JP4073548B2 - アクチュエータの出力トルク検出方法 - Google Patents

アクチュエータの出力トルク検出方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータと波動歯車装置から構成されるアクチュエータの出力トルクを検出するための方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この形式のアクチュエータの出力トルク検出方法としては、出力軸にトルクセンサを取り付ける方法が最も一般的である。このトルクセンサは、出力軸に小径のねじり変形する部分を形成しておき、当該部分のねじれを検出し、検出したねじれ量に基づき、出力トルクを算出する構成となっている。
【0003】
しかし、このトルクセンサによる検出方法は、トルクセンサを取り付ける分だけアクチュエータ寸法の増大、製造コストの増加を招き、また、ねじり剛性の低下も招くという問題点がある。
【0004】
一方、波動歯車装置の出力要素である可撓性外歯歯車に歪みゲージを貼り付け、ここから得られる出力に基づき出力トルクを算出する方法も提案されている。この方法によれば、装置寸法の増加、ねじり剛性の低下を回避できる。しかし、製造コストを低減することが困難であり、また、歪みゲージの耐久性に問題が残っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記の方法による問題を解決可能な方法としては、アクチュエータのモータ電流値から、波動歯車装置の減速比を考慮して、その出力トルクを推定する方法を採用することが考えられる。しかしながら、波動歯車装置のトルク損失が原因となって、かかる方法では精度の高いトルク検出を期待できないのが現状である。
【0006】
本発明の課題は、波動歯車装置の損失トルク特性を明確にすることにより、モータ電流値に基づき精度良く出力トルクを算出することの可能なアクチュエータの出力トルク検出方法を提案することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、モータとこのモータ出力回転を減速する波動歯車装置とを有するアクチュエータの出力トルクを検出するために、前記波動歯車装置の潤滑剤温度と、前記モータの回転数と、モータ出力トルクを検出し、これらの検出結果に基づき、前記波動歯車装置の出力トルクを求めるようにしている。
【0008】
すなわち、前記波動歯車装置の損失トルクT1を次式により近似し、
Tl=Tq(To)+Tv(n,V)
但し、To:アクチュエータの出力トルク
Tq:波動歯車装置のクーロン摩擦項
Tv:波動歯車装置の粘性摩擦項
n:モータ回転数
V:波動歯車装置の潤滑剤のベースオイル動粘度
前記の関数Tq、Tvをそれぞれ次式により近似し、
Tq(To)=Ts+{To/(Rη 0 )}
但し、Ts:無負荷時の摩擦トルク
η 0 :実験的に求められた波動歯車装置の基準効率(定数)
Tv(n,t)=a×{V(t)n} b
但し、 a:波動歯車装置のサイズ、形式、純雑剤の種類により
実験的に求められた定数
b:実験から求められた定数
前記波動歯車装置の潤滑剤温度tと、前記モータの回転数nと、モータ出力トルクTmを検出し、
検出したこれらの値と波動歯車装置の減速比Rに基づき、アクチュエータ出力トルクToを次式により求めることを特徴としている。
To=R{Tm−Ts−Tv(n,t)}/(1+1/η 0
【0009】
ここで、前記モータの電流値と、予め測定した前記モータの無負荷電流値と、前記モータのトルク定数とに基づき、前記モータの回転子が発生するトルクを求め、当該トルクから、モータ自体の慣性トルクおよびモータ回転子に接続されている前記波動歯車装置の慣性トルクを差し引くことにより、前記モータの出力トルクTmを求めることができる。
【0010】
この場合、モータの巻線抵抗値は温度によって変化するので、この温度変化に基づき生ずるモータ出力トルクの変動分を補償するために、前記モータの温度を検出し、当該モータ温度に基づき、推定した前記モータ出力トルクを補正することが望ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の方法によるアクチュエータの出力トルク制御装置の概略ブロック図である。
【0012】
この図に示すように、本例のアクチュエータ1は、モータ2と、この回転軸に連結された減速機としての波動歯車装置(HD)3と、モータ回転位置を検出するためのロータリーエンコーダ等の回転センサ4とから基本的に構成されている。モータ2には、その温度を検出するための温度センサ5が取り付けられている。同様に、波動歯車装置3にも、その潤滑剤の温度を検出するための温度センサ6が取り付けられている。これらの温度センサ5、6は、モータ、波動歯車装置の内部、それらのケース表面あるいはそれらの周辺部分に配置すればよい。
【0013】
この構成のアクチュエータ1の出力トルク制御装置10は、モータ駆動制御回路11と、アクチュエータの出力トルクを算出する演算回路12と、角加速度検出回路13とを含んでいる。モータ駆動制御回路11は、上位の制御装置(図示せず)等からの駆動制御指令ω、モータの回転センサ4からの情報4S、および、演算回路12からの推定出力トルク情報Toに基づき、所定の出力トルクが得られるように、モータ駆動電流Imを生成して、モータ2を駆動制御する。演算回路12では、温度センサ5、6から得られるモータ温度tm 、波動歯車装置3の潤滑剤温度t、および駆動制御回路11から供給されるモータ駆動電流値iおよびモータ回転速度n、並びに、角加速度検出器13から得られるモータ角加速度に基づき、後述のように、アクチュエータの出力トルクToを算出する。
【0014】
本例の演算回路12における出力トルクの推定は、次式(1)により行っている。
【0015】
To=R{Tm−Ts−Tv(n,t)}/(1+1/η0 ) ・・・(1)
但し、R:波動歯車装置の減速比
Tm:モータ出力トルク(波動歯車装置の入力トルク)
Ts:波動歯車装置の無負荷時の摩擦トルク
Tv:波動歯車装置の粘性摩擦トルク
n:モータ回転数
t:波動歯車装置の潤滑剤温度
η0 :波動歯車装置の基準効率(定数)
上記(1)式は次のようにして求めたものである。まず、モータ出力トルク(波動歯車装置の入力トルク)Tmは、波動歯車装置3の損失トルクをTl、アクチュエータ出力トルク(波動歯車装置3の出力トルク)をTo、波動歯車装置3の減速比をRとすと、
Tm=Tl+(To/R) ・・・(2)
と表される。
【0016】
ここで、損失トルクTlは、波動歯車装置3のクーロン摩擦項Tqと粘性摩擦項Tvの和であり、近似的に
Tl=Tq(To)+Tv(n,V) ・・・(3)
と表される。ここで、nはモータ回転速度、Vは潤滑剤のベースオイル動粘度である。
【0017】
潤滑剤のベースオイル動粘度Vは一般的に潤滑剤の温度tの関数として求められる。よって、上記の式(2)は次のように書き換えることができる。
【0018】
Tm=Tq(To)+Tv(n,t)+(To/R)・・・(4)
よって、関数Tq、Tv、n、t、RおよびモータトルクTmが分かれば、上記の(4)式を解くことにより、波動歯車装置の出力トルクToを求めることができる。
【0019】
ここで、本発明者らは、実験により、上記の関数Tq、Tvは次のような式によって近似できることを見出した。
【0020】
Tq(To)=Ts+{To/(Rηo )} ・・・(5)
但し、Ts:無負荷時の摩擦トルク
ηo :実験的に求められた波動歯車装置の基準効率(定数)
Tv(n,t)=a×{V(t)n}b ・・・・ (6)
但し、a:波動歯車装置のサイズ、形式、純雑剤の種類により実験的に求められた定数
b:実験から求められた定数
以上から、波動歯車装置3の出力トルク、すなわち、アクチュエータの出力トルクToは前述の(1)式にり求められる。
【0021】
一方、モータ出力トルクTmは次のようにして推定することができる。まず、モータ電流値と、予め測定された無負荷電流値と、トルク定数からモータ回転子に発生するトルクを求める。また、モータ回転数を時間微分して得られた角加速度と、モータ回転子およびここに接続されてい波動歯車装置の慣性モーメントからトルクを求める。このようにして求まった2種類のトルクに基づき、モータ出力トルクTmを推定することができる。この場合、モータの巻線抵抗値が温度によって変化するので、モータの温度センサ5の検出結果に基づき、推定されたモータ出力トルクTmを補正する。
【0022】
本例の演算回路12では、上記のようにしてモータ出力トルクTmを推定する。そして、入力信号(潤滑剤温度t、モータ回転速度n)と、予め設定されている摩擦トルクTs、粘性摩擦関数Tv(n,t)に基づき、波動歯車装置の出力トルクToを算出する。算出された値は、モータ駆動制御回路11にフィードバックされる。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアクチュエータの出力トルク検出方法によれば、波動歯車装置による損失トルクを規定する当該波動歯車装置のクーロン摩擦項Tqおよび粘性摩擦項Tvを、精度良く近似可能な実験式を見出し、これに基づき、アクチュエータの出力トルクを推定するようにしている。
【0024】
従って、本発明の方法によれば、従来のトルク検出機構におけるような装置寸法の増加、製造コストの増加、耐久性の問題、精度の高い検出が困難である等といった弊害を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるアクチュエータの出力トルク検出方法を適用した出力トルク検出装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
1 アクチュエータ
2 モータ
3 波動歯車装置
4 回転センサ
5 モータの温度センサ
6 波動歯車装置の潤滑剤温度を検出する温度センサ
10 出力トルク制御装置
11 モータ駆動制御回路
12 演算回路
13 角加速度検出器

Claims (3)

  1. モータとこのモータ出力回転を減速する波動歯車装置とを有するアクチュエータの出力トルクを検出する出力トルク検出方法であって、
    前記波動歯車装置の損失トルクT1を次式により近似し、
    Tl=Tq(To)+Tv(n,V)
    但し、To:アクチュエータの出力トルク
    Tq:波動歯車装置のクーロン摩擦項
    Tv:波動歯車装置の粘性摩擦項
    n:モータ回転数
    V:波動歯車装置の潤滑剤のベースオイル動粘度
    前記の関数Tq、Tvをそれぞれ次式により近似し、
    Tq(To)=Ts+{To/(Rη 0 )}
    但し、Ts:無負荷時の摩擦トルク
    η 0 :実験的に求められた波動歯車装置の基準効率(定数)
    Tv(n,t)=a×{V(t)n} b
    但し、 a:波動歯車装置のサイズ、形式、純雑剤の種類により
    実験的に求められた定数
    b:実験から求められた定数
    前記波動歯車装置の潤滑剤温度tと、前記モータの回転数nと、モータ出力トルクTmを検出し、
    検出したこれらの値と波動歯車装置の減速比Rに基づき、アクチュエータ出力トルクToを次式により求めることを特徴とするアクチュエータの出力トルク検出方法。
    To=R{Tm−Ts−Tv(n,t)}/(1+1/η 0
  2. 請求項1において、
    前記モータの電流値と、予め測定した前記モータの無負荷電流値と、前記モータのトルク定数とに基づき、前記モータの回転子が発生するトルクを求め、当該トルクから、モータ自体の慣性トルクおよびモータ回転子に接続されている前記波動歯車装置の慣性トルクを差し引くことにより、前記モータの出力トルクTmを求めることを特徴とするアクチュエータの出力トルク検出方法。
  3. 請求項2において、
    前記モータの温度を検出し、当該モータ温度に基づき、前記モータの出力トルクTmを補正することを特徴とするアクチュエータの出力トルク検出方法。
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