JP3486774B2 - 多軸制御システム - Google Patents
多軸制御システムInfo
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Description
制御装置等、複数台のモータと各モータを駆動するドラ
イバ及びこれらを統括制御する上位コントローラとの組
合わせによる多軸制御システムに関する。
モータを駆動するドライバのコントローラはサーボモジ
ュールと呼ばれ、サーボモジュールと上位コントローラ
はある一定周期毎に制御を行う必要がある。サーボモジ
ュールにおいては、制御対象部に設置された検出器から
の検出信号を受け、その検出値と指令値との偏差よりP
I(比例・積分)等の制御演算を施し、ドライバに対す
る操作量を決定し、その操作量を出力する。これら一連
の処理をある一定周期毎に繰り返し行い、その周期毎に
ロボットやライン制御装置等の状態が更新される。
がそれぞれのサーボモジュールと上位コントローラに実
装されているが、クロックφは誤差を持っているために
全サーボモジュールと上位コントローラ間において、各
々の一定周期間は位相ずれが発生する。また、クロック
φは温度変動の影響を受けるために位相ずれも変動す
る。全サーボモジュールと上位コントローラ間の一定周
期のタイミングがずれていると、同時性を持って制御を
行なうことができないためにシステムの高性能化が図れ
ない。
る。図6は、従来の多軸制御システムの一例を示す。図
6において、バスボード上において上位コントローラ1
−1に複数のサーボモジュール#1〜#n(nは正の整
数)が接続されている。上位コントローラ1−1は、C
PU1−2、メモリ1−3、バッファ1−5、基準クロ
ックφ0の発生源(図示せず)を有している。
サーボモジュール#1について言えば、CPU2−2、
メモリ2−3、デュアルポートメモリ2−5、基準クロ
ックφ1の発生源(図示せず)を有する。残りのサーボ
モジュール#2〜#nについても同様である。上位コン
トローラ1−1からのサーボモジュール#1〜#nの選
択は、セレクト信号6により行われる。サーボモジュー
ル#1〜#nにはそれぞれ、ドライバを介してモータ
(いずれも図示せず)が接続されている。
1−3と各サーボモジュールにおけるデュアルポートメ
モリの対応関係を示したメモリマップである。メモリ1
−3のメモリ領域8は第1軸〜第n軸のサーボモジュー
ルのデュアルポートメモリをカバーし得るデュアルポー
トメモリ領域9を有する。
1は、初期パラメータや定期的に書き換えるパラメータ
等のパラメータ設定値11−1を各サーボモジュール#
1〜#nにおけるデュアルポートメモリ2−5、3−
5、4−5に設定する。
対応するデュアルポートメモリ2−5、3−5、4−5
にアクセスすることにより、上位コントローラ1−1か
らのデータ(指令値)を受信してモータをコントロール
するものである。すなわち、サーボモジュール#1〜#
nはそれぞれ、アクセスして受信したデータを対応する
メモリ2−3、3−3、4−3に設定し、そのパラメー
タとサーボモジュール#1〜#nの内部変数11−7を
基にモータの速度ループのコントロール及び電流ループ
のコントロールを行う。
ドライバからの出力であるモータのロータ位置やモータ
電流値・電圧値の検出値を受け、それらの検出値が指令
値に追従するようにある周期(以後、制御サイクルと呼
ぶ)でモータの制御を行う。
ぞれ、先の検出したロータ位置・モータ電流値・電圧値
のフィードバックデータや演算結果データであるフィー
ドバックパラメータ11−4を定期的に上位コントロー
ラ1−1に送信するために、デュアルポートメモリ2−
5、3−5、4−5にデータを書き込む。これらのデュ
アルポートメモリ2−5、3−5、4−5を介して上位
コントローラ1−1のCPU1−2とサーボモジュール
#1〜#nのCPU2−2、3−2、4−2が接続され
るので、データ転送を高速に行なうことができる。
ール#1〜#n間のデータ転送を高速に行なうことでほ
ぼ同じタイミングでパラメータ・データの更新やフィー
ドバックデータのモニタ等を行なうことができる。
ール#1〜#nのそれぞれの基準クロックφ1〜φnは
誤差や温度変動を持っており、サーボモジュール#1〜
#n間では厳密な同時性は確保できない構成になってい
る。よって、制御サイクル分の時間誤差が発生してい
た。
複数のサーボモジュール#1〜#nの基準クロックφ1
〜φnを統一することにより対処することが考えられ
る。しかし、このような基準クロックφは超高速である
ため、サーボモジュール#1〜#n間をパターンや電線
で共通にすると、インピーダンス成分の違いによって基
準クロックφ1〜φnが正確に伝達されないので、実際
は不可能である。
温度による変動も存在するので、基準クロックφ1〜φ
n間の周波数の位相のずれは、制御サイクル分が最大の
ずれとして発生する。よって、上位コントローラ1−1
とサーボモジュール#1〜#n間のデータ転送のタイミ
ングのずれ及び制御周期のずれは図8のようになってし
まう。
の課題は、上位コントローラに対して複数のサーボモジ
ュールが接続される多軸制御システムにおいて、制御周
期の完全同期制御を達成できるようにすることにある。
ュールと上位コントローラの制御周期を高速に統一する
ことにより、システム全体の高性能化を達成できる多軸
制御システムを提供することにある。
において上位コントローラに複数のサーボモジュールが
接続され、それぞれサーボモジュールが個別の基準クロ
ックで制御を行うように構成される多軸制御システムに
おいて、前記上位コントローラ及び各サーボモジュール
の制御周期を規定するための同期パルスを生成するパル
ス生成手段を有し、前記上位コントローラと複数のサー
ボモジュール間を同期パルス専用線で前記パルス生成手
段と接続して制御周期の同期を図るようにし、更に、各
サーボモジュールには受信した前記同期パルスの位相ず
れを補間する補間手段を備えることにより、すべてのサ
ーボモジュールと上位コントローラとの間で同時性を持
った制御を可能とし、前記同期パルスは各サーボモジュ
ールにおける割り込みタイミングを決めるために使用さ
れ、前記補間手段は、受信した同期パルスのハイレベル
時間をカウントし、カウントした値Tdetと理想値T
refとを比較する手段と、比較の結果、前記理想値T
refの方が大きい場合には前記割り込みタイミングを
規定する割り込みカウント基準値Tnを1だけインクリ
メントする一方、前記理想値Trefの方が小さい場合
には前記割り込みカウント基準値Tnを1だけデクリメ
ントして次回の前記割り込みカウント基準値Tnを調整
する手段とを含むことを特徴とする。
のサーボモジュールの一つをマスター、残りをスレーブ
とし、マスターのサーボモジュールは、前記パルス生成
手段を有し、スレーブのサーボモジュールにおいては前
記同期パルスを検出してマスターのサーボモジュールの
制御周期と一致するような制御周期を算出することで、
算出された制御周期に基づいて制御を行うようにされ
る。
上位コントローラは、前記マスターのサーボモジュール
からの同期パルスを検出して該同期パルスの周期で各サ
ーボモジュールに対する割り込みを行う。
数倍の周期である。
サーボモジュールが割り込みカウンタを備えていても良
く、この場合、前記割り込みカウンタは、前記補間手段
で調整された前記割り込みカウント基準値Tnに達する
毎にゼロクリアすると共に割り込みを行わせる。
による多軸制御システムの構成を示した図であり、図6
と同じ部分には同じ番号を付している。
ローラ1−1と複数のサーボモジュール#1〜#n間の
データ転送タイミング及び各サーボモジュール#1〜#
nの制御演算タイミングの同時性を確保するために、各
CPU2−2、3−2、4−2の基準クロックφ1〜φ
nより十分遅いパルス、すなわちインピーダンス成分の
影響を受けにくい、もしくは受けないパルスを生成し、
上位コントローラ1−1と各サーボモジュール#1〜#
n間を、このパルス(以後、同期パルス7と呼ぶ)を制
御周期として統一した点に特徴を有する。
により制御周期も高速化しているため、これまでの制御
周期Tのk倍の周期kTを持つようにしている。この同
期パルス7を出力するマスターは、上位コントローラ1
−1が軸番号11−8(図4参照)に第1軸として指定
したサーボモジュール#1とする。このサーボモジュー
ル#1以外はスレーブとする。サーボモジュール#1
は、その制御周期Tを規定している基準クロックφ1を
基に周期kTの同期パルス7を生成する手段を持つが、
このような手段は周知の技術を利用して実現可能である
ので、詳細な説明は省略する。各スレーブは、マスター
のサーボモジュール#1から出力される同期パルス7を
検出し、マスターの制御周期Tと一致するように制御周
期を算出する。制御周期Tは、一例を言えば100μs
ecであり、kは10〜15程度の値である。
検出し、同期パルス7の周期kTで割り込みを行なう。
そして、割り込みの開始でサーボモジュール#1〜#n
のパラメータデータをサーボモジュール#1〜#nのデ
ュアルポートメモリ2−5、3−5、4−5に書き込
む。次に、サーボモジュール#1〜#nがデュアルポー
トメモリ2−5、3−5、4−5に書き込んでいるデー
タを用いてサーボモジュール#1〜#nへの指令値の演
算等を行い、サーボモジュール#1〜#nを統括制御す
る。
期の最後にデュアルポートメモリ2−5、3−5、4−
5のデータを読込んで、対応するメモリ2−3、3−
3、4−3にデータを設定し、次の制御周期でそのデー
タを用いて速度パターンや電流ループの演算やモータの
データ検出を行なう。そして、必要なフィードバックデ
ータ11−4を上位コントローラ1−1に転送するため
に、デュアルポートメモリ2−5、3−5、4−5にデ
ータを書き込む。
ール#1が生成した同期パルス7によって、スレーブの
サーボモジュール#2〜#nや上位コントローラ1−1
が同時性を持って制御演算を行なうことが実現できる。
ュールのうちの1つをマスター、残りをスレーブとして
マスターのサーボモジュールにおいて制御周期Tの整数
倍の周期を持つ同期パルスを生成するようにしている
が、この同期パルスの生成手段は、サーボモジュール
外、すなわち複数のサーボモジュールに共通になるよう
に設けられても良い。この場合、上位コントローラと複
数のサーボモジュール相互間が同期パルス専用の信号線
でパルス生成手段と接続して制御が行われる。
ア回路として用意する場合には、外的要因ノイズ等によ
り誤動作することがあってはならない。何故なら同期パ
ルスが外的要因ノイズの影響を受けていると、図3に示
すように、サーボモジュールの制御は予期しない時に割
り込みがかかる事態になる。よって、同期パルスを受信
するサーボモジュールの入力回路には大きい時定数を持
ったフィルタ回路によりノイズ耐量を向上させ、同期パ
ルスの周期を遅く(例えば1kHz)せざるを得ないと
いう問題点がある。
発明の第2の実施の形態による多軸制御システムの構成
を示した図であり、図1と同じ部分には同じ番号を付し
ている。
数のサーボモジュール#1〜#n間のデータ転送タイミ
ング及び各サーボモジュール#1〜#nの制御タイミン
グの同時性を確保するために、上位コントローラ1−1
のCPU1−2において同期パルス7を生成し、上位コ
ントローラ1−1と各サーボモジュール#1〜#n間
を、この同期パルスを制御周期として統一するようにし
ている。上位コントローラ1−1と複数のサーボモジュ
ール#1〜#nはディジタル部として同じボード上に実
装される。CPU1−2ではその基準クロックφ0 を基
に同期パルス7を生成するが、この同期パルス7は、C
PUの演算能力により制御周期も高速化したいという要
求があるため、これまでの同期パルスよりも十分に速
い、例えば10kHz程度を可能にしている。なお、基
準クロックφ0 〜φn にはそれぞれ、同期パルスに比べ
れば非常に高速のパルスが使用されている。また、同期
パルス7の生成は、上位コントローラ1−1のCPU1
−2ではなく、複数のサーボモジュール#1〜#nのい
ずれかのCPUで行うようにしても良い。
各サーボモジュール#1〜#nは割り込みカウンタを備
えており、同期パルス7は各サーボモジュール#1〜#
nにおける割り込みタイミングを決めるために使用され
る。
1〜#nに、受信した同期パルス7の位相ずれを補間す
る補間手段を備えることにより、すべてのサーボモジュ
ール#1〜#nと上位コントローラ1−1との間で同時
性を持った制御を可能としている。
n内のCPUで実現され、受信した同期パルス7のハイ
レベル時間をカウントし、カウントした値Tdetと理
想値Trefとを比較する機能手段と、比較の結果、理
想値Trefの方が大きい場合には割り込みタイミング
を規定する割り込みカウント基準値Tnを1だけインク
リメントする一方、理想値Trefの方が小さい場合に
は割り込みカウント基準値Tnを1だけデクリメントし
て次回の割り込みカウント基準値Tnを調整する機能手
段とを含む。割り込みカウンタは、このような補間手段
で調整された割り込みカウント基準値Tnに達する毎に
ゼロクリアすると共に割り込みを行わせる。
#1〜#nはそれぞれ、内部のCPUが高速なクロッ
ク、ここでは基準クロックφ1〜φnにより同期パルス
7の“ハイ“レベル時間をカウントする。ハイレベルと
いうのは、一例をあげれば電圧が2V以上のレベルであ
る。同期パルス7に異常が無ければ、このカウント値T
detの2倍の値が同期パルス7の周期であり、同期パ
ルス7の周期に相当するカウント値を割り込みカウント
基準値Tnとする。CPUではまた、”ハイ“レベル時
間のカウント値Tdetと理想値Trefとの比較を行
う。なお、理想値Trefというのは、同期パルス7に
異常の無い、すなわち外的要因ノイズの影響を受けない
同期パルス7の”ハイ“レベル時間に相当するカウント
値であり、既知である。
場合は、CPUは次回の割り込みカウント基準値Tnを
1だけインクリメントする。一方、理想値Trefの方
が小さい場合は、CPUは次回の割り込みカウント基準
値Tnを1だけデクリメントする。
想値Trefに相当するカウント値へ常にフィードバッ
クがかかっていることになり、それぞれのサーボモジュ
ール#1〜#nで同期パルス7に位相ずれが発生しない
ように補間を常に行なっていることになる。
準値Tnに達する毎にゼロクリアし、そのたびに一連の
処理を繰り返し行なうことにより、全てのサーボモジュ
ール#1〜#nと上位コントローラ1−1との間で同時
性を持った制御が可能になる。また、図5に示されるよ
うに、同期パルス7が外的要因ノイズを受けた場合にも
割り込みカウント基準値Tnを±1ずつ調整するのみで
あり、その次の調整で理想値Trefへフィードバック
がかかるので影響を受けない。
が生成した同期パルス7によって、上位コントローラ1
−1と各サーボモジュール#1〜#nが同時性を持って
制御を行なうことが実現できる。従って、悪環境下で高
精度を求められるロボット・ライン制御装置等の高速演
算が必要な場合においても外的要因ノイズの影響を受け
ずに同時性を持って制御を行うことが可能となる。
・電動射出成形機・スタッカクレーン等の搬送装置な
ど、複数のモータを利用したあらゆる制御システム、ま
た、制御周期の同期が必要な制御システムに適用可能で
ある。
ば上位コントローラに対して複数のサーボモジュールが
接続される多軸制御システムにおいて、制御演算のタイ
ミングの同時性を確保するために同期パルスを用い、更
に前記同期パルスをあるサーボモジュールの基準クロッ
クを基に生成し、その他のサーボモジュールは該同期パ
ルスを用いて制御することにより、制御周期の完全同期
制御を達成できる。
対して複数のサーボモジュールが接続される多軸制御シ
ステムにおいて、制御タイミングの同時性を確保するた
めに同期パルスを用い、しかもこの同期パルスの位相ず
れを補間する手段を備えたことにより、外的要因ノイズ
の影響を受けずに同時性を持って制御を行うことが可能
となり、上位コントローラと各サーボモジュールの制御
周期を高速に統一することにより、システム全体の高性
能化を実現することができる。
テムの構成を示したブロック図である。
したチャート図である。
波形図である。
テムの構成を示したブロック図である。
ミングを説明するための波形図である。
ク図である。
た図である。
した波形図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 バスボード上において上位コントローラ
に複数のサーボモジュールが接続され、それぞれサーボ
モジュールが個別の基準クロックで制御を行うように構
成される多軸制御システムにおいて、 前記上位コントローラ及び各サーボモジュールの制御周
期を規定するための同期パルスを生成するパルス生成手
段を有し、 前記上位コントローラと複数のサーボモジュール間を同
期パルス専用線で前記パルス生成手段と接続して制御周
期の同期を図るようにし、 更に、各サーボモジュールには受信した前記同期パルス
の位相ずれを補間する補間手段を備えることにより、す
べてのサーボモジュールと上位コントローラとの間で同
時性を持った制御を可能とし、 前記同期パルスは各サーボモジュールにおける割り込み
タイミングを決めるために使用され、 前記補間手段は、受信した同期パルスのハイレベル時間
をカウントし、カウントした値Tdetと理想値Tre
fとを比較する手段と、比較の結果、前記理想値Tre
fの方が大きい場合には前記割り込みタイミングを規定
する割り込みカウント基準値Tnを1だけインクリメン
トする一方、前記理想値Trefの方が小さい場合には
前記割り込みカウント基準値Tnを1だけデクリメント
して次回の前記割り込みカウント基準値Tnを調整する
手段とを含む ことを特徴とする多軸制御システム。 - 【請求項2】 請求項1記載の多軸制御システムにおい
て、 前記複数のサーボモジュールの一つをマスター、残りを
スレーブとし、 マスターのサーボモジュールは、前記パルス生成手段を
有し、 スレーブのサーボモジュールにおいては前記同期パルス
を検出してマスターのサーボモジュールの制御周期と一
致するような制御周期を算出することで、算出された制
御周期に基づいて制御を行うようにしたことを特徴とす
る多軸制御システム。 - 【請求項3】 請求項2記載の多軸制御システムにおい
て、前記上位コントローラは、前記マスターのサーボモ
ジュールからの同期パルスを検出して該同期パルスの周
期で各サーボモジュールに対する割り込みを行うように
したことを特徴とする多軸制御システム。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の多軸制
御システムにおいて、前記同期パルスは前記制御周期の
整数倍の周期であることを特徴とする多軸制御システ
ム。 - 【請求項5】 請求項1記載の多軸制御システムにおい
て、 前記各サーボモジュールは割り込みカウンタを備えてお
り、 前記割り込みカウンタは、前記補間手段で調整された前
記割り込みカウント基準値Tnに達する毎にゼロクリア
すると共に割り込みを行わせることを特徴とする多軸制
御システム。
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