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JP3577177B2 - アクチュエータの制御装置及び粉体フィーダ - Google Patents

アクチュエータの制御装置及び粉体フィーダ Download PDF

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JP3577177B2 JP26964796A JP26964796A JP3577177B2 JP 3577177 B2 JP3577177 B2 JP 3577177B2 JP 26964796 A JP26964796 A JP 26964796A JP 26964796 A JP26964796 A JP 26964796A JP 3577177 B2 JP3577177 B2 JP 3577177B2
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  • Filling Or Emptying Of Bunkers, Hoppers, And Tanks (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)
  • Flow Control (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デューティー比制御手段により間欠的にアクチュエータを駆動させ、制御対象物の変化量をフィードバックする制御装置に関し、特にかかる制御手段を有する粉体フィーダに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
矩形波の1周期あたりの割合(デューティー比)によって、時間平均出力を制御するものとして、例えば、超音波振動子を用いた超音波モータ、DCモータを用いたサーボシステム等が知られている。超音波モータにおいては、電気エネルギーによる圧電素子の機械的変形を用いて振動体に機械的振動を発生させ、駆動電圧のデューティー比を変化させることで、超音波モータの出力を変化させている。
【0003】
この超音波モータを利用して、縦振動(長さ方向振動)と曲げ振動が同時に生じるように構成すると、その共振周波数において、先端に楕円振動を生じる。そこで、先端にパイプを取り付け、パイプ中に粉体を供給すると、粉体は、楕円振動により一定方向に搬送されるため、粉体フィーダとして利用されることがある。この場合、図10のブロック図に示すように、荷重センサであるロードセル11にて粉体量を計測し、そのセンサ出力をアンプ12で増幅し、その増幅されたセンサ出力電圧をA/Dコンバータを介して、デューティー比制御手段であるマイクロコンピュータ13にフィードバックして、その信号に基づき最適なデューティー比を算出し、駆動電圧の印加時間を制御することにより、粉体の輸送量(切り出し量)及び実流量を一定値(ねらい値)に制御している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように矩形波によりアクチュエータを駆動させる場合には、アクチュエータのオン/オフ時にスパイクノイズが発生し、このノイズがセンサ出力に悪影響を及ぼす。例えば、上述した超音波モータにおいては、駆動している期間(アクティブ領域)に、超音波モータへの駆動電圧(共振周波数)が図11に示す発振回路により与えられている。この発振回路のトランス1次側はトランジスタTR1 とTR2 のpush−pullになっている。すなわち、図12(a)に示すように、トランジスタTR1 がオンならTR2 がオフ、あるいはその逆に各トランジスタが作動する。このとき、トランジスタTR1 ,TR2 のオン/オフのオフ時、すなわち電流を切ろうとする時、高い電圧がトランジスタのコレクタに現われる。
【0005】
このため、図12(a)に示すトランジスタTR1 ,TR2 のオン/オフの作動において、トランジスタTR1 ,TR2 いずれかがオフするときにノイズが発生するので、駆動電圧VACT の出力波形は、図12(b)に示すような波形となり、この駆動電圧VACT のノイズが外乱としてセンサ出力に重畳し、センサ出力電圧VCELLの出力波形が図12(c)に示すような波形となる。
【0006】
ここで、図12(a)に示す各トランジスタのオン/オフの1周期T1 が駆動電圧VACT の1周期T2 に相当する。従って、実際に粉体フィーダを使用したときの駆動電圧VACT の波形は図6(b)、センサ出力電圧VCELLの波形は図6(c)に示すようになる。
【0007】
よって、センサ出力電圧VCELLの値をフィードバックする際に、図6(d)に示すようなタイミングA,B,C,…でデータサンプリングを行なうと、ノイズを含んだセンサ出力値をフィードバック信号として取り込んでしまい、アクチュエータを正確に制御できず、制御システムの精度が極端に悪化するという問題があった。
【0008】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、デューティー比制御手段により間欠的にアクチュエータを駆動させ、制御対象物の変化量をフィードバックするアクチュエータの制御を、より高精度に制御することができる装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、粉体搬送量の制御をより高精度で行なうことができる粉体フィーダを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項1の発明によれば、間欠的に駆動電圧を与えることで駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータに対してデューティー比に応じた時間だけ、駆動電圧を与えるデューティー比制御手段と、前記アクチュエータに備わるセンサからのセンサ出力を増幅し、その値を検出するセンサ回路とからなる制御装置において、デューティー比の周期に同期し、前記アクチュエータが停止してから一定時間経過後に、前記センサ出力をフィードバック信号として取り込むことを特徴とする。
【0010】
ここで、間欠的な駆動とは、矩形波で駆動する期間と駆動しない期間とが交互に現れる駆動を指し、必ずしも一定の期間の繰り返しでなくともよい。
【0011】
アクチュエータの停止直後から一定時間経過後にフィードバック信号を取り込むことにより、確実にスイッチングノイズが重畳していないセンサ出力をフィードバックすることが可能となる。なぜなら、アクチュエータ停止直後は、フィードバック信号であるセンサ出力がスイッチングノイズの影響を受ける可能性があるため、一定時間経過後にフィードバック信号を取り込むことにより、確実に影響を受けないようにできるからである。
【0012】
請求項2の発明によれば上記問題点を解決するために、請求項1に記載するアクチュエータの制御装置において、デューティー比の最大値が95%であることを特徴とする。
【0013】
アクチュエータの駆動期間を最大で95%に設定することで、アクチュエータの停止期間を確保することにより、確実にスイッチングノイズが重畳していないセンサ出力をフィードバックすることが可能となる。
【0014】
請求項3の発明によれば上記問題点を解決するために、圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、粉体を貯蔵し、前記粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、前記振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、駆動電圧を与えるデューティー比制御手段と、前記ホッパ内の粉体重量を測定するロードセルとからなる粉体フィーダにおいて、請求項1または請求項2に記載するいずれかのアクチュエータの制御手段を有することを特徴とする。
【0015】
振動体は先端部が楕円振動するため、先端部に取り付けられた粉体供給パイプも楕円振動する。すると、ホッパからパイプ中に供給された粉体は、この楕円振動により横方向(振動体の縦方向振動に対する直角方向で、振動体の曲げ方向振動に対して平行な方向)に加速を受け移動する。従って、粉体を搬送することができる。
【0016】
この場合において、圧電素子に印加する交流駆動電圧をオン/オフ制御しているので、振動体が駆動されている期間は粉体が搬送される。従って、駆動期間と停止期間との比、即ち、デューティー比によって、粉体の搬送量を制御し、さらに、ロードセルで粉体の重量をセンシングして、そのセンサ出力をスイッチングノイズが重畳しないタイミングにて、フィードバック制御しているので、より高精度に粉体の搬送量を制御することができる。
【0017】
請求項4の発明のアクチュエータの制御装置によれば、上記問題点を解決するために、PWM(パルス幅変調)制御手段によって間欠的に駆動されるモータと、前記モータに備わるセンサからのセンサ出力を増幅し、その値を検出するセンサ回路と、PWM信号の立ち上がりエッジを検出し、その検出信号を出力する検出装置と、前記検出信号に対応して、前記センサ出力を取り込むサンプリング装置と、前記サンプリング値をPWM制御手段にフィードバックするフィードバック手段と、を有することを特徴とする。
【0018】
上記制御装置によれば、PWM信号の周期に同期化して、センサ出力をフィードバック信号として取り込むことにより、ノイズが重畳していないフィードバック信号を取り込むことができ、より精度良くモータを制御することが可能となる。従って、このモータ制御装置をロボットの腕の駆動モータやNC工作機のテーブルの位置決めモータ等に適応すれば、より高精度にロボットの腕を動かしたり、テーブルの位置決め等を行なうことができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。第1の実施の形態に係る粉体フィーダの構造を図1に示す。
振動体10は、いわゆるリニア型超音波モータであり、平板リング形状の圧電素子1を2枚、図示しない電極板を介して積層し、この両面を、略円柱状の金属ホーン2aおよび略円筒状の金属バックホーン2bで挟んだ構造となっている。この振動体10は、バックホーン2bと圧電素子1の中央部を貫通する透孔を経由して挿入され、一端がホーン2aに締結されたボルト3によって、固定部材4に固定されている。
このホーン2aの先端部2cは、二面取りされ、後述するパイプを貫挿するための貫通孔2dが設けられている。
【0020】
貫通孔2dには、内部を粉体が流通する粉体供給パイプ20が貫挿・固着されている。この粉体供給パイプ20の図中左側の端部21は、やや下方に屈曲させられており、図中右側から搬送された粉体Pがパイプ20の端部21から落下移動しやすいようにされている。
一方、パイプ20の図中右側の端部22は、逆にやや上方に屈曲させられ、ホッパ本体30から供給される粉体Pを、容易に図中左側へ搬送できるようにされている。
【0021】
ホッパ本体30は、粉体Pを貯蔵し、パイプ20へ徐々に粉体を供給するためのものであって、底部31は漏斗状になっている。この底部31にはチューブ32がつながれており、チューブ32の他端は、粉体供給パイプ20の端部22につながれている。従って、ホッパ本体30に投入された粉体Pは、チューブ32を経由して、パイプ20に供給される。なお、チューブ32は、振動体10の振動を妨げないように屈曲自在の材質が選択され、本例では、ナイロンチューブを用いている。
【0022】
図2に、振動体10の入力インピーダンスの周波数特性を、インピーダンスアナライザで測定した結果を示す。この結果から、振動体10の共振周波数Frは、約29.4kHzであることが判る。この共振周波数Frで駆動した場合には、大きく振動する。従って、本実施例では、振動体10を駆動させるために、共振周波数Frを有する交流電圧を印加している。
【0023】
ここで、振動体10を共振周波数で駆動した場合の振動の様子を説明する。
共振周波数で圧電素子1を駆動すると、圧電素子が伸び縮みするため、振動体10は、図3に示すように屈曲振動する。この振動は、図中上下方向への伸び縮みの振動(縦振動)と、図中横方向への曲げ振動(撓み振動)との合成振動である。
【0024】
この振動の一周期分についてさらに詳細に説明すると、図4に示すように振動をしている。なお、図4では、先端部(図中下端部)の動きを判りやすくするため、先端中央部に黒点を打っている。まず、t=0(図4(a))では、先端部(黒点)は右側に位置するように曲げられている。ついで、1/4周期後のt=π/2(図4(b))では、振動体は縮み、先端部(黒点)は図中上側に位置している。さらに、t=π(図4(c))では、先端部(黒点)が左側に位置するように曲げられている。さらに1/4周期後のt=3π/2(図4(d))では、振動体は伸び、先端部(黒点)は図中下側に位置している。従って、一周期分について黒点の動きをたどってゆくと、図4に示すように楕円運動をしていることが判る。
【0025】
従って、この先端部にパイプを取り付け、パイプ中に粉体を供給すると、粉体は浮き上がりながらも図中左方向への加速を受けて、左側へ搬送されてゆくこととなる。
そして、共振周波数で駆動する時間割合を調整、即ち、デューティー比を変化させて、粉体搬送量(切り出し量)を調整する。このとき、ホッパ本体30内の粉体Pの重量をロードセル11にて計測し、その出力信号をマイコンシステム13にフィードバックしている。このフィードバック信号を基にして、マイコンシステム13内で最適に算出されたデューティー比制御信号を駆動回路へ送り、デューティー比に応じた時間だけ駆動電圧VACT を振動体10に印加することによって、粉体Pの切り出し量及び実流量を制御している。本実施例では、マイコンシステム13をデューティー比制御手段として用いている。
【0026】
しかし、従来の制御装置では、デューティー比制御信号のアクティブ期間Ta・インアクティブ期間Tiに関係なく、フィードバック信号であるロードセルのセンサ出力電圧VCELLをデューティー比制御手段に取り込んでいた。従って、図6(d)に示すタイミングA,B,C,…、すなわちデューティー比制御信号のアクティブ期間Taに、ロードセルからのセンサ出力電圧VCELLをデューティー比制御手段に取り込むと、ノイズが重畳したセンサ出力電圧VCELLに基づいてデューティ比が算出されるため、設定された切り出し量及び実流量に制御することができなかった。
【0027】
そこで、本発明においては、ロードセルのセンサ出力電圧VCELLの取り込みを、デューティー比制御信号のインアクティブ期間Tiに同期して行なうようにした。本実施の形態では、サンプルタイミングの同期化はマイコンのプログラムソフトにより行なった。
【0028】
図6に基づいて、本発明の制御方法について説明する。
図6(a)は、振動体10を間欠的に駆動させるためのタイミングクロック(デューティー比クロック)を示す。このクロック信号は、デューティー比制御手段により作られている。なお、図6(a)では、アクティブ期間TaをLow 、インアクティブ期間TiをHighとして表現している。デューティー比は、1周期におけるアクティブ期間Taの割合で表し、Ta/(Ta+Ti)で算出される。
【0029】
図6(b)に、圧電素子1に印加する駆動電圧VACT の変化を示す。印加電圧の大きさ自身は変化していないが、アクティブ期間Taにおいては、共振周波数Frの交流電圧が印加され、一方、インアクティブ期間Tiにおいては、駆動電圧が印加されない。
【0030】
圧電素子1に、図6(b)のような駆動電圧VACT が印加されると、振動体10は振動する。この場合に、共振周波数Frで駆動すると、振動体10は共振して大きく振動し、しかも、先端部が楕円振動となる。一方、駆動電圧を印加しない場合には、振動体10は振動しない。
【0031】
図6(c)に、ロードセル11から出力されるセンサ出力電圧VCELLの変化を示す。出力電圧は、時間の経過に従いホッパ本体30内の粉体Pの重量が減少するため、小さくなっていく。また、アクティブ期間Taにおいては、前述したトランジスタのスイッチングノイズが重畳していることがわかる。
【0032】
図6(e)に、フィードバック信号、すなわちセンサ出力電圧VCELLの値をA/Dコンバータに取り込むサンプルタイミングを示す。サンプルタイミングG,H,…はデューティー比クロックと同期化して、インアクティブ期間Ti内になっている。本実施例では、インアクティブ期間Tiの開始直後から数msec経過後にデータのサンプリングを行なっている。これは、インアクティブ期間Tiの開始直後では、スイッチングノイズの影響を受ける可能性が大きいため、確実に影響を受けないようにするためである。従って、確実にスイッチングノイズが重畳していないセンサ出力電圧VCELLの値をフィードバックすることが可能となる。
【0033】
しかし、デューティー比が100%のとき、すなわち、連続駆動のときは、振動体10の振動が停止するインアクティブ期間Tiがないため、スイッチングノイズが重畳していないセンサ出力電圧VCELLをマイコンシステム13にフィードバックすることができない。そこで、本実施の形態では、図7に示すように、デューティー比の最大値を95%に設定して、インアクティブ期間Tiを確保し、それに同期したサンプルタイミングJ,K,…を設定している。よって、確実にスイッチングノイズが重畳していないセンサ出力電圧VCELLの値をフィードバックすることが可能となる。
【0034】
以上説明した通り第1の実施の形態に係る粉体フィーダによれば、ロードセル11からのセンサ出力の取り込みタイミングG,H,…、あるいはJ,K,…を、インアクティブ期間Tiの周期に同期させたので、スイッチングノイズが重畳していないセンサ出力電圧VCELLをマイコンシステム13にフィードバックする。従って、正確なフィードバック信号に基づき、デューティー比の算出を行なうため、より高精度に粉体Pの搬送量を制御することが可能となる。
【0035】
続いて、第2の実施の形態に係るDCモータのサーボシステムを図8に示す。本実施例では、アクチュエータとしてDCモータ50が用いられ、そのセンサ出力としてDCモータの電圧値を検出し、その値をアンプ58で増幅して、増幅した電圧値でフィードバックをかけて、モータ50の速度を制御している。また、PWM(パルス幅変調)制御手段51を用いて、PWM信号をアンプ52で増幅して、その増幅されたPWM信号にてDCモータ50を駆動させている。
【0036】
図9に基づいて、本実施の形態の制御方法について説明する。
図9(a)は、DCモータ50を間欠的に駆動させるためのタイミングクロックであるPWM波形を示す。なお、図9(a)では、アクティブ期間TaをHigh
、インアクティブ期間TiをLow として表現している。
また、図9(a)のPWM波形がDCモータ50の駆動電圧の変化であるから、アクティブ期間TaにおいてDCモータ50が駆動され、インアクティブ期間TiにおいてはDCモータ50が駆動されないことになる。
【0037】
図9(b)に、センサ53から出力されるセンサ出力電圧の変化を示す。モータをオン/オフさせる場合、モータに含まれるインダクタンスにより、モータのオフ時に大きな誘導起電力が生じるためノイズが発生して、このノイズがセンサ出力に外乱として重畳する。
従って、センサ出力電圧の波形に、図9(b)に示す通り、DCモータ50のオフ時(インアクティブ期間Tiの初期)において、センサ出力電圧にノイズが重畳していることがわかる。
【0038】
図9(c)に、フィードバック信号、すなわちセンサ出力を取り込むサンプルタイミングを示す。サンプルタイミングM,N,…はデューティー比クロックと同期化して、アクティブ期間Ta内になっている。このサンプルタイミングM,N,…は、図8に示すPWM波形の立ち上がりエッジを検出する検出回路54、遅延回路55、及びサンプルボード56からなる電子回路57により、DCモータ50の駆動開始から必要最適な遅延時間経過後にデータサンプリングを行なうように設定されている。
従って、第1の実施の形態と同様に、ノイズが重畳していないセンサ出力をフィードバックすることができ、より最適にDCモータ50の速度を制御することが可能となる。
【0039】
以上説明した通り第2の実施の形態に係るサーボシステムによれば、DCモータからのセンサ出力電圧VCELLの値のサンプルタイミングM,N,…を、アクティブ期間Taの周期に同期させたので、ノイズが重畳していないセンサ出力電圧VCELLの値をフィードバックできる。従って、より高精度にDCモータ50の速度を制御することが可能となる。
また、第1の実施の形態のようにマイコンを使用せずに、簡単な電子回路57にて、センサ出力電圧VCELLの値のサンプルタイミングM,N,…を、アクティブ期間Taの周期に同期させている。従って、安価に本発明に係る制御装置を実現化することができる。
【0040】
上記実施の形態においては、圧電素子を駆動源とした超音波モータを用いた粉体フィーダ、あるいはDCモータを用いたサーボシステムについて例示したが、本発明の制御装置はこれに限定されることはなく、間欠的に駆動するアクチュエータを最適に制御する装置として広く用いることができる。
たとえば、プラスチックの溶着、加工等に用いる超音波ウェルダーなどの超音波加工機の出力制御などに用いることができる。
【0041】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明のアクチュエータの制御装置によれば、間欠的に駆動電圧を与えることで駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータに対してデューティー比に応じた時間だけ、駆動電圧を与えるデューティー比制御手段と、前記アクチュエータに備わるセンサからのセンサ出力を増幅し、その値を検出するセンサ回路と、からなり、デューティー比の周期に同期し、前記アクチュエータが停止してから一定時間経過後に、前記センサ出力をフィードバック信号として取り込むことで、ノイズが重畳していないフィードバック信号を取り込むことができ、より精度良くアクチュエータを制御することが可能となる。
また、このような制御手段を有する粉体フィーダによれば、確実に正確なフィードバック信号を取り込むことができるので、設定流量値に対する補正をより精度良く行なうことができ、粉体の切り出し量並びに実流量をより正確にコントロールすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る粉体フィーダの構造を示す一部切り欠き断面図である。
【図2】振動体の入力インピーダンスの周波数特性を示すグラフである。
【図3】振動体の共振時の振動の様子を示す模式図である。
【図4】振動体の共振時の振動の様子を1/4周期毎に示した模式図である。
【図5】第1の実施の形態に係る粉体フィーダのシステムを示したブロック図である。
【図6】第1の実施の形態に係る粉体フィーダのシステムの作動状況を示す説明図であり、(a)は駆動期間と非駆動期間を切り替えるタイミングを示し、(b)は振動体に印加される駆動電圧を示し、(c)はロードセルからのセンサ出力電圧を示し、(d)は、従来技術でのサンプルタイミングを示し、(e)は本発明でのサンプルタイミングを示す。
【図7】第1の実施の形態に係る粉体フィーダのシステムにおいて、デューティー比最大(95%)での作動状況を示す説明図であり、(a),(b),(c)、及び(e)は図6と同様である。
【図8】第2の実施の形態に係るモータの制御システムを示したブロック図である。
【図9】第2の実施の形態に係るモータの制御システムの作動状況を示す説明図であり、(a)は駆動期間と非駆動期間を切り替える信号(PWM信号)を示し、(b)はセンサからのセンサ出力電圧を示し、(c)はサンプルタイミングを示す。
【図10】従来の粉体フィーダのシステムを示したブロック図である。
【図11】振動体に駆動電圧を印加する共振周波数発振回路の回路図である。
【図12】ノイズの発生原理を示した説明図であり、(a)は図11に示す発振回路のトランジスタの作動状態を示し、(b)は振動体に印加される駆動電圧を示し、(c)はロードセルからのセンサ出力電圧を示す。
【符号の説明】
1 圧電素子
2a 金属ホーン
2b バックホーン
2c 先端部
2d 貫通孔
3 ボルト
4 固定部材
20 粉体供給パイプ
30 ホッパ本体
31 底部
32 チューブ
A,B,C,…、G,H,… サンプルタイミング
P 粉体
VACT 駆動電圧
VCELL センサ出力電圧

Claims (2)

  1. 圧電素子に所定の共振周波数を印加すると先端部が楕円振動をする振動体と、
    該振動体の先端部に形成された粉体搬送路と、
    粉体を貯蔵し、該粉体搬送路に粉体を送り込むホッパと、
    前記振動体に対してデューティー比に応じた時間だけ、駆動電圧を与えるデューティー比制御手段と、
    該ホッパ内の粉体重量を測定するロードセルと、からなる粉体フィーダにおいて、
    間欠的に駆動電圧を与えることで駆動するアクチュエータと、
    前記アクチュエータに対してデューティー比に応じた時間だけ、駆動電圧を与えるデューティー比制御手段と、
    前記アクチュエータに備わるセンサからのセンサ出力を増幅し、その値を検出するセンサ回路と、からなる制御装置を有し、
    前記制御装置は、デューティー比の周期に同期し、前記アクチュエータが停止してから一定時間経過後に、前記センサ出力をフィードバック信号として取り込むことを特徴とする粉体フィーダ。
  2. 請求項1に記載する粉体フィーダにおいて、
    デューティー比の最大値が95%であることを特徴とする粉体フィーダ。
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