JP2018148661A - モータ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを用いてモータトルクをフィードバック制御しつつ、共振の発生を抑制可能なモータ制御システムの提供。【解決手段】モータＭＴと、モータＭＴのモータ軸とモータＭＴによって駆動される負荷部材ＬＮに固定された出力軸との間の軸ねじれトルクＴＳを検出するトルクセンサＴＳと、モータＭＴのモータトルクＴＭを制御するモータ制御部ＭＣと、を備えたモータ制御システム。モータ制御部ＭＣは、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳと、出力したモータトルクＴＭとに基づいて、共振が相殺された仮想トルクＴＳＲＣを生成する仮想トルク生成部１１を有し、仮想トルクＴＳＲＣをフィードバックすることより、モータトルクＴＭを制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、モータ制御システムに関する。

近年、例えばロボットアームを構成するリンクを高精度に駆動するため、ロボットアームの関節部にサーボモータが採用されている。ここで、モータによって駆動されるリンク等の負荷部材は、ギヤ等の低剛性部材を介してモータに連結されているため、モータ及び負荷部材のイナーシャ（慣性モーメント）によって共振が発生する。そのため、共振周波数以上には制御帯域を広げることができないという問題があった。

このような問題に対し、特許文献１には、モータ軸の回転角θ_Ｍを検出するエンコーダに加え、モータによって駆動される負荷部材に固定された出力軸の回転角θ_Ｌを検出するエンコーダを備えたモータ制御システムが開示されている。特許文献１では、２つのエンコーダによって検出されたモータ軸回転角θ_Ｍと出力軸回転角θ_Ｌとに基づいて、自己共振相殺制御（ＳＲＣ：Self Resonance Cancellation control）用の仮想回転角θ_ＳＲＣを生成し、この仮想回転角θ_ＳＲＣをフィードバックすることにより、共振の発生を抑制している。

特開２０１４−１６４４９８号公報

発明者らは、モータ制御システムに関して以下の問題を見出した。
特許文献１に開示されたモータ制御システムでは、出力軸回転角θ_Ｌを検出するためのエンコーダを設けるため、モータ制御システムの構成が大型化する上、製造コストが上昇してしまう。また、特許文献１に開示されたモータ制御システムは、モータトルクの制御には適用することができない。

他方、出力軸回転角θ_Ｌを検出するエンコーダを設けることなく、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを用いてモータトルクをフィードバック制御する手法が知られている。しかしながら、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを単純にフィードバックしてモータトルクを制御するだけでは、上述の共振の発生を抑制することができない。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを用いてモータトルクをフィードバック制御しつつ、共振の発生を抑制可能なモータ制御システムを提供するものである。

本発明の一態様に係るモータ制御システムは、
モータと、
前記モータのモータ軸と、前記モータによって駆動される負荷部材に固定された出力軸との間の軸ねじれトルクを検出するトルクセンサと、
前記モータのモータトルクを制御するモータ制御部と、を備え、
前記モータ制御部は、
前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクと、出力した前記モータトルクとに基づいて、共振が相殺された仮想トルクを生成する仮想トルク生成部を有し、
前記仮想トルクをフィードバックすることより、前記モータトルクを制御するものである。

本発明の一態様に係るモータ制御システムでは、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクと、出力したモータトルクとに基づいて、共振が相殺された仮想トルクを生成し、当該仮想トルクをフィードバックすることより、前記モータトルクを制御する。すなわち、モータトルクのフィードバック制御に、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクの共振成分を低減させた仮想トルクを使用しているため、共振の発生を抑制することができる。

前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクと、出力した前記モータトルクから当該軸ねじれトルクを減じたトルクとを、所定の比率で重み付けして足し合わせることによって、前記仮想トルクを生成してもよい。このような構成により、設計が容易になる。

前記モータ制御部は、前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクが入力されるローパスフィルタと、前記仮想トルクが入力されるハイパスフィルタと、をさらに有し、前記ローパスフィルタ及び前記ハイパスフィルタから出力されたトルク信号をフィードバックすることより、前記モータトルクを制御してもよい。このような構成により、低い周波数における追従性を向上させることができる。

本発明により、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを用いてモータトルクをフィードバック制御しつつ、共振の発生を抑制可能なモータ制御システムを提供することができる。

第１の実施形態に係るモータ制御システムを示すブロック図である。 第１の実施形態に係るモータ制御システムの制御ブロック図である。 第１の実施形態の比較例に係るモータ制御システムの制御ブロック図である。 第１の実施形態に係るモータ制御システムの詳細な制御ブロック図である。 第２の実施形態に係るモータ制御システムの詳細な制御ブロック図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
なお、「共振が相殺された」とは、共振が完全に相殺された場合のみではなく、共振が一部残存している場合も含む。

（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係るモータ制御システムについて説明する。
図１は、第１の実施形態に係るモータ制御システムを示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係るモータ制御システム１は、モータＭＴ、減速機ＲＤ、モータ軸回転角センサＡＳ、トルクセンサＴＳ、モータ制御部ＭＣを備えている。減速機ＲＤを介して、モータＭＴによって負荷部材であるリンクＬＮが駆動される。
本実施形態に係るモータ制御システム１は、例えばロボットアームを構成するリンクＬＮを駆動するため、ロボットアームの関節部に設けられたサーボモータの制御システムである。

モータＭＴは、例えばＡＣ（交流）サーボモータである。モータＭＴは、モータ制御部ＭＣから出力された制御信号ｃｔｒに基づいて駆動する。制御信号ｃｔｒは、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号である。
モータＭＴは、モータＭＴを流れる三相交流電流（以下、モータ電流）Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗを検出する電流センサＣＳを内部に備えている。電流センサＣＳによって検出されたモータ電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗは、モータ制御部ＭＣにフィードバックされる。
なお、図1には、モータＭＴが発揮する駆動力によってモータ軸に作用するトルクすなわちモータトルクＴ_Ｍも示されている。

減速機ＲＤは、例えば波動歯車装置であって、モータＭＴのモータ軸とリンクＬＮに固定された出力軸との間に設けられている。減速機ＲＤは、モータＭＴのモータ軸の回転速度を１／ｒ（ｒ：減速比）に減じて、リンクＬＮに固定された出力軸に伝達する。

トルクセンサＴＳは、モータＭＴのモータ軸とリンクＬＮに固定された出力軸との間の軸ねじれトルクＴ_Ｓを検出する。軸ねじれトルクＴ_Ｓは、例えばトルクセンサＴＳのひずみゲージによって測定された歪量Ｓと歪計測部の剛性係数Ｋ_{ｓｔｒａｉｎ}との積Ｓ・Ｋ_{ｓｔｒａｉｎ}である。トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓは、モータ制御部ＭＣに入力される。

なお、トルクセンサＴＳは、ひずみゲージ式に限らず、薄膜式や磁歪式など、どのような方式であってもよい。また、図１には、リンクＬＮが外部の物体に接触するなどの外乱によって出力軸に作用する負荷トルクＴ_Ｌと、リンクＬＮに固定された出力軸の回転角すなわち出力軸回転角θ_Ｌも示されている。

モータ軸回転角センサＡＳは、モータＭＴのモータ軸の回転角すなわちモータ軸回転角θ_Ｍを検出するエンコーダである。モータ軸回転角センサＡＳによって検出されたモータ軸回転角θ_Ｍは、モータ制御部ＭＣに入力される。

モータ制御部ＭＣは、図示されていない上位制御部から取得した軸ねじれトルク目標値Ｔ_Ｓ ^ｒｅｆ、電流センサＣＳによって検出されたモータ電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗ、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓ、及びモータ軸回転角センサＡＳによって検出されたモータ軸回転角θ_Ｍに基づいて、モータＭＴを制御する。

図１に示していないが、モータ制御部ＭＣは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部と、各種制御プログラムやデータなどが格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶部と、を備えている。

さらに、モータ制御部ＭＣは、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓと、モータトルクＴ_Ｍとに基づいて、自己共振相殺制御（ＳＲＣ：Self Resonance Cancellation Control）用のＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣを生成し、このＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣをフィードバックすることにより、共振の発生を抑制している。
ＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣを生成するためのモータトルクＴ_Ｍとしては、モータ制御部ＭＣが生成するトルク指令値を使用することができる。あるいは、モータトルクＴ_Ｍとして、電流センサＣＳによって検出されたモータ電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗから求めた実測値を用いてもよい。

ここで、図２を参照して、モータ制御部ＭＣによるモータトルクＴ_Ｍのフィードバック制御について詳細に説明する。図２は、第１の実施形態に係るモータ制御システムの制御ブロック図である。図２において、ｓは微分、１／ｓは積分を意味する。簡略化のため、図２においてギヤ比ｒは省略されている。換言すると、図２は、ギヤ比ｒ＝１の場合について示している。

図２に示すように、本実施形態に係るモータ制御システムでは、モータＭＴとリンクＬＮとの間のねじれ角とねじれ剛性Ｋとの積を軸ねじれトルクＴ_Ｓとして、図１に示したトルクセンサＴＳによって検出している。図２の例では、ねじれ角は、モータ軸回転角θ_Ｍと出力軸回転角θ_Ｌとの差θ_Ｍ−θ_Ｌである。なお、ギヤ比ｒを考慮すると、ねじれ角は、θ_Ｍ−ｒ・θ_Ｌである。

図２に示すように、モータＭＴのモータ軸には、モータトルクＴ_Ｍから軸ねじれトルクＴ_Ｓを減じたＴ_Ｍ−Ｔ_Ｓが作用する。そのため、図２からモータＭＴにおける回転の運動方程式は、モータＭＴの慣性モーメントＪ_Ｍ、粘性摩擦係数Ｂ_Ｍを用いて、次式（１）によって表すことができる。

また、図２に示すように、リンクＬＮに固定された出力軸には、負荷トルクＴ_Ｌに軸ねじれトルクＴ_Ｓを加えたＴ_Ｌ＋Ｔ_Ｓが作用する。そのため、図２からリンクＬＮにおける回転の運動方程式は、リンクＬＮの慣性モーメントＪ_Ｌ、粘性摩擦係数Ｂ_Ｌを用いて、次式（２）によって表すことができる。

図２に示すように、モータ制御部ＭＣは、ＳＲＣ仮想トルク生成部１１、補償器１２を備えている。
ＳＲＣ仮想トルク生成部１１は、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓと、補償器１２から出力されたモータトルクＴ_Ｍの指令値とに基づいて、ＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣを生成する。このＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣは、共振が相殺された仮想トルクである。換言すると、ＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣは、共振成分をほとんど含まないモータトルクＴ_Ｍを用いて、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓの共振成分を低減させた仮想的なトルク信号である。なお、ＳＲＣ仮想トルク生成部１１に入力されるモータトルクＴ_Ｍとして、電流センサＣＳによって検出されたモータ電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖ、Ｉ_ｗから求めた実測値を用いてもよい。

補償器１２には、軸ねじれトルク目標値Ｔ_Ｓ ^ｒｅｆからＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣを減じた信号Ｔ_Ｓ ^ｒｅｆ−Ｔ_ＳＲＣが入力される。補償器１２は、入力された信号Ｔ_Ｓ ^ｒｅｆ−Ｔ_ＳＲＣからモータトルクＴ_Ｍの指令値を生成する。補償器１２から出力されたモータトルクＴ_Ｍの指令値に基づいてモータＭＴが駆動されると共に、補償器１２から出力されたモータトルクＴ_Ｍの指令値がＳＲＣ仮想トルク生成部１１にフィードバックされる。

ここで、図３は、第１の実施形態の比較例に係るモータ制御システムの制御ブロック図である。図３に示すように、比較例に係るモータ制御システムにおいても、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓをモータ制御部ＭＣにフィードバックして、モータトルクＴ_Ｍを制御している。

しかしながら、比較例に係るモータ制御システムでは、モータ制御部ＭＣが、ＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣを生成するＳＲＣ仮想トルク生成部１１を備えていない。そして、補償器１２には、軸ねじれトルク目標値Ｔ_Ｓ ^ｒｅｆから単純に軸ねじれトルクＴ_Ｓを減じた信号Ｔ_Ｓ ^ｒｅｆ−Ｔ_Ｓが入力される。補償器１２は、入力された信号Ｔ_Ｓ ^ｒｅｆ−Ｔ_ＳからモータトルクＴ_Ｍの指令値を生成する。このように、比較例に係るモータ制御システムでは、モータトルクＴ_Ｍのフィードバック制御に、共振成分を含む軸ねじれトルクＴ_Ｓをそのまま使用しているため、共振の発生を抑制することができない。

これに対し、本実施形態に係るモータ制御システムでは、図２に示すように、モータ制御部ＭＣが、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓと、モータトルクＴ_Ｍとに基づいて、共振が相殺されたＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣを生成するＳＲＣ仮想トルク生成部１１を備えている。そして、モータトルクＴ_Ｍのフィードバック制御に、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓの共振成分を低減させたＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣを使用しているため、共振の発生を抑制することができる。すなわち、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓを用いてモータトルクＴ_Ｍをフィードバック制御しつつ、共振の発生を抑制することができる。その結果、制御帯域を広げることができる。

次に、図４を参照して、本実施形態に係るモータ制御システムにおけるモータ制御部ＭＣの詳細な構成について説明する。図４は、第１の実施形態に係るモータ制御システムの詳細な制御ブロック図である。図４では、図２に比べ、ＳＲＣ仮想トルク生成部１１の構成がより詳細に示されている。図４に示すように、本実施形態に係るＳＲＣ仮想トルク生成部１１は、重み乗算器１１１、１１２を備えている。

重み乗算器１１１は、リンクＬＮに固定された出力軸に作用するトルクＴ_Ｓに重み係数αを乗じる乗算器である。ここで、外乱によって出力軸に作用する負荷トルクＴ_Ｌは無視している。一方、重み乗算器１１２は、モータＭＴのモータ軸に作用するトルクＴ_Ｍ−Ｔ_Ｓに重み係数１−αを乗じる乗算器である。重み乗算器１１１から出力されるα・Ｔ_Ｓと、重み乗算器１１２から出力される（１−α）（Ｔ_Ｍ−Ｔ_Ｓ）と、を足し合わせることによって、ＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣが生成される。

すなわち、ＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣは、次式（３）によって表すことができる。

このように、ＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣを決定する際、リンクＬＮに固定された出力軸に作用するＴ_Ｓと、モータＭＴのモータ軸に作用するＴ_Ｍ−Ｔ_Ｓとの比率を重み係数αの値によって直接決定することができるため、設計が容易である。また、本実施形態に係るモータ制御システムにおいて、設計者が設定すべきパラメータは、重み係数αの１つのみである。

ここで、重み係数αの値は、０≦α＜０．５又は０．５＜α＜１である。
α＝０．５の場合、Ｔ_ＳＲＣ＝Ｔ_Ｍとなり、ＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣがトルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓを含まないため、α＝０．５は除外される。また、α＝０．５の場合、共振成分が完全に除去されているため、共振を抑制することができない。他方、共振成分が完全に除去されるα＝０．５は、重み係数αの値を決定する際の基準となる。
α＝１の場合、図３に示した比較例と同様にＴ_ＳＲＣ＝Ｔ_Ｓとなるため、α＝１は除外される。この場合、軸ねじれトルクＴ_Ｓの共振成分が全く除去されないため、共振を抑制することができない。

具体的には、重み係数αの値は、共振成分が完全に除去される０．５よりもやや小さい値とすることが好ましい。最終的には、ナイキスト線図やボーデ線図を用いて共振の大きさや共振周波数を確認すると共に、ステップ応答のグラフを用いて整定時間やオーバーシュートの大きさを確認し、重み係数αの値を決定する。また、重み係数αの値が大きい程、追従性が向上するが、不安定になり易くなる。

（第２の実施形態）
次に、図５を参照して、第２の実施形態に係るモータ制御システムにおけるモータ制御部ＭＣの詳細な構成について説明する。第２の実施形態に係るモータ制御システムにおいても、図１は第１の実施形態と共通である。図５は、第２の実施形態に係るモータ制御システムの詳細な制御ブロック図である。図５に示した第２の実施形態に係るモータ制御部ＭＣは、図４に示したＳＲＣ仮想トルク生成部１１、補償器１２に加え、ローパスフィルタＬＰＦ、ハイパスフィルタＨＰＦを備えている。

ローパスフィルタＬＰＦ及びハイパスフィルタＨＰＦのカットオフ周波数ω_ｃは、共通であることが好ましい。カットオフ周波数ω_ｃは、共振周波数よりも低い周波数である。具体的には、カットオフ周波数ω_ｃは、共振周波数よりもやや低い周波数であることが好ましい。

図５に示すように、ローパスフィルタＬＰＦには、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓが入力される。他方、ハイパスフィルタＨＰＦには、ＳＲＣ仮想トルク生成部１１から出力されたＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣが入力される。そして、ローパスフィルタＬＰＦから出力されたトルク信号とハイパスフィルタＨＰＦから出力されたトルク信号とを足し合わせたフィードバックトルクＴ_ＦＢをフィードバックする。

すなわち、フィードバックトルクＴ_ＦＢは、次式（４）によって表すことができる。

さらに、式（４）におけるＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣに式（３）を代入すると、次式（５）が得られる。

ここで、図４に示した第１の実施形態に係るモータ制御部ＭＣでは、すべての周波数において共振が相殺されたＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣがフィードバックされる。
これに対し、図５に示した第２の実施形態に係るモータ制御部ＭＣでは、共振が生じ得るカットオフ周波数ω_ｃよりも高い周波数では、ＳＲＣ仮想トルクＴ_ＳＲＣがフィードバックされる。他方、共振が生じ得ないカットオフ周波数ω_ｃよりも低い周波数では、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴ_Ｓがフィードバックされる。

このような構成により、本実施形態に係るモータ制御システムは、第１の実施形態に係るモータ制御システムに比べ、カットオフ周波数ω_ｃよりも低い周波数における追従性に優れている。
また、本実施形態に係るモータ制御システムにおいて、設計者が設定すべきパラメータは、重み係数αとカットオフ周波数ω_ｃの２つのみである。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、モータは、電気モータに限らず、油圧モータ等の圧力モータその他どのようなモータでもよい。

１ モータ制御システム
１１ 仮想トルク生成部
１２ 補償器
１１１ 乗算器
１１２ 乗算器
ＡＳ モータ軸回転角センサ
ＣＳ 電流センサ
ＨＰＦ ハイパスフィルタ
ＬＮ リンク
ＬＰＦ ローパスフィルタ
ＭＣ モータ制御部
ＭＴ モータ
Ｔ_ＦＢ フィードバックトルク
Ｔ_Ｌ 負荷トルク
Ｔ_Ｍ モータトルク
Ｔ_Ｓ 軸ねじれトルク
ＴＳ トルクセンサ
Ｔ_ＳＲＣ ＳＲＣ仮想トルク
Ｔ_Ｓ ^ｒｅｆ 軸ねじれトルク目標値

Claims (3)

1. モータと、
   前記モータのモータ軸と、前記モータによって駆動される負荷部材に固定された出力軸との間の軸ねじれトルクを検出するトルクセンサと、
   前記モータのモータトルクを制御するモータ制御部と、を備え、
   前記モータ制御部は、
   前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクと、出力した前記モータトルクとに基づいて、共振が相殺された仮想トルクを生成する仮想トルク生成部を有し、
   前記仮想トルクをフィードバックすることより、前記モータトルクを制御する、
   モータ制御システム。
2. 前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクと、出力した前記モータトルクから当該軸ねじれトルクを減じたトルクとを、所定の比率で重み付けして足し合わせることによって、前記仮想トルクを生成する、
   請求項１に記載のモータ制御システム。
3. 前記モータ制御部は、
   前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクが入力されるローパスフィルタと、
   前記仮想トルクが入力されるハイパスフィルタと、をさらに有し、
   前記ローパスフィルタ及び前記ハイパスフィルタから出力されたトルク信号をフィードバックすることより、前記モータトルクを制御する、
   請求項１又は２に記載のモータ制御システム。

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