JP4837724B2 - アクチュエータの速度変動抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、波動歯車減速機を備えたアクチュエータにおける波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸の回転速度の変動を抑制するためのアクチュエータの速度変動抑制方法に関するものである。また、当該速度変動抑制方法を採用したアクチュエータの駆動制御装置に関するものである。

アクチュエータとしては、モータの出力回転を波動歯車減速機で減速して負荷側の部材を目標位置に位置決めする構成のものが知られている。波動歯車減速機は、環状の剛性内歯歯車と環状の可撓性外歯歯車と波動発生器とを備えている。典型的な波動歯車減速機では、波動発生器によって可撓性外歯歯車が楕円形に撓まされて、その楕円形の長軸方向の両端に位置する外歯部分が剛性内歯歯車の対応する内歯部分に噛み合わされた状態が形成されている。波動発生器がモータによって回転させられると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動し、両歯車の歯数差２ｎ枚（ｎは正の整数）に応じた相対回転が当該両歯車に発生する。

一般に、両歯車の歯数差は２枚であり、剛性内歯歯車が固定され、可撓性外歯歯車が減速回転出力要素として回転し、当該可撓性外歯歯車に連結されている負荷側の部材が低速で回転駆動される。この場合の減速比ｉは次式で表される。
ｉ＝１／Ｒ＝（Ｚｃ−Ｚｆ）／Ｚｆ
但し、Ｒ：速比
Ｚｆ：可撓性外歯歯車の歯数
Ｚｃ：剛性内歯歯車の歯数

例えば、Ｚｆ＝１００、Ｚｃ＝１０２の場合、減速比ｉは１／５０であり、モータ回転方向に対して出力回転が逆向きになる。

この構成のアクチュエータの駆動制御装置は、一般的にはフィードバック制御によりアクチュエータの位置決め制御を行っている。この場合、波動歯車減速機には角度伝達誤差があり、この誤差によってアクチュエータ出力軸（波動歯車減速機の出力軸）による実際の位置決め位置と、目標とする位置決め位置との間に誤差が発生する。この誤差を補償できれば、波動歯車減速機を備えたアクチュエータの位置決め精度を向上させることができる。

特許文献１、２には、波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因する位置決め誤差を補正して精度良く位置決めを行うアクチュエータの位置決め誤差補正方法が提案されている。特許文献１では位置フィードバックに補正量を加えることにより、また、特許文献２では位置指令に補正量を加えることにより、位置決め精度の向上を図っている。

しかしながら、波動歯車減速機を備えたアクチュエータでは、波動歯車減速機の誤差成分の影響によりアクチュエータ出力軸の回転速度に変動が生ずる。従来の位置決め誤差補正方法では、このような回転速度の変動を抑制することができない。
特開２００２−１７５１２０号公報 特開２００３―２２３２２５号公報

本発明の課題は、この点に鑑みて、波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸の回転変動を効果的に抑制することのできるアクチュエータの速度変動抑制方法を提案することにある。また、当該方法を採用したアクチュエータの駆動制御装置を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明では、波動歯車減速機を備えたアクチュエータにおいて波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸の位置決め誤差を予め測定しておき、その速度制御のフィードバックループにおいては、検出されたアクチュエータ出力軸の位置情報を位置決め誤差により補正した後のものを用いて、当該アクチュエータ出力軸の速度を演算し、これを速度フィードバック値として用いるようにしている。あるいは、検出された位置情報から演算した速度を、位置決め誤差に基づき補正したものを、速度フィードバック値として用いるようにしている。

すなわち、本発明のアクチュエータの速度変動抑制方法では、モータ回転軸の一回転の絶対位置を基準にして、アクチュエータ出力軸の各回転角度位置における位置決め誤差を測定して、前記モータ回転軸の各回転位置に対する前記アクチュエータ出力軸の誤差補正データを作成しておく。また、駆動制御時には、前記モータ回転軸の回転位置を検出し、前記誤差補正データから、検出された回転位置に対して割り当てられている誤差補正値を求め、当該誤差補正値を用いて前記回転位置を補正して得られた値から前記モータ回転軸の速度を演算し、または、前記回転位置から演算した前記モータ回転軸の速度を前記誤差補正値に基づき補正し、求まった速度を、前記アクチュエータ出力軸のフィードバック制御用の速度フィードバック値として使用している。

ここで、本発明では、前記アクチュエータ出力軸の位置決め誤差を、前記モータ回転軸の一回転の絶対位置を基準にして、前記アクチュエータ出力軸の少なくとも一回転分測定して前記誤差補正データを作成している。

この場合、測定した各回転位置における位置決め誤差を平均して、前記モータ回転軸一回転分の各回転位置に対する誤差補正値を表す誤差補正データを作成することができる。

また、前記誤差補正データは、前記モータ回転軸一回転分の各回転位置における誤差補正情報としての補正パルスのデータ列、あるいは、前記モータ回転軸一回転分の各回転位置における誤差を表す近似式の係数列とすることができる。

次に、本発明は、上記の方法により速度変動を抑制するアクチュエータの駆動制御装置において、前記誤差補正データが記憶されている誤差補正データ記憶部と、前記モータ回転軸に取り付けた位置検出器と、前記位置検出器により検出される前記モータ回転軸の検出位置、および、前記誤差補正データに基づき、前記モータ回転軸の速度を演算し、当該速度を、速度フィードバック値として用いて、前記アクチュエータ出力軸を位置指令情報によって示される目標位置となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部とを有していることを特徴としている。

ここで、前記フィードバック制御部は、前記アクチュエータ出力軸を速度指令情報によって示される目標速度となるようにフィードバック制御するものであってもよい。

本発明では、アクチュエータのフィードバック制御に用いる速度フィードバック値は、モータ回転軸の検出位置から演算された速度に、波動歯車減速機の角度伝達誤差による速度成分が加えられたものである。したがって、当該速度をフィードバックさせて速度制御を行うことにより、波動歯車減速機の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸の回転速度の変動を効果的に抑制することができる。

本発明を適用したアクチュエータの駆動制御装置の一例を示す概略ブロック図である。 図１の駆動制御装置における補正データの作成方法を説明するための表である。 作成された補正データの対応テーブルを示す表である。 本発明を適用したアクチュエータの駆動制御装置の別の例を示す概略ブロック図である。

符号の説明

１、１Ａ 駆動制御装置
２ アクチュエータ
３ モータ
４ モータ回転軸
５ 波動歯車減速機
６ 位置検出器
７ アクチュエータ出力軸
８ 回転位置情報
１１ フィードバック制御部
１２ 補正データ記憶部
１３ 位置制御部
１４ 速度制御部
１５ 速度演算部
１６ 電流アンプ部
Ｃ 誤差補正データ
θｆ 位置フィードバック値
ωｆ 速度フィードバック値
θｒ 位置指令
ωｒ 速度指令
Ｉｒ 電流指令

以下に、図面を参照して、本発明の方法を適用したアクチュエータの駆動制御装置の一例を説明する。

図１は本例のアクチュエータの駆動制御装置を示す概略構成図である。この駆動制御装置１によって駆動される本例のアクチュエータ２は、モータ３と、モータ回転軸４に連結された波動歯車減速機５と、モータ回転軸４の回転位置を検出可能な位置検出器６を備えている。波動歯車減速機５の出力軸すなわちアクチュエータ出力軸７が負荷（図示せず）に連結されている。位置検出器６はロータリエンコーダ、ポテンショメータ等の絶対位置を検出可能な位置検出器である。

アクチュエータ２の駆動を制御する駆動制御装置１は、アクチュエータ２を、上位機器の側からの位置指令θｒによって示される目標位置となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部１１と、波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因する位置決め誤差を表す補正データＣが記憶されている誤差補正データ記憶部１２を有している。フィードバック制御部１１では、位置制御部１３において、位置指令θｒと位置検出器６からの位置フィードバック値θｆの差に基づき速度指令ωｒを演算して速度制御部１４に供給する。速度制御部１４では、速度指令ωｒと、速度演算部１５から供給される速度フィードバック値ωｆとの差に基づき電流指令Ｉｒを演算して、電流アンプ部１６に供給する。電流アンプ部１６を介してモータ駆動電流がモータ３に供給される。

ここで、速度演算部１５では、補正データＣに基づき、位置検出器６から供給される位置フィードバック値θｆを補正し、補正後の値から速度フィードバック値ωｆを演算している。例えば、位置フィードバック値θｆに対して補正データＣを減算あるいは加算して補正値を求め、補正値から速度フィードバック値ωｆを演算している。この場合の速度演算式は次の通りである。なお、Δｔはサンプリング周期である。
ωｆ＝（（θｆ（ｔ）＋Ｃ（ｔ））−（θｆ（ｔ−１）＋Ｃ(ｔ−１）））／Δｔ

（補正データ）
本例の補正データＣは次のようにして作成されたものである。まず、アクチュエータ２におけるモータ回転軸４の位置決め誤差は、これが連結されている波動歯車減速機５の減速によって、当該減速機５の減速比分の一に圧縮される。例えば、波動歯車減速機５の速比が５０あるいは１００の場合には、モータ自体の位置決め誤差は１／５０、あるいは１／１００に圧縮される。従って、アクチュエータ２の位置決め誤差は、主として波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因するので、当該アクチュエータ２の一方向位置決め精度は波動歯車減速機５の角度伝達誤差によって決まることになる。

一方向位置決め精度とは、一定方向の回転方向で次々に位置決めを行い、それぞれの位置で、基準位置から実際に回転した角度と回転すべき角度との差を求め、これらの値の１回転中における最大値を表わすものである。

本例では、アクチュエータ２の一方向位置決め精度、すなわちアクチュエータ２の位置決め誤差を、モータ回転軸４の絶対位置を基にして、アクチュエータ出力軸７の一回転分測定する。例えば、波動歯車減速機５の速比が１／５０の場合には、モータ回転軸４が５０回転すると出力軸７が一回転することになる。

この位置決め誤差を、例えば図２に示すように、位置検出器６の出力に基づき、モータ回転軸４が３°回転する毎に測定する。この場合には、測定ポイントはモータ回転軸４については１２０ポイント（３６０°／３°）であり、アクチュエータ出力軸７では、１２０ポイント×（速比）分になる。

なお、測定するデータは、一方向位置決め精度の代わりに、波動歯車減速機の角度伝達精度を用いても実質的に同様である。また、測定は出力軸７の一回転分だけでなく、一回転以上に亘って測定してもよいことは勿論である。

次に、図２の表における最下行に示すように、各測定ポイントの誤差データ、例えば１２０箇所の誤差データをそれぞれ平均化して、モータ回転軸４の一回転分の補正データＣを作成する。

作成した補正データＣの形式は、モータ回転軸４の一回転分における各回転角度位置に対する誤差補正用の補正パルス数とすることができる。例えば、図３に示すように、上記のように３°毎に測定された補正パルス数を、モータ回転軸４の３°毎の回転位置に割り当てた対応テーブルとすることができる。

この代わりに、モータ回転軸４の一回転分の補正データをフーリエ級数展開して近似曲線を求め、当該近似曲線を表わすフーリエ級数の各係数を補正データＣとして記憶保持するようにしてもよい。この場合には、駆動制御装置１の駆動電源をオンした後の初期化処理において、記憶保持している係数を近似式に当てはめて補正データを算出して、図３に示すような補正パルスのデータ列を作成すればよい。

以上説明したように、本例のアクチュエータの駆動制御装置１においては、予め、波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因する位置決め誤差を測定し、モータ回転軸４の各回転位置における位置決め誤差を表す補正データＣを作成しておき、モータ制御用のフィードバック制御ループにおいては、モータ回転軸４の絶対位置に基づき、補正データＣから該当する回転位置の誤差補正値を求め、この誤差補正値を加味して、速度フィードバック値ωｆを演算し、当該速度フィードバック値ωｆを用いてモータ駆動制御用の電流指令Ｉｒを演算するようにしている。したがって、演算された速度フィードバック値には、モータ回転軸４の回転速度に波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因する速度成分が加えられており、当該速度をフィードバックとして速度制御を行うことにより、波動歯車減速機５の角度伝達誤差に起因するアクチュエータ出力軸７の回転速度の変動を効果的に抑制できる。

ここで、本例では、上位機器からの位置指令θｒに基づきフィードバック制御を行っているが、上位機器からの速度指令ωｒに基づきフィードバック制御を行うようにしてもよい。

図４は、この場合のアクチュエータの駆動制御装置の例を示す概略構成図である。この図に示すように、この駆動制御装置１Ａは、位置制御部１３が省略されており、それ以外の構成は駆動制御装置１と同一である。したがって、図においては対応する部位に同一の符号を付してある。この構成によっても、上記の駆動制御装置１と同様な作用効果が得られる。

Claims (6)

1. モータと波動歯車減速機を備えたアクチュエータにおける出力軸の回転速度の変動を抑制する方法であって、
   モータ回転軸の一回転の絶対位置を基準にして、アクチュエータ出力軸の各回転角度位置における位置決め誤差を測定して、前記モータ回転軸の各回転位置に対する前記アクチュエータ出力軸の誤差補正データを作成しておき、
   前記モータ回転軸の回転位置を検出し、
   前記誤差補正データから、検出された回転位置に対して割り当てられている誤差補正値を求め、
   当該誤差補正値を用いて前記回転位置を補正して得られた値から前記モータ回転軸の速度を演算し、または、前記回転位置から演算した前記モータ回転軸の速度を前記誤差補正値に基づき補正し、
   求まった速度を、前記アクチュエータ出力軸のフィードバック制御用の速度フィードバック値として使用することを特徴とするアクチュエータの速度変動抑制方法。
2. 請求項１において、
   前記アクチュエータ出力軸の位置決め誤差を、前記モータ回転軸の一回転の絶対位置を基準にして、前記アクチュエータ出力軸の少なくとも一回転分測定して前記誤差補正データを作成することを特徴とするアクチュエータの速度変動抑制方法。
3. 請求項２において、
   測定した各回転位置における位置決め誤差を平均して、前記モータ回転軸一回転分の各回転位置に対する誤差補正値を表す誤差補正データを作成することを特徴とするアクチュエータの速度変動抑制方法。
4. 請求項３において、
   前記誤差補正データは、前記モータ回転軸一回転分の各回転位置における誤差補正情報としての補正パルスのデータ列、あるいは、前記モータ回転軸一回転分の各回転位置における誤差を表す近似式の係数列であることを特徴とするアクチュエータの速度変動抑制方法。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載の方法により速度変動を抑制するアクチュエータの駆動制御装置であって、
   前記誤差補正データが記憶されている誤差補正データ記憶部と、
   前記モータ回転軸に取り付けた位置検出器と、
   前記位置検出器により検出される前記モータ回転軸の検出位置、および、前記誤差補正データに基づき、前記モータ回転軸の速度を演算し、当該速度を、速度フィードバック値として用いて、前記アクチュエータ出力軸を位置指令情報によって示される目標位置となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部とを有していることを特徴とするアクチュエータの駆動制御装置。
6. 請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載の方法により速度変動を抑制するアクチュエータの駆動制御装置であって、
   前記誤差補正データが記憶されている誤差補正データ記憶部と、
   前記モータ回転軸に取り付けた位置検出器と、
   前記位置検出器により検出される前記モータ回転軸の検出位置、および、前記誤差補正データに基づき、前記モータ回転軸の速度を演算し、当該速度を、速度フィードバック値として用いて、前記アクチュエータ出力軸を速度指令情報によって示される目標速度となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部とを有していることを特徴とするアクチュエータの駆動制御装置。

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