(57)【要約】【課題】出力軸回転角センサを用いずに、精度良く位置制御可能なモータ制御システムの提供。【解決手段】モータＭＴと、モータＭＴのモータ軸の回転角θＭを検出する回転角センサとＡＳ、モータ軸とモータＭＴによって駆動される負荷部材ＬＮに固定された出力軸との間の軸ねじれトルクτｍｓｒを検出するトルクセンサＴＳと、モータＭＴを制御するモータ制御部ＭＣと、を備えたモータ制御システム。モータ制御部ＭＣは、回転角センサＡＳによって検出されたモータ軸の回転角θＭと、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクτｍｓｒと、予め取得しておいたモータ軸と出力軸との間のねじれ剛性Ｋと、に基づいて出力軸の回転角θＬを推定し、推定した出力軸の回転角θＬを用いてモータＭＴを制御する。【選択図】図１
2018107878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
前記モータのモータ軸の回転角を検出する回転角センサと、
前記モータ軸と、前記モータによって駆動される負荷部材に固定された出力軸との間の軸ねじれトルクを検出するトルクセンサと、
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、
前記回転角センサによって検出された前記モータ軸の回転角と、前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクと、予め取得しておいた前記モータ軸と前記出力軸との間のねじれ剛性と、に基づいて前記出力軸の回転角を推定し、
推定した前記出力軸の回転角を用いて前記モータを制御する、
モータ制御システム。
【請求項２】
前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクに応じて、前記ねじれ剛性の値を変化させる、
請求項１に記載のモータ制御システム。
【請求項３】
前記回転角センサによって検出された前記モータ軸の回転角と、前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクと、予め取得しておいた前記モータ軸と前記出力軸との間のねじれ剛性と、に基づいて、前記出力軸の回転角速度及び回転角加速度の少なくとも一方を推定し、
推定した前記出力軸の回転角速度及び回転角加速度の少なくとも一方に基づいて、前記出力軸の回転角を推定する、
請求項１又は２に記載の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部材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、モータのモータ軸の回転角θＭを検出するモータ軸回転角センサに加え、モータによって駆動される負荷部材に固定された出力軸の回転角θＬを検出する出力軸回転角センサを備えている。そのため、精度良く位置制御を行うことができる。しかしながら、モータ制御システムの構成が大型化する上、製造コストが上昇してしまう問題があった。
【０００５】
他方、出力軸回転角センサを設けない場合、出力軸の回転角θＬとして、単純にモータ軸の回転角θＭを減速比ｒで減じたθＭ／ｒを用いて制御することが考えられる。しかしながら、軸ねじれによって、実際の出力軸の回転角θＬとずれが生じ、精度良く位置制御を行うことができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、出力軸回転角センサを用いずに、精度良く位置制御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】
【０００７】
本発明の一態様に係るモータ制御システムは、
モータと、
前記モータのモータ軸の回転角を検出する回転角センサと、
前記モータ軸と、前記モータによって駆動される負荷部材に固定された出力軸との間の軸ねじれトルクを検出するトルクセンサと、
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、
前記回転角センサによって検出された前記モータ軸の回転角と、前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクと、予め取得しておいた前記モータ軸と前記出力軸との間のねじれ剛性と、に基づいて前記出力軸の回転角を推定し、
推定した前記出力軸の回転角を用いて前記モータを制御するものである。
【０００８】
本発明の一態様に係るモータ制御システムでは、回転角センサによって検出されたモータ軸の回転角に加え、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクと、予め取得しておいたモータ軸と出力軸との間のねじれ剛性と、に基づいて出力軸の回転角を推定する。そのため、出力軸回転角センサを用いずに、精度良く位置制御を行うことができる。
【０００９】
前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクに応じて、前記ねじれ剛性の値を変化させることが好ましい。このような構成により、さらに精度良く出力軸の回転角を推定し、位置制御を行うことができる。
【００１０】
前記回転角センサによって検出された前記モータ軸の回転角と、前記トルクセンサによって検出された前記軸ねじれトルクと、予め取得しておいた前記モータ軸と前記出力軸との間のねじれ剛性と、に基づいて、前記出力軸の回転角速度及び回転角加速度の少なくとも一方を推定し、推定した前記出力軸の回転角速度及び回転角加速度の少なくとも一方に基づいて、前記出力軸の回転角を推定することが好ましい。このような構成により、ノイズ耐性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、出力軸回転角センサを用いずに、精度良く位置制御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】
【００１２】
【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】軸ねじれトルクに対するねじれ角の変化を示すグラフである。
【図３】図１に示したモータ制御システムにおけるパラメータ（モータ軸回転角θＭ、モータ軸トルクτＭ、出力軸回転角θＬ、出力軸トルクτＬ）の関係を示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（第１の実施形態）
＜モータ制御システムの構成＞
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ＡＳ、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によって負荷部材であるリンク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。
【００１５】
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。
なお、図1には、モータ軸に作用するトルクすなわちモータ軸トルクτＭも示されている。
【００１６】
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／ｒ（ｒ：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。
【００１７】
トルクセンサＴＳは、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の軸ねじれトルクτｍｓｒを検出する。軸ねじれトルクτｍｓｒは、トルクセンサＴＳのひずみゲージによって測定された歪量Ｓと歪計測部の剛性係数Ｋｓｔｒａｉｎとの積Ｓ・Ｋｓｔｒａｉｎである。トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクτｍｓｒは、モータ制御部ＭＣに入力される。
なお、図1には、出力軸に作用するトルクすなわち出力軸トルクτＬも示されている。
【００１８】
モータ軸回転角センサＡＳ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θＭを検出するエンコーダである。モータ軸回転角センサＡＳ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。
【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軸ねじれトルクτｍｓｒ、及びモータ軸回転角センサＡＳによって検出されたモータ軸回転角θＭの３つの信号に基づいて、モータＭＴを制御する。
【００２０】
ここで、モータ制御部ＭＣは、軸ねじれトルクτｍｓｒ及びモータ軸回転角θＭに基づいて、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θＬを推定し、モータＭＴを制御する。モータ制御部ＭＣによる出力軸回転角θＬの推定方法の詳細については後述する。
【００２１】
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。
【００２２】
＜出力軸回転角θＬの推定方法＞
以下に、モータ制御部ＭＣによる出力軸回転角θＬの推定方法について説明する。
モータ軸から出力軸までのねじれ角は、モータ軸回転角θＭ、出力軸回転角θＬ、減速比ｒを用いて、θＭ−ｒ・θＬと表すことができる。次式（１）に示すように、このねじれ角θＭ−ｒ・θＬ、モータ軸から出力軸までのねじれ剛性Ｋ、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクτｍｓｒの間には以下の関係が成立する。
【数１】
2018107878.tif 000003
【００２３】
従って、式（１）を式変形した次式（２）により、出力軸回転角θＬを推定することができる。
【数２】
2018107878.tif 000004
【００２４】
このように、第１の実施形態に係るモータ制御システムでは、モータ軸の回転角θＭ及び減速比ｒに加え、モータ軸から出力軸までのねじれ剛性Ｋ、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクτｍｓｒを用いて、出力軸回転角θＬを推定する。そのため、出力軸の回転角θＬとして、単純にモータ軸の回転角θＭを減速比ｒで減じたθＭ／ｒを用いた場合に比べ、精度良く位置制御を行うことができる。すなわち、第１の実施形態に係るモータ制御システムは、出力軸回転角センサを用いずに、精度良く位置制御を行うことができる。
【００２５】
ここで、図１に示すように、出力軸回転角θＬの推定に利用するねじれ剛性Ｋは、減速機ＲＤの有する剛性やトルクセンサＴＳの有する剛性などに基づいて定まる。予め取得しておいたねじれ剛性Ｋの値は、モータ制御部ＭＣ内の記憶部に格納されている。ねじれ剛性Ｋの値は、一定値としてもよいが、実際には軸ねじれトルクの値に応じて変化する。そのため、より精度良く出力軸回転角θＬを推定するために、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクτｍｓｒの値に応じて、出力軸回転角θＬの推定に利用するねじれ剛性Ｋの値を変化させてもよい。
【００２６】
＜ねじれ剛性Ｋの値の決定方法＞
以下に、図２を参照して、ねじれ剛性Ｋの値の決定方法の一例について説明する。図２は、軸ねじれトルクに対するねじれ角の変化を示すグラフである。図２において実曲線で示すように、軸ねじれトルクが大きくなるにつれて、軸ねじれトルクの増加量に対するねじれ角の増加量が徐々に小さくなるように変化する。各ねじれトルクの値におけるねじれ剛性Ｋの値は、実曲線の接線の傾きの逆数であって徐々に変化する。そのため、この実曲線を再現しようとすると、ねじれ剛性Ｋの値のデータ量が膨大になってしまう。
【００２７】
そこで、図２において近似折れ線で示すように、軸ねじれトルクに対するねじれ角の変化を折れ線によって近似する。例えば、図２に示すように、軸ねじれトルクの値が０〜Ｔ１の区間では、ねじれ剛性Ｋ＝Ｋ１、軸ねじれトルクの値がＴ１〜Ｔ２の区間では、ねじれ剛性Ｋ＝Ｋ２、軸ねじれトルクの値がＴ２〜Ｔ３の区間では、ねじれ剛性Ｋ＝Ｋ３などとする。
【００２８】
この場合、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクτｍｓｒの値がＴ０〜Ｔ１の間の場合、ねじれ剛性Ｋ＝Ｋ１を用いて、ねじれ角θＭ−ｒ・θＬを次式（３）によって表すことができる。
【数３】
2018107878.tif 000005
【００２９】
従って、式（３）を式変形した次式（４）により、出力軸回転角θＬを推定することができる。
【数４】
2018107878.tif 000006
【００３０】
また、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクτｍｓｒの値がＴ１〜Ｔ２の間の場合、ねじれ剛性Ｋ＝Ｋ２と、軸ねじれトルクＴ１におけるねじれ角θ１を用いて、ねじれ角θＭ−ｒ・θＬを次式（５）によって表すことができる。
【数５】
2018107878.tif 000007
【００３１】
従って、式（５）を式変形した次式（６）により、出力軸回転角θＬを推定することができる。
【数６】
2018107878.tif 000008
【００３２】
同様に、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクτｍｓｒの値がＴ２〜Ｔ３の間の場合、ねじれ剛性Ｋ＝Ｋ３と、軸ねじれトルクＴ２におけるねじれ角θ２を用いて、ねじれ角θＭ−ｒ・θＬを次式（７）によって表すことができる。
【数７】
2018107878.tif 000009
【００３３】
従って、式（７）を式変形した次式（８）により、出力軸回転角θＬを推定することができる。
【数８】
2018107878.tif 000010
【００３４】
以上の通り、軸ねじれトルクの値を複数の区間に分割し、各区間におけるねじれ剛性Ｋは一定値とすることにより、ねじれ剛性Ｋのデータ量を少なくすることができると共に、精度良く出力軸回転角θＬを推定することができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
次に、図３を参照して、第２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３は、図１に示したモータ制御システムにおけるパラメータ（モータ軸回転角θＭ、モータ軸トルクτＭ、出力軸回転角θＬ、出力軸トルクτＬ）の関係を示したブロック図である。図３において、Ｓは微分、１／Ｓは積分を意味する。
【００３６】
図３に示すように、モータＭＴとリンクＬＮとの間のねじれ角θＭ−ｒ・θＬとねじれ剛性Ｋとの積であるＫ・（θＭ−ｒ・θＬ）を軸ねじれトルクτｍｓｒとして、トルクセンサＴＳによって検出している。
【００３７】
図３からモータＭＴにおける回転の運動方程式は、モータＭＴの慣性モーメントＪＭ、粘性摩擦係数ＢＭを用いて、次式（９）によって表すことができる。
【数９】
2018107878.tif 000011
【００３８】
また、図３からリンクＬＮにおける回転の運動方程式は、リンクＬＮの慣性モーメントＪＬ、粘性摩擦係数ＢＬを用いて、次式（１０）によって表すことができる。
【数１０】
2018107878.tif 000012
【００３９】
式（９）、式（１０）から、当該モータ制御システムの状態方程式を、行列を用いて次式（１１）によって表現することができる。
【数１１】
2018107878.tif 000013
【００４０】
ここで、式（１１）において、以下のように置くと、式（１１）を次式（１２）によって表現することができる。
【数１２】
2018107878.tif 000014
【数１３】
2018107878.tif 000015
式（１２）において、ｘは変数、ｕは入力を示している。すなわち、式（１１）におけるモータ軸トルクτＭは入力としてのトルク指令値である。
【００４１】
他方、測定可能なモータ軸回転角θＭ及び軸ねじれトルクτｍｓｒについての出力方程式は次式（１３）によって表現することができる。
【数１４】
2018107878.tif 000016
【００４２】
ここで、式（１３）において、以下のように置くと、式（１３）を次式（１４）によって表現することができる。
【数１５】
2018107878.tif 000017
【数１６】
2018107878.tif 000018
【００４３】
状態方程式である式（１２）と出力方程式である式（１４）とからオブザーバ手法を用いて、次式（１５）により変数ｘを推定することができる。ここで、変数ｘに出力軸回転角θＬが含まれているため、出力軸回転角θＬを推定することができる。次式（１５）において、変数ｘの推定値をｘ＾と表現する。
【数１７】
2018107878.tif 000019
【００４４】
式（１５）に示すように、第２の実施形態に係るモータ制御システムでは、変数ｘを推定するために、変数ｘの微分を用いている。上記の通り、変数ｘには、出力軸回転角θＬに加え、出力軸回転角θＬを微分した出力軸回転角速度も含まれている。そのため、第２の実施形態に係るモータ制御システムでは、出力軸回転角θＬを微分した出力軸回転角速度及び出力軸回転角θＬを２回微分した出力軸回転角加速度の少なくとも一方を用いて、出力軸回転角θＬを推定している。
【００４５】
ここで、式（１５）は、変数ｘの推定値ｘ＾を用いた測定値ｙの推定値Ｃｘ＾と実際の測定値ｙとを比較し、その差であるｙ−Ｃｘ＾に応じて推定値ｘ＾を修正していることを意味している。そして、式（１５）における定数Ｌは、修正量を決定するゲインである。Ｌが大きい程、推定値ｘ＾が速く収束するが、Ｌが大き過ぎると測定値ｙのノイズによって推定値ｘ＾が収束しなくなる虞がある。
【００４６】
上述の通り、第２の実施形態に係るモータ制御システムでは、測定値ｙの推定値Ｃｘ＾と実際の測定値ｙとを比較し、その差であるｙ−Ｃｘ＾に応じて推定値ｘ＾を修正している。そのため、測定値を直接利用する第１の実施形態に比べ、ノイズ耐性に優れている。従って、第２の実施形態に係るモータ制御システムは、出力軸回転角センサを用いずに、精度良く位置制御を行うことができる。
【００４７】
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】
【００４８】
１  モータ制御システム
ＡＳ  モータ軸回転角センサ
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】
2018107878.tif 000020
【図２】
2018107878.tif 000021
【図３】
2018107878.tif 000022