JPS6234202A - デイジタルサ−ボ制御装置 - 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】 〔目　次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする問題点 問題点を解決するだめの手段（第１図）作用 実施例 （ａ）　　第１の発明の詳細な説明（第２図）（ｂ）　
　第１の発明の詳細な説明（第３図、第４図）（Ｃ）　
　第２の発明の詳細な説明（第５図）（ｄｉ　　第２の
発明の詳細な説明（第６図）（ｅ）　　他の実施例の説
明 発明の効果 〔概　要〕 目標値から関数値を求め、関数値とサーボ対象の観測値
とのエラーを得、エラーからサーボ演算を行って操作量
を出力するディジタルサーボ制御装置において、サーボ
制御機能を複数のプロセッサに分散化することによって
、高速で精密なディジタルサーボ制御を行なうものであ
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、プロセッサを用いてサーボ制御を行なうディ
ジタルサーボ制御装置に関し、特に現代制御理論によっ
てディジタルサーボ制御するディジタルサーボ制御装置
に関する。

近年、モータ等のアクチュエータをサーボ制御するサー
ボ制御技術の発展は目覚しく、特にロボット等において
は、高速化、高精度化が要求されている。

又、係るサーボ制御をディジタル的、特にプロセッサを
用いたソフトウェアサーボと称するものが、従来のアナ
ログサーボに代って盛んに開発されている。ディジタル
サーボ制御は、プロセッサをハードとしてン７トウエア
によってサーボ制御するため、サーボ制御対象の特性変
更等に対し容易に対応できる他に、調整が容易で正確な
制御が可能となシ、近年盛んに利用されつつある。

〔従来の技術〕

従来のディジタルサーボ制御装置は、第７図に示す如く
、全体を制御するホストプロセッサ１からサーボオン／
オフ指令及び目標値（目標位置）が与えられるリアルタ
イムプロセッサ２が、サーボ制御のための操作ｔ　ｕ　
（ｋ）を演算によって求め。

Ｄ／Ａ　（デジタル／アナログ）コンバータ３によって
アナログ量に変換し、サーボ制御対象４に与えるように
している。サーボ制御対象４は、パワーアンプ４ａとモ
ータ４ｂとエンコーダ４Ｃとで構成され、パワーアンプ
４ａが与えられたアナログ操作量ｕ　（ｋ）によってモ
ータ４ｂを電流駆動し。

モータ４ｂの回転はエンコーダ４Ｃによって検出される
。エンコーダ４Ｃの出力はカウンタ５によって計数され
、現在位置を示す観測量ｙ　（ｋ）としてリアルタイム
プロセッサ２に入力される。

このようなリアルタイムプロセッサ２は、１サンプリン
グインタバル内に第８囚人の処理を行い。

空き時間を利用して第８図の）の処理を行っている。

即ち、リアルタイムプロセッサ２は、１サンプリングタ
イム内に、（イ）観測ｘｙ（ト））の入力を受け。

（ロ）次にスケール変換し、（ハ）更に目標値ｒｃ　に
基づく関数値ｒ（ト））を演算し、に）関数値ｒ　（ｋ
）と観測値ｙ□□□）との誤差であるエラーｅ　（ｋ）
＝　ｒ　（ｋ）　−ｙ　（ｋ）を算出し、（ホ）エラー
ｅ　（ｋ）から、最適レギュレータ理論及びオブザーバ
によるサーボ演算を行い、（へ）サーボ演算による操作
量ｕ　（ｋ）をＤ／Ａコンバータ３に出力し、（ト）更
に必要あれば計測装置などへ操作量Ｕ（ｋ）等のモニタ
ー出力を行なう。

一方、リアルタイムプロセッサ２は、空き時間に（７）
ホストプロセッサ１からのコマンド（サーボオン／オフ
等）の解析を行ない、（イ）目標値ｒｃ　を受付け、（
つ）エラーが発生すればエラー処理を行い。

に）ホストプロセッサ１ヘサーボ状態を転送して暴走検
出等に供するようにしている。

即ち、ホストプロセッサ１は９本質的にはサーボ機構へ
の動作指示のみであり、その他−切のサーボ制御処理は
１個のリアルタイム用プロセッサ２に任されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような従来のディジタルサーボ制御装置では、１個
のリアルタイムプロセッサが実時間処理によって一切の
サーボ制御処理を行なうので、制御系が複雑になると、
サーボ制御処理のソフトウェア上の命令語数が既定の範
囲を越えてし甘い精密な制御が困難となるという問題が
ある他に、１サンプリングインタバル内に全ての処理を
実行することが困難となり、高速化が難しいという問題
も生じていた。

本発明は、制御系が複雑でも、複雑な処理を実時間で実
行でき且つ高速制御のできるディジタルサーボ制御装置
を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図であり、第１図（５）は第
１の発明の原理説明図、第１図ＣＢ＞は第２の発明の原
理説明図である。

第１図囚中、２０は第１のプロセッサであり。

前述のステップ（ハ）を実行するものであり、ホストか
らの目標値ｒｃから１サンプリングインターバル毎に次
々と関数値ｒ　（ｋ）　（目標位置までの移動量を段階
的に演算によって発生した関数値）を演算するもの、２
１ｉ”１．第２のプロセッサであシ、前述のステップ（
イ）、（ロ）、（ロ）、（ホ）、（へ）を実行するもの
であシ、第１のプロセッサ２０からの関数値ｒ　（ｋ）
と観測値ｙ　（ｋ）との差（エラー）　ｅ　（ｋ）を算
出し、エラー　ｅ　（ｋ）からサーボ演算９例えば刊行
物「ディジタル制御理論」（昭和５９年４月３日昭晃堂
発行）の第７章例示される定常最適フィードバック制御
に従うサーボ演算を行い操作量ｕ　（ｋ）を求めて出力
するものである。

従って、第１の発明では、目標値ｒｃ　から関数値ｒ　
（ｋ）を演算する専用の第１のプロセッサ２ｏが新たに
設けられている。

次に、第１図（Ｂ）中、２２は第１のプロセッサであシ
、前述のステップ（イ）、（ロ）、（ハ）、に）を実行
するものであり、ホストからの目標値から関数値ｒ　（
ｋ）を次々と演算し、更に観測値Ｙ　（ｋ）を受け、関
数値ｒ　（ｋ）と観測値ｙ　（ｋ）との差（エラー）ｅ
（ｋ）を算出すルモのであり、２３は第２のプロセッサ
であり。

前述のステップ（ホ）、（へ）を実行するものであり、
第１のプロセッサ２２からのエラーｅ　（ｋ）からサー
ボ演算を行い操作ｉ　ｕ　（ｋ）を求めて出力するもの
である０ 従って、第２の発明では、目標イ１ｉｒｃ　から関数値
ｒ　（ｋ）を演算し、観測値ｙ　（ｋ）とのエラーｅ　
（ｋ）を算出する専用の第１のプロセッサ２３が新たに
設けられている。

〔作　用〕

本発明の基本は、ディジタルサーボ制御のリアルタイム
処理、即ちサンプリングインターバル毎の処理を複数の
プロセッサに分散化して、各プロセッサの負担を軽減す
るものである。

そして、単に分散処理のためのみならず、サーボ制御の
リアルタイム処理を複数のプロセッサが並列的に実行す
るように構成している。

更に、第１の発明では、関数発生処理を他のサーボ演算
処理と独立させることによって指令値である関数発生を
緻密に行なうことができ精度の高い指令値の発生が可能
となる。

一方、第２の発明では、関数発生及びエラー算出をサー
ボ演算処理と独立に行なうため、第２のプロセッサ２３
で複雑なサーボ演ｇ（例えばオブザーバを用いた最適フ
ィードバック制御演算）を行なえるから、精度の高い操
作量の出力が可能となる。

〔実施例〕

（ａ）　　第１の発明の一実施例の構成の説明第２図は
本発明の一実施例構成図である。

図中、第１図及び第７図で示したものと同一のものは同
一の記号で示してあり、２４はランダムアクセスメモリ
（ＲＡＭ）であシ、第１のプロセッサ（以下第１のＭＰ
Ｕと称す）２０と第２のプロセッサ（以下第２のＭＰＵ
と称す）２１との間に設けられ、これらのデータのやり
とりを行うために外付けされたものでおり、各々関数値
ｒ　（ｋ）が格納される第１のバッファ２４ａと、第２
のバッファ２４ｃ及びこれらバッファ２４ａ、２４Ｃが
ビジーか否かを示すフラグ２４ｂ、２４ｄを有している
ものである。

第１のＭＰＵ２０は、目標値ｒｅ　　に応じてサンプリ
ングインターバル毎の関数値ｒ　（ｋｌを演算し。

ＲＡ、Ｍ２４の空いているバッファ２４ａ又は２４Ｃに
書込む。両バッファ２４ａ、２４Ｃはｎサン１９フフ分
の関数値ｒ　（ｋ）の格納ができ、書込みによりバッフ
ァ２４ａ又は２４Ｃがフル（ｂｕｓｙ　）となると、第
１のＭＰＵ２０はフラグ２４ｂ又は２４ｄをセットする
（フラグオンする）。

一方、第２のＭＰＵ２１は、　ＲＡＭ２４ｔ７Ｄｂｕｓ
Ｙ中のバッファ２４ａ又は２４Ｃより書込まれた関数値
ｒ　（ｋｌを各サンプリングタイム毎に読出し、観測値
ｙ　（ｋ）とのエラーｅ　（ｋ）を演算し、更に最適レ
ギュレータ（最適フィードバック制御による閉ループ系
）演算を行い、操作量ｕ　（ｋｌを求め、Ｄ／Ａコンバ
ータ３（第７図）に出力する。

尚、ａ適しギュレータによる閉ループ系の詳細は、１９
８１年９月２８日発行の「日経メカニカル」（日経マグ
ロウヒル社発行）の第１１６頁乃至第１１８頁に示され
ており、ここでは詳述しない。又関数発生の原理も上記
刊行物に示されており詳述しない。

即ち、第２図の実施例では、ＲＡＭ２４がプロセッサ２
０．２１間のインターフェイスとして機能し、プロセッ
サ２０の関数値ｒ　（ｋ）をＲＡＭ２４にバッファリン
グさせる構成を用いて、プロセッサ２０．２１間のイン
ターフェイスを簡素化、効率化するものであり、プロセ
ッサ２０．２１間の動作が非同期化できる。

（ｂ）　　第１の発明の実施例の動作の説明第３図は第
２図構成の実施例における各プロセッサの処理フロー図
であシ、第３囚人は第１のプロセッサ２０のためのもの
、第３図但）は第２のプロセッサ２１のためのものであ
り、第４図は第２図構成の動作説明図である。

■　ホストプロセッサ１は、第２のＭＰＵ２１にサーボ
オンを指令し９次に第１のＭＰＵ２０に目標値ｒｅ　を
送る。これによって第２のＭＰＵ２１はサーボ制御の準
備を行ない、第１のＭＰＵ２０は関数発生演算を開始す
る。

■　第１のＭＰＵ２０は、目標値ｒｃから各サンプリン
グインターバル毎に細分化された目標位置である関数値
ｒ　（ｋ）を演算し、第３同人の如く。

第１のバッファ２４ａに書込み、ｎサンプリング分繰返
すと、フラグ２４ｂをオンにする。

■　次に、第１のＭＰＵ２０はホストプロセッサ１にス
タート要求をかける。ホストプロセッサ１はこのスター
ト要求を受取った時点で第２のＭＰＵ２１に始めて動作
指示を発する。

■　以降、第２のＭＰＵ２１は各サンプリングタイム毎
に、第３図ＣＢ）の如く、第１のバッファ２４ａから１
個づつ関数値ｒ　（ｋ）を読出し、エラーｅ　（ｋ）の
算出、サーボ演算を行い操作ｉｕ（ト））を出力し、ｎ
サンプル分間数値ｒ　（ｋ）を読出すと、７ラグ２４ｂ
をオフ（リセット）する。

■　一方、第１のＭＰＵ２０は、この間に第２のＭＰＵ
２１の読出し動作と全く非同期に関数値ｒ　（ｋ）を演
算し、第２のバッファ２４ＧＫ書込み。

ｎサンプリング分繰返すとフラグ２４ｄをオンにする。

■　又、第２のＭＰＵ２０は、ステップ■と同様に第１
のバッファ２４ａの全ての関数値ｒ　（ｋ）の読出し後
、各サンプリングタイム毎に第２のバッフ７２４Ｃの関
数値を読出し、エラーｅ　（ｋ）の算出。

サーボ演算を行い操作量ｕ　（ｋ）を出力する。

■　以降同様にして、第１のＭＰＵ２０は空きバッファ
２４８又は２４Ｃに交互に関数値ｒ　（ｋ）を書込み、
第２のＭＰＵ２１はビジー中のバッファ２４ａ又は２４
Ｃから関数値ｒ　（ｋ）の読出し！　リアルタイムのサ
ーボ演算を行なう。

上述の実施例では、リアルタイム用の第２のＭＰＵ２１
の命令語数及び処理時間を大幅に削減できる。

又、制御装置全体として見た場合のリアルタイム処理に
要する時間は、第２のＭＰＵ２１の処理時間に等しく、
関数発生処理時間分だけ減少する。

更に、第１のＭＰＵ２０．第２のＭＰＵ２１の処理はそ
れぞれ非同期でよいから、各ＭＰＵのプログラムは非常
に簡単な構造にできるとともに。

ＭＰＵ毎に互いに独立にプログラムの作成、変更が可能
となる。

（Ｃ）　　第２の発明の一実施例の構成の説明第５図は
第２の発明の一実施例の構成図である。

図中、第１図及び第７図で示したものと同一のものは同
一の記号で示してあり、２５はランダムアクセスメモリ
（ＲＡＭ）であり、第１のＭＰＵ２２と第２のＭＰＵ２
３との間に設けられ、これらのデータのやりとりを行な
うために外付けされたものであり、第１のＭＰＵ２２か
らのエラーｅ（ｋ）が書込まれ、第２のＭＰＵ２３に書
込まれたエラーｅ　（ｋ）が読出されるものである。

第１のＭＰＵ２２は、ホストプロセッサ１がらの同期サ
ンプリング信号を受け、観測値Ｙ　（ｋ）を読み取り、
目標値ｒｅ　に応じて関数値ｒ　（ｋ）を発生し。

更にｘ　ラ−ｅ　（ｋ）＝　ｒ　（ｋ）　−Ｙ　（ｋ）
を演算してＲＡＭ２５に書込むものである。

一方、第２のＭＰＵ２３は、ホストプロセッサ１からの
同期サンプリング信号を受け、ＲＡＭ２５に書込まれた
エラーｅ　（ｋ）を読出し、第１の発明の実施例と同様
に最適レジュレータ演算というサーボ演算を実行し、操
作量ｕ　（ｋｌを得、Ｄ／Ａコンバータ３（第７図）に
出力するものである。

即ち、第５図の実施例でも、ＲＡＭ２５がＭＰＵ２２．
２３間のインターフェイスとして機能し。

ＭＰＵ２２（７）算出：ｒ−ラーｅ　（ｋ）をＲＡＭ２
５にバッファリングさせる構成を用いてＭＰＵ２２．２
３間のインターフェイスを簡素化、効率化するものであ
る。

（ｄ）　　第２の発明の実施例の動作の説明第６図は第
５図構成の動作説明図である。

この実施例では、第１のＭＰＵ２２で観測量ｙ（ｋ）、
関数値ｒ　（ｋ）からエラーｅ　（ｋ）を求め、ＲＡＭ
２５を介し第２のＭＰＵ２３へ与え操作ｉｆ　ｕ　（ｋ
）を得るようにするシーケンシャルな処理を行なうこと
もできる。この場合には、各ＭＰＵ２２．２３の負荷が
軽くなるが、全体としての効率はプロセッサ間で同期を
取り、データを転送する分だけ悪くなり、又処理時間の
増加がサンプリングインタバルに比し無視できないよう
な場合には、当然安定なサーボ制御を得るのは難しくな
る。

そこで、仁の実施例では第６図に示す演算時間を考慮し
たサーボアルゴリズムを用いている。

ここで、第１のＭＰＵ２２には、予じめ目標値ｒｃが、
第２のＭＰＵ２３にはサーボオン指示が与えられている
ものとして以下説明する。

■　ホストプロセッサ１は、第１のＭＰＵ２２及び第２
のＭＰＵ２３に対して同期信号（サンプリング信号）を
パラレルに送る。

■　第１のＭＰＵ２２では、観測ｔ　ｙ　（ｋ）を入力
し、関数値ｒ　（ｋ）を演算し、更にエラーｅ（８））
＝ｒ（ｋ）−ｙ（ｋ）を演算後、ＲＡＭ２５上の値を更
新する。

■　一方、第２のＭＰＵ２３は、第１のＭＰＵ２２より
既にＲＡＭ２５上に書込まれている誤差ｅ（ｋ−１）を
読み込み、サーボ演算の後操作量Ｕ（ｋ）を出力する。

即ち、に時点の状態フィードバック量の算出に（ｋ−１
）時点の観測値ｙ（ｋ−ｘ）を用いており。

エラーｅ（ｋ−１）を用いて操作ｎ　ｕ　（ｋ）を出力
するようにしている。

係るサーボアルゴリズムを用いると、処理時間の遅れを
解消しうるとともに、ＭＰＵ２２．２３間で直接同期を
とることなく確実なデータの受渡しを可能とするもので
ある。この場合でも９個々のＭＰＵ２２．２３の負荷は
、全体の処理を２個のプロセッサに分割しただけ軽減す
る。

又、制御装置全体としてのスルーブツトは、２個のプロ
セッサの平行処理により、プロセッサ１個の場合と比べ
て大幅に短縮され、ＭＰＵ２２゜２３の処理時間の大き
い方と一致する。

更に、第１のＭＰＵ２２は、サンプリングインターバル
を目一杯使って演算すればよいので、第２のＭＰＵ２３
の様に演算速度を要求する代りに。

フローティング演算９借長演算２種々の関数演算が可能
なものを選択することができ、所定の機能を容易に実現
できる。

しかも、外付けＲＡＭ２５を介してデータ転送するため
、ハード、ソフトとも複雑なインターフェイスを必要と
しない。又、外付けＲＡＭ２５にデータをバッファリン
グをし、各プロセッサが直接同期をとる必要もなく非同
期動作でき、制御装置全体としての処理時間を減少でき
、同様にソフトウェアも各プロセッサ毎に独立に作成、
変更できる。

（ｅ）　　他の実施例の説明 第１の発明の第２図の実施例（でおいて、バッファを２
個ならず３個以上設けてもよく、又バッファを１個とし
、ＭＰＵ２０．２１が交互にアクセスｆるようにしても
よい。

又、第２の発明の第５図の実施例において、第６回動作
の代りに前述のシーケンシャルな処理を用いてもよい。

更に、第１．第２の発明とも、サーボ演）Ｔとして周知
の他の状態フィードバック制御方式を用いてもよい。

以上本発明を一実施例により説明したが９本発明は本発
明の主旨に従い種々の変形が可能であり。

本発明からこれらを排除するものではない。

〔発明の効果〕

以上説明した様に２本発明によれば、サーボ制御処理を
複数のプロセッサで行っているので９個々のプロセッサ
の処理が軽減され、それだけ高精度で高速なサーボ制御
が可能となるという効果を奏する他に、プロセッサ毎に
互いに独立にプログラムの作成、変更が可能となるとい
う効果も奏し。

更にはプログラム自体も非常に簡単な構成とすることも
できるという効果も奏する。

又、第１の発明では、目標となる関数値を精度良く発生
することができるという効果を奏し９一方、第２の発明
では、複雑なサーボ演算が実行でき、精度の高い操作量
の出力が可能となるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図。 第２図は第１の発明の実施例構成図。 第３図は第２図構成による処理フロー図。 第４図は第２図構成の動作説明図。 第５図は第２の発明の実施例構成図。 第６図は第５図構成の動作説明図。 第７図は従来のディジタルサーボ制御装置の構成図。 第８図はディジタルサーボ制御の説明図である。 図中、２０，２２・・・第１のプロセッサ。 ２１　、２３・・・第２のプロセッサ。 ４・・・制御対象。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）与えられた目標値から関数値を発生し、該関数値
   とサーボ制御対象の観測値との差を求め、該差からサー
   ボ演算を行って該サーボ制御対象に対する操作量を出力
   するディジタルサーボ制御装置において、 該目標値が与えられ該関数値を演算する第１のプロセッ
   サユニットと、 該第１のプロセッサユニットからの関数値と該観測値と
   が与えられ、該差を求めて該サーボ演算を行ない該操作
   量を出力する第２のプロセッサユニットとを 有することを特徴とするディジタルサーボ制御装置。
2. （２）与えられた目標値から関数値を発生し、該関数値
   とサーボ制御対象の観測値との差を求め、該差からサー
   ボ演算を行って該サーボ制御対象に対する操作量を出力
   するディジタルサーボ制御装置において、 該目標値と該観測値が与えられ該関数値を演算するとと
   もに該関数値と該観測値との差を演算する第１のプロセ
   ッサユニットと、 該第１のプロセッサユニットの該差からサーボ演算を行
   ない、該操作量を出力する第２のプロセッサユニットと
   を 有することを特徴とするディジタルサーボ制御装置。