JPS6387188A - サ−ボモ−タのパワ−駆動部動作制御指令方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はサーボモータのパワー駆動部動作制御指令方法
に係り、特に、高精度の位置制御を行なうのに好適なパ
ワー駆動部動作制御指令方法に関する。

〔従来の技術〕

ＤＣサーボモータのパワー駆動部の構成を第４図に示す
、第４図において、パワー駆動部は、トランジスタやＦ
ＥＴ等の２対のパワー素子（Ａ。

Ａ’）、（Ｂ、Ｂ’）で構成されている。パワー素子Ａ
、Ｂのコレクタはサーボモータ用パワー電源１２の（＋
）端子に接続され、パワー素子Ａ。

Ｂの夫々のエミッタはパワー素子Ｂ’　、Ａ’のコレク
タに接続され、パワー素子Ｂ’　、Ａ’のエミッタは共
通の電流検出抵抗Ｒ１を通して電源１２の（−）端子に
接続されている。パワー素子Ａ。

Ｂのコレクターエミッタ間は逆方向に設けられたフライ
バック用ダイオードＡｏ、Ｂｏで接続され、パワー素子
Ｂ’　、Ａ’のコレクタと電源１２の（−）端子とは逆
方向に設けられたフライバック用ダイオアトＢｏ’　、
　Ａｏ’で接続されている。

ＤＣサーボモータ１４は、パワー素子Ａ、Ｂのエミッタ
間に接続されている。尚、ＬＭ　＊　ＲＭはＤＣサーボ
モータ１４のコイルインダクタンスと抵抗を示している
。この様に、２対のパワー素子（Ａ、Ａ’　）、（Ｒ，
Ｂ’　）を並べ、パワー素子Ａ、Ｂ’の接続点とパワー
素子Ｂ、Ａ’の接続点間にＤＣサーボモータ１４を接続
する構成のパワー駆動部をＨブリッジという。

Ｈブリッジ構成の４個のパワー素子Ａ、Ｂ。

Ａ’　、Ｂ’には、各べ−Ｘにパルス幅変＠　（ＰｗＭ
）された動作信号がパワー素子動作制御部から供給され
、ＤＣサーボモータ１４への通電が制御される。

従来のＤＣサーボモータ１４の駆動制御方法では、ＰＷ
Ｍ信号がアクティブのときにパワー素子Ａ、Ａ’　また
はＢ、Ｂ’　が動作状態にされ、ＰＷＭ信号がノン・ア
クティブのときにパワー素子Ａ。

Ｂが不動作状態でパワー素子Ａ’　、Ｂ’が動作状態と
なるように、信号が切換えられる。

このような動作形態のとき、ＰＷＭ信号がアクティブな
時間をｔｐ、ＰＷＭ周期をＴｐとすると、サーボモータ
１４の平均印加電圧ＶＭは単に通常の直流理論で ＶＭ４　Ｖ−ｔ　ｐ／　Ｔｐ　　　　　　　　　　”・
（１）と与えられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ＤＣサーボモータで高精度の位置制御を行なう場合、前
記第（１）式によれば、ＰＷＭ信号の分解能の精度をあ
げなければならない。換言すれば、ＰＷＭ信号のアクテ
ィブな時間ｔｐの最小単位を非常に小さくとらなければ
ならない。

このため、高精度の位置制御を従来のパワー駆動部動作
制御方法で行なう場合には、ＰＷＭ信号発生回路の回路
規模を大きくしてアクティブ時間を−の最小単位を小さ
くすると共に、これに伴う誤動作防止対策や発振防止対
策、位置制御系への工夫等が必要となり、コストが上昇
してしまうという問題がある。また、回路及びパワー素
子の応答速度に限界があるため、必要とするＰＷＭ分解
能が得られないことがあるという問題もある。

一方、上述のような位置決め時のＰＷＭの高分解能の要
請に対し、サーボモータの速度制御においては、それ程
ＰＷＭの分解能を必要としないという事実もある。

本発明の目的は、ＰＷＭ信号に高分解能を必要とせずに
、高精度な位置及び速度制御を行なわせることができる
サーボモータのパワー駆動部動作制御指令方法を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ＰＷＭ周期Ｔｐ毎に指令されたＰＷＭ信号
を発生し、パワー駆動部のパワー素子をＰＷＭ制御する
パワー素子動作信号発生手段に対し、周期Ｔｐよりかな
り低周期Ｔ　ｓ　（Ｔ　ｓ　）　Ｔ　ｐ　）でＰＷＭ制
御指令を生成出力する制御指令手段において、ＰＷＭの
高分解能が要請されない場合は、所望のＰＷＭ指令を周
期Ｔｓ毎に順次生成出力し、ＰＷＭの高分解能が要請さ
れる場合は、平均値が所望の分解能となるように、パワ
ー素子動作信号発生手段の生成しうる最小ＰＷＭ指令と
前記Ａ。

Ｂのパワー素子を不動作とするＰＷＭ指令とを複数個組
み合せ、周期Ｔｓ毎に各ＰＷＭ指令を複数周期に渡って
順次出力することにより達成される。

〔作用〕

制御指令手段は、平均値が所望の分解能となるように、
パワー素子の動作信号発生手段の生成しうる最小ＰＷＭ
指令とＡ、Ｂのパワー素子を不動作とするＰＷＭ指令と
を複数個組み合せ、一定周期毎に各ＰＷＭ指令を複数周
期に渡って順次パワー素子の動作信号発生手段に出力す
る。これにより、ＰＷＭ信号に高分解能を必要とせずに
、サーボモータにより高精度な位置及び速度制御を行な
わせることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の方法を適用するＤＣサーボモータの
制御系の構成図である。この図において、制御指令手段
１０は、手動指令装置等の図示しない上位制御装置から
の動作指示に基づき、パワー素子動作信号発生手段１１
に各種指令を送出し、サーボモータ１４の動作制御を行
なう、この制御指令手段１０は、通常はマイコンの様な
論理演算装置で実現されるが、カスタムＬＳＩ、または
アナログ・デジタル現在回路等によって構成することも
できる。

パワー素子動作信号発生手段１１は、周知の回路技術に
よって構成され、制御指令手段１０からの一定周期Ｔｓ
毎の指令に基づいて一定周期Ｔｐ毎にＰＷＭ信号を生成
し、これをＨブリッジ回路１３に供給する。

Ｈブリッジ回路１３にはパワー電源１２が接続している
。このＨブリッジ回路は第４図で説明した構成をとり、
ＰＷＭ動作信号によりサーボモータ１４への通電を制御
する。ＤＣサーボモータ１４の出力側には負荷１５が接
続されている。

１６はフィードバック信号検出手段であり、通常はＤＣ
サーボモータ１４の回転軸に直結されているエンコーダ
と、エンコーダ信号を利用したサーボモータの回転方向
弁別回路と、エンコーダ信号パルスの計数回路よりなり
、ＤＣサーボモータの回転位置を検出する０位置検出手
段としては、周知のレゾルバ、ポテンショメータを用い
ても良く、その場合は対応する位置変換回路を内蔵する
ようにする。また、ＤＣサーボモータの回転軸に直結さ
れた速度発電機とその信号処理回路を内蔵して、フィー
ドバック信号に加えるようにして構成しても良い。

次に動作を説明する。制御指令手段１０は、サーボモー
タ１４に所定の動作をさせるために、フィードバック信
号検出手段１６の検出するモータの動作状態値をとり込
み、目標動作と比較し、サーボモータ１４を目標動作通
りに動作させるためのＰ　Ｗ　Ｍ指令９回転方向指令を
生成する。パワー素子動作信号発生手段１１は、前記制
御指令手段１０からの指令にもとづき、パワー素子動作
信号を発生する。すなわち、ＰＷＭ指令に従ってＰＶＭ
パルス信号を発生し、このＰＷＭパルス信号がアクティ
ブな期間では、回転方向指令に従って、第４図のパワー
素子Ａ、Ａ’　またはＢ、Ｂ’　を動作させる信号を発
生する。このＰＷＭパルス信号がノン・アクティブな期
間では、パワー素子Ａ、　Ｂを不動作、Ａ’　、Ｂ’　
を動作状態にする。

Ｈ−ブリッジ回路１３に内蔵されるパワー素子は、パワ
ー素子動作信号発生手段１１のパワー素子動作信号に従
って上述の様に動作し、ＤＣサーボモータ１４からフィ
ードバックされる逆起電力に抗して、パワー電源１２よ
り供給される電力をＤＣサーボモータ１４に供給する。

ＤＣサーボモータ１４は、それに結合された負荷１５と
共に、供給された電力に従って回転動作または位置静止
動作をする。フィードバック信号検出手段１６は、この
ようなりＣサーボモータ１４の前述した状態値を検出し
、制御手段１０にフィードバックする。

このようにして、制御手段１０はＤＣサーボモータ１４
もしくは負荷１５に所望の動作をさせる。

次に前述した制御指令手段１０の構成および動作を第２
図により詳細に説明する。ここでは、制御指令手段１０
は論理演算装置、特にマイクロコンピュータであり、制
御論理は、ソフトウェアにより実現されるものとして説
明する。制御指令手段１０は、第２図に示すように、主
制御部１００と、割込制御部１０１とより成っている０
割込制御部１０１は、制御演算部１０１１と、ＰＷＭ指
令指令部生部１０１２ＰＷＭ指令出力部１０１３と、Ｐ
ＷＭ指令組記憶テーブル部１０１４と。

ＰＷＭ指令組記憶部とより成っている。主制御部１００
は１図示しない手動指令装置、上位制御装置からの指示
に従って、割込制御部１０１にサーボモータを動作させ
るための位１道、速度等の必要データ及び動作指示を与
える８割込制御部１０１は、マイコンの内部タイマもし
くは、外部からの基準時間信号によって一定時間Ｔｓ毎
に起動される割込プログラムであり、主制御部１００の
指示を忠実に実行するように動作する。すなわち、制御
演算部１０１１において、主制御部１ｏｏより指示され
た動作指示より、現時点の動作目標値を設定し、これを
フィードバット信号検出手段１６より得られるフィード
バック信号と比較し、定められた制御仕様に従って、サ
ーボモータ１　ｄｌを動作させるための所望のＰＷＭ値
を算出する。　ＰｗＭ指令指令部生部１０１２望のＰＷ
Ｍ値を受けて、ＰＷＭ指令組記憶テーブル１０１４を参
照して、対応するＰＷＭ指令指令数り出し、モータの回
転方向指令を付加してＰＷＭ指令組記憶部１ｏ１５に格
納する。ここで、所望のＰＷＭ値と、Ｐ　Ｗ　Ｍ指令組
の一例は第１表に示すようである。

第　　１　　表 第１表で、ＰＷＭ所望値の整数部は、パワ素子動作信号
発生手段１１が生成可能なＰＷＭ信号、すなおち第（１
）式におけるｔｐに対応する正規化された値を示し、端
数部は、ＰＷＭ分解能の向上分を表わしている。ＰＷＭ
指令指令−テーブル簡単のため、分解能を４倍に向上さ
せる場合のテーブルであり、各値は、パワー素子動作信
号発生手段１１が生成しうるＰＷＭ信号、すなわち第（
１）式におけるｔｐに対応する正規化された値を示して
いる。ここで、値Ｏは、ＰＷＭ信号がノンアクティブと
なるＰＷＭ指令である。なお、ここでは、テーブルには
モータの回転方向情報は含ま九ないとして例示したが、
これを含む形でテーブルを構成することも容易である。

このようにテーブルを構成することにより、ＰＷＭ所望
値は、検索すべきＰＷＭ指令指令数−ブルアドレスを直
接示しているので、ＰＷＭ指令指令部生部１０１２易に
テーブル検索を実行することができる。

ＰＷＭ指令出力部１０１３は、割込制御部の起動回数を
カウントして、例えば、第１表の例の４分割の場合は、
モジュール４でカウントして、カウント値に応じたＰＷ
Ｍ指令組の１つをＰＷＭ指令組記憶部１０１５より取り
出し、パワー素子動作信号発生手段１１へ出力する。

このようにして、パワー素子動作信号発生手段１１の生
成しうるＰＷＭ信号より高分解能のＰＶＭ信号が生成さ
れ、サーボモータは高精度に制御される。

次に本発明の実施例および従来例によって得られる電流
制御を第３図を用いて説明する。この第３図において横
軸はＰＷＭ信号のデユーティつまり第（１）式のｔ　Ｐ
　／　Ｔ　ｐの％値であり、縦軸は平均電流である。こ
の特性線によれば、ＰＷＭ信号のデユーティに比例して
平均電流が制御できることがわかる。そして、従来のパ
ワー駆動部動作制御方法により得られる電流値は、特性
線上のＯ印の値しかとりえず、従って位置決め制御時な
どでは、低電流部で分解能が不足する。これに対し、特
性線のΔ印は、本発明のＰＷＭ指令の組み合せ出力によ
って得られる電流値である。このようにサーボモータに
流れる電流を細かく制御する必要のある場合には本発明
を適用することにより目的が達せられる。

さらに、第３図の状況が得られる理由を、Ｔｐ”　Ｔ　
ｓと仮定して、実際にサーボモータに流れる電流によっ
て示すと、第４図〜第７図に示すようになる。第４図は
、常時最小ＰＷＭ指令を与えた場合であり、電流は脈動
しながらも連続電流となり、かなりの大電流が流れる。

これは、従来の開動方法に相当する。第５図は、ＰＷＭ
４周期のうち１周期をカットした場合であり、この影響
により電流レベルは第４図に比し低下している。第６図
および第７図は、それぞれ、ＰＷＭ４周期のうち、２周
期、３周期をカットした場合であり、電流レベルは、第
４図〜第７図の順に低下している。

実際上は、Ｔ　ｓ　＞　Ｔ　ｐであるから、第４図〜第
７図の場合と電流の流れる様子は多少異なったものとな
るが、本発明の妥当性は明らかであろう。

なお、上述の実施例ではＰＷＭ指令出力部は、上述の説
明の演算順序に従った位置に配置される必要はなく、割
込制御部が起動された直後にすぐ実行する位置等のよう
に、任意の位置に配置することができる。

また別の配置法として次のようにすることができる０通
常図示はしていないが、割込制御部１０１には手動操作
入力信号の取込部、表示操作処理部などが配置されてい
る。従って、割込制御部１０１の先頭に第１のＰＷＭ指
令出力部１０１３を配置し、全体の割込制御部１０１の
演算時間を考慮して、割込制御部の起動周期Ｔｓに対し
、第１のＰＷＭ指令出力部１０１３の動作後約Ｔ　ｓ　
／　２時間経過する位置に第２のＰＷＭ指令出力部１０
１３を配置するようにすることもできる。

最後にテーブルの構成法について別の例を示す。

前述した第１表では、全部のテーブルを作成するように
示しているが、ＰＷＭ所望値の整数部が０のテーブルの
み作成しておき、端数部のテーブル値をＰＷＭ所望値の
整数部で補正するようにすることができる。このように
すれば、テーブル容量が大幅に少なくなるから、記憶部
所要量を大幅に節約できる。

また別の例として、サーボモータの位置制御時のみＰＷ
Ｍに高分解能が必要とされる場合は、上　　述のＰＷＭ
所望値の整数部が０のテーブルのみで良＜、ＰＷＭ所望
値の整数部がＯでないものについては、整数部より直接
ＰＷＭ指令指令子の各（、’ｉすべで整数部の値と同一
である。）を作成することができる。この場合のＰＷＭ
所望値の整数値が０でないものについては、ＰＷＭに高
分解能が要求されていないから、ＰＷＭ指令組を作成し
て、ＰＷＭ指令を分割出力する必要はない、このような
場合には、ＰＷＭ指令出力部のアルゴリズムを多少工夫
することにより容易に対処できる。

なお、本発明は１ケのマイクロコンピュータを用いてロ
ボットなどのように複数の関節をもつもの、もしくは多
数のサーボモータを同時制御するような場合には、割込
制御部１０１は演算能力の関係から１回の割込起動時に
１ケのサーボモータの制御演算しか実行できず、複数回
の割込を利用して循環的に順次１ケずつのサーボモータ
の制御を行なうよう構成されるから、この循環性を利用
して本発明を適用すれば、更に良好なる結果を得ること
ができる。

以上述べたように、本発明の実施例によれば、ＰＷＭの
高分解能が要請される場合には、制御指令手段が平均値
が所望の分解能となるように、パワー素子の動作信号生
成手段の生成しうる最小ＰＷＭ指令と前記Ａ、Ｈのパワ
ー素子を不動作とするＰＷＭ指令とを複数個組み合せ、
一定周期毎に各ＰＷＭ指令を複数周期に渡って順次パワ
ー素子の動作信号発生手段に出力するようにしたので、
次の効果が得られる。

（１）μｓｅｃオーダーもしくはそれ以上の高速動作の
要求されるパワー素子の動作信号生成手段に比べ、数百
μｓｅｃ　””　ｍ　ｓｓｃオーダーの演算時間が許容
される制御指令手段の作用により高分解能化が実現でき
るので、回路技術上の難点が回避できる。

（２）制御指令手段がマイクロコンピュータ等で実現さ
れている場合には、本発明はソフトウェアにより実施で
きるので、従来装置に比し、コスト上昇は全くない。

（３）ＰＷＭ信号に高い分解能を必要としないので、回
路技術上、制御技術上の高度な工夫が不要である。

（４）高精度位置決め及び高糖度速度制御が比較的分解
能の低いＰＷＭ制御によって実現できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、ＰＷＭ信号に高分
解能を必要とせずに、サーボモータによる負荷の高精度
な位置及び速度制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を適用するサーボモータの制御系
構成図、第２図はその制御指令手段の構成を示す図、第
３図は従来および本発明を比較説明するための特性図、
第４図、第５図、第６図。 第７図は本発明により得られる電流制御例を示”す図、
第８図は従来のサーボモータのＨ形パワ駆動部の構成図
である。 １０・・・制御指令手段、１１・・・パワー素子動作信
号発生手段、１２・・・パワー電源、１３・・・Ｈ−ブ
リッジ回路、１４・・・ＤＣサーボモータ、１５・・・
負荷、１００・・・主制御部、１０１・・・割込制御部
。 澗　３　図 ｆＷＭり−９（俊 盾６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、サーボモータを駆動するための対をなすパワー素子
   をＨ形に組んだパワー駆動部と、各パワー素子をＰＷＭ
   制御するＰＷＭ信号を生成するパワー素子動作信号発生
   手段と、一定周期毎にＰＷＭ指令信号をパワー素子動作
   信号発生手段に出力する制御指令手段とを備えたサーボ
   モータの駆動制御装置において、パワー素子動作信号発
   生手段の生成可能な最小ＰＷＭ信号よりも高分解能のＰ
   ＷＭ信号が要請される場合には、制御指令手段は、前記
   最小ＰＷＭ信号に対応する最小ＰＷＭ指令と、ＰＷＭ信
   号がノン・アクティブとなる指令とを、平均的に所望の
   分解能となるように組み合せたＰＷＭ指令組を生成し複
   数周期に渡つて、ＰＷＭ指令組の指令値を順次パワー素
   子動作信号発生手段に出力するようにしたことを特徴と
   するサーボモータのパワー駆動部動作制御指令方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載のサーボモータのパワー
   駆動部動作制御指令方法において、制御指令手段は、所
   望のＰＷＭ値に最も値の近い、パワー素子動作信号発生
   手段の生成可能なＰＷＭ信号に対応する２ケのＰＷＭ指
   令を用いて、平均的に所望のＰＷＭ値になるように組み
   合せたＰＷＭ指令組を生成し、複数周期に渡つて、ＰＷ
   Ｍ指令組の指令値を順次パワー素子動作信号発生手段に
   出力するようにしたことを特徴とするサーボモータのパ
   ワー駆動部動作制御指令方法。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載のサーボモ
   ータのパワー駆動部制御指令方法において、制御指令手
   段は、所望のＰＷＭ値に対応するＰＷＭ指令組のテーブ
   ルを備え、テーブル検索によつて、ＰＷＭ指令組を求め
   ることを特徴とするサーボモータのパワー駆動部制御指
   令方法。 ４、特許請求の範囲第１項または第２項記載のサーボモ
   ータのパワー駆動部制御指令方法において、制御指令手
   段は論理演算装置より成り、ＰＷＭ指令組の出力手段と
   して、内部タイマもしくは外部タイマによつて一定時間
   毎に起動される割込プログラムを備え、割込プログラム
   が起動される毎に、順次ＰＷＭ指令組の指令値をパワー
   素子動作信号発生手段に出力するようにしたことを特徴
   とするサーボモータのパワー駆動部動作制御指令方法。 ５、特許請求の範囲第４項記載のサーボモータのパワー
   駆動部制御指令方法において、割込プログラムは、サー
   ボ制御演算処理部を備え、割込プログラム起動直後及び
   サーボ制御演算処理終了時の２回づつ、順次ＰＷＭ指令
   組の指令値をパワー素子動作信号発生手段に出力するよ
   うにしたことを特徴とするサーボモータのパワー駆動部
   動作制御指令方法。