JP7076141B2 - モーションコントロール装置及びモーションコントロール方法 - Google Patents
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Description
例えば、モーションコントロールの一形態として、遠隔地に設置されたマスタ側モータとスレーブ側モータとの間で、力触覚を伝達するバイラテラル制御が利用されている。このようなバイラテラル制御では、マスタ側モータとスレーブ側モータとの間において、直動系のシステムであれば、位置の差をゼロにすると共に、力の和をゼロとすることにより、力触覚の伝達を実現している。また、回転系のシステムであれば、角度の差をゼロにすると共に、トルクの和をゼロとすることにより、力触覚の伝達が実現される。
なお、モーションコントロール(バイラテラル制御)に関する技術は、例えば特許文献1に記載されている。
ここで、特にスレーブ側にセンサを設置した場合、センサの検出値におけるノイズがモーションコントロールの精度に影響したり、スレーブ側の環境によっては、センサの寿命が極端に短くなる、あるいは、センサが設置できないといった事態が生じたりする。さらに、センサを設置することによって装置のサイズが大きくなったり、コストが増大したりするということもあり得る。
このように、従来の技術においては、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することが困難であった。
第1のモータと第2のモータとが接続された回路を有するモーションコントロール装置であって、
前記回路における前記第1のモータ及び前記第2のモータの逆起電力以外の電圧降下を補償するための起電力を発生する補償電圧源を、前記第1のモータ及び前記第2のモータと直列に備えることを特徴とする。
初めに、本発明に係るモーションコントロール装置及びモーションコントロール方法に適用される基本的原理について説明する。
本発明においては、入力側(ここではマスタ側とする)のモータと、出力側(ここではスレーブ側とする)のモータとを電気的に接続することにより、これらの間で力触覚伝達を実現する。
図1は、入力側のモータ101と出力側のモータ106とを直列に接続したモーションコントロール装置100の回路図を示す模式図である。
なお、入力側のモータ101と出力側のモータ106とは、同一の特性を有するものとする。
I=-Im=Is (1)
モータにおいて発生するトルクは電流の大きさに比例し、電流の向きとトルクの向きとは対応することから、式(1)によれば、入力側のモータ101と出力側のモータ106とが発生するトルクの和はゼロとなっている。
なお、式(2)の右辺の第2項における(d/dt)は、微分演算子を表しており、(d/dt・2・L・I)は、例えば、回路に直列に接続されたインダクタの両端電圧を測定することで取得することができる。また、このインダクタのインダクタンスは、モーションコントロールを行う場合には、一手法として、入力側のモータ101の内部インダクタ103及び出力側のモータ106における内部インダクタ104のインダクタンスに合算することができる。
即ち、入力側のモータ101における速度(あるいは位置・角度)と出力側のモータ106における速度(あるいは位置・角度)とは一致しないこととなり、これらに速度(あるいは位置・角度)の差が生じる。
そのため、単純に入力側のモータ101と出力側のモータ106とを直列に接続するのみでは、トルクの観点では有効であるものの、速度の観点では精度が低下することがわかる。
図2に示すように、モーションコントロール装置1の回路図では、入力側のモータ101と、入力側のモータ101の内部抵抗102と、入力側のモータ101の内部インダクタ103と、補償電圧源V1と、出力側のモータ106の内部インダクタ104と、出力側のモータ106の内部抵抗105と、出力側のモータ106とが直列に接続され、ループを構成している。
補償電圧源V1は、式(2)における右辺の第1項及び第2項による電圧降下を可変的に補償するものであり、電流Iに応じて、式(3)に示すように、この電圧降下を相殺する方向の補償電圧Vcompを発生させる。
Vcomp=2・R・I+d/dt・2・L・I (3)
このとき、図1の回路図と同様に、式(1)が成り立つ。
また、図2の回路図では、図1の回路図における式(2)に代えて、式(4)が成り立つ。
式(4)において、Vcompに(3)式を代入すると、式(5)が成り立つ。
Ke・ωm=Ke・ωs (5)
即ち、図2に示す回路図では、入力側のモータ101における速度(あるいは位置・角度)と出力側のモータ106における速度(あるいは位置・角度)とが一致し、これらに速度(あるいは位置・角度)の差は生じないこととなる。
即ち、モーションコントロール装置1においては、入力側のモータ101及び出力側のモータ106における運動(位置、速度、加速度、力等)を検出するセンサが不要となっている。
したがって、図2に示す回路図を有するモーションコントロール装置1によれば、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することができる。
さらに、既存のモーションコントロール装置では、高精度な制御を行うためには、高速な演算処理を可能とする高性能なプロセッサを用いる必要があるが、本発明におけるモーションコントロール装置1では、高速な演算処理が不要であるため、高性能なプロセッサを必ずしも用いる必要がない。
また、モーションコントロール装置1における入力側のモータ101の内部抵抗102、入力側のモータ101の内部インダクタ103、出力側のモータ106の内部インダクタ104、及び、出力側のモータ106の内部抵抗105は、入力側のモータ101及び出力側のモータ106の理想的なモデル以外の電圧降下を生じる要素を代表的に表したものであり、配線抵抗等の他の要素が無視できない場合等には、これら他の要素も電圧降下を生じる要素として、補償電圧源V1による補償の対象に含めることができる。
図3A~図3Cは、本発明の効果を示す模式図であり、図3Aは、図2に示すモーションコントロール装置1による制御結果の角度を示し、図3Bは、図2に示すモーションコントロール装置1による制御結果の角速度を示し、図3Cは、図2に示すモーションコントロール装置1による制御結果のトルクを示している。
なお、図3A~図3Cにおける実線は入力側のモータ101の特性、破線は出力側のモータ106の特性を示している。
具体的には、図4Aは、図1に示すモーションコントロール装置100による制御結果の角度を示し、図4Bは、図1に示すモーションコントロール装置100による制御結果の角速度を示し、図4Cは、図1に示すモーションコントロール装置100による制御結果のトルクを示している。
次に、本発明を適用したモーションコントロール装置1の具体的構成について説明する。
図5は、本発明を適用したモーションコントロール装置1の具体的構成の一例を示す回路図である。
なお、本発明による補償電圧を印加できる構成であれば、図5の回路図以外の各種回路構成とすることができる。
なお、図5において、入力側のモータ101の内部抵抗102と、入力側のモータ101の内部インダクタ103と、出力側のモータ106の内部インダクタ104と、出力側のモータ106の内部抵抗105とは、図示を省略している。
即ち、図5のモーションコントロール装置1によれば、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することができる。
例えば、本発明は、各種モーションコントロールに適用することができる。
具体的には、入力側のモータ101がエンジン等によって駆動されるジェネレータ、出力側のモータ106が推進力を発生するための推進用モータを構成するように、本発明を適用することができる。
この場合、船舶の推進システムや、ハイブリッドカー等の車両における駆動システムとして、本発明を構成することができる。
モーションコントロール装置1は、入力側のモータ101と出力側のモータ106とが接続された回路を有している。
補償電圧源V1は、回路における入力側のモータ101及び出力側のモータ106の逆起電力以外の電圧降下を補償するための起電力を発生し、入力側のモータ101及び出力側のモータ106と直列に設置されている。
このような構成により、補償電圧源V1が発生する起電力によって、入力側のモータ101及び出力側のモータ106の逆起電力以外の電圧降下を生じる要素(内部抵抗、内部インダクタンス、配線抵抗等)の影響が抑制され、高精度なモーションコントロールを実現することができる。
したがって、本発明によれば、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することができる。
これにより、回路に流れる電流を直接計測あるいは他の情報から換算する等して、この電流に応じた起電力を補償電圧源V1が発生する構成とすることができる。
そのため、モーションコントロール装置の動作状態に応じて、電圧降下を補償するための適切な起電力を発生することができる。
このような構成により、入力側のモータ101及び出力側のモータ106が有するモーションコントロールの精度を低下させる主な要因の影響を抑制して、より高精度な制御を行うことができる。
このような構成により、簡単な回路構成によって、適切なモーションコントロールを、必ずしも出力側の運動を検出するセンサを用いずに実現することができる。
Claims (4)
- 力触覚の伝達を行う第1のモータと第2のモータとが接続された回路を有するモーションコントロール装置であって、
前記第1のモータは、前記力触覚の伝達における運動が入力されると共に、前記第2のモータに入力された外乱を出力し、
前記第2のモータは、前記第1のモータに入力された運動を出力すると共に、当該運動に対する外乱が入力され、
前記第1のモータは、入力された前記運動によって起電力を発生し、前記第2のモータは、入力された前記外乱によって起電力を発生し、
前記第1のモータの起電力または前記第2のモータの起電力によって前記回路に発生した電流を検出し、
検出された前記電流に応じた起電力を可変的に発生する補償電圧源を、前記第1のモータ及び前記第2のモータと直列に備え、
前記補償電圧源が発生する前記電流に応じた起電力は、検出された前記電流の比例値と前記回路の抵抗値との乗算値及び検出された前記電流の微分値と前記回路のインダクタンスとの乗算値を要素として算出され、
前記補償電圧源が発生する起電力によって、前記回路における前記第1のモータ及び前記第2のモータの逆起電力以外の電圧降下を補償し、
前記補償電圧源は、検出された前記電流がゼロでない場合に前記電流に応じた起電力を印加し、検出された前記電流がゼロである場合には前記電流に応じた起電力を印加しないことを特徴とするモーションコントロール装置。 - 前記補償電圧源は、定電圧源と、前記定電圧源によって供給される電圧を、前記第1のモータ及び前記第2のモータに対して双方向から印加可能なブリッジ回路とを含んで構成されることを特徴とする請求項1に記載のモーションコントロール装置。
- 前記第2のモータを複数備えると共に、当該複数の第2のモータは直列に接続され、
前記複数の第2のモータの出力トルクの合計は、前記第1のモータの出力トルクに相当し、前記第1のモータと前記複数の第2のモータとの間で力触覚が伝達されることを特徴とする請求項1または2に記載のモーションコントロール装置。 - 力触覚の伝達を行う第1のモータと第2のモータとが接続された回路を有するモーションコントロール装置で実行されるモーションコントロール方法であって、
前記第1のモータは、前記力触覚の伝達における運動が入力されると共に、前記第2のモータに入力された外乱を出力し、
前記第2のモータは、前記第1のモータに入力された運動を出力すると共に、当該運動に対する外乱が入力され、
前記第1のモータは、入力された前記運動によって起電力を発生し、前記第2のモータは、入力された前記外乱によって起電力を発生し、
前記第1のモータの起電力または前記第2のモータの起電力によって前記回路に発生した電流を検出し、
検出された前記電流に応じた起電力を可変的に発生させて、前記第1のモータ及び前記第2のモータに対して直列に印加し、
前記電流に応じた起電力は、検出された前記電流の比例値と前記回路の抵抗値との乗算値及び検出された前記電流の微分値と前記回路のインダクタンスとの乗算値を要素として算出され、
前記回路における前記第1のモータ及び前記第2のモータの逆起電力以外の電圧降下を補償し、
前記電流に応じた起電力は、検出された前記電流がゼロでない場合に印加され、検出された前記電流がゼロである場合には印加されないことを特徴とするモーションコントロール方法。
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