(57)【要約】【課題】トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを用いてモータトルクをフィードバック制御しつつ、共振の発生を抑制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ＴＳを検出するトルクセンサＴＳと、モータＭＴのモータトルクＴＭ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、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳと、出力したモータトルクＴＭとに基づいて、共振が相殺された仮想トルクＴＳＲＣを生成する仮想トルク生成部１１を有し、仮想トルクＴＳＲＣをフィードバックすることより、モータトルクＴＭを制御する。【選択図】図２
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【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、
前記モータのモータトルク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、出力した前記モータトルクとに基づいて、共振が相殺された仮想トルクを生成する仮想トルク生成部を有し、
前記仮想トルクをフィードバックすることより、前記モータトルクを制御する、
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と、出力した前記モータトルクから当該軸ねじれトルクを減じたトルクとを、所定の比率で重み付けして足し合わせることによって、前記仮想トルクを生成する、
請求項１に記載のモータ制御システム。
【請求項３】
前記モータ制御部は、
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が入力されるローパスフィルタと、
前記仮想トルクが入力されるハイパスフィルタと、をさらに有し、
前記ローパスフィルタ及び前記ハイパスフィルタから出力されたトルク信号をフィードバックすることより、前記モータトルクを制御する、
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。ここで、モータによって駆動されるリンク等の負荷部材は、ギヤ等の低剛性部材を介してモータに連結されているため、モータ及び負荷部材のイナーシャ（慣性モーメント）によって共振が発生する。そのため、共振周波数以上には制御帯域を広げることができないという問題があった。
【０００３】
このような問題に対し、特許文献１には、モータ軸の回転角θＭを検出するエンコーダに加え、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を検出するエンコーダを備えたモータ制御システムが開示されている。特許文献１では、２つのエンコーダによって検出されたモータ軸回転角θＭと出力軸回転角θＬとに基づいて、自己共振相殺制御（ＳＲＣ：Self Resonance Cancellation control）用の仮想回転角θＳＲＣを生成し、この仮想回転角θＳＲＣをフィードバックすることにより、共振の発生を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１６４４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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に開示されたモータ制御システムでは、出力軸回転角θＬを検出するためのエンコーダを設けるため、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。また、特許文献１に開示されたモータ制御システムは、モータトルクの制御には適用することができない。
【０００６】
他方、出力軸回転角θＬを検出するエンコーダを設けることなく、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを用いてモータトルクをフィードバック制御する手法が知られている。しかしながら、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを単純にフィードバックしてモータトルクを制御するだけでは、上述の共振の発生を抑制することができない。
【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、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを用いてモータトルクをフィードバック制御しつつ、共振の発生を抑制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、
前記モータのモータ軸と、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、
前記モータのモータトルク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、出力した前記モータトルクとに基づいて、共振が相殺された仮想トルクを生成する仮想トルク生成部を有し、
前記仮想トルクをフィードバックすることより、前記モータトルクを制御するものである。
【０００９】
本発明の一態様に係るモータ制御システムでは、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクと、出力したモータトルクとに基づいて、共振が相殺された仮想トルクを生成し、当該仮想トルクをフィードバックすることより、前記モータトルクを制御する。すなわち、モータトルクのフィードバック制御に、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクの共振成分を低減させた仮想トルクを使用しているため、共振の発生を抑制することができる。
【００１０】
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、出力した前記モータトルクから当該軸ねじれトルクを減じたトルクとを、所定の比率で重み付けして足し合わせることによって、前記仮想トルクを生成してもよい。このような構成により、設計が容易になる。
【００１１】
前記モータ制御部は、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が入力されるローパスフィルタと、前記仮想トルクが入力されるハイパスフィルタと、をさらに有し、前記ローパスフィルタ及び前記ハイパスフィルタから出力されたトルク信号をフィードバックすることより、前記モータトルクを制御してもよい。このような構成により、低い周波数における追従性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、トルクセンサによって検出された軸ねじれトルクを用いてモータトルクをフィードバック制御しつつ、共振の発生を抑制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】
【００１３】
【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】第１の実施形態に係るモータ制御システムの制御ブロック図である。
【図３】第１の実施形態の比較例に係るモータ制御システムの制御ブロック図である。
【図４】第１の実施形態に係るモータ制御システムの詳細な制御ブロック図である。
【図５】第２の実施形態に係るモータ制御システムの詳細な制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
なお、「共振が相殺された」とは、共振が完全に相殺された場合のみではなく、共振が一部残存している場合も含む。
【００１５】
（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。
【００１６】
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ＭＴが発揮する駆動力によってモータ軸に作用するトルクすなわちモータトルクＴＭも示されている。
【００１７】
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。
【００１８】
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ＴＳを検出する。軸ねじれトルクＴＳは、例えばトルクセンサ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ＴＳは、モータ制御部ＭＣに入力される。
【００１９】
なお、トルクセンサＴＳは、ひずみゲージ式に限らず、薄膜式や磁歪式など、どのような方式であってもよい。また、図１には、リンクＬＮが外部の物体に接触するなどの外乱によって出力軸に作用する負荷トルクＴＬと、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も示されている。
【００２０】
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。
【００２１】
モータ制御部ＭＣは、図示されていない上位制御部から取得した軸ねじれトルク目標値ＴＳｒｅｆ、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ＴＳ、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に基づいて、モータＭＴを制御する。
【００２２】
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。
【００２３】
さらに、モータ制御部ＭＣは、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳと、モータトルクＴＭとに基づいて、自己共振相殺制御（ＳＲＣ：Self Resonance Cancellation Control）用のＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣを生成し、このＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣをフィードバックすることにより、共振の発生を抑制している。
ＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣを生成するためのモータトルクＴＭとしては、モータ制御部ＭＣが生成するトルク指令値を使用することができる。あるいは、モータトルクＴＭとして、電流センサＣＳによって検出されたモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗから求めた実測値を用いてもよい。
【００２４】
ここで、図２を参照して、モータ制御部ＭＣによるモータトルクＴＭのフィードバック制御について詳細に説明する。図２は、第１の実施形態に係るモータ制御システムの制御ブロック図である。図２において、ｓは微分、１／ｓは積分を意味する。簡略化のため、図２においてギヤ比ｒは省略されている。換言すると、図２は、ギヤ比ｒ＝１の場合について示している。
【００２５】
図２に示すように、本実施形態に係るモータ制御システムでは、モータＭＴとリンクＬＮとの間のねじれ角とねじれ剛性Ｋとの積を軸ねじれトルクＴＳとして、図１に示したトルクセンサＴＳによって検出している。図２の例では、ねじれ角は、モータ軸回転角θＭと出力軸回転角θＬとの差θＭ−θＬである。なお、ギヤ比ｒを考慮すると、ねじれ角は、θＭ−ｒ・θＬである。
【００２６】
図２に示すように、モータＭＴのモータ軸には、モータトルクＴＭから軸ねじれトルクＴＳを減じたＴＭ−ＴＳが作用する。そのため、図２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（１）によって表すことができる。
【数１】
2018148661.tif 000003
【００２７】
また、図２に示すように、リンクＬＮに固定された出力軸には、負荷トルクＴＬに軸ねじれトルクＴＳを加えたＴＬ＋ＴＳが作用する。そのため、図２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（２）によって表すことができる。
【数２】
2018148661.tif 000004
【００２８】
図２に示すように、モータ制御部ＭＣは、ＳＲＣ仮想トルク生成部１１、補償器１２を備えている。
ＳＲＣ仮想トルク生成部１１は、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳと、補償器１２から出力されたモータトルクＴＭの指令値とに基づいて、ＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣを生成する。このＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣは、共振が相殺された仮想トルクである。換言すると、ＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣは、共振成分をほとんど含まないモータトルクＴＭを用いて、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳの共振成分を低減させた仮想的なトルク信号である。なお、ＳＲＣ仮想トルク生成部１１に入力されるモータトルクＴＭとして、電流センサＣＳによって検出されたモータ電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗから求めた実測値を用いてもよい。
【００２９】
補償器１２には、軸ねじれトルク目標値ＴＳｒｅｆからＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣを減じた信号ＴＳｒｅｆ−ＴＳＲＣが入力される。補償器１２は、入力された信号ＴＳｒｅｆ−ＴＳＲＣからモータトルクＴＭの指令値を生成する。補償器１２から出力されたモータトルクＴＭの指令値に基づいてモータＭＴが駆動されると共に、補償器１２から出力されたモータトルクＴＭの指令値がＳＲＣ仮想トルク生成部１１にフィードバックされる。
【００３０】
ここで、図３は、第１の実施形態の比較例に係るモータ制御システムの制御ブロック図である。図３に示すように、比較例に係るモータ制御システムにおいても、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳをモータ制御部ＭＣにフィードバックして、モータトルクＴＭを制御している。
【００３１】
しかしながら、比較例に係るモータ制御システムでは、モータ制御部ＭＣが、ＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣを生成するＳＲＣ仮想トルク生成部１１を備えていない。そして、補償器１２には、軸ねじれトルク目標値ＴＳｒｅｆから単純に軸ねじれトルクＴＳを減じた信号ＴＳｒｅｆ−ＴＳが入力される。補償器１２は、入力された信号ＴＳｒｅｆ−ＴＳからモータトルクＴＭの指令値を生成する。このように、比較例に係るモータ制御システムでは、モータトルクＴＭのフィードバック制御に、共振成分を含む軸ねじれトルクＴＳをそのまま使用しているため、共振の発生を抑制することができない。
【００３２】
これに対し、本実施形態に係るモータ制御システムでは、図２に示すように、モータ制御部ＭＣが、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳと、モータトルクＴＭとに基づいて、共振が相殺されたＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣを生成するＳＲＣ仮想トルク生成部１１を備えている。そして、モータトルクＴＭのフィードバック制御に、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳの共振成分を低減させたＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣを使用しているため、共振の発生を抑制することができる。すなわち、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳを用いてモータトルクＴＭをフィードバック制御しつつ、共振の発生を抑制することができる。その結果、制御帯域を広げることができる。
【００３３】
次に、図４を参照して、本実施形態に係るモータ制御システムにおけるモータ制御部ＭＣの詳細な構成について説明する。図４は、第１の実施形態に係るモータ制御システムの詳細な制御ブロック図である。図４では、図２に比べ、ＳＲＣ仮想トルク生成部１１の構成がより詳細に示されている。図４に示すように、本実施形態に係るＳＲＣ仮想トルク生成部１１は、重み乗算器１１１、１１２を備えている。
【００３４】
重み乗算器１１１は、リンクＬＮに固定された出力軸に作用するトルクＴＳに重み係数αを乗じる乗算器である。ここで、外乱によって出力軸に作用する負荷トルクＴＬは無視している。一方、重み乗算器１１２は、モータＭＴのモータ軸に作用するトルクＴＭ−ＴＳに重み係数１−αを乗じる乗算器である。重み乗算器１１１から出力されるα・ＴＳと、重み乗算器１１２から出力される（１−α）（ＴＭ−ＴＳ）と、を足し合わせることによって、ＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣが生成される。
【００３５】
すなわち、ＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣは、次式（３）によって表すことができる。
【数３】
2018148661.tif 000005
【００３６】
このように、ＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣを決定する際、リンクＬＮに固定された出力軸に作用するＴＳと、モータＭＴのモータ軸に作用するＴＭ−ＴＳとの比率を重み係数αの値によって直接決定することができるため、設計が容易である。また、本実施形態に係るモータ制御システムにおいて、設計者が設定すべきパラメータは、重み係数αの１つのみである。
【００３７】
ここで、重み係数αの値は、０≦α＜０．５又は０．５＜α＜１である。
α＝０．５の場合、ＴＳＲＣ＝ＴＭとなり、ＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣがトルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳを含まないため、α＝０．５は除外される。また、α＝０．５の場合、共振成分が完全に除去されているため、共振を抑制することができない。他方、共振成分が完全に除去されるα＝０．５は、重み係数αの値を決定する際の基準となる。
α＝１の場合、図３に示した比較例と同様にＴＳＲＣ＝ＴＳとなるため、α＝１は除外される。この場合、軸ねじれトルクＴＳの共振成分が全く除去されないため、共振を抑制することができない。
【００３８】
具体的には、重み係数αの値は、共振成分が完全に除去される０．５よりもやや小さい値とすることが好ましい。最終的には、ナイキスト線図やボーデ線図を用いて共振の大きさや共振周波数を確認すると共に、ステップ応答のグラフを用いて整定時間やオーバーシュートの大きさを確認し、重み係数αの値を決定する。また、重み係数αの値が大きい程、追従性が向上するが、不安定になり易くなる。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に、図５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おけるモータ制御部ＭＣの詳細な構成について説明する。第２の実施形態に係るモータ制御システムにおいても、図１は第１の実施形態と共通である。図５は、第２の実施形態に係るモータ制御システムの詳細な制御ブロック図である。図５に示した第２の実施形態に係るモータ制御部ＭＣは、図４に示したＳＲＣ仮想トルク生成部１１、補償器１２に加え、ローパスフィルタＬＰＦ、ハイパスフィルタＨＰＦを備えている。
【００４０】
ローパスフィルタＬＰＦ及びハイパスフィルタＨＰＦのカットオフ周波数ωｃは、共通であることが好ましい。カットオフ周波数ωｃは、共振周波数よりも低い周波数である。具体的には、カットオフ周波数ωｃは、共振周波数よりもやや低い周波数であることが好ましい。
【００４１】
図５に示すように、ローパスフィルタＬＰＦには、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳが入力される。他方、ハイパスフィルタＨＰＦには、ＳＲＣ仮想トルク生成部１１から出力されたＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣが入力される。そして、ローパスフィルタＬＰＦから出力されたトルク信号とハイパスフィルタＨＰＦから出力されたトルク信号とを足し合わせたフィードバックトルクＴＦＢをフィードバックする。
【００４２】
すなわち、フィードバックトルクＴＦＢは、次式（４）によって表すことができる。
【数４】
2018148661.tif 000006
【００４３】
さらに、式（４）におけるＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣに式（３）を代入すると、次式（５）が得られる。
【数５】
2018148661.tif 000007
【００４４】
ここで、図４に示した第１の実施形態に係るモータ制御部ＭＣでは、すべての周波数において共振が相殺されたＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣがフィードバックされる。
これに対し、図５に示した第２の実施形態に係るモータ制御部ＭＣでは、共振が生じ得るカットオフ周波数ωｃよりも高い周波数では、ＳＲＣ仮想トルクＴＳＲＣがフィードバックされる。他方、共振が生じ得ないカットオフ周波数ωｃよりも低い周波数では、トルクセンサＴＳによって検出された軸ねじれトルクＴＳがフィードバックされる。
【００４５】
このような構成により、本実施形態に係るモータ制御システムは、第１の実施形態に係るモータ制御システムに比べ、カットオフ周波数ωｃよりも低い周波数における追従性に優れている。
また、本実施形態に係るモータ制御システムにおいて、設計者が設定すべきパラメータは、重み係数αとカットオフ周波数ωｃの２つのみである。
【００４６】
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。
例えば、モータは、電気モータに限らず、油圧モータ等の圧力モータその他どのようなモータでもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１  モータ制御システム
１１  仮想トルク生成部
１２  補償器
１１１  乗算器
１１２  乗算器
ＡＳ  モータ軸回転角センサ
ＣＳ  電流センサ
ＨＰＦ  ハイパスフィルタ
ＬＮ  リンク
ＬＰＦ  ローパスフィルタ
ＭＣ  モータ制御部
ＭＴ  モータ
ＴＦＢ  フィードバックトルク
ＴＬ  負荷トルク
ＴＭ  モータトルク
ＴＳ  軸ねじれトルク
ＴＳ  トルクセンサ
ＴＳＲＣ  ＳＲＣ仮想トルク
ＴＳｒｅｆ  軸ねじれトルク目標値
【図１】
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【図２】
2018148661.tif 000009
【図３】
2018148661.tif 000010
【図４】
2018148661.tif 000011
【図５】
2018148661.tif 000012