JP6922747B2

JP6922747B2 - モータのトルク制御装置

Info

Publication number: JP6922747B2
Application number: JP2018002548A
Authority: JP
Inventors: 雄介小坂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2038-01-11
Also published as: JP2019122208A

Description

本発明は、モータのトルク制御装置に関する。

特許文献１には、モータを駆動するための駆動量を演算し、当該駆動量に基づいて当該モータを制御する制御演算回路を有する電動式パワーステアリング制御装置が記載されている。また、特許文献１には、当該制御演算回路は、それぞれ駆動量を演算するための少なくとも２つの演算手段を有し、これらの演算手段の演算出力を切り替えて出力することが記載されている。

特開２００４−３５２１６４号公報

ロボット等が障害物に衝突する等によって、ロボット等に衝撃力が加わった場合、当該衝撃力を緩和するように、制御ゲインを大きく上げて、トルクを制御する。しかし、制御ゲインを大きく上げると、制御系が不安定になってしまうという問題がある。そのため、ロボット制御やメカトロニクス制御の分野において、例えば、ロボットが障害物に衝突することによって生じる衝撃力を緩和するために行うトルク制御と、通常時におけるトルク制御を両立することが望まれる。特許文献１は、平滑化手段によって、複数の駆動量の出力を切り替えた際に発生する高周波成分を除去することにより、通常時のトルクの安定化を図ることを記載しているが、ロボット等が障害物に衝突する等の外乱発生時におけるトルク制御については記載していない。

本発明は、衝突等による外乱発生時におけるトルク制御と、通常時におけるトルク制御とを安定して行うことができるモータのトルク制御装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係るモータのトルク制御装置は、モータの回転トルクを検出するトルクセンサと、前記モータの回転角加速度を検出するエンコーダと、前記トルクセンサによって検出された前記回転トルク、及び、前記エンコーダによって検出された前記回転角加速度に基づいて、前記モータが出力すべきトルクの値を算出するトルク制御器と、前記トルク制御器の制御ゲインを調整する制御ゲイン調整部と、を備える。また、前記制御ゲイン調整部は、前記トルクセンサによって検出された前記回転トルク、又は、前記エンコーダによって検出された前記回転角加速度が第１の閾値を超えた場合に、前記制御ゲインの値を上げ、前記トルクセンサによって検出された前記回転トルク、又は、前記エンコーダによって検出された前記回転角加速度が、前記第１の閾値より小さい第２の閾値より小さくなった場合に、前記制御ゲインの値を下げる。

本発明に係るモータのトルク制御装置においては、衝突等によって外乱が発生し、モータの回転トルク、又は、モータの回転角加速度が第１の閾値を超えた場合に、トルク制御器の制御ゲインの値が上げられるため、衝突等によって生じる衝撃力を緩和するために行うトルク制御を瞬時に行うことができる。一方、衝突等による外乱が終了し、モータの回転トルク、又は、モータの回転角加速度が第２の閾値より小さくなった場合に、トルク制御器の制御ゲインの値が下げられるため、通常時におけるトルク制御が不安定となってしまうことを防ぐことができる。これにより、衝突等による外乱発生時におけるトルク制御と、通常時におけるトルク制御とを安定して行うことができるモータのトルク制御装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係るトルク制御装置の概略構成を説明するブロック図である。本発明の実施の形態１に係るトルク制御装置の構成の一例を説明するブロック図である。本発明の実施の形態１に係るトルク制御装置における制御ゲイン調整部の処理を説明するフローチャートである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るトルク制御装置１００の概略構成を説明するブロック図である。また、図２は、実施の形態１に係るトルク制御装置１００の構成の一例を説明するブロック図である。また、図３は、実施の形態１に係るトルク制御装置１００における制御ゲイン調整部１０７（後述）の処理を説明するフローチャートである。

図１及び図２に示すように、本実施の形態１に係るトルク制御装置１００は、トルクセンサ１０１、エンコーダ１０２、トルク制御器１０３、トルク／電流変換器１０４、電流制御器１０５、アンプ１０６、制御ゲイン調整部１０７等を備える。そして、トルク制御装置１００は、モータ２００のトルク制御を行う。

トルクセンサ１０１は、モータ２００の回転トルクを検出する。また、トルクセンサ１０１によって検出された回転トルクの値（以下、「トルク値」と称する。）は、トルク制御器１０３及び制御ゲイン調整部１０７に入力される。

エンコーダ１０２は、モータ２００の回転角加速度を検出する。また、エンコーダ１０２によって検出された回転角加速度の値は、トルク制御器１０３に入力される。
なお、エンコーダ１０２によって検出された回転角加速度の値は、制御ゲイン調整部１０７にも入力されてもよい。

トルク制御器１０３は、外部から入力されるトルク指令値、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値、及び、エンコーダ１０２から入力される回転角加速度に基づいて、モータ２００が出力すべきトルクの値（以下、「出力トルク値」）を算出する。また、トルク制御器１０３は、当該出力トルク値をトルク／電流変換器１０４（図２）に出力する。

トルク／電流変換器１０４は、トルク制御器１０３から入力された出力トルク値を電流値に変換する。また、トルク／電流変換器１０４は、当該電流値を電流制御器１０５に出力する。

電流制御器１０５は、トルク／電流変換器１０４から入力された電流値の電流をアンプ１０６がモータ２００に供給するための制御信号をアンプ１０６に出力する。

アンプ１０６は、電流制御器１０５から入力される制御信号に応じた電流をモータ２００に供給することによって、モータ２００のトルクを制御する。

制御ゲイン調整部１０７は、トルク制御器１０３の制御ゲインを調整する。
具体的には、制御ゲイン調整部１０７は、トルクセンサ１０１によって検出されたトルク値、又は、前記エンコーダ１０２によって検出された回転角加速度が第１の閾値を超えた場合に、制御ゲインの値を上げる。また、制御ゲイン調整部１０７は、トルクセンサ１０１によって検出されたトルク値、又は、エンコーダ１０２によって検出された回転角加速度が第２の閾値より小さくなった場合に、制御ゲインの値を下げる。
図１では、制御ゲイン調整部１０７にトルクセンサ１０１からトルク値が入力され、制御ゲイン調整部１０７が、当該トルク値に基づいて、トルク制御器１０３の制御ゲインの値を制御する例が記載されている。しかし、制御ゲイン調整部１０７にエンコーダ１０２から回転角加速度が入力され、制御ゲイン調整部１０７が、当該回転角加速度に基づいて、トルク制御器１０３の制御ゲインの値を制御してもよい。
本実施の形態１において、トルク制御器１０３の制御ゲインとは、具体的には、トルク制御比例ゲインＫ_ｔｐ、及び、オブザーバ時定数Ｌである。以下、トルク制御比例ゲインＫ_ｔｐ及びオブザーバ時定数Ｌについて、図２を参照しながら、説明する。

図２に示すように、トルク制御器１０３は、摩擦トルクオブザーバ１０８を備える。そして、トルク制御器１０３は、図２に示すように、外部から入力されるトルク指令値及びトルクセンサ１０１から入力されるトルク値と、トルク制御比例ゲインＫ_ｔｐとに基づいて、モータ２００のトルクの制御を行う。また、トルク制御器１０３は、摩擦トルクのモデル値と、摩擦トルクオブザーバ１０８が推定する摩擦トルク推定値とに基づいて、モータ２００のトルクを補償する。ここで、摩擦トルクのモデル値とは、図示しない減速機、ベアリング、オイルシール等、構造的に不可避に内在する摩擦トルクをモデル化した値である。

具体的には、摩擦トルクオブザーバ１０８は、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値と、エンコーダ１０２から入力される回転角加速度とに基づいて、モータ２００の摩擦トルクを推定し、推定した摩擦トルクの値（摩擦トルク推定値）を出力する。また、摩擦トルクオブザーバ１０８は、オブザーバ時定数Ｌに応じた応答の速さで、モータ２００の摩擦トルク推定値を推定する。

制御ゲイン調整部１０７は、トルク制御器１０３のトルク制御比例ゲインＫ_ｔｐ及びオブザーバ時定数Ｌを調整する。図３を参照しながら、制御ゲイン調整部１０７による、トルク制御器１０３のトルク制御比例ゲインＫ_ｔｐ及びオブザーバ時定数Ｌの調整方法について、説明する。

図３に示すように、まず、制御ゲイン調整部１０７は、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値が第１の閾値より大きいか否かを判断する（ステップＳ１０１）。これにより、例えば、モータ２００が搭載されたロボット等が障害物等に衝突して、モータ２００に外乱が発生したか否かを判断することができる。ここで、第１の閾値は、衝突等の外乱の発生を判断するための値として、実験等から求められ、予め設定される値である。

ステップＳ１０１において、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値が第１の閾値以下である場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、本処理は、ステップＳ１０５に進む。
ステップＳ１０１において、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値が第１の閾値より大きい場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、制御ゲイン調整部１０７は、トルク制御比例ゲインＫ_ｔｐ及びオブザーバ時定数Ｌを第１の設定値に調整する（ステップＳ１０２）。ここで、第１の設定値は、モータ２００が、衝突等によって生じる衝撃力を緩和するためのトルクを速く発生することができる値に設定される。具体的には、第１の設定値は、トルク制御比例ゲインＫ_ｔｐ及びオブザーバ時定数Ｌの通常時の値（以下、「第２の設定値」と称する。）よりも大きな値に設定される。また、当該第１の設定値は、衝突などの外乱の発生時に短時間にのみ用いられる値であるため、通常時ではモータ２００が発振状態となってしまう程度の高い値であってもよい。

次に、トルク制御器１０３は、トルク制御比例ゲインＫ_ｔｐ及びオブザーバ時定数Ｌが第１の設定値に調整された状態で、外部から入力されるトルク指令値、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値、及び、エンコーダ１０２から入力される回転角加速度に基づいて、モータ２００の出力トルク値を算出する（ステップＳ１０３）。

次に、制御ゲイン調整部１０７は、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値が第２の閾値より小さいか否かを判断する（ステップＳ１０４）。これにより、例えば、モータ２００に発生した外乱が終了したか否かを判断することができる。ここで、第２の閾値は、衝突等の外乱の終了を判断するための値として、第１の閾値より小さい値に予め設定される。例えば、第２の閾値はゼロに設定され、これにより、制御ゲイン調整部１０７は、モータ２００が搭載されるロボット等が衝突対象（障害物等）から離れたか否かを判断することができる。

ステップＳ１０４において、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値が第２の閾値以上である場合（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、本処理は、ステップＳ１０３に戻る。
ステップＳ１０４において、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値が第２の閾値より小さい場合（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、制御ゲイン調整部１０７は、トルク制御比例ゲインＫ_ｔｐ及びオブザーバ時定数Ｌを第２の設定値に調整する（ステップＳ１０５）。ここで、第２の設定値は、通常時におけるモータ２００を制御するための制御ゲインの値であり、モータ２００が搭載されるロボット等の非接触動作時や接触動作時に、モータ２００が不安定にならない値に設定される。

以上に説明した、実施の形態１に係るトルク制御装置１００においては、衝突等によって外乱が発生し、モータ２００のトルク値、又は、モータ２００の回転角加速度が第１の閾値を超えた場合に、トルク制御器１０３の制御ゲインの値が上げられるため、衝突等によって生じる衝撃力を緩和するために行うトルク制御を瞬時に行うことができる。
具体的には、トルクセンサ１０１から入力されるトルク値が第１の閾値より大きい場合、制御ゲイン調整部１０７は、トルク制御比例ゲインＫ_ｔｐ及びオブザーバ時定数Ｌを、通常時の第２の設定値より大きい第１の設定値に調整する。トルク制御比例ゲインＫ_ｔｐが通常時より大きな値に調整されることにより、トルクの変化幅が大きくなり、外乱による衝撃力に対して発生させる逆方向のモータ２００のトルクの変化幅を大きくすることができる。また、オブザーバ時定数Ｌが通常時より大きな値に調整されることにより、外乱発生時における摩擦トルクを高速で推定することができ、これにより、モータ２００に、外乱による衝撃力に対して逆方向のトルクを瞬時に発生させることができる。

一方、衝突等による外乱が終了し、モータ２００のトルク値、又は、モータ２００の回転角加速度が第２の閾値より小さくなった場合に、トルク制御器１０３の制御ゲインの値が下げられるため、通常時におけるトルク制御が不安定となってしまうことを防ぐことができる。

これにより、衝突等による外乱発生時におけるトルク制御と、通常時におけるトルク制御とを安定して行うことができるモータ２００のトルク制御装置１００を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の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、上記ステップＳ１０１における判断において、トルク値の大きさに加えて、トルク値の立ち上がりの速さを判断してもよい。すなわち、上記ステップＳ１０１において、トルク値の立ち上がりの速さが所定の速さよりも速いか否かを合わせて判断することにより、衝突等の外乱の発生の有無を判断してもよい。
また、上記ステップＳ１０１における判断において、回転角加速度の急激な変化を用いてもよい。すなわち、上記ステップＳ１０１において、回転角加速度の変化量が所定の変化量よりも大きいか否かに基づいて、衝突等の外乱の発生の有無を判断してもよい。
また、上記ステップＳ１０４における判断において、トルク値の大きさではなく、回転角加速度から算出される、衝突位置からの回避距離に基づいて、外乱の終了を判断してもよい。
また、上記Ｓ１０４における判断において、衝突した瞬間からの経過時間に基づいて、外乱の終了を判断してもよい。

１００トルク制御装置
１０１トルクセンサ
１０２エンコーダ
１０３トルク制御器
１０４トルク／電流変換器
１０５電流制御器
１０６アンプ
１０７制御ゲイン調整部
１０８摩擦トルクオブザーバ
２００モータ

Claims

モータの回転トルクを検出するトルクセンサと、
前記モータの回転角加速度を検出するエンコーダと、
前記トルクセンサによって検出された前記回転トルク、及び、前記エンコーダによって検出された前記回転角加速度に基づいて、前記モータが出力すべきトルクの値を算出するトルク制御器と、
前記トルク制御器の制御ゲインを調整する制御ゲイン調整部と、
を備え、
前記トルク制御器は、
外乱の発生により、前記トルクセンサによって検出された前記回転トルク、又は、前記エンコーダによって検出された前記回転角加速度が、前記外乱の発生を判断するための第１の閾値を超えた場合に、前記外乱を緩和するトルクの値を算出し、
前記制御ゲイン調整部は、
前記外乱の発生により、前記トルクセンサによって検出された前記回転トルク、又は、前記エンコーダによって検出された前記回転角加速度が前記第１の閾値を超えた場合に、前記制御ゲインの値を通常時の値よりも大きな値に上げ、
前記外乱が終了したことにより、前記トルクセンサによって検出された前記回転トルク、又は、前記エンコーダによって検出された前記回転角加速度が、前記第１の閾値より小さい前記外乱の終了を判断するための第２の閾値より小さくなった場合に、前記制御ゲインの値を前記通常時の値に下げる、モータのトルク制御装置。