JPH01292405A - ディジタル位置サーボ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野〕 本発明は、位置サーボ装置に係り、特に、位置指令値に
対する追従性のよい位置サーボ系を構成するのに好適な
ディジタル位置サーボ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、産業用ロボットや数値制御工作機（ＮＣ装置）な
どの位置サーボ装置では、位置指令値に対する追従性を
向上するため、位置指令値の変化量から速度成分を演算
し、これを位置サーボ系に対する速度補正量としてフィ
ードフォワード補償する方式が用いられている。サーボ
系のディジタル化により位置指令値の微分を差分演算で
求められることから、ロボットやＮＣ装置における経路
精度を向上する上での有効な手段として用いられている
。（日経メカニカル：１９８Ｂ、１．１１゜ｐ５０〜ｐ
６０参照） （発明が解決しようとする課題〕 しかし、上記従来技術では１位置指令値の差分演算に併
なう遅れ時間について考慮されておらず、より安定なフ
ィードフォワード補償を実行する上で問題があった。す
なわち、位置指令値と位置検出値とから位置制御演算を
実行するのと同じ周期で前回との位置指令値と今回の位
置指令値との差分を演算するため、フィードフォワード
補償項として演算される速度補正量は、前回のサンプリ
ング周期間の平均速度に対応する。このため位置制御の
サンプリング時点から見ると１サンプリング遅れ速度補
正項が演算されることになり、この遅れのため、フィー
ドフォワードゲインを上げて追従性のよいサーボ系を構
成しようとすると、系が不安定となるという問題があっ
た。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであ
り、フィードフォワード類の演算遅れの影響をなくすこ
とにより、より追従性の優れた位置サーボ系を構成でき
るようにしたディジタル位置サーボ装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

このような課題を解決するため、本発明は、駆動系の位
置指令値を発生する手段と、前記駆動系の位置検出値お
よび速度検出値とを検出する手段と、を備え、前記位置
指令値と前記位置検出値との偏差と、前記位置指令値の
差分量とからディジタル的に駆動系に対する操作量を演
算するディジタル位置サーボ装置において、前記位置指
令値の差分量の演算周期を、位置偏差の演算周期より速
く実行し、この位置指令値演算周期毎に、位置指令値の
差分から速度フィードフォワード量を演算し、この計算
値により前記駆動系に対する操作量を更新させる手段を
備えるようにしたものである。

また、このように構成したディジタル位置サーボ装置に
おいて１位置指令値の差分量として１階差分量のほか２
階差分量をも用いて、前記駆動系に対する操作量を更新
させる手段を備えるようにしたものである。

〔作用〕

このようにした場合１位置指令値の差分は、現在の位置
指令値と位置検出値とから、位置制御処理を実行する前
から演算することになり、この演算値を位置制御処理の
出力に加算されること等により、駆動系に対する操作量
を更新させる。このため、位置指令値の差分量の演算遅
れの影響を極めて少なくすることができ、より安定した
状態でフィードフォワード補償を達成することができる
。

また、同時に位置指令値の２階差分量を用いれば加速度
フィードフォワード類をより少ない演算遅れでフィード
フォワードできることにもなり、より追従性の優れた位
置サーボ系を構成することもできる。

〔実施例〕

以下、本発明によるディジタル位置サーボ装置の一実施
例を示す構成である。まず、第１図において、１は後述
するマイクロプロセッサ１１により実行される位置サー
ボ処理部、２は前記位置サーボ処理部より演算された速
度指令値をアナグロ量に変換するためのＤ／Ａ変換器、
３はこの速度指令値に従いモータ４を駆動するための速
度サーボアンプであり、モータ４に取付けられた速度検
出器６の出力がフィードバックされいる。モータ４には
負荷５が接続されており、これにより負荷の位置を所望
の指令値に制御する。また、モータ４には位置検出器と
してロータリエンコーダ７が取付けられており、その位
置検出パルスをカウンタ８で計数することで、モータ４
の位置（回転角）が検出されるようになっている。

前記位置サーボ処理部を構成するマイクロプロセッサ部
は、第２図のように構成されており、９が位置サーボを
実行する信号処理回路を示し、３〜７は第１図と同一の
ものを示す、ここで、９はマイクロプロセッサ（ＭＰＵ
と以下略記）１１を中心に、メモリ１２およびデイアル
・ポート・メモリ１０、Ｄ／Ａ変換器２およびカウンタ
８から構成され、デイアル・ポート・メモリ１０を介し
て、ディジタル位置サーボ装置に対する位置指令値が指
令されるようになっている。

前記マイクロプロセッサ部における位置サーボ装置は上
述した第１図のブロック図に示すようになされ、この位
置サーボ処理部１の説明をする。

まず、位置サーボ装置に対する位置指令値が所定の周期
（Ｔｑとする）毎に書き込まれ、この指令値からサーボ
系に対する滑らかな位置指令値を生成する。その手段と
して、内挿補間処理が用いられ、位置指令周期’ｒｑよ
り短い周期（Ｔｉ）で。

１９間の位置指令値を内挿補間する。すなわち。

同図において、１０１により内挿補間計数が計算され、
この値に従って、１０２により周期Ｔｉ毎にサーボ系に
対する連続した位置指令値を演算する０次に、内挿補間
した位置指令値を滑らかなものとするため、平滑処理１
０３が施される。これには、移動平均形の平滑フィルタ
や一次遅れ形の低域通過フィルタなどが用いられ、少な
くとも７９以上の時定数で平滑化することで、内挿補間
することによる’ｒｑ周期毎の位置指令値の不連続性を
除去する。この平滑化された位置指令値を用いて、位置
制御処理１０４および速度フィードフォワード処理１０
６が実行される０位置制御処理１０４では、カウンタ８
の値から位置検出処理１０５を実行して得た位置検出値
と位置指令値とから位置制御を実行し、速度指令値を演
算する。また、速度フィードフォワード処理１０６では
１位置指令値の差分から指令値に含まれる速度成分を演
算し、これに係数をかけて速度フィードフォワード環と
する。２つの演算結果は、１０７で加算され、１０８で
データ変換されて所定の速度指令値としてＤ／Ａ変換器
２に出力されるようになっている。

このときの、動作波形第３図に示す、いま、Ｔｑ毎に位
置指令値が指令される。前回の指令値をθｐ、今回の指
令値をθＣとすると、これをＴｉで内挿補間すると、内
挿補間周期Ｔｉ毎の位置指令値の増加量Δθｉは、次式
のように求まる。　′これより、Ｔｉ毎の位置指令値　
θｉは、θｉ＝θ五−２＋Δθｉ　　　　　　　川・・
・（３）より求まる。

従来１本発明に対応する内挿補間周期Ｔｉはスイッチ値
制御周期Ｔｐと等しく設定されていた。

この位置制御周期’ｒｐは被制御装置の機能制御面から
最小限が定められており、またその最小限値は許容範囲
内のものであった８本発明にょる内挿補間周期Ｔｉは前
記位置制御周期’ｒｐより短く設定されるものである。

第３図の実施例の場合では、Ｎ１＝Ｔｑ／Ｔｉ＝＋１５
、Ｔｐ／Ｔｉ＝８の場合について示している。

すなわち、３Ｔｉ毎に位置制御が実行されるようになっ
ている。その間の２点の内挿補間点は位置制得点として
は無朧な補間点となるが、この補間点を利用して、より
連続系に近い条件で、フィードフォワード補償を実行す
るようになっている。

さて、これらの内挿補間点の位置指令値は、平滑処理に
よって、より滑らかに値の変化する点列に変換されるよ
うになっている。いま、ｎｆ段の移動平均フィルタを用
いると、 ｎｆ　　　　　　　　　・・・（４） により、平滑処理後の位置指ｆ（ａ〜４が得られる。

ここで、ｚ−１は、１回前の値を表す遅延演算子である
。フィルタの段数ｎｆは１通常、ｎ　ｆ　Ｔｉ＞’ｒｑ
となるよう選ばれる。

さて、Ｔｉ周期毎の速度フィードフォワード量Ｖｆは、
平滑処理後の位置指令値θｅｉを用いて１次のように計
算される。

Ｖｆｉ＝Ｋｖｆ　（θｅｉ−θｅｌ−１）　−−（５）
いま、この速度フィードフォワード環Ｖｆｉは、位置制
御周期Ｔｐの３倍のサンプリング周波数で演算されてお
り、この値が位置制御の出力に加算されて速度指令値と
なる。この値の時間変化を第３図（ｂ）に示す。

次に、上述した位置サーボ処理を実行するためのフロー
チャートを第４図に示す。

位置指令周期Ｔｇ毎には、位置指令値θＣが読み込まれ
、前回の位置指令値θＰとから位置指令値ΔθＣが演算
される（Ｆｌ）、これに対し、内挿補間周期Ｔｉ毎には
、内挿補間により滑らかな位置指令値θｉが演算され（
Ｆ２）、次にｎｆ断の移動平均フィルタにより平滑化さ
れた位置指令値θｅ３−が得られる（Ｆ３）。この値を
用いて、速度フィードフォワード環Ｖｆが演算され（Ｆ
４）、後述する位置制御処理の出力ＶＱと加算されて、
速度指令値Ｖｒとなり、（Ｆ５）、これがＤ／Ａ変換器
より出力される。これにより長い周期Ｔｐ毎に起動され
る位置制御処理では、その時点での位置指令値θＱｉと
位置検出値とから位置制御処理を実行しくＦ６）、この
結果として速度指令値ＶＱを決定する（Ｆ７）、この速
度指令値ＶＱは、速度フィードフォワード値Ｖｆと加算
され（Ｆ８）、速度指令値Ｖｒとして、Ｄ／Ａ変換器に
出力される。

以上説明したことから明らかなように、本実施例によれ
ば、必要以上に位置制御周期を短くすることなく滑らか
な速度フィードフォワード補償を実行することができる
ようになる。

すなわち、速度フィードフォワード環は従来の３倍の周
期で演算され速度指令値に加算されるので、演算遅れの
影響もなくより滑らかなフィードフォワード量が得られ
る。このためフィードフォワードゲインＫｖｆを大きく
とっても安定に制御でき、フィードフォワード補償の効
果により、より追従性のよい位置サーボ系を構成できる
。

ここで、内挿補間処理、平滑フィルタ処理は、それぞれ
（３）、（４）式に示すように簡単な処理で実行でき、
また、速度フィードフォワード環の演算も（５）式のよ
うに比較的簡単に実行できる。このため、内挿間周期Ｔ
ｉを位置制御周期Ｔｐより短くしても、マイクロプロセ
ッサの演算量はそれほど増加しない。

なお、この実施例では平滑処理として移動平均形フィル
タを用いたが、１次遅れフィルタをディジタル処理で実
行しても同様に実現できる。

また、内挿補間処理として、２点間を直線で補間する直
線補間の場合について説明したが、過去の３点間を２次
曲線で滑らかに補間する２吹掃間の場合についても、本
発明の方式を同様に適用できることはいうまでもない。

更に、本実施例では、位置制御のみをディジタル的に実
行する場合の速度フィードフォワードについて述べたが
、速度制御までディジタル処理で実行する位置サーボに
対しても同様に速度フィードフォワード補償を実行でき
る。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

この実施例は、速度制御までディジタル処理で実行する
ディジタル位置サーボ装置において、速度のフィードフ
ォワード環に加えて、加速度のフィードフォワード環を
補償することにより、補償効果の大きい位置サーボを構
成できるものである。

まず、第５図において、位置サーボを実行する信号処理
回路の構成は第１の実施例と同じであり。

マイクロプロセッサ１１のソフトウェア処理により速度
制御までディジタル化した位置サーボ処理が実行される
。このため、Ｄ／Ａ変換器２からは、アンプ１３に対す
る駆動トルク指令が出力される。

このアンプ１３はこの指令を受けて、モータ４に流す電
流を制御することで所望の駆動トルクを発生される電流
制御形アンプとなっている。また、モータ４に取付けら
れた検出器はロータリエンコーダ７だけであり、この位
置検出パルスを計数することで位置を検出するとともに
、単位時間あたりの検出パルス数から速度を検出し、速
度制御処理に用いられるようになっている。

次に本実施例の処理内容のブロック線図を第６図に示す
、この図において、内挿補間処理１０１゜１０２および
平滑処理１０３までは、第１の実施例と同じであり、該
実施例と異なる部分はこの平滑処理後の位置指令値θｃ
ａｌを用いて、速度フィードフォワード環に加えて、加
速度フィードフォワード環も演算し、補償するところに
ある。本実施例にように速度制御までディジタル化して
いる場合、加速度項まで含めたフィードフォワード補償
がソフトウェア処理により、容易に実行できる。

このとき、速度、加速度フィードフォワード環は、それ
ぞれ次式のように演算される。

Ｖｆｉ＝Ｋｖ（θｑｉ−θＱｉ−１）−−−−−・（６
）ａｆｉ＝　ＫＡ（Ａ　８　Ｑｉ−Ａ　ｆ）　ｅｉ−ｚ
）　−・・・（７）ここで、 Δθｏｉ＝θＱｉ−θＱｉ−１　　　　　　・・・・・
・　（８）であり、Ｋｖが速度フィードフォワードゲイ
ン、Ｋ＾が加速度フィードフォワードゲインである。

すなわち、予想されるように速度フィードフォワード環
が位置指令値の１階差分に糸数をかけたものとして得ら
れるのに対し、加速度フィードフォワード環は、その２
階差分に比例する量として演算される。従来においては
、位置制御周期毎に内挿補間を実行するので、位置指令
値の２階差分から加速度成分を演算したとき、その結果
は本来の値に比べ位置のサンプリング周期に比例して遅
れるようになる。しかし本実施例の場合、内挿補間周期
Ｔｉを位置制御周期Ｔｐより短く設定するので、２階差
分まで演算しても、その遅れは十分少なくてすむように
なる。このときの動作波形を、第７図に示す、ここで、
Ｔｑ／　Ｔｐ＝５．Ｔｐ／Ｔｉ＝３の条件は、第１の実
施例と同じとした同図（ｂ）の速度フィードフォワード
環の更に差分をとった加速度フィードフォワード環を同
図（Ｃ）に示す。

位置指令値の内挿補間周期Ｔｉを十分短く選択（Ｔｉ＝
　１　／　３　ＴＰ）　Ｌ／ているので、得られた加速
度フィードフォワード環ａｆは、位置制御に用いられる
位置指令値に対し、遅れの少ない値となっている。

第８図のそのフローチャートを示す０位置指令周期Ｔｑ
毎の処理は、第１の実施例と同じのため説明を省略す、
Ｔｉ毎の処理では、速度フィードフォワード環Ｖｆに加
え、加速度フィードフォワード環ａｆの計算（Ｆ１ａ）
が追加されている。

位置制御周期’ｒｐ毎に、速度フィードフォワード補償
を加えた速度指令値が演算され、これに対して、速度制
御が実行される。この制御周期Ｔｓ≦Ｔｉなるよう選択
し、この速度制御周期毎に、加速度フィードフォワード
環を加えた操作量（駆動トルク指令）をサーボアンプに
出力することで所望の特性の位置サーボ性能が得られる
。

゛以上説明したことから明らかなように、上述した実施
例によれば、速度フィードフォワードに加。

えて、加速度フィードフォワード環をより少ない演算遅
れで制御系にフィードフォワードできることから、より
追従性のよい位置サーボ系を構成することができるよう
になる。

〔発明の効果〕

以上説明したことがら明らがなように、本発明によるデ
ィジタル位置サーボ装置によれば、フィードフォワード
環の演算遅れの影響をなくし、より追従性のよい位置サ
ーボ系を構成できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるディジタル位置サーボ装置の第１
の実施例を示す構成図、第２図はそのハードウェアを示
す構成図、第３図はその動作説明図、第４図はその処理
フローチャートであり、第５図は本発明の第２の実施例
のハードウェア構成図、第６図はその処理内容のブロッ
ク図、第７図はその動作の説明図、第８図はそのフロー
チャートを示す図である。 ２・・・Ｄ／Ａ変換器、３・・・アンプ、４・・・モー
タ、１１・・・マイクロプロセッサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、駆動系の位置指令値を発生する手段と、前記駆動系
   の位置検出値および速度検出値とを検出する手段と、を
   備え、前記位置指令値と前記位置検出値との偏差と、前
   記位置指令値の差分量とからディジタル的に駆動系に対
   する操作量を演算するディジタル位置サーボ装置におい
   て、前記位置指令値の差分量の演算周期を、位置偏差の
   演算周期より速く実行し、この位置指令値演算周期毎に
   、位置指令値の差分から速度フィードフォワード量を演
   算し、この計算値により前記駆動系に対する操作量を更
   新させる手段を備えるようにしたディジタル位置サーボ
   装置。 ２、請求項第１記載において、位置指令値の差分量とし
   ては１階差分量のほか２階差分量をも用いて、前記駆動
   系に対する操作量を更新させる手段を備えたディジタル
   位置サーボ装置。