(57)【要約】【課題】センサ数を増やさずに、各種センサの異常を検知。【解決手段】モータと、モータを流れる電流を検出する電流センサと、モータのモータ軸の回転角を検出する第１回転角センサと、モータで駆動する負荷に固定された出力軸の回転角を検出する第２回転角センサと、出力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサと、少なくとも電流センサで検出した電流に基づいてモータを制御するモータ制御部とを備えるモータ制御システム。モータ制御部は、第１回転角センサで検出した第１回転角と第２回転角センサで検出した第２回転角とに基づいて出力軸に作用するトルクの第１推定値を算出し、電流センサで検出した電流に基づいて出力軸に作用するトルクの第２推定値を算出し、トルクセンサで検出したトルク値と第１及び第２推定値とを比較することにより、電流センサ、トルクセンサ、第１及び第２回転角センサのそれぞれについて異常を検知する。【選択図】図１
2018093609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
前記モータを流れる電流を検出する電流センサと、
前記モータのモータ軸の回転角を検出する第１回転角センサと、
前記モータによって駆動される負荷に固定された出力軸の回転角を検出する第２回転角センサと、
前記出力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサと、
少なくとも前記電流センサによって検出された電流に基づいて、前記モータを制御するモータ制御部と、を備え、
前記モータ制御部は、
第１回転角センサによって検出された第１回転角と、第２回転角センサによって検出された第２回転角とに基づいて、前記出力軸に作用するトルクの第１推定値を算出し、
前記電流センサによって検出された電流に基づいて、前記出力軸に作用するトルクの第２推定値を算出し、
前記トルクセンサによって検出されたトルク値と、前記第１推定値と、前記第２推定値とを比較することにより、前記電流センサ、前記トルクセンサ、前記第１回転角センサ、及び前記第２回転角センサのそれぞれについて、異常を検知する、
モータ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばロボットアームを構成するリンクを高精度に駆動するため、ロボットアームの関節部にフルクローズド制御方式のサーボモータが採用されている。
特許文献１には、モータの速度信号に基づいて速度制御を行うと共に、モータによって駆動される負荷の位置信号に基づいて位置制御を行うフルクローズド制御方式を用いたモータ制御システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８０９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者らは、モータ制御システムに関して以下の問題を見出した。
特許文献１に開示されたようなフルクローズド制御方式のモータ制御システムは、通常、モータを流れる電流を検出する電流センサ、モータのモータ軸の回転角を検出するモータ軸回転角センサ、出力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサに加え、モータによって駆動される負荷に固定された出力軸の回転角を検出する出力軸回転角センサを備えている。
【０００５】
ここで、これら各種センサのいずれかに異常が発生すると、例えばモータ制御を継続することができなくなる虞があるため、センサの異常を検知する必要がある。そこで、例えば各センサを二重系にして両者の値を比較すれば、二重系すなわち２つのセンサのいずれかに異常が発生していることを検知することができる。さらに、異常が発生したセンサを特定するには、例えば各センサを三重系にして多数決を行えばよい。
【０００６】
しかしながら、二重系や三重系などのように、センサの数を増やすと、モータ制御システムの構成が複雑化・大型化する上、製造コストが上昇してしまう問題があった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、センサの数を増やすことなく、各種センサの異常を検知可能なモータ制御システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るモータ制御システムは、
モータと、
前記モータを流れる電流を検出する電流センサと、
前記モータのモータ軸の回転角を検出する第１回転角センサと、
前記モータによって駆動される負荷に固定された出力軸の回転角を検出する第２回転角センサと、
前記出力軸に作用するトルクを検出するトルクセンサと、
少なくとも前記電流センサによって検出された電流に基づいて、前記モータを制御するモータ制御部と、を備え、
前記モータ制御部は、
第１回転角センサによって検出された第１回転角と、第２回転角センサによって検出された第２回転角とに基づいて、前記出力軸に作用するトルクの第１推定値を算出し、
前記電流センサによって検出された電流に基づいて、前記出力軸に作用するトルクの第２推定値を算出し、
前記トルクセンサによって検出されたトルク値と、前記第１推定値と、前記第２推定値とを比較することにより、前記電流センサ、前記トルクセンサ、前記第１回転角センサ、及び前記第２回転角センサのそれぞれについて、異常を検知するものである。
【０００９】
本発明の一態様に係るモータ制御システムでは、第１回転角センサによって検出された第１回転角と、第２回転角センサによって検出された第２回転角とに基づいて、前記出力軸に作用するトルクの第１推定値を算出し、前記電流センサによって検出された電流に基づいて、前記出力軸に作用するトルクの第２推定値を算出し、前記トルクセンサによって検出されたトルク値と、前記第１推定値と、前記第２推定値とを比較することにより、前記電流センサ、前記トルクセンサ、前記第１回転角センサ、及び前記第２回転角センサのそれぞれについて、異常を検知する。すなわち、センサの数を増やすことなく、各種センサの異常を検知することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、センサの数を増やすことなく、各種センサの異常を検知可能なモータ制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係るモータ制御システムを示すブロック図である。
【図２】モータ制御部ＭＣによる各センサの異常検知方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１３】
（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係るモータ制御システムについて説明する。
図１は、第１の実施形態に係るモータ制御システムを示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係るモータ制御システム１は、モータＭＴ、減速機ＲＤ、モータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２、トルクセンサＴＳ、モータ制御部ＭＣを備えている。減速機ＲＤを介して、モータＭＴによって負荷であるリンクＬＮが駆動される。
本実施形態に係るモータ制御システム１は、例えばロボットアームを構成するリンクＬＮを駆動するため、ロボットアームの関節部に設けられたサーボモータの制御システムである。
【００１４】
モータＭＴは、例えばＡＣ（交流）サーボモータである。モータＭＴは、モータ制御部ＭＣから出力された制御信号ｃｔｒに基づいて駆動する。制御信号ｃｔｒは、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号である。
モータＭＴは、モータＭＴを流れる三相交流電流（以下、モータ電流）Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する電流センサＣＳを内部に備えている。電流センサＣＳによって検出されたモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、モータ制御部ＭＣにフィードバックされる。
【００１５】
減速機ＲＤは、例えば波動歯車装置であって、モータＭＴのモータ軸とリンクＬＮに固定された出力軸との間に設けられている。減速機ＲＤは、モータＭＴのモータ軸の回転速度を１／ｎ（ｎ：減速比）に減じて、リンクＬＮに固定された出力軸に伝達する。
【００１６】
トルクセンサＴＳは、リンクＬＮに固定された出力軸に作用するトルクすなわち出力軸トルクτｌ［Ｎｍ］を検出する。トルクセンサＴＳによって検出された出力軸トルクτｌは、モータ制御部ＭＣに入力される。
図１に示すように、減速機ＲＤの有する剛性とトルクセンサＴＳの有する剛性とに基づいて、モータ軸から出力軸までのねじれ剛性ｋｇが定まる。
【００１７】
モータ軸回転角センサ（第１回転角センサ）ＡＳ１は、モータＭＴのモータ軸の回転角すなわちモータ軸回転角（第１回転角）θｍ［ｒａｄ］を検出するエンコーダである。モータ軸回転角センサＡＳ１によって検出されたモータ軸回転角θｍは、モータ制御部ＭＣに入力される。
【００１８】
出力軸回転角センサ（第２回転角センサ）ＡＳ２は、モータＭＴによって駆動されるリンクＬＮに固定された出力軸の回転角すなわち出力軸回転角（第２回転角）θｌ［ｒａｄ］を検出するエンコーダである。出力軸回転角センサＡＳ２によって検出された出力軸回転角θｌは、モータ制御部ＭＣに入力される。
【００１９】
モータ制御部ＭＣは、電流センサＣＳによって検出されたモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、トルクセンサＴＳによって検出された出力軸トルクτｌ、モータ軸回転角センサＡＳ１によって検出されたモータ軸回転角θｍ、及び出力軸回転角センサＡＳ２によって検出された出力軸回転角θｌの４つの信号に基づいて、モータＭＴを制御する。
【００２０】
図１に示していないが、モータ制御部ＭＣは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部と、各種制御プログラムやデータなどが格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶部と、を備えている。
【００２１】
また、モータ制御部ＭＣは、各センサが検出した信号に基づいて、各センサの異常を検知することができる。
具体的には、モータ制御部ＭＣは、電流センサＣＳの異常を検知した場合、モータ制御の継続が困難であると判断し、モータＭＴを停止させる。
また、モータ制御部ＭＣは、トルクセンサＴＳ、モータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２の３つセンサのいずれか１つに異常を検知した場合、モータ制御の継続が可能であると判断し、モータ制御を継続する。
一方、モータ制御部ＭＣは、トルクセンサＴＳ、モータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２の３つセンサのいずれか２つに異常を検知した場合、モータ制御の継続が困難であると判断し、モータＭＴを停止させる。
【００２２】
以下に、モータ制御部ＭＣによる各センサの異常検知制御の詳細について説明する。
まず、次式（１）を用いて、出力軸トルクτｌの第１推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ１を算出する。このように、減速機ＲＤの前後に連結されたモータ軸の回転角θｍ［ｒａｄ］と出力軸の回転角θｌ［ｒａｄ］との差分と、モータ軸から出力軸までのねじれ剛性ｋｇ［Ｎｍ／ｒａｄ］を用い、出力軸トルクτｌの第１推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ１［Ｎｍ］を算出することができる。ここで、上述の通り、ｎは減速機ＲＤの減速比である。
【数１】
2018093609.tif 000003
【００２３】
次に、次式（２）を用いて、出力軸トルクτｌの第２推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ２を算出する。このように、モータ軸トルクτｍ［Ｎｍ］に減速比ｎ及び減速器効率φを乗じることにより、出力軸トルクτｌの第２推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ２［Ｎｍ］を算出することができる。モータ軸トルクτｍ［Ｎｍ］は、モータＭＴのトルク定数ｋｔ［Ｎｍ／Ａｒｍｓ］とｑ軸電流値Ｉｑ（θｍ）［Ａｒｍｓ］との積である。ｑ軸電流値Ｉｑ（θｍ）は、モータ軸の回転角θｍ［ｒａｄ］とモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの値とから定まる。ここで、必須ではないが、式（２）に示すように、この値から減速機ＲＤの摩擦トルクτｆの推定値τ＾ｆ［Ｎｍ］を減じると、さらに推定精度が向上する。摩擦トルクτｆの推定値τ＾ｆは、モータモデル（慣性モーメント項、粘性項）、モータ軸の回転角、出力軸のトルクから推定される。
【数２】
2018093609.tif 000004
【００２４】
次に、式（１）を用いて算出された出力軸トルクτｌの第１推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ１及び式（２）を用いて算出された出力軸トルクτｌの第２推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ２をトルクセンサＴＳによって検出された出力軸トルクτｌと比較することにより、各センサの異常を検知する。
【００２５】
まず、次式（３）に示すように、出力軸トルクτｌと式（１）により算出した第１推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ１との差の絶対値が所定の閾値Δτ１以内であるか否か判定する。
【数３】
2018093609.tif 000005
【００２６】
式（３）が成立すなわち真であれば、出力軸トルクτｌを検出するトルクセンサＴＳ、式（１）に示したモータ軸回転角θｍ、出力軸回転角θｌをそれぞれ検出するモータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２が正常であると判定する。一方、式（３）が不成立すなわち偽であれば、トルクセンサＴＳ、モータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２の少なくともいずれか１つが異常であると判定する。
【００２７】
次に、次式（４）に示すように、出力軸トルクτｌと式（２）により算出した第２推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ２との差の絶対値が所定の閾値Δτ２以内であるか否か判定する。
【数４】
2018093609.tif 000006
【００２８】
式（４）が真であれば、出力軸トルクτｌを検出するトルクセンサＴＳ、式（２）に示したｑ軸電流値Ｉｑ（θｍ）を算出するためのモータ軸回転角θｍ及びモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをそれぞれ検出するモータ軸回転角センサＡＳ１、電流センサＣＳが正常であると判定する。一方、式（４）が偽であれば、トルクセンサＴＳ、モータ軸回転角センサＡＳ１、電流センサＣＳのいずれかが異常であると判定する。
【００２９】
そのため、式（３）が真かつ式（４）が偽であれば、電流センサＣＳが異常であると判定できる。この場合、モータ制御の継続が困難であると判断し、モータＭＴを停止する。また、式（３）が偽かつ式（４）が真であれば、出力軸回転角センサＡＳ２が異常であると判定できる。この場合、出力軸回転角センサＡＳ２を使用せずに、そのままモータ制御を継続する。さらに、式（３）及び式（４）が共に偽であれば、トルクセンサＴＳ又はモータ軸回転角センサＡＳ１が異常であると判定できる。
【００３０】
次に、次式（５）に示すように、式（１）により算出した第１推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ１と式（２）により算出した第２推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ２との差の絶対値が所定の閾値Δτ３以内であるか否か判定する。
【数５】
2018093609.tif 000007
【００３１】
式（５）が真であれば、式（１）に示したモータ軸回転角θｍ、出力軸回転角θｌをそれぞれ検出するモータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２が正常であると判定する。同時に、式（２）に示したｑ軸電流値Ｉｑ（θｍ）を算出するためのモータ軸回転角θｍ及びモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをそれぞれ検出するモータ軸回転角センサＡＳ１、電流センサＣＳが正常であると判定する。すなわち、モータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２、電流センサＣＳが正常であると判定する。一方、式（５）が偽であれば、モータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２、電流センサＣＳのいずれかが異常であると判定する。
【００３２】
そのため、式（３）及び式（４）が偽かつ式（５）が真であれば、トルクセンサＴＳが異常であると判定できる。この場合、トルクセンサＴＳを使用せずに、式（１）に示した出力軸トルクτｌの第１推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ１を用いて、モータ制御を継続する。一方、式（３）〜式（５）がいずれも偽であれば、モータ軸回転角センサＡＳ１が異常であると判定できる。
【００３３】
モータ軸回転角センサＡＳ１の異常が検知された場合、次式（６）に示すように、式（１）を式変形することにより、トルクセンサＴＳによって検出された出力軸トルクτｌ［Ｎｍ］と出力軸回転角センサＡＳ２によって検出された出力軸回転角θｌ［ｒａｄ］を用いて、モータ軸回転角θｍの推定値θ＾ｍ［ｒａｄ］を算出する。モータ軸回転角センサＡＳ１の異常が検知された場合でも、このモータ軸回転角θｍの推定値θ＾ｍを用いて、モータ制御を継続することができる。
【数６】
2018093609.tif 000008
【００３４】
以上の通り、第１の実施形態に係るモータ制御システムでは、トルクセンサＴＳによって検出された出力軸トルクτｌと、第１推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ１と、第２推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ２とを比較することにより、電流センサＣＳ、トルクセンサＴＳ、モータ軸回転角センサＡＳ１、及び出力軸回転角センサＡＳ２のそれぞれについて、異常を検知する。すなわち、センサの数を増やすことなく、各種センサの異常を検知することができる。
【００３５】
次に、図２のフローチャートを参照して、上述のモータ制御部ＭＣによる各センサの異常検知制御を説明する。図２は、モータ制御部ＭＣによる各センサの異常検知制御を示すフローチャートである。
まず、図２に示すように、モータ制御部ＭＣは、モータ軸回転角センサＡＳ１によって検出されたモータ軸回転角θｍ、出力軸回転角センサＡＳ２によって検出された出力軸回転角θｌ、トルクセンサＴＳによって検出された出力軸トルクτｌ、及び電流センサＣＳによって検出されたモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを取得する（ステップＳＴ１）。
次に、式（１）、式（２）を用いて、出力軸トルクτｌの第１推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ１及び第２推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ２を算出する（ステップＳＴ２）。
【００３６】
次に、式（３）が真か否かを判定する（ステップＳＴ３）。式（３）が真の場合（ステップＳＴ３ＹＥＳ）、トルクセンサＴＳ、モータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２が正常である。続いて式（４）が真か否かを判定する（ステップＳＴ４）。式（４）が真の場合（ステップＳＴ４ＹＥＳ）、電流センサＣＳも正常であるため、全てのセンサが正常であり、異常が検知されずに異常検知制御を終了する。一方、式（４）が偽の場合（ステップＳＴ４ＮＯ）、電流センサＣＳが異常であるため、モータ制御の継続が困難であると判断し、モータＭＴを停止する（ステップＳＴ５）。
【００３７】
式（３）が偽の場合（ステップＳＴ３ＮＯ）、トルクセンサＴＳ、モータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２のいずれかが異常である。続いて式（４）が真か否かを判定する（ステップＳＴ６）。式（４）が真の場合（ステップＳＴ６ＹＥＳ）、トルクセンサＴＳ、モータ軸回転角センサＡＳ１、電流センサＣＳが正常である。すなわち、式（３）が偽かつ式（４）が真であるため、出力軸回転角センサＡＳ２が異常であると判定する。この場合、出力軸回転角センサＡＳ２を使用せずに、そのままモータ制御を継続する。
【００３８】
一方、式（４）が偽の場合（ステップＳＴ６ＮＯ）、すなわち式（３）及び式（４）が共に偽の場合、トルクセンサＴＳ又はモータ軸回転角センサＡＳ１が異常である。続いて式（５）が真か否かを判定する（ステップＳＴ７）。式（５）が真の場合（ステップＳＴ７ＹＥＳ）、モータ軸回転角センサＡＳ１、出力軸回転角センサＡＳ２、電流センサＣＳが正常である。従って、上記トルクセンサＴＳ又はモータ軸回転角センサＡＳ１のうち、トルクセンサＴＳが異常であると判定する。この場合、異常と判定されたトルクセンサＴＳを使用せずに、式（１）に示した出力軸トルクτｌの第１推定値τ＾ｌ＿ｅｓｔ１を用いて、モータ制御を継続する（ステップＳＴ８）。
【００３９】
一方、式（５）が偽の場合（ステップＳＴ７ＮＯ）、上記トルクセンサＴＳ又はモータ軸回転角センサＡＳ１のうち、モータ軸回転角センサＡＳ１が異常であると判定する。この場合、異常と判定されたモータ軸回転角センサＡＳ１を使用せずに、式（６）に示したモータ軸回転角θｍの推定値θ＾ｍを用いて、モータ制御を継続する（ステップＳＴ９）。
【００４０】
なお、本発明は上記実施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。
【符号の説明】
【００４１】
１  モータ制御システム
ＡＳ１  モータ軸回転角センサ
ＡＳ２  出力軸回転角センサ
ＣＳ  電流センサ
ＬＮ  リンク
ＭＣ  モータ制御部
ＭＴ  モータ
ＲＤ  減速機
ＴＳ  トルクセンサ
【図１】
2018093609.tif 000009
【図２】
2018093609.tif 000010