メカとコンピュータをつなぐ回路
メカトロ機器の一つの目立った形であるロボットは、メカトロであるがゆえの特徴があります。
多くの部品がコンピュータを介してつながっていることです。
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| ディジタル制御システムの例 |
機械システムではこれがリンク機構などのメカニカルな要素で、電子制御システムは電子回路で構成されています。
今日のシステムでは、これにコンピュータが単に仲間として加わったのではなく、原則として中間に入ります。検出された情報の加工や変換、制御則、それらがコンピュータ上のソフトウエアで行われます。 それを模式図としたのが先にも出ている右図です。
そのため、メカトロなシステムの場合、
- センサはそれぞれコンピュータに適切につながっていればよい
- アクチュエータはそれぞれコンピュータに適切につながっていればよい
むろん、旧来のシステムでもこのような区分けはできますが、案外接続部の調整がめんどうだったり(メカニカルなシステムでは実質的に再設計)、制御部分をおいそれとつなぎ変えられなかったりします。
ここでいう「適切」とは、センサやアクチュエータの性能が十分に引き出され、かつ、十分に細かく扱える、ということです。 そのためには、
- センサやアクチュエータの最大能力(出力、信号振幅、信号速度)と、信号の最大能力が一致するように変換できる中間回路
- センサやアクチュエータ本来の分解能(＝区別できる細かさ)を無駄にしない中間回路。
- 対象の「最大出力／分解能」よりも、分割数の多い入出力部分のA/D、D/A、その他カウンタなど
- A/D, D/Aなどとつないで相互に影響を与えないような回路設計(A/Dに必要な電リュを供給できる＝出力抵抗の低さ、D/Aから電流をなるべくとらずに動く回路＝入力抵抗の高さ、ようはオペアンプで回路を作ればわりとＯＫ)
- 出力０〜１[V]
- 細かさ：0.001[V]
- 100Hz程度まで応答
- A/Dは少なくとも10bit(=1024段階) ←1/0.001=1000
- 1kHz以上の変換速度(一般に10倍は見ておく)および処理頻度
- ０〜１を０〜５に変換・増幅する増幅回路 0.001[V]まで扱えること
逆に、それだけの回路さえ用意すれば、コンピュータにつながり、結果的に制御システムに使える、ことになります。
回路の傾向
具体的な回路の傾向は、パソコンベースの制御システムと、マイコンベースのシステムで、そこそこ異なります。
両者に共通する特徴としては、
- ディジタル系が好まれる
→アクチュエータ：PWM制御、Ｈブリッジなど
→センサ：パルス出力型(数、周波数、幅など)
コンピュータとの親和性、効率、耐ノイズ性
両者で異なるのは、アナログの入出力です。 実際には、今日では出力でアナログが使われることは少なく、もっぱら、入力のみです。
- パソコンの場合：
一般に、入力信号は±１０Ｖなどの、アナログ電圧として妥当なレンジをもつ。 そのため、正負のあるセンサは単純に増幅してつなぐのみでよい。 一方、片方向の出力の場合は、レベルシフト(センサ＝ゼロを適切な電圧に移す)も必要。 - マイコンの場合：
一般に０〜５Ｖなどの片電源型が多い。これはマイコン自体が片電源で動作するため。
正負のあるセンサは、増幅して信号振幅をあわせつつ、レベルシフトを行い、ゼロ点が2.5[V]などになるようにする。正出力のみのセンサの場合、単電源オペアンプなどのみで回路を済ませられることも多い。
ただ、依然として「個別に」考えればよく、「コンピュータにつなげば勝ち」といえるところが、メカトロシステムのとても気楽なところです。