JP2016151509A - モータトルク測定装置及びモータトルク測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの起動トルクの検出精度の向上を図るモータトルク測定装置及びモータトルク測定方法を提供する。【解決手段】モータトルク測定装置１００は、トルクの伝達の断接及び伝達トルクの調節が可能であるパウダクラッチ２０と、両端部２ａａ及び２ａｂにステッピングモータ１及び負荷体としてのパウダクラッチ２０が接続される動力伝達軸２ａを有し且つ動力伝達軸２ａに作用するトルクを検出するトルク検出器２と、パウダクラッチ２０を介して動力伝達軸２ａに接続されるＡＣサーボモータ３２と、データ処理制御装置７とを備える。データ処理制御装置７は、トルク検出器２によってステッピングモータ１の起動トルクを検出する際、ステッピングモータ１の回転方向と逆方向にＡＣサーボモータ３２を回転駆動しつつパウダクラッチ２０によってステッピングモータ１に負荷を与える。【選択図】図１

Description

本発明は、モータトルク測定装置及びモータトルク測定方法に関する。

トルク検出器から突出する動力伝達軸の両端部に、トルクを検出する対象のモータと、負荷発生用のブレーキとを連結して、対象モータのトルクを検出する装置がある。例えば、図３に示されるモータトルク測定装置１０では、トルク検出器２は、その動力伝達軸２ａの両端部２ａａ及び２ａｂをトルク検出器２から突出させている。従来、ブレーキとして直流モータ（ＤＣモータ）３が用いられてきており、端部２ａｂには、ＤＣモータ３の回転軸が一体に回転するように連結される。端部２ａａには、供試体モータ１の回転軸が一体に回転するように連結される。第一コントローラ４によって、電源８から供試体モータ１への供給電力が制御され、第二コントローラ５によって、電源８からＤＣモータ３への供給電力が制御される。第一コントローラ４及び第二コントローラ５によって制御される供給電力の電圧値及び電流値は、データ処理装置７に送られる。トルク検出器２は、通電された供試体モータ１及びＤＣモータ３が発生するトルクより生じる動力伝達軸２ａのねじれ量を信号としてトルクメータ６に送り、トルクメータ６は、受信した信号から動力伝達軸２ａに発生するトルク値を算出し、表示すると共にデータ処理装置７に送る。

例えば、供試体モータ１としてステッピングモータを使用し、静止状態のステッピングモータ１に負荷を加えた状態で起動させ回転させるトルク、つまり自起動させるプルイントルクを検出する場合、ＤＣモータ３への通電を行ってステッピングモータ１に負荷を与えつつステッピングモータ１への通電を行う。通電されたＤＣモータ３には、トルク変動つまりトルクリップルが発生する。さらに、通電されているが回転静止状態にあるＤＣモータ３の回転軸等の回転要素には、静止摩擦力が生じているが、ステッピングモータ１が回転するとＤＣモータ３も回転し、静止摩擦力が動摩擦力に変化する。これにより、ステッピングモータ１の回転開始時、動力伝達軸２ａに生じるトルクが、ＤＣモータ３のトルクリップル及び静止摩擦力から動摩擦力への変化の影響を受けるため、トルク検出器２の検出信号に変動が発生し、正確なトルク値を得ることができないという問題がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、モータの起動トルクの検出精度の向上を図るモータトルク測定装置及びモータトルク測定方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係るモータトルク測定装置は、供試体モータのトルクを測定するモータトルク測定装置において、トルクの伝達の断接及び伝達トルクの調節が可能であるパウダクラッチと、両端に供試体モータ及び負荷体としてのパウダクラッチが接続される動力伝達軸を有し、動力伝達軸に作用するトルクを検出するトルク検出器と、パウダクラッチを介して動力伝達軸に接続されるモータと、制御部とを備え、制御部は、トルク検出器によって供試体モータの起動トルクを検出する際、供試体モータの回転方向と逆方向にモータを回転駆動しつつパウダクラッチによって供試体モータに負荷を与える。

制御部は、起動トルクの検出の際、パウダクラッチによって供試体モータに負荷を与えた状態で供試体モータに通電し、供試体モータへ与える負荷を変更して上記通電をすることによって供試体モータが回転を開始するようになるときのトルクを、起動トルクとして検出してよい。
供試体モータは、ステッピングモータであってよい。

また、本発明に係るモータトルク測定方法は、トルクの伝達の断接及び伝達トルクの調節が可能であるパウダクラッチと、供試体モータ及びパウダクラッチが動力伝達軸の両端に接続されたトルク検出器と、パウダクラッチを介して動力伝達軸に接続されたモータとを用いて、供試体モータの起動トルクを検出するモータトルク測定方法において、供試体モータの回転方向と逆方向にモータを回転駆動させつつパウダクラッチによって供試体モータに負荷を与え、供試体モータが回転を開始するときのトルク検出器の検出トルクを起動トルクとして検出する。

上記方法において、パウダクラッチによって供試体モータに負荷を与えた状態で供試体モータに通電し、供試体モータへ与える負荷を変更して上記通電をした際に供試体モータが回転を開始するようになるときのトルクを、起動トルクとして検出してよい。

本発明に係るモータトルク測定装置及びモータトルク測定方法によれば、モータの起動トルクの検出精度を向上することが可能になる。

本発明の実施の形態に係るモータトルク測定装置の構成を示す概略図である。 ステッピングモータのプルイントルクの検出結果の例を示す図である。 従来技術のモータトルク測定装置の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態に係るモータトルク測定装置について添付図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、モータトルク測定装置１００は、図３に示す従来技術のモータトルク測定装置１０と同様に、トルク検出器２と、動力伝達軸２ａの端部２ａａに連結された供試体モータ１と、第一コントローラ４と、第二コントローラ５と、トルクメータ６と、データ処理装置７と、電源８とを備えている。なお、供試体モータ１は、ステッピングモータであり、電源８は交流電源である。さらに、データ処理装置７は、第一コントローラ４及び第二コントローラ５の制御装置も兼ねている。このため、以下では、データ処理装置７をデータ処理制御装置と呼ぶ。ここで、データ処理制御装置７は、制御部を構成している。
なお、図３における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。

さらに、モータトルク測定装置１００は、動力伝達軸２ａの端部２ａｂに連結されたパウダクラッチ２０と、シャフト３１を介してパウダクラッチ２０に機械的に連結された交流サーボモータ（以下、ＡＣサーボモータと呼ぶ）３２と、電源８からパウダクラッチ２０への供給電力を制御する第三コントローラ３３と、ステッピングモータ１の回転軸の回転角度を検出する回転センサ３４とを備えている。シャフト３１は、動力伝達軸２ａと同軸上に配置されている。第三コントローラ３３は、データ処理制御装置７によってその動作の制御を受ける。ここで、パウダクラッチ２０は負荷体を構成している。

回転センサ３４には、ポテンションメータ、レゾルバ、差動変圧器等が用いられることができ、回転センサ３４は、ステッピングモータ１の回転軸の回転角度情報を出力電圧値の大きさとして、第一コントローラ４に送るように構成されている。
ＡＣサーボモータ３２の回転軸は、シャフト３１に一体に回転するように連結されている。

パウダクラッチ２０は、固定して配設された円筒状のステータ２１と、ステータ２１の径方向内側で回転自在に設けられた外側クラッチロータ２２と、外側クラッチロータ２２の径方向内側で回転自在に設けられた内側クラッチロータ２３とを備えている。なお、図１では、パウダクラッチ２０の断面側面図が示されている。
ステータ２１は、径方向内周に沿って埋め込まれた励磁コイル２４を含んでいる。励磁コイル２４は、第三コントローラ３３に電気的に接続されている。
外側クラッチロータ２２は、シャフト３１に一体に回転するように連結されており、ＡＣサーボモータ３２によって回転駆動される。
内側クラッチロータ２３は、外側クラッチロータ２２の内部で外側クラッチロータ２２との間に間隙２５をあけて配置されており、動力伝達軸２ａの端部２ａｂに一体に回転するように連結されている。
間隙２５内には、磁性鉄粉等の透磁率の高いパウダ２６が封入されている。

励磁コイル２４に直流電流が流れていないとき、外側クラッチロータ２２及び内側クラッチロータ２３は、互いに対して自由に回転することができる。つまり、パウダクラッチ２０は、解放されている。
励磁コイル２４に直流電流が流されると、励磁コイル２４が発生する磁束によって、パウダ２６は、励磁コイル２４に対向する位置にある間隙２５内で鎖状に連結され、外側クラッチロータ２２及び内側クラッチロータ２３を互いに対して固定する。これにより、外側クラッチロータ２２及び内側クラッチロータ２３はいずれも、自身の回転トルクを他方のクラッチロータに伝達することができる。外側クラッチロータ２２及び内側クラッチロータ２３間の伝達可能なトルク、つまりパウダクラッチ２０の伝達トルクは、励磁コイル２４に流される直流電流値の大きさによって調節可能である。
第三コントローラ３３は、電源８の交流電流を直流電流に変換して励磁コイル２４に供給する。さらに、第三コントローラ３３は、励磁コイル２４への直流電流値を調節し、パウダクラッチ２０の伝達トルクを制御する。また、第三コントローラ３３は、励磁コイル２４への供給電流値情報をデータ処理制御装置７に送る。

第一コントローラ４は、電源８の交流電流をパルス信号に変換してステッピングモータ１に送る。さらに、第一コントローラ４は、回転センサ３４から受け取る回転角度情報等に基づき、ステッピングモータ１へ送るパルス信号を調節し、ステッピングモータ１のトルク及び回転数を制御する。また、第一コントローラ４は、ステッピングモータ１の回転角度情報、及びステッピングモータ１へ送ったパルス信号の情報をデータ処理制御装置７に送る。
第二コントローラ５は、ＡＣサーボモータ３２への供給電力を制御し、ＡＣサーボモータ３２のトルク及び回転数を制御する。第二コントローラ５は、その供給電力情報をデータ処理制御装置７に送る。

トルク検出器２内では、動力伝達軸２ａが縮径されており、この縮径された部分２ａｃには、２つの歯車２ａｄ及び２ａｅが一体に回転するように設けられている。２つの歯車２ａｄ及び２ａｅは、縮径部分２ａｃの軸方向に沿って互いに間隔をあけて配置されている。トルク検出器２は、歯車２ａｄ及び２ａｅそれぞれの回転角度を信号として検出し、その検出信号をトルクメータ６に送る。
動力伝達軸２ａにトルクが加えられると捻れが発生するため、歯車２ａｄの回転角度と歯車２ａｅの回転角度との間に差異が生じる。トルクメータ６は、この差異に基づき、動力伝達軸２ａに加えられているトルクを算出する。

上述のようなモータトルク測定装置１００において、静止状態のステッピングモータ１に負荷を加えた状態で起動させ回転させる、つまり自起動させる際のプルイントルクの検出は、以下に説明するようにして実施される。

まず、モータトルク測定装置１００の操作者は、データ処理制御装置７を起動する（ステップＳ１とする）。
そして、操作者は、データ処理制御装置７を操作して、第一コントローラ４及び第三コントローラ３３それぞれによってステッピングモータ１及びパウダクラッチ２０に電力を供給していない状態で、第二コントローラ５によって電源８の電力をＡＣサーボモータ３２に供給しＡＣサーボモータ３２を駆動させる（ステップＳ２とする）。
このとき、第二コントローラ５は、ステッピングモータ１が起動時に動力伝達軸２ａを回転する方向と反対方向へシャフト３１を低い一定速度で回転させるように、ＡＣサーボモータ３２を動作させる。さらに、ＡＣサーボモータ３２が発生するトルクは、ステッピングモータ１が発生すると予測されるプルイントルクよりも大きいトルクとされる。
これにより、パウダクラッチ２０の内側クラッチロータ２３が停止した状態で、パウダクラッチ２０の外側クラッチロータ２２及びシャフト３１が一定速度で回転する。

次いで、操作者は、データ処理制御装置７を介して第三コントローラ３３を操作して、電源８の交流電流を変換した直流電流を、パウダクラッチ２０の励磁コイル２４に供給し、外側クラッチロータ２２及び内側クラッチロータ２３間に所定の伝達トルクを発生させる（ステップＳ３とする）。
なお、上記所定の伝達トルクは、ＡＣサーボモータ３２の発生トルクよりも小さい伝達トルクである。
これにより、動力伝達軸２ａ、内側クラッチロータ２３、外側クラッチロータ２２及びＡＣサーボモータ３２が一定速度で回転する。
なお、上記ステップＳ３の処理と同時に、第三コントローラ３３によって、トルク検出器２及びトルクメータ６が、起動され、動力伝達軸２ａに発生するトルクを検出してデータ処理制御装置７に送り続ける。

その後、操作者は、データ処理制御装置７を介して第一コントローラ４を操作して、電源８の交流電流を変換したパルス信号を、ステッピングモータ１に供給し、ステッピングモータ１を励磁回転させる（ステップＳ４とする）。
このとき、ステッピングモータ１には、ステッピングモータ１を所定のパルスレートＡ１（単位：ｐｐｓ）で動作させることができ且つステッピングモータ１が許容する最大強度であるパルス信号が送られる。
上記ステップＳ４の処理と同時に、第一コントローラ４によって回転センサ３４も起動され、回転センサ３４は、ステッピングモータ１の回転角度を検知し、第一コントローラ４を介してデータ処理制御装置７に送る。データ処理制御装置７は、回転センサ３４から送られる情報に基づき、ステッピングモータ１のパルスレートを自身のモニターに表示する。
そして、データ処理制御装置７のモニターには、ステッピングモータ１のパルスレートと、トルク検出器２によって検出された動力伝達軸２ａのトルクとが、表示される。

パウダクラッチ２０の伝達トルクがステッピングモータ１のプルイントルクよりも大きい場合、ステッピングモータ１は正規の方向に回転できず動力伝達軸２ａと共に逆回転を継続するため、データ処理制御装置７に表示されるパルスレートは、所定のパルスレートＡ１とはならない。パウダクラッチ２０の伝達トルクがステッピングモータ１のプルイントルク以下の場合、ステッピングモータ１は正規の方向に回転し、データ処理制御装置７に表示されるパルスレートは、所定のパルスレートＡ１となる。

操作者は、ステップＳ３及びステップＳ４の一連の処理を、パウダクラッチ２０への印加電流値を変更つまりパウダクラッチ２０の伝達トルクを変更しつつ、繰り返して実施する。これにより、パウダクラッチ２０への様々な伝達トルクに対応して、ステッピングモータ１の回転開始時のパルスレートとそのときの動力伝達軸２ａのトルクとの組み合わせが得られる。そして、これらの組み合わせの中から、ステッピングモータ１の回転開始時のパルスレートがパルスレートＡ１であり且つ動力伝達軸２ａのトルクが最大である組み合わせを選択する。選択した組み合わせに含まれる動力伝達軸２ａのトルクが、ステッピングモータ１のパルスレートＡ１のプルイントルクとなる。
なお、上述のプルイントルクの決定処理は、データ処理制御装置７の表示に基づき操作者が行ってもよく、データ処理制御装置７自体が上記決定を行うように構成されてもよい。
さらに、ステップＳ２〜ステップＳ４までの処理も、データ処理制御装置７自体が行うように構成されてもよい。

また、操作者は、ステッピングモータ１の他のパルスレートのプルイントルクも、上述と同様にして求めることができる。そして、様々なパルスレートのプルイントルクを求めることによって、図２に示すようなステッピングモータ１のプルイントルクの検出結果を示す図を得ることができる。この図は、ステッピングモータ１のプルイントルクの特性を示している。

上述のステップＳ２〜ステップＳ４の処理において、ＡＣサーボモータ３２は、ステッピングモータ１の回転開始前から低い一定速度で回転し、ステッピングモータ１の回転開始後もパウダクラッチ２０が滑るため回転を継続する。このため、ステッピングモータ１の回転開始の前後において、ステッピングモータ１、シャフト３１、外側クラッチロータ２２等の回転要素に作用する摩擦力は、静止摩擦力から動摩擦力への変化及びその逆の変化を伴わず、一定の動摩擦力となる。よって、ステッピングモータ１の回転開始の前後において、ステッピングモータ１の回転への上記回転要素の摩擦力による影響が変化しない。従って、ステッピングモータ１の回転開始前後におけるステッピングモータ１に作用する負荷の変化が抑えられる。

また、ＡＣサーボモータ３２は、ステッピングモータ１の回転方向と逆方向に回転しているため、ステッピングモータ１の回転開始前後において、パウダクラッチ２０を介してステッピングモータ１に与える負荷の変化が抑えられる。例えば、ＡＣサーボモータ３２が、ステッピングモータ１の回転方向と同方向に回転していると、ステッピングモータ１の回転開始後のステッピングモータ１に与える負荷を急激に減少させることになる。

また、パウダクラッチ２０は、パウダ２６を介してトルクを伝達するため、外側クラッチロータ２２から内側クラッチロータ２３に伝達するトルク変動、及び、内側クラッチロータ２３から外側クラッチロータ２２に伝達するトルク変動を穏やかに且つ滑らかにする。さらに、内側クラッチロータ２３及び外側クラッチロータ２２が相対的に回転してパウダクラッチ２０が滑る際も、滑りを停止する際も、パウダクラッチ２０の伝達トルクの変動が抑えられる。よって、パウダクラッチ２０は、ＡＣサーボモータ３２に発生するトルクリップルを吸収し、動力伝達軸２ａに伝達するのを抑える。また、パウダクラッチ２０は、ステッピングモータ１が回転を開始することによるパウダクラッチ２０自体の伝達トルクの変動も抑える。

上述で説明したように、本発明の実施の形態に係るモータトルク測定装置１００は、供試体モータであるステッピングモータ１のトルクを測定する。モータトルク測定装置１００は、トルクの伝達の断接及び伝達トルクの調節が可能であるパウダクラッチ２０と、両端部２ａａ及び２ａｂにステッピングモータ１及び負荷体としてのパウダクラッチ２０が接続される動力伝達軸２ａを有し且つ動力伝達軸２ａに作用するトルクを検出するトルク検出器２と、パウダクラッチ２０を介して動力伝達軸２ａに接続されるＡＣサーボモータ３２と、データ処理制御装置７とを備える。データ処理制御装置７は、トルク検出器２によってステッピングモータ１の起動トルクを検出する際、ステッピングモータ１の回転方向と逆方向にＡＣサーボモータ３２を回転駆動しつつパウダクラッチ２０によってステッピングモータ１に負荷を与える。

上述の構成によって、ステッピングモータ１の起動トルクを検出する際、ＡＣサーボモータ３２がステッピングモータ１の回転方向と逆方向に回転駆動しているため、ＡＣサーボモータ３２及びＡＣサーボモータ３２と共に回転する外側クラッチロータ２２等の回転要素に静止摩擦力が作用していない。これにより、静止摩擦力が動摩擦力に変化することによる上記回転要素が与える抵抗の変動が抑えられる。さらに、逆方向に回転することによって、ＡＣサーボモータ３２に起因するステッピングモータ１への負荷の変動が、ステッピングモータ１の回転の前後で抑えられる。また、パウダクラッチ２０によって伝達トルクの変動が穏やか且つ円滑にされるため、ＡＣサーボモータ３２に発生するトルクリップルのステッピングモータ１への伝達が抑えられる。従って、ステッピングモータ１の起動トルクの検出精度が向上する。

また、モータトルク測定装置１００において、データ処理制御装置７は、ステッピングモータ１の起動トルクの検出の際、パウダクラッチ２０によってステッピングモータ１に負荷を与えた状態でステッピングモータ１に通電し、ステッピングモータ１へ与える負荷を変更してステッピングモータ１への通電をすることによってステッピングモータ１が回転を開始するようになるときのトルクを、起動トルクとして検出する。上述の構成によって、ステッピングモータ１の起動トルクを確実に検出することができる。

また、実施の形態に係るモータトルク測定装置１００では、交流電源８の交流電流を直流電流に変換してパウダクラッチ２０に供給していたが、交流電源８とは別に直流電源を設けてもよい。さらに、ステッピングモータ１用の交流電源と、ＡＣサーボモータ３２用の交流電源とを、別のものとしてもよい。
また、実施の形態に係るモータトルク測定装置１００では、コントローラ４、５及び３３がそれぞれ、ステッピングモータ１、ＡＣサーボモータ３２及びパウダクラッチ２０の通電を制御していたが、コントローラ４、５及び３３を１つ又は２つに統合してもよい。

また、実施の形態に係るモータトルク測定装置１００では、パウダクラッチ２０の外側クラッチロータ２２にＡＣサーボモータ３２が接続され、内側クラッチロータ２３に動力伝達軸２ａが接続されていたが、外側クラッチロータ２２に動力伝達軸２ａが接続され、内側クラッチロータ２３にＡＣサーボモータ３２が接続されてもよい。
また、実施の形態に係るモータトルク測定装置１００は、ステッピングモータのトルク検出に限定されず、様々なモータのトルク検出に適用することができる。

１ ステッピングモータ（供試体モータ）、２ トルク検出器、２ａ 動力伝達軸、４，５，３３ コントローラ、７ データ処理制御装置（制御部）、２０ パウダクラッチ、３２ ＡＣサーボモータ、１００ モータトルク測定装置。

Claims (5)

1. 供試体モータのトルクを測定するモータトルク測定装置において、
   トルクの伝達の断接及び伝達トルクの調節が可能であるパウダクラッチと、
   両端に前記供試体モータ及び負荷体としての前記パウダクラッチが接続される動力伝達軸を有し、前記動力伝達軸に作用するトルクを検出するトルク検出器と、
   前記パウダクラッチを介して前記動力伝達軸に接続されるモータと、
   制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記トルク検出器によって前記供試体モータの起動トルクを検出する際、前記供試体モータの回転方向と逆方向に前記モータを回転駆動しつつ前記パウダクラッチによって前記供試体モータに負荷を与えるモータトルク測定装置。
2. 前記制御部は、前記起動トルクの検出の際、前記パウダクラッチによって前記供試体モータに負荷を与えた状態で前記供試体モータに通電し、前記供試体モータへ与える負荷を変更して前記通電をすることによって前記供試体モータが回転を開始するようになるときのトルクを、前記起動トルクとして検出する請求項１に記載のモータトルク測定装置。
3. 前記供試体モータは、ステッピングモータである請求項１または２に記載のモータトルク測定装置。
4. トルクの伝達の断接及び伝達トルクの調節が可能であるパウダクラッチと、供試体モータ及び前記パウダクラッチが動力伝達軸の両端に接続されたトルク検出器と、前記パウダクラッチを介して前記動力伝達軸に接続されたモータとを用いて、前記供試体モータの起動トルクを検出するモータトルク測定方法において、
   前記供試体モータの回転方向と逆方向に前記モータを回転駆動させつつ前記パウダクラッチによって前記供試体モータに負荷を与え、前記供試体モータが回転を開始するときの前記トルク検出器の検出トルクを前記起動トルクとして検出する方法。
5. 前記パウダクラッチによって前記供試体モータに負荷を与えた状態で前記供試体モータに通電し、前記供試体モータへ与える負荷を変更して前記通電をした際に前記供試体モータが回転を開始するようになるときのトルクを、前記起動トルクとして検出する請求項４に記載の方法。

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