JP5826705B2

JP5826705B2 - トルク計測装置

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Publication number: JP5826705B2
Application number: JP2012113114A
Authority: JP
Inventors: 酒井　正彦; 正彦酒井; 猛松本; 導康島崎
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: JP2013238551A

Description

本発明は、トルク計測装置において、ねじり共振により生じる測定誤差を低減する技術に関するものである。

トルク計測装置においてねじり共振により生じる測定誤差を低減する技術としては、モータのトルクリップルを測定する計測装置において、トルクセンサで検出したトルクの大きさを、予め定めておいたトルクの伝達関数に従って、ねじり共振による影響を含まない真値に補正する技術が知られている（たとえば、特許文献１）。

特開２００５-１８８９４１号公報

接続された供試体間で作用するトルクを測定するトルクセンサにおいて、トルクの伝達関数は接続される供試体によって変化するため、予め、これを算出して設定することはできない。
また、伝達関数の算出のためには、ねじり共振周波数の決定が必要となるところ、一般的に、トルクセンサで検出されるトルクには、ねじり共振周波数のピークと、供試体から作用するトルクに含まれる回転周波数のn次成分のピークとが混在するために、ねじり共振周波数を正しく検出することが困難な場合がある。そして、このような場合には、ねじり共振周波数、伝達関数を正しく算出することができず、結果、伝達関数に基づいて、ねじり共振により生じる測定誤差を良好に低減することができなくなることとなる。

そこで、本発明は、トルク計測装置において、ねじり共振周波数を精度良く検出することを課題とする。また、さらに、ねじり共振により生じる測定誤差を良好に低減することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、出力軸を備え当該出力軸を回転駆動する回転駆動装置の前記出力軸と、入力軸を備え当該入力軸に負荷を加える負荷装置の前記入力軸とを連結すると共に、前記出力軸と前記入力軸との間に作用するトルクを検出するトルクセンサを備えたトルク計測装置に、前記回転駆動装置の前記出力軸の回転周波数を変化させながら、各回転周波数について、当該回転周波数において前記トルクセンサが検出したトルクの周波数スペクトルを算定するトラッキング手段と、前記各回転周波数について、前記トラッキング手段が当該回転周波数について算定した周波数スペクトルから、当該回転周波数のN倍（但し、Nは特定の自然数）の周波数のトルク成分の大きさを抽出し、抽出した各トルク成分の大きさの周波数分布を表す周波数スペクトルである着目周波数スペクトルにおいてピークが現れる周波数をねじり共振周波数として算定するねじり共振周波数算定手段とを備えたものである。

ここで、着目周波数スペクトルにおいて、各周波数のトルク成分の大きさには、回転周波数のN次の回転周波数で現れるピーク相当のトルクが等しく含まれたものとなる。よって、着目周波数スペクトルはねじり共振によるピークのみが現れるものとなるので、着目周波数スペクトルから、容易にピーク位置からねじり共振周波数を正しく算出することができる。

したがって、このようなトルク計測装置によれば、ねじり共振周波数を精度良く算出することができる。
ここで、以上のようなトルク計測装置には、さらに、前記ねじり共振周波数算定手段が算定したねじり共振周波数と、前記着目周波数スペクトルとに基づいて、伝達関数を算出する伝達関数算出手段と、前記トルクセンサが検出したトルクの、前記伝達関数算出手段が算出した伝達関数に従ってねじり共振による影響を除去した周波数スペクトルを算定する周波数スペクトル算定手段とを設けることが好ましい。

このようにすることにより精度良く算出したねじり共振周波数に基づいて精度よく伝達関数を算出することができるようになると共に、算出した伝達関数を用いて、ねじり共振により生じる測定誤差を良好に低減することができるようになる。
ここで、より具体的には、以上の前記伝達関数算出手段は、前記ねじり共振周波数算定手段が算定したねじり共振周波数をωn、前記着目周波数スペクトルの各トルク成分の大きさを、ねじり共振周波数ωnの１/ｍ（但し、ｍは３以上）付近の周波数のトルク成分の平均的な大きさが１となるように正規化した正規化後周波数スペクトルが表す周波数ωのトルク成分の大きさをHD(ω)、H（ω）を式（１）、

として、式（２）

のエラーＥが最小となる減衰率ζを求め、ねじり共振周波数ωnと、求めた減衰率ζとを、上記式（１）に代入したH(ω)を、前記伝達関数として算定するものとしてもよい。
または、前記伝達関数算出手段は、前記ねじり共振周波数算定手段が算定したねじり共振周波数をωn、前記着目周波数スペクトルが表す周波数ωのトルク成分の大きさをHT(ω)、kを定数として、H(ω)を式（１）、

として、式（２）

のエラーＥが最小となる定数ｋと減衰率ζとを求め、ねじり共振周波数ωnと求めた減衰率ζとを、上記式（１）に代入したH(ω)を、前記伝達関数として算定するものとしてもよい。
なお、以上のようなトルク計測装置には、前記トラッキング手段が各回転周波数について算定した周波数スペクトルを、回転周波数を第１の軸、前記トルクの周波数を第２の軸として表すトラッキング結果グラフを表示すると共に、前記Nの値をオペレータより受け付けて設定する次数設定手段を設けたり、前記トラッキング結果グラフと共に、前記伝達関数算出手段が算出した伝達関数に従って前記トラッキング結果グラフをねじり共振による影響が除去されるように補正した補正後グラフを表示するキャリブレーション結果表示手段を設けるようにしてもよい。

以上のように、本発明によれば、トルク計測装置において、ねじり共振周波数を精度良く検出することができる。また、ねじり共振により生じる測定誤差を良好に低減することができる。

本発明の実施形態に係るトルク計測装置の構成を示す図である。本発明の実施形態に係るキャリブレーション処理を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係るトルクマップを示す図である。本発明の実施形態に係る次数選択ウインドウを示す図である。本発明の実施形態に係る伝達関数の算出手順を示す図である。本発明の実施形態に係るキャリブレーション確認ウインドウを示す図である。

以下、本発明に係るトルク計測装置の実施形態について、モータのトルク特性の測定への適用を例にとり説明する。
図１に、本実施形態に係るトルク計測装置の構成を示す。
図示するように、トルク計測装置は、トルクセンサ１と計測装置２とより構成される。
ここで、供試体であるモータ３が回転駆動する当該モータ３の出力軸は、トルクセンサ１を介して、ブレーキ４が負荷を加える当該ブレーキ４の入力軸に連結され、トルクセンサ１は、モータ３の出力軸とブレーキ４の入力軸との間に働くトルクを検出する。
ここで、このようなトルクセンサ１は、たとえば、モータ３の出力軸とブレーキ４の入力軸とに各々カップリング１１を介して両端が連結されたトーションバー１２と、トーションバー１２の捻れ角よりトーションバー１２の両端間に加わるトルクを表すトルク検出信号を出力する検出回路１３などより構成することができる。

一方、計測装置２は、モータ３の回転周波数（回転速度）を制御する回転制御部２１、信号処理部２２、メモリ２３、モータ３とトルクセンサ１とブレーキ４よりなる系の伝達関数を算出する伝達関数算出部２４、制御部２５、操作部２６、表示部２７を備えている。

また、信号処理部２２は、トルクセンサ１から出力されるトルク検出信号を時系列にトルクの大きさを表すトルクデータに変換してメモリ２３に格納するトルクデータ生成部２２１や、メモリ２３に格納されたトルクデータに対してFFTを施してトルクの周波数スペクトルデータを生成してメモリ２３に格納するFFT部２２２や、伝達関数算出部２４が算出した伝達関数に従ってメモリ２３に格納されているトルクの周波数スペクトルデータを補正し補正後周波数スペクトルデータとしてメモリ２３に格納する補正処理部２２３などの、各種信号処理を行う機能部を備えている。

ただし、このような計測装置２は、CPUや、メモリ２３や、その他の周辺デバイスを有する一般的な構成を備えたコンピュータを用いて構成するようにしてもよく、この場合、以上に示した計測装置２の信号処理部２２、伝達関数算出部２４、制御部２５などの各部は、CPUが予め用意されたプログラムを実行することにより具現化するプロセスとして実現されるものであって良い。

以下、このようなトルク計測装置の動作について説明する。
制御部２５は、オペレータのキャリブレーション開始の指示を操作部２６を介して受け取ると、図２に示すキャリブレーション処理を行う。
図示するように、このキャリブレーション処理において制御部２５は、モータ３の各回転周波数におけるトルクの周波数スペクトルを収集するトラッキングを制御する（ステップ２０２）。
すなわち、制御部２５はステップ２０２において、回転制御部２１を介してモータ３の回転周波数Frを漸次的に変化させながら、トルクデータ生成部２２１に、各回転周波数についての、トルクセンサ１が出力するトルク検出信号からの当該回転周波数のトルクデータの生成とメモリ２３への格納を行わせる。また、FFT部２２２に、各回転周波数についての、メモリ２３に格納された各回転周波数のトルクデータからの当該回転周波数の周波数スペクトルを表すデータである周波数スペクトルデータの生成とメモリ２３への格納を行わせる。

そして、次に、ステップ２０２でメモリ２３に格納した各回転周波数の周波数スペクトルデータの集合をトラッキングデータとして、回転周波数と周波数スペクトルの関係を表すトルクマップのデータであるトルクマップデータを作成してメモリ２３に格納すると共に、トルクマップを表示部２７に表示する（ステップ２０４）。

ここで、トルクマップは、たとえば、図３ｂに示すように縦軸に回転周波数Frを横軸に周波数Fをとったマップ上の各座標に、当該座標に対応する回転周波数Frの周波数スペクトルデータが表す、当該座標に対応する周波数Fのトルク成分Tの大きさを輝度で表したものとする。ここで、図３ｂでは、輝度が大きいほどトルク成分Tの大きさが大きいことを表している。

すなわち、回転周波数FrMの周波数スペクトルデータが図３ａ１に示す周波数スペクトルを表すものであり、回転周波数FrKの周波数スペクトルデータが図３ａ２に示す周波数スペクトルを表すものとして、図３ｂのトルクマップの回転周波数FrMの水平ラインは、図３ａ１に示す周波数スペクトルのトルク成分Tの大きさ（縦軸方向の大きさ）を輝度値に変換して表したものとなり、図３ｂのトルクマップの回転周波数FrＫの水平ラインは、図３ａ２に示す周波数スペクトルのトルク成分Tの大きさ(縦軸方向の大きさ）を輝度値に変換して表したものとなる。

ここで、図３ｂに示すようにトルクマップには、モータ３の回転周波数のn次の回転周波数の位置に現れるトルクTのピークによる輝点が、Fr=F/nの線上に並んで現れ、斜めの輝線を形成することとなる。なお、図３ｂにおいて、左からn番目の斜めの輝線が、モータ３の回転周波数のn次の回転周波数の位置に現れるトルクTのピークによる輝点の集合によって形成されたFr=F/nの線となる。

また、トルクマップには、ねじり共振によるトルク成分Tのピークによる輝点が、ねじり共振周波数をωnとして、F=ωnの線上に現れることとなる。
また、ステップ２０４では、図４に示す次数選択ウインドウを表示部２７に表示し、次数選択ウインドウ中に、このようなトルクマップ４０１を表示する。
そして、図２に戻り、このようにしてトルクマップ４０１を表示したならば（ステップ２０４）、伝達関数の算出に用いる次数Nの選択をオペレータから受け付ける（ステップ２０６）。
ここで、オペレータは表示されているトルクマップから、トルクマップ上に現れている、Fr=F/nの線のうち、ねじり共振によるトルク成分Tのピークによる輝点が顕著に現れている線を選定する。ここで、ねじり共振によるトルク成分Tのピークによる輝点は縦線（F=ωn）上に現れるので、オペレータは、トルクマップ上で縦線状の輝線を形成するように並んでいる輝点が、ねじり共振によるトルク成分Tのピークによる輝点であると認識することができる。

そして、オペレータは、図４に示す次数選択ウインドウの入力ボックス４０２に選択した線に対応する次数nを選択した次数Nとして入力する。または、図４に示すようにトルクマップ上でカーソル４０３で、いずれかのFr=F/nの輝線の選択を受け付け、受け付けた輝線に対応するnの選択した次数Nとしての入力を受け付けるようにしてもよい。

そして、次数選択ウインドウの「計算を開始する」ボタン４０４がオペレータによって操作されたならば、制御部２５は、その時点で入力されている次数Nの選択を受け付ける。
図２に戻り、このようにして次数Nの選択をオペレータから受け付けたならば（ステップ２０６）、伝達関数算出部２４に伝達関数を算出させる（ステップ２０８）。
ここで、伝達関数算出部２４による伝達関数の算出は次のように行う。
すなわち、図５ａに示すトルクマップ上の、オペレータによって選択された次数Nの線（Fr=F/N）上の各座標に対応する（周波数F、輝度が表すトルク成分の大きさT）より、図５ｂに示す周波数スペクトルを算出する。
そして、図５ｂに示す周波数スペクトル上でピークが現れる周波数Fを算出し、算出した周波数Fをねじり共振周波数ωnとする。ここで、図５ｂに示す周波数スペクトルにおいて、各周波数のトルク成分の大きさTには、モータ３の回転周波数のN次の回転周波数で現れるピーク相当のトルクが等しく含まれたものとなる。よって、図５ｂに示す周波数スペクトルはねじり共振によるピークのみが現れるものとなる。したがって、図３ａ１、ａ２に示したような回転周波数のN次の回転周波数のピークとねじり共振によるピークが混在する周波数スペクトルとは異なり、容易にピーク位置からねじり共振周波数ωnを正しく算出することができる。

次に、このようなねじり共振周波数ωnを算出したならば、ねじり共振周波数ωnと減衰率ζとを用いて表される周知の伝達関数H(ω)の式１を用いて、モータ３とトルクセンサ１とブレーキ４よりなる系の伝達関数Hc(ω)を算出する。

すなわち、まず、図５ｃに示すように、図５ｂの周波数スペクトルのトルク成分の大きさTが、ねじり共振周波数ωnの１/３の周波数付近において大きさ１となるように正規化する。
ここで、このように正規化するのは、式１に従う伝達関数H(ω）の値は、ωn/3以下の領域でおよそ１となることが期待できるからである。したがって、この正規化は、図５ｂの周波数スペクトルのトルク成分の大きさTが、ねじり共振周波数ωnの1/3以下の任意の周波数において大きさ１となるように正規化するようにしてもよい。

ここで、この正規化後のトルク成分の大きさTをHDで表すものとする。ここで、この正規化は、図５ｂに示すねじり共振周波数ωnの1/3の周波数周辺の周波数領域５０１内のトルク成分の大きさTの平均値MTを１とするトルク成分の大きさTの増幅率を求め、求めた増幅率で、図５ｂの周波数スペクトルの各周波数のトルク成分の大きさTを増幅してHDとすることにより行う。

そして、図５ｃの周波数スペクトルにおける、周波数ωの正規化後のトルク成分の大きさHDを、HD（ω）で表すものとして、式１の伝達関数H(ω）とHD(ω)の式２で表される自乗誤差Ｅが最小となる減衰率ζを算出する。

そして、ねじり共振周波数ωnと、算出した減衰率ζとを式１に代入し、求める伝達関数H (ω)とする。
ただし、伝達関数の算出は、図５ｂの周波数スペクトルにおける、周波数ωのトルク成分の大きさTを、HT(ω)で表すものとして、式１の伝達関数H(ω）と、HT(ω)に係数kを乗じた値との式３で表される自乗誤差Ｅが最小となる、係数ｋと減衰率ζを算出し、ねじり共振周波数ωnと、算出した減衰率ζとを式１に代入し、求める伝達関数H(ω)とするようにしてもよい。

さて、図２に戻り、以上のようにして伝達関数H(ω)を算出したならば（ステップ２０８）、補正処理部２２３に、メモリ２３に格納されているトルクマップデータが表すトルクマップを、伝達関数H (ω)の逆伝達関数1/H (ω)に従って補正した補正後トルクマップを作成させ、補正後トルクマップをトルクマップデータをメモリ２３に格納すると共に、トルクマップと共に補正後トルクマップを表示部２７に表示する（ステップ２１０）。

ここで、補正後トルクマップの生成は、トルクマップの各座標(Fr,F)の輝度を、当該輝度が表すトルク成分の大きさをT(Fr,F)として、T(Fr,F)/H (F)のトルク成分の大きさを表す輝度に変換することにより行う。
また、トルクマップと補正後トルクマップの表示は、図６に示すように表示部２７にキャリブレーション確認ウインドウを表示し、トルクマップ６０１と、補正後のトルクマップ６０２を並べて表示することにより行う。
ここで、オペレータは、この表示より、トルクマップ６０１において現れているねじり共振によるトルク成分Tのピークによる縦線状の輝線が、補正後のトルクマップ６０２では消えており、モータ３の回転周波数のn次の回転周波数の位置に現れるピークによる斜めの輝線が残っていることより、キャリブレーションが正しく行われたことを確認できたならば、「補正を有効にする」ボタン６０３を操作し、そうでない場合には「やり直す」ボタン６０４を操作する。

さて、図２に戻り、制御部２５は、キャリブレーション確認ウインドウの「補正を有効にする」ボタン６０３の操作によってオペレータの承認が発生したならば（ステップ２１２）、算出した伝達関数H (ω)の逆伝達関数1/(ω)を補正関数としてFFT部２２２に設定し（ステップ２１６）、処理を終了する。

一方、キャリブレーション確認ウインドウの「やり直す」ボタン６０４の操作によって再計算が指示された場合には（ステップ２１４）、ステップ２０４からの処理に戻る。
以上、制御部２５が行うキャリブレーション処理について説明した。
なお、制御部２５は、図４の次数選択ウインドウ、キャリブレーション確認ウインドウのキャンセルボタンがオペレータによって操作された場合に、キャリブレーション処理の終了を制御する。
さて、このようにしてキャリブレーション処理によって、補正関数を設定されたFFT部２２２は、以降、メモリ２３に格納されたトルクデータに対してFFTを施してトルクの周波数スペクトルデータを生成する際に、トルクデータに対してFFTを施して得た周波数スペクトルにおける各周波数Fのトルク成分の大きさTを、補正関数を用いて、T×{1/H(F)}に変換することにより、当該周波数スペクトルを補正した上で、補正した周波数スペクトルを表す周波数スペクトルデータとしてメモリ２３に格納する。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の実施形態では、キャリブレーション処理において、ステップ２０６で伝達関数の算出に用いる次数Nの選択をオペレータから受け付けるようにしたが、伝達関数の算出に用いる次数Nは自動的に選定するようにしてもよい。すなわち、この場合には、次数Nを予め固定的に定めるようにしてもよいし、所定の次数範囲内の各次数iについて、次数iの線(Fr=F/i)上の各座標に対応する（周波数F、輝度が表すトルク成分Tの大きさ）より図５ｂに示すように周波数スペクトルを求め、最もピークが顕著に表れている周波数スペクトルの次数ｉを伝達関数の算出に用いる次数Nとするようにしてもよい。

または、伝達関数の算出に複数の次数を用いることとして、所定の次数範囲内の各次数ｉについて、次数ｉの線(Fr=F/i)上の各座標に対応する（周波数F、輝度が表すトルク成分Tの大きさ）より図５ｂに示すように周波数スペクトルを求め、各周波数スペクトルのピークが現れる周波数の平均をねじり共振周波数ωnとして用いるようにしてもよい。

１…トルクセンサ、２…計測装置、３…モータ、４…ブレーキ、１１…カップリング、１２…トーションバー、１３…検出回路、２１…回転制御部、２２…信号処理部、２３…メモリ、２４…伝達関数算出部、２５…制御部、２６…操作部、２７…表示部、２２１…トルクデータ生成部、２２２…FFT部、２２３…補正処理部。

Claims

出力軸を備え当該出力軸を回転駆動する回転駆動装置の前記出力軸と、入力軸を備え当該入力軸に負荷を加える負荷装置の前記入力軸とを連結すると共に、前記出力軸と前記入力軸との間に作用するトルクを検出するトルクセンサを備えたトルク計測装置であって、
前記回転駆動装置の前記出力軸の回転周波数を変化させながら、各回転周波数について、当該回転周波数において前記トルクセンサが検出したトルクの周波数スペクトルを算定するトラッキング手段と、
前記各回転周波数について、前記トラッキング手段が当該回転周波数について算定した周波数スペクトルから、当該回転周波数のN倍（但し、Nは特定の自然数）の周波数のトルク成分の大きさを抽出し、抽出した各トルク成分の大きさの周波数分布を表す周波数スペクトルである着目周波数スペクトルにおいてピークが現れる周波数をねじり共振周波数として算定するねじり共振周波数算定手段とを有することを特徴とするトルク計測装置。
請求項１記載トルク計測装置であって、
前記ねじり共振周波数算定手段が算定したねじり共振周波数と、前記着目周波数スペクトルとに基づいて、伝達関数を算出する伝達関数算出手段と、
前記トルクセンサが検出したトルクの、前記伝達関数算出手段が算出した伝達関数に従ってねじり共振による影響を除去した周波数スペクトルを算定する周波数スペクトル算定手段とを有することを特徴とするトルク計測装置。
請求項２記載のトルク計測装置であって、
前記伝達関数算出手段は、前記ねじり共振周波数算定手段が算定したねじり共振周波数をωn、前記着目周波数スペクトルの各トルク成分の大きさを、ねじり共振周波数ωnの1/m（但し、mは３以上）付近の周波数のトルク成分の平均的な大きさが１となるように正規化した正規化後周波数スペクトルが表す周波数ωのトルク成分の大きさをHD(ω)、H(ω)を式（１）、

として、式（２）

のエラーEが最小となる減衰率ζを求め、ねじり共振周波数ωnと、求めた減衰率ζとを、上記式（１）に代入したH(ω)を、前記伝達関数として算定することを特徴とするトルク計測装置。
請求項２記載のトルク計測装置であって、
前記伝達関数算出手段は、前記ねじり共振周波数算定手段が算定したねじり共振周波数をωn、前記着目周波数スペクトルが表す周波数ωのトルク成分の大きさをHT(ω)、kを定数として、H(ω)を式（１）、

として、式（２）

のエラーEが最小となる定数ｋと減衰率ζとを求め、ねじり共振周波数ωnと求めた減衰率ζとを、上記式（１）に代入したH(ω)を、前記伝達関数として算定することを特徴とするトルク計測装置。
請求項１、２、３または４記載のトルク計測装置であって、
前記トラッキング手段が各回転周波数について算定した周波数スペクトルを、回転周波数を第１の軸、前記トルクの周波数を第２の軸として表すトラッキング結果グラフを表示すると共に、前記Nの値をオペレータより受け付けて設定する次数設定手段を有することを特徴とするトルク計測装置。
請求項２、３または４記載のトルク計測装置であって、
前記トラッキング手段が各回転周波数について算定した周波数スペクトルを、回転周波数を第１の軸、前記トルクの周波数を第２の軸として表すトラッキング結果グラフを表示すると共に、前記伝達関数算出手段が算出した伝達関数に従って前記トラッキング結果グラフをねじり共振による影響が除去されるように補正した補正後グラフを表示するキャリブレーション結果表示手段を有することを特徴とするトルク計測装置。
出力軸を備え当該出力軸を回転駆動する回転駆動装置の前記出力軸と、入力軸を備え当該入力軸に負荷を加える負荷装置の前記入力軸とを連結すると共に、前記出力軸と前記入力軸との間に作用するトルクを検出するトルクセンサに接続されるコンピュータによって読み取られ実行されるコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータに、前記回転駆動装置の前記出力軸の回転周波数を変化させながら、各回転周波数について、当該回転周波数おいて前記トルクセンサが検出したトルクの周波数スペクトルを算定するトラッキングステップと、
前記各回転周波数について、当該回転周波数について算定した周波数スペクトルから、当該回転周波数のN倍（但し、Nは特定の自然数）の周波数のトルク成分の大きさを抽出し、抽出した各トルク成分の大きさの周波数分布を表す周波数スペクトルである着目周波数スペクトルにおいてピークが現れる周波数をねじり共振周波数として算定するねじり共振周波数算定ステップとを実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。