JP2008090692A - アクチュエータの位置変動抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸の低回転速度領域での回転変動を効果的に抑制すること。
【解決手段】アクチュエータ出力軸７のフィードバック制御に用いる速度指令ωｒには、波動歯車減速機５の角度伝達誤差による位置成分が加えられている。また、その速度フィードバック値ωｆには、モータ回転軸４の検出位置から演算された速度に、波動歯車減速機の角度伝達誤差による速度成分が加えられている。これらの速度指令ωｒおよび速度フィードバック値ωｆを用いてアクチュエータ出力軸７の回転をフィードバック制御することにより、波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸７の回転位置変動、特に、モータ回転軸４が１００ｒｐｍ程度以下の低速回転領域におけるアクチュエータ出力軸７の回転位置変動を確実に抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータおよび波動歯車減速機を備えたアクチュエータにおける波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸の回転速度の変動を抑制するためのアクチュエータの位置変動抑制方法に関するものである。更に詳しくは、モータの低速回転時におけるアクチュエータ出力軸の速度変動を抑制することのできるアクチュエータの位置変動抑制方法に関するものである。

アクチュエータ、例えば回転アクチュエータとしては、モータの出力回転を波動歯車減速機で減速して負荷側の部材を目標位置に位置決めする構成のものが知られている。波動歯車減速機は、環状の剛性内歯歯車と環状の可撓性外歯歯車と波動発生器とを備えている。典型的な波動歯車減速機では、波動発生器によって可撓性外歯歯車が楕円形に撓まされて、その楕円形の長軸方向の両端に位置する外歯部分が剛性内歯歯車の対応する内歯部分に噛み合わされた状態が形成されている。波動発生器がモータによって回転させられると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動し、両歯車の歯数差２ｎ枚（ｎは正の整数）に応じた相対回転が当該両歯車に発生する。

一般に、両歯車の歯数差は２枚であり、剛性内歯歯車が固定され、可撓性外歯歯車が減速回転出力要素として回転し、当該可撓性外歯歯車に連結されている負荷側の部材が低速で回転駆動される。この場合の減速比ｉは次式で表される。
ｉ＝１／Ｒ＝（Ｚｃ−Ｚｆ）／Ｚｆ
但し、Ｒ：速比
Ｚｆ：可撓性外歯歯車の歯数
Ｚｃ：剛性内歯歯車の歯数

例えば、Ｚｆ＝１００、Ｚｃ＝１０２の場合、減速比ｉは１／５０であり、モータ回転方向に対して出力回転が逆向きになる。

この構成のアクチュエータの駆動制御装置は、一般的にはフィードバック制御によりアクチュエータの位置決め制御を行っている。この場合、波動歯車減速機には角度伝達誤差があり、この誤差によってアクチュエータ出力軸（波動歯車減速機の出力軸）による実際の位置決め位置と、目標とする位置決め位置との間に誤差が発生する。この誤差を補償できれば、波動歯車減速機を備えたアクチュエータの位置決め精度を向上させることができる。

特許文献１、２には、波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因する位置決め誤差を補正して精度良く位置決めを行うアクチュエータの位置決め誤差補正方法が提案されている。特許文献１では位置フィードバックに補正量を加えることにより、また、特許文献２では位置指令に補正量を加えることにより、位置決め精度の向上を図っている。
特開２００２−１７５１２０号公報 特開２００３―２２３２２５号公報

しかしながら、波動歯車減速機を備えたアクチュエータでは、波動歯車減速機の誤差成分の影響によりアクチュエータ出力軸の回転速度に変動が生ずる。例えば、波動歯車減速機の誤差成分の影響により、モータ回転軸が一定速度で回転しているにも拘わらず、アクチュエータ出力軸の回転速度が一定ではなく、変動が生ずる。この影響により、回転しているときに位置変動が生じてしまう。

アクチュエータのフィードバック制御において、速度検出演算において検出速度を補正することにより、回転速度の変動を抑制することが考えられる。しかし、このようにしても、モータ回転軸が１００ｒｐｍ以下程度の低速回転している場合におけるアクチュエータ出力軸の速度変動を抑制することが困難である。

本発明の課題は、この点に鑑みて、波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸の低回転速度領域での回転変動を効果的に抑制することのできるアクチュエータの位置変動抑制方法を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明では、モータと、波動歯車減速機と、前記モータの回転位置を検出するための位置検出器とを備えたアクチュエータにおいて、前記波動歯車減速機の角度伝達精度を予め測定して、得られた角度伝達誤差データから波動歯車減速機の剛性内歯歯車の誤差成分を抽出して誤差補正データを作成しておく。

アクチュエータの速度制御のフィードバックループにおいては、位置指令とモータの位置検出器からの位置フィードバック値を、当該位置フィードバック値に対する誤差補正データにより補正し、補正後の位置フィードバック値と位置指令との位置偏差を演算し、当該位置偏差から速度指令を演算する。したがって、この速度指令には、波動歯車減速機の誤差による位置成分が加えられている。

一方、モータの位置検出器からの位置フィードバック値を、当該位置フィードバック値に対する誤差補正データにより補正し、補正後の位置フィードバック値に基づき、速度フィードバック値を演算する。したがって、演算された速度フィードバック値には、モータ回転速度に波動歯車減速機の誤差による速度成分が加えられている。

演算された速度指令および速度フィードバック値を、アクチュエータ出力軸のフィードバック制御用の値として用いて速度制御することにより、波動歯車減速機の誤差による低速でのアクチュエータ出力軸の回転速度変動を抑制する。

本発明では、アクチュエータ出力軸のフィードバック制御に用いる速度指令に、波動歯車減速機の角度伝達誤差による位置成分が加えられている。また、そのフィードバック制御に用いる速度は、モータ回転軸の検出位置から演算された速度に、波動歯車減速機の角度伝達誤差による速度成分が加えられたものである。

これらの速度指令および速度を用いてアクチュエータ出力軸回転をフィードバック制御することにより、波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸の回転位置変動を効果的に抑制することができる。特に、モータ軸が１００ｒｐｍ程度以下の低速回転領域におけるアクチュエータ出力軸の回転位置変動を確実に抑制できる。

以下に、図面を参照して、本発明の方法を適用したアクチュエータの駆動制御装置の一例を説明する。

図１は本例のアクチュエータの駆動制御装置を示す概略構成図である。この駆動制御装置１によって駆動されるアクチュエータ２は、モータ３と、このモータ回転軸４に連結された波動歯車減速機５と、モータ回転軸４の回転位置を検出可能な位置検出器６を備えている。波動歯車減速機５の出力軸すなわちアクチュエータ出力軸７が負荷（図示せず）に連結されている。位置検出器６はロータリエンコーダ、ポテンショメータ等の絶対位置を検出可能な位置検出器である。

アクチュエータ２の駆動を制御する駆動制御装置１は、アクチュエータ２を、上位機器の側からの位置指令Ｐ_Cによって示される目標位置となるようにフィードバック制御を行うためのものであり、波動歯車減速機５の角度伝達精度の測定値から剛性内歯歯車の誤差成分を抽出して作成した位置決め誤差を表す誤差Ｐ_Xが記憶されている誤差補正データ記憶部１１を有している。

駆動制御装置１の位置制御部１２には、位置指令Ｐ_Cおよびモータ回転位置のフィードバック値から演算した位置偏差Ｐ_Eが入力される。位置偏差Ｐ_Eは次のようにして算出される。モータ３の位置検出器６により検出されるモータ回転軸４の現在の回転位置Ｐ_Fに、この回転位置Ｐ_Fに対する誤差補正データＰ_Xを加算することにより、回転位置のフィードバック値（Ｐ_F＋Ｐ_X）を演算する。位置指令Ｐ_Cからこのフィードバック値を減算して、位置偏差Ｐ_E（＝Ｐ_C−（Ｐ_F＋Ｐ_X））を算出する。

位置制御部１２では、この位置偏差Ｐ_Eに位置ループゲインΚｐを乗算して、速度指令ωｒ（＝Ｐ_E×Κｐ）を演算する。速度指令ωｒは速度制御部１３に入力される。この速度指令ωｒには、波動歯車減速機５の角度伝達誤差による位置成分が加えられている。

速度制御部１３では、速度指令ωｒと、速度演算部１４から入力される速度フィードバック値ωｆとの差に基づき電流指令Ｉｒを演算して、電流アンプ部１５に供給する。電流アンプ部１５を介してモータ駆動電流がモータ３に供給される。

速度演算部１４では次ようにして速度フィードバック値ωｆを演算している。位置検出器６から供給される現在位置Ｐ_Fに、当該現在位置Ｐ_Fに対する誤差補正データＰ_Xを加算して現在位置補正値を求める。この現在位置補正値と、前回のサンプリング時に求められた前回位置補正値から、位置の差分Ｐ_Dを算出する。この差分Ｐ_Dを時間で微分することにより、すなわち、サンプリング周期Δｔで割ることにより、速度フィードバック値ωｆを演算する。この場合の速度演算式は次の通りであり、Ｐ_FLは前回の検出回転位置であり、Ｐ_XLはその回転位置に対する誤差補正データである。
ωｆ＝Ｐ_D／Δｔ＝（（Ｐ_F＋Ｐ_X）−（Ｐ_FL＋Ｐ_XL））／Δｔ
なお、波動歯車減速機５の角度伝達精度の代わりに、アクチュエータ出力軸の一方向位置決め精度を用いることができる。

アクチュエータ２におけるモータ回転軸４の位置決め誤差は、これが連結されている波動歯車減速機５の減速によって、当該減速機５の減速比分の一に圧縮される。例えば、波動歯車減速機５の速比が５０あるいは１００の場合には、モータ自体の位置決め誤差は１／５０、あるいは１／１００に圧縮される。従って、アクチュエータ２の位置決め誤差は、主として波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因するので、当該アクチュエータ２の一方向位置決め精度は波動歯車減速機５の角度伝達誤差によって決まることになる。

一方向位置決め精度とは、一定方向の回転方向で次々に位置決めを行い、それぞれの位置で、基準位置から実際に回転した角度と回転すべき角度との差を求め、これらの値の１回転中における最大値を表わすものである。

例えば、アクチュエータ２の一方向位置決め精度、すなわちアクチュエータ２の位置決め誤差を、モータ回転軸４の絶対位置を基にして、アクチュエータ出力軸７の一回転分測定する。例えば、波動歯車減速機５の速比が１／５０の場合には、モータ回転軸４が５０回転すると出力軸７が一回転することになる。

この位置決め誤差を、例えば、位置検出器６の出力に基づき、モータ回転軸４が３°回転する毎に測定する。この場合には、測定ポイントはモータ回転軸４については１２０ポイント（３６０°／３°）であり、アクチュエータ出力軸７では、１２０ポイント×（速比）分になる。次に、各測定ポイントの誤差データ、例えば１２０箇所の誤差データをそれぞれ平均化して、モータ回転軸４の一回転分のデータを作成する。

以上説明したように、本例のアクチュエータの駆動制御装置１においては、アクチュエータ出力軸７のフィードバック制御に用いる速度指令ωｒには、波動歯車減速機５の角度伝達誤差による位置成分が加えられている。また、そのフィードバック制御に用いる速度フィードバック値ωｆは、モータ回転軸４の検出位置から演算された速度に、波動歯車減速機５の角度伝達誤差による速度成分が加えられたものである。

したがって、これらの速度指令ωｒおよび速度フィードバック値ωｆを用いてアクチュエータ出力軸回転７をフィードバック制御することにより、波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸７の回転位置変動を効果的に抑制することができる。特に、モータ出力軸４が１００ｒｐｍ程度以下の低速回転領域におけるアクチュエータ出力軸の回転位置変動を確実に抑制できる。

本発明を適用したアクチュエータの駆動制御装置の一例を示す概略ブロック図である。

符号の説明

１ 駆動制御装置
２ アクチュエータ
３ モータ
４ モータ回転軸
５ 波動歯車減速機
６ 位置検出器
７ アクチュエータ出力軸
１１ 誤差補正データ記憶部
１２ 位置制御部
１３ 速度制御部
１４ 速度演算部
１５ 電流アンプ部

Claims (1)

1. モータと、波動歯車減速機と、前記モータの回転位置を検出するための位置検出器とを備えたアクチュエータの位置変動抑制方法であって、
   前記波動歯車減速機の角度伝達精度を予め測定して、得られた角度伝達誤差データから波動歯車減速機の剛性内歯歯車の誤差成分を抽出して誤差補正データを作成しておき、
   前記アクチュエータの速度制御のフィードバックループにおいては、
   位置指令と前記モータの前記位置検出器からの位置フィードバック値を、当該位置フィードバック値に対する誤差補正データにより補正し、補正後の位置フィードバック値と前記位置指令の位置偏差を演算し、当該位置偏差から速度指令を演算し、
   前記モータの位置検出器からの位置フィードバック値を、当該位置フィードバック値に対する誤差補正データにより補正し、補正後の位置フィードバック値に基づき、速度フィードバック値を演算し、
   前記速度指令および前記速度フィードバック値から、前記モータ駆動用の電流指令を演算することを特徴とするアクチュエータの位置変動抑制方法。

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