計測自動制御学会東北支部 第 230 回研究集会(2006.7.21)
資料番号 230-1

LAN ネットワークを用いたモータ制御
Motor Control using LAN Network○松尾 健史＊，秋山 宜万＊，三浦 武＊，谷口 敏幸＊○Kenshi Matsuo*, Yoshikazu Akiyama*, Takeshi Miura* and Toshiyuki Taniguchi*
＊＊

秋田大学

Akita University

キーワード： DC モータ (DC motor)，制御システム (control system)，LAN ネットワーク(LAN network)，
TCP/IP (TCP/IP)，通信遅延 (time delay)
連絡先： 〒010-8502 秋田市手形学園町 1—1 秋田大学 工学資源学部 電気電子工学科 制御システム工学講座
松尾健史，Tel.: (018)889-2338，Fax.: (018)837-0406，E-mail: matsuo@ipc.akita-u.ac.jp

在，LAN は Ethernet とインターネットのプロ

1. はじめにインターネットに代表される情報通信技術

ト コ ル で あ る TCP/IP (Transmission Controlの急速な発展は，私たちの生活に大きな変化

Protocol / Internet Protocol)を用いて構築するこをもたらしている．現在，日本では多くの人とが最も一般的になっている．このため，コが携帯電話やブロードバンドと言われる高速ンピュータのみならず，家電，計測器などに回線を利用し，インターネットに接続していも LAN ポートが搭載された機器が多くなってる．これらにより，どこにいても容易に情報きている．のやりとりが出来るようになった．インター

このように，さまざまな機器を LAN というネットは全世界的巨大ネットワークである1 つのネットワーク上に接続できるというこが，そのネットワークを細かく分けると LANとは，制御分野においても非常に魅力的であ(Local Area Network)と呼ばれる限られた範囲る．例えば，各種計測器と制御用コンピューのネットワークになる．その LAN 同士が相互タを LAN につなげば，簡単に１つの制御シスに結びつくと，WAN(Wide Area Network)が形テムを構築できるのではないか．また，別の成される．インターネットとは，WAN が世界制御システムを LAN につなげば，つないだ先規模で実現されたネットワークといえる．このシステムも制御できるのでないか．さらにのように，LAN はインターネットの根幹をなは，インターネットに接続すれば，インターしている最小規模のネットワークである．現

ネットに接続されているあらゆるシステムの-1-制御ができるのではないかなど，限りなく拡られず，むしろ通信遅延時間の長さとの関係大が可能と考えられる．しかし，もともと LANが大きいという知見が得られている．

は制御用ネットワークとして想定されていな

本研究は，インターネットのような大規模いため，そのまま利用しようとするといくつネットワークを想定するのではなく，LAN のか問題が考えられる．最大の問題は，TCP/IPような限定的なネットワークを介した小形はパケット通信方式であるため通信時間が変DC モータ速度制御のシステムを実際に構築動することや，ネットワークの負荷状況によし，その制御性能について検討したものであってパケットが損失することである．当然，る．

これらは従来の制御システムでは想定されて2. LAN を利用した制御システムいない事項である．
ネットワークを用いた制御に関して，双方Fig.1 に一般的なフィードバック制御システ

向遠隔制御システムに関する研究では，活発ムのブロック線図を示す．また，Fig.1 の具体に研究が行われている(例えば解説として文例として，本研究で対象とする DC モータ速献 1) 2))．一方，ネットワークを用いたモータ度制御システムの概略図を Fig.2 に示す．図に制御システムの制御法を議論した文献に関し示すように，制御部(Controller)に PI 制御器(PIては，少し見られる程度 3)~5)である．文献 3) 4)Controller)を採用した．Fig.1 の一般的なフィーでは，インターネットを介した DC モータのドバック制御の流れは，まず目標値(Reference)速度制御を行うとき，現状のネットワーク通を適当に与えたとき，検出部(Sensor)から得ら信状況を計測し，そのデータを基に，ネットれる値（⑤）との差（①）を計算し，それをワークの通信時間が指数分布に従って変動す制御部に入力する．それに基づき，制御部はるものとして通信時間を予測し，その予想し制御アルゴリズムに従い計算し，駆動部た通信時間に従って PI 制御器のゲインを適宜(Actuator)へ印加する（②）．そして，負荷(Load)変える方法，すなわち，PI パラメータを通信が取りつけられている駆動部が駆動し，駆動時間に基づきゲインスケジューリングした方結果（④）が出力される．これが，検出部に法で速度制御を行っている．文献 5)では，ネ

よって検出され，検出値（⑤）が制御部にフットワーク部を PC 上でシミュレートした擬ィードバックされる．フィードバックされれ似的ネットワークを介した DC モータの速度ば，再び目標値との差を計算し，以下同様の制御システムを考え，ネットワークの通信時計算を繰り返す．

間が，一様分布，正規分布，指数分布に従っFig.2 の DC モータ速度制御システムでは，て変動する場合，制御システムにどのような駆動部に該当する部分には，DA 変換器（必要影響があるかを調べた．結果として，通信時ならば変換器を制御するコンピュータ）と DC間の分布と制御性能の間にあまり関連性は見モータが含まれる．

-2-

方式で伝送する．これらの通信路は通信距離Reference

Output＋ ①－

Actuator

Controllerが短いため，通信時間を無視して制御システ

Load
③②

ムを考えてきた．

④⑤

さて，近年インターネットに代表される情Sensor

報通信技術の発展により，これらの技術を用

Fig.1 Block diagram of a typicalfeedback control system

いれば通信距離を無限に伸ばすことができ，
Ethernet と TCP/IP プロトコルを組み合わせ，Actuator②

DA

Computer1
Computer2
PI Controller＋Reference①

この②⑤を LAN で接続された制御システムで③
LoadSensor④LPF

Tachogenerator⑤
AD

LAN を組む方式が一般的である．本研究では，
DC motor

考える．しかし，この LAN は制御システムで利用することは想定されてないため，現実の－制御システム上で使えるか確認する必要があ

Fig.2 Schematic diagram of a speed
control system for a DC motor

る．
TCP/IP プロトコルはデータを小さなまとまりに分割して送受信する．これはパケット通検出部に該当する部分には，タコジェネレ信と呼ばれる方式である．このため，通信路ータ，低域フィルタ(LPF)，そして，AD 変換の混雑状況により，通信時間が変動すること器（必要ならば変換器を制御するコンピューや，パケット自体が喪失してしまうことが起タ）が含まれる．また，Fig.1 の目標値と⑤のこる．また，当然のことながら，通信距離が差の計算や，制御によりなされる計算は，Fig.2伸びれば通信時間が無視できなくなる．LAN

ではコンピュータ上ですべて処理される．こネットワークを導入すると，Fig.1 はむだ時間のように Fig.2 のシステムをコンピュータ部，の表現を利用して，Fig.3 のように表現される．

駆動部，検出部，および負荷という４つに分

ただし，通信時間は一定ではないので，L1 とけたとき，Fig.2 の①はコンピュータ上の処理L2 は定数でない．

であり，②⑤はケーブルあるいはコンピュータの拡張バスにより接続され，③④は機械的に接続されている．このうち②⑤はディジタ

Network

Reference＋－ ①Controllere-L s
1②Output
LoadActuator③④

ル信号を伝送する通信路であるが，制御分野⑤-L s

e2Sensor

では RS232C や GP-IB などのケーブル接続か，あるいは，コンピュータの拡張バスならば ISAや PCI で接続されており，信号の転送方式はパラレル転送方式，あるいは，シリアル転送-3-Fig.3 Block diagram of a feedback
control system include LAN network

Network
e-L1 sDA
Computer2

PI Controller＋Reference

①AD③
Load

Sensor④LPF

Tachogenerator⑤e-L2 sる．また，Gc(s)は PI 制御器の伝達関数であり，DC motor②

Computer1

偏差とする．また，U(s)は電圧指令値[V]であActuator

GC (s) = K P +KIs(1)である．Gp(s)は操作部，負荷，検出部を表し－ており，入力 U(s)と出力 Ω(s)の伝達関数であFig.4 Schematic diagram of a speedcontrol system for a DC motor using
LAN network

る．本研究では，目標速度を 1000min-1 とする．
また，比例ゲインを Kp=0.020，積分ゲインをKI=0.110 とする．

同様に，Fig.2 を LAN ネットワーク使ったシステムで記述すると，Fig.4 のようになる．
R(s)以下，Fig.4 の DC モータ速度制御システムで

E(s)

+－①

GC(s)

U(s)

実験を行っていく．

e-L1 s

GP(s)

②③④

Ω(s)

⑤

e-L2 s3. 実験システム構成

Fig.5 Block diagram of a speed control
system for DC motor using LAN network

今回のシステム（Fig.4）において使用した
DC モータの仕様を Table1 に示す．タコジェ
ネレータは 3V/1000min-1 のものを使用した．

Table1

Rated values of the DC motor

Computer1，Computer2 の仕様は Table2 で示さ

rotor inertia

1.86×10-6 kg.m2

れている PC/AT 互換のパーソナルコンピュー

rated voltage

24V

タを用いた．また，Computer2 には DA・AD

rated current

1.25A変換器が取り付けられている．また，

rated motor speed

3000min-1

Computer1，Computer2 ともにサンプリング時
間は 1ms である．また，負荷は慣性モーメン

Table2トが 3.5×10-5 kg.m2 である慣性負荷を使用しComputer1

Computer2

CPU 2.53GHz

CPU 865MHz

Memory 1.0GBytes

Memory 256MBytes

OS Vine Linux 3.1

OS Vine Linux 3.2た．ローパスフィルタは 1 次で時定数 0.1msのパッシブフィルタを用いた．

Specification of the computers

次に， Fig.4 をブロック線図で表すと Fig.5となる．ここで，DC モータの速度制御をする
ため，R(s)は目標速度[min-1]，Ω(s)は実際駆動し て い る モ ー タ の 回 転 速 度 [min-1] ， E(s)4. LAN 構成を変えたときの制御性能の(E(s)=R(s)-Ω(s))は目標速度と実際の速度との-4-変化
本研究では，前述した制御システムで，LANの構成を後述の(0)-(6)の設定にして，それぞれ側が受信待ちをしている時間は，サンプリン

DC モータ速度制御実験を行った．

グ時間 1ms に対して 0.5ms であるため，もしComputer1 と Computer2 には 100Mbps のタイミングがずれ，受信待ちでないときに，NIC(Network Interface Card) が 装 着 さ れ て い

送信側がパケットを送信して来たときはパケる．Computer1，Computer2 とも非同期で，サットが損失することになる．

ンプリング時間 1ms ごとに制御演算が処理される．Computer1 上では，まず Computer2 より

次に，LAN の構成(0)-(6)について述べる．
(0) LAN を使わない場合送信された回転速度の値を受信し，目標値と（Fig.2 のように LAN を介さない従来の制回転速度の差を取る（Fig.4 の①）．次に，PI御システム．
）制御器でモータに印加する指令値を計算し(1) NIC 同士が直接接続されている場合（Fig.4 の②）， UDP プロトコルで Computer2（Fig.6 のように， Computer1 と Computer2へ送信する．このとき，サンプリング時間 1msが 1 本の LAN 用クロスケーブルにより接のうち，0.5ms 間回転速度信号の受信待ちし続されている．
）て，その間に Computer2 から信号が来なけれ(2) 1 台のスイッチングハブを介して接続さば，パケット損失として，前のサンプリングれている場合時の回転速度を用いて PI 制御器の演算を行（Fig.7 のように，通信速度が 100Mbps でう．

あるスイッチングハブを介して一方，Computer2 は Computer1 から送信されComputer1 と Computer2 が接続されていて来た印加電圧指令値を受信し，DA 変換器を用いて DC モータに電圧を印加する．ここで，る．
）(3) 2 台のスイッチングハブを介して接続さComputer1 の場合と同様，0.5ms 間印加電圧指れている場合

令値信号の受信待ちをし，その間に Computer1（Fig.8 のように，通信速度が 100Mbps でより信号が到着しなければ，パケット損失とあるスイッチングハブを 2 台介して見なし，前のサンプリング時と同じ電圧を印

Computer1 と Computer2 が接続されてい加する．次に，モータの回転速度は AD 変換る．
）

器を通して Computer2 が計測し，この値を(4) 1 台のルータを介して接続されている場

UDP プロトコルで Computer1 へ送信する．

合

さて，ここで注意すべきこととして，TCP/IP（Fig.9 のように，通信速度が 100Mbps でプロトコルには，TCP プロトコルと UDP プロあるブローバンドルータを介してトコルがあるが，UDP は TCP と違い，受信側

Computer1 と Computer2 が接続されていにパケットが届いたかどうか，送信側が確認る．
なお，ルータは，WAN 側に Computer1，することができないことがある．また，受信LAN 側に Computer2 が接続されている．
）-5-Computer1

Computer2

Actuator

Actuator
NIC

LAN Cable

Load

Load
NIC

NIC

RouterNIC

SensorSensorComputer1

Computer2

Fig.9 Schematic diagram of a speed
control system for a DC motor using
LAN network connected through abroadband router between Computer1
and Computer2

Fig.6 Schematic diagram of a speed
control system for a DC motor using
LAN network connected directly
between Computer1 and Computer2

Actuator

Actuator
NIC

Load

Load
NIC

Hub

Hub

NIC
NIC
SensorRouterComputer1
Computer1

Computer2

Actuator

Actuator

Hub

Computer1

Hub

NIC

Hub

NIC
Load

LoadNIC

Computer2

Fig.10 Schematic diagram of a speed
control system for a DC motor using
LAN network connected through abroadband router and a switching hub
between Computer1 and Computer2

Fig.7 Schematic diagram of a speed
control system for a DC motor using
LAN network connected through aswitching hub between Computer1 andComputer2

HubSensor

NICSensor

Computer1

Computer2

RouterSensorComputer2

Fig.11 Schematic diagram of a speed
control system for a DC motor using
LAN network connected through abroadband router and two switching
hubs
between
Computer1andComputer2

Fig.8 Schematic diagram of a speed
control system for a DC motor using
LAN connected through two switching
hubs
between
Computer1andComputer2(5) 1 台のルータと 1 台のスイッチングハブをComputer2 が接続されている．また，ハブは LAN 側に接続されている．）介して接続されている場合（Fig.10 のように，通信速度が 100Mbps であるルータとスイッチングハブを介してComputer1 と Computer2 が接続されてい(6) 1 台のルータと 2 台のスイッチングハブを介して接続されている場合（Fig.11 のように，通信速度が 100Mbps である 1 台のルータと 2 台のスイッチング

る．WAN 側に Computer1，LAN 側に-6-Motor Speed[min -1]

Table3 Number of lost packets in case of (1) to (6)

(0)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

1000

500

00.2

0.4

0.6

0.8

1Time[sec]Fig.12 Step responses of a DC motor
speed control not using LAN networkand the controls using the variousnetworks.

Case

Number of lost packets

(1)

0(2)

0(3)

0(4)

30(5)

104(6)

207(1)-(6)の場合で速度制御実験を行ったとき，それぞれの応答波形を Fig.12 に示す．次に，

(1)
(2)
(3)

(1)-(3) の と き の RTT(Round Trip Time) を

RTT[usec]

150

Fig.13，(4)-(6)の RTT を Fig.14 に示す．ここでRTT とは往復遅延時間のことであり，一般的
100には，例えば 2 つのコンピュータ A, B 間で通00.2

0.4

0.6

0.8

1

信するとき，パケットを A から B へ送り，BTime[sec]が受信したら，B から A へ送り返し，再び A

Fig.13 RTT to each sampling time incase of (1) to (3).

が受信するまでの時間である．本研究では，あるパケットが Computer2 から Computer1 へ

RTT[usec]

550送信され，Computer1 が受信したら，Computer1(4)(5)(6)から Computer2 へ返信され，再び Computer2が受信するまでの時間と定義する．

500

Fig.13 で示されているように，LAN ネット
ワークにハブを 1 台増やすごとに，約 20μsec
450

00.2

0.4

0.6

0.8

1通信時間が増加することが分かる．また，Time[sec]

Fig.14 で分かるように，LAN ネットワークにFig.14 RTT to each sampling time incase of (4) to (6).

ルータが入ると約 500μsec 通信時間が増加す
る．さらに，ルータに加えハブを 1 台増やす

ハブを介して Computer1 と Computer2 がごとに約 20μsec 通信時間が増加することが分接続されている場合．なお，ルータはかる．また，Table3 で示されているように，WAN 側 に Computer1 ， LAN 側 にルータが入る((4))ではパケット損失が現れてComputer2 が接続されている．また，2 台おり，ハブが追加される((5),(6))では，パケッのハブは LAN 側に接続されている．
）

ト損失がさらに多くなっている．

-7-

Fig.12 で分かるように，いずれの場合も従来 の 制 御 で あ る (0) の 応 答 波 形 に 比 べ て ，

参考文献
1)

汐月哲夫：インターネットの遅延特性と双(1)-(6)の応答波形に違いは見られない．本研究

方向遠隔通信制御，システム/制御/情報，で実験システムのサンプリング時間は 1ms で45-12，695/702(2001)あり，RTT より大きい値のため，影響が現れ2)

汐月哲夫：インターネットを介した双方向ていないと考えられる．このように，サンプ遠隔制御における伝達遅延問題，計測と制リング時間が 1ms～100ms 程度の制御システ

御，41-7，507/512(2002)
3)

ムであれば，十分制御に利用できる．

Y. Tipsuwan and M.-Y. Chow: Gain Scheduler
Middleware:

応答波形には差はまったく現れてないた

A Methodology

toEnable

Existing Controllers for Networked Control

め，(4)-(6)で起こったパケット損失程度では，

and Teleoperation-Part I: Networked Control,

制御システムにほとんど影響を与えていないIEEE Trans. Ind. Electron., 51-6, 1218/1227

ことが分かる．

(2004)
4)

5. まとめY.

Tipsuwan,M.-Y.

ChowandR.

Vanijjirattikhan: An Implementation of a
Networked PI Controller over IP Network,

本研究では，LAN ネットワークを構築し，そのネットワークを介した DC モータ速度制御実験を行った．LAN ネットワークの構成は，Proc. IEEE IECON’03, 2805/2810 (2003)
5)

2 台のコンピュータ間を LAN ケーブルで直接接続する場合，スイッチングハブを 1 台，および，2 台を介して接続する場合，また，ブロードバンドルータを 1 台介して接続する場合，そのルータに加え，さらにスイッチングハブが 1 台，および，2 台介して接続する場合となっている．それぞれの場合で実験を行った結果，どの場合でも LAN ネットワークを介さない従来の制御の場合に比べても，応答波形に差がないことが分かり，本研究で構築した
LAN ネットワークの仕様では，十分制御システムとして利用できることが分かった．RTTより長いサンプリング時間であれば，制御システムが構成できることが本研究で確認された．

-8-

松尾健史，三浦武，谷口敏幸：ネットワー
クと小形モータの制御，電気学会回転機研
究会，RM-05-164(2005)