JPH02188176A - サーボモータの負荷監視装置 - 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】 発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明は、サーボモータに連結される負荷の状態を簡便
に判定することができるサーボモータの負荷監視装置に
関する。

（従来の技術） 制御量が回転数、位置、速度、角度などであるサーボ機
構においては、その動力源としてトルク−速度特性が改
良された電動機、いわゆるサーボモータが一般的に利用
されている。

また、この様なサーボモータを利用したサーボ機構では
、サーボ系の駆動状態を検出するために各種のセンサを
備え、その検出結果を操作量の変更などに使用している
。例えば、サーボモータおよびその制御系の状態を検出
する検出器を備え−その検出結果よりサーボモータ夕あ
るいはその制御系の異常を検出しく特開昭８１−２４０
８７０号）、またはサーボモータ入力を補正する（特開
昭６３−１８１６８５号）技術が各種提案されている。

上記技術により、サーボ系の駆動は目標値に正確に追随
し、あるいは異常時には直ちに停止し、異常の報知が行
われる。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記サーボモータに関する各種の技術は、単に
サーボモータを中心とした駆動系の状態を検出してその
駆動系の駆動状態を判断することを主目的としており、
その負荷である制御対象に異常が発生してもこれに対処
することができない。

すなわち、サーボモータの負荷である制御対象は、サー
ボモータが圧密に作動する限りにおいて不具合は発生し
ないという前提の技術である。例えば、はね部材に取り
付けられた物体の位置を目標値に制御するためにサーボ
モータが用いられている場合、ばね部材が金属疲労によ
り破断したときであっても、従来の各種技術によりサー
ボモータは負荷の変動を関知して物体の位置を初期の目
的通りに制御することができる。

しかし、サーボモータを利用する最終的目的は、その負
荷である制御対象の一部品として正確に動作することで
あり、その前提である制御対象に異常が発生した場合に
は動力源であるサーボモータは異常を判定して所定の退
避処理を実行するなどの異常時の知的処理が行われるこ
とが望ましい。

そこで、従来は負荷の異常を検出する異常検出センサを
負荷に取り付け、異常発生時にはサーボモータの制御を
中止するなどの退避処理を実行させる構成が採られてい
る。このため、異常検出センサなどの新たな検出装置が
必要となり、またサーボモータの制御系は一層複雑とな
り、設備費の高騰を招いている。

本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、サーボモー
タの負荷の状態を、負荷に対して新たなセンサを設ける
ことなく検出可能とし、サーボモータおよび負荷を含む
総合的なシステムを簡略に構築することができるサーボ
モータの負荷監視装置を提供することを目的としている
。

発明の構成 （課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために本発明の構成した手段は第１
図の基本的構成図に示すごとく、サーボモータＳＭの出
力軸ＯＰの駆動状態を検出する出力状態検出手段Ｃ１と
、 前記サーボモータＳＭに入力される電力を検出する入力
状態検出手段Ｃ２と、 該入力状態検出手段Ｃ２と前記出力状態検出手段ＣＩと
の検出結果に基づき、前記サーボモータＳＭの出力軸Ｏ
Ｐに連結される負荷りの状態を判定する負荷状態判定手
段Ｃ３と、 を備えることを特徴とするサーボモータの負荷監視装置
をその要旨としている。

（作用） 本発明のサーボモータの負荷監視装置において出力状態
検出手段Ｃ１とは、サーボモータＳＭの出力軸ＯＰの駆
動状態を検出するものであり、出力軸ＯＰの回転速度、
回転角度または回転加速度を１あるいは必要な絹み合せ
で検出する。従って、従来よりサーボモータに備えられ
るエンコーダや微分器などが利用可能である。

また、入力状態検出手段Ｃ２とは、サーボモータＳＭに
入力される電力を検出する。ここで電力の検出とは、電
力の絶対値の検出に限らず、その積分値である電力量、
あるいは電力の増減の検出であってもよい。また、サー
ボモータＳＭに供給される電圧が一定である場合には、
サーボモータに流人する電流を検出するのみで電力の検
出が可能である。

上記入力状態検出手段Ｃ２と出力状態検出手段Ｃ１との
検出結果を入力する負荷状態判定手段Ｃ３は、雨検出手
段の検出結果よりサーボモータＳＭの出力軸ＯＰに連結
される負荷りの状態を判定する。すなわち、入力状態検
出手段Ｃ２の検出結果よりサーボモータＳＭの機械的出
力は推定可能である。そして、その推定した機械的出力
に対して、出力状態検出手段Ｃ１の検出結果だけ負荷り
の駆動が行われたのであるから、これら検出手段の検出
結果より機械的入力に対する負荷りの変位状態を知るこ
とができる。。

以下、本発明をより具体的に説明するために実施例を挙
げて説明する。

（実施例） 第２図は、実施例の負荷監視装置を内蔵するサーボモー
タ駆動システムのハード構成図である。

コントローラ１０は、構成の簡略化、・汎用性を考慮し
て図示するようにマイクロコンピュータを中心としたデ
ィジタル回路により構成されている。

すなわち、論理演算を実行するＣＰＵ１０ａ、該ＣＰＵ
１０ａの実行する各種制御プログラムを不揮発的に記憶
しているＲＯＭ１０ｂ、情報の一時的記憶を実行してＣ
ＰＵ１０ａの演算を補助するＲＡＭ１０ｃおよびこれら
論理回路と他の機器との情報の授受を受は持つ人出カポ
−）１０ｄを主要な構成部としている。

コントローラ１０のその他の機器としては、サーボモー
タ２０を駆動するための電気回路として、人出カポ−）
１０ｄより入力する制御信号に従ったＰＷＭ信号を出力
するＰＷＭ回路１０ｅ、そのＰＷＭ信号に基づきパワー
トランジスタにより構成されたパワーアンプ１０ｆを駆
動するプリドライバー１０ｇが設けられている。このパ
ワーアンプ１０ｆによってＰＷＭ制御された三相交流が
サーボモータ２０の入力端子として供給されるため、サ
ーボモータ２０の駆動は人出カポ−）１０ｄから出力さ
れる制御信号により、すなわちＣＰＵｌ０ａを中心とし
た論理回路により制御されることになる。また、コント
ローラ１０の内部状態を外部に出力するための電気回路
として、視覚的に内部状態を表示するＣＲＴ３０制御用
のＣＲＴコントローラ１０ｈ、内部状態をハードコピー
するプリンタ４０駆動用のプリンタφインターフェイス
１０ｉ、図示しない他の制御機器と通信を行う際に情報
の変調／復調を行うモデムＩＯｊが用意されている。

コントローラ１０は、サーボモータ２０をより高精度に
安定して制御するため、フィードバック制御方式を採用
している。帰還されるサーボモータ２０の情報は、サー
ボモータ２０の発生するトルクを検出するために電機子
電流値を検出する電流検出コイル２２．２４の検出出力
およびサーボモータ２０の出力軸の回転状況を検出する
エンコーダ２６の検出出力である。

以上のように構成されるシステムにおいて、コントロー
ラ１０のＲＯＭ１０ｂには、以下に説明する各種の情報
が記憶されている。

まず、サーボモータ２０の出力軸にどの程度のトルクを
どの様なパターンで発生させるべきかを指示する制御手
順（以下、制御データＤという）が記憶されている。

また、記憶されている上記制御データＤに従ってサーボ
モータ３０を実際に駆動するため、そのデータに示され
た内容に則った制御信号を人出カポ−）１０ｄから順次
出力するため、次の各種プログラムが記憶されている。

公知のように、ＣＰｏｌｏａを中心とした論理回路は各
種電子部品の集合体のようなものであり、これらに所定
のプログラムを実行させ、ることで、目的とする各種の
電子回路を構成することができる。

ＲＯＭ１０ｂに記憶されるこの種のプログラムのフロー
チャートを第３図、第４図および第５図に示している。

これらのプログラムは、コントローラ１０を含むサーボ
システムの起動がなされたときから繰り返し実行される
ものであり、第３図の２ｍ５ｅｃ割込みルーチンは２ｍ
５ｅｃＨに、第４図の２００μＳｅｅ割込みルーチンは
２００ｕｓｅｃ毎に、第５図の６０１ＬＳｅｃ割込みル
ーチンは６０μＳｅｅ旬にＣＰＵ１０ａに割込むことで
繰り返し実行される。以下、各別込みルーチンの処理に
ついて説明する。

第３図の２ｍ５ｅｃ割込みルーチンの処理が開始される
と、まず現在のサーボモータ２０の駆動状態を検出する
ため、エンコーダ２６の検出結果より回転位置Ｘｎ　（
添え字のｎは、経過時間を表している）の検出（ステッ
プ１００）が実行される。そして、この状態のサーボモ
ータ２０を次にどの様に駆動すればよいかを指示してい
る前記制御データＤｎの読み出しが実行され（ステップ
１１０）、これらのデータＸｎ、Ｄｎに基づきサーボモ
ータ２０の回転位置Ｘのフィードパ・ンク制御系の演算
が次式により実行される（ステップ１２０）。

０Ｘ＝ＡＸ　（Ｄｎ−８，１φＸｎ） すなわち、今回の制御データＤｎに現在の回転位置Ｘｎ
の情報を負帰還するのであり、回転位置の偏差を算出す
るため、制御データＤｎから回転位置Ｘｎにフィードバ
ックゲインβ１を乗算した値（β１◆Ｘｎ）が減算され
、これに増幅度ＡＸを乗算して変数Ｏｘとしている。こ
こで増幅度ＡＸとは、比例定数Ｐ１および積分定数１１
を含むものであり、いわゆるＰＩ制御を実行する。

この様にして算出される変数Ｏｘは、第４図に示す２０
０μＳｅｅ割込みルーチンにて、次のように利用される
。まず、２００μＳｅｅ割込みルーチンでは、サーボモ
ータ２０の駆動状態を検出するためエンコーダ２６の検
出結果より回転位置Ｘｎの検出を行い（ステップ２００
）、その結果を微分演算して回転速度Ｖｎを算出する（
ステップ２１０）。そして、上記２ｍ５ｅｃ割込みルー
チンにて算出される最新の変数Ｏｘの読み込みを実行し
くステップ２２０）、これらのデータに基づき次式によ
り回転速度に対する負帰還の演算が実行される（ステ・
ンプ２３０）。

０Ｖ＝ＡＶ　（ＯＸ−β２・Ｖｎ） ここで、β２はフィードバックゲインを表している。ま
た、ＡＶは比例定数Ｐ２および積分定数Ｉ２を含む増幅
度であり、前記同様にＰＩ制御を実行する。

更に、この２００μＳｅｅ割込みルーチンにて算出され
る変数ＯＶは第５図の６０ｕＳｅｃ割込みルーチンによ
り利用され、最終的に目的としているＰＷＭ回路１０ｅ
に出力する制御信号ＯＴの決定がなされる。すなわち、
初めにアナログ情報である電流検出コイル２２．２４の
検出結果をディジタル情報に変換したトルクＴｎを算出
して（ステ・ンブ３００）以下の処理に備える。そして
、上記２００μＳｅｅ割込みルーチンにて算出された最
新の変数ＯＶの読み込みが実行され（ステップ３１０）
、変数Ｏｖにステップ３００にて検出したトルクＴｎを
負帰還するため、次式による演算が実行され、最終的な
制御信号ＯＴの算出がなされる（ステラ３２０）。

０Ｔ＝ＡＴ　（ＯＶ−β３＊Ｔｎ） ここで、β３はフィードバックゲインを表している。ま
た、ＡＴは比例定数Ｐ３および積分定数１３を含む増幅
度である。

こうして最終的な制御信号ＯＴが算出されると、この制
御信号ＯＴを人出カポ−）１０ｄからＰＷＭ回路１０ｅ
に出力しくステップ３３０）、一連の処理を完了する。

上記３つの割込みルーチンによる処理を要約するならば
、制御データＤｎと現実のサーボモータ２０の回転位置
Ｘｎとの偏差が２ｍ５ｅｃ毎に検出され、速度の偏差が
２００ｕＳｅｃ毎におよび電流（トルク）の偏差が６０
μＳｅｅ毎に検出され、これらを最小とするべくサーボ
モータ２０の電機子電流がＰＷＭ制御されるのである。

以上のような各種プログラムによりコントローラ１０と
して構成される疑似的な電子回路を、視覚的に示した図
が第６図（ただし、−点鎖線で示す部分を除く）である
。上記各種プログラムの実行により、ＣＰＵ１０ａない
し人出力ボート１０ｄにより構成される論理回路は、図
示するように３重のフィードバックループを有するサー
ボ回路を構成している。

簡単に説明すると、このサーボ系に指令を与える指令部
５０ａが、前述した制御手順を記憶しているＲＯＭ１０
ｂの記憶領域に相当する。この指令値を段階的に増幅す
る位置アンプ５０ｂ、速度アンプ５０ｃおよび電流アン
プ５０ｄの増幅度（伝達係数）は、ＣＰＵ１０ａ内で実
行される論理演算の際の係数に相当し、位置アンプ５０
ｂの増幅度は前述ステップ１２０の係数ＡＸに、速度ア
ンプ５０ｃの増幅度は前述ステ・ンプ２３０の係数ＡＶ
に、電流アンプ５０ｄの増幅度は前述ステップ３２０の
係数ＡＴに相当する。また、このサーボ系の帰還情報は
、前述したごとく電流検出コイル２２．２４およびエン
コーダ２６の検出出力であるが、電流検出コイル２２．
２４の検出出力はアナログ出力であるためＡ／Ｄ変換器
５０ｅによりディジタル情報に変換された後に、所定の
フィードパ・ンクゲインβ３を経て電流アンプ５０ｄの
入力に帰還される。またエンコーダ２６の検出出力はデ
ィジタル信号であるため、直接フィードバックゲインβ
１を経て位置アンプ５０ｂの入力に帰還され、また微分
因子Ｓおよびフィードバックゲインβ２を経て速度アン
プ５０ｃの入力に帰還される。

以上が論理回路により構成しているコントローラ１０の
サーボ制御系の概略説明である。この様に構成されるコ
ントローラ１０には、更に負荷監視装置として作動する
ためのプログラムが記憶されており、このプログラムを
起動することで負荷の状態を検出することができる。

上記機能を達成するためコントローラ１０のＲＯＭ１０
ｂには、上記各割込みルーチンに加えて第７図にフロー
チャートを示す負荷監視ルーチンが記憶されている。以
下、第７図のフローチャートに沿って実施例の負荷監視
装置の動作につき説明する。

この負荷監視ルーチンは、サーボモータ２０の出力軸に
監視対象としたい何らかの負荷を連結した後に起動され
、その後はＣＰＵ１０ａにより上記サーボ制御系を構成
する各別込みルーチンと同時並列的に、所定時間毎に繰
り返し実行される。

処理が開始されると、初めにＲＯＭ１０ｂに予め記憶し
ておいた負荷監視用の制御データＤｎを逐次読み出し、
これを上記サーボ系の処理に渡す（ステップ４００）。

すなわち、上記サーボ系の動作を規定するのである。本
実施例では負荷監視用の制御データＤｎは、サーボモー
タ２０の出力軸力Ｆが正弦波状に変化するような制鄭指
令である。

このステップ４００の処理によりサーボ系が作動を開始
すると、その作動状態を検出するために電流検出コイル
２２．２４の検出信号よりトルクＴｎの算出およびその
結果として回転する出力軸の回転状況を知るためにエン
コーダ２６の検出信号から回転位置Ｘｎの算出が実行さ
れ（ステップ４１０）、続いてこの算出結果から負荷の
伝達関数Ｇ　（ｓ）の算出（ステップ４２０）が行われ
る。

次に、この様にして伝達間数Ｇ　（ｓ）の算出が完了す
ると、その結果を視覚的に簡単に判断可能とするためＣ
ＲＴ３０にサーボモータ２０の出力軸力Ｆと回転変位Ｘ
とのりサージュ波形を出力し、また結果をハードコピー
するためプリンタ４０に出力する（ステップ４３０）。

そして、負荷監視用として用意された一連の制御データ
Ｄｎの出力が完了し、また負荷の伝達関数Ｇ　（ｓ）の
正確な算出ができたか否かを判定し、未だ負荷監視ルー
チンの制御途中であると判断されたときにはステップ４
００の処理に戻り、全てを完了していると判断したとき
には本ルーチンを終了する（ステ・ンプ４４０）。

すなわち、上記第７図の負荷監視ルーチンの実行により
、前述したサーボ制御系に対して第６図中に一点鎖線で
示す回路が付加されるのである。

ここで、第６図における負荷監視処理部５０ｆが第７図
に示す処理を順次実行する模擬的な処理回路である。

以上の負荷監視ルーチンの処理結果を、簡単な特性の負
荷について例示したものが第８図（Ａ）および（Ｂ）で
ある。

第８図（Ａ）はサーボモータ２０の出力軸にクランク機
構を連結してその回転運動を直線運動に変化し、監視対
象の負荷としてばねを連結した場合である（（ａ）図参
照）。このとき、ばねの弾性定数をに、力（すなわち、
サーボモータ２０の出力軸力）をＦ、出力を変位（すな
わち、サーボモータ２０の出力軸回転量）Ｘとするなら
ば、伝達間数Ｇ　（ｓ）は次式より算出される（（ｂ）
図参照）。

この様に、負荷の伝達関数Ｇ　（ｓ）は、そのサーボモ
ータ２０の出力軸の力Ｆと回転量Ｘを知ることで算出可
能である。そこで、本実施例の負荷監視ルーチンでは、
その算出を上記のごとくステップ４２０にて実行するの
である。そして、その算出結果、例えば上記（１）式を
ステップ４３０にてプリンタ４０より出力する。また、
このときＣＲＴ３０に出力されるリサージュ波形は、第
８図（Ａ）（ｃ）に実線により示すように、力Ｆと変位
Ｘとが同相であるため原点を通る直線となる。

そして、その直線の傾きから視覚的に、簡単にばねの弾
性定数を知ることができる。

第８図（Ｂ）は、サーボモータ２０の出力軸に前記同様
にクランク機構を介して減衰係数Ｃの工アーダンバーを
連結した場合である（（ａ）参照）。この場合にも、サ
ーボモータ２０の出力軸力Ｆおよび出力軸回転量Ｘを知
ることで、その伝達関数Ｇ　（ｓ）は次式より算出でき
る（（ｂ）参！！り。

また、このときのＣＲＴ３０に描かれるリサージュ波形
は、入力である力Ｆに対して出力の変位Ｘはπ／２の位
相差を有するため、原点を中心とする真円となる（（Ｃ
）参照）。

以上の説明から明かなように、本実施例のサーボモータ
の負荷監視装置を内蔵するコントローラｌＯによれば、
次の効果が明らかである。

サーボモータ２０の負荷の異常を検出するために、従来
は負荷に対して異常を検出する異常検出センサを新たに
必要とし、その検出信号をサー　ボモータ２０のコント
ローラ１０に入力していた。

しかし、本実施例の負荷監視装置を内蔵するサーボモー
タ制御システムでは、第７図の負荷監視ルーチンを実行
することで簡単に負荷の状態を知ることができる。すな
わち、何ら新たな異常検出センサを用いることなく、簡
単に出力軸に連結された負荷の状態を判定することがで
きる。

しかも、その構成は、上記した従来のサーボモータ制御
系に予め備えられる電流検出コイル２２゜２４およびエ
ンコーダ２６を利用している。このため、新たに特別な
機械的構成を必要とせず、コントローラ１０の構成は簡
略化され、きわめて経済的である。

また、実施例の負荷監視装置は、負荷の状態監視結果を
リサージュ波形として出力している。このため、負荷の
状態を一見して視覚的に、簡潔に判断可能となる。

なお、上記実施例では負荷監視ルーチンにてサーボモー
タ２０の出力軸力Ｆを正弦波状に変化させ、リサージュ
波形を出力可能な構成としたが、何らこの様な構成に限
定されるものではなく、サーボモータ２０の出力形式な
どは監視対象である負荷の特性に応じて直線的に、また
は指数関数的に変化させるなど各種の態様により具現化
してもよい。

例えば、本実施例の負荷監視装置により負荷の状態を検
出した後に、その検出結果が異常であるか否かを判断す
る処理を追加し、異常であると判断したときには外部に
対してその旨を出力し、その後のサーボモータ２０の駆
動を中止するなどの異常退避処理を実行してもよい。す
なわち、第８図（Ａ）（ｃ）あるいは同図（Ｂ）（ｃ）
に示したように、負荷の状態は本実施例の負荷監視装置
により高精度に検出できる。従って、そのリサージュ波
形が許容範囲（図中に点線で示す範囲）外である変則的
な波形となるデータが得られた場合には、その旨をモデ
ム１０ｇを介して他の機器に連絡するなど、幅広い利用
が考えられる。

発明の効果 以上実施例を挙げて詳述したように本発明のサーボモー
タの負荷監視装置け、サーボモータの電気的入力および
機械的出力からそのサーボモータに連結される負荷の状
況を判断するものである。

従って、負荷の異常などを特別なセンサを用いて検出す
る従来方式に比較して、装置の簡略化、制御の簡素化が
達成され、きわめて経済的に必要とするサーボシステム
を構築することができる。

しかも、その構成は従来よりサーボモータ制御システム
に備えられたセンサなどを利用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサーボモータの負荷監視装置の基本的
構成を示す基本構成図、第２図は実施例の負荷監視装置
を内蔵するサーボモータシステムのプロ・ンク図、第３
図、第４図および第５図は同実施例のコントローラにて
処理されるプログラムのフローチャート、第６図はその
プログラムの実行により作動するコントローラの疑似的
な電気回路のブロック図、第７図は同実施例の負荷監視
装置として作動するプログラムのフローチャート、第８
図（Ａ）（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および第８図（Ｂ）（
ａ）、　　（ｂ）、　　（ｃ）は同実施例の負荷監視装
置としての作動の説明図、を示している。 Ｃ１・・・出力状態検出手段　　Ｌ・・・負荷２・・・
入力状態検出手段　ＳＭ・・・サーボモータ３・・・負
荷状態判定手段　ＯＰ・・・出力軸０・・・コントロー
ラ　　１０ａ・・・ＣＰＵ０ｂ・・・ＲＯＭ　　　　　
１０ｃ・・・ＲＡＭ０ｄ・・・人出力ボート　　２０・
・・サーボモータ２．２４・・・電流検出コイル　２６
・・・エンコーダ０・・・ＣＲＴ　　　　　　　　４０
・・・プリンタＯｆ・・・負荷監視処理部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 サーボモータの出力軸の駆動状態を検出する出力状態検
   出手段と、 前記サーボモータに入力される電力を検出する入力状態
   検出手段と、 該入力状態検出手段と前記出力状態検出手段との検出結
   果に基づき、前記サーボモータの出力軸に連結される負
   荷の状態を判定する負荷状態判定手段と、 を備えることを特徴とするサーボモータの負荷監視装置
   。