JPH04362710A

JPH04362710A - サーボモータの最適加減速制御方式

Info

Publication number: JPH04362710A
Application number: JP16503791A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Kato; 哲朗加藤; Osamu Yoshida; 修吉田; Souichi Arita; 創一有田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1991-06-10
Publication date: 1992-12-15
Anticipated expiration: 2013-03-04
Also published as: JP2722286B2

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】工作機械やロボット等の数値制御
装置で制御されるサーボモータの加減速制御方式に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１は従来から実施されているサーボモ
ータの加減速制御のブロック図である。符号１は移動指
令ｒｃ　を加減速制御する加減速制御部で、移動指令を
直線的に増大，減少させる直線形加減速制御部、指数関
数的に増減させる指数関数形加減速制御部が知られてい
る。また、符号２はローパスフイルタで、加減速制御部
の出力ｒから高周波成分を削除し急激な変化をなくした
移動指令としてサーボ系３に出力するものである。

【０００３】従来の形加減速制御においては、上記加減
速制御部１の時定数を指令速度（分配速度）に関係なく
一定として制御されている（特開昭５９−１６８５１３
号参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】直線形加減速制御で加
減速時間を一定とした場合、指令速度（分配周期毎の移
動指令）がｒｃ　とすると、加減速制御部に入力される
各分配周期毎の移動指令（指令速度）はｒｃ　となり矩
形波状に入力され、指令速度ｒｃ　に関係せず、一定の
加減速時間（時定数）Ｔ１で加減速制御され、加減速制
御部２からは図２（ａ）に示すように出力（ｒ１〜ｒ４
）され、この信号がフイルタ２に入力され図２（ｂ）に
示すように高周波成分がカットされて、サーボ系３に出
力されサーボモータを駆動することになる。この場合、
図３に示すように、目標速度（指令速度）が小さくなる
につれて加速度が小さくなる。すなわちサーボモータの
出力トルクが小さくなる。

【０００５】図３において、横軸はサーボモータの速度
、縦軸はサーボモータの加速度で、Ａｃはサーボモータ
のトルクカーブから動摩擦分を差し引いて計算した速度
−加速度曲線（以下この曲線を加速度曲線という）であ
り、ｒ１〜ｒ４はそれぞれ図２（ａ），（ｂ）に示す加
減速制御された移動指令（指令速度）に対応する速度−
加速度曲線である。さらに、ａ，ｂ，ｃの区間は、図２
（ｂ）のａ，ｂ，ｃの区間と対応するものである。

【０００６】この図３から明らかのように、移動指令（
指令速度）ｒｃ　が小さくなるにつれて加速度は小さく
なり、サーボモータの使用可能トルクを有効に使用して
いないという欠点があり、サーボモータの使用可能トル
クを有効に使用すれば、目標速度にさらに短い時間で達
成させることができるにもかかわらず、一定の加減速時
間で加減速され、時間を要するという問題がある。

【０００７】上記問題を解決する方法として、図４（ａ
）に示すように加速度一定になるように時定数（加減速
時間）を変える加減速制御も知られている。この場合、
フイルタ２の出力は図４（ｂ）に示すようになり、速度
−加速度曲線を求めると、図５に示すようになり、最高
動作速度でサーボモータの使用可能なトルクにより加速
度は制限されてしまうという欠点がある。

【０００８】このように、従来の加減速時間一定もしく
は加速度一定の加減速制御ではサーボモータの使用可能
トルクを有効に利用して加減速を行なっておらず、最適
（最短）の加減速を行なっていない。

【０００９】そこで本発明の目的は、サーボモータの使
用可能トルクを考慮し、加減速時間が最短となるような
加減速制御方式を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】移動指令に対して、加減
速制御処理して、さらにはフイルタ処理してサーボ系へ
の移動指令とするサーボモータの制御方式において、本
発明は、移動指令に対して上記加減速制御を含むサーボ
モータの応答の速度−加速度曲線が、上記サーボモータ
のトルクカーブから動摩擦分を差し引いて求めた速度−
加速度曲線に接するようになる上記加減速制御部の加速
度を求め、この加速度で上記加減速制御処理を行なうよ
うにした。また、移動指令による移動量が短く目標速度
まで達しない場合には、移動指令に対して上記加減速制
御を含むサーボモータの応答の速度−加速度曲線が、上
記サーボモータのトルクカーブから動摩擦分を差し引い
て求めた速度−加速度曲線の範囲内で近接するまで、上
記加減速制御部の加速度を増大させ、その加速度で加減
速制御処理を行なうようにした。

【００１１】

【作用】モータは、該モータのトルクカーブから動摩擦
分を差し引いて求めた速度−加速度曲線の範囲内でその
トルクを出力できる。そのため、移動指令に対して上記
加減速制御を含むサーボモータの応答の速度−加速度曲
線を求め、該サーボモータの応答の速度−加速度曲線が
、モータのトルクカーブから動摩擦分を差し引いて求め
た速度−加速度曲線に接するようになる加減速制御部の
加速度を求め、この加速度で加減速制御を行なう。これ
により、モータの使用可能の最大トルクを利用して加減
速を行なうことができる。

【００１２】また、移動距離が短く、上述の方法で求め
た場合でも、目標速度まで達しない場合には、サーボモ
ータのトルクカーブから動摩擦分を差し引いて求めた速
度−加速度曲線の範囲内で近接するまで、上記加減速制
御部の加速度を増大させて加速度を決め、この加速度で
加減速制御を行なう。

【００１３】

【実施例】図１において、フィルタ２の伝達関数をＧ１
（ｓ）、サーボ系３の伝達関数をＧ２（ｓ）とし、この
フィルタ２、サーボ系３の合成伝達関数をＧ（ｓ）とし
、この伝達関数Ｇ（ｓ）が１次遅れである場合を考える
。すなわち、Ｇ（ｓ）＝Ｇ１（ｓ）・Ｇ２（ｓ）＝１／（Ｔｓ＋１）
とする。このことは、フイルタ２が１次遅れ系で、サー
ボ系３がほとんど遅れがない系、若しくは、サーボ系３
が１次遅れ系で、フイルタ２を設けず移動指令ｒｃ　を
直接サーボ系３に出力する場合である。

【００１４】また、加減速制御部１を直線形加減速制御
とし、加減速時間（時定数）をＴ１で、この加減速期間
中は、加速度αで加減速制御し移動指令ｒを出力し、そ
の後は目標速度ｖ０　で移動指令ｒを出力するものとす
る。すなわち、直線形加減速制御部１はＱ（Ｔ１／移動
指令周期）個のレジスタを有し、これらレジスタに記憶
する値を順次シフトしながら１番目のレジスタに分配さ
れた移動指令を格納し、各レジスタに記憶する値を加算
し、Ｑで除算して出力ｒを出力するものである（特開昭
５９−１６８５１３号参照）。

【００１５】サーボモータの出力速度をｖとすると、フ
イルタ２をも含めた入出力関係（移動指令ｒｃ　に対す
るサーボモータの出力速度ｖの関係）は数式１になる。

【００１６】

【数１】まず、移動指令の開始時ｔ＝０から加減速時間Ｔ１完了
ｔ＝Ｔ１までの間（０≦ｔ≦Ｔ１）について解くと数式
１より、

【００１７】

【数２】ｒ＝α・ｔを代入し、

【００１８】

【数３】ｔ＝０として一般解を求めると、

【００１９】

【数４】ｖ＝Ｃ１　ｅａｔとして上式に代入する。なお、Ｃ１　
は係数である。

【００２０】

【数５】上記数式５より、一般解は、

【００２１】

【数６】次に、定数変化法により特解を求める。係数Ｃ１　を時
間ｔの関数と考えると、

【００２２】

【数７】上記数式と一般解の数式６を数式３に代入すると、

【０
０２３】

【数８】上記数式８より、

【００２４】

【数９】

【００２５】

【数１０】

【００２６】

【数１１】となり、特解は、

【００２７】

【数１２】となる。なお、ここでＣ２　は積分定数である。上記数
式１２及び数式６より

【００２８】

【数１３】なお、Ｃ＝Ｃ１　＋Ｃ２　である。そして、ｔ＝０の時
、ｖ＝０であるので、数式１３より、Ｃ＝αＴとなり、
数式３の解は、

【００２９】

【数１４】となる。またモータの加速度Ａは数式１４を微分して、

【００３０】

【数１５】次に、速度と加速度の関係を求める。まず、数式１５よ
り、

【００３１】

【数１６】上記数式１６を数式１４に代入することによって次の数
式１７の速度と加速度の関係式が求められる。

【００３２】

【数１７】次にｔ≧Ｔ１　の範囲について解く。数式１にｒ＝ｖ０
　を代入し解くと、

【００３３】

【数１８】上記数式１８を微分してモータの加速度Ａを求めると、

【００３４】

【数１９】上記数式１８，１９より、ｔ≧Ｔ１　の範囲における速
度ｖと加速度Ａとの関係は

【００３５】

【数２０】となる。上記数式１７及び数式２０において、Ｔはフイ
ルタ２及びサーボ系３の伝達関数Ｇ（ｓ）の時定数であ
り、フィルタ，サーボ系が決まれば、一律的に決まる値
であるので、数式２０は目標速度ｖ０　が決まれば、速
度−加速度曲線は一律的に決まり、図６に直線Ｌで示さ
れるようになる。また、数式１７は加減速制御部の加速
度αによって変動し、数式１７のグラフは加速度αが大
きいほどモータの加速度Ａは大きく、大きなトルクを出
力することになる。図６のＬａは加速度αが小さいとき
の数式１７の速度−加速度カーブで、Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ
は順次加速度αを大きくしたときの数式１７の速度−加
速度カーブを示すものである。この図６で示されるよう
に、目標速度がｖ０　のときには、数式２０で決まる速
度−加速度直線Ｌと数式１７で加速度αによって決まる
速度−加速度カーブのＬａ〜Ｌｄの１つで決定される速
度−加速度曲線が得られ、この速度−加速度曲線とモー
タのトルクカーブから動摩擦分を差し引いた加速度曲線
Ａｃが接するときが、モータが使用可能のトルクを最大
限に利用したものとなる。

【００３６】図６では、カーブＬｃと直線Ｌの速度−加
速度曲線を得るときの加速度αが最適値となる。すなわ
ち、カーブＬａと直線Ｌ，カーブＬｂと直線Ｌでは、モ
ータが有する使用可能のトルクを十分に利用しておらず
、カーブＬｄと直線Ｌではモータの使用可能のトルク以
上のトルクを利用しなければならず、モータは追従しな
くなる。しかし、カーブＬｃと直線Ｌでは、モータの使
用可能のトルクを最大限に利用できるもので、モータの
追従遅れもなく、最適の加減速制御部の加速度αとなる
。そして、加速度αが決まれば、目標速度ｖ０　とこの
加速度αより加減速制御部１の加減速時間（レジスタの
数Ｑ）Ｔ１はｖ０　／αとして求められる。

【００３７】また、上述のようにして加減速制御部１の
加速度α，加減速時間Ｔ１を求めても、移動指令におけ
る移動量が短い場合には、決定された加速度αで加速し
ても目標速度ｖ０　に到達しないまま減速される場合が
生じ、最適加速度にならない場合がある。このような場
合には、移動距離Ｓと決定された加速度αより、到達可
能最高速度ｖｍ　を求め、この到達可能最高速度ｖｍ　
を目標速度として、再度上述した方法で加速度αを求め
、さらに到達可能最高速度ｖｍ　を求める上記処理を数
回行なって到達可能最高速度ｖｍ　が目標速度ｖ０　に
近付くようにする。例えば、図７（ａ）に示すような加
速度αが求められ、この加速度αで加減速制御を行なっ
たとき移動距離が短く、図７（ｂ）に示すように目標速
度まで達しないときには、この加速度αと移動距離Ｓよ
り、到達可能最高速度ｖｍ　を次の数式２１で求める。

【００３８】

【数２１】そして、この到達可能最高速度ｖｍ　が目標速度ｖ０　
に達しないときには、この到達可能最高速度ｖｍ　を目
標速度とし上述の方法で、再度加速度αを求める。この
場合、図６に破線で示すような速度−加速度曲線が得ら
れることになり加速度αは増大することになる。以下、
上述した処理を数回行なって到達可能最高速度ｖｍ　が
目標速度ｖ０　に近付くように加速度αを決める。

【００３９】図８は移動指令を出力するサーボモータの
制御装置、例えば数値制御装置のプロセッサが移動指令
の分配周期毎実施する本発明を適用した加減速制御のフ
ローチャートである。

【００４０】まず、数値制御装置に、使用するサーボモ
ータのトルクカーブから動摩擦分を差し引いた速度−加
速度曲線である加速度曲線Ａｃの式を予め設定記憶させ
ておく。例えば、図６に示す加速度曲線Ａｃの速度０か
ら速度ｖ１　までの直線式と速度ｖ１　から加速度０ま
での直線式を設定記憶させておく。また、フイルタ２を
含むサーボ系の伝達関数Ｇ（ｓ）の時定数Ｔを求め、こ
の時定数Ｔとさらに加減速制御部１の加速度αをパラメ
ータとする数式１７、及び上記時定数Ｔと目標速度ｖ０
　で決まる数式２０を設定記憶させておく。

【００４１】そして、数値制御装置のプロセッサは図８
に示す処理を所定周期（分配周期）毎実施する。まず、
動作プログラムの１ブロックの移動が完了したとき「０
」にセットされるフラグＦが「０」か否か判断し（ステ
ップＳ１）、始めは初期設定で「０」であるので、ステ
ップＳ２に進み、動作プログラムから１ブロックを読み
だし、移動指令の移動距離Ｓ、及び指令速度ｖ０　を読
み取り、各周期毎の移動指令ｒｃ　を求める。次に、カ
ウンタＣＮが「１」にセットし（ステップＳ３）、読み
取った指令速度ｖ０　によって決まる数式２０の速度−
加速度直線Ｌと加速度カーブＡｃとの交点（ｖ，Ａ）＝
（ｖｔ　，Ａｔ　）を求め（ステップＳ４）、数式１７
のｖ，Ａにｖｔ　，Ａｔを代入して加速度αを求める（
ステップＳ５）。

【００４２】次にステップＳ２で読み取った移動距離Ｓ
とステップＳ５で求めた加速度αより数式２１の演算を
行なって到達可能最高速度ｖｍ　を求め（ステップＳ６
）、該到達可能最高速度ｖｍ　が指令速度（目標速度）
ｖ０　以上か否か判断し（ステップＳ７）、移動距離Ｓ
が長く、到達可能最高速度ｖｍ　が指令速度ｖ０　以上
であれば、ステップＳ９に移行し、指令速度ｖ０　をス
テップＳ５で求めた加速度αで除して加減速時間（時定
数）Ｔ１、すなわち、レジスタＱの数を求め（ステップ
Ｓ９）、移動指令ｒｃ　を加減速制御し（ステップＳ１
０）、さらにフイルタ処理を行なって（ステップＳ１１
）得られる移動指令ｒ´をサーボ側に出力する（ステッ
プＳ１２）。

【００４３】そして、目標位置まで達したか否か判断し
（ステップＳ１３）、達してなければ、フラグＦを「１
」にセットし（ステップＳ１５）、当該周期の処理を終
了する。次の周期では、フラグＦが「１」であるのでス
テップＳ１からステップＳ１０に移行して移動指令ｒｃ
　の加減速処理、及びフイルタ処理を行ない、目標位置
に達するまで（ステップＳ１，Ｓ１０〜Ｓ１３，Ｓ１５
の処理を各周期毎行なう。そして、ステップＳ１３で目
標位置に達したことが検出されると、フラグＦを「０」
にセットする（ステップＳ１４）。その結果次の周期で
は、ステップＳ１からステップＳ２に移行し、次のブロ
ックの移動指令を読み出し、前述したステップＳ３以下
の処理を実行する。

【００４４】また、ステップＳ７で、ステップＳ６で求
めた到達可能最高速度ｖｍ　が目標速度ｖ０　より小さ
い場合、すなわち、移動距離Ｓが短く、ステップＳ５で
求めた加速度αでは、目標速度に達しない場合には、カ
ウンタＣＮが設定値Ｎに達しているか否か判断し（ステ
ップＳ８）、達していなければ、カウンタＣＮに「１」
を加算し（ステップＳ１６）、ステップＳ６で求めた到
達可能最高速度ｖｍ　を目標速度とし（ステップＳ１７
）、ステップＳ４に戻り、再びステップＳ４以下の処理
を行なって加速度α，到達可能最高速度ｖｍを求め、こ
の到達可能最高速度ｖｍ　が指令された目標速度ｖ０　
に達するか、もしくは、カウンタＣＮが設定値Ｎになる
まで、ステップＳ４〜Ｓ８，Ｓ１６，Ｓ１７の処理を繰
り返す。そして、ステップＳ７で指令速度ｖ０　以上になったこ
とが検出されるか、ステップＳ８でカウンタＣＮが設定
値Ｎに達したことが検出されると、ステップＳ９に移行
し、前述したように、求められた加速度αで指令速度ｖ
０　を除して加減速時間Ｔ１を求め、移動指令ｒｃ　に
対し加減速処理，フイルタ処理を行なってサーボ側に移
動指令として出力する。

【００４５】以上のようにして、モータの使用可能トル
クを最大限に利用し、加減速時間を最小にする。それに
より、サイクルタイムを大幅に短縮することができる。

【００４６】上記実施例では、フイルタ２を含めたサー
ボ系の伝達関数を１次遅れで近似した例を説明したが、
２次，３次とＮ次遅れの伝達関数で近似される場合でも
、図６に示すように、加速度曲線Ａｃに、近似された制
御系における速度−加速度曲線が接する加速度αを求め
るようにすればよい。さらに、上記実施例では、加減速
制御部を直線形加減速制御で構成した例を説明したが、
指数関数形加減速でもよく、この場合でも、制御系にお
ける速度−加速度曲線を求め、この曲線が加速度曲線Ａ
ｃに接するときの加速度（時定数）を求めるようにすれ
ばよい。

【００４７】

【発明の効果】本発明においては、目標速度（指令速度
）に合わせ、使用するサーボモータの使用可能トルクを
最大に使用できるように加減速制御部の加速度（時定数
）を自動調整するようにしたので、加減速時間が大幅に
減少し、その結果サイクルタイムを大幅に短縮すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】サーボモータの加減速制御のブロック図である
。

【図２】加減速時間一定の直線形加減速処理後の移動指
令及びフィルタ処理を行なった後の移動指令の説明図で
ある。

【図３】モータの加速度曲線と、加減速時間一定の直線
形加減速制御における速度−加速度曲線との関係を説明
する説明図である。

【図４】加速度一定の直線形加減速処理後の移動指令及
びフィルタ処理を行なった後の移動指令の説明図である
。

【図５】モータの加速度曲線と、加速度一定の直線形加
減速制御における速度−加速度曲線との関係を説明する
説明図である。

【図６】本発明の実施例における加減速制御部の加速度
の求め方を説明する説明図である。

【図７】移動距離が短いときの到達速度を説明する説明
図である。

【図８】本発明の一実施例における所定周期毎のサーボ
系への移動指令出力処理のフローチャートである。

【符号の説明】

１　　加減速制御部２　　フイルタ３　　サーボ系Ａｃ　　モータのトルクカーブから動摩擦分を差し引い
た速度−加速度曲線（加速度曲線）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　移動指令に対して、加減速制御処理し
てサーボ系への移動指令とするサーボモータの制御方式
において、移動指令に対して上記加減速制御を含むサー
ボモータの応答の速度−加速度曲線が、上記サーボモー
タのトルクカーブから動摩擦分を差し引いて求めた速度
−加速度曲線に接するようになる上記加減速制御部の加
速度を求め、この加速度で上記加減速制御処理を行なう
ようにしたサーボモータの最適加減速制御方式。
【請求項２】　　移動指令に対して、加減速制御処理し
さらにフイルタ処理してサーボ系への移動指令とするサ
ーボモータの制御方式において、移動指令に対して上記
加減速制御を含むサーボモータの応答の速度−加速度曲
線が、上記サーボモータのトルクカーブから動摩擦分を
差し引いて求めた速度−加速度曲線に接するようになる
上記加減速制御部の加速度を求め、この加速度で上記加
減速制御処理を行なうようにしたサーボモータの最適加
減速制御方式。
【請求項３】　　移動指令による移動量が短く目標速度
まで達しない場合には、移動指令に対して上記加減速制
御を含むサーボモータの応答の速度−加速度曲線が、上
記サーボモータのトルクカーブから動摩擦分を差し引い
て求めた速度−加速度曲線の範囲内で近接するまで、上
記加減速制御部の加速度を増大させる請求項１若しくは
請求項２記載のサーボモータの最適加減速制御方式。