JP2017034936A - Motor control apparatus, motor device, and motor control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータ制御装置、モータ装置、及びモータ制御方法に関する。 The present invention relates to a motor control device, a motor device, and a motor control method.
産業用ロボット、パワーアシスト機器などの自動機器では、例えば、ロボットの関節などの可動部分にサーボモータが用いられている。例えばロボットのような自動機器は、負荷が減速機構を介してサーボモータに接続された負荷の位置と負荷にかかるトルクとを、サーボモータの回転軸の回転角度とトルクとを制御することで制御し、人間に近い作業を実現している。このような自動機器では、作業を行うとき、負荷に何らかの力がかかるなどの外乱が生じ、負荷からモータにねじりトルクなどの外乱トルクがかかると、負荷にかかるトルクが制御目標値に追従しなくなる場合がある。このような場合にも、速やかにトルクを制御目標値にし、安定したトルク制御をできるように、外乱トルクを考慮した制御装置が種々開発されている。 In automatic devices such as industrial robots and power assist devices, for example, servomotors are used for movable parts such as robot joints. For example, an automatic device such as a robot controls the position of a load connected to the servo motor via a speed reduction mechanism and the torque applied to the load by controlling the rotation angle and torque of the rotation axis of the servo motor. And it realizes work close to humans. In such an automatic device, when working, a disturbance such as some force is applied to the load, and when a disturbance torque such as a torsion torque is applied from the load to the motor, the torque applied to the load does not follow the control target value. There is a case. Even in such a case, various control devices have been developed in consideration of disturbance torque so that the torque can be quickly set to the control target value and stable torque control can be performed.
例えば、特許文献1に開示されているモータ制御装置は、モータへの電流指令値とモータの角速度応答値とを入力することにより、モータにかかった外乱トルクの推定値を出力するモータ側外乱オブザーバと、モータに接続された負荷の角速度応答値とモータ側外乱オブザーバからの推定値とを入力することにより、モータのねじりトルクと分離して負荷の外乱トルクの推定値を出力する負荷側外乱オブザーバとを備えている。
For example, a motor control device disclosed in
特許文献1に開示されているモータ制御装置は、負荷側外乱オブザーバからの外乱トルクの推定値を電流指令値にフィードバックして負荷にかかるトルクを制御し、外乱トルクを補償したトルク制御を実現している。
The motor control device disclosed in
しかしながら特許文献1に開示されているモータ制御装置には、経年などによって制御系の特性が変化しても外乱オブザーバのパラメータを変更することができないので、外乱オブザーバによって外乱トルクを適切に補償できなくなり、安定したトルク制御を行うことが難しいという問題があった。
However, in the motor control device disclosed in
そこで、本発明は、安定したトルク制御を実現できるモータ制御装置、モータ装置及びモータ制御方法を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the motor control apparatus, motor apparatus, and motor control method which can implement | achieve stable torque control.
本発明のモータ制御装置は、負荷側トルク指令値に応じて負荷に駆動力を機械的に伝達するモータの外乱トルクであるねじりトルクの測定値と前記負荷側トルク指令値とに基づいて加速度指令値を算出するバック・ドライバビリティ制御部と、前記モータの外乱トルクを推定する外乱オブザーバと、前記バック・ドライバビリティ制御部によって算出された前記加速度指令値及び前記外乱オブザーバから出力された前記モータの外乱トルクの推定値に基づいて前記モータに入力する電流指令値を算出する加速度制御部とを備えることを特徴とする。 The motor control device according to the present invention provides an acceleration command based on a measured value of torsion torque, which is a disturbance torque of a motor that mechanically transmits a driving force to a load in accordance with a load side torque command value, and the load side torque command value. A back drivability control unit for calculating a value, a disturbance observer for estimating a disturbance torque of the motor, the acceleration command value calculated by the back drivability control unit and the motor output from the disturbance observer And an acceleration control unit that calculates a current command value to be input to the motor based on an estimated value of disturbance torque.
本発明のモータ装置は、請求項1又は2に記載のモータ制御装置と、前記ねじりトルクを測定するトルク測定部とを備え、前記トルク測定部は、一端が減速機構を介して前記モータに接続され、負荷が接続される他端に前記負荷側トルク指令値に応じたトルクが生じる回転軸に配置された歪ゲージと、前記歪ゲージの抵抗変化を検出し、検出した前記抵抗変化から前記ねじりトルクを算出するトルク検出回路とを有することを特徴とする。
A motor device of the present invention includes the motor control device according to
本発明のモータ制御方法は、負荷側トルク指令値に応じて負荷に駆動力を機械的に伝達するモータの外乱トルクであるねじりトルクの測定値と前記負荷側トルク指令値とに基づいて加速度指令値を算出し、前記加速度指令値及び外乱オブザーバによって推定された前記モータの外乱トルクの推定値に基づいて前記モータに入力する電流指令値を算出することを特徴とする。 The motor control method according to the present invention provides an acceleration command based on a measured value of torsion torque, which is a disturbance torque of a motor that mechanically transmits a driving force to a load in accordance with a load side torque command value, and the load side torque command value. And calculating a current command value to be input to the motor based on the acceleration command value and an estimated value of disturbance torque of the motor estimated by a disturbance observer.
本発明によれば、バック・ドライバビリティ制御部によって、実際に測定したねじりトルクの測定値を負荷側トルク指令値にフィードバックして外乱トルクを補償できると共に振動を抑制でき、外乱オブザーバで算出されたモータの外乱トルクの推定値を加速度制御部によって電流指令値にフィードバックしてモータの動摩擦を補償できるので、経年変化が生じた場合も外乱トルクを補償することができ、安定したトルク制御を実現できる。 According to the present invention, the back drivability control unit can feed back the measured value of the torsional torque actually measured to the load side torque command value to compensate for the disturbance torque and suppress the vibration, and is calculated by the disturbance observer. The estimated value of the disturbance torque of the motor is fed back to the current command value by the acceleration control unit to compensate for the dynamic friction of the motor, so that the disturbance torque can be compensated even when aging occurs, and stable torque control can be realized. .
(1)本発明の実施形態のモータ制御装置を用いたモータ装置の構成
図1に示すように、本実施形態のモータ装置1は、モータ2と、モータ2の回転軸(図示しない)の一端に接続されたトルク検出器一体型減速機3と、モータ2の回転軸の他端に接続されたロータリエンコーダ4と、モータ2やトルク検出器一体型減速機3に電力を供給し、モータ2を制御するモータ制御装置5を備えている。
(1) Configuration of Motor Device Using Motor Control Device of Embodiment of Present Invention As shown in FIG. 1, the
モータ2は、モータ制御装置5から電流が供給されると、回転軸を回転させてトルクを生じ、駆動力をトルク検出器一体型減速機3に伝達する。モータ2は、特に限定されず、本実施形態の場合、DCモータである。
When electric current is supplied from the
トルク検出器一体型減速機3は、回転軸6とトルク測定部8と減速機構10とを備えており、モータ2の回転軸と回転軸6の一端とが当該減速機構10を介して接続されている。トルク検出器一体型減速機3は、減速機構10が、モータ2の回転軸の回転速度とトルクとを減速比に応じて変換し、回転軸6に伝達する。回転軸6の他端は、例えばロボットのアームのような負荷を接続できるようになされている。トルク検出器一体型減速機3は、さらに、トルク測定部8を備えており、当該トルク測定部8が回転軸6に生じたねじりトルクを測定して、当該ねじりトルクの測定値を出力する。
The torque detector integrated
ロータリエンコーダ4は、モータ2の回転軸の位置、すなわち、所定の基準点からの回転軸の回転角度(以下、モータ2の位置応答値という。)を検出し、電気信号に変換して出力する。
The
モータ制御装置5は、モータ2、トルク検出器一体型減速機3、ロータリエンコーダ4とそれぞれ配線7a、7b、7cを介して接続されている。
The
モータ制御装置5は、配線7aを介してモータ2に電流を供給する。モータ制御装置5は、配線7bを介してトルク検出器一体型減速機3から出力されたねじりトルクの測定値を受け取る。モータ制御装置5は、配線7cを介してロータリエンコーダ4から出力されたモータ2の位置応答値を受け取る。
The
モータ制御装置5は、負荷が回転軸6に接続されたとき、当該負荷にかかるトルクが所定の値(後述する負荷側トルク指令値)に追従するように、負荷側トルク指令値とモータ2の位置応答値とねじりトルクとに基づいて電流指令値を算出し、電流指令値をモータ2に入力してモータ2を制御する。ここでは、電流指令値をモータに入力するということは、電流指令値に応じた直流電流をモータに供給することを意味している。
When the load is connected to the rotating
次に、トルク検出器一体型減速機3の構造についてさらに説明する。図2に示すように、トルク検出器一体型減速機3は、回転軸6と、トルク測定部8と、減速機構10と、回転軸6の一部及び減速機構10を収容する筐体12と、回転軸6を筐体12に対して回転自在に支持するベアリング13と、ベアリング13上に設けられた軸カバー14とを備えている。
Next, the structure of the torque detector integrated
減速機構10は、波動歯車機構であり、図示しないモータ2の回転軸2aの先端に接続されたウエーブジェネレータ10aと、薄肉の金属でカップ形状に形成されて弾性を有し、当該カップの開口部10dの外側面にギア歯(図示せず)が設けられたフレックススプライン10bと、当該フレックススプライン10bのギア歯と噛み合うギア歯(図示せず)が内側面に設けられたサーキュラスプライン10cとを備えている。
The
ウエーブジェネレータ10aは、楕円状カムとカムの外周に配置されたボールベアリングとでなり、ボールベアリングの内輪がカムに固定され、ボールベアリングの外輪がボールを介して弾性変形する部品である。ウエーブジェネレータ10aは、モータ2の筐体(図示せず)に固定されたベアリング16に支持された回転軸2aの先端に、ねじ11dによって固定されている。ウエーブジェネレータ10aは楕円形状をしており、フレックススプライン10bに挿入されている。
The
フレックススプライン10bは、回転軸6の一端がねじ11aよって底部15に固定されており、フレックススプライン10bが回転すると回転軸6も回転するようになされている。
In the
サーキュラスプライン10cは、リング状に形成された剛体であり、ねじ11bによって筐体12の内側面に固定されている。サーキュラスプライン10cは、フレックススプライン10bのギア歯よりも多くのギア歯を有している。このように、減速機構10は筐体12内に収容されている。
The
ウエーブジェネレータ10aがフレックススプライン10bの開口部10dに挿入された状態では、フレックススプライン10bの開口部10dが楕円形状に変形し、楕円形になったフレックススプライン10bの開口部10dの長軸方向の頂点にあるギア歯がサーキュラスプライン10cのギア歯と噛み合う。その状態でウエーブジェネレータ10aが時計回りに回転すると、フレックススプライン10bは、弾性変形し、サーキュラスプライン10cのギア歯と噛み合う位置が移動する。ウエーブジェネレータ10aが1回転すると、フレックススプライン10bは、サーキュラスプライン10cとのギア歯の差分だけ初期位置と比較してフレックススプライン10bのギア歯がサーキュラスプライン10cギア歯と噛み合う位置がずれ、反時計回りに移動する。よって、ウエーブジェネレータ10aが1回転してもフレックススプライン10bが1回転せず、フレックススプライン10bに接続された回転軸6は、ギア歯の差分に応じて減速し、当該減速機構10の減速比の分だけ減速する。
In a state where the
フレックススプライン10bの底部15近傍にある回転軸6と筐体12との間の空間には、オイルシール25が設けられている。オイルシール25は、筐体12に固定されていると共に、回転軸6に接触しており、回転軸6と筐体12との間の空間をシールし、減速機構10側のオイルが筐体12内に飛散するのを防いでいる。
An
本実施形態では、減速機構10として波動歯車機構を用いたが、減速機構10は特に限定されず、減速機構10として例えば遊星歯車機構など他の機構を用いてもよい。
In this embodiment, the wave gear mechanism is used as the
回転軸6は、円柱形状をしており、減速機構10に接続された一端が筐体12に収容されており、他端が負荷を取り付けられるようにトルク検出器一体型減速機3から突出している。
The
回転軸6は、径が他の部分よりも小さく形成された起歪部6aと、起歪部6aよりもモータ2側に形成され、回転軸6から鍔状にせりだした円板形状の鍔部6bとを備えている。起歪部6aは、歪ゲージ18が貼着されている。起歪部6aは、回転軸6の長手方向には強度を有して変形しないが、径が他の部分よりも小さく形成されているため、ねじれ方向には、変形する。その結果、歪ゲージ18は、起歪部6aに生じるねじれ(せん断歪み)によって歪み、歪ゲージ18のせん断歪み量に応じた抵抗変化を生じる。
The
鍔部6bには、基板19が基板固定支柱20によって固定されている。基板19はリング状の円板である。基板19は、第1基板19aと第2基板19bとでなり、第1基板19aの表面には歪ゲージ18に結線されたトルク検出回路29が設けられている。なお、基板19は、円形状であることが好ましいが、四角形状や多角形状であってもよい。
A
トルク検出回路29は、回転軸6に配置された歪ゲージ18の抵抗変化を検出する例えばホイートストンブリッジ回路などの抵抗変化検出回路と、抵抗変化検出回路の出力をデジタル信号に変換するAD変換器と、このデジタル信号を処理するCPUと、整流回路と、安定化回路とを備えている。
The
トルク検出回路29は、デジタル信号に変換された抵抗変化検出回路の出力電圧信号から歪ゲージ18に生じた抵抗変化を検出することで、歪ゲージ18に掛かるせん断歪み量を測定でき、回転軸6に生じるねじりトルクを算出できる。
The
CPUは、デジタル信号に変換された抵抗変化検出回路の出力電圧信号に基づいてねじりトルクの測定値を算出し送信部27へ送出する。
The CPU calculates a measured value of torsion torque based on the output voltage signal of the resistance change detection circuit converted into a digital signal, and sends it to the
本実施形態の場合、歪ゲージ18は、起歪部6aの外周面に90°間隔で4枚貼着されており、抵抗変化検出回路は、4枚の歪ゲージ18で構成されたホイートストンブリッジ回路である。このように構成することで、回転軸6に生じたせん断歪みを確実に検出でき、歪ゲージ18に生じた微小な抵抗変化を検出できるので、より確実にねじりトルクを検出できる。
In the case of this embodiment, four
なお、歪ゲージ18の枚数及び抵抗変化検出回路の構成は、上述の様にするのが望ましいが、特に限定されない。
The number of
第2基板19bの表面には、トルク検出回路29に結線され、トルク検出回路29から送出されたねじりトルク測定値の信号を無線で送信する送信部27が設けられている。送信部27は、ねじりトルクの測定値の信号をデジタル変調するデジタル変調回路(不図示)と、デジタル変調回路から出力されたデジタル変調信号に応じて赤外光を発光して当該デジタル変調信号を光信号に変換するLEDなどの発光素子(不図示)とを備えている。
On the surface of the
筐体12に固定された筐体基板24には、送信部27から送信された光信号を受信する受信部28が送信部27と対向する位置に設けられており、送信部27及び受信部28間で赤外線通信などの無線通信ができるようになされている。
The
受信部28は、送信部27が発した赤外光を受光して光信号を電気信号(すなわち、送信部27で光信号に変換される前のデジタル変調信号)に変換するフォトダイオードなどの受光素子(不図示)と、電気信号に変換したデジタル変調信号からねじりトルクの測定値の信号をデジタル復調によって取り出すデジタル復調回路(不図示)とを備えている。
The receiving
デジタル復調回路は配線7b(図2には不図示)に接続されており、モータ制御装置5にねじりトルクの測定値に対応した信号を送出する。
The digital demodulation circuit is connected to the
トルク検出回路29及び送信部27は、回転軸6と共に基板19が回転するときにトルク検出回路29及び送信部27に掛かる遠心力の影響が回転軸6に及びにくいように、トルク検出回路29及び送信部27を構成する電子部品が配置されている。
The
本実施形態の場合、基板19は、第1基板19aと第2基板19bとの2枚の基板で構成されているが、基板の枚数は特に限定されず、1枚の基板で構成されていてもよく、3枚以上の基板で構成されていてもよい。特に、基板19が基板1枚で構成されている場合は、回転軸6の長さを短くでき、トルク検出器一体型減速機3を小型化できるので好ましい。
In the present embodiment, the
さらに、回転軸6は、例えばフェライトシートなどの磁性体シートでなり、回転軸6の側面を覆う2次側コア21aと、2次側コア21aの表面に例えば銅線などの導電性の線材を巻回して形成された2次コイル21bとを備える受電部21が設けられている。
Further, the
筐体基板24には、受電部21と対向する位置に筐体基板24に固定されたコアホルダ23に保持された送電部22が配置されている。送電部22は、コアホルダ23に保持され、例えばフェライトなどの磁性体でなり、断面形状がコ字型となるように成形された1次側コア22aと、1次側コア22aの2つの突部間に例えば銅線などの導電性の線材を巻回して形成された1次コイル22bとを備えている。
In the
筐体基板24には、配線7b(図2には不図示)を介してモータ制御装置5(図2には不図示)と接続された図示しないスイッチング回路が設けられている。当該スイッチング回路は、モータ制御装置5から供給された直流電流を交流電流に変換している。スイッチング回路は、送電部22と結線されており、変換した交流電流を送電部22へ出力する。
The
送電部22は、供給された交流電流を1次コイル22bに流し、1次コイル22bに交流磁界を発生させ、受電部21の2次コイル21bに電流を誘起する。よって、2次コイル21bが1次コイル22bから非接触で電力を受電できる。
The
受電部21は、2次コイル21bに誘起された交流電流をトルク検出回路29に供給する。トルク検出回路29は、供給された交流電圧を整流回路と安定化回路とによって直流電圧へと変換し、抵抗変化検出回路などに供給する。
The
回転軸6を筐体12に対して回転自在に支持するベアリング13は、接続部26を介して筐体12に設けられている。接続部26は、中心に穴が形成されており、当該穴内に回転軸6の鍔部6bが配置され、接続部26の穴の内側面26aが鍔部6bと所定の間隔を空けて対向するように、筐体12に固定されている。
A bearing 13 that rotatably supports the
本実施形態の場合、ベアリング13は、クロスローラベアリングであり、外輪13aと、内輪13bと、円筒形状のコロ13cとを備えている。ベアリング13は、外輪13aが接続部26に固定され、内輪13bがねじ11cによって鍔部6bに固定されることで、回転軸6が筐体12に対して自在に回転できるように回転軸6を支持している。
In the present embodiment, the
このようにベアリング13は、起歪部6aよりも回転軸6の長手方向においてモータ2側で回転軸を支持している。本実施形態では歪ゲージ18が、回転軸6の一部及び減速機構10を収容する筐体12に設けられたベアリング13によって回転軸6が支持された位置よりも回転軸6の長手方向において負荷が接続される他端側に配置されているので、組み立て時のネジやボルトの締結に起因する応力が歪ゲージ18を貼着した起歪部6aに生じるのを抑制でき、当該応力の影響が歪ゲージ18に及ぶのを抑制でき、より確実にねじりトルクを測定できる。
Thus, the
軸カバー14は、ねじ11eによってベアリング13の外輪13aに固定されており、中心に穴が形成されている。当該穴は、軸カバー14をベアリング13に固定したとき、穴の内側面と回転軸6とが接触しない程度の大きさに形成されている。
The
本実施形態のトルク検出器一体型減速機3では、トルク測定部8は、上述の歪ゲージ18とトルク検出回路29と送信部27と受信部28と復調回路と受電部21と送電部22とで構成されている。
In the torque detector integrated
次いで、本実施形態のモータ制御装置5について説明する。図3は、モータ制御装置5を示すブロック線図30である。図3に示すように、モータ制御装置5は、バック・ドライバビリティ制御部38と、モータ2の外乱トルクを推定する外乱オブザーバ34と、加速度制御部33とを備えている。
Next, the
モータ制御装置5は、トルク測定部8が測定したねじりトルクτsと、ロータリエンコーダ4が検出した位置応答値θmと、負荷側トルク指令値τcmdとに基づいて電流指令値iq refを算出する。そしてモータ制御装置5は、当該電流指令値iq refをモータ2へ入力してモータ2を駆動し、回転軸6に生じるトルクを負荷側トルク指令値τcmdに追従させる。
The
図3に示すモータ制御装置5の各構成要素は、モータ2を制御する機能に着目して便宜的にモータ制御装置5の内部を分類したものであり、各構成要素が物理的に分割可能である必要はない。モータ制御装置5は、LSIなどを用いたハードウェアによって実現してもよく、コンピュータープログラムを用いたソフトウェアによって実現してもよい。
Each component of the
モータ制御装置5は、本実施形態ではモータ2へ電流指令値iq refを入力してモータ2を駆動しているが、モータ制御装置5外に設けられた外部電源を制御して電流指令値iq refに応じた電流をモータ2へ供給してもよい。
In this embodiment, the
モータ2及びトルク検出器一体型減速機3は、回転軸6が弾性を有していたり、減速機構10のギア歯が弾性結合したりしているなどのために、所定の共振周波数で振動する機械共振系である。そのため、モータ2及びトルク検出器一体型減速機3を二慣性共振系の近似化モデルで表すことができるので、図3では、便宜的に、モータ2及びトルク検出器一体型減速機3は、二慣性共振系の近似化モデルを用いて表されている。また図3では、回転軸6(図3に不図示)に負荷37が接続されている状態を示している。
The
二慣性共振系の近似化モデルで表したモータ2は、電流‐トルク変換器2bにより電流指令値iq refにトルク定数Ktを乗算して電流指令値iq refをトルク値に変換したものからトルク検出器一体型減速機3のトルク応答値τdisを減算器2cによって減算することで、モータ2の回転軸2aに生じる出力トルク値を等価的に算出する。トルク検出器一体型減速機3のトルク応答値τdisは、モータ2にトルク検出器一体型減速機3から伝わるトルク、すなわち、モータ2の外乱トルクを意味している。
さらにモータ2は、減算器2cが算出した出力トルク値をトルク‐速度変換器2dによって速度に変換することで、モータ2の回転軸2aの回転速度である速度応答値ωmを等価的に算出する。なお、速度応答値ωmは、図3に示すトルク‐速度変換器2d内の項1/(Jms+Dm)と、減算器2cからの出力トルク値とを乗算することで算出できる。Jmはモータ2の慣性モーメントであり、Dmはモータ2の粘性摩擦であり、sはラプラス演算子である。
Further, the
二慣性共振系の近似化モデルで表したトルク検出器一体型減速機3は、ねじりトルクτsから回転軸6に接続された負荷37の慣性変動や摩擦などの外乱トルクを包括的に含む負荷37のトルク応答値τLを減算器3cにより減算することで、回転軸6に生じる出力トルク値を等価的に算出する。
The torque detector integrated
さらにトルク検出器一体型減速機3は、減算器2cが算出した出力トルク値をトルク‐速度変換器3dによって速度に変換することで、トルク検出器一体型減速機3の回転軸6の回転速度である速度応答値ωLを等価的に算出する。なお、速度応答値ωLは、図3に示すトルク‐速度変換器3d内の項1/(JLs+DL)と、減算器3cからの出力トルク値を乗算することで算出できる。JLはトルク検出器一体型減速機3の慣性モーメントであり、DLはトルク検出器一体型減速機3の粘性摩擦である。
Further, the torque detector-integrated
二慣性共振系の近似化モデルでは、トルク検出器一体型減速機3に生じるねじりトルクτsは、モータ2と負荷37との速度差により生じるねじり角と、モータ2と負荷37との間の機械共振振動に依存して定まるばね定数Ksとの積としてモデル化される。
In the approximated model of the two-inertia resonance system, the torsion torque τ s generated in the torque detector-integrated
すなわち、モータ2と負荷37との速度差は、減速比逆変換器3aでモータ2の速度応答値ωmに減速比Rgの逆数を乗算して速度応答値ωmを減速機構10(図3に不図示)の減速比に応じて変換した値から、トルク検出器一体型減速機3の速度応答値ωLを減算器3bで減算することで算出される。
In other words, the speed difference between the
そして、ねじりトルクτsは、減算器3bによって算出した速度差を、ゲインとしてばね定数Ksを備える積分器3fによって積分して回転軸6のねじり角に変換すると共に、当該ねじり角にばね定数Ksを乗算することで等価的に算出される。
The torsion torque τ s is converted into a torsion angle of the
二慣性共振系の近似化モデルでは、このように算出されたねじりトルクτsが減算器3cに加わり、またこのねじりトルクτsに、減速比逆変換器3gによって減速比Rgの逆数を乗算して算出した値τs/Rgがトルク応答値τdisとして、モータ2の減算器2cに加わっているように表される。
In the approximation model of the two-inertia resonance system, the torsion torque τ s calculated in this way is added to the
なお、図3では、モータ2は、速度応答値ωmを積分器2eで積分した値であるモータ2の位置応答値θmを出力し、トルク検出器一体型減速機3は、速度応答値ωLを積分器3eで積分した値である負荷37の位置応答値θLを出力するように示している。
In FIG. 3, the
実際には、回転軸6に物理的に生じたねじりトルクτsをトルク測定部8によって測定しているが、図3に示すブロック線図30では、二慣性共振系の近似化モデルを適用しているので、上記の様にして算出されたねじりトルクτsをトルク測定部8によって測定しているように表している。
Actually, the torsion torque τ s physically generated in the
バック・ドライバビリティ制御部38は、トルク測定部8によって測定されたねじりトルクτsの測定値と負荷側トルク指令値τcmdとに基づいて加速度指令値を算出して回転軸6に生じるトルクが負荷側トルク指令値τcmdに追従するようにすると共に、モータ2及びトルク検出器一体型減速機3の共振比を制御してモータ2及びトルク検出器一体型減速機3の振動を抑制する。
The back
本実施形態の場合、バック・ドライバビリティ制御部38は、回転軸6に生じるトルクを制御する負荷側トルク制御要素31と、共振比を制御する共振比制御要素32とを備えている。
In the case of the present embodiment, the back
負荷側トルク制御要素31は、トルク測定部8によって測定されたねじりトルクτsの測定値と負荷側トルク指令値τcmdとに基づいて加速度指令値としての負荷側加速度指令値〜θ・・refを算出する。ここで「〜」は負荷側の数値であることを意味し、「・・」は2階微分であることを意味する。本実施形態では、負荷側トルク制御要素31は、ねじりトルクτsの測定値と負荷側トルク指令値τcmdとに基づいてI−PD制御を行い、回転軸6に生じるトルクが負荷側トルク指令値τcmdに追従するようにする。
The load-side
具体的には、負荷側トルク制御要素31は、負荷側トルク指令値τcmdからねじりトルクτsの測定値を減算器31aで減算し、減算器31aの出力を、積分ゲインKiを備える積分制御器31bに入力する。
Specifically, the load-side
さらに負荷側トルク制御要素31は、ねじりトルクτsの測定値を、比例ゲインKpを備える比例制御器31cと微分ゲインKdを備える疑似微分器31dとにそれぞれ入力し、比例制御器31cの出力と疑似微分器31dの出力とを加算器31eで加算する。
Further load
負荷側トルク制御要素31は、積分制御器31bの出力から加算器31eの出力を減算器31fで減算し、負荷側加速度指令値〜θ・・refを算出する。このようにモータ制御装置5では、負荷側トルク制御要素31によって、ねじりトルクτsが負荷側トルク指令値τcmdにフィードバックされ、負荷37を介して回転軸6にかかる外乱トルクが補償される。
The load side
なお、負荷側トルク制御要素31は、負荷側トルク指令値τcmdとトルク測定部8によって測定されたねじりトルクτsの測定値とに基づいて負荷側加速度指令値〜θ・・refを算出していれば特に限定されず、比例制御器や積分制御制御器など1つの制御器のみを有していてもよく、比例積分制御器や比例微分制御器など2つの制御器を組み合わせたものでもよい。
The load side
また、負荷側トルク指令値τcmdは、外部からモータ制御装置5に入力されてもよく、モータ制御装置5に備えられた記憶媒体にあらかじめ負荷側トルク指令値τcmdを記憶しておき、当該記憶された負荷側トルク指令値τcmdを用いてもよい。
The load-side torque command value tau cmd may be input from the outside to the
共振比制御要素32は、トルク測定部8によって測定されたねじりトルクτsの測定値に基づいて、負荷側トルク制御要素31から入力された加速度指令値を補正する。共振比制御要素32は、ねじりトルクτsの測定値を、ゲインKrを備えるトルク‐加速度変換器32bに入力してねじりトルクτsにゲインKrを乗算し、トルクを加速度に変換する。
The resonance
共振比制御要素32は、負荷側加速度指令値〜θ・・refから、トルク‐加速度変換器32bからの出力を減算器32aで減じることで、負荷側加速度指令値〜θ・・refを補正する。このようにして、共振比制御要素32がモータ2及びトルク検出器一体型減速機3を含むシステムの共振比を制御することで、モータ制御装置5では、モータ2及びトルク検出器一体型減速機3の振動が抑制される。共振比は2.236程度の値となる。
Resonance
なお、バック・ドライバビリティ制御部38は、比例制御器31cの比例ゲインKpを適宜設定することで、ゲインKrを0に設定しても、共振比を制御してモータ2及びトルク検出器一体型減速機3の振動を抑制できる。これは、モータ2及びトルク検出器一体型減速機3の振動が、ゲインKr及び比例制御器31cの比例ゲインKpの和Kp+Krの値が所定の値で一定であれば、Kr及びKpの値を適宜変更しても抑制されるからである。
The back-
ゲインKrを0に設定するということは共振比制御要素32を有していないということと等価であるので、バック・ドライバビリティ制御部38は、比例ゲインKpの値によっては、共振比制御要素32を省略できる。
Since that the gain K r is set to 0 is equivalent to that it does not have a resonance
同様に、バック・ドライバビリティ制御部38は、ゲインKrの値によっては、比例ゲインKpが0となり、比例制御器31cを省略できる。
Similarly, the back
減速比変換器36は、ゲインとして減速比Rgを備えており、共振比制御要素32で補正された負荷側加速度指令値〜θ・・refをモータ側加速度指令値θ・・refに変換する。なお、減速機構10の減速比が1である場合は、減速比変換器36、減速比逆変換器3a、3gを設ける必要はない。この場合、負荷側加速度指令値〜θ・・refがそのままモータ側加速度指令値θ・・refとなる。
外乱オブザーバ34は、モータ2への入力である電流指令値iq refと、モータ2からの出力であり、ロータリエンコーダ4によって検出された位置応答値θmとに基づいてモータ2の外乱トルクの推定値^τdisを算出する。ここで「^」は推定値であることを意味する。なお、本実施形態の場合、外乱オブザーバ34は、電流指令値iq refと位置応答値θmとに基づいて外乱トルクを推定しているが、本発明はこれに限られず、電流指令値iq refとモータ2の速度応答値ωmとに基づいて外乱トルクを推定してもよい。
The
加速度制御部33は、モータ側加速度指令値θ・・refを、ゲインJmn/Ktnを備える加速度‐電流変換器33aに入力して加速度を電流に変換する。また、加速度制御部33は、モータ2の外乱トルクの推定値^τdisを、ゲイン1/Ktnを備えるトルク‐電流変換器33cに入力し、トルクを電流に変換する。
The acceleration control unit 33 inputs the motor side acceleration command value θ ·· ref to an acceleration-
加速度制御部33は、加速度‐電流変換器33aの出力とトルク‐電流変換器33cの出力とを加算器33bで加算し、電流指令値iq refを算出する。ここで、Ktnはトルク定数のノミナル値であり、Jmnはモータ2の慣性モーメントのノミナル値である。
The acceleration control unit 33 adds the output of the acceleration-
このようにモータ制御装置5では、加速度制御部33によって、モータ2の入力と出力とに基づいて外乱オブザーバ34で算出されたモータ2の外乱トルクの推定値^τdisが電流指令値iq refにフィードバックされ、モータ2の動摩擦が補償される。
As described above, in the
このようにモータ制御装置5は、加速度制御部33で算出された電流指令値iq refをモータ2に入力することで、負荷37に掛かるトルクが負荷側トルク指令値τcmdに追従するように制御できる。
Thus, the
(2)作用及び効果
以上の構成において、本実施形態のモータ制御装置5は、負荷側トルク指令値τcmdに応じて負荷に駆動力を機械的に伝達するモータ2の外乱トルクであるねじりトルクτsの測定値と負荷側トルク指令値τcmdとに基づいて加速度指令値としての負荷側加速度指令値〜θ・・refを算出する算出するバック・ドライバビリティ制御部38を備えるように構成した。
(2) Operation and Effect In the above configuration, the
さらにモータ制御装置5は、モータ2に入力される電流指令値iq refとロータリエンコーダ4によって検出された位置応答値θmとに基づいてモータ2の外乱トルクを推定し、モータ2の外乱トルクの推定値^τdisを出力する外乱オブザーバ34と、バック・ドライバビリティ制御部38によって算出され、減速比変換器でモータ側加速度指令値θ・・refに変換された加速度指令値及び外乱オブザーバから出力されたモータ2の外乱トルクの推定値^τdisに基づいてモータ2に入力する電流指令値iq refを算出する加速度制御部33とを備えるように構成した。
Further, the
よって本実施形態のモータ制御装置5は、バック・ドライバビリティ制御部38によって、トルク測定部8が実際に測定したねじりトルクτsの測定値を負荷側トルク指令値τcmdにフィードバックして外乱トルクを補償できると共にモータ2及びトルク検出器一体型減速機3の共振比制御をして振動を抑制でき、モータ2の入力と出力とに基づいて外乱オブザーバ34で算出されたモータ2の外乱トルクの推定値^τdisを加速度制御部33によって電流指令値iq refにフィードバックしてモータ2の動摩擦を補償できるので、経年変化が生じた場合も外乱トルクを補償することができ、安定したトルク制御を実現できる。
Therefore, in the
(3)その他の実施形態
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
(3) Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
上記の実施形態では、トルク検出器一体型減速機3の回転軸6に受電部21を設け、受電部21と対向する筐体基板24に固定されたコアホルダ23に保持された送電部22を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限られない。
In the above embodiment, the
例えば、図2と同一の構成には同一の番号を付して示す図4に示すトルク検出器一体型減速機301のように、フレックススプライン10bの外側面に受電部21を設けてもよい。
For example, the
この場合、トルク検出器一体型減速機301では、減速機構10のフレックススプライン10bの外側面を覆うようにシート状の2次側コア21aが配置され、2次側コア21a上に2次コイル21bが形成されて、受電部21が設けられる。
In this case, in the torque detector integrated
このようなトルク検出器一体型減速機301は、フレックススプライン10bの外側面に受電部21が設けられているので、回転軸6の側面に受電部21が設けられている実施形態のトルク検出器一体型減速機301よりも、筐体1201と回転軸601とを短くすることができ、小型化できる。
In such a torque detector-integrated
また、図2と同一の構成には同一の番号を付して示す図5に示すトルク検出器一体型減速機302のように、回転軸602に形成され歪ゲージ18が貼着された起歪部602aの外周を囲むように配置された円筒部材42の外側面に受電部21を設けてもよい。
Further, like the torque detector-integrated
この場合、回転軸602は、起歪部602aと第1鍔部602b及び第2鍔部602cの2つの鍔部とを備えている。第1鍔部602bは、起歪部602aのモータ2側の端部に設けられ、円筒部材42が装着されている。第2鍔部602cは起歪部602aの回転軸602先端側の端部に設けられている。
In this case, the
円筒部材42は、円筒形状に形成されており、鍔部602bと嵌合するように内径が鍔部602bの外径と同程度の大きさに形成されている。円筒部材42は、一端が、鍔部602bのモータ2側端に形成された凸部602dと接触するまで、内部に鍔部602bが差し込まれている。円筒部材42は、凸部602dによって装着位置が固定され、ねじ11fによって鍔部602bに止着されている。円筒部材42は、歪ゲージ18が貼着された起歪部602aの外周を囲むように配置されている。
The
受電部21は、円筒部材42の外周面を覆うようにシート状の2次側コア21aが配置され、当該2次側コア21a上に2次コイル21bが巻回されることで、円筒部材42の外周面上に形成されている。
In the
このようなトルク検出器一体型減速機302は、起歪部602aを囲むように鍔部602bに装着された円筒部材42の外周面に受電部21が設けられているので、回転軸6の外周面の一部に直接受電部21が設けられている実施形態のトルク検出器一体型減速機3よりも、筐体1202と回転軸602とを短くすることができ、小型化できる。
In such a torque detector-integrated
さらに、トルク検出器一体型減速機302では、基板19も起歪部602aの外周を囲むように配置されているので、筐体1202と回転軸602とをより短くすることができ、さらに小型化できる。
Further, in the torque detector-integrated
このように、円筒部材42及び基板19の両方が起歪部602aの外周を囲むように配置されていることが望ましいが、円筒部材42及び基板19の少なくとも1つ以上が起歪部602aの外周を囲むように配置されていれば、トルク検出器一体型減速機3を小型化できる。
As described above, it is desirable that both the
なお、円筒部材42と基板19とは、円筒形状又はドーナツ状に形成されて起歪部602aの外周を1周切れ目なく囲っているのが望ましいが、円筒部材42や基板19の一部が欠けて起歪部602aの外周の一部を覆っていなくてもよい。
It should be noted that the
また、トルク検出器一体型減速機302は、回転軸602を筐体1202に対して回転自在に支持するベアリング1302として、ラジアル深溝玉ベアリングを備えている。ベアリング1302は、筐体1202に固定された接続部2602に固定された外輪1302aと、回転軸602の第2鍔部602cに固定された内輪1302bと、外輪1302a及び内輪1302b間に配置されたボール1302cとからなる。ベアリング1302は、筐体1202に装着された軸カバー1402によって覆われている。
Further, the torque detector integrated
さらに、トルク検出器一体型減速機302は、ラジアル深溝玉ベアリングでなり、減速機構10近傍に設けられたベアリング41を備えている。トルク検出器一体型減速機302は、ベアリング41によって回転軸602を筐体1202に対して回転自在に支持されている。ベアリング41は、筐体1202に固定された外輪41aと、回転軸602の1鍔部602bに固定された内輪41bと、外輪41a及び内輪41b間に配置されたボール41cとからなる。このように、トルク検出器一体型減速機302は、回転軸602を2つのベアリング1302、41によって支持するので、より確実に回転軸602を支持できる。
Further, the torque detector integrated
また、ベアリング41は図示しないシール部材を備えており、減速機構10側のオイルが筐体1202内に飛散するのを防いでいる。
Further, the
このように、本発明では、回転軸を筐体に対して回転自在に支持するベアリングとしてクロスローラベアリング以外の他の種類のベアリングを用いてもよく、2つ以上のベアリングを用いて回転軸6を支持してもよい。
As described above, in the present invention, a bearing other than the cross roller bearing may be used as a bearing that rotatably supports the rotating shaft with respect to the casing, and the
1 モータ装置
2 モータ
3 トルク検出器一体型減速機
5 モータ制御装置
6 回転軸
8 トルク測定部
10 減速機構
31 負荷側トルク制御要素
32 共振比制御要素
33 加速度制御部
34 外乱オブザーバ
38 バック・ドライバビリティ制御部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記モータの外乱トルクを推定する外乱オブザーバと、
前記バック・ドライバビリティ制御部によって算出された前記加速度指令値及び前記外乱オブザーバから出力された前記モータの外乱トルクの推定値に基づいて前記モータに入力する電流指令値を算出する加速度制御部と
を備えることを特徴とするモータ制御装置。 Back drivability that calculates an acceleration command value based on a measured value of torsion torque that is a disturbance torque of a motor that mechanically transmits driving force to a load according to the load side torque command value and the load side torque command value A control unit;
A disturbance observer for estimating a disturbance torque of the motor;
An acceleration control unit that calculates a current command value to be input to the motor based on the acceleration command value calculated by the back drivability control unit and an estimated value of the disturbance torque of the motor output from the disturbance observer. A motor control device comprising:
前記ねじりトルクの測定値と前記負荷側トルク指令値とに基づいて前記加速度指令値を算出する負荷側トルク制御要素と、
前記ねじりトルクの測定値に基づいて前記加速度指令値を補正する共振比制御要素と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。 The back drivability control unit
A load-side torque control element that calculates the acceleration command value based on the measured value of the torsional torque and the load-side torque command value;
The motor control device according to claim 1, further comprising: a resonance ratio control element that corrects the acceleration command value based on a measured value of the torsional torque.
前記ねじりトルクを測定するトルク測定部とを備え、
前記トルク測定部は、
一端が減速機構を介して前記モータに接続され、負荷が接続される他端に前記負荷側トルク指令値に応じたトルクが生じる回転軸に配置された歪ゲージと、
前記歪ゲージの抵抗変化を検出し、検出した前記抵抗変化から前記ねじりトルクを算出するトルク検出回路とを有する
ことを特徴とするモータ装置。 The motor control device according to claim 1 or 2,
A torque measuring unit for measuring the torsion torque,
The torque measuring unit is
One end is connected to the motor via a speed reduction mechanism, and the other end to which the load is connected is a strain gauge disposed on a rotating shaft that generates torque according to the load side torque command value;
And a torque detection circuit that detects a change in resistance of the strain gauge and calculates the torsion torque from the detected change in resistance.
ことを特徴とする請求項3に記載のモータ装置。 The strain gauge is disposed on the other end side in the longitudinal direction of the rotary shaft with respect to a position where the rotary shaft is supported by a bearing provided in a housing for housing a part of the rotary shaft and the speed reduction mechanism. The motor device according to claim 3.
前記回転軸の一部及び前記減速機構を収容する筐体に固定される1次コイルと、
前記1次コイルと対向するように前記減速機構に設けられ、前記1次コイルから非接触で電力を受電する2次コイルと
を備えることを特徴とする請求項3又は4に記載のモータ装置。 The torque measuring unit is
A primary coil fixed to a housing that houses a part of the rotating shaft and the speed reduction mechanism;
5. The motor device according to claim 3, further comprising: a secondary coil that is provided in the speed reduction mechanism so as to face the primary coil and receives electric power from the primary coil in a non-contact manner.
前記回転軸の一部及び前記減速機構を収容する筐体に固定される1次コイルと、
前記回転軸に装着された円筒部材に、前記1次コイルと対向するように設けられ、前記1次コイルから非接触で電力を受電する2次コイルとを備え、
前記トルク検出回路が、前記回転軸に固定された基板に設けられ、
前記円筒部材及び前記基板の少なくとも1つ以上が、前記歪ゲージが貼着された起歪部の外周を囲むように配置されている
ことを特徴とする請求項3又は4に記載のモータ装置。 The torque measuring unit is
A primary coil fixed to a housing that houses a part of the rotating shaft and the speed reduction mechanism;
A cylindrical member mounted on the rotating shaft, provided so as to face the primary coil, and a secondary coil that receives power from the primary coil in a non-contact manner;
The torque detection circuit is provided on a substrate fixed to the rotating shaft;
5. The motor device according to claim 3, wherein at least one of the cylindrical member and the substrate is disposed so as to surround an outer periphery of a strain generating portion to which the strain gauge is attached.
前記モータに接続された減速機構と、
前記減速機構に接続された前記回転軸と
を備えることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載のモータ装置。 The motor that outputs torque according to the input current command value;
A speed reduction mechanism connected to the motor;
The motor device according to claim 3, further comprising: the rotating shaft connected to the speed reduction mechanism.
前記加速度指令値及び外乱オブザーバによって推定された前記モータの外乱トルクの推定値に基づいて前記モータに入力する電流指令値を算出する
ことを特徴とするモータ制御方法。 An acceleration command value is calculated based on a measured value of torsion torque that is a disturbance torque of a motor that mechanically transmits driving force to a load according to a load side torque command value, and the load side torque command value,
A motor control method, comprising: calculating a current command value to be input to the motor based on the acceleration command value and an estimated value of disturbance torque of the motor estimated by a disturbance observer.
ことを特徴とする請求項8に記載のモータ制御方法。
The motor control method according to claim 8, wherein the acceleration command value is corrected based on a measured value of the torsion torque.
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