(57)【要約】【課題】加減速時の応答性を向上させることのできる減速機一体型の回転アクチュエータの駆動方法を提案すること。【解決手段】回転アクチュエータ２の駆動制御装置３は、負荷側慣性モーメントＪＬとモータ側慣性モーメントＪｍとの比率を算出し、加減速時には、第１モード１２でモータ駆動電流の最大電流値を制御する。第１モード１２では、上記の比率に基づき、最大電流値を、減速機５の許容伝達トルクによって規定される設定最大電流値よりも増加させて、減速機５を介して伝達される伝達トルクを許容伝達トルクに近づく方向に増加させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、当該モータの出力軸に回転入力要素が連結固定された減速機とを備えた減速機一体型の回転アクチュエータの駆動方法であって、
駆動対象の部材の慣性モーメントを負荷側慣性モーメント、前記回転アクチュエータにおける少なくとも前記モータの回転部分の慣性モーメントをモータ側慣性モーメントとすると、前記負荷側慣性モーメントと前記モータ側慣性モーメントとの比率である負荷慣性比を算出し、
前記駆動対象の部材の加速あるいは減速時におけるモータ駆動電流の最大電流値の制御を、少なくとも第１モードで行い、
前記第１モードでは、前記負荷慣性比に基づき、前記最大電流値を、前記減速機の許容伝達トルクによって規定される設定最大電流値よりも増加させて、前記減速機を介して伝達される伝達トルクを前記許容伝達トルクに近づく方向に増加させることを特徴とする回転アクチュエータの駆動方法。
【請求項２】
前記負荷側慣性モーメントをａ、前記モータ側慣性モーメントをｂとすると、
前記最大電流値を、最大で、前記設定最大電流値の（ａ＋ｂ）／ａ倍まで増加させる、請求項１に記載の回転アクチュエータの駆動方法。
【請求項３】
前記加速あるいは減速時において、前記第１モードおよび第２モードのいずれか一方のモードにより、前記最大電流値を制御し、
前記第２モードでは、前記最大電流値を前記設定最大電流値に固定する、
請求項１または２に記載の回転アクチュエータの駆動方法。
【請求項４】
前記第１モードによる制御状態において、前記駆動対象の部材の側に、前記負荷側慣性モーメント以外の負荷が作用したことが検出された場合に、前記第１モードを解除して前記第２モードに切り替える、
請求項３に記載の回転アクチュエータの駆動方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれか一つの項に記載の駆動方法を用いた回転アクチュエータの駆動制御装置であって、
前記負荷側慣性モーメントが設定される設定部あるいは当該負荷側慣性モーメントを推定する負荷推定部のいずれか一方と、
前記モータ側慣性モーメントを設定するモータ側慣性モーメント設定部と、
前記減速機の前記許容伝達トルクが設定される許容伝達トルク設定部と、
前記許容伝達トルクに基づく前記設定最大電流値が設定される最大電流値設定部と、
前記モータに供給される前記モータ駆動電流値を、前記負荷慣性比に基づき、前記第１モードおよび前記第２モードのいずれか一方のモードで算出する駆動制御部と、
を有していることを特徴とする回転アクチュエータの駆動制御装置。
【請求項６】
前記第１モータを解除して前記第２モードに切り替える操作入力部を有している請求項５に記載の回転アクチュエータの駆動制御装置。
【請求項７】
前記駆動対象の部材に加わる負荷を推定する負荷推定部を有し、
前記負荷推定部によって、前記駆動対象の部材の側に、慣性負荷以外の負荷が作用したことが検出された場合に、前記駆動制御部は前記第１モードを解除して前記第２モードに切り替える請求項６に記載の回転アクチュエータの駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの出力軸に減速機の入力要素が連結固定された減速機一体型の回転アクチュエータに関し、特に、加減速時における回転アクチュエータの駆動方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット、工作機械等の様々な分野において、ロボットアーム等の負荷の駆動源として減速機とモータが結合し一体化した減速機一体型の回転アクチュエータが用いられる。このような回転アクチュエータは特許文献１に開示されている。回転アクチュエータにおいては、減速機の破損防止のために、モータの最大トルクが減速機の許容伝達トルクを超えないように、モータ駆動電流の最大電流値を制限している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１５２０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、減速機一体型の回転アクチュエータでは、加減速時に、モータの発生トルクの一部が、モータ自身の回転部分の慣性負荷を加減速するためのトルクとして使用される。このため、減速機を介して駆動対象の部材の側に掛かるトルクが低く、当該減速機の許容伝達トルクまで十分にモータ容量を利用できない場合がある。
【０００５】
加速あるいは減速時における駆動対象の部材の位置決め動作等の応答性を高めるためには、駆動対象の部材を早く所望の位置に移動させるために、出来る限り大きなトルクを、減速機を介して駆動対象の部材に伝達する必要がある。上記のように、減速機の許容伝達トルクによってモータ最大電流値が制限されているので、モータ容量に余裕があっても、加減速時の応答性を高めることができない場合がある。
【０００６】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、加減速時の応答性を向上させることのできる減速機一体型の回転アクチュエータの駆動方法および駆動制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、モータと、当該モータの出力軸に回転入力要素が連結固定された減速機とを備えた減速機一体型の回転アクチュエータの駆動方法であって、
駆動対象の部材の慣性モーメントを負荷側慣性モーメント、前記回転アクチュエータにおける少なくとも前記モータの回転部分の慣性モーメントをモータ側慣性モーメントとすると、前記負荷側慣性モーメントと前記モータ側慣性モーメントとの比率である負荷慣性比を算出し、
前記駆動対象の部材の加速あるいは減速時におけるモータ駆動電流の最大電流値の制御を、少なくとも第１モードで行い、
前記第１モードでは、前記負荷慣性比に基づき、前記最大電流値を、前記減速機の許容伝達トルクによって規定される設定最大電流値よりも増加させて、前記減速機を介して伝達される伝達トルクを前記許容伝達トルクに近づく方向に増加させることを特徴としている。
【０００８】
本発明の回転アクチュエータでは、加速あるいは減速時に、モータ駆動電流の最大電流値を減速機の許容伝達トルクにより規定される設定最大電流値に固定せずに、負荷側慣性モーメントとモータ側慣性モーメントとの比率である負荷慣性比に基づき、最大電流値を増加させる。すなわち、最大電流値の可変制御を行う。これにより、モータ側の回転部分の慣性負荷を加速あるいは減速するために消費されるトルク分だけ、モータの発生トルクを増加させることができる。
【０００９】
この結果、減速機を介して駆動対象の部材の側に伝達されるトルクを、減速機の許容伝達トルクまで増加させることができる。モータ駆動電流の最大電流値を減速機の許容伝達トルクによって定まる設定最大電流値に固定している場合に比べて、加速あるいは減速時に駆動対象の部材に伝達されるトルクを高めることができる。よって、モータ容量を十分に利用でき、加減速時の応答性を向上させることができる。
【００１０】
加減速時において、減速機を介して伝達されるトルクを許容伝達トルクまで高めるためには、前記負荷側慣性モーメントをａ、前記モータ側慣性モーメントをｂとすると、前記最大電流値を、最大で、前記設定最大電流値の（ａ＋ｂ）／ａ倍まで増加させるようにすればよい。
【００１１】
上記のモータ駆動電流の最大電流値を設定最大電流値よりも上げる第１モードによる制御は、回転アクチュエータに加わる負荷が慣性負荷のみの場合に作動させる必要がある。そこで、本発明においては、加速あるいは減速時に、前記第１モードおよび第２モードのいずれか一方のモードにより、前記最大電流値を制御できるようにし、前記第２モードでは、前記最大電流値を前記設定最大電流値に固定することが望ましい。
【００１２】
このようにすれば、ユーザーは、回転アクチュエータの動作条件、動作状態等に応じて、第１、第２モードのいずれか一つを選択して用いることができる。これにより、減速機に、その許容伝達トルクを超えるトルクが加わってしまうことを回避できる。
【００１３】
また、回転アクチュエータのモータを駆動するモータドライバ（サーボアンプ）等の駆動装置に、回転アクチュエータに加わる負荷を推定する推定機能が備わっている場合には、加速あるいは減速時に、負荷推定に基づき、第１、第２モードのいずれかに制御を切り替えることができる。例えば、前記第１モードによる制御状態において、前記駆動対象の部材の側に、前記負荷側慣性モーメント以外の負荷が作用したことが検出された場合に、前記第１モードを解除して前記第２モードに切り替えるようにすればよい。これにより、減速機に、その許容伝達トルクを超えるトルクが加わってしまうことを確実に回避できる。
【００１４】
次に、本発明は、上記の駆動方法を用いた回転アクチュエータの駆動制御装置であって、
前記負荷側慣性モーメントが設定される設定部あるいは当該負荷側慣性モーメントを推定する負荷推定部のいずれか一方と、
前記モータ側慣性モーメントを設定するモータ側慣性モーメント設定部と、
前記減速機の前記許容伝達トルクが設定される許容伝達トルク設定部と、
前記許容伝達トルクに基づく前記設定最大電流値が設定される最大電流値設定部と、
前記モータに供給される前記モータ駆動電流値を、前記負荷慣性比に基づき、前記第１モードおよび前記第２モードのいずれか一方のモードで算出する駆動制御部と、
を有していることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を適用した回転アクチュエータシステムを示す概略構成図である。
【図２】負荷慣性比に対するモータ側加速トルクと負荷側加速トルクの変動を示すグラフである。
【図３】図１の回転アクチュエータシステムの最大電流値の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】第１モードによりモータ駆動電流の最大電流値を可変にした場合における負荷慣性比に対するモータ側加速トルクおよび負荷側加速トルクの変動を示すグラフである。
【図５】第１モードによる最大電流値の可変制御の場合と第２モードによる最大電流値固定制御の場合における負荷慣性比に対する負荷側加速トルクの変動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して本発明の駆動方法を適用した回転アクチュエータシステムの実施の形態を説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係る回転アクチュエータシステムを示す構成図である。回転アクチュエータシステム１は、回転アクチュエータ２と、当該回転アクチュエータ２の駆動制御装置３とを備えている。
【００１８】
回転アクチュエータ２は、モータ４と、このモータ４の出力回転を減速する減速機５とを備え、減速機５の減速出力回転（アクチュエータ出力回転）によって、減速機５に連結された駆動対象の部材６が回転駆動される。回転アクチュエータ２は、モータ４の出力軸４ａに、減速機５の回転入力要素である入力軸５ａが連結固定された減速機一体型のものである。
【００１９】
モータ４には回転位置を検出するモータエンコーダ４ｂが組み込まれている。モータエンコーダ４ｂにはメモリ４ｃが搭載されている。メモリ４ｃには、減速機５の許容伝達トルクＴｒｐによって規定されるモータ駆動電流の設定最大電流値を含む各種の情報が格納される。
【００２０】
駆動制御装置３は、モータ４を駆動するモータドライバ（サーボアンプ）７と、モータドライバ７に対して回転アクチュエータ２の動作内容等を指示するコントローラ８とを備えており、これらはコンピュータを中心に構成されている。モータドライバ７は、コントローラ８の指令、モータエンコーダ４ｂからのモータ回転位置情報等に基づき、所定のモータ駆動電流でモータ４を駆動し、駆動対象の部材６の回転動作、位置決め動作をフィードバック制御する。
【００２１】
モータドライバ７は、モータ駆動電流の最大電流値の制御を、第１モードおよび第２モードで行うことが可能である。モータドライバ７の駆動制御部１１は、コントローラ８からのモード設定に基づき、第１モード１２および第２モード１３のいずれか一方のモードでモータ駆動電流の最大電流値を制御する。コントローラ８は、第１モード、第２モードを切り替え設定するためのモード設定部８ａ（操作入力部）を備えている。ユーザーはモード設定部８ａを介して、モータドライバ７のモードを第１モード１２および第２モード１３のいずれか一方に設定可能である。
【００２２】
このために、モータドライバ７は、駆動対象の部材６の慣性モーメントである負荷側慣性モーメントを設定する設定部１４と、回転アクチュエータ２における少なくともモータ４および減速機の入力軸５ａの回転部分の慣性モーメントであるモータ側慣性モーメントを設定する設定部１５を備えている。
【００２３】
第１モード１２は、加減速時に、負荷側慣性モーメントとモータ側慣性モーメントとの
比率に基づき、モータ駆動電流の最大電流値を可変制御するモードである。すなわち、当該第１モードでは、この比率に基づき、最大電流値を、減速機５の許容伝達トルクによって規定される設定最大電流値よりも増加させて、減速機５を介して伝達される伝達トルクを許容伝達トルクに近づく方向に増加させる。これに対して、第２モードは、加減速時に、モータ駆動電流の最大電流値を減速機５の許容伝達トルクにより規定される設定最大電流値に制限（固定）するモードである。
【００２４】
さらに、モータドライバ７は、回転アクチュエータ２に加わる負荷を推定する負荷推定部１６が備わっている場合には、加速あるいは減速時に、負荷推定に基づき、第１、第２モードのいずれかに制御を切り替えることができる。この場合には、モータドライバ７の駆動制御部１１は、第１モードによる制御状態において、負荷推定部１６によって、駆動対象の部材６の側に、負荷側慣性モーメント以外の負荷が作用したことが検出された場合に、第１モードを解除して第２モードに切り替える切替制御を行う。
【００２５】
（第１、第２モード）
ここで、モータ駆動電流の最大電流値を制御する第１、第２モード１２、１３について更に詳しく説明する。
【００２６】
まず、図１の回転アクチュエータ２を、駆動対象の部材６の慣性負荷のみを駆動するもとしてモデル化する。駆動対象の部材６の側の負荷側慣性モーメントをＪＬ、減速機５の減速比をＲ、当該減速機５の許容伝達トルク（入力軸５ａでの値）をＴｒｐ、モータ４の側のモータ側慣性モーメントをＪｍ、最大トルクをＴｍｐとすると、モータ４の最大トルクＴｍｐは、次の運動方程式（１）で表される。当該方程式の左辺を展開すると、式（２）が得られる。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
式（２）の左辺第１項は、駆動対象の部材６の側の加速トルクを表しており、式（２）の左辺第２項は、モータ４と減速機５の入力軸５ａの加速トルクを表している。厳密に言えば、左辺第１項の負荷の慣性モーメントＪＬには、減速機５の出力軸の慣性モーメントが含まれるが、高減速な減速機の場合には無視できる。
【００２９】
第２モード１３ではモータ駆動電流の最大電流値が減速機５の許容伝達トルクＴｒｐによって規定される設定最大電流値に固定される。したがって、モータ４の最大トルクＴｍｐが、減速機５の許容伝達トルクＴｒｐを超えないという制限下においてモータ４が駆動制御される。この制限下においては、上記の式（２）におけるモータ４の最大トルクＴｍｐは、最大でも減速機５の許容伝達トルクＴｒｐである。よって、第２モード１３では、Ｔｍｐ＝Ｔｒｐとなるようにモータ４の出力トルクが制御される。
【００３０】
ここで、負荷側慣性モーメントとモータ側慣性モーメントとの比である負荷慣性比をｍとすると、この負荷慣性比ｍは次式（３）で表される。
【数２】
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【００３１】
図２は、負荷慣性比ｍに対する加速トルクの変化を表すグラフである。このグラフにおいて、曲線Ｃ２１は、モータ４が発生するモータ側の加速トルクＴｍの許容伝達トルクＴｒｐに対する比率の変化を表し、曲線Ｃ２２は、駆動対象の部材６の側に伝達される負荷側の加速トルクＴＬの許容伝達トルクＴｒｐに対する比率の変化を表す。
【００３２】
このグラフから分かるように、負荷側慣性モーメントＪＬ／Ｒ２とモータ側慣性モーメントＪｍとが同一の場合、すなわち負荷慣性比ｍ＝１の場合には、許容伝達トルクＴｒｐに対する負荷側の加速トルクＴＬの比率は０．５である。これは、モータ４の発生トルクのうち、その半分がモータ側慣性負荷の加速に費やされ、残りの半分のトルク、すなわち、許容伝達トルクＴｒｐの半分しか、減速機５を介して伝達されないことを意味する。
【００３３】
本例の第１モード１２によるモータ駆動電流の最大電流値の制御では、負荷慣性比ｍを考慮して、最大電流値を許容伝達トルクＴｒｐによって規定される設定最大電流値に固定せずに、それよりも増加させるようにしている。この結果、減速機５の許容伝達トルクＴｒｐまで減速機５を介して駆動対象の部材６の側に伝達されるトルクを大きくすることができる。これにより、駆動対象の部材６の加速、減速制御を応答性良く短時間で行うことが可能になる。
【００３４】
（最大電流値の制御動作）
図３は、駆動制御装置３によって行われるモータ４の最大電流値の制御動作を示す概略フローチャートである。まず、モータドライバ７に各制御パラメータを設定する（ステップＳＴ１）。制御パラメータには、モータ側慣性モーメントＪｍ、負荷側慣性モーメントＪＬ、減速機５の減速比Ｒ、減速機の許容伝達トルクＴｒｐによって規定されるモータ駆動電流の設定最大電流値などが含まれる。これらの制御パラメータは、例えば、モータエンコーダ４ｂに搭載したメモリ４ｃに予め設定されており、モータドライバ７によって読み出される。
【００３５】
次に、モード設定部８ａを介して第２モードが設定されているかを判別する（ステップＳＴ２）。設定されていない場合には制御モードを第１モードのままとし（ステップＳＴ３）、設定されている場合には制御モードを第２モードに切り替える（ステップＳＴ４）。
【００３６】
第１モードの場合には、モータドライバ７は、加速または減速時において、負荷慣性比ｍを算出し（ステップＳＴ５）、算出した負荷慣性比ｍに基づき、モータ駆動電流の最大電流値を可変制御する。すなわち、負荷慣性比ｍに基づき、最大電流値を、設定最大電流値よりも増加させる制御を行う（ステップＳＴ６）。
【００３７】
加減速時において、減速機５を介して伝達されるトルクを許容伝達トルクまで高めるためには、負荷側慣性モーメントＪＬ／Ｒ２＝ａ、モータ側慣性モーメントＪｍ＝ｂとすると、最大電流値を、最大で、設定最大電流値の（ａ＋ｂ）／ａ倍まで増加させることができる。勿論、最大電流値の最大値は、モータ容量によって制限される。
【００３８】
これに対して、第２モードの場合には、加速また減速時において、モータ駆動電流の最
大値を設定最大電流値に制限する（固定する）制御を行う（ステップＳＴ７）。
【００３９】
なお、本例のモータドライバ７は、負荷推定部１６を備えており、駆動対象の部材６の側に加わる負荷を推定可能である。負荷推定部１６によって、駆動対象の部材６に、慣性負荷以外の負荷が加わったことを検出すると、駆動制御部１１は、第１モードによる最大電流値可変制御を解除して、第２モードに切り替える制御を行うこともできる。
【００４０】
図４は、第１モードによる制御動作の一例を示すグラフであり、負荷慣性比ｍに基づき、モータ４の最大トルクＴｍｐの最大値を許容伝達トルクＴｒｐの２倍までとした場合のものである。このグラフにおける横軸は負荷慣性比ｍを示し、縦軸は、許容伝達トルクＴｒｐに対する各部分に発生するトルクの比率を示す。
【００４１】
特性曲線Ｃ４１は最大トルクＴｍｐの許容伝達トルクＴｒｐに対する比率の変化を示し、特性曲線Ｃ４２はモータ４の慣性負荷に費やされるモータ側の加速トルクＴｍの許容伝達トルクＴｒｐに対する比率の変化を示し、特性曲線Ｃ４３は減速機５を介して駆動対象の部材６の側に伝達される加速トルクＴＬの許容伝達トルクＴｒｐに対する比率の変化を示す。
【００４２】
このグラフから分かるように、負荷慣性比ｍ＝１以上の制御領域において、減速機５を介して駆動対象の部材６に伝達される加速トルクＴＬを、減速機５の許容伝達トルクＴｒｐまで引き上げることができる。
【００４３】
図５は、第１モードおよび第２モードによる制御動作の状態を比較して示すグラフである。第１モードとして、モータ４の最大トルクＴｍｐの最大値を許容伝達トルクＴｒｐの１．５倍に制限した場合と、２倍に制限した場合とを示してある。
【００４４】
特性曲線Ｃ５１は、モータ４の最大トルクＴｍｐを減速機５の許容伝達トルクＴｒｐに固定した第２モードにおいて、減速機５を介して駆動対象の部材６に伝達される加速トルクＴＬの許容伝達トルクＴｒｐに対する比率が、負荷慣性比ｍに応じてどのように変化するのかを示す。これに対して、特性曲線Ｃ５２は、第１モードにおいて、モータ４の最大トルクＴｍｐの最大値を許容伝達トルクＴｒｐの１．５倍に制限した場合における、駆動対象の部材６の側に伝達される加速トルクＴＬの許容伝達トルクＴｒｐに対する比率の変化を示し、特性曲線Ｃ５３は、第１モードにおいて、モータ４の最大トルクＴｍｐの最大値を許容伝達トルクＴｒｐの２倍に制限した場合における、駆動対象の部材６の側に伝達される加速トルクＴＬの許容伝達トルクＴｒｐに対する比率の変化を示す。
【００４５】
このグラフから分かるように、第１モードでは、負荷慣性比ｍに基づき、最大電流値可変制御を行うことにより、減速機５を介して駆動対象の部材６に伝達される加速トルクＴＬを、減速機５の許容伝達トルクＴｒｐに引き上げることができる。また、第１モードでは、負荷慣性比ｍに基づき、減速機５のトルクＴＬは減速機５の許容伝達トルクＴｒｐ以下に制限される。よって、減速機５を破損させることなく回転アクチュエータ２を駆動させることができる。
【００４６】
なお、第１モードによる制御は、出力可能なモータトルクが減速機の許容伝達トルクに対して余裕がある場合に適用可能である。したがって、第１モードによる制御を行う場合には、容量の大きいモータを使用することが望ましい。
【符号の説明】
【００４７】
１    回転アクチュエータシステム
２    回転アクチュエータ
３    駆動制御装置
４    モータ
４ａ  出力軸
４ｂ  モータエンコーダ
４ｃ  メモリ
５    減速機
６    駆動対象の部材
７    モータドライバ
８    コントローラ
８ａ  モード設定部
１１  駆動制御部
１２  第１モード
１３  第２モード
１４  設定部
１５  設定部
１６  負荷推定部
【図１】
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【図２】
2015220857.tif 000006
【図３】
2015220857.tif 000007
【図４】
2015220857.tif 000008
【図５】
2015220857.tif 000009