JPH04233608A - サーボモータの制御方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の送り軸やロ
ボットのアームを駆動するサーボモータの制御方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図４はサーボモータを制御する位置・速
度制御系のブロック図である。

【０００３】図４において、１０は工作機械やロボット
を制御する数値制御装置等の制御装置から所定分配周期
（ＩＴＰ周期）毎に与えられる移動指令ＭｃをＮ個の位
置・速度ループ処理周期に分解し、この周期毎に移動指
令Ｐｃを出力するブロック、１１は位置ループ処理にお
ける積算器（エラーレジスタ）のブロックで、位置・速
度ループ処理周期毎に上記ブロック１０から出力される
移動指令Ｐｃから、当該位置・速度ループ処理周期毎の
位置のフィードバック量Ｐｆを減じた値を積算して位置
偏差εｐを求める。１２はポジションゲインのブロック
で、上記位置偏差εｐにポジションゲインＫｐを乗じて
速度指令Ｖｃを求める。１３は速度ループ処理の積分器
のブロックで速度指令Ｖｃより速度フィードバック量Ｖ
ｆを減じて得られる速度偏差εｖを積算する。１４は速
度ループにおける積分定数のブロック、１５は速度ルー
プの比例定数のブロックで、積分器１３の出力Ｓｖに積
分定数ｋ１を乗じた値から速度フィードバック信号Ｖｆ
に比例定数ｋ２を乗じた値を減じてトルク指令Ｔｃを求
める。すなわち、Ｔｃ＝ｋ１・Ｓｖ−ｋ２・Ｖｆで表さ
れる。１６はサーボモータの機械部の伝達関数を表すブ
ロックで、Ｋｔはトルク定数、Ｊｍはイナーシャを表す
。そして、インバータ等を介してサーボモータを駆動す
るのである。

【０００４】上記図４に示すサーボ回路をプロセッサに
よりソフトウエアで行う場合、上記速度ループの積分器
１３の処理は次のようにして行われている。

【０００５】ｎ番目の速度ループ処理周期における速度
ループ積分器の出力をＳｖ（ｎ）、同周期ｎにおける速
度偏差をεｖ（ｎ）とすると、速度ループの積分器１３
は次の第１式の演算を行って出力Ｓｖ（ｎ）を求めてい
る。 　　Ｓｖ（ｎ）＝Ｓｖ（ｎ−１）＋εｖ（ｎ）　　　　
　　　　　　　　　　　　　　…（１）但し、εｖ（ｎ
）＝Ｖｃ（ｎ）−Ｖｆ（ｎ）である。 なお、　　Ｖｃ（ｎ）、Ｖｆ（ｎ）はそれぞれ同周期ｎ
における速度指令、速度フィードバック量である。

【０００６】上記第１式で示す演算は完全積分の処理で
あり、次の第２式で示す不完全積分を実施する場合もあ
る。 　　Ｓｖ（ｎ）＝ｋ３・Ｓｖ（ｎ−１）＋εｖ（ｎ）　
　　　　　　　　　　　…（２）なお、ｋ３は定数で０
＜ｋ３＜１である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】第１式で示す完全積分
を速度ループの積分器が実施する場合には、定常状態で
は、速度指令Ｖｃと速度フィードバック量Ｖｆが完全に
一致するので、停止中の位置偏差εｐは「０」になる。 また、一定速度における位置偏差εｐは摩擦や外乱トル
クにかかわらず一定となりサーボ剛性（外乱抑圧特性）
が高くなるという特性を有している。

【０００８】しかし、移動指令Ｐｃ，速度指令Ｖｃが「
０」になり、速度ループの積分器への入力が「０」にな
っても、それまでに該積分器にはある値が保持されてい
ることになるので、上記「０」指令にも拘らずこの値が
トルク指令Ｔｃとして出力され、このトルク指令Ｔｃの
大きさが、サーボモータで駆動される機械系の静止摩擦
レベルよりも大きいと、指令どおりには停止できず、オ
ーバーシュートを生じてしまう。

【０００９】ここで、速度ループの積分器に完全積分を
使用したとき、サーボモータ停止間際にはある値がそこ
に保持されることになり、オーバーシュートが生じるこ
とを説明する。

【００１０】まず、移動指令Ｐｃが出力されたとする。 しかし、始めは、機械系の摩擦等でサーボモータは回転
しないため、位置のフィードバック信号Ｐｆ，速度フィ
ードバック信号Ｖｆはゼロである。したがって、位置ル
ープの積算器１１には位置指令値に等しい位置偏差εｐ
が保持される。この位置偏差εｐが速度指令Ｖｃとなり
、且つ、この値がそのまま速度偏差εｖとなってって速
度ループの積分器１３に入力される。次の回の移動指令
Ｐｃのときもまだサーボモータが回転しなければ、更に
今回の速度偏差εｖがこれに付加される。

【００１１】このようにして、積分器１３の出力Ｓｖは
モータが始動するまで順次増大する。そして、この積分
器の出力Ｓｖが増加して行くと、これにより発生するト
ルク指令Ｔｃも順次増大し、該トルク指令Ｔｃが機械系
の静止摩擦を越えると、サーボモータは遂に回転を開始
して、位置のフィードバックＰｆ，速度フィードバック
Ｖｆが出力され、位置偏差εｐは「０」に向かう。そし
て定常状態に落ち着いてからは、積分器の出力Ｓｖは以
後その時の積分値を保持することになる。

【００１２】一方、サーボモータを指令位置に停止させ
るにあたって、そのときのトルク指令Ｔｃの値が機械系
の動摩擦より大きいときにはサーボモータは停止できず
指令位置を越えて回転し続けることになる。すなわち、
オーバーシュートが生じることになる。

【００１３】このように速度ループの積分器を完全積分
で実施すると停止する際にオーバーシュートが生じるこ
とになる。これに対して、第２式に示すような不完全積
分を速度ループの積分器で実施すると、位置・速度ル−
プ処理周期の回数を重ねるにつれて、該積分器の出力Ｓ
ｖの値が徐々に小さくなる関係でトルク指令値は小さく
なり、そのためオーバーシュートの問題は少なくなる。 しかしながら、速度指令Ｖｃと速度フィードバック信号
Ｖｆが等しくならないため、停止中には位置偏差が生じ
得るることになる。また、一定速度での移動中にはサー
ボモータが受ける外乱トルクによって位置偏差が変動す
る等の問題が生じ、サーボ剛性が悪くなる。

【００１４】そこで、本発明の目的は、通常の稼働時に
はサーボ剛性を持たせると共に、停止間際にはオーバー
シュートを少なくするようなサーボモータの制御方法を
提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、分配周期毎指
令される移動指令を受けて位置・速度ループ処理を実施
するサーボモータの制御方法において、現時点の分配周
期における移動指令が「０」であり且つその１つ前の分
配周期が「０」でないとき、当該現時点の分配周期以降
における各位置・速度ループ処理における速度ループの
積分処理については、位置偏差が所定値に到達すると完
全積分処理から不完全積分処理に切り換えて以後これを
所定回数実行し、その後はまた完全積分処理に戻って、
サーボモータへの停止指令時にオーバーシュートを防止
する。

【００１６】

【作用】通常の稼働時或いは停止時にはには、速度ルー
プの積分器（積分処理）は完全積分を行うため、その間
、サーボ剛性は高い状態に保持される。一方、サーボモ
ータの停止する間際には、すなわち移動指令が「０」に
切換った分配周期においては、各位置・速度ループ処理
周期において位置偏差が減少して所定値に達するまでは
そのまま完全積分を続け、そして所定値に達したらその
時点で完全積分から不完全積分に切り換えてこれを以後
所定数回繰り返し、これが終了したらまた完全積分処理
に戻してやる。

【００１７】

【実施例】図３は、本発明の一実施例を実施するデジタ
ルサーボ制御装置のブロック図であり、構成は従来のデ
ジタルサーボ制御を行う装置と同一構成であるので、概
略的に示している。

【００１８】図３において、２０は数値制御装置（以下
、ＮＣという）、２１は共有ＲＡＭ、２２はプロセッサ
（ＣＰＵ），ＲＯＭ，ＲＡＭ等を有するデジタルサーボ
回路、２３はトランジスタインバータ等のサーボアンプ
、２４はサーボモータ、２５はサーボモータ２４の回転
と共にパルスを発生するパルスコーダである。

【００１９】ＮＣ２０は分配周期（ＩＰＴ周期）毎に移
動指令Ｍｃを共有ＲＡＭ１２に書込み、デジタルサーボ
回路２２のＣＰＵはこの移動指令を共有ＲＡＭ１２から
読取り、上記ＩＴＰ周期をＮ個に分割した周期で、位置
・速度ループ処理を行う。ＩＴＰ周期毎ＮＣ２０から出
力される移動指令がＩＴＰ周期中均等に分配されるよう
に位置・速度ループ処理における移動指令Ｐｃ（ｎ）を
求め、この移動指令Ｐｃ（ｎ）とパルスコーダ２５から
の位置のフィードバックパルスＰｆによって得られるサ
ーボモータ２４の現在位置との差より位置ループ処理を
行って速度指令Ｖｃを求め、次に、該速度指令Ｖｃとパ
ルスコーダ２５からのフィードバックパルスによって得
られるサーボモータ２４の実速度Ｖｆより速度ループ処
理、トルク指令（電流指令）Ｔｃを求める。そして、電
流ループ処理を行い、ＰＷＭ指令を作成し、サーボアン
プ２３を介してサーボモータ２４を駆動する。

【００２０】図１，図２は本実施例におけるデジタルサ
ーボ回路２２のＣＰＵが実施するＩＴＰ周期ごとの移動
指令読み取り処理、および位置・速度ループ処理周期毎
の位置ループ処理、速度ループ処理のフローチャートで
ある。

【００２１】図１はＩＴＰ周期毎行う処理のフローチャ
ートであり、まず、デジタルサーボ回路のＣＰＵはＩＴ
Ｐ周期ごとＮＣ２０から出力された移動指令Ｍｃを共有
ＲＡＭ２１を介して読み（ステップＳ１）、そして、こ
の移動指令が「０」であるか否か判断する（ステップＳ
２）。もしこれが「０」であれば、次にレジスタに記憶
されているる１ＩＴＰ周期前の移動指令が「０」か否か
判断し（ステップＳ３）、「０」であれば、ステップＳ
１で読み取った移動指令ＭｃをレジスタＲ（Ｍｃ）に格
納する（ステップＳ７）。またこのステップＳ３での判
断で「０」でなければ（移動を停止する際）、フラグＦ
を「１」にセットして（ステップ４）、ステップ７に移
り、読み取った移動指令Ｍｃ（すなわち「０」）をレジ
スタに格納する。

【００２２】また、上記ステップＳ１で読み取った移動
指令Ｍｃが「０」でないとき（ステップ２）には、ステ
ップＳ５に移り、ここでレジスタに記憶される１ＩＴＰ
周期前の移動指令が「０」か否か判断される。そしてこ
こで「０」と判断されると上記フラグをクリヤし且つカ
ウンタをクリヤしてステップ７に移りモータの始動に対
処する。またステップ５において「０」と判断されなけ
ればステップ７に移って、読み取った移動指令Ｍｃ（す
なわち「０」でないある値）をレジスタに格納する。

【００２３】一方、ＩＴＰ周期をＮ回に分割した各位置
・速度ループ周期では各周期毎に図２にフローチャート
で示す処理を実行する。まず、当該ＩＴＰ周期の移動指
令Ｍｃに基づいて各位置・速度ループ処理周期毎の移動
指令Ｐｃを従来と同様に求め（ステップＳ１００）、該
移動指令に基づいて従来と同様に位置ループ処理を実行
しを位置偏差εｐを求める（ステップＳ１０１）。

【００２４】次に、フラグＦが「１」か否か判断する（
ステップＳ１０２）。このフラグＦは、前述したように
、１つ前（過去）のＩＴＰ周期の移動指令Ｍｃが「０」
でなく且つ現在のＩＴＰ周期の移動指令Ｍｃが「０」の
ときに限り「１」に設定されている。そしてこのステッ
プにおいてフラグが立っていれば、次に位置偏差εｐ（
図４参照）が所定の値Ｋ０より小さいかどうか判別され
る（ステップＳ１０３）。そして位置偏差εｐがＫ０よ
り大であれば、ステップ１１０へ移行して当該位置・速
度ループ処理周期においては完全積分、すなわち第１式
の演算が実行されることになる。またステップＳ１０３
において位置偏差εｐがＫ０以下になったと判断される
と、上記フラグはクリヤされ且つカウンタはある設定値
にセットされる（ステップＳ１０４）。この場合は当該
位置・速度ループ処理周期においては不完全積分、すな
わち第２式の演算が実行されることになる。 （ステップＳ１０５）。

【００２５】そして上記ステップＳ１０５、１１０にお
いて積分処理がなされると、その出力（Ｓｖ）に積分定
数ｋ１を乗じた値に速度フィードバック量Ｖｆに比例定
数ｋ２を乗じた値を減じてトルク指令Ｔｃを算出し（ス
テップＳ１０６）、そしてこのトルク指令Ｔｃを電流ル
ープに引き渡す（ステップ１０７）上記ステップ１０４
でフラグがクリヤされた位置・速度ループ処理周期の次
の位置・速度ループ処理周期では、スタートからステッ
プＳ１００、１０１、１０２に至りさらにステップＳ１
０８に移行する。そしてカウンタの値から１が減算され
て（ステップＳ１０９）不完全積分が実行される（ステ
ップＳ１０５）。その次の位置・速度ループ処理周期も
前回の位置・速度ループ処理周期と同様な手順を経てこ
れを何回か繰り返し、ステップＳ１０９で遂にカウンタ
の値が０になると、その次の位置・速度ループ処理周期
ではステップＳ１０８でＣ＝０と判断されるのでステッ
プＳ１１０に移行して再び完全積分処理が実行されるこ
とになる。

【００２６】以上の過程を図５に概念的に示す。同図（
ａ）はＩＴＰ周期の移動指令（分配指令）Ｍｃが０でな
いある値から次のＩＴＰ周期の移動指令Ｍｃで０になっ
たことを表している。これに伴なって、同図（ｂ）に示
すように位置偏差εｐがある値から０に近づく。その過
程で、位置偏差εｐがＫ０に到達するまでの間はまだ完
全積分処理を実行し、やがて位置偏差εｐがＫ０に達す
ると不完全積分処理に切り換えて、以後、図２のステッ
プＳ１０４でカウンタにセットした値の数だけ位置・速
度ループ処理を繰り返す。それが終了した後はまた完全
積分処理に戻す。したがって、モータ停止時には完全積
分処理が行われることになる。そして同図（Ｃ）から、
速度ループの積分器の出力Ｓｖは完全積分が実行される
区間は減少カーブが緩やかであるが、これに対して不完
全積分が実行される区間は減少カーブが急であることが
わかる。

【００２７】本発明の方法を用いて実際に行った結果を
図６及び図７に示す。図６は定速送りからの停止の場合
で、図７はパルス送りからの停止の場合である。この図
６、図７において、左の（ａ）は完全積分のみの場合で
あり、右の（ｂ）は本発明の方法による場合である。そ
して各図中、上がトルク指令Ｔｃを、下が位置偏差εｐ
を示している。この図６、図７から、完全積分のみの場
合には位置偏差εｐ（速度偏差Ｖｃ）がマイナスとなり
オーバーシュートを生じているが、本発明の方法を実施
すれば、位置偏差εｐがマイナスにはならず、オーバー
シュートが生じていない。また、トルク指令Ｔｃについ
てみると、本発明の方法の場合はその減少時のカーブが
左の完全積分の場合に比べ急になっていることが表れて
いる。

【００２８】

【発明の効果】サーボモータの通常の稼働時及び停止時
の定常状態時には、速度ループの積分器に完全積分を実
行させサーボ剛性を高い状態に保持しておく。一方、サ
ーボモータの停止に際しては、その間際、ある限られた
期間、不完全積分処理を実行させることによってオーバ
ーシュートの発生を防止する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における分配周期（ＩＴＰ周
期）毎のデジタルサーボ回路のプロセッサが実施する処
理のフローチャート

【図２】同実施例におけるデジタルサーボ回路のプロセ
ッサが実施する位置・速度ループ処理周期のフローチャ
ート

【図３】同実施例を実施するデジタルサーボ制御装置の
ブロック図

【図４】サーボモータの位置・速度制御系のブロック図

【図５】分配周期の移動指令（分配指令）が０でないあ
る値から次の分配周期の移動指令が０になったときの位
置偏差及び積分器出力の推移を概念的に示した図

【図６
】定速送りからの停止時における完全積分の場合と本発
明を適用した場合の実験結果の位置偏差、トルク指令の
変化を表す図

【図７】１パルス送りからの停止時における完全積分の
場合と本発明を適用した場合の実験結果の位置偏差、ト
ルク指令の変化を表す図

【符号の説明】

２０　　　　数値制御装置 ２１　　　　共有ＲＡＭ ２２　　　　デジタルサーボ回路 ２３　　　　サーボアンプ ２４　　　　サーボモータ ２５　　　　パルスコーダ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　分配周期毎指令される移動指令を受け
   て位置・速度ループ処理を実施するサーボモータの制御
   方法において、現時点の分配周期における移動指令が「
   ０」であり且つその１つ前の分配周期が「０」でないと
   き、当該現時点の分配周期以降における各位置・速度ル
   ープ処理周期における速度ループの積分処理については
   、位置偏差が所定値に到達すると完全積分処理から不完
   全積分処理に切り換えて以後これを所定回数実行し、そ
   の後はまた完全積分処理に戻って、サーボモータへの停
   止指令時にオーバーシュートを防止したことを特徴とす
   るサーボモータの制御方法。