JP2017022938A - Control apparatus and control method for vibration type actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動型アクチュエータの制御装置及び制御方法に関する。 The present invention relates to a control device and a control method for a vibration type actuator.
振動型アクチュエータのトルクは、振動体と移動体であるロータ表面との間に生じる摩擦力によって変化する。また、発生する摩擦力は、振動体に励起される振動波の振幅の大きさに応じて変化する。そのため、振動体に設けられた電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧の振幅や周波数を変化させることにより、トルクを制御することが可能である。 The torque of the vibration type actuator is changed by a frictional force generated between the vibration body and the rotor surface as a moving body. Further, the generated frictional force changes according to the amplitude of the vibration wave excited by the vibrating body. Therefore, the torque can be controlled by changing the amplitude and frequency of the AC voltage applied to the electro-mechanical energy conversion element provided in the vibrating body.
発生しているトルクを算出するには、圧電体と機械振動体からなる電気的等価回路を用い、回路に流れる機械腕電流を振動体振幅の大きさの代用特性としてトルクを求める方法が知られている。このような方法の一つとして、特許文献1では以下の技術が開示されている。まず、機械腕電流を検出し、その電流値における無負荷時回転数を算出する。そして、現在の回転数と無負荷時回転数から出力トルクを算出し、設定した出力トルクに一致させる周波数制御器が設けられ、要求するトルクと実際の出力トルクが等しくなるように制御している。 In order to calculate the generated torque, a method is known in which an electrical equivalent circuit composed of a piezoelectric body and a mechanical vibration body is used, and the torque is obtained using the mechanical arm current flowing in the circuit as a substitute characteristic of the magnitude of the vibration body amplitude. ing. As one of such methods, Patent Document 1 discloses the following technique. First, the mechanical arm current is detected, and the no-load rotation speed at the current value is calculated. The output torque is calculated from the current rotation speed and the no-load rotation speed, and a frequency controller that matches the set output torque is provided to control the required torque to be equal to the actual output torque. .
上記の特許文献1の方法では、振動型アクチュエータのトルク制御において、振動体とロータの間に発生する摩擦力を算出する手段を有していないため、トルク算出精度に課題を有している。また、振動体の機械振動の検出を代用特性である機械腕電流としているため、精度に課題を有している。 In the method of Patent Document 1 described above, since there is no means for calculating the frictional force generated between the vibrating body and the rotor in torque control of the vibration type actuator, there is a problem in torque calculation accuracy. Further, since mechanical arm current, which is a substitute characteristic, is used to detect mechanical vibration of the vibrating body, there is a problem in accuracy.
本発明の目的は、トルクの算出精度を向上させることにより、高精度でトルクを制御することができる振動型アクチュエータの制御装置及び制御方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a control device and a control method for a vibration type actuator that can control torque with high accuracy by improving calculation accuracy of torque.
本発明の振動型アクチュエータの制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することにより振動体が振動し、前記振動体との間の摩擦力により移動体が移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、前記交流電圧の周波数を指令する周波数指令部と、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧であって、前記周波数指令部により指令された周波数の交流電圧を生成する交流電圧生成部と、前記移動体の速度を検出する速度検出部と、前記振動体の機械振幅を取得する振動体振幅取得部と、前記周波数指令部により指令された周波数と、前記速度検出部により検出された速度と、前記振動体振幅取得部により取得された機械振幅とを基に、前記移動体のトルクを算出するトルク算出部とを有し、前記周波数指令部は、前記トルク算出部により算出されたトルクとトルク指令値との差分に応じて、周波数を指令することを特徴とする。 The control device for the vibration type actuator of the present invention is a vibration type actuator in which the vibration body vibrates by applying an AC voltage to the electromechanical energy conversion element, and the moving body moves by the frictional force between the vibration body and the vibration body. A control device that generates a frequency command unit that commands the frequency of the AC voltage and an AC voltage that is applied to the electromechanical energy conversion element and that has a frequency commanded by the frequency command unit. AC voltage generation unit, speed detection unit for detecting the speed of the moving body, vibration body amplitude acquisition unit for acquiring the mechanical amplitude of the vibration body, frequency commanded by the frequency command unit, and speed detection unit A torque calculation unit that calculates the torque of the moving body based on the speed detected by the machine and the mechanical amplitude acquired by the vibration body amplitude acquisition unit, and the frequency Command unit, according to a difference between the torque and the torque command value calculated by the torque calculation unit, characterized in that the command frequency.
本発明によれば、移動体のトルクを高精度で算出し、移動体のトルクを高精度で制御することができる。 According to the present invention, the torque of the moving body can be calculated with high accuracy, and the torque of the moving body can be controlled with high accuracy.
図1(a)は、本発明の実施形態による振動型アクチュエータの構成例を示す図である。振動形アクチュエータは、圧電素子21、振動体22、フレキシブル基板23及びロータ26を有する。2個の振動体22は、圧電素子21を挟持している。フレキシブル基板23は、圧電素子21に接続され、圧電素子21に対して給電及び電圧検出を行う。ロータ26は、振動体22の上面に配置される移動体である。
FIG. 1A is a diagram illustrating a configuration example of a vibration type actuator according to an embodiment of the present invention. The vibration actuator includes a
図1(b)〜(e)は、振動型アクチュエータの振動体22の振動の時間的変化を示す図である。振動体22には、直交する2つの方向の曲げ振動の固有振動モードがある。この2つの固有振動モードの振動を時間的に90°異なる位相により発生させると、図1(b)〜(e)のように、振動体22の上部構造がくびれ部分を支点として振れ回るように回転振動する。この振動の力は、不図示の加圧手段によって振動体22の上部に押し付けられたロータ26に摩擦力を介して伝達され、ロータ26の回転トルクとして取り出される。ロータ26は、移動体であり、回転移動する。
FIGS. 1B to 1E are diagrams showing temporal changes in vibration of the vibrating
図1(h)は、積層構造で形成される圧電素子21のうちの一層27を示す図である。一層27は、給電用の4つの電極a+、a−、b+、b−を有する。一層27の4つの電極には、フレキシブル基板23を介して、A相及びB相の交流電圧が供給される。A相及びB相の交流電圧は、90°異なる位相である。夫々の電極a+、a−、b+、b−の符号が分極方向を示しており、対向する電極はそれぞれ逆方向の極性を持つよう分極されている。対向する電極に同じ駆動電圧を印加することによって、逆方向の加振力が発生し、A相及びB相に対応して夫々一つの固有振動モードの振動が励振される。圧電素子21は、電気−機械エネルギー変換素子である。これにより、図1(b)〜(e)のように、振動体22の上部構造が回転振動する。
FIG. 1H is a diagram showing one
図1(i)は、積層構造の圧電素子21を示す図である。圧電素子21の積層構造の複数層のうちの一層のみがセンサ層28である。センサ層28は、振動体22の機械振幅を電圧として検出するためのセンサsを有する。A相の電極a+に印加する電圧とセンサsからの出力との位相差によって、周波数に対する速度の相関関係を得ることができる。この相関関係を得ることで、共振周波数の変化を取得し、速度制御における急激な速度低下を防止し、安定した動作ができる。本実施形態では、ロータ26のトルク算出のために、振動体22の振幅を検出するためにセンサsを使用する。センサsから出力される電圧は、フレキシブル基板23を介して、図2の機械振幅電圧変換部10へ出力される。
FIG. 1I is a diagram showing a
以上のように、振動型アクチュエータは、圧電素子21に交流電圧を印加して振動体22に振動を励起し、振動体22に対し相対移動可能とされているロータ26との間に摩擦力を発生させ、ロータ26を振動体22に対して相対移動させる。
As described above, the vibration type actuator applies an AC voltage to the
図2は、本実施形態による振動型アクチュエータの制御装置の構成例を示す図である。振動型アクチュエータの制御装置は、振動型アクチュエータ6のトルク制御装置である。振動型アクチュエータの制御装置は、トルク制御部1、周波数指令部2、パルス生成部4、ドライバ5、振動型アクチュエータ6、トルク算出部7、速度センサ8、アナログ/デジタル変換部(A/D変換部)9、及び機械振幅電圧変換部10を有する。振動型アクチュエータ6は、図1(a)の振動型アクチュエータである。以下、振動型アクチュエータの制御方法を説明する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the control device for the vibration type actuator according to the present embodiment. The control device for the vibration type actuator is a torque control device for the vibration type actuator 6. The control device for the vibration type actuator includes a torque control unit 1, a
周波数指令部2は、交流電圧の周波数を指令するために、周波数指令値3をパルス生成部4及びトルク算出部7に出力する。パルス生成部4は、周波数指令値3が示す周波数のパルス信号を生成し、そのパルス信号をドライバ5に出力する。ドライバ5は、上記のパルス信号により、内部のスイッチング素子がオンし、図1(a)の圧電素子21に交流電圧を印加する。以上のように、パルス生成部4及びドライバ5は、圧電素子21に印加する交流電圧であって、周波数指令値3が示す周波数の交流電圧を生成する交流電圧生成部である。これにより、図1(a)において、振動体22が振動し、ロータ26が回転する。図1(g)のセンサsは、振動体22の機械振幅を検出し、振動体22の機械振幅を示す電圧を機械振幅電圧変換部10に出力する。センサsは、振動体22の機械振幅を電圧に変換する機械振幅−電圧変換素子である。
The
速度センサ8は、ロータ26の回転速度を検出し、ロータ26の回転速度をトルク算出部7に出力する速度検出部である。機械振幅電圧変換部10は、センサsから振動体22の機械振幅の大きさを示す電圧信号を入力し、その電圧信号を波形整形し、A/D変換器9の入力範囲に適した電圧値に変換する。A/D変換部9は、機械振幅電圧変換部10により変換された電圧信号をアナログからデジタルに変換し、デジタルの電圧信号をトルク算出部7に出力する。以上のように、機械振幅電圧変換部10及びA/D変換器9は、振動体22の機械振幅を取得し、その機械振幅をトルク算出部7に出力する振動体振幅取得部である。
The speed sensor 8 is a speed detection unit that detects the rotation speed of the
トルク算出部7は、周波数指令部2が出力する周波数指令値3と、速度センサ8により検出された速度と、A/D変換器9が出力する電圧信号とを基に、振動型アクチュエータ6内のロータ26の回転によるトルクを算出する。トルク制御部1は、トルク算出部7により算出されたトルクを基に、振動型アクチュエータ6のトルクがトルク指令値(要求トルク)になるように、周波数指令部2を制御信号を出力する。具体的には、トルク制御部1は、トルク算出部7により算出されたトルクとトルク指令値との差分を算出し、その差分に制御ゲインを乗じることにより制御信号を生成し、その制御信号を周波数指令部2に出力する。周波数指令部2は、その制御信号に応じて、周波数指令値3を出力する。これにより、振動型アクチュエータ6内のロータ26のトルクは、トルク指令値に制御される。
The torque calculation unit 7 is based on the
トルク算出部7は、トルクを算出するために、振動体22とロータ26との間に発生している摩擦力を求める必要がある。振動型アクチュエータ6は、振動体22とロータ26の接触領域では、固着とすべりを繰り返しながらロータ26を駆動している。すなわち、振動体22とロータ26の接触部では、振動体22とロータ26が沈み込んで接触している部分に固着(stick)領域とすべり(slip)領域が存在している。固着領域では、振動体22の表面とロータ26の表面がグリップしている状態となり、振動体22とロータ26の速度が同じである。一方、すべり領域では、振動体22の表面とロータ26の表面の間にすべりが生じており、振動体22とロータ26の速度が異なる。すべり領域でロータ26が受ける摩擦力は、固着領域でロータ26が受ける摩擦力とは異なる。したがって、トルク算出部7は、摩擦力を求めるためには、沈み込み接触部における固着領域とすべり領域の夫々の摩擦力を算出する必要がある。
The torque calculation unit 7 needs to obtain a frictional force generated between the vibrating
図3は、図2のトルク算出部7の構成例を示すブロック図である。トルク算出部7は、周波数入力部11、速度入力部12、振幅値入力部13、固着高さ算出部14、沈み込み領域算出部15、すべり領域固着領域算出部16、摩擦力算出部17及びトルク値出力部18を有する。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the torque calculation unit 7 of FIG. The torque calculation unit 7 includes a
周波数入力部11は、図2の周波数指令部2が出力する周波数指令値3を、固着高さ算出部14で使用する周波数に変換し、その変換された周波数を固着高さ算出部14に出力する。速度入力部12は、図2の速度センサ8により検出された速度を固着高さ算出部14に出力する。振幅値入力部13は、図2のA/D変換部9が出力する電圧を振動体22の機械振幅に変換し、振動体22の機械振幅を固着高さ算出部14及び沈み込み領域算出部15に出力する。
The
固着高さ算出部14は、周波数入力部11が出力する周波数と、速度入力部12が出力する速度と、振幅値入力部13が出力する機械振幅とを基に、後述する図4(a)に示す固着高さ19を算出する。そして、固着高さ算出部14は、固着高さ19をすべり領域固着領域算出部16に出力する。
Based on the frequency output from the
沈み込み領域算出部15は、振幅値入力部13が出力する機械振幅と、振動体22及びロータ26の機械特性パラメータとを基に、後述する図6の沈み込み高さ41とその位置33とを算出する。そして、沈み込み領域算出部15は、沈み込み高さ41とその位置33とをすべり領域固着領域算出部16に出力する。
The subduction
すべり領域固着領域算出部16は、固着高さ算出部14が出力する固着高さ19と、沈み込み領域算出部15が出力する沈み込み高さ41及びその位置33を基に、振動体22及びロータ26の接触部におけるすべり領域と固着領域を算出する。すなわち、すべり領域固着領域算出部16は、移動体22とロータ26の接触部において、振動体22とロータ26の速度が異なるすべり領域と、移動体22とロータ26の速度が同じである固着領域とを検出するすべり領域固着領域検出部である。ここで、すべり領域固着領域算出部16は、振動体22及びロータ26の機械特性パラメータを参照して、上記のすべり領域と固着領域を算出する。
The slip region fixing
摩擦力算出部17は、すべり領域固着領域算出部16により算出されたすべり領域及び固着領域を基に、すべり領域での摩擦力及び固着領域での摩擦力を算出する。そして、摩擦力算出部17は、すべり領域での摩擦力及び固着領域での摩擦力を加算することにより、振動体22とローラ26との間の全体の摩擦力をロータ26の回転の接線方向に働く摩擦力として算出する。トルク値出力部18は、摩擦力算出部17により算出されたロータ26の回転の接線方向に働く摩擦力に対して、振動体22とロータ26の接触部の半径(ロータ26の半径)を乗算することによりロータ26のトルクを算出する。そして、トルク値出力部18は、そのロータ26のトルクの値を図2のトルク制御部1に出力する。
The frictional
図1(h)は、振動体22とロータ26が摩擦接触部24において接触している様子を示す図である。図1(i)は、図1(h)の摩擦接触部24の拡大図である。振動体22の表面とロータ26が接触している。振動体22とロータ26が変形接触し、摩擦力が生じている状態を表している。本実施形態では、弾性体として比較的摩耗の少ない金属を、ロータ26として使用している。そのため、ロータ26に加わる摩擦力の大きさは、金属固有の弾性係数に変位量を乗じて算出することができる。本実施形態では、金属がばねの集合体で構成されているとみなし、離散ばねモデルを用いて、接触状態におけるロータ26の変位に関する値を算出する。以下、その詳細を説明する。
FIG. 1H is a diagram illustrating a state where the vibrating
図5は、離散ばねモデルを示す図である。図3の沈み込み領域算出部15が算出する沈み込み高さ41とその位置33の算出方法について、図5の離散ばねモデルを用いて説明する。ロータベース34は、線形ばね35を固定するためのロータ26のベースを示しており、荷重となる与圧をかけている。ロータ表面31は、ロータ26の表面である。振動体表面30は、振動体22の表面である。振動体表面30は、線形ばね35で構成されたロータ26によって、押し付けられている。振動体22が励振され、振動体表面30に進行波が発生するにつれ、振動体22の機械振幅が大きくなり、線形ばね35が変形する。
FIG. 5 is a diagram illustrating a discrete spring model. A
振動体22及びロータ26の接触部では、線形ばね35の変形量に応じた摩擦力が発生し、ロータ26が進行波の進行方向と逆向きに回転する。ロータベース34にかかる与圧は一定のため、線形ばね35の変位量は振動体22の機械振幅の大きさに応じて決定される。線形ばね35にかかる力は、変位量にばね定数を乗じたものであるから、接触領域における法線方向の力の総和Psumは、ばね定数をk、変位量をxとして、次式(1)で表される。
A frictional force corresponding to the deformation amount of the
振動体22の機械振幅が小さいときは、ロータ26に対して、振動体22の振動が全部沈み込んだ状態である。これに対し、振動体22の振幅が大きくなり、式(2)で示す力の総和Psumがロータベース34にかかる与圧より大きくなるに従い、ロータ表面31が浮いた状態となる。
When the mechanical amplitude of the vibrating
図6は、ロータ表面31が浮いた状態での振動体振幅32とロータ表面31及び沈み込み高さ41を示す図である。沈み込み高さ41は、振動体22の振動の下側からロータ表面31までの距離である。位置33は、沈み込み高さ41における振動体22とロータ26の接触している位置を示しており、例えばθ3である。ここで、振動体22は、余弦波状に変位し、ロータベース34に加わる圧力は一定としている。図6の縦軸は、振動体22の振幅を表す。図6の横軸は、位置を表しており、振動体22の振動中心をゼロとして、−πから+πまでの2πラジアンで表している。θ3からゼロの区間では、振動体22とロータ26は、沈み込み高さ41から振動体22の振幅32の区間で接触しており、θ3から−πの区間で非接触である。位置33(θ3)は、振動体22とロータ26の接触部の境界の位置である。沈み込み高さ41は、振動体22とロータ26の接触部の境界での振動体22の機械振幅を示す。
FIG. 6 is a diagram illustrating the
沈み込み領域算出部15は、振動体振幅32を入力し、ロータベース34にかかる与圧と法線方向の力の総和Psumとばね定数を基に、沈み込み高さ41と沈み込み高さ41における位置33を算出する境界算出部である。その際、沈み込み領域算出部15は、計算精度及び計算負荷の理由から変換テーブル用いて算出してもよいし、計算式により算出してもよい。接触領域は、沈み込み高さ41から振動体22の振幅32までの領域である。
次に、固着高さ算出部14が算出する固着高さ19を求める方法について説明する。前述したように、固着領域では、振動体22の表面とロータ26の表面がグリップしている状態であり、振動体22とロータ26の速度が等しくなる。したがって、固着高さ算出部14は、速度入力部12からロータ26の速度を入力し、基準となる固着位置高さと駆動条件との比を求めることにより、固着高さ19を算出することができる。
Next, a method for obtaining the fixing
図4(a)は、振動体22の振動周波数に対する振動体の機械振幅及び固着高さ19の関係を示す図である。ここで、Frは振動体22の共振周波数を示しており、Frより高い領域から共振周波数Frに近づくにしたがって、振動体22の機械振幅が大きくなることを表している。また、振動体22の機械振幅の増大に伴い、固着高さ19も比例的に高くなる。
FIG. 4A is a diagram illustrating a relationship between the mechanical amplitude of the vibrating body and the fixing
図4(b)に示すように、振動体22の振動振幅とロータ26の速度には比例関係がある。また、図4(c)に示すように、振動体22の振動周波数とロータ26の速度には反比例の関係がある。つまり、ロータ26の速度は、振動体22の機械振幅に比例し、かつ振動体22の振動周波数の逆数に比例する。また、固着高さ19は、振動体22の機械振幅の増大に伴って増大し、振動体22の振動周波数の逆数に比例する。固着高さ算出部14は、これらの比例関係を考慮して、周波数入力部11が出力する周波数と、速度入力部12が出力する速度と、振幅値入力部13が出力する機械振幅と、係数αを基に、固着高さ19を算出する。係数αは、基準周波数における機械振幅、速度、固着高さから求められる係数である。
As shown in FIG. 4B, there is a proportional relationship between the vibration amplitude of the vibrating
次に、すべり領域固着領域算出部16が算出するすべり領域と固着領域を算出する方法につて説明する。振動型アクチュエータ6において、振動体22とロータ26の接触領域で固着とすべりを繰り返しながら、ロータ26を駆動することは既に述べた。
Next, a method for calculating the slip area and the fixed area calculated by the slip area fixed
図7は、固着領域36とすべり領域42を示す図である。固着領域36は、固着高さ19の正側と負側方向の夫々に、固着領域36からすべり領域42に転じる位置37及び38が存在する。この位置37及び38をすべり開始位置と呼ぶ。すべり開始位置37(θ1)からゼロ方向の区間は、すべり領域42である。同様に、すべり開始位置38(θ2)から位置33(θ3)までの区間もすべり領域42である。また、すべり開始位置37(θ1)からすべり開始位置38(θ2)までの区間は、固着領域36である。位置33(θ3)は、振動体22とロータ26の接触部の境界の位置である。沈み込み高さ41は、振動体22とロータ26の接触部の境界での振動体22の機械振幅を示す。沈み込み領域算出部15は、沈み込み高さ41及び位置33を算出する境界算出部である。すべり領域固着領域算出部16は、沈み込み高さ41及び位置33を基に、すべり領域42を検出することができる。
FIG. 7 is a view showing the fixing
固着高さ19は、固着領域36での振動体22の機械振幅の基準値である。固着高さ算出部14は、固着高さ19を算出する固着振幅算出部である。すべり領域固着領域算出部16は、固着高さ19を基に、固着領域36を検出することができる。
The fixing
ここで、すべり開始位置37及び38について説明する。振動体22が励振され、振動体22の表面に進行波が発生すると、前述のように、接触部に法線方向に摩擦力が発生する。励起された進行波は、接線方向に進行するため、接線方向への力も同時に生じる。
Here, the slip start positions 37 and 38 will be described. When the vibrating
図8は、振動体22とロータ26が接触している状態の任意点に加わる力を示す図である。力40は、法線方向に加わる力であり、摩擦力を示す。力39は、接線方向に加わる力である。接線方向に働く力39が法線方向に働く力40より大きくなると、すべりが生じると考えられるため、すべり領域固着領域算出部16は、両方向の力39及び40が均衡する位置を算出し、固着領域36及びすべり領域42を算出する。具体的には、すべり領域固着領域算出部16は、固着高さ18と、沈み込み高さ41及びその位置33と、振動体振幅32と、ロータ26の剛性パラメータである弾性係数と、接触パラメータである摩擦係数を基に、すべり開始位置37及び38を算出する。なお、振動体22及びロータ26としてステンレスを使用するため、材料固有の縦弾性係数と横弾性係数を剛性パラメータとして使用する。また、摩擦係数においても、金属同士の摩擦における代表的な摩擦係数を使用する。そして、すべり領域固着領域算出部16は、すべり開始位置37(θ1)とすべり開始位置38(θ2)との間の区間を固着領域36として検出する。また、すべり領域固着領域算出部16は、すべり開始位置38(θ2)と位置33(θ3)との間の区間をすべり領域42として検出し、すべり開始位置37(θ1)から+π方向の区間をすべり領域42として検出する。
FIG. 8 is a diagram illustrating a force applied to an arbitrary point in a state where the vibrating
図3の摩擦力算出部17は、すべり領域42に生じる力と固着領域36に生じる力を加算し、接触部全体の摩擦力をロータ26の接線方向に働く摩擦力としてトルク値出力部18に出力する。
The frictional
以上のように、トルク算出部7は、振動体22とロータ26の接触部における固着高さ19と、沈み込み高さ41とその位置33を基に、すべり領域42及び固着領域36を特定し、すべり領域42及び固着領域36における摩擦力を加算し、トルクを算出する。
As described above, the torque calculation unit 7 specifies the sliding
トルク値出力部18は、ロータ26の半径とロータ接線方向に働く摩擦力とを乗算することによりトルクを算出し、トルクをトルク制御部1に出力する。トルク制御部1は、算出されたトルクがトルク指令値になるように、周波数指令部2を制御する。本実施形態によれば、振動型アクチュエータ6に発生する摩擦力を算出することにより、ロータ26のトルクを高精度で算出し、ロータ26のトルクを高精度で制御することができる。
The torque
例えば、振動型アクチュエータ6によりロボットハンドが物体を把持する際の制御においては、まず振動周波数を共振周波数Frからはなれた領域で使用し、速度センサ8と不図示の位置検出手段との併用により、物体とロボットハンドが接触したことを検知する。その後、トルク算出部7により把持力を算出することが可能となる。また、剛性の高い重量物を把持する場合は、共振周波数Fr付近においてトルク制御を行い、剛性の低い柔軟物を把持する場合は、共振周波数Fr付近から離れた領域でトルク制御を行うことにより、様々な物体の把持力制御が可能となる。 For example, in the control when the robot hand grips an object with the vibration type actuator 6, first, the vibration frequency is used in a region separated from the resonance frequency Fr, and the combination of the speed sensor 8 and a position detection unit (not shown) Detects contact between an object and a robot hand. Thereafter, the gripping force can be calculated by the torque calculator 7. Further, when gripping a heavy object with high rigidity, torque control is performed near the resonance frequency Fr, and when gripping a flexible object with low rigidity, torque control is performed in a region away from the vicinity of the resonance frequency Fr. It is possible to control the gripping force of various objects.
振動型アクチュエータ6をロボットハンド等に適用する場合、ロボットハンドが物体を把持する作業を行う際に、把持接触力を検出する接触センサを用いずに、トルク算出部7がトルクを算出することで、把持力制御を実現することができる。また、振動型アクチュエータ6は、電磁モータに比べて小型軽量高トルクである。振動型アクチュエータ6は、安定したトルク制御が可能となり、電磁モータとの置き換えが可能となり、ロボットハンドの小型軽量化のみならず、さらにはロボットアームの小型軽量化を実現できる。 When the vibration actuator 6 is applied to a robot hand or the like, when the robot hand performs an operation of gripping an object, the torque calculation unit 7 calculates the torque without using a contact sensor that detects a gripping contact force. The gripping force control can be realized. The vibration type actuator 6 is smaller, lighter and higher torque than the electromagnetic motor. The vibration type actuator 6 can perform stable torque control and can be replaced with an electromagnetic motor, so that not only the robot hand can be reduced in size and weight, but also the robot arm can be reduced in size and weight.
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
1 トルク制御部、2 周波数指令部、4 パルス生成部、5 ドライバ、6 振動型アクチュエータ、7 トルク算出部、8 速度センサ、9 A/D変換部、10 機械振幅−電圧変換部、21 圧電素子、22 振動体、26 ロータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Torque control part, 2 Frequency command part, 4 Pulse generation part, 5 Driver, 6 Vibration type actuator, 7 Torque calculation part, 8 Speed sensor, 9 A / D conversion part, 10 Mechanical amplitude-voltage conversion part, 21 Piezoelectric element , 22 vibrator, 26 rotor
Claims (7)
前記交流電圧の周波数を指令する周波数指令部と、
前記電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧であって、前記周波数指令部により指令された周波数の交流電圧を生成する交流電圧生成部と、
前記移動体の速度を検出する速度検出部と、
前記振動体の機械振幅を取得する振動体振幅取得部と、
前記周波数指令部により指令された周波数と、前記速度検出部により検出された速度と、前記振動体振幅取得部により取得された機械振幅とを基に、前記移動体のトルクを算出するトルク算出部とを有し、
前記周波数指令部は、前記トルク算出部により算出されたトルクとトルク指令値との差分に応じて、周波数を指令することを特徴とする振動型アクチュエータの制御装置。 A control device for a vibration type actuator in which an oscillating body vibrates by applying an AC voltage to an electromechanical energy conversion element, and a moving body moves by frictional force with the oscillating body,
A frequency command unit that commands the frequency of the AC voltage;
An AC voltage applied to the electromechanical energy conversion element, an AC voltage generator that generates an AC voltage having a frequency commanded by the frequency command unit;
A speed detector for detecting the speed of the moving body;
A vibrating body amplitude acquisition unit for acquiring a mechanical amplitude of the vibrating body;
A torque calculation unit that calculates the torque of the moving body based on the frequency commanded by the frequency command unit, the speed detected by the speed detection unit, and the machine amplitude acquired by the vibration body amplitude acquisition unit. And
The frequency command unit commands a frequency according to a difference between a torque calculated by the torque calculation unit and a torque command value.
前記振動体と前記移動体との間の摩擦力を算出する摩擦力算出部と、
前記摩擦力算出部により算出された摩擦力を基に前記移動体のトルクを算出し、前記移動体のトルクの値を出力するトルク値出力部とを有することを特徴とする請求項1記載の振動型アクチュエータの制御装置。 The torque calculator
A frictional force calculation unit for calculating a frictional force between the vibrating body and the moving body;
The torque value output unit according to claim 1, further comprising: a torque value output unit configured to calculate a torque of the mobile body based on the frictional force calculated by the frictional force calculation unit and to output a torque value of the mobile body. Control device for vibration actuator.
前記摩擦力算出部は、前記すべり領域での摩擦力及び前記固着領域での摩擦力を加算することにより、前記振動体と前記移動体との間の摩擦力を算出することを特徴とする請求項2記載の振動型アクチュエータの制御装置。 The torque calculation unit includes a sliding region where the vibration body and the moving body have different velocities and a fixed region where the vibration body and the moving body have the same speed at the contact portion between the vibrating body and the moving body. It has a slip area fixing area detection unit to detect,
The frictional force calculation unit calculates a frictional force between the vibrating body and the moving body by adding a frictional force in the sliding region and a frictional force in the fixing region. Item 3. A vibration type actuator control device according to Item 2.
前記すべり領域固着領域検出部は、前記境界の位置及び前記境界での前記振動体の機械振幅を基に、前記すべり領域を検出することを特徴とする請求項3記載の振動型アクチュエータの制御装置。 The torque calculation unit calculates a position of a boundary between a contact portion between the vibrating body and the moving body and a mechanical amplitude of the vibrating body at the boundary based on the mechanical amplitude acquired by the vibrating body amplitude acquisition unit. A boundary calculation unit;
4. The vibration type actuator control device according to claim 3, wherein the slip region fixing region detection unit detects the slip region based on a position of the boundary and a mechanical amplitude of the vibrating body at the boundary. .
前記すべり領域固着領域検出部は、前記固着領域での前記振動体の機械振幅の基準値を基に、前記固着領域を検出することを特徴とする請求項3又は4記載の振動型アクチュエータの制御装置。 The torque calculation unit is based on the frequency commanded by the frequency command unit, the speed detected by the speed detection unit, and the mechanical amplitude acquired by the vibration body amplitude acquisition unit. A fixed amplitude calculating unit for calculating a reference value of the mechanical amplitude of the vibrating body;
5. The vibration type actuator control according to claim 3, wherein the slip region fixing region detection unit detects the fixing region based on a reference value of a mechanical amplitude of the vibrating body in the fixing region. apparatus.
前記トルク値出力部は、前記移動体の回転の接線方向に働く摩擦力に対して、前記振動体と前記移動体の接触部の半径を乗算することにより、前記移動体のトルクを算出することを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。 The frictional force calculating unit calculates a frictional force acting in a tangential direction of the rotation of the moving body,
The torque value output unit calculates a torque of the moving body by multiplying a frictional force acting in a tangential direction of rotation of the moving body by a radius of a contact portion between the vibrating body and the moving body. The control device for a vibration type actuator according to claim 2, wherein:
周波数指令部により、前記交流電圧の周波数を指令する周波数指令ステップと、
交流電圧生成部により、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧であって、前記周波数指令ステップで指令された周波数の交流電圧を生成する交流電圧生成ステップと、
速度検出部により、前記移動体の速度を検出する速度検出ステップと、
振動体振幅取得部により、前記振動体の機械振幅を取得する振動体振幅取得ステップと、
トルク算出部により、前記周波数指令ステップで指令された周波数と、前記速度検出ステップで検出された速度と、前記振動体振幅取得ステップで取得された機械振幅とを基に、前記移動体のトルクを算出するトルク算出ステップとを有し、
前記周波数指令ステップでは、前記トルク算出ステップで算出されたトルクとトルク指令値との差分に応じて、周波数を指令することを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。 A control method of a vibration type actuator in which an oscillating body vibrates by applying an AC voltage to an electromechanical energy conversion element, and a moving body moves by a frictional force with the oscillating body,
A frequency command step for commanding the frequency of the AC voltage by a frequency command unit;
An AC voltage generation step for generating an AC voltage of the frequency commanded in the frequency command step, which is an AC voltage applied to the electro-mechanical energy conversion element by an AC voltage generation unit;
A speed detection step of detecting a speed of the moving body by a speed detection unit;
A vibrating body amplitude acquisition step of acquiring a mechanical amplitude of the vibrating body by a vibrating body amplitude acquisition unit;
Based on the frequency commanded in the frequency command step, the speed detected in the speed detection step, and the machine amplitude acquired in the vibrating body amplitude acquisition step, the torque of the moving body is calculated by the torque calculation unit. A torque calculating step for calculating,
In the frequency command step, a frequency is commanded in accordance with a difference between the torque calculated in the torque calculation step and a torque command value.
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