(57)【要約】    【課題】  安価で簡単な低速通信を使って段差なく滑らかな制御を実現でき、高速通信の場合と同等以上の制御性能を発揮できるモーション制御用指令システムを提供すること。    【解決手段】  モーション制御用指令システム１は、マスター制御装置２からその受信先装置であるスレーブ制御装置４に制御指令データＣＤを伝達するためのマスター制御装置２搭載のデータ送信手段３と、スレーブ制御装置４搭載のデータ受信手段５と、両制御装置２、４を結ぶデータ伝送経路８とからなり、制御指令データＣＤと同時にその処理に要すべき時間のデータ、つまり制御指令更新周期データＴＤも通信されるように形成されたシステムである。補間周期データＴＤはマスター制御装置２においてその都度生成され、制御指令データＣＤと一緒にスレーブ制御装置４側に送信される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御指令の送信元装置であるマスター制御装置からその受信先装置であるスレーブ制御装置に制御指令データを伝達するための、マスター制御装置に搭載されたデータ送信手段と、
スレーブ制御装置に搭載されたデータ受信手段と、
該マスター制御装置と該スレーブ制御装置とを結ぶデータ伝送経路とからなるモーション制御用指令システムであって、
制御指令データと同時に該制御指令データの処理に要すべき時間のデータであるところの補間周期データも通信されることを特徴とする、モーション制御用指令システム。
【請求項２】
制御指令の送信元装置であるマスター制御装置からその受信先装置であるスレーブ制御装置に制御指令データを伝達するための、マスター制御装置に搭載されたデータ送信手段と、
スレーブ制御装置に搭載されたデータ受信手段と、
該マスター制御装置と該スレーブ制御装置とを結ぶデータ伝送経路とからなるモーション制御用指令システムであって、
ネットワークプロトコルとして通信周期可変のものを用い、
制御指令データと同時に該制御指令データの処理に要すべき時間のデータであるところの補間周期データも通信されることを特徴とする、モーション制御用指令システム。
【請求項３】
前記スレーブ制御装置内部には、前記制御指令データ更新の周期であるところの制御指令更新周期よりも短周期のスレーブ側制御周期があり、該スレーブ制御装置においては、受信した前記補間周期データが該スレーブ側制御周期に分割する処理であるところの補間計算処理がなされることを特徴とする、請求項１または２に記載のモーション制御用指令システム。
【請求項４】
前記制御指令更新周期は前記スレーブ側制御周期の整数倍であることを特徴とする、請求項３に記載のモーション制御用指令システム。
【請求項５】
通常は、前記制御指令データと一定の値である補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、前記スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る前記補間計算処理が実行され、
一方、モーション制御において制御指令データが所定の変化を伴う際は、該制御指令データと、該制御指令データおよびプログラムされた速度に基づいて生成される、特別に変更された補間周期データであるところの調整用補間周期データとが、
前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、該スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る該補間計算処理が実行されることを特徴とする、請求項２ないし４のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【請求項６】
通常は、前記制御指令データと一定の値である補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、前記スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る前記補間計算処理が実行され、
一方、モーション制御において制御指令データが所定の変化を伴う際は、該制御指令データと、該制御指令データに係る目標量に対する残り量をプログラムされた速度で除して算出される、特別に変更された補間周期データであるところの調整用補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、該スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る該補間計算処理が実行されることを特徴とする、請求項２ないし４のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【請求項７】
通常は、前記制御指令データと一定の値である補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、前記スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る前記補間計算処理が実行され、
一方、モーション制御において制御指令データが所定の変化を伴う際は、該制御指令データと、該制御指令データに係る目標量に対する残り量をプログラムされた速度で除して算出される時間、ならびにその直前の補間周期とを合わせて生成される調整用補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、該スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る該補間計算処理が実行されることを特徴とする、請求項２ないし４のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【請求項８】
前記制御指令データが所定の変化を伴う場合とは、前回の制御指令データに係る目標量と今回の制御指令データに係る目標量との間でそれぞれの目標量の変化量（微分成分）が変化する場合であることを特徴とする、請求項５ないし７のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【請求項９】
前記制御指令に係る制御は、位置制御、速度制御または電流制御のいずれかであることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【請求項１０】
前記制御指令に係る制御は位置制御であり、前記目標量は目標位置であって、これは下記〈Ｉ〉または〈ＩＩ〉のいずれかであることを特徴とする、請求項８に記載のモーション制御用指令システム。
〈Ｉ〉モーション制御における途中の目標位置のうち減速せずに次の移動を開始する位置（以下、この位置のことを「パスポイント」という。）。
〈ＩＩ〉速度変化、すなわち減速または加速のなされる位置。
【請求項１１】
前記データ送信手段は送信用ＬＳＩであり、前記データ受信手段は受信用ＬＳＩであり、いずれのＬＳＩも、前記制御指令データ記憶用のレジスタと前記補間周期データ記憶用のレジスタとを備えて構成されることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【請求項１２】
前記ネットワークプロトコルとしてＣＡＮ（Ｃｏｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）を用いることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【請求項１３】
請求項２ないし４のいずれかに記載のモーション制御用指令システムにより実行されるモーション制御用指令方法であって、
通常は、前記制御指令データと一定の値である補間周期データとが、
前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、前記スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る前記補間計算処理が実行され、
一方、モーション制御において制御指令データが所定の変化を伴う際は、該制御指令データと、該制御指令データおよびプログラムされた速度に基づいて生成される、特別に変更された補間周期データであるところの調整用補間周期データとが、
前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、該スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る該補間計算処理が実行されることを特徴とする、モーション制御用指令方法。
【請求項１４】
請求項１ないし１２のいずれかに記載のモーション制御用指令システムと、マスター制御装置と、およびスレーブ制御装置とによるモーション制御システムであって、該スレーブ制御装置は、前記制御指令データとともに記憶された前記補間周期データに従って、所定の演算処理を行うことを特徴とする、モーション制御システム。
【請求項１５】
請求項１ないし１２のいずれかに記載のモーション制御用指令システムと、マスター制御装置と、およびスレーブ制御装置とによるモーション制御システムであって、該スレーブ制御装置は、前記制御指令データとともに前記データ受信手段に記憶された前記補間周期データに従って、所定の演算処理を行い、その結果、該マスター制御装置と該スレーブ制御装置間における通信周期も変更され得ることを特徴とする、モーション制御システム。
【請求項１６】
前記マスター制御装置はモータコントローラであり、前記スレーブ制御装置はサーボドライバであることを特徴とする、請求項１４または１５に記載のモーション制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモーション制御用指令システム、モーション制御用指令方法およびモーション制御システムに係り、特に、各種モータドライバ、位置決めユニット、コントローラなど、モータ制御を行うアクチュエータに使用される装置のうち、通信により制御指令が伝達される方式を採る装置において用いられる、新規なるモーション制御用指令システム、モーション制御用指令方法およびモーション制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのモーション制御システムでは、複数の制御装置が存在し、これらは互いに通信し合うように構成されている。その理由は、モーション制御のためには非常に高いリアルタイム性が要求される処理があり、ＣＰＵ性能に余裕がないため、あるいはＣＰＵ性能に余裕があるならばそれを制御性能を高めることに使いたいためである。具体例としては、ロボットコントローラとサーボドライバが挙げられる。
【０００３】
ロボットコントローラは、オペレータやプログラマと呼ばれる人間からの指令に従ってロボットのハンド部やその先のツール先端の位置や姿勢を制御する。現在の位置や姿勢と、目標とする位置や姿勢と、さらに直線補間や円弧補間のような動かし方の指定、及び速度や加速度を決定するパラメータ等々に基づき、途中の軌跡上も含めて、ロボットのハンド部やツール先端の位置姿勢を決定する。これを補間計算と称する。また同時にロボットコントローラは、ツール先端の位置と姿勢からロボットアームの各ジョイントの角度を計算する。これは、各ジョイントの角度からツール先端の位置と姿勢を求める機構学計算の逆に当り、通常多くの演算を必要とする。
【０００４】
このようにしてロボットコントローラが算出した各ジョイントの角度は、減速機のギア比とエンコーダの分解能によって定まるパルスレートを乗じてサーボモータのパルス単位での回転量に換算される。このパルス単位での指令が、補間周期あるいは位置指令更新周期と呼ばれる短い時間間隔で、周期的に、ロボットコントローラからサーボドライバに伝達される。サーボドライバは、与えられた毎回異なるパルス単位の指令位置にサーボモータを位置決めさせようとする。そのために、毎回モータに着けられたエンコーダからのパルス入力をカウントして現在位置を取得し、指令位置と現在位置を比較して位置偏差を求め、位置偏差を小さくするようにモータへの電流指令を出力する。
【０００５】
このような多くの処理を、補間周期ごとに毎回繰り返す必要があり、ロボットコントローラとサーボドライバを分けて、別々のＣＰＵで処理させることで負荷の分散を図る必要がある。したがって、ロボットコントローラとサーボドライバの間の通信が重要となる。伝達しなければならないデータは、補間周期ごとの指令位置である。
【０００６】
モーション制御システムに適用されるネットワークシステムでは、補間周期ごとの指令位置を確実に伝達することが最重要の目的であるため、一般に普及しているＴＣＰ／ＩＰのようなプロトコルでなく、たとえばＳＥＲＣＯＳのような、独自のプロトコルを使うことが多い。これにより通信のリアルタイム性が保証されるが、結果的に通信周期は固定されることとなる。
【０００７】
このように従来のモーション制御システムにおいては、通信ネットワークにより位置決めを行う場合、コントローラ等の位置決めユニットすなわちマスター制御装置がモータドライバ等すなわちスレーブ制御装置に対して逐次目標位置を送信し、スレーブ制御装置はその目標位置に追従するように位置制御を行っている。そして従来、位置制御の軌跡を段差なく滑らかにするために、通信スピードを可能な限り高速化し、制御指令を与える周期を速くすることにより対応している。なお、通信スピードの高速化という手法は、位置制御以外の速度制御、電流制御でも同様に用いられている。
【０００８】
図７は、従来の制御用指令方式を示す説明図であり、通信による指令周期が遅い方式の場合を示す。図は、モータコントローラ等マスター制御装置により生成・送信される位置指令更新周期を２ｍＳ、サーボドライバ等スレーブ制御装置における位置制御周期を８００μＳとして、一直線状の直線移動を位置制御指令する場合を示している。このように、通信による位置・速度・電流制御において、実際にモータ制御を行うスレーブ側の位置制御周期に対して指令を与えるマスター側の位置指令更新周期が極端に遅い場合は、同じ値の指令で制御する回数が多くなり、目標とする指令軌跡が一直線状の直線移動であるのに対して実際のモータの動きには段差ができ、かつ段差の間隔も一定ではない動作となってしまい、滑らかな制御ができなくなる。結局、スレーブ制御装置における位置制御周期に対してマスター制御装置の指令つまり位置指令更新周期が遅いため、モーション制御の制御性が悪くなってしまう。
【０００９】
また図８は、従来の制御用指令方式を示す説明図であり、通信による指令周期を速くした方式の場合を示す。図は、モータコントローラ等マスター制御装置により生成・送信される位置指令更新周期を２００μＳ、サーボドライバ等スレーブ制御装置における位置制御周期を８００μＳとして、一直線状の直線移動を位置制御指令する場合を示している。目標とする指令軌跡が一直線状の直線移動であるのに対して実際のモータの動きも同様となるよう制御されている。このように従来は、マスター側における位置指令更新周期を高速化することによって、図７により説明した問題を解決している。
【００１０】
なお、後掲特許文献１に開示されている技術は、モーション制御技術分野で従来開示されているものの一つである。その内容は、複数のモーション制御指令を一括してサーボドライバに送信でき、かつ指令の急激な変化にも対応できる制御システムの提供を目的として、位置指令を生成するモーション軌跡生成部、フィードフォワード指令演算部、サーボシミュレーション部および第１の通信部とを備えたモーションコントローラと、第２の通信部およびサーボ制御部とを備えたサーボアンプとからなるシステムにおいて、位置指令・フィードフォワード位置指令・フィードフォワード速度指令・フィードフォワードトルク指令を含むデータを同期して通信可能な構成としたものである。本願発明が課題とするところは後述するが、かかる本願発明の課題を掲げた先行技術は従来、存在が認められない。したがって特許文献１に係る技術は、あくまでもモーション制御技術分野における従来技術の一例である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−２２７７１７号公報「モーション制御システムとその制御方法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように従来技術では、制御の軌跡を滑らかにするために、高速な通信スピードを採用する必要があったが、高速通信を行うには、外部ノイズによる影響の考慮が避けられない。また高速通信方式においては、制御ソフトウェアも高速化・複雑化が要求されることから、実現するためには高価な電子回路が必要となり、製品価格上昇、開発期間や開発コストの上昇も避けられない。
さらに、いくら通信の高速化を行ったとしても、制御の軌跡によっては、どうしても段差なく制御することができない場合もある。
【００１３】
図９Ａ、図９Ｂは、従来の制御用指令方式を示す説明図であり、通信による指令周期を速くした方式であっても制御に誤差が発生する場合があることを示すものである。前者は指令された位置制御の全体を示し、後者は制御に誤差が発生する状況を示している。図８同様、モータコントローラ等マスター制御装置により生成・送信される位置指令更新周期を２００μＳ、サーボドライバ等スレーブ制御装置における位置制御周期を８００μＳとして、台形加減速動作を位置制御指令する場合を示している。これらに図示するように、速度が切り替わる瞬間前後の状況を詳細に見ると、理想的な位置軌跡・速度軌跡に対して実際の軌跡にはズレ、ないしは段差が生じている。このように従来の指令方式では、通信を高速化しても、局所的には理想通りの制御ができない場合が発生する。
【００１４】
かかる従来の方式では、ズレもしくは段差のない制御を行うことができない問題について、例を挙げてさらに詳述する（以下、「ズレもしくは段差のない制御」を原則として「段差のない制御」とする。）。すなわち、自動運転モードのように連続的に複数の目標とする位置姿勢が与えられるような制御における、途中の目標位置での速度変動の場合である。途中の目標位置で一旦減速停止し、位置決めが完了してから次の移動を開始する場合には問題ないが、減速せずに次の移動を開始する、パスポイントと称される場合に問題がある。
【００１５】
たとえば塗装ロボットや溶接ロボットの場合、一定の速度で一定の軌跡上を移動しながら、移動の途中のある特定のポイントでハンド部の先のツールのような外部装置を制御する信号を出力するような用途で、パスポイントを使用することがある。もし、パスポイントで速度変動が起こるとワークに欠陥が生じることとなるため、パスポイントにおける速度変動をなくす必要がある。
【００１６】
速度変動が起こる原因の一つとして、端数の存在が挙げられる。つまり、ある目標位置から別の目標位置へと移動する際、指定された一定の速度で動くと仮定すれば、移動に要する時間は距離を速度で除算すれば求められる。しかし指令位置は、補間周期ごとにしか与えることができない。したがって移動に要する時間も、補間周期を単位とした回数で計算しなければ正しくない。言い換えれば、整数として計算するべきである。しかし、距離と速度が実数値として与えられていても、あるいはさらに整数値として与えられていても、距離を速度で除した時間は、一般には整数とはならず、端数が存在することとなる。
【００１７】
これは、移動時間が補間周期単位の回数で計算される限り、移動速度が一定値でなく曲線グラフを有する関数で与えられるような場合、さらには移動速度に対して速度オーバーライドがかかるために途中で変化する場合等であっても同様である。要するに、補間周期ごとに指令位置を算出して行き、最後に目標位置を指令位置とする時に、補間周期で残りの距離を除して計算される速度には必然的に誤差が含まれることとなり、この計算上の速度の誤差が、速度変動の原因となるのである。
【００１８】
図１０は、従来の方式において端数による速度変動が生じる状況を説明する概念的グラフである。破線はプログラムされた速度変化のグラフであり、制御開始の静止状態から直線的に加速し、その後一定速度で移動し、ついで直線的に減速して静止するようにプログラムされていることが示されている。また、棒グラフは補間計算の結果得られた指令位置とそこに達するまでの時間を示し、各々の棒グラフ（長方形）の面積が各回における移動距離を意味する。各時間における棒グラフの面積の累積値が、その時間におけるプログラム直線の軌跡の積分値と同一であれば、制御はプログラム通りになされているということになる。
【００１９】
しかし補間周期は一定値に固定されているため、目標位置Ｐ２、Ｐ３等における長方形の面積を、プログラム直線の軌跡の積分値に対応させてプログラムされた位置に合わせるためには、補間周期ごとに速度を変化させることになる。そのような指令位置を与えられれば、スレーブ制御装置であるサーボドライバ等でも当然ながら、アクチュエータの速度を変動させることになってしまう。結局、図示する通り、破線で示される本来プログラムされた速度変化に対し、実際には実線で示した折れ線のような速度変化が指示されてしまうことになる。
【００２０】
かかる問題の解決方法として従来検討され、または実施された手法は次の通りである。
〈ア〉補間周期を短くすることによって、誤差の絶対値を小さくすること。
すなわち、補間周期ごとの指令位置の間の距離を小さくすることにより、最後に目標位置を指令位置とする時の残りの距離自体を小さくするという手法である。しかし、補間周期で残りの距離を除して計算される速度は分母も小さくなるために結果的に小さくならず、本質的解決とはならない。
【００２１】
〈イ〉補間周期当りの指令位置の差分量に変化があったとして、実際のアクチュエータの速度変動を小さくするための手法として、フィルタによって平滑化すること。
モーション制御では、最終的な目標位置に正確に位置決めすることが求められるので、平滑化のためのフィルタとしては、インパルスを入力したときの出力信号が有限時間で収束するＦＩＲフィルタが好ましい。その特殊な場合として、一定期間の入力信号の履歴を取り、その平均値を出力信号とすることができる。一般に、補間周期すなわち通信周期はサーボ周期よりも長い。したがって、スレーブ制御装置であるサーボドライバの内部で、補間周期ごとに与えられる指令位置をさらに細かい周期で補間し直すことが普通である。ＦＩＲフィルタ等による平滑化処理も、この段階で同時に実施することができる。
【００２２】
しかし、フィルタによって平滑化することで、実際のアクチュエータの速度変動を小さくすることはできるが、代わりに、指令に対する遅れが大きくなる。本来のサーボ遅れに加えて指令位置にもフィルタによる遅れが加わるからである。これは、たとえば円弧補間を行う場合に、プログラムされた軌跡よりも内側を回ってしまうような、位置と姿勢の誤差につながるため、好ましくない面を有する。
【００２３】
〈ウ〉予め目標位置での残り距離を計算しておいて、それを開始位置から目標位置までの各補間周期での指令位置に補正量として加算しておく手法。
このようにすることで、プログラムされた移動よりも若干速いスピードで移動することになるが、その誤差は、目標位置に達する回に一度につじつまを合わせる場合より小さくなる。そして、目標位置に達する回では、ほぼ正確に目標位置に達して誤差を生じなくなる。なお、ここでは補正量を減算する形でも可能である。
【００２４】
しかしこの手法では、動き出してからの移動速度の変更要求に応えるのが困難である。すなわち、予め、目標位置までプログラムされた速度で移動した場合の補間計算の結果としての目標位置での残り距離を知っていなければならないため、実際に移動を開始してから速度を変更しようとすれば、再度計算し直さなければならず、結局コストは高くなる。また、ロボットのティ−チング作業は多くの時間を要し、その間に何度もテスト運転を行う。そのような場合には安全のために、速度オーバライドの機能を使って自動運転時よりも低速度で移動させるが、その反面、ティ−チング作業時間短縮のため、高速で動かせるところは少しでも速く動かすために速度オーバライドの設定を高めに変更したいという要請もある。動き出してからの移動速度の変更要求に応えられなければ、このようなオペレータの要求を満足させることができない。
【００２５】
以上、従来の方式ではズレもしくは段差のない制御を行うことができない問題について詳述した。つまり従来の高速通信による制御では、いくら通信の高速化を図っても、段差のない制御を完全に実現することはできない。また上述のように、高速化による外部ノイズによる影響や、制御ソフトウェアの高速化・複雑化に伴う製品価格上昇、開発期間の長期化、さらに開発コストの上昇も避けられない。
【００２６】
したがって本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点を除き、通信速度の高速化やシステムの複雑化に頼ることなく、安価で簡単な低速通信を使って段差なく滑らかな制御を実現でき、高速通信の場合と同等以上の制御性能を発揮できる、さらには製品価格・開発コストの低減や開発期間の短縮を実現できる、モーション制御用指令システム、モーション制御用指令方法およびモーション制御システムを提供することである。また本発明の課題は、多用されている低速なネットワーク通信プロトコルを用いる構成であっても、信頼性を備えたものである限り高度なモータ制御を行うことを可能とする、モーション制御用指令システム、モーション制御用指令方法およびモーション制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本願発明者は上記課題について検討した結果、マスター制御装置に搭載されたデータ送信手段、スレーブ制御装置に搭載されたデータ受信手段およびこれらを結ぶデータ伝送経路を、指令位置データと同時に補間周期データをも扱うことができる通信手段とし、スレーブ制御装置は指令位置と同時に伝達された補間周期に従って内部の処理を実行するという指令システムを構築することによって上記課題が解決可能であることを見出し、本発明に至った。すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。
【００２８】
（１）  制御指令の送信元装置であるマスター制御装置からその受信先装置であるスレーブ制御装置に制御指令データを伝達するための、マスター制御装置に搭載されたデータ送信手段と、
スレーブ制御装置に搭載されたデータ受信手段と、
該マスター制御装置と該スレーブ制御装置とを結ぶデータ伝送経路とからなるモーション制御用指令システムであって、
制御指令データと同時に該制御指令データの処理に要すべき時間のデータであるところの補間周期データも通信されることを特徴とする、モーション制御用指令システム。
（２）  制御指令の送信元装置であるマスター制御装置からその受信先装置であるスレーブ制御装置に制御指令データを伝達するための、マスター制御装置に搭載されたデータ送信手段と、
スレーブ制御装置に搭載されたデータ受信手段と、
該マスター制御装置と該スレーブ制御装置とを結ぶデータ伝送経路とからなるモーション制御用指令システムであって、
ネットワークプロトコルとして通信周期可変のものを用い、
制御指令データと同時に該制御指令データの処理に要すべき時間のデータであるところの補間周期データも通信されることを特徴とする、モーション制御用指令システム。
（３）  前記スレーブ制御装置内部には、前記制御指令データ更新の周期であるところの制御指令更新周期よりも短周期のスレーブ側制御周期があり、該スレーブ制御装置においては、受信した前記補間周期データが該スレーブ側制御周期に分割する処理であるところの補間計算処理がなされることを特徴とする、（１）または（２）に記載のモーション制御用指令システム。
なおここで「制御指令更新周期」とは、これまでの「補間周期」と同義であり、以下、いずれの用語をも用いる。
（４）  前記制御指令更新周期は前記スレーブ側制御周期の整数倍であることを特徴とする、（３）に記載のモーション制御用指令システム。
【００２９】
（５）  通常は、前記制御指令データと一定の値である補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、前記スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る前記補間計算処理が実行され、
一方、モーション制御において制御指令データが所定の変化を伴う際は、該制御指令データと、該制御指令データおよびプログラムされた速度に基づいて生成される、特別に変更された補間周期データであるところの調整用補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、該スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る該補間計算処理が実行されることを特徴とする、（２）ないし（４）のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【００３０】
（６）  通常は、前記制御指令データと一定の値である補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、前記スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る前記補間計算処理が実行され、
一方、モーション制御において制御指令データが所定の変化を伴う際は、該制御指令データと、該制御指令データに係る目標量に対する残り量をプログラムされた速度で除して算出される、特別に変更された補間周期データであるところの調整用補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、該スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る該補間計算処理が実行されることを特徴とする、（２）ないし（４）のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【００３１】
（７）  通常は、前記制御指令データと一定の値である補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、前記スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る前記補間計算処理が実行され、
一方、モーション制御において制御指令データが所定の変化を伴う際は、該制御指令データと、該制御指令データに係る目標量に対する残り量をプログラムされた速度で除して算出される時間、ならびにその直前の補間周期とを合わせて生成される調整用補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、該スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る該補間計算処理が実行されることを特徴とする、（２）ないし（４）のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【００３２】
（８）  前記制御指令データが所定の変化を伴う場合とは、前回の制御指令データに係る目標量と今回の制御指令データに係る目標量との間でそれぞれの目標量の変化量（微分成分）が変化する場合であることを特徴とする、（５）ないし（７）のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
（９）  前記制御指令に係る制御は、位置制御、速度制御または電流制御のいずれかであることを特徴とする、（１）ないし（８）のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
（１０）  前記制御指令に係る制御は位置制御であり、前記目標量は目標位置であって、これは下記〈Ｉ〉または〈ＩＩ〉のいずれかであることを特徴とする、（８）に記載のモーション制御用指令システム。
〈Ｉ〉モーション制御における途中の目標位置のうち減速せずに次の移動を開始する位置（以下、この位置のことを「パスポイント」という。）。
〈ＩＩ〉速度変化、すなわち減速または加速のなされる位置。
【００３３】
（１１）  前記データ送信手段は送信用ＬＳＩであり、前記データ受信手段は受信用ＬＳＩであり、いずれのＬＳＩも、前記制御指令データ記憶用のレジスタと前記補間周期データ記憶用のレジスタとを備えて構成されることを特徴とする、（１）ないし（１０）のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
（１２）  前記ネットワークプロトコルとしてＣＡＮ（Ｃｏｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）を用いることを特徴とする、（１）ないし（１１）のいずれかに記載のモーション制御用指令システム。
【００３４】
（１３）  （２）ないし（４）のいずれかに記載のモーション制御用指令システムにより実行されるモーション制御用指令方法であって、
通常は、前記制御指令データと一定の値である補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、前記スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る前記補間計算処理が実行され、
一方モーション制御において制御指令データが所定の変化を伴う際は、該制御指令データと、該制御指令データおよびプログラムされた速度に基づいて生成される、特別に変更された補間周期データであるところの調整用補間周期データとが、前記データ送信手段から前記データ受信手段に送信されて、該スレーブ制御装置においては受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る該補間計算処理が実行されることを特徴とする、モーション制御用指令方法。
（１４）  （１）ないし（１２）のいずれかに記載のモーション制御用指令システムと、マスター制御装置と、およびスレーブ制御装置とによるモーション制御システムであって、該スレーブ制御装置は、前記制御指令データとともに記憶された前記補間周期データに従って、所定の演算処理を行うことを特徴とする、モーション制御システム。
【００３５】
（１５）  （１）ないし（１２）のいずれかに記載のモーション制御用指令システムと、マスター制御装置と、およびスレーブ制御装置とによるモーション制御システムであって、該スレーブ制御装置は、前記制御指令データとともに前記データ受信手段に記憶された前記補間周期データに従って、所定の演算処理を行い、その結果、該マスター制御装置と該スレーブ制御装置間における通信周期も変更され得ることを特徴とする、モーション制御システム。
（１６）  前記マスター制御装置はモータコントローラであり、前記スレーブ制御装置はサーボドライバであることを特徴とする、（１４）または（１５）に記載のモーション制御システム。
【発明の効果】
【００３６】
本発明のモーション制御用指令システム、モーション制御用指令方法およびモーション制御システムは上述のように構成されるため、これによれば、従来のような通信速度の高速化や、あるいはシステムの複雑化に頼ることなく、安価で簡単な低速通信を使って、段差なく滑らかなモーション制御を実現することができる。しかも、高速通信の場合と同等以上の制御性能を発揮し、かつ製品価格・開発コストを低減することができる。また、開発期間の短縮も実現できる。
【００３７】
また本発明によれば、多用されている低速なネットワーク通信プロトコルを使用する構成であっても、信頼性を備えたものである限り高度なモータ制御を行うことが可能である。さらにまた本発明では、従来技術のように高速通信を用いる必要がないため、外部ノイズによる影響を考慮しなくてもよい。
【００３８】
なお、上述した、段差のない制御に対応して本発明の効果をさらに述べれば、補間周期が一定値に固定されてなく可変であることにより、端数の存在に起因する速度変動を小さくすることができるため、モーション制御の性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明モーション制御用指令システムの基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明モーション制御用指令システムにおける指令方式を示す説明図である。
【図３Ａ】本発明モーション制御用指令システムにおける指令方式であって、制御指令更新周期が可変であることによる機能を説明する説明図のうち、指令された位置制御の全体を示す図である。
【図３Ｂ】本発明モーション制御用指令システムにおける指令方式であって、制御指令更新周期が可変であることによる機能を説明する説明図のうち、位置指令更新周期が変更された状態を示す図である。
【図４】本発明モーション制御用指令システムによって実質的に実現可能な、理想的な補間計算を示す概念的グラフである。
【図５】本発明モーション制御システムのシステム構成例を示した説明図である。
【図６】本発明モーション制御システムの別の構成例を示す説明図である。
【図７】従来の制御用指令方式を示す説明図であり、通信による指令周期が遅い方式の場合を示す。
【図８】従来の制御用指令方式を示す説明図であり、通信による指令周期を速くした方式の場合を示す。
【図９Ａ】従来の制御用指令方式を示す説明図のうち、指令された位置制御の全体を示す図である。
【図９Ｂ】従来の制御用指令方式を示す説明図のうち、通信による指令周期を速くした方式であっても制御に誤差が発生する場合があることを示すものである。
【図１０】従来の方式において端数による速度変動が生じる状況を説明する概念的グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明モーション制御用指令システムの基本構成を示すブロック図である。図示するように本モーション制御用指令システム１は、制御指令の送信元装置であるマスター制御装置２からその受信先装置であるスレーブ制御装置４に制御指令データＣＤを伝達するための、マスター制御装置２に搭載されたデータ送信手段３と、スレーブ制御装置４に搭載されたデータ受信手段５と、マスター制御装置２とスレーブ制御装置４とを結ぶデータ伝送経路８とからなるシステムであって、制御指令データＣＤと同時にその処理に要すべき時間のデータであるところの制御指令更新周期データ（以下、「補間周期データ」ともいう。）ＴＤも通信されるように形成されたシステムであることを、主たる構成とする。
【００４１】
ここで、補間周期データＴＤは、マスター制御装置２においてその都度生成され、制御指令データＣＤと一緒にスレーブ制御装置４側に送信されるものである。
【００４２】
かかる構成により、本発明モーション制御用指令システム１においては、マスター制御装置２にて生成された制御指令データＣＤが、これに搭載されたデータ送信手段３からデータ伝送経路８を介して、スレーブ制御装置４に対して制御指令データＣＤが送信され、データ受信手段５において受信された制御指令データＣＤはスレーブ制御装置４において処理されるが、制御指令データＣＤが送信される際、同時に、制御指令データＣＤの処理に要すべき時間のデータである補間周期データＴＤも一緒に送信されて、スレーブ制御装置４側において一緒に受信され、所定の処理がなされる。
【００４３】
なお、本システム１において用いられるネットワークプロトコルとしては、通信周期可変の適宜のプロトコルを採用することとする。
【００４４】
本発明モーション制御用指令システムは、モーション制御に関する制御であれば、位置制御、速度制御、あるいは電流制御など、制御一般に適用可能である。もっとも以下の説明では特に、位置制御を主とする。したがって、たとえば「制御指令更新周期」を、位置制御に係る「位置指令更新周期」に替える等する場合があるが、各説明は「速度」や「電流」の制御においても同じ考え方で通用するものである。
【００４５】
図２は、本発明モーション制御用指令システムにおける指令方式を示す説明図である。モータコントローラ等マスター制御装置により生成・送信される制御指令データ更新の周期であるところの制御指令更新周期（以下、「位置指令更新周期」ともいう。）を４ｍＳ、サーボドライバ等スレーブ制御装置におけるスレーブ側制御周期（以下、「位置制御周期」ともいう。）を８００μＳとして、一直線状の直線移動を位置制御指令する場合を示している。なお図では、マスター制御装置としてコントローラ、スレーブ制御装置としてドライバ、また最終的に制御を受ける装置としてモータを想定して記載しているので、以下の説明では、主としてこれらの語に替えて説明する。
【００４６】
図示するように本発明システムでは、モータを制御するドライバ側に位置制御周期を設定しておき、上位のコントローラ側から来る遅い周期である位置指令更新周期による指令を、ドライバ内部の位置制御周期で補間して制御を行い、つまり位置指令更新周期を位置制御周期で分割して処理し、位置指令更新周期が遅くても、段差なく滑らかな理想的な制御が実現される。これにより、位置指令更新周期が非常に遅くても、従来のような高速通信の方式に劣らない制御が可能となる。
【００４７】
つまり、マスター側における位置指令更新周期は４ｍＳという低速であるが、制御指令データと一緒に送信される補間周期データに基づいて、前回指令との偏差が「マスター側からの位置指令更新周期／スレーブ側における位置制御周期」の除算により得られる数に分割されて、各位置制御周期ごとに割り振られる。図では、４ｍＳ／８００μＳ＝５  により、前回指令との偏差が５分割されて補間される。これにより、マスター側からの位置指令更新周期が遅いものであっても、自動的な前回指令との偏差の補間が、スレーブ制御装置の位置制御周期に基づいてなされるため、実際のモータの動きは、指令通りの一直線状の直線運動として得ることができる。
【００４８】
要するに本発明のモーション制御用指令システムは、マスター側の制御指令更新周期よりも短周期のスレーブ側制御周期（位置制御周期）がスレーブ制御装置内部に生成・準備されてあり、スレーブ制御装置では、受信した補間周期データがスレーブ側制御周期に分割される処理、すなわち補間計算処理がなされる、というものである。従来は、マスター側からの補間周期が補間計算処理時間の最小単位となっていたが、本発明のモーション制御用指令システムでは、補間周期より短いスレーブ側のスレーブ側制御周期（位置制御周期）が時間の最小単位になるわけである。
【００４９】
なお、制御指令更新周期（位置指令更新周期）は、スレーブ側制御周期（位置制御周期）の整数倍であることが望ましい。前回指令との偏差は、「マスター側からの制御指令更新周期（位置指令更新周期）／スレーブ側制御周期（位置制御周期）」の除算により得られる数に分割されて、各位置制御周期ごとに割り振られるが、その数が端数のある小数ではなく整数であることが、効率のよい制御実施のためには望ましいからである。
【００５０】
なおさらに、本発明のモーション制御用指令システムでは、マスター側の制御指令更新周期（位置指令更新周期）を個別の指令ごとに変更可能なものとしているため、図９で説明した従来技術の問題、つまり制御上どうしても発生してしまう段差をなくすこともできる。この点について、さらに説明する。
【００５１】
図３Ａ、図３Ｂは、本発明モーション制御用指令システムにおける指令方式であって、制御指令更新周期が可変であることによる機能を説明する説明図である。このうち、前者は指令された位置制御の全体を、また後者は位置指令更新周期が変更された状態を示す図である。モータコントローラ等マスター制御装置により生成・送信される制御指令更新周期（位置指令更新周期）を、通常は４ｍＳ、スレーブ側制御周期（位置制御周期）を８００μＳとして、台形課減速動作を位置制御指令する場合を示している。
【００５２】
制御する速度変化（つまり加速度）に変化がない通常の場合は、制御指令データと一定の値である補間周期データとが、データ送信手段からデータ受信手段に送信されて、スレーブ制御装置においては、受信したこれらのデータに基づいてモーション制御に係る補間計算処理が実行される。
【００５３】
各図、特に図３Ｂでは、速度が切り替わる瞬間前は等速直線運動、また同瞬間後は一定の加速度による減速運動が、位置指令に対応した理想的な速度軌跡として示されている。つまり、同瞬間の直前の時間帯を除きそれより以前の時間帯および同瞬間の後はいずれも、位置指令更新周期が４ｍＳとされ、したがって、スレーブ側制御周期（位置制御周期）が８００μＳであることにより、前回指令との偏差が５分割されて補間される。よって、実際のモータの動き・実際の位置軌跡も、指令通りの一直線状の直線運動つまり理想的な位置軌跡と同一に得られる。
【００５４】
一方、モーション制御において制御指令データが所定の変化を伴う際は、制御指令データと、制御指令データおよびプログラムされた速度に基づいて、マスター制御装置において調整用補間周期データが生成される。これは、特別に変更された補間周期データである。そして、制御指令データおよび調整用補間周期データが、マスター制御装置のデータ送信手段からスレーブ制御装置のデータ受信手段に送信される。これらのデータを受信したスレーブ制御装置においては、それに基づいてモーション制御に係る補間計算処理が実行される。
【００５５】
図３Ｂでは、速度が切り替わる瞬間前後を拡大して示している。この瞬間前後でも、通常は位置指令更新周期が４ｍＳだが、切り替わる瞬間の直前ではこれよりも６０％長い６．４ｍＳとされている。したがって、スレーブ側制御周期（位置制御周期）が８００μＳであることにより、前回指令との偏差が８分割されて補間される。このような変則的な補間がなされることにより、実際のモータの動き・実際の位置軌跡も、指令通りの台形加減速動作、つまり理想的な位置軌跡と同一に得られる。
【００５６】
なお、ここで、調整用補間周期データとは、制御指令データに係る目標量に対する残り量をプログラムされた速度で除して算出される、特別に変更された補間周期データのことである。
【００５７】
また、制御指令データが所定の変化を伴う場合とは、前回の制御指令データに係る目標量と今回の制御指令データに係る目標量との間でそれぞれの目標量の変化量（微分成分）が変化する場合をいう。
【００５８】
以上、図３Ａ、３Ｂによって、本発明モーション制御用指令システムにおける指令方式においては制御指令更新周期が可変であることを説明した。つまり、本発明システムにおいては、前回と今回の指令の変化量（指令の微分成分）が変化する場合に生じる制御的な段差を、補間周期を変更して指令の微分の変化点に合わせる処理によって、解消することができるというものである。本発明モーション制御用指令システムは、上述のように、速度変化すなわち減速または加速のなされる位置を目標位置とする位置制御の際のみならず、モーション制御における途中の目標位置のうち減速せずに次の移動を開始する位置、すなわち「パスポイント」を目標位置とする位置制御の際にも適用できる。以下、この点について詳述する。
【００５９】
通常は、本システム全体で予め決定された補間周期にしたがって補間計算が実行される点は同様である。そして、パスポイントの目標位置を指令位置とする回だけ、マスター制御装置においては、残り距離に応じて距離を時間で除して算出される速度が正しい速度となるような時間が求められ、それが今回だけの変更された補間周期として採用され、データ伝送経路（通信手段）を介して、指令位置すなわち目標位置と同時に今回だけの変更された補間周期として、スレーブ制御装置に伝達される。
【００６０】
なお、伝達される補間周期も、真の実数値ではなくてデジタルデータであるから、離散化誤差は避け得ないが、時間の最小単位が小さくなる分だけ誤差も小さくなる。これによって、端数の存在に起因する速度変動を小さくすることが可能となり、モーション制御の性能を向上できる。
【００６１】
図４は、本発明モーション制御用指令システムによって実質的に実現可能な、理想的な補間計算を示す概念的グラフである。折れ線がプログラムされた速度を示しており、制御開始の静止状態からＰ１までは直線的に加速し、その後Ｐ１からＰ２を通ってＰ３までは一定速度で移動し、ついで直線的に減速してＰ４で静止するようにプログラムされていることが示されている。また、棒グラフは補間計算の結果得られた指令位置とそこに達するまでの時間を示し、各々の棒グラフ（長方形）の面積が各回における移動距離を意味する。各時間における棒グラフの面積の累積値が、その時間におけるプログラム直線の軌跡の積分値と同一であれば、制御はプログラム通りになされているということになる。
【００６２】
図示するように本発明システムでは、制御指令更新周期（位置指令更新周期）すなわち補間周期が可変であることによって、制御位置指令更新周期ごとの速度がプログラムからの変動を生じることなく、目標位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に係る制御指令更新周期の方を短くするように変更することで、プログラム通りの理想的な制御を実現することができる。
【００６３】
図４では、制御指令データに係る目標量に対する残り量をプログラムされた速度で除して算出される時間が、調整用補間周期データとして生成されて補間周期（位置指令更新周期）として用いられることを示したが、調整用補間周期データの生成は別な方法によることもできる。すなわち、制御指令データに係る目標量に対する残り量をプログラムされた速度で除して算出される時間と、その直前の補間周期とを合わせて、調整用補間周期データとする方法である。
【００６４】
つまり、通常の補間周期よりも短い各目標位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に係る補間周期を、その直前の補間周期と合わせて、通常よりも長い補間周期を新たに生成する、ということになる。この方法によれば、次の目標位置へ向けての補間計算の開始前時間を長くすることができる。それによって、ＣＰＵ負荷が高くなった場合であっても、処理時間の余裕が増えるというメリットがある。
【００６５】
なお、通信周期の同期ずれによる制御の段差をなくすためには、ドライバ等スレーブ制御装置側は、制御指令更新周期をある程度バッファリングしておくことが必要となる。その際、制御指令更新周期が設定したスレーブ側制御周期よりも若干速かった場合は、一定時間でバッファがオーバーフローする可能性があるが、これは同じ値の指令が来た際にバッファリングを停止すれば、指令の変化がないときに必ずバッファがリセットされるようになり、解決できる。
【００６６】
以上説明したモーション制御用指令システムと、マスター制御装置、およびスレーブ制御装置とによって、モーション制御システムを構築することができる。本システムでは、スレーブ制御装置において制御指令データとともに記憶された補間周期データに従って所定の演算処理が実行され、その結果、マスター制御装置とスレーブ制御装置間における通信周期も変更可能である。また、マスター制御装置としてモータコントローラ、スレーブ制御装置としてサーボドライバを用いて、本発明の典型的なモーション制御システムを構成することができる。
【００６７】
図５は、本発明モーション制御システムのシステム構成例を示した説明図である。図示するように、マスター制御装置としてロボットコントローラ、スレーブ制御装置として一または複数のサーボドライバが用いられ、サーボドライバの先にはサーボモータが接続される。サーボドライバは必要な軸数分の台数が用意され、ロボットコントローラとの間はネットワークケーブルで接続される。
【００６８】
図示するように、ロボットコントローラ内にはデータ送信手段として送信用ＬＳＩが、またサーボドライバ内にはデータ受信手段として受信用ＬＳＩが、それぞれ搭載され、いずれのＬＳＩも、制御指令データ記憶用のレジスタと記補間周期データ記憶用のレジスタとを備えて構成され、送信用・受信用のネットワークプロトコルの物理層をサポートする。ネットワーク用のＬＳＩには、送信データや受信データをリード／ライトするためのレジスタが用意されているが、本発明モーション制御システムでは、内部に指令位置を割り付けたレジスタと、補間周期を割り付けたレジスタとが用意され、用いられる。
【００６９】
また本モーション制御システムでは、ネットワークプロトコルの物理層としては、車載ＬＡＮ等に使用されることが多いＣＡＮ（Ｃｏｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）を好適に用いることができる。なお、ここで、ＳＥＲＣＯＳのように通信周期が固定されるネットワークプロトコルは、本発明モーション制御システムにおいては採用することができない点に留意する。
【００７０】
指令位置はパルス単位で与えるのが好ましい。補間周期の単位としては、たとえばミリ秒単位で与えることができるが、近年のサーボドライバの性能向上を考慮し、必要に応じてマイクロ秒単位で与えるものとする。あるいは、サーボ周期を単位として、回数で与えることとしてもよい。
【００７１】
図６は、本発明モーション制御システムの別の構成例を示す説明図である。図示するように、コントローラ、サーボドライバ、ＡＣサーボモータを使った通信制御構成に使用でき、安価で信頼性の高いシステムを構築できる。また、信頼性があるが低速なネットワーク通信プロトコルは世間に多いが、それらの通信プロトコルを使用するシステム構成であっても、高度なモータ制御を行うことを可能とする。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明のモーション制御用指令システム、モーション制御用指令方法およびモーション制御システムによれば、従来のような通信速度の高速化やあるいはシステムの複雑化に頼ることなく、安価で簡単な低速通信を使って、段差なく滑らかなモーション制御を実現することができる。本発明によれば、たとえばネットワークサーボシステムにおいて、補間計算された位置データの１点１点に可変な補間周期情報を付加することにより、通信速度の高速化に頼らずパスポイントでの速度ムラを小さくすることができる。したがって、関連産業分野において利用価値が高い発明である。
【符号の説明】
【００７３】
１…モーション制御用指令システム
２…マスター制御装置
３…データ送信手段
４…スレーブ制御装置
５…データ受信手段
８…データ伝送経路
ＣＤ…制御指令データ
ＴＤ…補間周期データ
【図１】
2010170435.tif 000003
【図２】
2010170435.tif 000004
【図３Ａ】
2010170435.tif 000005
【図３Ｂ】
2010170435.tif 000006
【図４】
2010170435.tif 000007
【図５】
2010170435.tif 000008
【図７】
2010170435.tif 000009
【図８】
2010170435.tif 000010
【図９Ａ】
2010170435.tif 000011
【図９Ｂ】
2010170435.tif 000012
【図１０】
2010170435.tif 000013
【図６】
2010170435.tif 000014