JP2011123716A - 駆動装置、駆動方法、及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】駆動装置(1a)は、回転駆動する駆動部(10)と、駆動部(10)の駆動出力軸の回転角度位置を検出し第1の位置情報を生成する第1の位置検出器(31)と、駆動部(10)の駆動出力軸に接続された減速機(20)と、減速機(20)の減速出力軸の回転角度位置を検出し第2の位置情報を生成する第2の位置検出器(32)と、第1の位置情報と前記第2の位置情報とを選択的に用いて駆動部(10)を制御する制御部(100a)と、を備える。
【選択図】図1
Description
近年、より高い位置決め精度の要請が高まったことにより、また、エンコーダのコスト低下も伴って、減速器の出力軸にもエンコーダを設ける駆動装置がある。そのような構成の駆動装置では、減速器におけるバックラッシュなどを考慮して、更に、トルクフィードバック制御を行う機能を付加した駆動装置がある(例えば、特許文献1参照)。
(第1実施形態)
図1は、本実施形態による駆動装置の構成を示すブロック図である。
この図1に示される駆動装置1aは、モーター10、減速器20、入力軸エンコーダ31、出力軸エンコーダ32、重み付け演算部40a、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80を備える。また、重み付け演算部40a、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80は、モーター10を制御する制御部100aを形成する。
減速器20は、モーター10の出力軸に接続され、その出力軸と共に転回する入力軸を備え、入力軸に加えられた回転を所望の減速率で減速して出力軸(減速出力軸)を回転させる。減速器20の出力軸には、負荷が接続され、変換されたトルクを供給する。
入力軸エンコーダ31は、減速器20の入力側に設けられ、減速器20の入力軸、すなわちモーター10(駆動部)の出力軸(駆動出力軸)の回転角度位置を検出し、検出した回転角度位置情報(第1の位置情報)を生成する。
出力軸エンコーダ32は、減速器20の出力側に設けられ、減速器20の出力軸(減速出力軸)の回転角度位置を検出し、検出した回転角度位置情報(第2の位置情報)を生成する。
重み付け演算部40aは、選択条件として設定される重み係数に応じて、「第1の位置情報」、「第2の位置情報」に対する重み付け演算を行い、検出位置を示す検出位置情報を生成する。
例えば、判定部41aは、モーター10の目標回転位置指令値に応じて定められる基準値によって回転位置誤差の値を判定し、モーター10の目標回転位置指令値に応じて定められる基準値に、第1の位置情報が達した場合に、第2の位置情報を選択的に用いるように、或いは、第1の位置情報より第2の位置情報の比率を高くするように重み係数を変更する。モーター10の目標回転位置指令値に応じて定められる基準値は、モーター10の目標回転位置指令値に対して、予め定められる比率を乗算して生成される。
このように、重み付け演算部40aは、制御状態に応じて、その重み係数が変更される。
なお、重み付け演算部40aは、第1の位置情報と第2の位置情報とに対して、減速器20における減速率、並びに、入力軸エンコーダ31、出力軸エンコーダ32における検出ゲインに応じた、比例変換を行うこととする。
位置制御器52は、減算器51によって生成された回転位置誤差が供給され、その回転位置誤差に応じて目標回転角速度を生成する。位置制御器52は、供給される回転位置誤差に対し、予め定められる伝達関数、又は、比例係数に基づいた演算処理により、目標回転角速度を生成する。
減算器71は、モーター10の目標回転角速度指令値から、微分器60からの検出角速度情報の値を減算する。すなわち、微分器60からの検出角速度情報は、速度制御ループにおけるフィードバック制御の負帰還信号として供給され、目標回転角速度から減算することにより目標回転角速度との回転角速度誤差が導かれる。
速度制御器72は、減算器71によって生成された回転角速度誤差が供給され、その回転角速度誤差に応じて制御量指令値を生成する。速度制御器72は、供給される回転角速度誤差に対し、予め定められる伝達関数、又は、比例係数に基づいた演算処理により、制御量指令値を生成する。
電流制御器80は、生成された制御量指令値にしたがって、モーター10を駆動する制御電流をモーター10に供給する。また、電流制御器80は、モーター10を駆動する制御電流、及び、モーター10の出力軸の回転角度位置情報(電機子位置情報)による電流ベクトル制御が行われる。
フルクローズドループ制御では、減速器20の出力軸の回転角度位置を位置制御のフィードバック信号とする。これにより、停止位置の精度を高めることができる。しかしながら、駆動装置は、位置制御ループ内に減速器20を含むこととなり、減速器20における弾性による追従性の低下や、ギアのバックラッシュなどによって生じる無駄時間の影響による遅延によりループゲインを高めることができず応答性が低下する場合がある。
応答性に影響を与える減速器20を位置制御ループ内から除いた構成の駆動装置は、応答性の低下を防ぐことができる。また、目標回転位置が大きく変更する場合には、駆動装置は、停止位置に近づくまでは応答性を確保できることが望ましい。そこで、本実施形態における駆動装置は、その目標回転位置に到達するまでは、停止位置精度の確保より応答性を確保することを優先させる。駆動装置1aは、この優先度付けに基づいて、位置制御ループの帰還信号を、重み付け演算部40aによる重み係数に応じて変更する。
つまり、本実施形態における駆動装置1aは、停止位置までの乖離が大きく、停止位置に対する誤差が大きな状態では、減速器20の入力軸、すなわちモーター10の出力軸の回転角度位置に基づいて制御(セミクローズドループ制御)を行って応答性を確保する。そして、駆動装置1aは、停止位置に近づいて、停止位置に対する誤差が小さな状態では、フルクローズドループ制御を行うことによって停止位置精度を確保することが可能となる。
例えば、フィードバックする情報の関係式を式(1)として示す。
式(1)は、重み係数(k)を用いて、第1の位置情報と第2の位置情報に対しての重み付け平均演算を行う式であり、kの値を適当に選択することによりそれぞれの比を変更することができる。そして、kの値を徐々に変更することにより、切り替え時の出力(検出位置情報)の急な変動を吸収することも可能となる。
図2は、本実施形態における駆動装置の位置制御の結果を示す図である。
図2(a)は、縦軸が回転位置(ミリラディアン)、横軸が時間(秒)を示す。目標回転位置指令値として、1(ミリラディアン)の変化を時刻0秒の時点で与えた場合のステップ応答を示す。この図において、波形S101に示すグラフが本実施形態における結果を示し、波形S102に示すグラフが減速器20の入力軸、すなわちモーター10の出力軸の回転角度位置に基づいて制御(セミクローズドループ制御)を行う場合の減速器20の出力軸の回転角度位置を示す。
波形S101に示すグラフでは、時刻0.5秒までに目標回転位置指令値(1(ミリラディアン))に収束しているが、波形S102に示すグラフでは、負荷による影響を受けて約0.2(ミリラディアン)の誤差が生じている。
また、時刻0秒で印加したステップ応答が安定した時刻5秒の時点で、負荷を増加して外乱の影響を評価する。
波形S101に示すグラフでは、時刻5.5秒までに目標回転位置指令値(1(ミリラディアン))に収束しているが、波形S102に示すグラフでは、増加した負荷の影響を受けて約0.4(ミリラディアン)と誤差が増大する。
時刻0秒と、時刻5秒の時点で位置誤差の値が、瞬時的に増大し、目標回転位置に近づくにつれ、一次応答特性のように減少する。ここで、目標回転位置指令値に応じた基準値を定め、位置誤差の値がその基準値を超えるか否かの判定を行う。
図2(c)は、上記判定の結果を示すグラフである。
定められた基準値を位置誤差の値が超えた場合を、正のパルスが示す。駆動装置1aは、そのパルスの期間においては、フルクローズドループ制御を中断し、応答性を優先とした制御(セミクローズドループ制御)に切り替える。
図3を参照し、本実施形態の駆動装置について示す。
図3は、本実施形態における駆動装置の構成を示すブロック図である。
図3に示される駆動装置1bは、モーター10、減速器20、入力軸エンコーダ31、出力軸エンコーダ32、重み付け演算部40b、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80を備える。また、重み付け演算部40b、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80は、モーター10を制御する制御部100bを形成する。図1と同じ構成には、同じ符号を付す。また、本実施形態は、第1実施形態における重み付け演算部40aが、重み付け演算部40bに置き換えられた場合の一態様である。ただし、重み付け演算部40bが備える判定部41bは、重み付け演算部40aにおける判定部41aと異なる。
図4を参照し、本実施形態の駆動装置について示す。
図4は、本実施形態における駆動装置の構成を示すブロック図である。
図4に示される駆動装置1cは、モーター10、減速器20、入力軸エンコーダ31、出力軸エンコーダ32、重み付け演算部40c、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80を備える。また、重み付け演算部40c、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80は、モーター10を制御する制御部100cを形成する。図1と同じ構成には、同じ符号を付す。また、本実施形態は、第1実施形態における重み付け演算部40aが、重み付け演算部40cに置き換えられた場合の一態様である。ただし、重み付け演算部40cが備える判定部41cは、重み付け演算部40aにおける判定部41aと異なる。
判定部41cは、モーター10の出力軸の回転角速度として、微分器60による微分演算から生成される検出回転角速度の値を判定し、判定結果応じて重み付け演算の重み係数を変更する。例えば、判定部41cは、予め定められる基準値によって、検出回転角速度の値を判定する。判定部41cは、定められる基準値まで、検出回転角速度が低下した場合に、第2の位置情報を選択的に用いるように、或いは、第1の位置情報より第2の位置情報の比率を高くするように重み係数を変更する。
図5は、本実施形態における駆動装置の位置制御の結果を示す図である。
図5(a)は、縦軸が回転位置(ミリラディアン)、横軸が時間(秒)を示す。目標回転位置指令値として、1(ミリラディアン)の変化を与えた場合のステップ応答を示す。この図において、波形S111に示すグラフが本実施形態における結果を示し、波形S112に示すグラフが減速器20の入力軸、すなわちモーター10の出力軸の回転角度位置に基づいて制御(セミクローズドループ制御)を行う場合の減速器20の出力軸の回転角度位置を示す。
波形S111に示すグラフでは、時刻0.5秒までに目標回転位置指令値(1(ミリラディアン))に収束しているが、波形S112に示すグラフでは、負荷による影響を受けて約0.2(ミリラディアン)の誤差が生じている。
また、時刻0秒で印加したステップ応答が安定した、時刻5秒の時点で負荷を増加して外乱の影響を評価する。
波形S111に示すグラフでは、時刻5.5秒までに目標回転位置指令値(1(ミリラディアン))に収束しているが、波形S112に示すグラフでは、増加した負荷の影響を受けて約0.4(ミリラディアン)と誤差が増大する。
時刻0秒と、時刻5秒との時点で検出回転角速度の値が、瞬時的に増大し、目標回転位置に近づくにつれ、検出回転角速度の値が過度的に減少する。ここで、判定部41cは、所望の値の基準値を定め、検出回転角速度がその基準値より低下するか否かの判定を行う。
図5(c)は、上記判定の結果を示すグラフである。
定められた基準値より出回転角速度の値が超えた場合を、正のパルスが示す。駆動装置1cは、そのパルスの期間においては、フルクローズドループ制御を中断し、応答性を優先とした制御(セミクローズドループ制御)に切り替えることとする。
図6を参照し、本実施形態の駆動装置について示す。
図6は、本実施形態における駆動装置の構成を示すブロック図である。
図6に示される駆動装置1dは、モーター10、減速器20、入力軸エンコーダ31、出力軸エンコーダ32、重み付け演算部40d、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80を備える。また、重み付け演算部40d、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80は、モーター10を制御する制御部100dを形成する。
図1と同じ構成には、同じ符号を付す。また、本実施形態は、第1実施形態における重み付け演算部40aが、重み付け演算部40dに置き換えられた場合の一態様である。ただし、重み付け演算部40dが備える判定部41dは、重み付け演算部40aにおける判定部41aと異なる。
判定部41dは、モーター10の目標回転位置指令値と、入力軸エンコーダ31が検出した回転角度位置情報(第1の位置情報)とに基づいて判定し、判定結果応じて重み付け演算部40dの重み係数を変更する。
例えば、判定部41dは、モーター10の目標回転位置指令値と、検出された第1の位置情報との差が、定められる基準値より小さいか否かを判定する。判定部41dは、その差が基準値より小さい場合に、第2の位置情報を選択的に用いるように、或いは、第1の位置情報より第2の位置情報の比率を高くするように重み係数を変更する。
本実施形態によれば、判定部41dは、モーター10の目標回転位置指令値と、検出された第1の位置情報とを比較することによって判定することから、連続的な判定が可能となる。
図7を参照し、本実施形態の駆動装置について示す。
図7は、本実施形態における駆動装置の構成を示すブロック図である。
図7に示される駆動装置1eは、モーター10、減速器20、入力軸エンコーダ31、出力軸エンコーダ32、重み付け演算部40e、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80を備える。また、重み付け演算部40e、減算器51、71、位置制御器52、微分器60、速度制御器72、及び、電流制御器80は、モーター10を制御する制御部100eを形成する。
図1と同じ構成には、同じ符号を付す。また、本実施形態は、第1実施形態における重み付け演算部40aが、重み付け演算部40eに置き換えられた場合の一態様である。ただし、重み付け演算部40dが備える判定部41eは、重み付け演算部40aにおける判定部41aと異なる。
判定部41eは、モーター10の目標回転位置指令値と、出力軸エンコーダ32が検出した回転角度位置情報(第2の位置情報)とに基づいて判定し、判定結果応じて重み付け演算の重み係数を変更する。
例えば、判定部41eは、モーター10の目標回転位置指令値と、検出された第2の位置情報との差が、定められる基準値より小さいか否かを判定する。判定部41eは、その差が基準値より小さい場合に、第2の位置情報を選択的に用いるように、或いは、第1の位置情報より第2の位置情報の比率を高くするように重み係数を変更する。
第4実施形態と第5実施形態とを比較すると、検出された位置情報が、第1の位置情報とするか、第2の位置情報とするかが異なる。本実施形態における判定部41eは、モーター10の目標回転位置指令値と、検出された第2の位置情報とを比較することによって判定することから、連続的な判定が可能となる。
以下、図8を参照して、本実施形態の装置について説明する。図8は、本実施形態における駆動装置(1a〜1e)を備える多軸駆動形ロボットアームの構成を示す概略ブロック図である。以降の説明において、多軸駆動形ロボットアームをアーム制御装置(装置)として説明する。
これにより、駆動装置1a〜1eは、新たな制御ループを増やすことなく、簡易な構成でありながら位置決め精度を高めることが可能となる。上記に示したように、駆動装置1a〜1eは、第1の位置情報と第2の位置情報とを選択的に選ぶことにより、制御状態に応じて必要な情報を用いた制御(セミクローズドループ制御又はフルクローズドループ制御)が可能となる。また、駆動装置1a〜1eは、重み付けの設定を行うことにより第1の位置情報と第2の位置情報とを組み合わせた情報を検出された回転位置情報として用いることも可能となる。
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
アーム制御装置における主制御装置805は、複数の駆動装置1a〜1eの制御を可能とし、駆動装置の実施態様の組合せは任意の組合せが可能である。また、複数の駆動装置を制御する実施態様では、複数の駆動装置に含まれる各エンコーダから出力される信号を取得して、それぞれの駆動装置の状態に応じて、それぞれの駆動装置に対する制御指令値を導くこととしてもよい。
10 モーター
20 減速器20
31 入力軸エンコーダ
32 出力軸エンコーダ
40a 重み付け演算部
41a 判定部
51、71 減算器
52 位置制御器
60 微分器
72 速度制御器
80 電流制御器
100a 制御部
Claims (13)
- 回転駆動する駆動部と、
前記駆動部の駆動出力軸の回転角度位置を検出し第1の位置情報を生成する第1の位置検出器と、
前記駆動部の駆動出力軸に接続された減速機と、
前記減速機の減速出力軸の回転角度位置を検出し第2の位置情報を生成する第2の位置検出器と、
前記第1の位置情報と前記第2の位置情報とを選択的に用いて前記駆動部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする駆動装置。 - 前記制御部は、
前記第1の位置情報と前記第2の位置情報とに対するそれぞれの重み係数に応じて、前記第1の位置情報と前記第2の位置情報とのうち少なくとも一方を選択する選択部を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。 - 前記制御部は、
前記第1の位置情報と前記第2の位置情報とに対するそれぞれの前記重み係数を算定する重み付け演算部を備える
ことを特徴とする請求項2に記載の駆動装置。 - 前記重み付け演算部は、
前記駆動部の目標回転位置指令値と前記第1の位置情報とに基づいて前記重み係数を変更する
ことを特徴とする請求項3に記載の駆動装置。 - 前記重み付け演算部は、
前記第1の位置情報が前記駆動部の目標回転位置指令値に応じて定められる基準値に達した場合に、前記第2の位置情報を選択的に用いるように前記重み係数を変更する
ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の駆動装置。 - 前記重み付け演算部は、
前記駆動部の目標回転位置指令値に対する前記第1の位置情報の誤差が予め定められる基準値より小さくなった場合に、前記第2の位置情報を選択的に用いるように前記重み係数を変更する
ことを特徴とする請求項3から請求項5のいずれかに記載の駆動装置。 - 前記重み付け演算部は、
前記駆動部の目標回転角速度が予め定められる基準値より低下した場合に、前記第2の位置情報を選択的に用いるように前記重み係数を変更する
ことを特徴とする請求項3から請求項6のいずれかに記載の駆動装置。 - 前記重み付け演算部は、
前記第1の位置情報の変化率が予め定められる基準値より低下した場合に、前記第2の位置情報を選択的に用いるように前記重み係数を変更する
ことを特徴とする請求項3から請求項7のいずれかに記載の駆動装置。 - 前記重み付け演算部は、
前記駆動部の目標回転位置指令値と前記第1の位置情報と前記第2の位置情報とに基づいて前記重み係数を変更する
ことを特徴とする請求項3から請求項8のいずれかに記載の駆動装置。 - 前記重み付け演算部は、
前記第1の位置情報と前記第2の位置情報とに対するそれぞれの前記重み係数を、「0」と「1」との値に設定する
ことを特徴とする請求項3から請求項9のいずれかに記載の駆動装置。 - 回転駆動する駆動部における駆動出力軸の回転角度位置を検出し第1の位置情報を生成する第1の位置検出器と、
前記駆動出力軸に接続される減速機における減速出力軸の回転角度位置を検出し第2の位置情報を生成する第2の位置検出器と、
少なくとも前記第1の位置情報に基づいて前記駆動部を制御するセミクローズドループ制御と少なくとも前記第2の位置情報に基づいて前記駆動部を制御するフルクローズドループ制御とを選択的に行う制御部と、を備える
ことを特徴とする駆動装置。 - 回転駆動する駆動部と、前記駆動部の駆動出力軸の回転角度位置を検出し第1の位置情報を生成する第1の位置検出器と、前記駆動部の駆動出力軸に接続された減速機と、前記減速機の減速出力軸の回転角度位置を検出し第2の位置情報を生成する第2の位置検出器と、を含んで構成される駆動装置の駆動方法であって、
前記第1の位置情報と前記第2の位置情報とを選択的に用いて前記駆動部を制御する制御過程を有する
ことを特徴とする駆動方法。 - アーム部を駆動させる駆動装置を備える装置であって、
前記駆動装置は、請求項1から請求項11のいずれかに記載の駆動装置である
ことを特徴とする装置。
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