JP7428527B2 - モータ制御方法、モータ駆動装置、産業用ロボットの制御方法、及び産業用ロボット - Google Patents
モータ制御方法、モータ駆動装置、産業用ロボットの制御方法、及び産業用ロボット Download PDFInfo
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Description
図3は、実施形態に係る産業用ロボット1に搭載されたモータ駆動装置20の制御構成を、モータ22等とともに示すブロック線図である。なお、産業用ロボット1は、図3に示されるモータ駆動装置20として、アーム2の肩関節2Dを回動させるためのモータ駆動装置20、アーム2の肘関節2F、及び手首関節を回動させるためのモータ駆動装置20、及び昇降部4を昇降させるためのモータ駆動装置20の3つを備える。
ロータリーエンコーダ30から出力される位置検出値の異常がない場合には、モータ駆動装置20が検出位置フィードバック制御によってモータ22を駆動する。具体的には、位置検出値の異常がない場合には、第2セレクター32から位置検出値が出力され、位置フィードバック値として位置速度制御部23、及びベクトル制御電気角生成部33に入力される。位置速度制御部23は、モータ22を位置フィードバック値によって示される位置から位置指令値によって示される位置まで回転させるのに必要なトルク値を算出し、結果をトルク指令値としてベクトル制御DQ軸電流指令生成部24に出力する。また、ベクトル制御電気角生成部33は、位置フィードバック値に基づいて電気角を生成する。この電気角は、第3セレクター34を介してDQ変換部39に入力される。
オープンループ制御電気角生成部(図3の36)から送られてくる強制同期位置指令値は、第1数値微分部37A1と第1ローパスフィルター37A9とに順に入力されて角速度推定値となる。この角速度推定値は、第2数値微分部37A2と第2ローパスフィルター37A4とに順に入力されて角加速度推定値となった後、慣性ゲイン37A5に入力される。慣性ゲイン37A5は、慣性トルク補償値(慣性力)を出力する。これは、次式に基づいて慣性加速に必要なトルクを算出することと等価である。
θ:モータ角度
図10は、実施形態に係るモータ駆動装置20におけるQ軸電流指令値とD軸電流指令値値との関係を示すグラフである。図10におい、Q軸ノルム変化率ゲインは√2であるが、この値は一例である。また、電流値bは、DQ軸ノルム電流下限値であるが、図10の例では、この値をモータ22の定格電流値としている。但し、定格電流値でなくてもよい。電流値aは、DQ軸ノルム電流下限値をQ軸ノルム変化率ゲインで除算した値である。また、電流値dは、DQ軸ノルム電流上限値であるが、図10に示される例ではこの値を、モータ22の瞬時最大電流仕様値としている。但し、瞬時最大電流仕様値でなくてもよい。また、電流値cは、DQ軸ノルム電流上限値をQ軸ノルム変化率ゲインで除算した値である。DQ軸ノルム電流値は、Q軸電流値とD軸電流値との2次元座標におけるQ軸電流値とD軸電流値との交点と、原点とを結ぶ線分の長さに相当する電流値である。
D軸電流指令生成部37Bは、Q軸-ノルム電流変化率ゲイン37B1、絶対値演算部37B2、飽和部37B3、第1の2乗演算部37B4、第2の2乗演算37B5、及び平方根演算部37B6を備える。
<構成1>
構成1は、モータ22を電流引込法によるオープンループ制御によって駆動するモータ制御方法である。構成1は、上位コントローラ100(信号発信手段)から送られてくる位置指令値(回転位置指令信号)に基づいてモータ22に必要なトルク(例えば、図9におけるトルク指令値)を求めるステップを具備する。また、構成1は、必用なトルクに応じたQ軸電流指令値を求めるステップ(例えば、図9におけるトルク定数除算部37A8)と、Q軸電流指令値に応じたQ軸電流、及びロータの磁石の磁極を引き込むためのD軸電流をモータに供給するステップ(例えば図9のD軸電流指令生成部37B)とを具備する。
構成1によれば、モータ22に必要なトルクに応じた値のQ軸電流をモータ22に供給することで、モータ22を脱調や振動させることなく、オープンループ制御によってモータ22の駆動を停止させることができる。
構成2は、構成1におけるトルクを求めるステップが、位置指令値に応答した後のモータ22の角加速度推定値(例えば、図9の角速度推定値)を求めるステップと、角加速度推定値に基づいてトルク(例えば、図9のトルク指令値)を求めるステップとを具備する。
構成2によれば、モータ22を回転させるのに必要なトルクに応じたQ軸電流をモータ22に供給することで、モータ22に不要なQ軸電流を供給することを抑えることができる。
構成3は、構成2におけるトルクを求めるステップが、位置指令値に応答した後のモータ22の角速度推定値(例えば、図9の角速度推定値)を求めるステップと、角速度推定値、及び角加速度推定値に基づいてトルクを求めるステップとを具備する。
構成3によれば、角加速度推定値に加えて、角速度推定値にも基づいてトルクを求めることで、必要なトルクをより正確に求めることができる。
構成4は、構成2又は3におけるトルクを求めるステップが、位置指令値に応答した後のモータ22の位置シミュレーション値(回転位置推定値)を求めるステップ(例えば図5、における電気系・機械系のモデル)と、位置シミュレーション値に基づいて角加速度推定値(例えば、図9のトルク指令値)を求めるステップとを具備する。
構成4によれば、位置シミュレーション値に基づいてモータ22の角加速度推定値を求めることで、センサレスベクトル制御の実行時間不足によるオープンループ制御切り換わり時のモータ22の振動の発生を回避することができる。
構成5は、構成2乃至4の何れかのトルクを求めるステップでは、角加速度推定値に慣性モーメントに相当する係数(例えば、図9の慣性ゲイン37A5)を乗じて求められる駆動機械系の加速及び減速に必要な力のモーメントを、トルク、又はトルクの一部として求める。
構成5によれば、駆動機械系の慣性力に応じたQ軸電流をモータ22に供給することができる。
構成6は、構成5におけるトルクを求めるステップでは、位置指令値に応答した後のモータ22の角速度推定値を求め、角速度推定値に基づいて駆動機械系の粘性抵抗力を補償するための力のモーメントをトルクの一部として求める。
構成6によれば、駆動機械系の加速及び減速に必要な力のモーメントに加えて、駆動機械系の粘性抵抗も必要なトルクとして求める。これにより、加速及び減速に必要な力のモーメントだけを必要なトルクとして求める場合に比べて、モータ22のトルクの過不足の発生を抑えることができる。
構成7は、構成5又は6におけるトルクを求めるステップでは、重力を補償するための力のモーメントをトルクの一部として求める。
構成7によれば、駆動機械系の加速及び減速に必要な力のモーメントに加えて、重力も必要なトルクとして求めることで、加速及び減速に必要な力のモーメントだけを必要なトルクとして求める場合に比べて、モータ22のトルクの過不足の発生を抑えることができる。
構成8は、構成5乃至7の何れかにおけるトルクを求めるステップでは、位置指令値に応答した後のモータ22の角速度推定値を求め、角速度推定値に基づいてクーロン摩擦力を補償するための力のモーメントをトルクの一部として求める。
構成8によれば、駆動機械系の加速及び減速に必要な力のモーメントに加えて、クーロン摩擦力も必要なトルクとして求める。これにより、加速及び減速に必要な力のモーメントだけを必要なトルクとして求める場合に比べて、モータ22のトルクの過不足の発生を抑えることができる。
構成9は、構成5乃至8の何れかにおいて、前記Q軸電流指令値に応じたD軸電流指令値を求めるステップを具備する。また、構成9は、Q軸電流指令値に応じたQ軸電流、及びロータの磁石の磁極を引き込むためのD軸電流をモータに供給するステップにおいて、前記D軸電流指令値に応じたD軸電流をモータに供給する。
構成9によれば、モータの焼損を防止し、従来構成のように一定の値のD軸電流を流す構成に比べて、モータの発熱を抑え、且つ、必要なトルクの算出誤差や外乱に対する復元力を得ることができる。
構成10は、構成9における前記D軸電流指令値を求めるステップでは、Q軸電流指令値の増加につれて前記D軸電流指令値を増加させるアルゴリズムで、D軸電流指令値を求める。
構成10によれば、Q軸電流指令値の増加につれてD軸電流指令値を増加させることで、必要なトルクの算出誤差や外乱に対する復元力得て、モータ22を脱調や振動させることなく、オープンループ制御によってモータ22の駆動を停止させることができる。
構成11は、構成10における前記D軸電流指令値を求めるステップでは、次のようなアルゴリズムでD軸電流指令値を求める。即ち、所定の低トルク領域にて、前DQ軸電流ベクトルのノルムを一定にする態様でD軸電流指令値を求める。また、低トルク領域よりも高い中トルク領域にて、Q軸電流指令値の増加につれてD軸電流指令値を増加させる。
構成11によれば、ロータの磁石の磁極を強力に引き込む必要のない低トルク領域では、DQ軸電流ベクトルのノルムを一定にする態様でD軸電流値を求めることで、電流の大きさを定格電流値又はそれ以下に抑えてモータ22の発熱を抑えることができる。
また、構成11によれば、Q軸電流値が定格電流値を超えることが一般的な中トルク領域では、D軸電流値を低トルク領域におけるD軸電流値よりも高くすることで、必要なトルクの算出誤差や外乱に対する復元力を得て、モータ22を脱調や振動させることなく、オープンループ制御によってモータ22の駆動を停止させることができる。
構成12は、構成11における前記D軸電流指令値を求めるステップでは、中トルク領域よりも高い高トルク領域にて、Q軸電流指令値の増加につれてD軸電流指令値を低下させるアルゴリズムで、D軸電流指令値を求める。
構成12によれば、中トルク領域よりも更に高いトルクが必要になる高トルク領域では、トルクの増加につれてD軸電流値を低下させることで、ロータの磁石の磁極を引き付ける力を弱めて、電流が許容最大値を超えることを抑えることができる。
構成13は、構成5乃至12の何れかにおいて、モータ22の回転位置を検出するロータリーエンコーダ30(回転位置検出器)から発信される位置検出値(回転位置信号)の異常を検出するステップを具備する。また、構成13は、異常が検出されない場合には、位置検出値に基づく検出位置フィードバック制御によってモータ22を駆動する。また、構成13は、異常が検出され、且つ検出時のモータ22の角速度が所定の下限値未満(閾値以下又は閾値未満)でない場合には、センサレスベクトル制御によってモータ22を駆動する。センサレスベクトル制御では、モータ22に流れる電流に基づいて推定される位置推定値(回転位置推定値)をフィードバックする。また、構成13は、異常が検出され、且つ検出時のモータの角速度が下限値未満である場合には、オープンループ制御によってモータ22の駆動を停止させる。
構成13において、モータ22が比較的高い速度で回転しているときに位置検出値に異常が発生した場合には、センサレスベクトル制御により、モータ22内で良好に発生する誘起電圧を推定する。そして、推定された誘起電圧からモータ22の回転位置を推定し、推定結果に基づいてモータ22を駆動して、モータ22の回転動作を適切に制御する。その後、センサレスベクトル制御により、モータ22内で十分な誘起電圧を発生させなくなる程度までモータ22の角速度を低下させると、モータ22の駆動制御を、センサレスベクトル制御からオープンループ制御に切り替える。オープンループ制御では、電流引込法によってモータ22の回転動作を適切に制御する。かかる構成では、モータ22が比較的高い角速度で回転しているときに位置検出値に異常が発生した場合に、センサレスベクトル制御とオープンループ制御とを実施して、モータ22の回転動作を適切に制御しながらモータ22を徐々に減速して停止させる。
また、構成13において、モータ22が比較的低い角速度で回転しているときに位置検出値に異常が発生した場合には、オープンループ制御によってモータ22の駆動を停止させる。
かかる構成13によれば、位置検出値の異常発生時にモータ22を直ちに強制停止させることによる手部2A(被操作体)の不適切な動作の発生を回避することができる。加えて、制御方式をオープンループ制御に切り換えた後において、検出位置フィードバック制御を行う場合と同様の挙動でモータを動作させることが可能なので、切り換え後のモータの脱調や振動の発生を抑えることができる。
構成14は、構成のセンサレスベクトル制御の実行中に、位置指令値(回転位置指令値)に基づいてモータ22の角加速度推定値を求めるステップを実行する。
構成14においては、センサレスベクトル制御からオープンループ制御に切り換えた直後から、切り換え直前に求めておいた角加速度推定値に基づいて、必要なトルクに応じたQ軸電流指令値を求める。これにより、構成14によれば、切り換え時に不適切なQ軸電流を供給することによるモータ22の振動の発生を抑えることができる。
構成15は、モータ22の駆動を制御するモータ駆動装置20であって、構成1乃至14の何れかのモータ制御方法によってモータ22の駆動を制御する。
構成15によれば、構成1乃至15の何れかのモータ制御方法を用いることで、モータ22を脱調や振動させることなく、オープンループ制御によってモータ22の駆動を停止させることができる。
構成16は、複数のモータ22の駆動を個別に制御して産業用ロボット1のアーム2の位置を変化させる産業用ロボット1の制御方法である。また、構成16は、複数のモータ22におけるそれぞれの駆動を、構成1乃至14の何れかのモータ制御方法によって制御する。
構成17は、複数のモータ22の駆動を個別に制御してアーム2の位置を変化させる産業用ロボット1であって、複数のモータ22におけるそれぞれの駆動を、構成15のモータ駆動装置20によって制御する。
構成16、17においては、少なくとも何れか1つのモータ22において位置検出値の異常が発生したときに、そのモータ22を脱調や振動させることなく、オープンループ制御によってそのモータ22の駆動を停止させることができる。
Claims (16)
- モータを電流引込法によるオープンループ制御によって駆動するモータ制御方法において、
信号発信手段から送られてくる回転位置指令信号に基づいてモータに必要なトルクを求めるステップと、前記トルクに応じたQ軸電流指令値を求めるステップと、前記Q軸電流指令値に応じたQ軸電流、及びロータの磁石の磁極を引き込むためのD軸電流をモータに供給するステップとを具備し、
前記トルクを求めるステップは、前記回転位置指令信号に応答した後のモータの角加速度推定値を求めるステップと、前記角加速度推定値に基づいて前記トルクを求めるステップとを具備する
ことを特徴とするモータ制御方法。 - 前記トルクを求めるステップは、前記回転位置指令信号に応答した後のモータの角速度推定値を求めるステップと、前記角速度推定値、及び前記角加速度推定値に基づいて前記トルクを求めるステップとを具備する
ことを特徴とする請求項1に記載のモータ制御方法。 - 前記トルクを求めるステップは、前記回転位置指令信号に応答した後のモータの回転位置推定値を求めるステップと、前記回転位置推定値に基づいて前記角加速度推定値を求めるステップとを具備する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のモータ制御方法。 - 前記トルクを求めるステップでは、前記角加速度推定値に慣性モーメントに相当する係数を乗じて求められる駆動機械系の加速及び減速に必要な力のモーメントを、前記トルク、又は前記トルクの一部として求める
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のモータ制御方法。 - 前記トルクを求めるステップでは、前記回転位置指令信号に応答した後のモータの角速度推定値を求め、前記角速度推定値に基づいて駆動機械系の粘性抵抗力を補償するための力のモーメントを前記トルクの一部として求める
ことを特徴とする請求項4に記載のモータ制御方法。 - 前記トルクを求めるステップでは、重力を補償するための力のモーメントを前記トルクの一部として求める
ことを特徴とする請求項4又は5に記載のモータ制御方法。 - 前記トルクを求めるステップでは、前記回転位置指令信号に応答した後のモータの角速度推定値を求め、前記角速度推定値に基づいてクーロン摩擦力を補償するための力のモーメントを前記トルクの一部として求める
ことを特徴とする請求項4乃至6の何れか1項に記載のモータ制御方法。 - 前記Q軸電流指令値に応じたD軸電流指令値を求めるステップを具備し、前記Q軸電流指令値に応じたQ軸電流、及びロータの磁石の磁極を引き込むためのD軸電流をモータに供給するステップにおいて、前記D軸電流指令値に応じたD軸電流をモータに供給する
ことを特徴とする請求項4乃至7の何れか1項に記載のモータ制御方法。 - 前記D軸電流指令値を求めるステップでは、前記Q軸電流指令値の増加につれて前記D軸電流指令値を増加させるアルゴリズムで、前記D軸電流指令値を求める
ことを特徴とする請求項8に記載のモータ制御方法。 - 前記D軸電流指令値を求めるステップでは、所定の低トルク領域にて、前記D軸電流指令値を前記Q軸電流指令値よりも低い値とし、且つ前記Q軸電流指令値の増加につれて値を低下させ、前記低トルク領域よりも高い中トルク領域にて、前記Q軸電流指令値の増加につれてD軸電流指令値を増加させるアルゴリズムで、前記D軸電流指令値を求める
ことを特徴とする請求項9に記載のモータ制御方法。 - 前記D軸電流指令値を求めるステップでは、前記中トルク領域よりも高い高トルク領域にて、前記Q軸電流指令値の増加につれて前記D軸電流指令値を低下させるアルゴリズムで、前記D軸電流指令値を求める
ことを特徴とする請求項10に記載のモータ制御方法。 - モータの回転位置を検出する回転位置検出器から発信される回転位置信号の異常を検出するステップを具備し、
前記異常が検出されない場合には、前記回転位置信号に基づくフィードバック制御によって前記モータを駆動し、
前記異常が検出され、且つ検出時のモータの角速度が所定の閾値以下又は閾値未満でない場合には、モータに流れる電流に基づいて推定される回転位置推定値をフィードバックするセンサレスベクトル制御によって前記モータを駆動し、
前記異常が検出され、且つ検出時のモータの角速度が前記閾値以下又は閾値未満である場合には、オープンループ制御によってモータの駆動を停止させる
ことを特徴とする請求項4乃至11の何れか1項に記載のモータ制御方法。 - 前記センサレスベクトル制御の実行中に、前記回転位置指令信号に基づいてモータの角加速度推定値を求めるステップを実行する
ことを特徴とする請求項12に記載のモータ制御方法。 - モータの駆動を制御するモータ駆動装置であって、
請求項1乃至13の何れか1項に記載のモータ制御方法によって前記モータの駆動を制御する
ことを特徴とするモータ駆動装置。 - 複数のモータの駆動を個別に制御して産業用ロボットのアームの位置を変化させる産業用ロボットの制御方法であって、
複数のモータにおけるそれぞれの駆動を、請求項1乃至13の何れか1項に記載のモータ制御方法によって制御する
ことを特徴とする産業用ロボットの制御方法。 - 複数のモータの駆動を個別に制御してアームの位置を変化させる産業用ロボットであって、
複数のモータにおけるそれぞれの駆動を、請求項14に記載のモータ駆動装置によって制御する
ことを特徴とする産業用ロボット。
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