、次のように構
成する。

一つは、位置制御ループ系として、前記したようなサ
ーボモータ、２相出力エンコーダ，波形整形器，カウン
トパルス発生器，電子計算機,DA変換器，サーボ増幅器
を備えた位置制御装置において、前記DA変換器から出力される階段状のアナログ電圧を
モータの速度制御と位置決め制御を兼ねる位置偏差サー
ボ信号としてスムージング回路を介してサーボ増幅器に
入力させる構成とし、且つ、前記スムージング回路は、
前記DA変換器から出力される階段状のアナログ電圧を直
線状の位置偏差サーボ信号にするために、エンコーダの
サイン波信号を三角波交流波形に整形するアークサイン
関数発生器と、この三角波交流波形を一部反転させての
こぎり歯波形の交流を形成する回路と、前記のこぎり歯
波形の交流形成回路の出力を前記階段状のアナログ電圧
に加算する回路とを備えて成る。

もう一つは、上記スムージング回路に代わるスムージ
ング回路として、前記２相出力エンコーダのサイン波信
号をコサイン波信号で除算する除算器と、前記除算器の
出力からアークタンジェント関数器を用いてのこぎり歯
波形の交流を形成する回路と、前記のこぎり歯波形の交
流形成回路の出力を前記階段状のアナログ電圧に加算す
る回路とを備えたものを提案する。

〔作用〕

スムージング回路は、DA変換器出力（階段状のアナロ
グ電圧）を連続的な直線勾配の位置偏差サーボ信号に変
換して〔第２図（VIII），第４図（VIII）〕サーボ増幅
器に入力させるので、階段波形の円滑化は勿論のこと第
７図に示すような従来のスムージング対策で生じた波形
のうねりも解消できる。したがって、発明が解決しよう
とする課題の項で述べた（１）の機械振動や（２）のハ
ンチング現象を今まで以上に効果的に抑制する。

〔実施例〕

以下、本発明の各実施例を第１図ないし第４図により
説明する。

第１図は本発明の第１実施例を示す位置制御システム
図で、図中、既述した第５図の従来例と同一符号は同一
或は共通する要素を示すものである。

本実施例におけるモータ４→タコジエネレータ５→２
相エンコーダ６→波形整形器８→カウントパルス発生器
９→電子計算機１の経路の作用は、既述した第５図の従
来例と同様の作用を行なうもので、更に本実施例では、
一点鎖線枠で囲まれるスムージング回路14を付加した点
に特徴を有する。

スムージング回路14は、２相出力エンコーダ６のサイ
ン波信号Ａを三角波交流波形に整形するアークサイン関
数発生器16と、この三角波交流波形を一部反転させての
こぎ歯波形の交流を形成する回路（反転増幅器10、イン
バータ11、アナログスイツチ12,13）と、前記のごぎり
歯波形の交流形成回路の出力をDA変換器２から出力され
る階段状のアナログ電圧に加算する回路20とで構成され
る。

本実施例では、エンコーダ出力（サイン波信号）Ａ
は、波形整形器８に入力する他にスムージング回路14に
入力される。エンコーダ出力Ａは、スムージング回路14
により処理され、最終的には、後述するようにスムージ
ング回路14の出力がDA変換器２の階段波形に加算され
て、DA変換器２の出力（位置偏差サーボ信号Ｆ）が直線
状の勾配で変化するよう制御される。

これを第２図の各信号を用いて説明する。なお、第２
図における（Ｉ）〜（Ｖ）までの信号は、第６図の従来
例と同様にエンコーダ６からカウントパルス発生器９ま
でで出力される信号形態を表わす。また、電子計算機１
は、カウントパルス発生器９の出力たるカウントアツプ
及びカウントダウンの信号により負荷の現在位置を読み
取り、（目標位置）−（現在位置）＝（位置偏差量）を
DA変換器２を介してサーボ増幅器３に入力する。

ここで、DA変換器２の出力Ｄは、第２図（VIII）の点
線波形に示すように位置偏差量に応じて階段状に変化す
る波形を呈する。

エンコーダ出力（サイン歯信号）Ａは、アークサイン
関数発生器16により第２図（VI）に示すように三角波と
なり、反転増幅器10,インバータ11,スイッチ12,13の作
用により、波形整形器出力Ｂ′がローレベルの区間では
そのままの極性で出力され、波形整形器出力Ｂ′がハイ
レベルの区間では反転されて出力されることにより、ス
ムージング回路出力Ｅは第２図（VII）に示すようにの
こぎり歯の交流波形となる。第１図において波形整形器
出力Ｂ′がローレベルの区間ではアナログスイツチ12が
インバータ11を介してオンし、ハイレベルの区間ではア
ナログスイツチ13がオンする。

このスムージング回路出力Ｅのピークツーピークの値
は、DA変換器出力Ｄの単位ステツプ（１段階）の幅と等
しくなるので、DA変換器出力Ｄとスムージング回路出力
Ｅを加算することにより、第２図（VIII）の実線に示す
ように完全に直線状の位置偏差サーボ信号Ｆが得られ
る。なお、アークサイン関数発生器16としては、市販の
三角関数用ICが簡単に利用できる。

本実施例によれば、第７図の位置偏差サーボ信号に見
られるようなうねりがないため、サーボモータを用いて
位置制御動作を行う場合に今までよりもさらに機械的振
動を起こしにくく、負荷に摩擦や外乱が存在しても従来
のようなハンチング現象の発生を確実に防止し、安定
で、かつ系のループゲインを大きく設計できるため迅速
で高精度な位置決め制御ができるという効果がある。

次に、本発明の第２実施例を第３図により説明する。
第１図の実施例と異なる点は、スムージング回路14が除
算器17とアークタンジエント関数発生器18と加算回路20
から構成されていることにある。除算器17はエンコーダ
６のサイン波信号をコサイン歯信号で除算し、除算器17
の出力からアークタンジェント関数器18を用いてのこぎ
り歯波形の交流を形成する。

第４図により動作波形を説明すると、エンコーダ出力
Ａ＝sinΔｘ、及びＢ＝cosΔｘを除算器17に入力する
と、その出力として第４図（VI）に示すようにA/B＝tan
Δｘが得られ、スムージング回路出力Ｅとして第４図
（VII）のようなのこぎり歯状の波形が得られる。

スムージング回路出力Ｅのピークツーピークの値は、
DA変換器出力Ｄの１ステップ（１段階）の幅と等しくな
るようにしておけば、DA変換器出力Ｄとスムージング回
路出力Ｅを加算することにより、第４図（VIII）の実線
に示すように完全に直線状の位置偏差サーボ信号Ａが得
られる。なお、アークタンジエント関数発生器としては
市販の三角関数用ICが簡単に利用できる。

本実施例によれば、第１実施例同様に滑らかでうねり
をなくしたモータ動作により安定な位置決め制御がで
き、系のループゲインも大きく設計できるので位置精度
を向上できるという効果があるだけでなく、エンコーダ
の出力Ａ及びＢの値が周囲温度変化や経年変化によつて
変化しても除算器によりA/Bという演算が施されるた
め、Ａ及びＢが同じように変化する場合には相殺されて
位置偏差サーボ信号Ｆとしては影響を受けず、安定な動
作が得られるという効果がある。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、サーボモータを位置偏
差サーボ信号に基づき速度制御しつつ位置決め制御する
場合に、そのサーボモータを制御する位置偏差サーボ信
号を直線勾配にできるので、サーボモータのトルクを滑
らかに変化させ、且つうねりも生じさせず、その結果、
機械的振動をより一層抑制し、また、負荷に摩擦や外乱
が存在してもハンチングを確実に防止できる。その結
果、今までよりも系のループゲインを大きく設計できる
ので、安定でかつ高精度が位置制御ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示すブロツク図、
第２図（Ｉ）〜（VIII）は第１図の各部の動作波形を示
す図、第３図は本発明の第２実施例の構成を示すブロツ
ク図、第４図（Ｉ）〜（VIII）は第３図の各部の動作波
形を示す図、第５図は従来の位置制御装置の構成を示す
ブロツク図、第６図（Ｉ）〜（VI）は第５図の各部の動
作波形を示す図、第７図は従来考えられていたスムージ
ング波形の一例を示す説明図である。１……電子計算機、２……DA変換器、３……サーボ増幅
器、４……モータ、５……モータ速度検出器（タコジエ
ネレータ）、６……エンコーダ、７……負荷、８……波
形整形器、９……カウントパルス発生器、10……反転増
幅器、12,13……アナログスイツチ、14……スムージン
グ回路、16……アークサイン関数発生器、17……除算
器、18……アークタンジエント関数発生器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】サーボモータと、該サーボモータの回転位
置に応じてサイン波，コサイン波の２相の信号を出力す
るエンコーダと、前記２相の信号をそれぞれ波形整形す
る波形整形器と、この波形整形された２相信号を基に前
記サーボモータの回転方向に依存するカウントアップ，
カウントダウン信号を発生するカウントパルス発生器
と、該カウントパルス発生器の出力から負荷の現在位置
を算出して現在位置と目標位置との位置偏差を出力する
電子計算機と、前記位置偏差出力を階段状のアナログ電
圧に変換し、このアナログ電圧を前記モータの速度制御
と位置決め制御を兼ねる位置偏差サーボ信号としてスム
ージング回路を介してサーボ増幅器に入力させるDA変換
器とを備え、前記スムージング回路は、前記DA変換器から出力される
階段状のアナログ電圧を直線状の位置偏差サーボ信号に
するために、エンコーダのサイン波信号を三角波交流波
形に整形するアークサイン関数発生器と、この三角波交
流波形を一部反転させてのこぎり歯波形の交流を形成す
る回路と、前記のこぎり歯波形の交流形成回路の出力を
前記階段状のアナログ電圧に加算する回路とを備えて成
ることを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】サーボモータと、該サーボモータの回転位
置に応じてサイン波，コサイン波の２相の信号を出力す
るエンコーダと、前記２相の信号をそれぞれ波形整形す
る波形整形器と、この波形整形された２相信号を基に前
記サーボモータの回転方向に依存するカウントアップ，
カウントダウン信号を発生するカウントパルス発生器
と、該カウントパルス発生器の出力から負荷の現在位置
を算出して現在位置と目標位置との位置偏差を出力する
電子計算機と、前記位置偏差出力を階段状のアナログ電
圧に変換し、このアナログ電圧を前記モータの速度制御
と位置決め制御を兼ねる位置偏差サーボ信号としてスム
ージング回路を介してサーボ増幅器に入力させるDA変換
器とを備え、前記スムージング回路は、前記DA変換器から出力される
階段状のアナログ電圧を直線状の位置偏差サーボ信号に
するために、前記エンコーダのサイン波信号をコサイン
波信号で除算する除算器と、前記除算器の出力からアー
クタンジェント関数器を用いてのこぎり歯波形の交流を
形成する回路と、前記のこぎり歯波形の交流形成回路の
出力を前記階段状のアナログ電圧に加算する回路とを備
えて成ることを特徴とする位置制御装置。