JP2001255220A

JP2001255220A - 負荷トルク測定装置

Info

Publication number: JP2001255220A
Application number: JP2000063267A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamamoto; 裕之山本
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2001-09-21

Abstract

(57)【要約】【課題】測定対象を限定することなく非接触で高速に
高精度の測定が行える負荷トルク測定装置を提供する。【解決手段】モータの回転角を測定する回転角測定手
段と、モータの駆動電流を測定する駆動電流測定手段
と、回転角と駆動電流に基づいて負荷トルクを求めるト
ルク演算部、とで構成されたことを特徴とするもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プリンタなどの機
器に組み込まれたモータにかかる負荷トルクを測定する
負荷トルク測定装置に関し、詳しくは、被測定系に電気
的に影響を与えることなく、実際の使用状態で動的な負
荷トルク変動を測定できる測定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】モータの負荷トルクを測定する装置とし
て、ａ）歪みゲージ式のトルクセンサを用い、検出信号に対
して演算処理を施すことにより所望のトルク情報を求め
るｂ）実際の機器に組み込まれているモータの駆動電流の
特徴量に基づきトルク特性を求めるものなどが実用化さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】トルクセンサを使用し
た負荷トルク測定装置は、センサを用いた測定であるこ
とからトルクの測定確度が高いという利点がある反面、
実際に使用する場合には次のような問題点がある。１）被測定機器のモータを外してその替わりに測定装置
のセンサ部を結合するため、実使用状態で問題となるモ
ータ接続用カップリングの影響、モータ取付け位置誤差
の影響などについての正確な評価ができない。２）被測定機器の改造やセンサの着脱が必要となり、作
業性が悪い。

【０００４】３）過負荷状態になると脱調する可能性の
あるパルスモータを使用する機器の設計においては、動
的負荷の評価が非常に重要になるが、この測定装置では
被測定機器の回転軸を定速回転させた状態で負荷トルク
を測定するため、加減速時の慣性負荷など、動的に発生
する負荷の評価ができない。

【０００５】４）実際の機器では、モータの動作シーク
エンスによってカムの接続／取外しを行い、単一動力源
で複雑な動作を行わせることが多いが、この測定装置は
定速回転測定が前提であるために動作シークエンスを模
すことができず、動作シークエンスに伴う負荷変動の評
価が行えない。５）各状態での負荷測定にあたっては手動で状態を変更
しなければならず、作業性が著しく悪い。

【０００６】これに対し、モータ駆動電流の特徴量から
負荷トルクを測定する装置では、実際に機器に組込まれ
るパルスモータをセンサとしていることから、上記の
１），２）の問題は本質的に解消されているものの、非
定速回転時の負荷測定は測定原理上困難であって３）〜
５）の問題点は未だ解消されず、さらに次のような問題
点が加わる。

【０００７】６）測定装置の駆動回路で駆動する構成で
あるため、測定できるモータ形式が予め用意した駆動回
路に適応した機種のみに限定される。７）励磁方式、駆動回路のインピーダンス条件等が実機
と異なり、振動特性等が実機と異なる等の細かな挙動変
化が生じる可能性がある。

【０００８】本発明はこのような問題点に着目したもの
であり、その目的は、測定対象を限定することなく非接
触で高速に高精度の測定が行える負荷トルク測定装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
る請求項１の発明は、モータの回転角を測定する回転角
測定手段と、モータの駆動電流を測定する駆動電流測定
手段と、回転角と駆動電流に基づいて負荷トルクを求め
るトルク演算部、とで構成されたことを特徴とする負荷
トルク測定装置である。

【００１０】これにより、被測定系に電気的・機械的に
影響を与えることなく、実際の使用状態における負荷ト
ルクを測定できる。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１記載の負荷ト
ルク測定装置において、回転角測定手段として、モータ
の回転軸に取り付けたエンコーダを用いることを特徴と
する。

【００１２】一般にエンコーダは軽量であり、エンコー
ダによる被測定系への影響は、実質的に無視できる。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１記載の負荷ト
ルク測定装置において、回転角測定手段として、モータ
の回転軸の回転を非接触で測定する手段を用いることを
特徴とする。

【００１４】非接触でモータの回転軸の回転を測定でき
るので、エンコーダの取り付けスペースが確保できない
ような組み込み状態であっても、回転軸を目視可能であ
れば測定が行える。

【００１５】請求項４の発明は、請求項１記載の負荷ト
ルク測定装置において、回転角測定手段として、モータ
の駆動電流と駆動電圧に基づいて推定する回転角推定手
段を用いることを特徴とする。

【００１６】回転角測定用の特別な器材は不要であり、
測定者による個人差のない測定結果が得られる。

【００１７】請求項５の発明は、請求項１記載の負荷ト
ルク測定装置において、トルク演算部として、回転角と
駆動電流と発生トルクを関連付けたルックアップテーブ
ルを用いることを特徴とする。

【００１８】予め格納されているテーブルから回転角と
駆動電流の値に該当する発生トルクを読み出せばよく、
演算処理ステップを簡略化できる。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１記載の負荷ト
ルク測定装置において、トルク演算部は、回転角と発生
トルクの関係を正弦波近似させた演算を行うことを特徴
とする。

【００２０】デジタル的な分解能により制限されないア
ナログ的に無段階で連続的な測定結果が得られる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態の一例を
示す構成図である。図において、被測定装置Ｂのパルス
モータ１には、負荷２とエンコーダ３が連結されてい
る。パルスモータ１の各相のコイルは、制御部４で制御
される駆動回路５により選択的に励磁される。駆動回路
５と各相コイルとの間には、駆動電流を測定するための
電流センサ６が接続されている。このような電流センサ
６としては、電磁気的なセンサやシャント抵抗などを用
いる。

【００２２】負荷トルク測定器Ａにおいて、カウンタ７
にはエンコーダ３の出力パルスが入力されている。カウ
ンタ７の出力はトルク演算部８に入力されている。電流
センサ６の出力信号はそれぞれに対応したＡ／Ｄ変換器
９に入力されている。これらＡ／Ｄ変換器９の出力もト
ルク演算部８に入力されている。トルク演算部８にはル
ックアップテーブルＬＵＴが設けられている。このトル
ク演算部８の演算結果は表示器１０に表示されるととも
に、Ｄ／Ａ変換器１１を介して外部にアナログ信号とし
て出力される。

【００２３】このような構成において、指定されたサン
プリング周期毎にモータ電流値とモータ回転角を測定
し、これらモータ駆動電流値およびモータ回転角からル
ックアップテーブルＬＵＴを参照して、各サンプリング
時刻におけるモータ発生トルク（＝負荷トルク）を演算
する。そして、演算された負荷トルク値を表示器１０に
表示するとともに、Ｄ／Ａ変換器１１によりアナログ信
号に変換して外部に出力する。

【００２４】表示にあたっては、数値による表示やデジ
タルオシロスコープのような時系列波形としての表示を
行う。アナログ信号出力は特にその出力信号に基づいて
制御を行う変換器を構成する場合に有益である。

【００２５】なおエンコーダを使用しない機器において
も、測定用に軽負荷のエンコーダをパルスモータに付加
することで同様に測定できる。

【００２６】回転角測定用のセンサとしては、光学的な
エンコーダ以外にも磁気式エンコーダ、抵抗ポテンシ
ョ、レゾルバなども適用可能であるが、その場合の入力
部はカウンタではなく、それぞれのセンサに適したもの
を用いればよい。

【００２７】また、モータとして例えばＤＣブラシレス
モータを使った場合などは、磁極検出のホール出力を内
挿することによっても角度検出が可能である。

【００２８】トルクの演算は、次のようにして実行す
る。なお以下では、被測定機器に実際に使用するパルス
モータが組込まれた状態でモータにかかる負荷トルクを
駆動電流、回転角から推定（測定）する方法について説
明するが、これはモータが機器に組込まれて動作してい
る状態では、「モータ発生トルク＝慣性項を含む負荷ト
ルク」という力の釣合い関係が常に成り立ち、負荷トル
クを推定していることと等価であるという考えに基づい
ている。

【００２９】一般に、パルスモータの一つの相について
考えた場合の瞬時発生トルクＴは、

【００３０】

【数１】

【００３１】Ｗｍ：極と歯の空間に蓄えられる磁気エネルギ θ：（モータ）回転角Ｔ：モータ発生トルクＮ：固定子磁極の巻き数Ｉ：駆動電流Ｌ：等価インダクタンスとなる。Ｎが定数であり、等価インダクタンスＬが回転
角θ、駆動電流Ｉの関数であることを考えると、モータ
の発生する瞬時トルクＴは、回転角θ、駆動電流Ｉの瞬
時値から一意に定められることが分かる。しかし、等価
インダクタンスＬの値は実測、計算することが難しい量
であるため、直接トルクＴを推定することはできない
が、次の方法でモータ特性を値付けすることで、実際の
値を計算することが可能となる。

【００３２】１）校正による方法これは、測定に先だって、回転角θ、駆動電流Ｉとモー
タ発生トルクＴの関係を校正により値付けしておく方法
である。具体的には、例えば、図２や図３に示すような
形で値付けを行う。

【００３３】２）正弦波近似による方法回転角θとモータ発生トルクＴの関係は、歯の形状等の
影響で必ずしも確度はないが、簡易的な取扱として式
（２）のように正弦波関数で近似計算できる。計算速
度、作業性を重視するような場合は、この式を図２の関
係として用いることで図２の校正手順を省き、駆動電流
Ｉとピークトルクの関係を校正するのみで推定計算が可
能となる。

【００３４】駆動電流Ｉとピークトルクの関係の校正
は、例えばバネばかり式のトルクゲージを使って、手動
で簡易に行うことができる。

【００３５】

【数２】

【００３６】なお、2、4、5相などの複数相を持つモー
タにおいては、全相の発生トルクを上述の方法で計算
し、各相の機械的な角度位相差を考慮して合計すること
で、モータ全体の発生トルクが計算できる。

【００３７】エンコーダを使用しない機器の測定につい
て説明する。パルスモータは一般にエンコーダなどの位
置帰還要素を用いずに開ループで制御を行うことが多
く、エンコーダの出力に基づく回転角測定ができない場
合がある。

【００３８】その場合、図４に示すように、モータの回
転位置を測定するように構成された変位計１２を用いる
ことで図１と等価な測定を行うことができる。図４の測
定装置は、図１のエンコーダ３の出力信号をカウントす
る部分が変位計１２の出力を回転角に変換するＡ／Ｄ変
換器１３（変換演算含む）に置きかえられるのみで、他
は図１と同じ構成・動作が行われる。

【００３９】次に校正装置について説明する。本発明
は、前述のように、予め使用するパルスモータの回転角
θと駆動電流Ｉと発生トルクＴの関係を校正しておくこ
とが前提となる。この校正を行う装置の例を図５に示
す。

【００４０】図５において、モータ駆動回路１３，１４
とカウンタ１５と電流センサ１６とＡ／Ｄ変換器１７
は、それぞれ測定装置と同様なものである。校正テーブ
ル計算部１８は、測定された駆動電流、回転角、トルク
から各量の関係を求め、測定に使用されるルックアップ
テーブルＬＵＴを作成する機能を備えている。トルクセ
ンサ１９は発生トルクを実測する部分であり、一端には
駆動用モータ２０が連結され、他端には被校正モータ１
が連結されている。制御部２１は装置の各部を統括して
制御する。

【００４１】このような構成において、制御部２１は、
駆動用モータ２０が微小回転角ずつ回るようにモータ駆
動回路１３を制御する。このとき、被校正用モータ１の
駆動電流は一定値（Ｉ）に維持する。その際、カウンタ
１５で回転角度を測定し、電流センサ１６とＡ／Ｄ変換
器１７で各回転角度における被校正モータ駆動電流を測
定し、トルクセンサ１９で各回転角度におけるモータ発
生トルクを測定する。

【００４２】校正テーブル計算部１８において、駆動電
流Ｉ、回転角θ、トルクＴから各量の関係を求め、ルッ
クアップテーブルＬＵＴを作成する。以上の動作を複数
の駆動電流値Ｉについて行い、最終的なルックアップテ
ーブルＬＵＴを作成する。

【００４３】このような構成の負荷トルク測定装置によ
れば、被測定機器を機械的にも電気的にも変更すること
なく、被測定機器の実際の動作状態で、負荷トルクを測
定できる。また、原理上瞬時トルクの測定が可能であ
り、動的な負荷トルク変動も測定できる。すなわち、前
述の問題点をすべて解消した負荷トルク測定装置が実現
できる。

【００４４】なお、実施態様例では測定対象をパルスモ
ータ使用機器としているが、原理的にはＤＣ（ブラシレ
ス）モータやスイッチドリラクタンスモータなど、モー
タ回転角とモータ励磁電流から一意に瞬時トルクが定ま
る形式のモータに全て適用可能である。

【００４５】また、実施態様例では、モータ回転角を物
理的に測定することを前提としているが、逆起電力の発
生や回転に伴うインダクタンス変化のような物理現象を
基にして、オブザーバやカルマンフィルタのような推定
技術を用いることで、モータ駆動電圧および電流から回
転角を推定することもできる。

【００４６】図６はこのような装置の構成例図である。
Ａ／Ｄ変換器２２はモータ駆動電圧をデジタル信号に変
換してモータ回転角推定器２３に出力する。モータ回転
角推定器２３は、Ａ／Ｄ変換器９から入力されるモータ
駆動電流のデジタル信号とＡ／Ｄ変換器２２から入力さ
れるモータ駆動電圧のデジタル信号に基づいてモータの
回転角を推定し、推定結果をトルク演算部８に出力す
る。

【００４７】このような方法によれば、図１や図４のよ
うな機械量測定を行わなくてよいので機械量測定のため
の付加部品や測定器が不要になる。

【００４８】上記各実施例では、全てバイファイラ巻き
線のパルスモータをユニポーラ４相駆動した場合の例
（つまりモータ駆動信号線が４本になっている）を示し
たが、２相、５相のパルスモータでもＡ／Ｄ変換器の数
は異なるものの基本的には同じ構成で測定可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
測定対象を限定することなく非接触で高速に高精度の負
荷トルク測定が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示す構成図であ
る。

【図２】測定に先立つ校正の説明図である。

【図３】測定に先立つ校正の説明図である。

【図４】本発明の実施の形態の他の例を示す構成図であ
る。

【図５】本発明の実施の形態の他の例を示す構成図であ
る。

【図６】本発明の実施の形態の他の例を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１モータ２負荷３エンコーダ４，２１制御部５，１４モータ駆動回路６，１６電流センサ７，１５カウンタ８トルク演算部９，１３，１７，２２Ａ／Ｄ変換器１０表示器１１Ｄ／Ａ変換器１２変位計１８校正テーブル計算部１９トルクセンサ２０駆動用モータ２３モータ回転角推定器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モータの回転角を測定する回転角測定手段
と、モータの駆動電流を測定する駆動電流測定手段と、回転角と駆動電流に基づいて負荷トルクを求めるトルク
演算部、とで構成されたことを特徴とする負荷トルク測
定装置。
【請求項２】回転角測定手段として、モータの回転軸に
取り付けたエンコーダを用いることを特徴とする請求項
１記載の負荷トルク測定装置。
【請求項３】回転角測定手段として、モータの回転軸の
回転を非接触で測定する手段を用いることを特徴とする
請求項１記載の負荷トルク測定装置。
【請求項４】回転角測定手段として、モータの駆動電流
と駆動電圧に基づいて推定する回転角推定手段を用いる
ことを特徴とする請求項１記載の負荷トルク測定装置。
【請求項５】トルク演算部として、回転角と駆動電流と
発生トルクを関連付けたルックアップテーブルを用いる
ことを特徴とする請求項１記載の負荷トルク測定装置。
【請求項６】トルク演算部は、回転角と発生トルクの関
係を正弦波近似させた演算を行うことを特徴とする請求
項１記載の負荷トルク測定装置。