(57)【要約】  耐環境性能に優れ、低コストで構築可能なモータ駆動システムおよびこれに用いるモータ制御装置を提供することを目的とする。モータと、モータと負荷との間に設けられたトルクセンサと、モータの駆動を制御するモータ制御装置とを備える。モータ制御装置は、トルクセンサにより検出されたトルク検出信号に基いて、モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える。
2014080456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、当該モータと負荷との間に設けられたトルクセンサと、前記モータの駆動を制御するモータ制御装置と
を備え、
前記モータ制御装置は、
前記トルクセンサにより検出されたトルク検出信号に基いて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える
ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項２】
前記モータへの出力電流に重畳される高周波電流指令を発生する高周波電流指令器をさらに備え、
前記モータ制御装置の推定部は、
前記高周波電流指令および前記トルク検出信号に基いて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
前記モータ制御装置は、前記モータに同期したｄ−ｑ軸回転座標系のｄ軸成分およびｑ軸成分を演算し、ｄ軸電流およびq軸電流を導出する座標変換部を備え、
前記推定部は、
前記高周波電流指令を前記ｄ軸に重畳したときのｑ軸電流の振動成分を抽出する振動成分抽出部を備え、
当該振動成分抽出部で抽出した前記振動成分と前記ｄ軸に重畳した前記高周波電流指令との乗算結果に基いて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する
ことを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
前記トルクセンサは、
前記モータ、または当該モータに連動連結された減速機と、一体的に構成されている
ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
前記トルクセンサは、
歪ゲージを取付可能であり、前記モータの出力軸または前記モータに連動連結された減速機の出力軸に対して外方へ延在した複数の伸延体を備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
【請求項６】
前記伸延体は、
前記出力軸の中心からの半径方向の距離に応じて、先端に向けて漸次細く形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動システム。
【請求項７】
互いに連動連結した固定部材と可動部材とを備え、
前記固定部材に、前記複数の伸延体の各先端をそれぞれ連結した環状体を介して前記トルクセンサを取付ける一方、前記可動部材に前記モータを取付けた
ことを特徴とする請求項５または６に記載のモータ駆動システム。
【請求項８】
前記モータの位置を検出する位置検出器をさらに備え、
前記モータ制御装置は、
通常駆動時は、前記位置検出器の検出信号に基いて前記モータの駆動を制御するとともに、前記トルクセンサのトルク検出信号に基いてトルク補償を行う一方、
前記位置検出器の異常時には、前記推定部に、前記トルクセンサの検出信号に基いて前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定させる
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
【請求項９】
モータと負荷との間に設けられたトルクセンサにより検出されたトルク検出信号に基いて、前記速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項１０】
前記モータ制御装置の推定部は、
高周波電流指令器からの高周波電流指令を受信可能であり、前記高周波電流指令と前記トルク検出信号とに基いて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する
ことを特徴とする請求項９に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、モータ駆動システムおよびモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータを備えたシステムにおいて、モータの駆動制御を行う場合、エンコーダなどの位置センサを用いてモータの位置や速度（回転角や回転速度）を検出することが一般的であった（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０９５１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、エンコーダなどの位置センサは、振動や衝撃といった耐環境性能の面にやや難があり、かつ高価格である。他方、近年では、モータの電圧および電流によってモータの位置や速度を求める、いわゆるエンコーダレスのモータを用いたシステムが知られているが、トルクリプルを十分には補償できないおそれがある。【０００５】
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、耐環境性能に優れ、低コストで構築可能なモータ駆動システムおよびモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の一態様に係るモータ駆動システムは、モータと、当該モータと負荷との間に設けられたトルクセンサと、前記モータの駆動を制御するモータ制御装置とを備える。前記モータ制御装置は、前記トルクセンサの検出信号に基いて前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部を備える。
【発明の効果】
【０００７】
実施形態の一態様によれば、耐環境性能に優るとともに、動作性能の向上を図ることのできるモータ駆動システムおよびモータ制御装置を低コストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施形態に係るモータ駆動システムが適用されたロボットの一例を示す説明図である。
【図２Ａ】図２Ａは、同上のモータ駆動システムの一例を示すブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、同上のモータ駆動システムの他の例を示すブロック図である。
【図３】図３は、実施形態に係るモータ制御装置を示す説明図である。
【図４】図４は、モータ制御装置の変形例を示す説明図である。
【図５】図５は、同上のモータ制御装置が有する推定部による推定機能の原理を示す説明図である。
【図６】図６は、同上の推定部による推定機能の原理を示す説明図である。
【図７】図７は、他の実施形態に係るモータ駆動システムを示す説明図である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施形態に係るトルクセンサの正面視による説明図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８ＡのＩ−Ｉ線における断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、同上のトルクセンサへの歪ゲージの取付状態の一例を示す説明図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、同上の歪ゲージにより組まれたブリッジ回路を示す説明図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、同上のトルクセンサへの歪ゲージの取付状態の他の例を示す説明図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、同上の歪ゲージにより組まれたブリッジ回路を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本願の開示するモータ駆動システムおよびモータ制御装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
図１は、実施形態に係るモータ駆動システムが適用されたロボット１の一例を示す説明図である。なお、以下では、ロボット１が設置された設置面Ｇに対して略垂直な方向を上下方向と表現する場合がある。
【００１１】
ロボット１は、図示するように、設置面Ｇに固設された基台１０に対し、旋回部２０を介して水平方向に旋回自在に取付けられた胴部１１と、この胴部１１に連動連結されたアーム部１２と、このアーム部１２の先端に設けられたリスト部１３とを備えている。このリスト部１３の先端には、用途に応じたエンドエフェクタ（不図示）が適宜連結される。
【００１２】
なお、アーム部１２およびリスト部１３は、それぞれ第１〜第４関節部２１〜２４を介して軸周りに回動自在に構成されている。アーム部１２は、胴部１１に対し、第１関節部２１を介して上下揺動自在に連結された第１アーム部１２ａと、この第１アーム部１２ａの先端部に、第２関節部２２を介して上下揺動自在に連結された第２アーム部１２ｂとを備える。
【００１３】
リスト部１３は、第２アーム部１２ｂに対して、第３関節部２３を介して軸周りに回動自在、かつ第４関節部２４を介して上下揺動自在に連結されている。
【００１４】
旋回部２０をはじめとして、第１〜第４関節部２１〜２４は、可動部材となる胴部１１やアーム部１２やリスト部１３を駆動するアクチュエータを内蔵している。本実施形態に係るロボット１は、アクチュエータとしてモータ２およびトルクセンサ３を備えている。そして、かかるモータ２およびトルクセンサ３は、図示するように、当該モータ２の駆動を制御するモータ制御装置４と電気的に接続している。
【００１５】
ここで、かかるモータ制御装置４について説明するとともに、当該モータ制御装置４を備えるモータ駆動システムについて、具体的に説明する。
【００１６】
図２Ａは、モータ駆動システムの一例を示すブロック図である。例えば、モータ駆動システムを第１関節部２１に適用したとすると、図示するように、第１関節部２１には、第１アーム部１２ａを駆動する駆動源となるモータ２と、モータ２が駆動したときのトルクを検出するトルクセンサ３とが設けられる。
【００１７】
トルクセンサ３は、モータ２と、可動部材の一例であってモータ２の負荷となる第１アーム部１２ａとの間に設けられている。ここでは、モータ２とトルクセンサ３とが一体的に構成された例を示しており、モータ２にトルクセンサ３を一体的に組み込んだセンサ一体型モータ２ａとしている。
【００１８】
図２Ｂは、モータ駆動システムの他の例を示すブロック図であり、図示するように、第１関節部２１に、モータ２と、当該モータ２に連動連結された減速機５とトルクセンサ３とが一体的に構成されたセンサ一体型減速機５ａとを設けている。
【００１９】
すなわち、図１に示すロボット１の第１関節部２１には、センサ一体型モータ２ａ、あるいは、モータ２と、センサ一体型減速機５ａとが配設され、第１アーム部１２ａが揺動することになる。なお、図示は省略したが、減速機５を備えないセンサ一体型モータ２ａや、モータ２とは別体のセンサ一体型減速機５ａに代えて、モータ２、減速機５およびトルクセンサ３が一体的に構成されたセンサ一体型アクチュエータを採用してもよい。
【００２０】
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、モータ２の駆動を制御するモータ制御装置４は、電流制御部４１と、位置／速度制御部４２と、推定部４３とを備えている。
【００２１】
詳しくは後述するが、推定部４３は、トルクセンサ３からフィードバックされるトルク検出信号Ｔfbに基いて、モータ２の速度または位置のいずれか一方を推定し、推定結果である機械角速度を位置／速度制御部４２へ、推定電気角を電流制御部４１に出力する。また、位置／速度制御部４２は、推定部４３からの機械角速度と速度指令とに基いて、電流指令を電流制御部４１へ出力する。こうして、電流制御部４１は、モータ２へ供給する出力電流を電流検出器で検出した信号であるフィードバック電流Ｉfbと、推定部４３からのモータ２の推定電気角と、位置／速度制御部４２からの電流指令とに基いて、モータ２を制御する。
【００２２】
このように、本実施形態におけるモータ制御装置４は、例えばエンコーダなどのように高価で、かつ振動や衝撃といった耐環境性能に難のある位置検出器を用いることなく、耐環境性能に優るトルクセンサ３を用いてモータ２の制御を行う。したがって、低コストでありながら、動作性能の向上を図ることのできるモータ駆動システムおよびモータ制御装置４を実現することができる。
【００２３】
ここで、モータ制御装置４について、より具体的に説明する。図３は、モータ制御装置４をより具体的に示した説明図である。
【００２４】
図示するように、モータ制御装置４は、モータ２への出力電流に重畳される高周波電流指令Ｉｄhfiを発生する高周波電流指令器４５を備えている。すなわち、モータ制御装置４の推定部４３は、高周波電流指令Ｉｄhfiおよびトルク検出信号Ｔfbに基いて、モータ２の速度および位置のうち少なくとも一方を推定する。なお、高周波電流指令器４５は、必ずしもモータ制御装置４が備える必要はなく、モータ制御装置４とは別の外部装置として設けても構わない。
【００２５】
電流制御部４１は、ＡＣＲｄ（ｄ軸電流制御器）５１と、ＡＣＲｑ（ｑ軸電流制御器）５２と、三相/ｄｑ座標変換器５５と、ｄ軸電流演算器６５と、加算器６６，６７と、ｄｑ/三相座標変換器４４とを備えている。三相/ｄｑ座標変換器５５は、モータ制御装置４が備える座標変換部であり、モータ２に同期したｄ−ｑ軸回転座標系のｄ軸成分およびｑ軸成分を演算し、モータ２からの３相の電流Ｉuvwそれぞれに対し、ｄ軸電流およびq軸電流を導出する。ｄｑ/三相座標変換器４４は、ｄｑ座標変換部５３を備え、ｄ軸電圧指令Ｖｄおよびｑ軸電圧指令Ｖｑから３相電圧指令Ｖｕｖｗを導出する。
【００２６】
また、電流制御部４１は、図示しないＰＷＭ制御器と、スイッチング素子（パワー素子）と、電流検出器とを備えている。ＰＷＭ制御器は、所謂キャリア比較演算や空間ベクトル演算を行い、三相電圧指令をＰＷＭ制御信号に変換して、スイッチング素子（パワー素子）に出力する。スイッチング素子（パワー素子）は、例えばＩＰＭ（Intelligent Power Module）であり、ＰＷＭ制御器からのＰＷＭ制御信号に応じた電流をモータへ供給する。電流検出器は、モータへの電流供給ラインに配置され、検出電流信号Ｉuvwを出力する。
【００２７】
ＡＣＲｄ５１は、高周波電流指令器４５からの検波用の高周波電流指令Ｉｄhfiとｄ軸電流指令Ｉ*ｄとがｄ軸電流演算器６５によって合成された指令と、三相/ｄｑ座標変換器５５から出力されたｄ軸電流値Ｉｄとに基いて、ｄ軸電圧指令を調整して出力する。なお、ＡＣＲｄ５１は、ｄ軸電圧指令を、ｄ軸電流指令Ｉ*ｄと三相/ｄｑ座標変換器５５を介して入力されたｄ軸電流値との偏差を零とするように調整している。出力されたｄ軸電圧指令は、加算器６６でｄ軸補償電圧Ｖｄffと合成され、ＰＭＷ制御器４４のｄｑ座標変換部５３に入力される。
【００２８】
ＡＣＲｑ５２は、位置／速度制御部４２からのｑ軸電流指令Ｉ*ｑと三相/ｄｑ座標変換器５５から出力されたｑ軸電流値Ｉｑとに基いて、ｑ軸電圧指令を調整して出力する。出力されたｑ軸電圧指令は、加算器６７でｑ軸補償電圧Ｖｑffと合成され、ＰＭＷ制御器４４のｄｑ座標変換部５３に入力される。
【００２９】
位置／速度制御部４２は、速度指令ω*と、推定部４３からの機械角速度である推定機械角速度ω＾mとを比較して偏差をとる減算器６８と、電流制御部４１のＡＣＲｑ５２へｑ軸電流指令Ｉ*ｑを出力するＡＳＲ（自動速度調整装置）５６とを備えている。
【００３０】
ここで、図３に示した形態は、モータ制御装置４が、モータ２を速度制御する場合である。一方、モータ制御装置４が、モータ２を位置制御する場合は、図４に示すように、更に、積分器７１と、減算器７２およびＡＰＲ（自動位置調整装置）７３を備える構成とするとよい。積分器７１は、推定部４３からの機械角速度である推定機械角速度ω＾mを積分して推定機械角Ｐ＾mを出力する。減算器７２は、位置指令Ｐ*と推定機械角Ｐ＾mとを比較して偏差をとる。ＡＰＲ（自動位置調整装置）７３は、ＡＳＲ（自動速度調整装置）５６へ速度指令ω*を出力する。なお、図４は、モータ制御装置の変形例を示す説明図であり、積分器７１と、減算器７２およびＡＰＲ（自動位置調整装置）７３を備える他は、図３に示した構成と同じである。また、積分器７１は、推定部４３内に設けても構わない。これにより、推定部４３がモータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定することが可能となる。
【００３１】
推定部４３は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）５７と、乗算器６４と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）５８，６３と、減算器５９と、ＰＩ制御器６０と、積分器６１と、機械角演算部６２とを備えている。
【００３２】
乗算器６４は、トルクセンサ３からフィードバックされるトルク検出信号Ｔfbと、高周波電流指令器４５から入力される高周波電流指令Ｉｄhfiとを乗算する。このときのトルク検出信号Ｔfbは、ＢＰＦ５７によって抽出されたトルクの振動成分であり、これを乗算器６４に入力する。高周波電流指令Ｉｄhfiは、モータ２のｄ軸に重畳されるもので、ＢＰＦ５７は、高周波電流指令Ｉｄhfiをｄ軸に重畳したときのトルクの振動成分を抽出する振動成分抽出部として機能している。
【００３３】
乗算器６４で乗算された周波数は、ＬＰＦ５８により平均化処理を施すことで位相誤差を示す情報となる。これを減算器５９に入力して、その振幅が零になるように電気角速度を調整する。そして、ＰＩ制御器６０により推定電気角速度ω＾eを導出し、これを積分器６１で積分することにより推定電気角θ＾eを得る。得られた推定電気角θ＾eは、電流制御部４１の三相/ｄｑ座標変換器５５へ出力され、回転座標上のｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑに変換されてＡＣＲｄ５１およびＡＣＲｑ５２に出力される。
【００３４】
他方、推定電気角速度ω＾eは、ＬＰＦ６３によりノイズ除去された後、機械角演算部６２に入力されて極数で除されて推定機械角速度ω＾mが導出される。そして、この推定機械角速度ω＾mが、位置／速度制御部４２の減算器６８に出力される。
【００３５】
こうして、本実施形態に係るモータ制御装置４は、直接的にはモータ２の推定機械角速度ω＾mを推定することができる。なお、この推定機械角速度ω＾mを積分すれば、推定機械角Ｐ＾mを得ることができ、結果的には、モータ２の速度または位置の少なくともいずれか一方を推定することができる。勿論、モータ２の速度および位置を求めることもできる。
【００３６】
ここで、図５および図６を参照して、推定部４３による速度推定あるいは位置推定の原理について説明する。図５および図６は、モータ制御装置４が有する推定部４３による推定機能の原理を示す説明図である。
【００３７】
図５に示すように、ｑ軸にｑ軸（トルク）電流指令Ｉ*ｑが入力されているときに、高周波電流指令である検波用の高周波電流指令Ｉｄhfiをｄ軸に重畳する。推定電気角θ＾eに誤差がなければ、（ｂ）に示すように、トルクは正しい波形を示す。しかし、推定電気角θ＾eに誤差があると、ｄ軸の振動成分がトルクに重畳されるため、（ａ）に示すように、トルクが振動する。このように、推定電気角θ＾eがずれると、トルクが振動することを利用して、その振動成分をＢＰＦ５７（図３および図４を参照）で抽出している。
【００３８】
また、推定電気角θ＾eのずれとトルクの振動の関係として、推定電気角θ＾eが遅れている場合、図６（ａ）に示すように、ｄ軸電流とトルクの振動は逆位相となる。一方、推定電気角θ＾eが進んでいる場合、図６（ｂ）に示すように、ｄ軸電流とトルクの振動は同位相となる。
【００３９】
推定電気角θ＾eが遅れているか、進んでいるかは、ｄ軸に重畳した検波信号である高周波電流指令Ｉｄhfiと、ＢＰＦ５７（図３参照）で抽出した振動成分とを乗算することで判別することができる。すなわち、検波信号とトルク振動との乗算結果で示される位相誤差は、図示するように、プラスあるいはマイナスの方向へオフセットされた状態で表れる。
【００４０】
前述したように、推定電気角速度ω＾eを導出する場合、位相誤差の振幅が零になるように電気角速度を調整するのであるが、その調整に際し、位相が遅れている場合は電気角速度を上げ、逆に位相が進んでいる場合は電気角速度を下げればよいことになる。
【００４１】
このように、位相誤差の振幅が零になるように調整された推定電気角速度ω＾eが、ＬＰＦ６３によりノイズ除去された後、機械角演算部６２に入力されて極数で除された、図３および図４に示す推定機械角速度ω＾mであり、これを積分すれば、推定機械角Ｐ＾m（図４）を得ることができる。
【００４２】
（他の実施形態）
ここで、モータ駆動システムの他の実施形態について説明する。図７は、他の実施形態に係るモータ駆動システムを示す説明図である。
【００４３】
図示するように、この実施形態に係るモータ駆動システムでは、トルクセンサ３に加え、モータ２の位置を検出する位置検出器としてのエンコーダ６を備えるとともに、モータ制御装置４は、エンコーダ６が通常駆動であるか否かを判定する判定部７を備えている。
【００４４】
すなわち、判定部７は、エンコーダ６の動作を監視しつつ、エンコーダ６からの位置検出信号と、位置／速度制御部４２からのトルク検出信号Ｔfbに基いて推定演算された推定機械角Ｐ＾mを入力している。そして、判定部７は、エンコーダ６からの検出信号と、位置／速度制御部４２からの推定機械角Ｐ＾mとを比較して、所定値以上の差異が生じている場合に、エンコーダ異常と判定することができる。
【００４５】
エンコーダ６の動作に異常がない場合は、位置／速度制御部４２は、エンコーダ６からの位置検出信号を位置フィードバック信号として用いるとともに、トルクセンサ３からのトルク検出信号Ｔfbをトルク補償信号として用いることができる。一方、エンコーダ６の異常を判定した場合、位置／速度制御部４２は、推定機械角Ｐ＾mを位置フィードバック信号として用いることができる。
【００４６】
かかる構成により、モータ制御装置４は、通常駆動時は、エンコーダ６の検出信号に基いてモータ２の駆動を制御し、トルクセンサ３のトルク検出信号Ｔfbに基いてトルク補償を行う一方、エンコーダ６の異常時には、推定部４３に、トルクセンサ３のトルク検出信号Ｔfbに基いてモータ２の速度および位置のうち少なくとも一方を推定させることができる。
【００４７】
かかる構成としたことで、モータ制御に用いられていたエンコーダ６に不具合が生じても、トルクセンサ３に基くモータ制御が可能となる。したがって、モータ駆動システムにおけるフェールセーフ機能を低コストで実現することができる。また、モータ構造や減速機によって発生するトルクリプルを直接検出して抑制するといったトルク補償を常時行うことができるため、モータ駆動システムの動作性能の向上が期待できる。
【００４８】
次に、上述してきたモータ駆動システムが備えるトルクセンサ３の具体的な構成について説明する。図７Ａは、トルクセンサ３の正面視による説明図、図８Ｂは、図８ＡのＩ−Ｉ線における断面図である。また、図９Ａは、トルクセンサ３への歪ゲージＡ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４の取付状態の一例を示す説明図、図９Ｂは、同歪ゲージＡ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４により組まれたブリッジ回路を示す説明図である。
【００４９】
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、トルクセンサ３は、所定の厚みと直径を有する略円板状の外観を呈している。そして、歪ゲージＡ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４を取付可能であり、モータ２の出力軸（図示せず）またはモータ２に連動連結された減速機５の出力軸（図示せず）に対して外方へ延在した複数の伸延体３１を備えている。
【００５０】
すなわち、図示するように、モータ２あるいは減速機５の出力軸を嵌着する円孔３０を形成する内側環状体３４の周方向に、複数（ここでは１２本）の伸延体３１の基端がそれぞれ一定間隔をあけて設けられ、円孔３０の中心３０ａから放射状に伸延している。そして、伸延体３１の先端同士は、外側環状体３２にそれぞれ連結されている。なお、外側環状体３２は必ずしも無くても構わないが、伸延体３１を外側環状体３２に連結することによって、より堅固なトルクセンサ３を構成することができる。
【００５１】
歪ゲージＡ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４は、すべて同一の構成であり、図９Ａに示すように、１８０度離隔して互いに線対称となる２組の伸延体３１の両側に、それぞれ設けられている。すなわち、１つの伸延体３１の両側に対をなす歪ゲージＡ１，Ａ２が配置され、これに対向する伸延体３１の両側に一対の歪ゲージＡ３，Ａ４が配置される。そして、他の１組の伸延体３１，３１に、歪ゲージＢ１〜Ｂ４が同様に配置されている。このように、歪ゲージＡ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４は、それぞれ、いわゆる直交配置されている。
【００５２】
図９Ｂに示すようなブリッジ回路を構成した歪ゲージＡ１〜Ａ４と歪ゲージＢ１〜Ｂ４とにより、歪ゲージＡ１〜Ａ４のブリッジＡ出力と歪ゲージＢ１〜Ｂ４のブリッジＢ出力との平均を得ることができ、各ブリッジにおける出力誤差の影響を低減することが可能となる。
【００５３】
ところで、トルクセンサ３は、図１０Ａに示すような直交配置として、図１０Ｂに示すようなブリッジ回路を構成することもできる。図１０Ａは、トルクセンサ３への歪ゲージの取付状態の他の例を示す説明図、図１０Ｂは、歪ゲージＡ１〜Ａ４により組まれたブリッジ回路を示す説明図である。
【００５４】
すなわち、４つの歪ゲージＡ１〜Ａ４（あるいはＢ１〜Ｂ４）を、９０度間隔で４つの伸延体３１にそれぞれ設けるものである。このとき、それぞれ対をなす歪ゲージＡ１と歪ゲージＡ２、歪ゲージＡ３と歪ゲージＡ４とは、伸延体３１の一側と他側に位置するように配置される。かかる構成のトルクセンサ３であっても、モータ２のトルクを問題なく検出することができる。
【００５５】
ところで、上述してきた円板状のトルクセンサ３には、各伸延体３１と外側環状体３２および内側環状体３４に囲まれる空間３３が形成される。かかる空間３３を利用して、例えば、歪ゲージＡアンプや電源との接続、ＡＤ変換や外部との通信を可能とする端子などを有する基板（不図示）を設けることができる。
【００５６】
また、図８Ａに示すように、伸延体３１は、出力軸の中心からの半径方向の距離に応じて、先端に向けて漸次細く形成されている。例えば、伸延体３１の先端部幅ｔ２を基端部幅ｔ１の略１／２としている。なお、各伸延体３１を先細状に形成する場合、円孔３０の中心３０ａからの距離に反比例するようにしてもよいし、あるいは、基端側から先端側にかけて縮小率を適宜変化させながら（基端側から中途までは縮小率を大にするなど）形成することもできる。
【００５７】
また、伸延体３１の幅は、少なくともトルクセンサ３の厚みよりも細くなるようにしている。例えば、伸延体３１最大幅（ここでは、基端部幅ｔ１）が、伸延体３１、外側環状体３２および内側環状体３４の厚みの１／２未満あるいは１／２以下に設定するとよい。なお、かかる幅や厚みの寸法比などは、歪ゲージＡ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４の感度などを勘案して適宜設定することができる。かかる構成により、伸延体３１に歪ゲージＡ１〜Ａ４（Ｂ１〜Ｂ４）を取り付ける際に、厳密な位置合わせなどすることなくトルク検出を容易かつ確実に行うことができる。また、かかる構成により、ｄ軸に重畳する高周波電流指令に対して感度が高いトルク検出信号を出力することができる。
【００５８】
上述してきたトルクセンサ３の配設位置については、例えば、モータ２により駆動される対象を可動部材とし、この可動部材と連動連結された部材を相対的に固定部材とした場合、トルクセンサ３は、この固定部材に取り付けることができる。そして、モータ２を可動部材に取付けるのである。
【００５９】
上述したように、トルクセンサ３は、複数の伸延体３１の各先端をそれぞれ連結した外側環状体３２を備えているため、かかる外側環状体３２を介して固定部材に取付けるとよい。このように、トルクセンサ３を固定部材に、モータ２を可動部材に取付けることにより、トルクセンサ３では外側環状体３２を介してモータ２よる駆動力の反力を用いて、トルク検出を効果的に行うことができる。
【００６０】
固定部材と可動部材とは相対的なものであり、例えば、図１に示したロボット１であれば、基台１０を固定部材とすれば胴部１１が可動部材となり、胴部１１を固定部材とすれば第１アーム部１２ａが可動部材となる。同様に、第１アーム部１２ａを固定部材とすれば、リスト部１３が可動部材となる。
【００６１】
以上、説明してきたように、上述してきた実施形態に係るモータ駆動システムは、モータ２と負荷となる可動部材との間に設けられたトルクセンサ３により検出されたトルク検出信号Ｔfbに基いて、速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部４３を有するモータ制御装置４を備えている。また、かかるモータ制御装置４の推定部４３は、高周波電流指令器４５からの高周波電流指令Ｉｄhfiを受信可能であり、高周波電流指令Ｉｄhfiとトルク検出信号Ｔfbとに基いて、モータ２の速度および位置のうち少なくとも一方を推定することができる。
【００６２】
したがって、本実施形態に係るモータ駆動システムによれば、耐環境性能を向上させ、かつトルクリプルなどを大幅に低減させることが可能になるとともに、高価な位置センサなどを用いる必要がないため、モータ駆動システムのコストダウンを図ることができる。
【００６３】
また、本実施形態に係るモータ駆動システムは、モータ２の永久磁石が埋設型であろうと表面設置型であろうと、特に種類を問わずに適用することができる。そのため、例えば、ロータの表面に永久磁石を張り合わせたパワー密度の高いＳＰＭＭ（Surface Permanent Magnet Motor）の使用も可能となり、モータ２の小型化にも寄与する。
【００６４】
ところで、上述してきた実施形態では、モータ駆動システムを、ロボット１に適用した例をあげて説明したが、モータ２によって駆動されるあらゆるものに適用することができる。また、トルクセンサ３の具体的な構成なども適宜変更することが可能である。
【００６５】
なお、さらなる効果やさらなる変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００６６】
２    モータ
３    トルクセンサ
４    モータ制御装置
５    減速機
６    エンコーダ（位置検出器）
３１    伸延体
３２    外側環状体
４３    推定部
５５  ｄｑ座標変換器（座標変換部）
【図１】
2014080456.tif 000003
【図２Ａ】
2014080456.tif 000004
【図２Ｂ】
2014080456.tif 000005
【図３】
2014080456.tif 000006
【図４】
2014080456.tif 000007
【図５】
2014080456.tif 000008
【図６】
2014080456.tif 000009
【図７】
2014080456.tif 000010
【図８Ａ】
2014080456.tif 000011
【図８Ｂ】
2014080456.tif 000012
【図９Ａ】
2014080456.tif 000013
【図９Ｂ】
2014080456.tif 000014
【図１０Ａ】
2014080456.tif 000015
【図１０Ｂ】
2014080456.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月8日(2016.7.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、当該モータと負荷との間に設けられたトルクセンサと、前記モータの駆動を制御するモータ制御装置と、前記モータへの出力電流に重畳される高周波電流指令を発生する高周波電流指令器と、
を備え、
前記モータ制御装置は、
前記トルクセンサにより検出されたトルク検出信号に基いて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部と、前記モータに同期したｄ−ｑ軸回転座標系のｄ軸成分およびｑ軸成分を演算し、ｄ軸電流およびｑ軸電流を導出する座標変換部と、を備え、
前記推定部は、
前記高周波電流指令を前記ｄ軸に重畳したときの前記トルク検出信号の振動成分を抽出する振動成分抽出部を備え、
当該振動成分抽出部で抽出した前記振動成分に基いて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する
ことを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項２】
前記推定部は、前記振動成分と前記ｄ軸に重畳した前記高周波電流指令との乗算結果に基いて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する、請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
前記トルクセンサは、
前記モータ、または当該モータに連動連結された減速機と、一体的に構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
前記トルクセンサは、
歪ゲージを取付可能であり、前記モータの出力軸または前記モータに連動連結された減速機の出力軸に対して外方へ延在した複数の伸延体を備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
前記伸延体は、
前記出力軸の中心からの半径方向の距離に応じて、先端に向けて漸次細く形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動システム。
【請求項６】
互いに連動連結した固定部材と可動部材とを備え、
前記固定部材に、前記複数の伸延体の各先端をそれぞれ連結した環状体を介して前記トルクセンサを取付ける一方、前記可動部材に前記モータを取付けた
ことを特徴とする請求項４または５に記載のモータ駆動システム。
【請求項７】
前記モータの位置を検出する位置検出器をさらに備え、
前記モータ制御装置は、
通常駆動時は、前記位置検出器の検出信号に基いて前記モータの駆動を制御するとともに、前記トルクセンサのトルク検出信号に基いてトルク補償を行う一方、
前記位置検出器の異常時には、前記推定部に、前記トルクセンサの検出信号に基いて前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定させる
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
【請求項８】
モータと負荷との間に設けられたトルクセンサにより検出されたトルク検出信号に基いて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する推定部と、
前記モータに同期したｄ−ｑ軸回転座標系のｄ軸成分およびｑ軸成分を演算し、ｄ軸電流およびｑ軸電流を導出する座標変換部と、
を備え、
前記推定部は、
高周波電流指令器からの高周波電流指令を受信可能であり、
前記高周波電流指令を前記ｄ軸に重畳したときの前記トルク検出信号の振動成分を抽出する振動成分抽出部を備え、
当該振動成分抽出部で抽出した前記振動成分に基いて、前記モータの速度および位置のうち少なくとも一方を推定する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【国際調査報告】
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