JP5492476B2 - 複数のサーボモータの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、各々異なる駆動対象を駆動する複数のサーボモータを所定の制御周期毎に制御する方法に係り、特に、要求性能の高いサーボモータ、要求性能の低いサーボモータ夫々に対応した制御処理を行なうことが可能な複数のサーボモータの制御方法に関する。

各々異なる駆動対象を駆動する複数のサーボモータを制御する際、従来は、図１に示すように、各サーボモータの制御は同一の制御周期Ｔにより行われていた。図１はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｒ軸、Ｗ軸の５つのサーボモータを制御する場合の制御周期Ｔと、１周期毎の各サーボモータの制御処理に要する時間ｔを示しており、１周期毎に５つ全てのサーボモータの制御処理が１→２→３→４→５と順次行われるようになっている。このサーボモータ制御処理の制御周期Ｔは、１軸当りのサーボモータの制御処理に要する時間ｔの最悪値と駆動対象の制御軸数から、１周期毎に求まる各サーボモータの制御処理に要する合計時間（図の軸制御時間５ｔ）に基づいて決定していた。

また、特許文献１で開示されている技術を図２、図３を用いて説明する。

図２では、Ｘ軸、Ｙ軸は制御周期Ｔの１周期毎に、時間幅ｔで制御処理が行われるが、Ｚ軸、Ｒ軸は制御周期Ｔの２周期分の期間（２Ｔ）毎に制御処理が行われる。また、Ｗ軸制御は制御周期Ｔの４周期分の期間（４Ｔ）毎に制御処理が行われる。従って、制御周期Ｔによる第１周期目では全軸に対して制御処理が行われ、第２周期目ではＸ軸、Ｙ軸に対して制御処理が行われ、第３周期目ではＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｒ軸に対して制御処理が行われ、第４周期目ではＸ軸、Ｙ軸に対して制御処理が行われる。この場合、制御周期Ｔ毎の軸制御時間は５ｔ〜２ｔの範囲でばらつく。

図３では、上記各サーボモータに対する制御処理の周期及び時期についての設定の別の例を示している。この例でもＸ軸、Ｙ軸は制御周期Ｔの１周期毎に時間幅ｔの制御処理が行われるが、Ｚ軸、Ｒ軸は基本周期Ｔの２周期分の期間（２Ｔ）毎に制御処理が行われ、Ｗ軸は制御周期Ｔの４周期分の期間（４Ｔ）毎に制御処理が行われており、この点は図２の例と同様である。しかし、図３の例では制御周期Ｔの２周期分の期間（２Ｔ）毎に制御処理が行われるＺ軸とＲ軸とでは、制御時期が制御周期Ｔの１周期分だけ互いにずらされることにより、制御周期Ｔの１周期毎の各時期における軸制御時間の差が最小（図３では４ｔ−３ｔ＝ｔ）となるように設定されている。

特開２００２−１８６２８８号公報

しかしながら、従来の制御方法では、１周期の中でサーボモータの制御処理に要する時間がサーボモータの個数の増大に伴って長くなり、図１の例によると、１つのサーボモータの制御処理に要する時間をｔとすると５つのサーボモータでは５ｔの時間を要する。従って、制御周期Ｔは５ｔより短くするわけにはいかない。また、１周期中でサーボモータ制御の処理に要する時間の占める割合（５ｔ／Ｔ）が大きければ、制御部が他の処理を行うための時間的余裕が少なくなり、一方、上記割合（５ｔ／Ｔ）を小さくするように制御周期Ｔを長くすると、制御の精度や応答性が低下する。

特に、上記複数のサーボモータが、その駆動対象の相違等により要求される制御の精度や応答性等の性能が異なる場合に、高い性能が要求されるサーボモータにとって制御周期Ｔを長くすることは性能の向上を妨げる等の問題があり、逆に、制御の精度や応答性を向上させる為に制御周期Ｔを短くする事は効果的ではあるが限界がある。

また、軸（駆動対象）を駆動するサーボモータの制御処理に要する時間ｔはパラメータの設定や負荷の状態により軸毎に変化するため、１つのサーボモータの制御処理に要する時間ｔは最大値で設定することが望ましいが、最大値の見積は難しい。そこで、前記のように最悪値を実験値等から想定して制御周期Ｔを決定するため、余裕を持たせた安全サイドの周期設定になり、結果として制御周期Ｔが長くなってしまい制御の精度や応答性が低下してしまうことになる。それを避けるために、１つのサーボモータの制御処理に要する時間ｔを最悪値より短く見積もると、図４に示すように制御処理のピーク時にＣＰＵでの処理時間がオーバーしてしまい、制御周期Ｔ内に必要軸数の制御処理ができず、結果的に処理できなかった軸（図中のＷ軸）が誤動作したり、サーボモータ制御処理装置自体が停止したりする問題がある。

更に、図３のように制御周期Ｔ´で制御を行う場合には、制御周期Ｔ´内で全てのサーボモータ（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｒ軸、Ｗ軸）を制御処理する事ができない。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、要求性能の高いサーボモータ、要求性能の低いサーボモータ夫々に対応した適切な制御処理を行なうことを第１の課題とする。

本発明は、又、制御周期内で制御処理できないサーボモータが発生した場合でも、特定の駆動対象が誤動作したり、サーボモータ制御処理装置自体が停止しないようにすることを第２の課題とする。

第１発明は、各々異なる駆動対象を駆動する複数のサーボモータを所定の制御周期毎に制御する際に、要求性能が低い駆動対象のサーボモータが、オフ又は不使用とされた場合には前記要求性能が低い駆動対象の制御処理を中止し、その空き時間を利用して、前記所定の制御周期内で必ず１回以上制御処理され且つ前記要求性能が低い駆動対象よりも制御処理の周期を短くすることで制御の精度や応答性が向上可能となる要求性能が高い駆動対象のサーボモータの制御処理を、中止された前記要求性能が低い駆動対象の制御処理の代わりに追加実行するようにして、前記第１の課題を解決したものである。

第２発明は、各々異なる駆動対象を駆動する複数のサーボモータを所定の制御周期毎に制御する際に、該所定の制御周期内において、予め各駆動対象毎に設定された制御順位が高いサーボモータから低いサーボモータへ、順次、制御処理すると共に、全サーボモータの制御処理に要する時間が許容範囲内に収まるか否かを監視し、収まらないために制御処理できないサーボモータが発生した場合は、次の制御周期に対して該サーボモータが駆動する駆動対象に設定する制御順位を上げる制御順位の再設定をすることにより、前記第２の課題を解決したものである。

この場合、前記複数のサーボモータが駆動する一部の駆動対象を、前記制御順位の再設定の対象から外すようにしてもよい。

第１発明によれば、制御要求性能が高いサーボモータの制御処理の周期を短くし、制御周期Ｔ間でできるだけ多く制御処理する事により、高精度な制御が可能になる。

第２発明によれば、制御処理のピーク時にＣＰＵでの処理時間が許容範囲（例えば１制御周期）をオーバーした場合でもサーボモータや、サーボモータ制御処理装置自体を停止させることなく制御処理できるようになり、１つのサーボモータの制御処理に要する時間ｔを最悪値より短く見積もることができる。これにより、制御周期Ｔを短くして制御の精度や応答性を向上させたり、又は多くの駆動対象を制御したりすることが可能になる。

従来の複数サーボモータの制御を示すタイムチャート 特許文献１で提案された複数サーボモータの制御を示すタイムチャート 同じく他の例を示すタイムチャート 従来の問題点を示すタイムチャート 本発明の第１実施形態を実施するためのサーボモータ制御装置の回路ブロック図 本発明の第１実施形態におけるＸ軸の制御優先順位が一番高い場合に対応するタイミングチャート 本発明の第１実施形態の処理手順を示すフローチャート 本発明の第２実施形態を実施するためのサーボモータ制御装置の回路ブロック図 本発明の第２実施形態の処理手順を示すタイミングチャート 本発明の第２実施形態の処理手順示すフローチャート 本発明の第２実施形態に適用される軸制御順位テーブルの内容を示す説明図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図５は、本発明の第１実施形態を実施するためのサーボモータ制御装置の回路ブロック図である。

本制御装置は、マウンタシステム制御部１、メモリ２、軸優先順位・軸通信周期設定部３、軸優先順位・軸通信周期受取部４、発振装置５、メモリ６、ＣＰＵ（中央演算処理装置）７、ドライバボードインターフェース８、サーボボード９、各サーボモータ１６、１７、１８、１９、２０を駆動するためのドライブ部１０、１１、１２、１３、１４、ドライバボード１５を備えている。

マウンタシステム制御部１におけるメモリ２、軸優先順位・軸通信周期設定部３は、軸の優先順位を考慮した制御処理手段を構成するものであり、各サーボモータの軸優先順位情報、通信周期情報がメモリ２に記憶され、軸優先順位・軸通信周期設定部３によりメモリ２から読み出されて、サーボボード９に出力される。ここで通信周期とは、制御対象軸の軸毎の制御処理が行なわれる周期（図６のＸ軸制御ではｔ´）を指す。

メモリ２に記憶される各サーボモータの優先順位や通信周期は、各サーボモータに要求される性能の高さに応じて設定され、要求性能が高いほど優先順位が高くなり、通信周期が短くできる。

即ち、図６に例示する如く、要求性能が一番高いサーボモータ（図６ではＸ軸）については、優先順位が一番高いので制御周期Ｔ間で複数回（図６では２回）の制御処理が実行され、それに伴って通信周期がＴ／ｎ（ｎは整数）（図６ではＴ／２）と短くなるように設定する。その分要求性能が低いサーボモータ（図６ではＲ軸とＷ軸）は優先順位が低くなっているので、通信周期Ｔ×ｎ（ｎは整数）（図６ではＴ×２）間に１回の制御処理が実行され、それに伴って通信周期が長くなるように設定する。

上記制御周期Ｔは、サーボボード９における発振装置５の発振周波数などに基いて定まるものである。

上記サーボボード９の軸優先順位・軸通信周期受取部４、ＣＰＵ７は、各サーボモータの軸優先順位の設定と軸通信周期の設定を実施する制御時期設定手段を構成している。また、サーボボード９のメモリ６は、制御時期設定手段により設定された各サーボモータの制御時期を記憶する記憶手段を構成している。サーボボード９のドライバボードインターフェース８は、上記メモリ６から読み出される制御周期でＣＰＵ７により各サーボモータに対して与えられる制御信号を出力する出力部を構成している。

ドライバボードインターフェース８から出力される制御信号はドライバボード１５に送られ、このドライバボード１５が備えているドライブ部１０、１１、１２、１３、１４により各サーボモータ１６、１７、１８、１９、２０を駆動する。

図６は本発明を用いて、Ｘ軸のサーボモータの優先順位が一番高い場合に対応するタイミングチャートの例である。また図７は本発明を実現させる為のフローチャートである。

以上の構成において、軸優先順位を設定し、軸通信周期を設定する事で各サーボモータに要求される性能に応じた制御を実現する事ができる。その動作を図７のフローチャートを用いて説明する。

まずはステップＳ１で軸の優先順位の設定を行う。これは各サーボモータの要求性能に応じて優先順位を設定するものである。図６の例は、Ｘ軸のサーボモータが最も要求性能が高く、Ｙ軸、Ｚ軸のサーボモータが次に要求性能が高く、Ｒ軸、Ｗ軸のサーボモータが一番要求性能が低い場合である。これら要求性能情報を優先順位として設定する。

因みに、この図６に示されるＸ軸、Ｙ軸は電子部品を基板に搭載する吸着ノズルを平面方向に移動させるＸ・Ｙ駆動機構を、Ｚ軸は吸着ノズルを垂直方向に移動させる上下駆動機構を、Ｒ軸は吸着ノズルを軸中心に回転させる回転機構を、Ｗ軸は基板搬送用コンベアを幅方向に移動させる幅調整機構を、それぞれ例として挙げることができる。

次にステップＳ２で軸の通信周期を設定する。ここでは、設定した優先順位により夫々の軸の通信周期を設定する必要があるので、それを実施する。図６の例ではＸ軸のサーボモータは制御周期Ｔ間に２回(複数回)の制御処理を実施しており、これは制御周期Ｔ間に２回の通信を行う必要がある事となるので、Ｘ軸のサーボモータはＴ／２の周期で通信する必要がある。Ｙ軸、Ｚ軸のサーボモータは制御周期Ｔ間に１回の制御処理を実施しており、これは制御周期Ｔ間に１回の通信を行う必要がある事となるので、Ｙ軸、Ｚ軸のサーボモータはＴの周期で通信する必要がある。Ｒ軸、Ｗ軸のサーボモータは制御周期Ｔの２倍(複数倍)の周期２Ｔ間に１回の制御処理を実施しており、これは制御周期の２倍の２Ｔ間に１回の通信を行う必要がある事となるので、Ｒ軸、Ｗ軸のサーボモータは２Ｔの周期で通信する必要がある。以上を満足するような通信周期を設定する。

次にステップＳ３で、上記で設定した軸の優先順位と軸の通信周期の設定が正しく行われているかの確認を行う。例えば図６のような制御を行いたい場合、Ｘ軸の通信周期をＴに設定すると、制御周期Ｔ間に２度の制御処理を行う為にはＴ／２より短い通信周期にする必要があるので、この制御は実現できない。このように軸の優先順位と通信周期を考慮し設定に不具合がある場合、ステップＳ４のように設定エラー通知を行い、再度軸の優先順位と軸の通信周期の設定を行う。

軸の優先順位と軸の通信周期の設定が正しく行われていた場合、ステップＳ５で各軸への制御順を設定する。図６の例では第１周期目のサーボモータ制御処理の順番はＸ軸→Ｙ軸→Ｚ軸→Ｘ軸→Ｗ軸であり、第２周期目の制御処理の順番はＸ軸→Ｙ軸→Ｚ軸→Ｒ軸→Ｘ軸である。この第１周期目、第２周期目の制御を交互に繰り返す。ここで、この制御順は、設定した優先順位を満たす制御ができる事を条件に自由に割当てる事ができる。例えば、一番要求性能が低いＲ軸、Ｗ軸のサーボモータがオフの状態であったり、使用しない軸であった場合、前記Ｒ軸、Ｗ軸の制御処理を中止し、その情報を優先順位の設定に反映させ、Ｒ軸、Ｗ軸の制御処理の処理を中止したことによる空き時間を利用して、要求性能が一番高いＸ軸のサーボモータの制御処理の実行に割当てることができる。これによって制御処理の順番を、例えばＸ軸→Ｙ軸→Ｘ軸→Ｚ軸→Ｘ軸、Ｘ軸→Ｘ軸→Ｘ軸→Ｙ軸→Ｚ軸、Ｘ軸→Ｙ軸→Ｚ軸→Ｘ軸→Ｘ軸等のように空いたＲ軸、Ｗ軸の代わりにＸ軸の制御処理を割当てる事ができる。上記各軸への制御順の設定が完了すると、ステップＳ６で制御を開始する。

制御が開始されると、図６の第１周期目では番号１のように期間ｔでＸ軸のサーボモータ制御処理が行われる。次に番号２のように期間ｔでＹ軸のサーボモータ制御処理が行われる。次に番号３のように期間ｔでＺ軸のサーボモータ制御処理が行われる。次にＲ軸は上記設定により要求性能が一番低く、しかもＲ軸を駆動するサーボモータがオフなので制御処理を行わず、その代わり番号４のように期間ｔでＸ軸制御処理が行われる。なお、Ｒ軸は上記設定により要求性能が一番低く、しかもこのＲ軸は使用しない軸であった場合も制御処理を行わず、その代わり番号４のように期間ｔでＸ軸のサーボモータ制御処理が行われる。次に番号５のように期間ｔでＷ軸制御処理が行われる。第１周期目では、要求性能が一番高いＸ軸のサーボモータ制御処理結果は番号１、番号４と出力されるので２ｔ間隔で制御処理が出力される。

第２周期では番号１のように期間ｔでＸ軸のサーボモータ制御処理が行われる。次に番号２のように期間ｔでＹ軸のサーボモータ制御処理が行わる。次に番号３のように期間ｔでＺ軸のサーボモータ制御処理が行われる。次に番号４のように期間ｔでＲ軸のサーボモータ制御処理が行われる。次にＷ軸は上記設定により要求性能が一番低く、しかもＷ軸を駆動するサーボモータがオフなので制御処理を行わず、その代わり番号５のように期間ｔでＸ軸のサーボモータ制御処理が行われる。なお、Ｗ軸は上記設定により要求性能が一番低く、しかもこのＷ軸は使用しない軸であった場合も制御処理を行わず、その代わり番号５のように期間ｔでＸ軸のサーボモータ制御処理が行われる。第２周期目では、要求性能が一番高いＸ軸制御処理結果は番号１、番号５と出力されるので３ｔ間隔で制御処理が出力される。この第１周期、第２周期の制御を繰り返す。

上記制御を繰り返している中、外部から制御の停止指令があった場合、ステップＳ７で制御を中止する。

なお、前記第１実施形態においては、Ｘ軸が優先順位の高い制御対象とされ、１制御周期Ｔ内で２回制御処理が実行されていたが、優先順位が高い制御対象や、制御処理の回数は、これに限定されない。制御装置の構成も、図５に限定されない。

図８は本発明の第２実施形態を実施するためのサーボモータ制御装置の回路ブロック図である。

本制御装置は、マウンタシステム制御部７１、軸制御順位の設定値を保存するメモリ７２、軸制御順位設定部７３、軸制御順位受取部７４、発振装置７５、制御周期毎の軸制御データ、軸制御順位を保存するメモリ７６、ＣＰＵ（中央演算処理装置）７７、ドライバボードインターフェース７８、サーボボード７９、サーボモータ７１６、７１７、７１８、７１９、７２０、これらサーボモータをそれぞれ駆動するドライブ部７１０、７１１、７１２、７１３、７１４、ドライバボード７１５を備えている。

本実施形態に適用されるサーボモータ制御装置は、処理内容は異なるが、各構成部の基本的な機能は前記第１実施形態に適用される前記図５に示した制御装置と実質的に同一である。

以上の構成において、本実施形態の軸制御方法について、図９のタイミングチャートを参照しながら、図１０のフローチャートに従って説明する。

ステップＳ１０１では、各サーボモータ７１６、７１７、７１８、７１９、７２０の軸制御順位が予め記憶されているメモリ７２から、その軸制御順位データ等の情報を軸制御順位設定部７３が読み出して、サーボボード７９に出力する。サーボボード７９の軸制御順位受取部７４及びＣＰＵ７７は、その情報を受け取って図１１に示す軸制御順位テーブルとしてメモリ７６に書き込む。ここで、軸制御順位は、前記第１実施形態の優先順位に相当し、同様にサーボモータの要求性能の高さ順に設定されている。

ステップＳ１０２では、ＣＰＵ７７内の軸制御順位カウンタＮを１にセットする。

ステップＳ１０３では、メモリ７６に書き込まれている図１１に示す軸制御順位テーブルを読み出し、軸制御順位と軸制御順位カウンタ値に従い軸制御処理を開始する。

ステップＳ１０４では、軸制御処理結果、即ち該軸の制御処理に要した時間の実績値をメモリ７６に書き込む。

ステップＳ１０５では、制御軸数の完了判定を行い、必要軸数（図では５軸分）に達していればステップＳ１０９に進み、達していない場合はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、次の軸に対する軸制御処理が予め与えられた軸制御処理時間の許容範囲内（ここでは、１制御周期Ｔ内）に終了するかどうかを判定し、許容範囲内と判定された場合ステップＳ１０７に進み、許容範囲から外れると判定された場合はステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０７では、ＣＰＵ７７内の軸制御順位カウンタＮを１インクリメントし、ステップＳ１０３に戻り、次の軸に対する軸制御処理を開始する。

ステップＳ１０８では、処理できなかった軸の軸制御順位を上位に、処理できた軸の軸制御順位を下位に再設定しメモリ７６に書き込む。

ステップＳ１０９では、サーボボード７９のドライバーボードインタフェース７８は、制御周期Ｔに従いメモリ７６から各サーボモータ７１６、７１７、７１８、７１９、７２０に対して与える制御信号を出力し、ステップＳ１０２に戻る。その後、次の制御周期に対する軸制御処理を前記ステップＳ１０２〜Ｓ１０９に従って同様に実行する。

以上のような処理手順に従えば、以下のような制御処理が実現される。

即ち、通常時の制御処理の順番はメモリ７２から読み出した軸制御順位の初期値通り（図１１の軸制御順位テーブルを参照）Ｘ軸→Ｙ軸→Ｚ軸→Ｒ軸→Ｗ軸の順番に、最悪値より短い時間ｔで制御処理を行うが、ピーク時１の様にＸ軸、Ｙ軸の制御処理に要する時間tが最悪値になった場合、軸制御順位の低い軸（図９では軸制御順位５のＷ軸）の制御処理は１制御周期Ｔ内で行うことが出来ない。

そこで、本実施形態では、制御処理ができなかった軸（Ｗ軸）の軸制御順位を上位に再設定し（図中のＷ軸の軸制御順位５→３）、制御処理ができた軸（例えば図中のＺ軸、Ｒ軸）の軸制御順位を下位に再設定（Ｚ軸の軸制御順位３→４、Ｒ軸の軸制御順位４→５に変更）する。このようにすることにより、次の制御周期Ｔ（図中のピーク時２）には前の制御周期Ｔで制御処理ができなかった軸（Ｗ軸）の制御処理を優先的に行うことが可能となる。

以上のような処理を行うことにより、ＣＰＵ７７で制御処理時間がオーバーした場合、特定の軸だけ制御処理しないのではなく、軸制御順位を再設定することで軸全体を平均的に間引きながら制御処理することが可能となるので、従来のように制御処理できなかった軸が誤動作したり、サーボモータ制御処理装置自体が停止したりしてしまう問題を防ぐことが可能となる。

なお、本実施形態においては、図１１のテーブルに併記したように、要求性能が高い軸（図中のＸ軸、Ｙ軸）にはプロテクトをかけ、軸制御順位を設定変更する対象から外している。このように特定の軸については設定変更の対象から外すことも可能である。

なお、前記第１実施形態と第２実施形態とは並列関係にあり、同時に機能させることが可能である。

又、前記実施形態では、制御処理手段をＣＰＵで構成したが、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラム・ゲート・アレイ）等のハード回路で実現しても良い。

１、７１…マウンタシステム制御部
２、７２…メモリ
３…軸優先順位・軸通信周期設定部
４…軸優先順位・軸通信周期受取部
９、７９…サーボボード
１０、１１、１２、１３、１４、７１０、７１１、７１２、７１３、７１４…ドライブ部
１５、７１５…ドライバボード
１６、１７、１８、１９、２０、７１６、７１７、７１８、７１９、７２０…サーボモータ
７３…軸制御順位設定部
７４…軸制御順位受取部

Claims (3)

1. 各々異なる駆動対象を駆動する複数のサーボモータを所定の制御周期毎に制御する際に、
   要求性能が低い駆動対象のサーボモータがオフ又は不使用とされた場合に前記要求性能が低い駆動対象の制御処理を中止し、
   その空き時間を利用して、前記所定の制御周期内で必ず１回以上制御処理され且つ前記要求性能が低い駆動対象よりも制御処理の周期を短くすることで制御の精度や応答性が向上可能となる要求性能が高い駆動対象のサーボモータの制御処理を、中止された前記要求性能が低い駆動対象の制御処理の代わりに追加実行することを特徴とする複数のサーボモータの制御方法。
2. 各々異なる駆動対象を駆動する複数のサーボモータを所定の制御周期毎に制御する際に、
   該所定の制御周期内において、予め各駆動対象毎に設定された制御順位が高いサーボモータから低いサーボモータへ、順次、制御処理すると共に、全サーボモータの制御処理に要する時間が許容範囲内に収まるか否かを監視し、収まらないために制御処理できないサーボモータが発生した場合は、次の制御周期に対して該サーボモータが駆動する駆動対象に設定する制御順位を上げる制御順位の再設定をすることを特徴とする複数のサーボモータの制御方法。
3. 前記複数のサーボモータが駆動する一部の駆動対象を、前記制御順位の再設定の対象から外すことを特徴とする請求項２に記載の複数のサーボモータの制御方法。

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