目次 1. 概要 USB ドライバ基板の起動プログラム作成に必要なファイルプログラム開始から終了まで基本制御プログラムの各制御の詳細位置制御

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ぜんすけあさぶき
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2 目次 1. 概要 USB ドライバ基板の起動プログラム作成に必要なファイルプログラム開始から終了まで基本制御プログラムの各制御の詳細位置制御速度制御トルク制御デューティ比直接指令制御タイムアウトエンコーダのカウントステータスと LED の点滅パラメータの設定 MCD03_PARAM 型構造体センサの変換係数と単位系 ken: エンコーダ変換係数 kpt: ポテンショメータ変換係数 ktq: 電流センサ変換係数 MCD03 クラスメンバ変数 MCD03::Open MCD03::Close MCD03::SetTimeout MCD03::Reset MCD03::SetID MCD03::GetID MCD03::GetVersion MCD03::Blink MCD03::SetParam MCD03::GetParam MCD03::ClearData MCD03::GetData Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

4 1. 概要 MCD03 をさせるための基本制御プログラムは, パソコン側のソフトウェアと MCD03 に書き込まれたファームウェアからなります. パソコン側ソフトはクラスで提供しています.Windows の Visual C++( Visual Stadio 2008 ) に対応します.Unicode には対応しておりません. パソコン側ソフト, ファームウェアともにオープンソースになっております. 商用利用以外は, ご自由にお使いいただけます. また用途に合わせてご自由にカスタマイズしていただけます. パソコン側のソフトウェアは Windows のみの対応ですが, FTDI 社の USB ドライバは各種 OS に対応していますので, 各種 OS への移植が可能です. ファームウェアはブートローダ+ユーザプログラムの構成になっており, ブートプログラムでユーザプログラムを直接書き換えることもできます. ユーザプログラムの書き換えに関しては, 書き換えプログラム MCD03_P rogrammer マニュアルをご覧ください. また, MCD03 の装置構成などに関しては MCD03 ハードウェアマニュアルをご覧ください. 1.1 USB ドライバ MCD03 は USB インターフェースでパソコンと接続しますので, USB ドライバが必要となります.USB インターフェース IC には FTD I 社の FT245RL を使用しており,FT245R L の内部設定を変更せずに使用していますので,FTDI 社が提供する D2XX ドライバを使用します. ドライバのダウンロードは FTDI 社のホームページから行ってください. D2XX ドライバをダウンロード後インストールしてください. D2XX ドライバインストール後, 通常 VCP( バーチャルコムポート ) ドライバのインストールが開始されます. そのままインストールしてください. MCD03 は USB Serial Converter として認識され, COM ポート番号も割り当てられます. 1.2 基板の起動 MCD03 は USB ケーブルで接続すると, バスパワーであればマイコンがを始めます. 外部電源で, 基板上のリセット選択ジャンパピン ( JP 3) を INT にしている場合, 電源を投入していても USB を接続しないかぎりマイコンは, を開始しません. マイコンがを始めるとブートローダが起動します. ブートローダは起動してすぐ USB の受信チェックを行い, 書き換え指令がない場合, ユーザプログラムをコ 4 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

5 ールします. 通常はユーザプログラムがすることになります. 書き換え指令がある場合は, プログラム書き換えモードになり, ユーザプログラムを書き換えます. 書き換え後はユーザプログラムをコールするので, ユーザプログラムがします.MCD03 では, 出荷時にブートローダと, ユーザプログラムとして基本制御プログラムが書きこまれていますので, 基本制御プログラムがすることになります. 1.3 プログラム作成に必要なファイルプログラムを作成する場合, 以下のファイルをプロジェクトに追加してください. MCD03.h MCD03 用のヘッダファイル MCD03.cpp MCD03 用のソ - スファイル ftd2xx.h FTDI 社 D2xx 用のヘッダファイル ftd2xx.lib FTDI 社 D2xx 用のライブラリ ftd2xx.dll FTDI 社 D2xx 用のダイナミックリンクライブラリ * FTDI 社のファイルはダウンロードしたドライバに含まれています. 1.4 プログラム開始から終了までもっとも簡単な例として ID= 1 のモジュールをオープンして, モータ指令を出すプログラムの流れを示します. エラー処理は省略しています. 詳しくはサンプルプログラムのソースコードをご覧ください. MCD03 mcd; // クラスの生成 mcd.open( 1 ); // ID = 1 でオープン制御処理ループ { mcd.setduty( 200 ); // duty = 200 でモータ回転 } mcd.stop(); // モータ停止 mcd.c lose(); // クローズ 5 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

6 2. 基本制御プログラムの基本制御プログラムでは, 位置制御速度制御トルク制御デューティ比直接指令が行えます. 2.1 各制御の詳細 MCD03 の内部で行われる制御の詳細を説明いたします位置制御位置制御では目標位置, 速度制限, トルク制限を指定します. 速度制限, トルク制限を 0 とするとリミッタが作用しません. 位置制御のブロック線図を図 2-1 に示します. 位置制御は位置に対する PD 制御で目標速度を, 速度制御器へ出力します. w s qr position limiter + - en kp s kd + + velocity limiter wr t_lim velocity controller motor current sensor encoder ken q t ktq 図 2-1 位置制御のブロック図位置制御では, 目標位置 qr は位置リミッタで可動範囲内に制限がかけられ可動範囲外の目標値が入力されないようにしています. また, センサのノイズなどによる目標値付近での振動を抑制するため, 最少誤差を指定できます. 目標位置 qr と現在位置 q に対して最少誤差分 fminen を引いた値が誤差 en となります. 図 2-2 に最少誤差と en の関係を示します. en qr - q fminen fminen 図 2-2 最少誤差と en の関係 6 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

7 2.1.2 速度制御速度制御では目標速度, トルク制限を指定します. トルク制限を 0 とするとリミッタが作用しません. 速度制御のブロック線図を図 2-3 に示します. 速度制御は PI 制御で, 目標速度 wr と現在速度 w の差をなくすように制御します. 制御中に現在トルク t がトルク制限値 t_lim を超えた場合, トルクリミッタが働き, 積分制御部分の切り替えを行い, トルク超過分 t_lim t に対してトルク制御ゲイン kt を掛けて積分項への入力とすることでトルク制限を行います. 制限の結果, トルクが制限範囲内にはいると, また積分制御入力が切り替わり, 速度の PI 制御に戻ります. w s wr t_lim + - torque limitter kv ki kt 1/s + + duty limiter motor current sensor encoder ken t ktq 図 2-3 速度制御のブロック図トルク制御トルク制御では目標トルクを指定します. トルク制御のブロック線図を図 2-4 に示します. トルク制御は I 制御です. 目標トルク tr と現在トルク t の差をなくすように制御します. トルクセンサ係数 ktq の値によって, 電流制御にもなります. tr + - kt s duty limiter motor t ktq current sensor 図 2-4 トルク制御のブロック図 7 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

8 2.1.4 デューティ比直接指令ディーティ比直接指令ではモータへ作用する PWM のデューティ比を直接指定します. デューティ比の指示範囲は整数値 ± 1023 で,±100% のデューティ比に相当します. 指令値がを超えると電磁ブレーキがかかり,0 では, モータは無拘束となります. 2.2 制御タイムアウト位置制御, 速度制御, トルク制御, デューティ比直接指令は連続した指令を必要とする制御であるため, 制御タイムアウトで設定した時間以上指令が途絶えた場合, MCD03 は緊急停止状態になります. 2.3 エンコーダのカウント MCD03 では 2 相パルスエンコーダのカウント値を 16bit のハードウェアカウンタが 4 逓倍しカウントします. さらにその 16bit カウンタのオーバフローアンダーフローをソフトウェアで検出することで更に 16bit カウントし, トータル 32bit のカウンタを構成しています. 2.4 ステータスと LED の点滅 MCD03 は内部ステータスを LED の点滅で以下のように表現します. 正常: ゆっくり点滅します. アクセス時: データアクセス受けると素早く 1 回点滅します. 制御タイムアウト:2 回の点滅を繰り返します. 未定義指令: 未定義の命令を受信すると 3 回の点滅を繰り返します. 受信タイムアウト:4 回の点滅を繰り返します. 送信タイムアウト:5 回の点滅を繰り返します 8 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

9 3. パラメータの設定各種制御を行うには制御ゲインなどパラメータの設定を行う必要があります. 制御パラメータは MCD03_PARAM 型構造体で設定します. 3.1 MCD03_PARAM 型構造体メンバ変数 float dt_ms; 制御周期をミリ秒単位で指定します. デフォルトは1.0 ミリ秒です. float fctrltimeout_ms; 制御タイムアウトをミリ秒単位で指定します. デフォルトは1000ミリ秒です.0 でタイムアウトは無効になります. float fcommtimeout_ms; パソコン側,MCD03 側双方の送受信通信タイムアウトをミリ秒単位で指定します. デフォルトは1000ミリ秒です.0でタイムアウトは無効になります. float kp; 位置制御のPゲインを設定します. float kd; 位置制御のDゲインを設定します. float kv; 速度制御のPゲインを設定します. float ki; 速度制御のIゲインを設定します. float kt; トルク制御制限のIゲインを設定します. float fminen; 位置制御の最小誤差を設定します. float fposlimit_h; 位置制御の可動範囲上限を設定します. float fposlimit_l; 位置制御の可動範囲下限を設定します. float fposoffset; 位置センサのオフセット値を設定します. float ken; エンコーダパルス数を位置に変換する係数 float kpt; ポテンショメータのA/D 変換値を位置に変換する係数 float ktq; トルク ( 電流 ) センサのA/D 変換値をトルクに変換する係数 3.2 センサの変換係数と単位系基本制御プログラムで使用される単位系は, 各センサに対する変換係数が基準となります. 位置や速度, トルクといった指令値や位置リミット等の設定もこの単位に合わせる必要があります. 単位の設定方法によっては,MCD03 の内部で値が小さくなりすぎてしない場合や, 大きくなりすぎてオーバーフローしてしまう場合がありますのでご注意ください. 9 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

10 3.2.1 ken: エンコーダ変換係数エンコーダパルスカウントを位置に変換する係数です.MCD03 の内部で 4 逓倍カウントがおこなわれるため,4 倍の値を設定します. モータの正転とエンコーダの正転が逆の場合, 係数値に - を付けます. 例 1 1 回転 1000 パルスのエンコーダ付モータをモータ出力軸で [rad] 単位で制御する場合. ken = 2.0f*3.1415f / (1000.0f*4.0f) 例 2 1 回転 500 パルスのエンコーダ付モータに 100:1 の減速器を付け, 減速器出力軸を [deg] 単位で制御する場合. ken = 360.0f / (100.0f*500.0f*4.0f) 例 3 100mm のストロークに対してエンコーダがパルス出力する直動装置で, [mm] 単位で位置制御する場合. ken = 100.0f / ( f*4.0f) kpt: ポテンショメータ変換係数ポテンショメータの電圧値の A/D 変換値を位置に変換します. MCD03 の A/D コンバータは 10bit であるため, 最大値は 1023 となります.kpt=0 とすると, 位置制御のセンサにはパルスエンコーダが選択されます. モータの正転とポテンショメータの正転が逆の場合, 係数値に - を付けます. 例 1 可動範囲 300deg のポテンショメータ付き装置を [deg] 単位で位置制御する場合. kpt = 300.0f/1023.0f; 例 2 可動範囲 1.0m の直動ポテンショメータ付き装置を [m] 単位で位置制御する場合. 10 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

11 kpt = 1.0f/1023.0f; ktq: 電流センサ変換係数電流検出センサの出力電圧の A/D 変換値をトルクあるいは電流に変換します. MCD03 の電流検出センサ INA214 は最大 5A の電流検出が可能で, このときの A/D 変換値が 1023 になります.ktq は正の値のみ取ります. 例 1 モータを [A] 単位で電流制御する場合. ktq = 5.0f/1023.0f; 例 2 トルク定数 20mN m/a のモータに 50: 1 の減速器を取り付けた装置で, 減速器出力軸で [mnm] 単位でトルク制御する場合. ktq = 50.0f*20.0f*5.0f/1023.0f; 11 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

12 4. MCD03 クラス 4.1 メンバ変数 B YT E bstatus; MCD03 及びパソコンのステータス. char Error[256]; エラー発生時にエラーメッセージが書き込まれます. flo at fp o s itio n ; flo at fv elocit y; flo at ft o rque; W ORD wd iport; MCD03 の位置データ MCD03 の速度データ MCD03 のトルクデータ MCD03 の拡張コネクタ入力ポートの状態 4.2 MCD03::Open BOOL Open( BYTE btargetid ); BYTE btargetid MCD03 の ID, 0 から 255. 戻値成功 :TRUE 失敗 :FA LSE bid に設定した MCD03 をオープンします.bID に MCD03_MASTER_ID を指定すると, すべての ID の MCD03 が応答します.ID が分からない場合や, MCD03 を 1 枚しか使用しない場合に MCD03_MASTER_ID を設定します. MCD03 が緊急停止状態の場合, 緊急停止状態が解除されます. SimMotor が設定されている場合, これを解除します. 4.3 MCD03::Close BOOL Close( void ) ; なし戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 をクローズします. モータが回転中である場合などは, MCD03 はを停止します. 12 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

13 4.4 MCD03::SetTimeout BOOL SetTimeout( D WORD dwtime_ms ); DWORD dwtime_ms タイムアウト値,ms 単位戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE パソコン側と MCD03 側双方の通信のタイムアウト値を設定します. dwtime_ms = 0 にするとタイムアウトは無効になります. 4.5 MCD03::Reset BOOL Reset( void ); なし戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 をリセットします. USB の接続もリセットされます. 4.6 MCD03::SetID BOOL SetID( BYTE bnewid ); BYTE bnewid 新しく設定する ID, 0~ 255 戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 に新しい ID を設定します. 新しい ID は MCD03 の EEPROM に書き込まれるため次回起動時も有効になります. 4.7 MCD03::GetID BOOL GetID ( BYTE * pbid ); 13 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

14 戻値 BYTE* pbid 取得した ID を格納する変数へのポインタ成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 に設定されている ID を取得します. 4.8 MCD03::GetVersion BOOL GetVersion( char Version[64] ); char Version[64] 取得したバージョン情報を格納する変数へのポインタ.64 バイトサイズ戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 のプログラムバージョン情報文字列を取得します. 文字列の最大値は 64 バイト 4.9 MCD03::Blink BOOL Blink( BYTE bnum ); BYTE bnum 点滅回数戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE bnum に設定した回数 LED が点滅します. チェック時などに使用します MCD03::SetParam BOOL SetParam( PMCD03_PARAM pparam ); PMCD03_PARAM pparam 制御パラメータ構造体のポインタ戻値 14 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

15 成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 に制御パラメータを設定します MCD03::GetParam BOOL GetParam( PMCD03_PARAM pparam ); PMCD03_PARAM pparam 制御パラメータ構造体のポインタ戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 に設定されている制御パラメータを取得します MCD03::ClearData BOOL ClearData( void ); なし戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 のデータをクリアします. エンコーダのカウント値が 0 になります MCD03::GetData BOOL GetData( void ); なし戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 からデータを取得します. ステータス, 位置, 速度, トルク, デジ 15 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

16 タル入力のデータが MCD03 から返送され, メンバ変数の bstatus,fposition, fverocity, ftorque, wdiport に格納されます MCD03:SimMotor BOOL SimMotor( float fmaxvelocity ); float fmaxvelocity 想定される最大回転速度 0 で SimMotor を解除戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE SimMotor を設定することで, 実際にモータをせることなく, 簡易なシミュレーションを行えます. モータへは PWM 信号が出力されず, fmaxvelocity を上限として指令値に応じて MCD03 内部でエンコーダのカウンタを UP/DOWN カウントします. これにより位置や速度の擬似データが出力されます. パソコン側のソフトウェアのテスト時に使用するとモータ暴走による危険がなく便利です. SimMotor は位置センサとしてエンコーダ使用するときのみ有効です. SimMotor は fmaxvelocity = 0 とするか, 再 Open() することで解除されます MCD03::Stop BOOL Stop( void ); なし戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE MCD03 のモータ制御を停止します. モータが停止します. 電磁ブレーキが作用します. MCD03 が緊急停止状態の場合は, 緊急停止状態が解除されます. 16 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

17 4.16 MCD03::SetPosition BOOL SetPosition( float f RefPosition, float fverocity Limit, float ftorque Limit ); float frefposition 目標位置 float fverocitylimit 速度制限値, 絶対値 float ftorque Limit トルク制限値, 絶対値戻値成功 :TRUE, 失敗 :FA LSE 位置制御指令で, 目標位置と速度制限, トルク制限を設定します. MCD03 は制限内のトルク, 速度で目標位置に達するようします. 目標位置と速度制限, トルク制限の単位は, 制御パラメータの kpt 等で設定した単位になります. MCD03 からは, ステータス, 位置, 速度, トルク, デジタル入力のデータが MCD03 から返送され, メンバ変数の bstatus,fposition,fverocity,ftorque, wdiport に格納されます. frefposition が制御パラメータの可動範囲制限を超えた場合,MCD03 の内部で, frefposition > fposlimith のとき,fRefPosition = fposlimith frefposition < fposlimitl のとき,fRefPosition = fposlimitl となりリミットがかかります. * 制御対象や制御係数によっては, 制限範囲をオーバーしてする場合があります MCD03::SetVelocity BOOL SetVelocity( float f RefVerocity, float ftorque Limit ); float frefverocity 目標速度 float ftorque Limit トルク制限値, 絶対値戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE 速度制御指令で, 目標速度, トルク制限を設定します. MCD03 は制限内のトルクで目標速度に達するようします. 17 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

18 MCD03 からは, ステータス, 位置, 速度, トルク, デジタル入力のデータが MCD03 から返送され, メンバ変数の bstatus,fposition,fverocity,ftorque, wdiport に格納されます. 目標速度とトルク制限の単位は, 制御パラメータの ken 等で設定した単位に合わせます. 制御パラメータの fp oslimit_h, fp oslimit_l による可動範囲制限は適用されず, を継続します MCD03::SetTorque BOOL SetTorque( float f RefTorque ); float freftorque 目標トルク戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE トルク制御指令で, 目標トルクを設定します. MCD03 は目標トルクに達するようします. MCD03 からは, ステータス, 位置, 速度, トルク, デジタル入力のデータが MCD03 から返送され, メンバ変数の bstatus,fposition,fverocity,ftorque, wdiport に格納されます. 目標トルクとするか電流とするかは, 制御パラメータの ktq 等で設定した単位に合わせます. 制御パラメータの fp oslimit_h, fp oslimit_l による可動範囲制限は適用されず, を継続します MCD03::SetDuty BOOL SetDuty( SHORT sduty ); short sduty PWM のデューティ比に対応する数値戻値成功 :TRUE, 失敗 : FA LSE PWM のデューティ比を直接指令します.MCD03 の PWM は 10bit であるため, sduty には-1023~ 1023 までの値が設定でき, デューティ比の ±100% に対応 18 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

19 します. 設定値により, sduty = 0 モータフリー 0 < sduty 1023 正転 0 > sduty 逆転 sduty>1023 ブレーキの 4 つのをお行います. MCD03 からは, ステータス, 位置, 速度, トルク ( 電流 ), デジタル入力のデータが MCD03 から返送され, メンバ変数の bstatus,fposition,fverocity, ftorque, wdiport に格納されます. 制御パラメータの fp oslimit_h, fp oslimit_l による可動範囲制限は適用されず, を継続します. 19 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

20 注意事項本ソフトウェアは, ソースコードをオープンにしておりますが, 商用利用無断転載はおやめください. また, 本ソフトウェアはお客様が自由に改変して御使用いただけますが, お客様のソフトウェア改変に伴う事故や故障等に関して当方では, 一切の責任を負いません. 本ソフトウェアにより生じるお客様の製品に起因して発生したいかなる損害に対しても当方では, 一切の責任を負いません. 本ソフトウェアの仕様は改良のため予告なく変更することがあります. 改版履歴 2010 年 11 月初版お問い合わせはメールにてお願いいたします. アークデバイス URL: 20 Copyright 2010 Arc Device All Rights Reserved.

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