JP2021137928A - モーター制御装置及びこれを備えるロボットアーム - Google Patents

Abstract

【課題】磁極位置検出センサーを用いることなくブラシレスモーターを制御する。【解決手段】本明細書に開示するモーター制御装置は、モーター１０の回転に連動して角運動する角運動部材に固定された慣性センサー１２と、慣性センサー１２の出力信号に基づき算出されたモーターの磁極位置に応じて、モーター１０にモーター相電流を供給する制御部６０とを備える。このように、モーター１０の外部に設けられた慣性センサー１２の出力信号に基づいてモーター１０を制御していることから、モーター１０に磁極位置検出センサーを内蔵する必要がなくなる。このため、モーター１０を小型軽量化することが可能となる。【選択図】図４

Description

本発明はモーター制御装置及びこれを備えるロボットアームに関し、特に、ブラシレスモーターの動作を制御するモーター制御装置及びこれを備えるロボットアームに関する。

特許文献１には、ロボットアームに２つの慣性センサーを設け、２つの慣性センサーの出力信号に基づいてモーターの振動を抑制する方法が提案されている。一般に、ロボットアームなどを駆動するモーターとしてはブラシレスモーターが用いられる。

特許第６３５４１２２号公報

通常のブラシレスモーターは、ローター及びステータコアと、ローターとステータコアの相対的な位置関係を検出する磁極位置検出センサーによって構成されている。通常、磁極位置検出センサーは、ローターの近傍に配置された複数のホール素子からなる。このように、一般的なブラシレスモーターは磁極位置検出センサーが内蔵されていることから、モーターのサイズや重量が大きくなるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、磁極位置検出センサーを用いることなくブラシレスモーターを制御することが可能なモーター制御装置及びこれを備えるロボットアームを提供することである。

本発明によるモーター制御装置は、モーターの回転に連動して角運動する角運動部材に固定された第１の慣性センサーと、第１の慣性センサーの出力信号に基づき算出されたモーターの磁極位置に応じて、モーターにモーター相電流を供給する制御部とを備えることを特徴とする。

本発明によるロボットアームは、上記のモーターと、上記の角運動部材と、上記のモーター制御装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、モーターの外部に設けられた第１の慣性センサーの出力信号に基づいてモーターを制御していることから、モーターに磁極位置検出センサーを内蔵する必要がなくなる。このため、モーターを小型軽量化することが可能となり、モーターをロボットアームの動力に用いた場合、ロボットアームを小型軽量化することが可能となる。

本発明において、制御部は、第１の慣性センサーの出力信号に基づいて角運動部材の機械角を算出する機械角演算部と、機械角に基づいてモーターの磁極位置を算出する電気角演算部とを含んでいても構わない。これによれば、モーターの制御誤差を低減することが可能となる。

本発明によるモーター制御装置は、モーターを固定する固定部材に固定された第２の慣性センサーをさらに備え、制御部は、第２の慣性センサーの出力信号に基づいて機械角を補正しても構わない。これによれば、モーター自体の傾きなどによる誤差成分をキャンセルすることが可能となる。

このように、本発明によれば、磁極位置検出センサーを用いることなくブラシレスモーターを制御することが可能なモーター制御装置及びこれを備えるロボットアームを提供することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態によるロボットアーム１の構造を説明するための模式的な斜視図である。 図２は、モーター１０の構造の一例を説明するための模式的な断面図である。 図３は、慣性センサー１２によってアーム１１の機械角を検出する原理を説明するための模式図である。 図４は、本発明の一実施形態によるモーター制御装置の機能ブロック図である。 図５は、本発明の一実施形態によるモーター制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるロボットアーム１の構造を説明するための模式的な斜視図である。

図１に示すロボットアーム１は、モーター１０，２０，３０と、モーター１０，２０，３０の回転に連動してそれぞれ角運動するアーム（角運動部材）１１，２１，３１を備えている。モーター１０は台座２に固定され、モーター２０はアーム１１に固定され、モーター３０はアーム２１に固定されている。台座２はモーター１０を固定する固定部材であり、アーム１１はモーター２０を固定する固定部材であり、アーム２１はモーター３０を固定する固定部材である。アーム３１の先端３３には、図示しない任意の工作ツールが装着される。

図２は、モーター１０の構造の一例を説明するための模式的な断面図である。

図２に示す例では、モーター１０がアウターローター型のモーターであり、ステータコア４０とその外周に位置するローター５０を備えている。ステータコア４０は、径方向に突出した複数の極歯４１を有し、極歯４１のそれぞれにはコイル４２が巻回されている。図２に示す例では極歯４１が１８個であるが、本発明において極歯の数は限定されない。ローター５０は、ステータコア４０と対向する面がそれぞれＮ極及びＳ極に着磁された弓形の永久磁石５１，５２と、永久磁石５１，５２の外周側に設けられたバックヨーク５３を備えている。かかる構成により、コイル４２に所定の通電パターンを有するモーター相電流を流せば、ローター５０が回転する。

他のモーター２０，３０についても、図２に示したモーター１０と同じ構造とすることができる。但し、アウターローター型のモーターを使用することは必須でなく、インナーローター型のモーターを使用しても構わない。

図１に示すように、アーム１１，２１，３１にはそれぞれ慣性センサー１２，２２，３２が固定されている。慣性センサー１２はアーム１１の機械角を検出するものであり、慣性センサー２２はアーム２１の機械角を検出するものであり、慣性センサー３２はアーム３１の機械角を検出するものである。さらに、台座２にも慣性センサー３が固定されている。慣性センサー３，１２，２２，３２としては、ジャイロセンサー、加速度センサー及びこれらの組み合わせを用いることができる。

図３は、慣性センサー１２によってアーム１１の機械角を検出する原理を説明するための模式図である。

図３に示す例では、モーター１０の回転軸がｘ方向であり、ローター５０が回転すると、アーム１１がこれに連動して角運動することにより慣性センサー１２のｙｚ座標が変化する。ここで、アーム１１が図３に示す位置で停止している場合、慣性センサー１２には方向ｇの重力加速度が加わる。この状態でアーム１１が停止している場合、慣性センサー１２から径方向に延在する方向をａ_ｙとし、ａ_ｙと直交する方向をａ_ｚとし、水平位置を基準とした機械角をθ_Ｍｓとすると、
ａ_ｙ＝ｇｓｉｎθ_Ｍｓ
ａ_ｚ＝ｇｃｏｓθ_Ｍｓ
が成り立つ。したがって、機械角θ_Ｍｓは、
θ_Ｍｓ＝ａｒｃｔａｎ（ａ_ｙ／ａ_ｚ）
によって算出することができ、モーター１０の極数をＰ_Ｎとした場合、モーター１０の磁極位置を示す電気角θ_Ｅｓは、
θ_Ｅｓ＝（Ｐ_Ｎ／２）・θ_Ｍｓ
によって算出することができる。

そして、モーター１０の回転によってアーム１１の機械角が変化した場合、変化後の機械角をθ_Ｍとし、変化後の電気角をθ_Ｅとし、角速度をω_ｘとした場合、変化後の機械角θ_Ｍは、次式（１）によって算出することができ、モーター１０の電気角θ_Ｅは、
θ_Ｅ＝（Ｐ_Ｎ／２）・θ_Ｍ
によって算出することができる。

図４は、本発明の一実施形態によるモーター制御装置の機能ブロック図である。

図４に示す例では、慣性センサー１２の出力信号が制御部６０に供給される。制御部６０は、演算部６１とモーター制御部６４を含む。演算部６１は、機械角演算部６２と電気角演算部６３を含む。制御部６０を構成する各要素は、ソフトウェアによって実現されるものであっても構わないし、一部又は全部がハードウェアによって実現されるものであっても構わない。また、機械角演算部６２と電気角演算部６３が互いに独立した要素である必要はなく、演算部６１が両者の機能を果たす一つの要素であっても構わない。さらに、演算部６１とモーター制御部６４についても互いに独立した要素である必要はなく、制御部６０が両者の機能を果たす一つの要素であっても構わない。

まず、慣性センサー１２の出力信号は機械角演算部６２に供給され、図３を用いて説明した原理により、機械角θ_Ｍｓ又はθ_Ｍが算出される。そして、電気角演算部６３により、機械角θ_Ｍｓ又はθ_Ｍに基づいて電気角θ_Ｅｓ又はθ_Ｅが算出される。このように、まず機械角を算出し、これに基づいて電気角を算出することにより、電気角の検出誤差を低減することができる。そして、モーター制御部６４は、外部から供給されるモーター駆動指令Ｓと、算出された電気角θ_Ｅｓ又はθ_Ｅに基づいて、モーター１０に所定の通電パターンを有するモーター相電流を供給する。これによりアーム１１は、モーター駆動指令Ｓが示す位置へ駆動される。

図５は、本発明の一実施形態によるモーター制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。

まず、アーム１１が停止している状態で慣性センサー１２の出力信号を取得し（ステップＳ１）、これに基づいて初期の機械角θ_Ｍｓを算出し（ステップＳ２）、さらに初期の電気角θ_Ｅｓを算出する（ステップＳ３）。これにより、初期状態におけるモーター１０の磁極位置が判明する。この状態でモーター駆動指令Ｓが入力されると（ステップＳ４）、現在の磁極位置に応じた通電パターンでモーター相電流を流すことにより、モーター１０を回転させる（ステップＳ５）。

次に、再び慣性センサー１２の出力信号を取得し（ステップＳ６）、これに基づいて現在の機械角θ_Ｍを算出し（ステップＳ７）、さらに現在の電気角θ_Ｅを算出する（ステップＳ８）。そして、現在の磁極位置に応じてモーター相電流の通電パターンを変化させることにより、モーター１０の回転を継続させる（ステップＳ９）。かかる動作は、モーター駆動指令Ｓが回転停止を示すまで繰り返し実行する（ステップＳ１０）。

そして、モーター駆動指令Ｓが回転停止を示した場合、モーター相電流の通電を停止することによりモーター１０の回転を停止させる。他のモーター２０，３０の動作についても同様である。

このように、本実施形態においては、モーター１０，２０，３０の外部に配置された慣性センサー１２，２２，３２からの出力信号を用いてモーター１０，２０，３０を制御していることから、モーター１０，２０，３０の内部に磁極位置検出センサーを設ける必要がなくなる。これにより、モーター１０，２０，３０及びこれを使用するロボットアーム１を小型化軽量化することが可能となる。

さらに、本実施形態においては、モーター１０が固定される台座２にも慣性センサー３が固定されている。慣性センサー３は、台座２自体の傾きを検出するものであり、その出力信号は、図４に示す制御部６０に供給される。制御部６０は、慣性センサー３の出力信号に基づいて機械角θ_Ｍｓ又はθ_Ｍを補正し、これによりアーム１１をモーター駆動指令Ｓが示す正しい位置に駆動する。

かかる制御は、モーター２０，３０に対しても行うことができる。つまり、モーター２０に対しては、基本的に慣性センサー２２の出力信号に基づいて制御するとともに、慣性センサー１２の出力信号に基づいてアーム２１の機械角を補正することができる。これにより、アーム１１の回転に起因する慣性センサー２２の出力信号の変化をキャンセルすることができる。同様に、モーター３０に対しては、基本的に慣性センサー３２の出力信号に基づいて制御するとともに、慣性センサー１２，２２の出力信号に基づいてアーム３１の機械角を補正することができる。これにより、アーム１１，２１の回転に起因する慣性センサー３２の出力信号の変化をキャンセルすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１ ロボットアーム
２ 台座
３，１２，２２，３２ 慣性センサー
１０，２０，３０ モーター
１１，２１，３１ アーム（角運動部材）
３３ アームの先端
４０ ステータコア
４１ 極歯
４２ コイル
５０ ローター
５１，５２ 永久磁石
５３ バックヨーク
６０ 制御部
６１ 演算部
６２ 機械角演算部
６３ 電気角演算部
６４ モーター制御部

Claims (4)

1. モーターの回転に連動して角運動する角運動部材に固定された第１の慣性センサーと、
   前記第１の慣性センサーの出力信号に基づき算出された前記モーターの磁極位置に応じて、前記モーターにモーター相電流を供給する制御部と、を備えることを特徴とするモーター制御装置。
2. 前記制御部は、前記第１の慣性センサーの出力信号に基づいて前記角運動部材の機械角を算出する機械角演算部と、前記機械角に基づいて前記モーターの磁極位置を算出する電気角演算部とを含むことを特徴とする請求項１に記載のモーター制御装置。
3. 前記モーターを固定する固定部材に固定された第２の慣性センサーをさらに備え、
   前記制御部は、前記第２の慣性センサーの出力信号に基づいて前記機械角を補正することを特徴とする請求項２に記載のモーター制御装置。
4. 前記モーターと、前記角運動部材と、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモーター制御装置を備えたロボットアーム。

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