JP2716446B2

JP2716446B2 - サーボ制御装置

Info

Publication number: JP2716446B2
Application number: JP63021314A
Authority: JP
Inventors: 明毒島
Original assignee: 日立精工株式会社
Priority date: 1988-02-02
Filing date: 1988-02-02
Publication date: 1998-02-18
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: JPH01197810A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は制御対象を目標位置に高精度で移動させるた
めのサーボ制御装置に関する。

〔従来の技術〕

サーボ制御装置は、自動製図機、工作機械、ロボツト
制御等多くの分野で用いられている。このようなサーボ
制御装置の概略を図により説明する。

第７図は従来のサーボ制御装置のブロツク図である。
図で、１はマイクロコンピュータであり、制御対象の目
標位置および目標速度を出力する。２はパルス分配器で
あり、マイクロコンピュータ１から出力された目標位置
に対応したパルスを発生する。このとき、これらのパル
スの周波数は指令された目標速度にしたがつて変換され
る。３は比較器であり、パルス分配器２のパルスの位相
と後述する位置検出器９から出力される現在位置に応じ
た位相信号との差を出力する。４は比較器３からの位相
差信号と後述する速度発電機からの速度信号との差を演
算する減算器、５は減算器４の差の信号を増幅する増幅
器である。６はサーボモータであり、増幅器５からの信
号により常に指令に見合つた速度で駆動される。７はサ
ーボモータに連結された負荷、即ち制御対象である。８
はサーボモータ６に連結された速度発電機であり、サー
ボモータ６の現在速度を出力する。９はサーボモータ６
に連結された位置検出器であり、負荷７の現在位置デー
タを出力する。

このような構成により、制御対象は目標位置へ指令値
に見合つた速度で移動せしめられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来のサーボ制御装置にあつては、速度制御は、
パルス分配器２においてパルスを発生し、これらのパル
スを速度の指令値にしたがつた周波数のパルスとするこ
とにより実行されていた。即ち、パルス分配器２は各パ
ルスを速度に見合つた間隔で出力するような構成となつ
ていた。このような出力を得るためにはパルス周波数の
広帯域変換機能を備えねばならずパルス分配器２の回路
構成は極めて複雑かつ大形となり、高価となるという問
題があつた。

さらに、次の理由によつても上記パルス分配器２にパ
ルス周波数の広帯域変換機能が要望される。即ち、サー
ボ制御装置にあつては、加速度の変化が大きく、このた
め機械に衝撃、振動を与え、ねじのゆるみや接着個所の
剥離等を生じて装置の寿命や精度を低下させるばかりで
なく、移動中における振動により、例えば自動製図機に
おいては所望の線分を正確に描くことができず、又、工
作機械においては所望の切削ができない等の不都合が発
生し易いという事情があつた。そして、これを防止する
には、サーボモータ６の速度を適切に低速又は高速に制
御しなければならず、このため、パルス周波数は低周波
数から高周波数まで広い範囲にわたつて制御しなければ
ならず、そのためには必然的にパルス分配器２に広帯域
変換機能をもたせねばならなかつた。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、パル
ス分配器を使用することなく、構成簡素で、しかも衝撃
で振動を容易に抑制し得るサーボ制御装置を提供するに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、制御対象を駆
動する駆動機構と、前記制御対象の目標移動位置および
目標速度を指示する指示部とを備え、この指示部の指示
に応じて前記駆動機構を作動させるサーボ制御装置にお
いて、前記目標移動位置および前記目標速度に基づいて
出発位置を原点とする単位時間毎の目標移動位置の配列
を求める目標位置演算手段と、この目標位置演算手段で
得られた前記配列の前に移動量０と等価の単位時間を所
定数配列しこの新たな各配列における各目標移動位置を
その配列順に所定単位時間数ずつ平均化してゆきこの平
均化を前記目標位置演算手段で得られた最終目標位置が
得られるまで実行する平均化手段とを設けたことを特徴
とする。

〔作用〕

指示部により目標移動位置および目標速度が与えられ
ると、これらの値に基づいて単位時間当りの移動量（分
配データ）が求められ、これらの分配データを順次積算
して単位時間毎の目標移動位置の配列が求められる。次
に、この目標移動位置の配列の前に、移動量０と等価
（０を含む）な配列を所定数付加して新らたな配列を作
り、この配列に対して所定単位時間数だけとり出してそ
れらの目標移動位置の平均を演算する。この演算は、上
記配列を１つずつずらしながら順次実行され、その結
果、駆動機構に対して指示すべき位置指令の配列が得ら
れる。これらの位置指令は駆動機構に対して配列順に出
力される。これにより、制御対象が適切な速度で駆動さ
れてゆく。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係るサーボ制御装置のブロ
ツク図である。図で、第７図に示す部分と同一部分には
同一符号を付して説明を省略する。10はマイクロコンピ
ユータで構成される制御部である。本実施例では、第７
図に示す装置においてマイクロコンピユータ１およびパ
ルス分配器２の機能を制御部10で行うものである。

次に、制御部10の動作を第２図および第４図に示すフ
ローチヤートならびに第３図（ａ）〜（ｄ）に示すグラ
フを参照しながら説明する。ここで、理解を容易にする
ため、負荷７を原点から座標（400,300）に速度50mm/se
cで移動させよ、という指令が入力された具体例につい
て説明する。制御部10にこのような指令が入力される
と、制御部10はこれらの値に基づいてＸ軸、Ｙ軸の分配
データを演算する。分配データとは単位時間毎に出力す
る移動量のデータである。ここで、 x:X軸方向の目標距離 y:Y軸方向の目標距離 l:位置A,B間の距離 v:指令速度 N:移動時間とすると、Ｘ軸の分配データD_X,Y軸の分配データD_Yはそ
れぞれ次式で表わされる。

上記の例では、ｘ＝400,y＝300,v＝50であるから、Ｎ
＝10,D_X＝40,D_Y＝30となる。即ち、分配データは単位時
間Ｎ回（10回）毎に、移動量D_X（40）となる。この分配
データのうち、Ｘ軸についての分配データが第３図
（ａ）に図示されている。即ち、各単位時間について40
である。

ところで、分配データ（x/N,y/N）が上記のように整
数となるのは稀であり、整数にならないのが通常であ
る。そこで、本実施例では分配データを以下に説明する
処理により得ている。この処理を第２図に示すフローチ
ヤートを参照しながら説明する。

この処理においては、各単位時間の各移動量、即ち分
配データＸ軸についてはD_Xi,Y軸についてはD_Yiで表わ
す。この添字「ｉ」は単位時間の番号を示す。そこで、
まず、分配処理に際し、添字「ｉ」と１とする（第２図
に示す手順S₁）。そして次の手順S₂に移る前に１単位時
間が経過するまで（サンプリング時間の信号が入力する
まで）待機する。この時間が経過した後、制御部10に移
動指令による移動データ（目標位置）が存在するか否か
が判断される（手順S₂）。移動データが存在しないとき
は分配データD_Xi,D_Yiを０として出力し（手順S₃）、添
字ｉに１を加えて１単位時間経過後再び手順S₂を実行す
る。

手順S₂において移動データ有りと判断されると、その
移動データ、即ちＸ軸方向の距離ｘとＹ軸方向の距離ｙ
が取込まれ（手順S₅）、現在位置から目標位置までの移
動距離が演算される（手順S₆）。次いで、この演算された移動
距離ｌと、制御部10に指令された移動速度ｖから移動時
間Ｎ（単位時間の数）が演算される（手順S₇）。なお、
上記移動速度ｖ（さきの例では50mm/sec）は、機械の性
能や付属用具（例えば自動製図機では筆記具が何か）等
により予め決定されている。移動時間Ｎはl/vで求めら
れるが、前述のように整数となることは少ない。そこ
で、手順S₇で求められた移動時間Ｎの端数は切上げられ
る。以下、手順S₈〜S₁₇の処理は単位時間当りの移動量
が整数でない場合の分配データを決定するための処理で
ある。

単位時間当りの移動量が整数でない場合、各単位時間
毎の分配データの差はできるだけ小さくし、かつ、移動
時間Ｎ全体にわたつて平均化される必要がある。このた
め、以下の処理では、各単位時間毎に分配データを最小
の値で順次増減させる処理が実行される。この処理を行
なうため、分配データの出力回数を判断する数Ｊ、前回
の分配データの増減を判断する数q_x,q_yが設けられる。
これらの数J,q_x,q_yは実際にはメモリの所定アドレスに
格納されている数値である。

以下の説明では、Ｘ軸に関してのみ最も単純な数値を
例示して説明する。今、ｘ＝10、Ｎ＝４とすると、手順
S₈では次の処理が行なわれる。即ち、距離ｘの絶対値を
移動時間Ｎで除し、その商をΔx,余りをr_xとする処理で
あり、この処理により上記数値例は、Δｘ＝2,r_x＝２と
なる。次に、処理は手順S₉に移り、数Ｊ、q_xを０とし、
次いで手順S₁₀において、新しい数q_xを（q_x＋２・r_x）
を演算することにより定めるとともに、分配データD_xi
をΔｘに定める。上記例の場合、新しい数q_xは（０＋２
×２）で数値４となり、かつ、分配データD_xiは値２と
なる。

次いで、数値q_xと移動時間Ｎとを比較する（手順
S₁₁）。上記の場合、q_x＝4,N＝４であるからq_x＞Ｎとは
ならず、処理は手順S₁₂に移り、Ｙ軸に関しても同様の
処理が行なわれた後、手順S₁₃に移る。手順S₁₃では、手
順S₁₀で定められた分配データD_xi（＝２）にＸ軸方向の
符号を付し、これを分配データとして出力する。次に、
番号ｉに１を加え、かつ、Ｊの数にも１を加え（手順S
₁₄）、この新しい数Ｊと移動時間Ｎとを比較する（手順
₁₅）。数Ｊが移動時間Ｎに達していない場合、処理は再
び手順S₁₀に戻る。この場合、数q_xは前回の手順S₁₀でq_x
＝４となつているので、新しい数q_xは８（４＋２×２）
となる。又、分配データはD_x(i+1)で表わされ、D_x(i+1)
＝Δｘ＝２である。

手順S₁₁では、q_x＝8,N＝４であるから、q_x＞Ｎである
と判断され、処理は手順S₁₆に移行する。手順S₁₆では、
D_x(i+1)＝２に１を加えて分配データD_x(i+1)を３とし、
又、新しい数q_xとしてq_x−２×Ｎ＝８−２×４＝０を定
める。Ｙ軸についても同様の処理（手順S₁₂,S₁₇）が実
行された後、手順S₁₃で上記分配データD_x(i+1)に符号を
付して出力する。以下、同様の手順が繰り返えされる。
これにより、上記の例では、Ｘ軸の分配データD_xiは
「３」，「２」，「３」，「２」となる。Ｙ軸について
も同様に手順S₉以下の処理が実行される。

さて、以上の処理により順次分配データが出力され
る。第３図（ａ）はこのようにして得られたＸ軸の分配
データの配列を示す。ただし、第３図（ａ）に示す分配
データは、前述のＮ＝10,D_x＝40の場合の分配データで
ある。図で、横軸には時間が縦軸には分配データがとつ
てあり、単位時間毎の移動量が40であることが示されて
いる。

このような分配処理により得られた第３図（ａ）に示
されるＸ軸の分配データには、制御部10で次に示す平均
化処理が施される。以下、この平均化処理を第３図
（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すグラフについて説明す
る。まず、この分配データに基づいて単位時間毎のＸ軸
の目標位置が求められる。この目標位置は、分配データ
が移動量を示すものであるところから、当該分配データ
を順次積算してゆくことにより求められる。この目標位
置の配列が第３図（ｂ）に示されており、最初の目標位
置は40、最終目標位置は400である。次に、この目標位
置の配列の前に、第３図（ｃ）に示すように移動量０の
４つの時間単位を挿入する。次いで、時間単位T_-3〜T₁
の５つの時間単位の平均の目標位置（40/5）を演算して
平均目標位置（位置指令）８を得る。次に、時間単位T
_-2〜T₂の目標位置の平均｛（40＋80）/5｝を演算して位
置指令24を得る。このような演算を繰返えすことによ
り、第３図（ｄ）に示すような平均化された位置指令が
制御部10から比較器３に対して出力されることになる。

第３図（ｄ）から、加速時（時間T₁〜T₄）および減速
時（時間T₁₁〜T₁₄）における目標とする位置の距離の増
加が抑制されていることが明らかであり、これにより衝
撃や振動が抑えられる。なお、Ｙ軸についても全く同様
の手段により位置指令を得ることができる。以下、上記
具体例におけるＹ軸の分配データ、目標位置および位置
指令を表により示す。

ところで、分配データの場合と同様、上記位置指令を
求める平均化処理においては、平均化した演算値は整数
でない場合が多い。そこで、以下、制御部10における位
置指令を求める動作を第４図に示すフローチヤートを参
照しながら説明する。まず、平均化時間として数Ｔ（さ
きの例ではＴ＝５）を設定する。（第４図に示す手順S
₂₁）。次に平均化時間内の積算値をＳとする。この積算
値Ｓは、時間をi,その目標位置をx_iとすると次式で求め
られる。

今、ｉ＝１とすると（１）式は、となる。さきの例では、目標位置x_-3,x_-2,x_-1x₀は０で
あり、目標位置x₁は値40である。さらに、制御部10のメ
モリの所定のアドレスの値をP₁〜P_Tとし、平均化の回数
をｊとする。そして、Ｓ＝T/2,P₁＝1,P₂＝0,……P_T＝0,
i＝1,j＝１に設定する（手順S₂₂）。

次に、処理を手順S₂₃に移す前に１単位時間が経過す
るまで（サンプリング時間の信号が入力するまで）待機
した後、積算値Ｓを演算する（手順S₂₃）。この積算値
Ｓは、Ｓ＝（T/2）＋x₁−０となる。ここで、値T/2を加算するのは後述する平均化
処理において少数以下の数値を切捨てるためのものであ
る。次いで、値P₁をx₁として（手順S₂₄）、位置指令X_i
の演算X_i＝S/Tを行なう（手順S₂₅）、第１の位置指令X₁
は、となる。そして、上記演算の端数は切捨てられ、位置指
令X₁は整数として制御部10から出力される（手順
S₂₆）。この時点で駆動機構の駆動が開始される。次
に、値i,jに数１を加算する（手順S₂₇）。これにより、
ｉ＝2,j＝２となる。次いで、平均化がＴ回実行された
か否か、即ち、値P₁〜P₅に手順S₂₄で実施した目標位置x
_iの置換が一順したか否かが（ｊ＞Ｔ）の比較により判
断され（手順S₂₈）、一順してなければ、処理は再び手
順S₂₃に戻る。

上記手順S₂₃〜S₂₈が繰返えされ、さきの例で値P₁〜P₅
が目標位置x₁〜x₅（40〜200）に置換されると、手順S₂₈
では（ｊ＝Ｔ）と判断し、数値ｊを数値１に戻す（手順
S₂₉）。これにより、次の手順S₂₃では、新しい積算値Ｓ
は次のように演算される。

Ｓ＝｛（T/2）＋x₁＋x₂＋x₃＋x₄＋x₅＋x₆−x₁｝なお上式で（T/2）〜x₅までが旧積算値Ｓである。こ
のようにして、平均化が実行され、順次位置指令X₁が出
力されてゆく。

なお、上記の処理では端数の切捨てを行なうが、この
ような切捨てを行っても、上記処理における平均化は目
標位置毎の平均化であるので、切り捨てられた端数によ
る誤差が累積されることはなく、誤差の累積を処理して
精度を確保するための手段は不要である。

上記の例では、制御対象を直線移動させる場合につい
て述べたが、以下に曲線移動させる例について述べる。
制御対象は曲線移動させる場合は、通常、その曲線は分
割された微線分の連続として表わされる。そこで、以下
の例では、直線の一部をなす連続する２つの微線分につ
いて説明する。

第５図は２つの微線分OD,DEのグラフである。点Ｄの
座標（88,234），点Ｅの座標は（158,474）だり、した
がつて、微線分OD,DETの距離はいずれも250mmである。
なお、理解を容易にするため、各線分は点Ｄの折曲が誇
張されるように描かれている。ここで、目標速度を50mm
/secとし、さきの直線移動の場合と同様の手法でＸ軸,Y
軸について配列および平均化を行うと各軸の分配デー
タ，目標位置，位置指令は第６図に示すような値とな
り、最終的に点Ｄを中心とした近辺において図示点線の
ようになめらかな曲線となる。

このように、２つの微線分の移動量が連続して平均化
されることにより、両微線分の境界における速度の変化
はなだらかとなり、曲線の角張つた部分がとれてより一
層所望の曲線に近似した軌跡を描かせることができる。

ところで、上記の例は２つの微線分により曲線の一部
を表わす場合の例であるが、直線でなく、連続した２つ
の直線を明確に表わすべき場合もある。この場合には、
２つの線分の境界、即ち角の部分が明確に表われねばな
らない。これは、線分ODの領域と線分DEの領域との境界
において同一位置指令を出力し、点Ｄにおいて速度が０
となるようにすればよい。これにより明確な２つの直線
の軌跡を描かせることができる。

さらに、上記のことから、線分ODの領域と線分DEの領
域の境界における位置指令を調整することにより、点Ｄ
のなだらかさを自由に制御することが可能となる。

このように、本実施例では、Ｘ軸方向の目標距離、Ｙ
軸方向の目標距離に基づいて移動の直線距離を求め、直
線距離と指定速度から移動時間を求め、前記各軸の目標
距離を移動時間で除し，その商と余りに基づいて各軸の
分配データを求め、得られた分配データから各軸につい
て単位時間毎の目標位置を求め、この目標位置に対して
平均化処理を施して位置指令を求め、この位置指令によ
り駆動機構を駆動するようにしたので、パルス分配器を
使用することなくサーボ制御を行なうことができ、又、
平均化処理を行っても端数による誤差の累積は生じず、
これに対する処理手段は不要であり、これらにより、全
体構成を簡素化することができ、かつ、衝撃や振動の抑
制が容易となる。又、曲線軌跡をなめらかにすることが
できる。

なお、上記実施例の説明では、目標位置０の配列を所
定数作る例について説明したが、これは必ずしも０であ
る必要はなく、０に近い値を用いることもできる。又、
３軸以上の多軸にも適用可能であるのは明らかである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、分配データに基づい
て単位時間舞の目標位置を求め、これを平均化して位置
指令を得、この位置指令により駆動機構を駆動するよう
にしたので、パルス分配器を使用することなくサーボ制
御を行なうことができ、又、平均化処理を行っても端数
による誤差の蓄積は生じず、これに対する処理手段は不
要であり、これらにより、全体構成を簡素化することが
でき、又、機械の衝撃や振動を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るサーボ制御装置のブロツ
ク図、第２図および第４図は第１図に示す装置の動作を
説明するフローチヤート、第３図（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ）は第１図に示す装置の平均化手段を説明
するグラフ、第５図は２つの線分を示すグラフ、第６図
は第５図に示す線分に対する平均化処理のデータを示す
図、第７図は従来のサーボ制御装置のブロツク図であ
る。３……比較器、６……サーボモータ、７……負荷、８…
…速度発電機、９……位置検出器、10……制御部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】制御対象を駆動する駆動機構と、前記制御
対象の目標移動位置および目標速度を指示する指示部と
を備え、この指示部の指示に応じて前記駆動機構を作動
させるサーボ制御装置において、前記目標移動位置およ
び前記目標速度に基づいて出発位置を原点とする単位時
間毎の目標移動位置の配列を求める目標位置演算手段
と、この目標位置演算手段で得られた前記配列の前に移
動量０と等価の単位時間を所定数配列しこの新たな各配
列における各目標移動位置をその配列順に所定単位時間
数ずつ平均化してゆきこの平均化を前記目標位置演算手
段で得られた最終目標位置が得られるまで実行する平均
化手段とを設けたことを特徴とするサーボ制御装置。