(57)【要約】【課題】入力転動体と出力転動体の間で、転動面の摩擦により駆動力の伝達を行う伝達機構を介してモータの駆動力を出力する駆動装置において、転動面に発生する滑りによる制御誤差を低減する。【解決手段】モータに供給される電流Ｉと、モータ回転速度ω1 から、伝達機構で伝達される負荷トルクＴを算出する（負荷トルク算出部３０）。予め求められている負荷トルクＴと滑り率slipの関係を用いて、算出された負荷トルクＴから滑り率および滑り速度slipω1 を求める。これを目標速度指令値に加算することで、滑りによる誤差を低減する。【選択図】図３
2011002082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、このモータの駆動力を、入力転動体と出力転動体の間で転動面の摩擦により伝達する伝達機構と、を含む駆動装置であって、
速度指令値に基づき電流指令値を算出し、この指令値をモータに供給する電流指令手段と、
モータの出力軸に結合される入力転動体の回転速度を取得する入力側速度取得手段と、
電流指令値と入力転動体の回転速度とに基づき、モータの負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段と、
負荷トルクと入力転動体の回転速度とに基づき、前記伝達機構に生じる滑り速度を算出する滑り速度算出手段と、
目標速度指令に滑り速度を加算して補正された前記速度指令値を算出する加算手段と、
を有する、駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の駆動装置であって、
入力転動体と出力転動体の転動面を潤滑する潤滑油の温度を取得する油温取得手段を有し、
前記滑り速度算出手段において、取得された潤滑油の温度に応じて滑り速度を算出する、
駆動装置。
【請求項３】
入力転動体と出力転動体の間で転動面の摩擦により駆動力の伝達を行う伝達機構を介して、モータの駆動力を出力する駆動装置であって、
モータの制御を行う制御部を有し、
前記制御部は、
伝達機構の出力軸の回転速度パターンと、伝達機構の出力側に接続される回転慣性とを設定する運転条件設定部と、
前記設定された回転速度パターンと回転慣性とからモータの負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段と、
モータの負荷トルクに基づき、前記伝達機構に生じる滑り率を求める滑り率算出手段と、
滑り率と、出力軸の回転速度パターンから伝達機構の入力軸の回転速度パターンを求め、これに対応する速度指令値を生成する速度指令値生成部と、
前記速度指令値に従ってモータを駆動制御する駆動部と、
を有する、駆動装置。
【請求項４】
請求項３に記載の駆動装置であって、
前記滑り率算出手段は、入力転動体と出力転動体の転動面を潤滑する潤滑油の、想定される温度を取得し、この温度に応じて滑り速度を算出する、
駆動装置。
【請求項５】
入力転動体と出力転動体の間で転動面の摩擦により駆動力の伝達を行う伝達機構を介して駆動力を出力するモータの速度指令値を生成する速度指令生成装置であって、
伝達機構の出力軸の回転速度パターンと、伝達機構の出力側に接続される回転慣性とを設定する運転条件設定部と、
前記設定された回転速度パターンと回転慣性とからモータの負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段と、
モータの負荷トルクに基づき、前記伝達機構に生じる滑り率を求める滑り率算出手段と、
モータの負荷トルクと、滑り率と、出力軸の回転速度パターンから伝達機構の入力軸の回転速度パターンを求め、これに対応する速度指令値を生成する速度指令生成部と、
を有する、
速度指令生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力転動体と出力転動体の摩擦により動力を伝達する伝達機構を有する駆動装置に関し、特に、その速度制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力側の回転速度を変換して出力側に伝達する伝達機構、例えば歯車機構が知られている。歯車機構においては、変速比は、入力側の歯車と出力側の歯車の歯数の比で決定される。したがって、変速比は整数比、つまり離散的な値となり、設計自由度が低いという問題がある。歯車の歯をなくしたローラ同士を接触させ、ローラ間の摩擦により回転伝達を行えば、ローラの半径は連続的な値を取り得るので、変速比も自由に設定することができる。また、歯車伝達に比べて、伝達誤差が少なく、バックラッシュ等がない伝達機構を構成することができる。
【０００３】
下記特許文献１には、遊星歯車機構のサンギア、リングギア、プラネタリピニオンをローラに置き換えた摩擦式の伝達機構が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２５７５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のようなローラ等の転動体同士の摩擦を利用した伝達機構においては、二つの転動体間に滑りが生じ、その分、回転伝達に誤差が発生する。
【０００６】
本発明は、転動体同士の滑りによる誤差を見込んだ回転速度制御を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る駆動装置において、入力側と出力側の転動体の滑りが、転動体同士を押し付ける力と、転動体間に働く、回転を伝達する力との比（トラクション係数）に依存することを利用して、発生する滑りを予測し、これを速度制御に反映させている。転動体同士を押付ける力を固定値として扱い、回転を伝達する力から滑りを推定する。
【０００８】
具体的には、本駆動装置は、モータと、このモータの駆動力を、入力転動体と出力転動体の間で転動面の摩擦により伝達する伝達機構と、を含み、速度指令値に基づき電流指令値を算出してこれらの指令値をモータに供給する電流指令手段と、モータの出力軸に結合される入力転動体の回転速度を取得する入力側速度取得手段と、電流指令値と入力転動体の回転速度とに基づき、モータの負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段と、負荷トルクと入力転動体の回転速度とに基づき、前記伝達機構に生じる滑り速度を算出する滑り速度算出手段と、目標速度指令に滑り速度を加算して補正された前記速度指令値を算出する加算手段と、を有している。
【０００９】
さらに、入力転動体と出力転動体の転動面を潤滑する潤滑油の温度を取得する油温取得手段を有するようにして、前記滑り速度算出手段において、取得された潤滑油の温度に応じて滑り速度を算出するようにできる。
【００１０】
また、本発明の他の態様の駆動装置は、入力転動体と出力転動体の間で転動面の摩擦により駆動力の伝達を行う伝達機構を介して、モータの駆動力を出力する駆動装置であって、さらに、モータの制御を行う制御部を有し、この制御部は、伝達機構の出力軸の回転速度パターンと、伝達機構の出力側に接続される回転慣性とを設定する運転条件設定部と、前記設定された回転速度パターンと回転慣性とからモータの負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段と、モータの負荷トルクに基づき、前記伝達機構に生じる滑り率を求める滑り率算出手段と、モータの負荷トルクと、滑り率と、出力軸の回転速度パターンから伝達機構の入力軸の回転速度パターンを求め、これに対応する速度指令値を生成する速度指令値生成部と、前記速度指令値に従ってモータを駆動制御する駆動部と、を有している。
【００１１】
さらに、前記滑り率算出手段は、入力転動体と出力転動体の転動面を潤滑する潤滑油の、想定される温度を取得し、この温度に応じて滑り速度を算出するようにしてよい。
【００１２】
また、本発明のさらに他の態様の駆動装置は、入力転動体と出力転動体の間で転動面の摩擦により駆動力の伝達を行う伝達機構を介して駆動力を出力するモータの速度指令値を生成する速度指令生成装置であって、伝達機構の出力軸の回転速度パターンと、伝達機構の出力側に接続される回転慣性とを設定する運転条件設定部と、前記設定された回転速度パターンと回転慣性とからモータの負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段と、モータの負荷トルクに基づき、前記伝達機構に生じる滑り率を求める滑り率算出手段と、モータの負荷トルクと、滑り率と、出力軸の回転速度パターンから伝達機構の入力軸の回転速度パターンを求め、これに対応する速度指令値を生成する速度指令生成部と、を有している。
【発明の効果】
【００１３】
転動体間の滑りを考慮して制御を行うために回転伝達誤差が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】摩擦による伝達機構の概略構成を示す図である。
【図２】トラクション係数と滑り率の関係を示す図である。
【図３】駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】シミュレーション結果を示す図である。
【図５】他の駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】伝達機構の一例である遊星ローラ式の減速装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。本発明に係る駆動装置は、回転体同士の間で回転を伝達する伝達機構を含む。この伝達機構の回転体の少なくとも一方は、相手に対し転がるように接触し、この接触する部分の摩擦により力の伝達が行われる。したがって、本発明に係る伝達機構は、クラッチのように二つの回転体が結合して一体となり回転の伝達が行われる伝達機構を含まない。クラッチ等の伝達機構を区別するために、以下、転がるように接触する回転体と、接触される側の回転体の双方を転動体と記して説明する。
【００１６】
図１は、回転伝達を行う二つの転動体間に作用する力を示す図である。二つの転動体１０，１２は、平行な軸線回りに回転するローラであり、下に示されたローラが駆動側ローラ１０、上に示されたローラが被駆動側ローラ１２である。駆動側ローラ１０は、半径がｒ1 であり、角速度ω1 で回転する。被駆動側ローラ１２は、半径がｒ2 であり、角速度ω2 で回転する。二つのローラ１０，１２は、押付け力Ｆn で互いに押し付けられており、それらの間には潤滑油１４が介在している。二つのローラの共通接線方向には、二つのローラ間で回転を伝達する力（以下、接線力と記す。）Ｆt が作用する。
【００１７】
二つのローラ１０，１２の間に滑りがなければ、
ｒ2 ／ｒ1 ＝ω1 ／ω2 （＝λ）    ・・・（１）
が成立する。λは、変速比である。滑りは、ローラ１０，１２の接点における接線方向の速度差、すなわち、
ｒ1 ×ω1 −ｒ2 ×ω2
と定義し、さらに、スリップ率slipを次式で定義する。
slip＝（ｒ1 ×ω1 −ｒ2 ×ω2 ）／（ｒ1 ×ω1）
＝１−λ（ω2 ／ω1 ）                ・・・（２）
このスリップ率slipは、通常の使用領域においては、接線力Ｆt と押付け力Ｆn の比であるトラクション係数μは、
μ＝Ｆt ／Ｆn     ・・・（３）
と線形の関係にある。図２に示すように、設計仕様としては、トラクション係数の最大値μmax 以下で使用するため、滑り率slipとトラクション係数μの関係は、ほぼ線形である。また、線形範囲の比例係数をＣとする。
μ＝Ｃ×slip      ・・・（４）
この係数Ｃは、潤滑油の温度により変化する。通常は、潤滑油の温度が低い方が、係数Ｃは大きな値をとる。
【００１８】
ローラ１０，１２間での伝達トルクをＴとすれば、
Ｔ＝ｒ1 ×Ｆt     ・・・（５）
であり、式（５）に、式（３），（４）を代入すれば次式が得られる。
Ｔ＝Ｃ×slip×ｒ1 ×Ｆn
または、
slip＝Ｔ／（Ｃ×ｒ1 ×Ｆn )      ・・・（６）
と表せる。
【００１９】
図３は、転動体間で回転伝達を行う伝達機構１６を含む駆動装置１８の概略構成を示すブロック図である。駆動装置１８は、駆動力を発生するモータ２０と、モータ２０を駆動制御するモータ駆動部２２と、モータの出力を減速して出力する伝達機構１６を含む。伝達機構１６は、例えば図１で説明した二つのローラ間で回転伝達を行う機構であってよい。以下では、この機構を例として説明する。また、伝達装置１６は、モータの出力を増速するものであってもよく、また等速で伝達するものであってもよい。
【００２０】
モータ２０の出力軸は、伝達機構１６の入力側である駆動側ローラ１０に接続されている。モータ２０の制御は、出力軸の回転速度を定めた目標速度指令値に従って実行される。目標速度指令値は、モータ、または伝達機構１６を介してモータに駆動される駆動対象物の運動を、その速度変化として定めた速度パターンに従って算出される。この目標速度指令値に基づいて、電流指令部２４にて、モータ２０が発生すべきトルク、さらにモータ２０に供給すべき電流値が算出され、電流指令値としてモータ２０の供給される。モータ２０は、電流指令値に従った電流をコイルに供給する電流供給部を含み、これによりモータが駆動される。
【００２１】
電流指令部２４に供給される速度指令値は、目標速度指令値からモータ２０の出力軸の回転速度、すなわち駆動側ローラ１０の回転速度ω1 が減算されている。モータ２０の出力軸には回転速度センサ２６が設けられ、このセンサの出力値が加算器２８にて減算されて、フィードバック系が構成されている。
【００２２】
さらに、モータ駆動部２２は、伝達機構１６における滑りに対応するための構成を有する。式（６）にて示されるように、スリップ率slipは、伝達機構１６で伝達される伝達トルクＴ、係数Ｃ、駆動側ローラの半径ｒ1 および押付け力Ｆn によって定まる。半径ｒ1 と押付け力Ｆn は固定値であり、係数Ｃは、温度により変化するが、予め求めておくことができる値である。したがって、式（６）における伝達トルクＴを求めることができれば、スリップ率を算出することができ、そのときに発生している滑りの量を推定することができる。この滑り量を考慮して、モータ２０を制御することにより、滑り量による誤差を抑制することができる。
【００２３】
具体的には、モータ駆動部２２は、負荷トルクを算出する負荷トルク算出部３０と、滑り速度を算出する滑り速度算出部３２を有する。負荷トルクは、伝達機構の出力側にかかるトルクであるので、これは、前述の伝達トルクＴのことである。負荷トルクＴは、モータの出力トルクＴm 、モータロータから伝達機構の入力側までの回転部分の回転慣性をＩm 、伝達機構１６内での機械損失トルクＴl とすると、
Ｔ＝Ｔm −Ｉm ×β1 −Ｔl       ・・・（７）
で表せる。β1 は、駆動側ローラ１０の角加速度である（β1 ＝(d/dt)ω1 ）。さらに、モータへの電流指令値をＩとすると、
Ｔm ＝ｆ（Ｉ）        ・・・（８）
と表すことができる。ｆは、モータの電流と、モータの出力トルクの関係を表す関数であり、これは用いられるモータを性能試験することなどにより取得できる関数である。式（８）と式（７）から次式が得られる。
Ｔ＝ｆ（Ｉ）−Ｉm ×β1 −Ｔl       ・・・（９）
さらに、式（９）を式（６）に代入すると、次式が得られる。
slip＝（ｆ（Ｉ）−Ｉm ×β1 −Ｔl ）／（Ｃ×ｒ1 ×Ｆn )   ・・・（１０）
【００２４】
負荷トルク算出部３０においては、式（９）に基づき負荷トルクＴが算出される。回転慣性Ｉm は固定値である。一方、機械損失トルクＴl は、概略的に固定値と取り扱うことができる。実際には回転速度、温度等で変化するので、これらのパラメータの関数として取り扱ってもよい。電流指令値Ｉは、電流指令部２４の出力から取得し、角加速度β1 は、モータ２０の出力軸の回転速度ω1 を回転速度センサ２６より取得して、これを微分して得ることができる。滑り速度算出部３２においては、式（６）に従いスリップ率slipを算出し、さらにスリップ率に駆動側ローラ１０の回転速度ω1 を乗じて、滑り速度slip×ω1 を算出する。これを加算器２８により、目標速度指令値に加算する。式（６）は、係数Ｃを含む。係数Ｃは、前述のように潤滑油の温度の関数であるが、駆動装置１８の運転時において、潤滑油温度が安定しているのであれば、係数Ｃは固定値として扱ってもよい。係数Ｃを温度の関数として取り扱う場合は、潤滑油温度と係数Ｃの関係を予め求めておき、潤滑油の温度を検出する温度センサを設けて、そのときの油温から係数Ｃを求めるようにしてよい。
【００２５】
以上のように、目標速度指令値に対し、モータ出力の回転速度ω1 をフィードバックし、さらに推定される滑り速度slip×ω1 による補正を行うことにより、制御の精度を高めている。図４には、目標回転角に位置決めを行う制御のシミュレーション結果が示されている。滑り量の補正を行うことで、ほぼ目標値に位置決めされていることが理解できる。
【００２６】
図５は、本発明に係る他の駆動装置４０の概略構成を示すブロック図である。駆動装置４０は、駆動装置１８と同様のモータ２０、伝達機構１６および電流指令部２４を有する。電流指令部２４は制御部４２に含まれ、制御部４２は、さらに電流指令部２４に供給する目標速度指令値を、伝達機構１６の滑りを考慮して生成する構成を有する。式（２）を変形すると次式が得られる。
ω1＝λ×ω2 ／（１−slip）      ・・・（１１）
【００２７】
これは、伝達機構１６の出力軸の角速度ω2 の制御目標が予め設定できる場合には、スリップ率slipが推定できれば、滑りを考慮して入力軸の角速度ω1 の制御目標を設定できることを示している。例えば、ロボットアームは、所定の動作を行うためにその動作は予めプログラムされており、このプログラムされた動作が制御目標を定める。この動作をするために、アームの各部の可動部を駆動する個々のモータに対し制御目標、すなわち目標速度指令値が設定される。このとき、上記のように、滑りを考慮して目標速度指令値を設定することができる。以下、伝達機構１６の出力軸の目標となる回転速度パターンをω2refとし、このパターンを実現するために算出される入力軸の回転速度パターンをω1refとして説明する。出力軸の回転速度パターンω2refが設定され、制御対象物の回転慣性Ｉo が分かれば、モータの負荷トルクが事前に求められ、滑り率が算出できる。これにより、滑り率を考慮した入力軸回転速度パターンω1refが求められる。
【００２８】
このために、駆動装置４０の制御部４２は、出力軸の回転速度パターンω2ref、制御対象の構成の回転慣性を設定する設定部４４、これらの設定値から負荷トルクを算出する負荷トルク事前算出部４６、負荷トルクから滑り率を算出する滑り率事前算出部４８および上記の設定値、算出値から入力軸の回転速度パターンω1refを算出する入力軸速度パターン算出部５０を有する。入力軸および出力軸の制御目標となる回転速度パターンω1ref，ω2refを用いて式（１１）を書き直すと、次式となる。
ω1ref＝λ×ω2ref ／（１−slip）      ・・・（１２）
【００２９】
伝達機構１６の出力側の回転慣性をＩo 、負荷トルクをＴo 、機械損失トルクをＴolとすれば、
Ｔo ＝Ｉo ×β2ref ＋Ｔol      ・・・（１３）
で表せる。β2refは、伝達機構１６の出力側である駆動側ローラ１２の角加速度である（β2ref＝(d/dt)ω2ref）。さらに、伝達装置１６の入力トルクＴは、伝達装置１６の効率をηとすれば、次式で表せる。
Ｔ＝Ｔo ／（λ×η）＝（Ｉo×β2ref ＋Ｔol）／（λ×η）  ・・・（１４）
式（１２）に、式（６），（１４）を代入すれば、次式が得られる。
【００３０】
【数１】
2011002082.tif 000003
【００３１】
設定部４４においては、実現したい出力軸回転速度パターンω2refが設定され、また出力側の回転慣性Ｉo が設定される。機械損失トルクＴolは、固定値と取り扱うことができる。より厳密には回転数やトルクによって変える必要がある。負荷トルク事前算出部４６においては、式（１３）に従い負荷トルクＴo を実際に制御を行う前に、事前に算出する。滑り率事前算出部４８においては、式（１４）を式（６）に代入することにより、滑り率slipを算出する。入力軸速度パターン算出部５０においては、滑り率slipを式（１２）に適用して、入力軸の回転速度パターンω1refを算出する。以上の入力軸の回転速度パターンω1refの算出をまとめると、上記の式（１５）となる。
【００３２】
駆動装置４０の制御部４２で求められる入力軸の回転速度パターンω1refを、駆動装置１８の目標速度指令値として用いることもできる。
【００３３】
図６には、伝達機構の一例として、遊星ローラ式の減速装置６０が示されている。減速装置６０は、入力側遊星ローラ機構６２と出力側遊星ローラ機構６４の２組の遊星ローラ機構を有する。入力側遊星ローラ機構６２のサンローラ６２Ｓが減速装置６０の入力軸であり、出力側遊星ローラ機構６４のリングローラ６４Ｒが減速機構６０の出力軸に結合されている。二つの遊星ローラ機構６２，６４のそれぞれのプラネタリローラ６２Ｐ，６４Ｐは、異なる半径を有するが、一体となっており、プラネタリキャリア６２Ｃに回転可能に支持されている。この減速装置６０においては、転動接触する点が２点であるが、減速装置６０の入力軸、出力軸の回転速度差として滑りをとらえ、２箇所の接点の合計の滑りとトラクション係数の関係を記述することができる。したがって、上述した２個のローラ１０，１２間の伝達と同様に滑り率等の算出を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  駆動側ローラ（入力転動体）、１２  被駆動側ローラ（出力転動体）、１６  伝達機構、１８  駆動装置、２０  モータ、２２  モータ駆動部、２４  電流指令部、２６  回転速度センサ、２８  加算器、３０  負荷トルク算出部、３２  滑り速度算出部、４０  駆動装置、４２  制御部、４４  設定部、４６  負荷トルク事前算出部、４８  滑り率事前算出部、５０  入力軸速度パターン算出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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