JPH0752318B2 - 数値制御学習装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は数値制御学習装置に関し、特に離散形の数値制
御学習装置に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 一般に、実際の数値制御回路は出力側が機械的実負荷に
接続されており、且つ多くの付加機能を伴っている。そ
の為、この数値制御回路について正確なシミュレーショ
ンを行なうことは、難しいとされている。また、ブロッ
ク線図を用いて定量的に表わすことも必ずしも容易では
ない。

更に重要なことは、実際の数値制御回路の動特性にあっ
ては、アナログ的にもディジタル的にも高速で動作して
いるため、系の動作状態を正しく計測することが極めて
難しいということもある。

このようなことから、現場の技術者は当面の制御装置が
どのような基本特性をもっているか納得できないまま仕
事を進めることも多々あり、技術の壁が生じるのも係る
場合に多いことも否めない。

一方、従来の離散形の数値制御学習装置は、ディジタル
コンピュータによってシミュレーションするものであ
る。この場合には比較的大きな演算処理能力を有するシ
ステムを採用したときに限り、高精度にシミュレーショ
ンすることができる。

しかし、数値制御を学習する場所全てに上記システムを
採用するには、立地条件並びに経済的観点等から実情に
そぐわないことも多々ある。

また、ディジタルコンピュータを用いて数値制御系のシ
ミュレーションを行う場合は、パラメータの設定もディ
ジタル方式で行わなければならなかった。

こうした現状に鑑み、本願発明者は、サーボ技術の殆ん
どの問題が自動制御の基本回路、即ち（離散＋線形）形
制御回路に帰着することに着目して、本発明を完成する
に至った。

［発明の目的］ 即ち、本発明の目的は、（離散＋線形）形制御回路の構
成を適用して、簡単構成で操作し易く、且つ高精度の数
値制御学習装置を提供することにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成するために、本発明は、モータの速度帰
還用の置数器からの速度帰還信号とディジタル部で得ら
れた位置偏差との偏差を求める第１の比較器と、遅れ置
数用の置数器及びループゲイン用の置数器を介して入力
された前記第１の比較器の偏差とモータの逆起電力定数
用の置数器から入力された帰還信号との偏差を求める第
２の比較器と、モータ駆動の遅れ置数用の置数器を介し
たモータ軸出力で稼動される機械負荷用の置数器の機械
負荷と反力とを比較する第３の比較器と、この第３の比
較器からの入力信号とモータのトルク定数用の置数器を
介して入力される前記第２の比較器からの入力信号との
偏差を求める第４の比較器と、モータ軸出力を、パルス
密度用の置数器及び遅れ置数用の置数器を介してディジ
タル部へ帰還信号として出力する出力部と、を備えてな
るアナログ部と；上記アナログ部の前記出力部からの帰
還信号を指定されたタイミングでサンプルホールドし、
目標値として比較器へ送出する第１のサンプルホールド
回路と、位置指令部からの指令値をサンプルホールドし
て出力して第２のサンプルホールド回路と、上記第２の
サンプルホールド回路からの指令値と前記第１のサンプ
ルホールド回路からの目標値とを比較して求めた偏差を
前記アナログ部の第１の比較器へ出力する前記比較器
と、備えてなる前記ディジタル部と；前記アナログ部に
おける複数の置数器の各伝達関数の各パラメータで連続
可変で変更し得るように各置数器に対応した複数の可変
ボリューム及び前記ディジタル部の指令値用並びにサン
プルタイム用の可変ボリュームと、前記アナログ部の帰
還配線に沿って各部に設けた多数の案内孔相互間をパッ
チコードで電気的に接続自在なパッチボードと、を備え
てなるシミレータ本体と；よりなるものである。

［発明の実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明が適用された数値制御学習装置の一実施
例の要部概要を示すブロック線図である。

図中、１はアナログ部、３はディジタル部である。アナ
ログ部１は、置数器11,同13,同15,同17,同19,同21,同2
3,同25及び同27と、比較器29,同31,同33及び同35とを備
えており、これ等の結線構成で、実系のアナログ各部に
相当する各伝達関数が、パラメータとし与えられたもの
とされる。

即ち、置数器11,同17及び同23は遅れ（1/S）置数用、置
数器13はループゲイン（K_G）用、置数器15はモータのト
ルク定数（K_T）用、置数器19はモータの逆起電力定数
（K_E）用、置数器21はモータの速度帰還（Ｋω）用、置
数器25はモータから戻るエンコーダのパルス密度
（K_ENC）用、27は、機械負荷（P:摩擦定数、J_L：機械の
慣性モーメント）用であり、アナログ部１はこれ等置数
器11〜27と比較器29,同31,同33及び同35とで帰還回路が
形成されたものとされている。

この数値制御学習装置のアナログ部１では、比較器29に
おいてモータの速度帰還（Ｋω）信号を置数器21から受
ける一方、後述する位置偏差（Ei-Eo）を受けて、その
偏差を求める。

比較器31においては、モータの逆起電力定数K_Eが与えら
れた帰還信号を置数器10から受ける一方、比較器29の偏
差を置数器11の遅れ（1/S）及び置数器13のループゲイ
ン（K_G）を介して受けて、その偏差を求める。

サーボモータを示す比較器33においては、サーボモータ
駆動による置数器17の遅れ（1/SJ₁₁）が与えられたモー
タ軸出力（ω）で稼動される置数器27の機械負荷（Ｄ＋
SJ_L）と反力T_Lとの比較器35による総和を受ける一方、
比較器31の偏差を置数器15のモータトルク定数（K_T）を
介して受けて、その偏差を求める。

こうして上記モータ軸出力（ω）が置数器25のパルス密
度（K_ENC）及び置数器23の遅れ（1/S）を介してディジ
タル部３へ帰還信号として送出される。

一方、ディジタル部３では、アナログ部１からの帰還信
号をサンプルホールド回路37で受ける。このサンプルホ
ールド回路37は指定されたタイミングで帰還信号をサン
プルホールドし、これが目標値Eoとして比較器41へ送出
される。

比較器41は上記目標値Eoを受ける一方、サンプルホール
ド回路39を介して指令値Eiを受け、求めた偏差Ei-Eoを
アナログ部１の比較器29へ送出する。ここでサンプルホ
ールド回路39は、設定すべきモータ回転数の繰返し周期
とされたアナログ電圧又は同様繰返し周期のパーソナル
コンピュータからの連続パターンを指定されたタイミン
グでサンプルホールドして指定値Eiを得る。

このようなことから、ディジタル部３で得られた指令値
Eiと目標値Eoとの偏差Ei-Eoに応答して、アナログ部１
の各部は実系の数値制御回路に対応するように模式制御
状況を示すことになる。

従って、アナログ部１の模式制御状況を示すアナログデ
ータをレコーダで記録することができるようにしておけ
ば、実系の数値制御回路を理解し、且つ、制御数理に従
い、定量的に解析するための基本制御回路が実現され
る。

特に、置数器11〜27を所定の入力操作で連続可変とする
構成を有するものとしておけば、第２図に示す実系のア
ナログ各部に相当する各伝達関数のパラメータを種々変
更してシミュレーションすることができる。

但し、第２図において、第１図と同一記号で示す部分
は、第１図のそれに対応しており、また、現在地カウン
タとDAとの組合せは、サンプルホールド回路37に相当
し、位置指令カウンタとDAとの組合せは、サンプルホー
ルド回路39に相当する。

次に、本発明が適用された数値制御学習装置の実施使用
例について、第３図の斜視図、第４図の上面図及び第５
図の使用態様を示す図の各図を参照しつつ、以下詳述す
る。

第３図〜第５図において、101はシミュレータ本体、103
は可変ボリューム、105はパッチボード、107は案内孔、
109はパッチコード、111レコーダである。

シミュレータ本体101は第１図に示す回路全体について
半固定式に基幹配線が施されて収容されている。

可変ボリューム103は、置数器11〜27の各伝達関数の各
パラメータを連続可変で変更し得るものであって、103a
は入力（指令値）Ei用、103bはサンプルタイム（ｍ・se
c単位の離散計算の指令タイム）用、103cはループゲイ
ンK_G用、103dはモータの電流帰還Ki用、103eはモータの
電流帰還Ki用、103fはモータの速度帰還Ｋω用、103gは
モータから戻るエンコーダのパルス密度K_ENC用、103hは
モータのトルク定数K_T用、103iはモータの逆起電力定数
K_E用、103jは摩擦定数Ｄ用、103kは機械の慣性モーメン
トJ_L用、103lは不感帯（機械系のバックラッシュ）用で
ある。

そして、これら可変ボリューム103のパラメータは、全
て０〜１（０〜100％）とおいている。またタイムスケ
ールは拡大し、レコーダ111で記録できるようになって
いる。

パッチボード105は実系のシステムフローに従った第１
図に示すような回路構成を実現するために、帰還配線に
沿って各部に案内孔107を多数設けており、且つ、選択
された案内孔107相互間をパッチコード109で電気的に接
続すると第１図のアナログ部１が完成される構造であ
る。

このようなパッチボード105を備えた構造の場合には、
学習の為にシミュレーションする対象のプログラムを簡
単操作で変更し得る利点がある。

次に、本発明の一実施例によるシミュレーションに基づ
く数理学習の態様について述べる。

（１） 一次系（モータ単体）のシミュレーション 一般にサーボモータは入力に対して一次遅れ特性を示
す。（これは常識的にも理解出来る。）すなわち入力を
加えると、徐々に立ちあがり、一定時間（モータによっ
て決まる定数）を経て最終値に達するが、この間では過
渡的にも行き過ぎ現象は起こさない。

これが一次おくれ系の基本特性である。

一次おくれ系は、モータ以外にもわれわれの生活の回り
で頻繁に起る現象であり、数学的には、一次の微分方程
式の形に帰着されるものが多い。

［サーボモータの基礎数理］ サーボモータ（ここではDCサーボ）の入出力関係は、第
６図のブロック線図で示される。

但し、Ｒ（Ω）電機子抵抗 K_T［Kgcm/A］トルク定数 J_N［Kgcm/sei］モータ軸の慣性モーメント K_E［VOLT/nps］誘起電子定数 この第６図に示すブロック線図を更にまとめることによ
って一次遅れの基本形に誘導することができる。

すなわち、 ここに、パラメータ基準化（変化させるもの以外は全
て、×１（100％）にとる）してシミュレーションを行
なった場合を例示する。

第７図はK_E可変の等価回路を示し、また第８図はK_T可変
の等価回路を示す。

第７図に示す等価回路でシミュレーションを行なった場
合には、第９図に示すような時間−出力特性曲線が得ら
れる。

第８図に示す等価回路でシミュレーションを行なった場
合には、第10図に示すような時間−出力特性曲線が得ら
れる。

（２） 二次系（サーボモータの速度制御動作）のシミ
ュレーション サーボモータの回転を入力（指令値）に対して正確に追
従させる速度制御の基本方式は、次の第11図で示され
る。

この回路は、Ei-Eo（速度偏差）のあとに1/S（積分
器））をもつ所謂１型サーボとよばれるものであり、２
の積分器があることによって一定入力に対してEi-Eo≒
Ｏを満たすようフィードバック条件が成り立ち速度制御
が行なわれる。

一般に市販されているサーボドライバーとよばれる製品
も、すべてこの方式を基本としている。

次に、サーボの速度制御特性をシミュレーションしてみ
る。

第13図に示す等価回路は、速度機関量、すなわちタコジ
ェネレータの出力ゲインを変化させたことに相当し、こ
の場合には、第15図に示すように同一指令値に対して、
出力Eoの回転数が最終値で異っていることが解る。この
時の出力回転数は、 Ei＝ＫωEo から得られる。

Ei:入力（速度指令値） Eo:出力軸角度 これに対し、第14図に示す等価回路ではモータの特性を
変化させたものであり、この場合には第16図に示すよう
にK_Eをパラメータに選んである。

次の“基礎数理”に述べてあるようにK_Eは二次系で減讓
数ξを変えたことに相当する。よって出力応答は、減讓
振動形となり、K_Eによって振動の模様が変ることが理解
出来る。

［速度制御系の基礎数理］ 第16図のデータをブロック線図を用いて数理的に解析に
みる。

先ず、通常用いられている標準２次系のブロック線図
（型サーボ系のブロック図と結果的に同一のもの）を第
12図に示す。

ここで、ωｎ＝1,2ξ＝K_Eとおくと第14図のブロック図
が得られる。よく知られているように、二次系の動特性
は下図のようになるのであって、シミュレーションの結
果と一致していることが判る。

（３） 三次系（位置決め制御）シミュレーション 数値制御の利用技術として、もっとも広く活用されてい
るものが位置決め制御技術である。今日の位置決め制御
技術は、マイクロコンピュータを用いたソフトサーボ方
式が主流となっているが、動作原理の基本は（ディジタ
ルアナログ）からなる。離散系制御（サンプル値制御）
そのものである。

この系は３次系で、しかも、ハイブリッド形となってい
るため正確な数理解析は容易でない。よって、NCトレー
シングシミュレーションを用い、三次系の制御メカニズ
ムを理解しておくと極めて重要なことといえる。この目
的に沿った、効果的な学習を進めるため、本装置では、
第17図に示すような基本回路を用意し、シミュレーショ
ン結果の数理解析を容易にするよう、工夫を施した。

第18図はξ＝1,第19図はξ＝0.6のそれぞれについてK
_ENC（エンコーダによって決まるループゲイン）が系に
及ぼす影響をシミュレーションにより確認したものであ
る。

また、第20図及び第21図に示すような三次系の位置制御
回路において、同一ループ内の速度制御動作が（２次系
の動作）がどのようになっているか両者の相関性をシミ
ュレーションにより求めたものであるのが第22図であ
る。

この両データから判るように、速度制御（二次系）をマ
イナーループにもつ位置制御回路（三次系）では当然の
ことながら、出力応答時、相当のおくれを生ずると同時
に、二次系にはみられない、“うねり現象”をもつこと
が判る。これは二次系の振動成分が位置制御に影響を与
えていることによるが、また速度制御系では極めて安定
な（実数根をもつ）場合ではξ＝１のデータから判るよ
うに、位置制御のループに拡大するとK_ENC（ループゲイ
ン）によって急速に安定性が失われることがデータから
読みとれる。

以上のように本発明の一実施例にあっては、 （１） 全電子式シミュレーションであるため、機械的
おくれが無く、正確に模擬出来る。

（２） 今日もっとも普及している離散系サーボ制御回
路と同一な基本回路から構成されている。

（３） タイムスケールを低速変換しているため、動特
性の変化をすべてアナログ値に視察出来る。

（４） 制御系の全動作状態をすべてアナログ的に表示
出来る。

（５） 機能別に半固定パッチパネル方式となっている
ため、取扱いが直観的で見やすい。

（６） 非線形を含んだ三次の伝達関数を離散系（サン
プル値制御形）で出来る。

等の利点がある。

また、学習、演習、実験の対象項目としては、 （１） 一次おくれの特性とパラメータの影響（モータ
の動特性他） （２） 二次系の特性とパラメータの影響（速度制御回
路と動特性他） （３） 非線形を含んだ二次系の特性（機械負荷の系に
及ぼす影響） （４） ディジタル入力による二次系の特性（位置決め
制御回路と動特性他） （５） サンプルタイムの系に及ぼす影響（サーボ系の
ディジタル演算誤差） （６） 三次系の出力応答安定性（サーボ系の最適位置
決め制御とパラメータの影響） （７） 入力の変化に対する出力応答特性（サーボ系の
速度パターンとその応答） が挙げることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明が適用された数値制御学習
装置であれば、数値制御系がハイブリッド回路であり、
且つパラメータ設定部によってハイブリッド回路のアナ
ログ部各伝達関数を所定の入力操作で連続可変とし得る
から、パネル面で時間遅れ無しにシミュレーションがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用された数値制御学習装置の一実施
例の要部概要を示すブロック線図、第２図は実系の数値
制御回路のブロック線図、第３図は本発明が適用された
数値制御学習装置の斜視図、第４図はその上面図、第５
図はその使用説明図、第６図，第７図，第８図，第９図
及び第10図は一次系のシミュレーションの説明図、第11
図、第12図、第13図、第14図、第15図、及び第16図は二
次系のシミュレーションの説明図、第17図、第18図、第
19図、第20図、第21図及び第22図は三次系のシミュレー
ションの説明図である。 １……アナログ部 ３……ディジタル部 11,13,15,17,19,21,23,25,27……置数器 29,31,33,35……比較器 37,39……サンプルホールド回路 101……シミュレーション本体 103……可変ボリューム 105……パッチボード 107……案内孔 109……パッチコード 111……レコーダ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モータの速度帰還用の置数器（21）からの
   速度帰還信号とディジタル部（３）で得られた位置偏差
   （Ei-Eo）との偏差を求める第１の比較器（29）と、 遅れ置数用の置数器（11）及びループゲイン用の置数器
   （13）を介して入力された前記第１の比較器（29）の偏
   差とモータの逆起電力定数用の置数器（19）から入力さ
   れた帰還信号との偏差を求める第２の比較器（31）と、 モータ駆動の遅れ置数用の置数器（17）を介したモータ
   軸出力で稼動される機械負荷用の置数器（27）の機械負
   荷と反力（TL）とを比較する第３の比較器（35）と、 この第３の比較器（35）からの入力信号とモータのトル
   ク定数用の置数器（15）を介して入力される前記第２の
   比較器（31）からの入力信号との偏差を求める第４の比
   較器（33）と、 モータ軸出力を、パルス密度用の置数器（25）及び遅れ
   置数用の置数器（23）を介してディジタル部（３）へ帰
   還信号として出力する出力部と、 を備えてなるアナログ部（１）と； 上記アナログ部（１）の前記出力部からの帰還信号を指
   定されたタイミングでサンプルホールドし、目標値（E
   o）として比較器（41）へ送出する第１のサンプルホー
   ルド回路（37）と、 位置指令部からの指令値（Ei）をサンプルホールドして
   出力する第２のサンプルホールド回路（39）と、 上記第２のサンプルホールド回路（39）からの指令値
   （Ei）と前記第１のサンプルホールド回路（37）からの
   目標値（Eo）とを比較して求めた偏差（Ei-Eo）を前記
   アナログ部（１）の第１の比較器（29）へ出力する前記
   比較器（41）と、を備えてなるディジタル部（３）と； 前記アナログ部（１）における複数の置数器（11〜27）
   の各伝達関数の各パラメータを連続可変で変更し得るよ
   うに各置数器（11〜27）に対応した複数の可変ボリュー
   ム（103C〜103K）及び前記ディジタル部（３）の指令値
   （Ei）用並びにサンプルタイム用の可変ボリューム（10
   3a,103b）と、 前記アナログ部（１）の帰還配線に沿って各部に設けた
   多数の案内孔（107）相互間をパッチコード（109）で電
   気的に接続自在なパッチボード（105）と、 を備えてなるシミレータ本体（101）と； よりなることを特徴とする数値制御学習装置。