JPS59168513A

JPS59168513A - 加減速制御方式

Info

Publication number: JPS59168513A
Application number: JP58042309A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Sakano; 哲朗坂野
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1983-03-16
Filing date: 1983-03-16
Publication date: 1984-09-22
Also published as: US4603286A; WO1984003779A1; EP0139010A4; EP0139010A1

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】本発明は、ＮＣ工作機械やロホットの制御装置等に使用
されるサーボモータの加減速制御方式に関する。

第１図に、サーボモータの加減速制御方式のブロック図
を示すが、従来、このような加減速制御方式の代表的な
例として指数関数形加減速制御方式がある。

これは、第１図の加減速制御部１に指数関数形加減速制
御部を使用したもので、この加減速制御部１に位置指令
が単位時間当りの移動ｍ　Ｖ　ｏとして入力されると、
すなわち、速度にほぼ等しい値Ｖｏとして、第２図（ａ
＞に示すように、ステップ入力が入力されると、第２図
（ｂ）に示すにうに、その応答は指数関数的に応答する
。

この応答波形が示すように、この方式では、高周波成分
の影響で立上り時〈図中イで示す）の加速度が大きいこ
とから、サーボ制御部２やその負荷系にショックを与え
、振動を起こしやすい欠点があった。また、第２図（ｂ
）に示すように、減速停止づるまで時間を要する等の欠
点があった。

そのため、例えば、Ｘ、Ｙ軸のサーボモータを使用し、
円弧状に工作は械のテーブル等を移動させた場合、指令
値よりも内側の軌跡をたどる原因になっていた。

また、指数関数形加減速制御方式にかわるものとして、
直線形加減速制御方式かあるが、この方式も第５図＜ｂ
）に示した出力波形か示すように、加速度が急激に変化
するために、サーボ制御系やその負荷系にショックを与
え、１胚動を発生じやすい。例えば、急激に停止したと
き等、ロボット等のアームは停止後も振動する等の欠点
を有していた。　さらに、サーボ制御系及びその負荷系
は、通電、固有振動数を有しており、固有振動数に近い
周波数成分をもった指令で駆動されると、そのサーボ制
御系やその負荷系自体が振動を発生する。

そのため、位置指令に含まれるサーボ制御系や負荷系の
固有振動数成分をカットする必要かある。

そこで、本発明の目的は、上記欠点を改善し、速度変化
を小さくし、遅れが少ない応答のよいサーボモータの加
減速制御方式を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、振動が発生せず、滑らかな速
度変化でサーボモータを稼動させるサーボモータの加減
速制御方式を提供することにある。

ところで、ステップ入力に対し、第２図＜ｂンで示すよ
うな応答を行う上記指数関数形加減速制御部の伝達関数
は、次式で示すような一次遅れの伝達関数Ｈ（Ｓ）で表
現される。

Ｈ（Ｓ）　−に／　（Ｓ十Ｋ＞・・・・・・・・・（１
）（Ｋ；定数）この伝達関数は、フィルタの立場からみると、−次のロ
ーパスフィルタと見ることができるので、この伝達関数
で表わされる上記加減速制御部１の機能は、位置指令（
入力）に含まれる低周波成分を通し、高周波成分をカッ
トして、サーボ制御部２に位置指令を伝達することを意
味している。しかし、第２図＜ｂ＞の出力波形が示すよ
うに、立上り時等で、まだ、高周波成分の影響が出て急
激に速度変化が生じている。このため、この高周波成分
をカットするためには、上記（１）式で示す伝達関数の
時定数を大きくすればよいが、そうすると応答が遅くな
り、停止までの時間が長くなる。

そこで、加減速制御部１に次数の高いローパスフィルタ
を使用し、該フィルタの係数を適切にすれば、次数が高
いローパスフィルタであるから、サーボ制御系やその負
荷系の固有振動数成分をカットし、かつ、高周波成分を
カッ］へすることができ、滑らかな応答波形を（ｑると
共に、早い応答を傳ることかできる。

高次のローパスフィルタの伝達量数日（Ｓ）は、次式で
示ずように、２次、及び１次と２次、２次と２次の重合
で、順次高次の伝達関数をＦること１・・・・・・（３）Ｑ２　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・〈４）
（なお、Ａ１．Ａ２　、Ｂ１　、Ｃ）＋　、’Ｑ２は係
数、〜Ｖｏはフィルタの遮断周波数に対応する角速度で
ある。）上記伝達関数Ｈ（Ｓ）の係数（Ａ＋　、Ｂ＋　。

０１等）を適切に選ぶことにより、応答速度がよく、応
答か滑らかで振動を発生させないローパスフィルタをベ
ッセル形、バターワース形、チェビシェフ形のいずれの
形によっても実現できる。

しかし、台形のフィルタの特徴を考慮して、種々の実験
の結果、ベッセル形フィルタの係数を適切に選び、サー
ボ制御系やその負荷系の固有振動数をカットするように
フィルタのカットオフ周波数を選定することによって、
上記目的を達成できる最適のローパスフィルタを得るこ
とができる。

そして、このベッセル形のローパスフィルタを加減速制
御部１として使用することにより、位置指令に対する該
加減速制御部１の応答は、第３図に示すような形状とな
る。このように、高周波成分をカットしたから出力１の
変化は滑らかで、立上り時に大ぎな加速度を得ることは
なく、かつ、減速停止するまでの時間も短くなっている
。

次に、第２の実施例として、第４図に示すように、直線
加減速部３の後に、上記ローパスフィルタ４を接続し、
その出力によりり゛−ホ制御部６゜サーボモータＮ１を
作動させれば、ローパスフィルタ４の出力ｖ２は、第５
図＜Ｃンに示すように滑らかになるため、急激な速度変
化によるショックをサーボ制御部６やサーボモータＭ等
に与えることなく振動を発生することはない。

以上）小へたように、本発明は、加減速制御部としてロ
ーパスフィルタを使用して、また、直線加減速方式の場
合には、直線形加減速部３とローパスフィルタ４により
、加減速制御部５を構成させて、応答か早く振動を生じ
させないサーボモータの加減速制御方式を得るものであ
る。

以下、直線形加減速部３とローパスフィルタ４で加減速
制御部５を構成したときの、本発明の一実施例を図面と
共に詳細に説明する。

まず、直線形加減速部３のデジタル処理で行う一実施例
を第６図に示す。補間分配制御部等から各軸に対する位
置指令Ｐａが１サンプリング毎（サンプリング周期Ｔ）
に該直線加減速部３に入力される。直線形加減速部３に
は、ｎ−１個（但し、ｎ（よ加速または減速を開始して
から終了するまでの加減速時間τをサンプリング周期下
で割ったものである。すなわち、ｎ−τ／Ｔである。）
の遅延ユニットＺ−１（サンプリング周期下の遅延）が
設（プられており、位置指令値ｐａと各遅延ユニツ１〜
　Ｚｌの出力をサンプリング周期Ｔ毎に加算手段１０で
加算し、乗算手段１１で１／ｎを乗算１）で次式で示ず
Ｐｂを得る。

Ｐｂ　−（Ｐａ　＋Ｘ１　＋Ｘ２　＋＝−＝−＋Ｘｎ−
＋）　／ｎ・・・・・・・・・（５）例えば、位置指令値Ｐａを１００．サンプリング周期Ｔ
を８１ｎＳｅＣ，加減速時間４　Ｑ　ｍ５ｅｃとすると
、ｎ　＝４０／８＝５で、４個の遅延ユニット２−＋で
構成され、第７図＜ａ　）（ｂ　）に示すような入出力
関係となる。すなわち、第１回のサンプリング時では、
Ｐａ＝１００．Ｘ＋　〜Ｘ４−０　　であるから、Ｐｂ　−＜ｐａ　＋Ｘ＋　↓Ｘ２　↓Ｘ３　＋Ｘ４　）
　／ｎ−１００／　５　＝　２０第２回目のサンプリング時は、Ｐａ＝１００．Ｘ＋＝１００．Ｘ２〜Ｘ４＝０であるか
ら、Ｐｂ　＝　（１００−１００）　、／　５　＝　４．０
同様に、第３回目のサンプリング時には、Ｐｂ＝６０．
第４回目はＰｂ＝８０、第５回目ではＰｂ＝１００とな
り、直線的に増加し、以後、出力Ｐｂは、指令値ｐａの
饋１００を続（プ、入力ｐａが第７図ａのようにＯにな
ると、同様に直線的に減少するものである。

以上のようにして、直線形加減速部３は構成されるもの
である。

次に、高次のテジタルローパスフィルタ４について述べ
る。前にも述べたように、１次要素及び２次要素の組合
わせによって作ることができる。

そこで、１次のフィルタの伝達関係は、第（１）式、第
（３）式に示すように、Ｈ（Ｓ）　−ＢＷｏ　／　（Ｓ＋ＢＷｏ　）と表わされ
、これをＺ変換して得られるパルス伝達関数Ｈ（Ｚ）＝
Ｇ／　（１−に−Ｚ−’　）のブロック線図が第８図で
ある。

なお、第８図中、１２は乗算手段、１３はｈ１算手段、
Ｚ−１は１サンプリング周期下だけ遅延する遅延ユニツ
１〜、ＫとＧは次式で示される値である。

−８Ｗ　ｏ　ＴＫ＝　　６Ｇ＝　１−Ｋ（但し、Ｂはフィルタの係数、Ｗｏはフィルタのカット
オフ周波数ｔｏに対応する角速度、すなわちＷｏ＝２π
　ｆｏである。）ソコで、このブロック線図に示す処理をサンプリング周
期Ｔ＠に行えば、１次のデジタルフィル夕が得られる。

すなわち、Ｙ＋　＝Ｙｏ　　（１つ前のサンプリング時のＹＯの値
をＹｌとする。）Ｙｏ　＝Ｇ−Ｘ十に−Ｙ＋なる処理を行い、Ｙｏを求めれば、１次のフィルタの出
力か得られる。

同様に、第（２）式で表わされる２次の伝達関数ト１（
Ｓ）の７変換後のパルス化）ヱＩ’！Ｊ故Ｈ（Ｚ）−Ｇ
／（’ｌ−に−Ｚ−１−Ｌ・７−２）のブロック線図は
第９図で表わされる。このブロック線図に従い、ザンブ
リング周期下毎に次の処理を行い、出力　Ｙｏを求めれ
ば、２次のデジタルフィルタが１ｑられる。

Ｙ２＝ＹＩ（１つ前のサンブリンク時のＹｌの値をＹ２
とする）Ｙ＋　＝Ｙｏ　　（１つ前の→ノンブリング時のＹＯの
値をＹｌとする）Ｙｏ　＝Ｇ−Ｘ＋に−Ｙ＋　十Ｌ−Ｙ２ＡＶ、ＴＡ　Ｗ　ｏ　　Ｔ　　Ｑ「−−〇Ｇ＝　１−に−Ｌ　　　　　　　　である。

上記第８図及び第９図のブロック線図を次数に合わせて
直列に組合わせれば、第（３）式、第（４）式で示す３
次、４次のデジタルローパスフィルタか得られ、さらに
高次のものは、さらに結合させればよいことになる。

例えば、３次のフィルタの場合は、第１０図に示すよう
に、第８図の出力を第９図の入力に結合したものであり
、このときの処理は、１次の処理と２次の処理を続けて
行ったものとなる。すなわち、Ｙ＋　＝Ｙ。

Ｙｏ　−Ｇ＋　　・Ｘ＋に＋　　・Ｙ＋Ｚ２　＝Ｚ＋Ｚ＋　　＝Ｚ。

Ｚｏ　−０２・Ｙｏ　工に２　・　Ｚｌ　＋Ｌ２　・Ｚ
２上記処理を行い、７ｏを求めれば、３次のデジルフィ
ルタの出力が１ワられる。

なお、ヘラセル形フィルタにおける上記諸係故Ｑ、Ａ、
Ｂ、の）票準的な値は、次のような値である。

２次のフィルタの場合Ｑ−〇、５７７４、Ａ＝１．７３２３次のフィルタの場合Ｑ　−〇　　　　６９１　１　、　　、へ　−２５４２
Ｂ＝２．３２２４次のフィルタの場合ＱＴ　　　＝０．　　５２１９　　、　　ハ、　１　−
３　、　０２３Ｑ　２　−０．８０５５　　、　　、へ
　２　　””３．　　３８９そこて、上紀諸係数Ｑ、Ａ
、Ｂの値、特に係数Ｑの値を変えることにより、ステッ
プ入力に対してオーバーシュートを弁才じないフィルタ
を１与ることができる。

次に、第４図で示す直線形加減速部３の後にローパスフ
ィルタ４を結合したときの実施例について説明する。す
なわち、第６図で示す直線形加減速制御を行い、その後
、第１０図で示す３次のローパスフィルタを通してサー
ボモータの加減速制御をマイクロプロセッサ−等を用い
て行う場合の処理について、第１１図のフローを参照し
ながら説明する。

まず、上記ベッセル形フィルタの３次のＱ、Ａ。

Ｂの係数値と、フィルタのカットオフ周波数ｆｏ、サン
プリング周期Ｔ及び加速、減速を開始してから設定値に
なるまでの時間τを設定することにより、諸係数にフ、
Ｇ＋　、に２．Ｌ２．Ｇ２及びｎ　（−τ／Ｔ）は求め
られる。この値をロボットや工作機械を制御するマイク
ロプロセッサ−に入力する。（なお、上記諸係数に＋　
、Ｇ＋　、に２　。

Ｌ２　、Ｇ２はマイクロプロセッサ−で計算するように
してもよい。）次に、第７１図で示す処理をサンプリン
グ周期下角に行う。

補間手段によって算出された各軸に対する位置指令値Ｐ
ａがサンプリング周期Ｔ毎に直線形加減連部３に入力さ
れると、第６図及び第（５）式で示される処理が行われ
る。すなわち、入力値Ｐａとメモリに記憶されている各
×１〜Ｘｎ−＋の値を加算し、ｎで除す。こうして求め
られたｐｂのｔａ　ｔａ　、メモリにＬ己憶されると共
（こ、×１〜Ｘ１ｌ−１のメモリはシフトされ、Ｘｎ−
＋のメモリ部にはＸ１１−２の（直、Ｘｎ−２のメモリ
部にはＸｎ−３の値・・・・・・・×２のメモリ部には
×１の値、Ｘｌのメモリ部には入力Ｐａの値か記憶され
ている。上記処理Ｆ１が直線形相減速処理である。

次に、３次のローパスフィルタの処理を行うが、まず、
Ｙｌのメモリ部へＹｏのメモリ部の記憶値をシフトさせ
、次に、直線形相減速処理Ｆ１て得られたＰｂの値と、
上記Ｙ１の値よりＹｏ　＝Ｇ＋　　・Ｐｂ　＋に＋　　・Ｙ＋なる演算を
行い、得られたＹｏの値をメモリ部へ記憶する。そして
、Ｚ２．Ｚ＋のメモリ部の値をＺ＋　、Ｚｏのメモリ部
に記憶されている値に書き変える。次に、次の処理を行
い、ＩＦｉられたＺ。

の値を記憶する。

Ｚｏ　＝Ｇ２・ＹＯ＋に２　・Ｚ＋工Ｌ２・Ｚ２最後に
、７ｏのメモリ部に記憶されている値を出力Ｐｃとして
出力する。

上記Ｆ＋　、Ｆ２の処理をタイミング周期毎に行えば、
第５図（ａ　）　　（ｂ　）　　（Ｃ）に示すように、
入力Ｐａに対し直線形加減連部３の出力Ｐｂの出力は第
５図（ｂ）のようになり、ローパスフィルタ４の出力ｐ
ｃは、第５図（Ｃ）に示すような、滑らかな曲線の波形
となり、この出力ｐｃがサーボ制御部６に入力されるか
ら、サーボ制御部６や４ノ一ボモータＭ等の負荷系にシ
ョックを与えることな（、応答の早い加減速制御を行う
ことができるものである。

なお、上記第１１図のフローで示した実施例は、直線形
相減速処理Ｆ１を行った後にローパスフィルタの処理Ｅ
２を行う第４図で示すような方式の加減速制御方式であ
るが、ローパスフィルタのみで加減速制御部を構成する
加減速制御方式では、第１１図のＦ２の処理のみを行え
ばよい。なお、この場合は、Ｐｂ＝Ｐａ　　となる。

以上述へたように、本発明は、高次のローパスフィルタ
を用いて高周波成分をカットし、かつ応答が早いので、
サーボ制御系やその負荷系にショックを与えることなく
、かつ、正確な制御を行うことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、サーボモータの力０減速制御力式のブロック
線図、第２図は、従来の指故関数形＋ＪＯ減速制御方式
における加減速制御部の入出力波形を示す。第３同は、
加減速制御部に高次のローパスフィルタを使用したとき
の入出力波形、第４図は、直線形加減速制御を行い、か
つ、高次のローパスフィルタを使用したときの本発明の
一実施例のブロック線図、第５図は、第４図の各ブロッ
クに対する入出力波形、第６図は、直線形加減速制御方
式のブロック図、第７図は、第６図における入出力の波
形、第８図は、１次のデジタルフィルタのブロック図、
第９図は、２次のデジタルフィルタのブロック図、第１
０図は、３次のデジタルフィルタのブロック図、第１１
図は、直線形加減速制御部に３次のデジタルフィルタを
結合した本発明の一実施例の処理フローである。１．５・・・加減速制御部、２，６川サ一ボ制御部、３
・・・直線形加減連部、４・・・ローパスフィルタ、Ｍ
・・・サーボモータ、Ｆｌ・・・直線形加減速制御フロ
ー、「２・・・３次のデジタルフィルタ処理フロー。特許出願人ファナック　株式会社〈ほか１名）

Claims

【特許請求の範囲】（１）サーボモータの加減速制御方式において、位置の
指令を２次以上のローパスフィルタに通すことによりサ
ーボモータの加減速制御を行うことを特徴とする加減速
制御方式。（２）上記ローパスフィルタは、ベッセル形フィルタで
構成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
加減速制御方式。・（３）サーボモータの加減速制御方式において、位置
の指令に対し、直線形加減速制御を行った後、２次以上
のローパスフィルタを通すことによりサーボモータの加
減速制御を行うことを特徴とする加減速制御方式。（４）上記ローパスフィルタはベッセル形フィルタで構
成されていることを特徴とする特許請求の範囲第３項記
載の加減速制御方式。