JP2005219133A - ロボット用サーボモータ制御装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 最大トルク特性及び／又は連続出力特性を調整できるロボット用サーボモータの制御装置および保守管理が容易なロボットを得る。
【解決手段】 ロボットを教示動作１サイクル実行させる。この動作のとき、各軸サーボモータＭで必要な最大トルクをトルク指令等によって求め、最大トルク不足が発生している場合には、弱め界磁電流補正計算手段１１で補正量を増大させて、ｄ相電流を増大させ最大トルクを増大させる。また、検出したモータ温度より連続定格出力不足となっているか判断し、連続定格出力不足となっているときは補正量を減少させｄ相電流を減少させて、連続出力特性を調整する。ロボットの各軸の駆動源として同一仕様のサーボモータを用いて、弱め界磁電流（ｄ相電流）を調整して、軸に応じた特性のサーボモータとする。ハードウェアが共通化され、ロボットの組み立て、保守管理が容易となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロボットの各軸を駆動するサーボモータの制御装置およびロボットに関する。

ロボットの各軸を駆動するサーボモータとしては、一般に永久磁石型の同期電動機が採用されている。この永久磁石型の同期電動機は、回転速度に比例した逆起電力が発生するために、高速回転時にはトルクに寄与しない無効電流を流すことで、逆起電力の影響を電機的にキャンセルする弱め界磁制御を行い、高速回転時の最大トルク特性を向上させる方法が各種採用されている。

例えば、モータの回転数に応じて、最大負荷時のモータ端子電圧をモータ制御装置の最大出力電圧以内にする最大負荷時ｄ相電流指令値と無負荷時のモータ端子電圧をモータ制御装置の最大出力電圧以内にする最小負荷時ｄ相電流指令値を求め、モータの負荷に応じて２つのｄ相電流指令値を内挿した値をｄ相電流指令とした弱め界磁制御が知られている（特許文献１参照）。
また、モータの回転数が設定回転数以上のときは、最大速度で最大出力時のｄ相電流と最大速度で無負荷時のｄ相電流との差とトルク指令に基づいて最大ｄ相電流値を求め、該ｄ相電流値に回転数をパラメータとする関数値を乗じてｄ相電流指令を求めて制御する弱め界磁制御も知られている（特許文献２参照）。

特開２００３−０５２１９９号公報 特開平８−２７５５９９号公報

上述したように、弱め界磁制御は、実際に電流をモータのコイルに流す必要があることから、この電流によってモータの発熱の原因となる。すなわち、弱め界磁制御を行うと、高速時のモータの最大トルク特性を向上させることができるが、モータの温度上昇で連続出力特性は逆に損なわれるという問題が生じる。
図３（ａ）は、弱め界磁制御を行ったときと、行わないときのモータ実速度に対する最大トルク特性を表した図である。この図より明らかなように、弱め界磁制御を行った方が、高速領域で最大トルクを向上させることができる。一方、図３（ｂ）は、弱め界磁制御を行ったときと、行わないときの、モータの実速度に対する連続定格トルク特性を表す図である。この図３（ｂ）に示すように、弱め界磁制御を行うと、高速領域で連続定格トルクが低下する。

一方、ロボットは、複数の関節軸を有し、各軸を駆動するためにサーボモータが使用される。このロボットに使用されるサーボモータにおいては、重力が作用する軸に対しては連続定格出力特性が重要になる。又、重力が作用しない軸では、加減速特性をよくし、ロボットの動作サイクルタイムを向上させることがのぞましい。そのため、従来は、ロボットの軸において、その軸の動作条件に適した特性の仕様のサーボモータを使用しており、軸によって使用するサーボモータの仕様が異なっている。
ロボットの各軸駆動に使用する各サーボモータの仕様が異なると、サーボモータと関連するハードウェアも異なったものを使用しなければならず、ハードウェアが異なれば、その保守メンテナンスも異なり不便である。ロボットの保守管理も複雑で面倒なものとなる。

そこで、本発明の目的は、最大トルク特性及び／又は連続出力特性を調整でき、ロボットのそれぞれの軸駆動に適したモータの出力特性に調整できるロボット用サーボモータの制御装置および、保守管理が容易なロボットを提供することにある。

本願請求項１に係わる発明は、同期電動機で構成され、ロボットの各軸を駆動するサーボモータの制御装置であって、サーボモータから発生する逆起電力を打ち消すための弱め界磁電流を流す手段と、該弱め界磁電流の大きさを調整する弱め界磁電流調整手段とを備えることを特徴とするものであり、請求項２に係わる発明は、この弱め界磁電流調整手段を、ロボットに教示動作を１サイクル実行させる手段と、該１サイクル動作中における最大トルク不足を判断する最大トルク不足判断手段とで構成し、最大トルク不足を判断されたとき弱め界磁電流を増大させるようにしたものである。また、請求項３に係わる発明は、前記弱め界磁電流調整手段を、ロボットに教示動作を１サイクル実行させる手段と、連続定格出力の不足を判断する連続定格出力不足判断手段とで構成し、連続出力が不足する場合に弱め界磁電流を減少させるようにしたものである。

さらに、請求項４に係わる発明は、前記弱め界磁電流調整手段を、ロボットに教示動作を１サイクル実行させる手段と、該１サイクル動作中における最大トルク不足を判断する最大トルク不足判断手段と、連続定格出力の不足を判断する連続定格出力不足判断手段ととで構成し、最大トルク不足を判断されたとき弱め界磁電流を増大させ、連続定格出力が不足する場合に弱め界磁電流を減少させるようにしたものである。請求項５に係わる発明は、前記最大トルク不足判断手段を、トルク指令が所定最大値に達したとき最大トルク不足と判断するものとし、請求項６に係わる発明は、最大トルク不足判断手段を、電流制御ループで出力する電圧指令が、インバータから供給可能な電圧の最大値に達したことをもって、最大トルクの不足と判断するものとした。また、請求項７に係わる発明は、最大トルク不足判断手段を、位置指令と実位置の差が所定値以上になることをもって、最大トルクの不足と判断するようにした。

請求項８に係わる発明は、前記連続定格出力不足判断手段を、モータに取り付けられた温度センサの出力が規定値よりも高くなったことをもって、連続定格出力の不足と判断するようにした。又、請求項９に係わる発明は、連続定格出力不足判断手段を、サーボモータに流れる実電流の２乗平均値が規定値よりも高くなったことをもって、連続定格出力の不足と判断するようにした。

また、請求項１０に係わる発明は、前記弱め界磁電流調整手段を、ロボットに所定の決められた動作を１サイクル実行される手段と、該１サイクル動作中の最大トルクに対する余裕度と連続定格出力のモータ定格出力に対する余裕度を算出する余裕度算出手段を備えるものとし、最大トルクに対する余裕度が少ない場合には弱め界磁電流を増やし、モータの定格出力に対する余裕度が少ない場合には弱め界磁電流を減らして、軸の特性に合わせて弱め界磁電流を最適化するようにした。また、請求項１１に係わる発明は、前記余裕度算出手段を、トルク指令を制限するリミット値に対する動作中の最大トルク指令値で前記最大トルクに対する余裕度を算出するようにした。請求項１２に係わる発明は、前記余裕度算出手段を、モータの定格トルクに対する動作中の軸毎のトルクの２乗平均値でモータの定格出力に対する余裕度を算出するものとした。

さらに、請求項１３に係わる発明は、ロボットに関する発明であり、上述したロボット用サーボモータの制御装置を用いたサーボモータであって、同一仕様のサーボモータを少なくとも２軸以上の軸の駆動源として用いたロボットとした。

最大トルク特性、連続定格出力特性を弱め界磁電流を増減させることによって調整することができるから、サーボモータが駆動するロボットの軸に応じて、最適特性のサーボモータとすることができる。重力が作用するような軸を駆動するサーボモータには連続定格出力特性を改善させ、重力がかからないような軸で最大トルクを高める必要のある軸を駆動するサーボモータに対しては、最大トルク特性を向上させ、加減速特性をよくすることができる。さらに、ロボットに教示された作業動作に応じて、各軸のサーボモータの特性をその作業動作に合わせて変更することができる。

また、同一仕様のサーボモータを少なくとも２軸以上に使用することで、ハードウェアの共通化ができ、ロボットの組み立て、保守管理が容易となる。

図１は、本発明の一実施形態におけるロボット用サーボモータの制御装置の要部ブロック図である。
上位制御装置から位置指令が出力され、該位置指令から永久磁石型の同期電動機で構成されたサーボモータＭの速度及び位置を検出するセンサＳからの位置フィードバックを減じて位置偏差を求め、位置制御器１は、該位置偏差にポジションゲインを乗じて速度指令を求める。該速度指令から、センサＳからの速度フィードバックωを減じて速度偏差をもとめ、該速度偏差に基づいて速度制御器２が比例積分等の速度ループ処理をしてトルク指令を求める。トルクリミット手段３で該トルク指令がサーボモータＭの仕様によって決まるトルクリミット値を超えていれば、該トルクリミット値に制限して電流指令生成器４に対するトルク指令ＴCMDとして出力する。

電流指令生成器４は、このトルク指令ＴCMDをｑ相の電流指令ＩQCMDとし、また、速度フィードバックで検出されるサーボモータの実速度ωに応じてパラメータ設定されているｄ相電流指令ＩDCMDを出力する。ｄ相電流指令値ＩDCMDに対しては、後述するように弱め界磁電流補正計算手段１１からの補正量を加算して、補正されたｄ相電流指令値をｄ相電流ループ処理に出力する。なお、弱め界磁電流補正計算手段１１とこの手段から出力される補正値を電流指令生成器４から出力されるｄ相電流指令値ＩDCMDに加算する手段によって本発明の弱め界磁電流調整手段を構成している。

補正されたｄ相電流指令値（ＩDCMD）、ｑ相電流指令値ＩQCMDからフィードバックされてくるｄ相電流Ｉd、ｑ相電流Ｉqをそれぞれ減じて電流偏差を求め、ｄ相電流制御器５ｄ，ｑ相電流制御器５ｑでｄ相電圧指令値ＶDCMD、ｑ相電圧指令値ＶQCMDを求める。このｄ相電圧指令値ＶDCMD、ｑ相電圧指令値ＶQCMDをｄｑ相から３相へ電圧指令を変換する変換手段６によって、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相の電圧指令に変換し、電力増幅器９を介してサーボモータＭを駆動制御する。

又、サーボモータＭに流れる３相電流の内２つの相の電流（図に示す例ではＵ相、Ｖ相の電流Ｉu、Ｉv）を電流検出器１０u、１０vで検出し、この３相電流の２つの相電流Ｉu、Ｉvより、３相からｄｑ相に変換する変換手段７でｄ相電流Ｉd、ｑ相電流Ｉq変換しフィードバックする。なお、符号８は、位置・速度センサＳで検出される信号よりサーボモータＭのロータ回転位置を検出するための積算カウンタであり、この積算カウンタ８よってロータの回転位置を検出し、該ロータ回転位置をｄｑ相から３相へ電圧指令を変換する変換手段６、３相電流からｄｑ相の電流へ変換する変換手段７に出力している。上述した各構成は、従来から公知のｄｑ変換によって制御を行うモータ制御装置と同一である。本発明においては、さらに、弱め界磁電流補正計算手段１１を備え、該弱め界磁電流補正計算手段１１で求めた弱め界磁電流補正値を求め、電流指令生成器４から出力されるｄ相電流指令値ＩDCMDに該弱め界磁電流補正値を加算し、ｄ相電流制御器５ｄへのｄ相電流指令値としている点に特徴を有するものである。また、この図１のブロック図で示した動作処理をプロセッサの処理によって実行する、いわゆるデジタルサーボ処理がなされるものであり、この点においても従来と同様である。

本発明は、図１に示すような弱め界磁電流補正計算手段１１を備えたサーボモータ制御装置により制御されるサーボモータをロボットの各軸駆動として使用するものであり、ロボットに教示された動作を１サイクル（繰り返し実行する動作の１サイクル）実行させて、そのときの最大トルク、連続定格トルクの大きさによって、本発明が特徴とする弱め界磁電流補正計算手段１１により、弱め界磁電流補正値を調整し、ｄ相電流指令を増減させるものである。ロボットに対して教示した動作を１サイクル実行させ、そのとき必要とする最大トルクに対して、サーボモータが出力できるトルクが不足している場合には、弱め界磁電流補正計算手段１１で弱め界磁電流補正値を増大させてｄ相電流指令値を増大させ、出力トルクを増大させるものである。また、連続定格出力が不足するような場合には、弱め界磁電流補正値を減少させてｄ相電流指令値を減少させるものである。

必要とする最大トルクに対してサーボモータが出力できるトルクが不足しているか否かの判断は、各種要素によって判断できる。１つは、速度制御器２から出力されるトルク指令値がトルク指令の最大値に達したかによつて、すなわちトルクリミット手段３でトルク指令を規制するトルク指令リミット値を超えたかによって、最大トルク不足か否かを判断する。

また、ｄ相，ｑ相の電流指令器５ｄ，５ｑの出力のｄ相電圧指令値ＶDCMD、ｑ相電圧指令値ＶQCMDの合成ベクトルがクランプ値（所定最大値）を超えたとき、又はｄｑ相から３相へ電圧指令を変換する変換手段６から出力されるＵ、Ｖ、Ｗ相の３相の電圧指令の合成電圧が電力増幅器９のインバータから供給される電圧の最大値に達したことをもって最大トルク不足と判断する。

さらには、位置指令と実位置との差である位置偏差が規定値以上なったことをもって最大トルク不足と判断することができる。

連続定格出力が不足するか否かについては、サーボモータＭに温度センサを取り付けて該温度センサで検出した温度所定既定値以上になったことをもって、連続定格出力が不足する。もしくは、電流検出器１０u、１０vで検出されるＵ，Ｖ相の実電流と該Ｕ，Ｖ相の実電流より算出されるＷ相の実電流の３相実電流の２乗平均値が所定規定値以上に達することによって連続定格出力が不足と判断する。

図１に示した例では、トルク指令値によって最大トルク不足か否かを判断し、サーボモータＭの温度を検出する温度センサからの検出温度によって連続定格出力が不足する例を示している。

図２は、このサーボモータ制御装置のプロセッサが実施する弱め界磁電流補正計算手段１１としての処理のフローチャートであり、所定周期毎実行される。
まず、速度制御器２の処理により求められたトルク指令を読み取り（ステップ１００）、該トルク指令が設定されている最大値を超え、トルク不足を招いていないか判断する（ステップ１０１）。トルク指令が最大値を超えてなければ、温度センサから送られてくる検出温度を読み取り（ステップ１０２）、該検出温度が設定された規定値を超えているか判断し（ステップ１０３）、超えてなければ、連続定格出力内としてこの弱め界磁電流補正計算処理を終了する。

一方、ステップ１０１で、トルク指令が設定されている最大値を超えていると判断されたときには、ｄ相電流補正量が最大値に達しているか判断し（ステップ１０５）、達していなければ、ｄ相電流補正量を所定量増加させる（ステップ１０６）。そして、サーボモータ制御装置のプロセッサは、電流指令生成器４の処理でｄ相、ｑ相電流指令ＩDCMD，ＩQCMDを求めたとき、この記憶されているｄ相電流補正量をｄ相電流指令ＩDCMDに加算して、補正されたｄ相電流指令とし、ｄ相電流フィードバック処理およびｄ相制御器５ｄの処理を行うことになる。図３（ａ）に示すように、高速回転時において最大トルクが減少するが、ｄ相電流指令ＩDCMDは増加された補正量が加算されて増大することになるから、サーボモータが出力可能な最大トルクが増大し、トルク不足を解消させることができる。
なお、ステップ１０５でｄ相電流補正量が最大値にまで達していれば、ｄ相電流補正量を増加させることなくこの処理を終了する。

また、ステップ１０３で、検出温度が規定値を超え、連続定格出力が不足する場合には、ステップ１０４に移行してｄ相電流補正量を所定量低下される。ｄ相電流補正量が低下し、ｄ相電流指令ＩDCMDが減少若しくは流さないようにすれば、図３（ｂ）に示すように、連続定格トルクは増大することになる。

以上がサーボモータ制御装置のプロセッサが実施する弱め界磁電流補正計算手段１１としての処理であるが、ロボットに対して教示された１サイクルの動作を１サイクル実行させ、ロボットの各軸を駆動する各サーボモータに対して、動作サイクルにおける最大トルクおよび連続定格出力に合わせて、ｄ相電流補正量を決定する。こうしてｄ相電流補正量を決定した後、再度ロボットを１サイクルの動作を実行させて、決定されたｄ相電流補正量を補正しながら動作させて、再度、図２に示す処理を行ってｄ相電流補正量を再度調整する等の処理を行って最適状態を形成する。

ロボットの各軸を駆動するサーボモータは、上述のようにしてｄ相電流補正量が調整されることになるから、重力が作用する軸を駆動するサーボモータの場合には連続定格出力特性を改善することができ、又、重力がかからないような軸を駆動するサーボモータに対しては加減速特性を改善することができるものである。

特に、ロボットの構成として、ロボットの各軸を駆動するサーボモータを仕様が同一のものを使用し、その制御装置も同一とする。そして、上述した弱め界磁電流補正によって各軸サーボモータの特性を変えることによって、対応する軸に適合したサーボモータとする。モータの仕様も、その制御装置等のハードウェアも同一仕様のものが使用でき共通化できるので、ロボットの製造、保守、管理が極めて容易になるものである。
又、ロボットの全ての軸に対して同一使用のサーボモータを使用しなくても、複数の軸に対して同一仕様のサーボモータを使用するようにして、ロボットに使用するサーボモータの種類（仕様）を少なくすることによっても、上述した効果を得ることができる。

また、完成されているロボットに対してそのロボットの各軸を駆動するサーボモータの特性を変更することができるものであるから、ロボットに教示する動作に応じて、サーボモータの特性をその教示動作に応じて最適のものに変更することができるものでもある。

図２に示した実施形態では、最大トルク不足判断手段として、トルク指令によって最大トルク不足を判断するようにしたが、上述したように、最大トルク不足は、電流制御ループで出力される電圧指令によって、又は位置指令と実位置との差である位置偏差によっても判断することができる。電圧指令で判断する場合には、図２の処理のステップ１００とステップ１０１の処理が、ｄ相電流制御器およびｑ相電流制御器の処理である電流制御ループ処理の出力のｄ相電圧指令ＶDCMD、ｑ相相電圧指令ＶQCMDの合成ベクトルを求め、このベクトルが最大値のクランプ値に達して最大トルク不足となっているかを判断する処理に代わるものである。もしくは、このｄ相電圧指令ＶDCMD、ｑ相相電圧指令ＶQCMDを３相の電圧指令に変換した３相電圧指令（図１におけるｄｑから３相への変換器６の出力）の合成電圧を求めてこの合成電圧がクランプ値に達しているかによって最大トルク不足となっているかを判断してもよい。さには、３相電圧指令の内いずれかの電圧指令がクランプ値を超えているかによって最大トルク不足となっているかを判断してもよい。

また、最大トルク不足判断手段として位置偏差によって最大トルク不足を判断するようにしてもよく、この場合には、ステップ１００、ステップ１０１の処理が、位置ループ処理において求められる位置偏差を読み取り該位置偏差が設定規定値以上となって最大トルク不足となっているかの判断処理に代わるものである。

また、図２に示した実施形態では、連続定格出力不足手段として、ステップ１０２、１０３の処理で、モータ温度によって連続定格出力不足を判断しているが、このステップ１０２、１０３の処理を、電流検出器１０ｕ，１０ｖで検出される実電流より、３相の各電流Ｉu，Ｉv，Ｉwを求め、その実電流の２乗平均値（√（Ｉu^２，Ｉv^２，Ｉw^２）／３）が規定値より高くなったかによって、連続定格出力不足かを判断する処理に代えもよいものである。
さらに、最大トルクに対する余裕度、連続出力のモータ定格出力に対する余裕度を求めて、この余裕度な応じて弱め界磁電流の補正量を決めるようにしてもよい。最大トルクに対する余裕度は、最大トルクに対する速度ループ制御によって出力される（速度制御器２の処理）トルク指令を制限するトルクリミット値（余裕度＝トルクリミット値／最大トルク値）によって求め、この余裕度が少ない場合には、弱め界磁電流の補正値を増大させるようにする。

また、連続出力のモータ定格出力に対する余裕度は、モータの定格トルクに対する実電流の２乗平均値によって求める。余裕度＝ｋ・モータの定格トルク／実電流の２乗平均値となる。なお、ｋは係数である。そしてこの余裕度が少ない場合は弱め界磁電流の補正値を減らすようにする。

本発明の一実施形態のブロック図である。 同実施形態における弱め界磁電流補正計算手段の処理のフローチャートである。 弱め界磁制御を行うときと行わないときのる最大トルクと連続定格トルクの説明図である。

符号の説明

１０ｕ，１０ｖ 電流検出器
Ｍ サーボモータ
Ｓ 位置、速度センサ

Claims (13)

1. 同期電動機で構成され、ロボットの各軸を駆動するサーボモータの制御装置において、サーボモータから発生する逆起電力を打ち消すための弱め界磁電流を流す手段と、該弱め界磁電流の大きさを調整する弱め界磁電流調整手段とを備えることを特徴とするロボット用サーボモータの制御装置。
2. 前記弱め界磁電流調整手段は、ロボットに教示動作を１サイクル実行させる手段と、該１サイクル動作中における最大トルク不足を判断する最大トルク不足判断手段とを備え、最大トルク不足を判断されたとき弱め界磁電流を増大させる請求項１に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
3. 前記弱め界磁電流調整手段は、ロボットに教示動作を１サイクル実行させる手段と、連続定格出力の不足を判断する連続定格出力不足判断手段とを備え、連続出力が不足する場合に弱め界磁電流を減少させることを特徴とする請求項１に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
4. 前記弱め界磁電流調整手段は、ロボットに教示動作を１サイクル実行させる手段と、該１サイクル動作中における最大トルク不足を判断する最大トルク不足判断手段と、連続定格出力の不足を判断する連続定格出力不足判断手段とを備え、最大トルク不足を判断されたとき弱め界磁電流を増大させ、連続定格出力が不足する場合に弱め界磁電流を減少させる請求項１に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
5. 前記最大トルク不足判断手段は、トルク指令が所定最大値に達したとき最大トルク不足と判断する請求項２又は請求項４に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
6. 前記最大トルク不足判断手段は、電流制御ループで出力する電圧指令が、インバータから供給可能な電圧の最大値に達したことをもって、最大トルクの不足と判断する請求項２又は請求項４に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
7. 前記最大トルク不足判断手段は、位置指令と実位置の差が所定値以上になることをもって、最大トルクの不足と判断する請求項２又は請求項４に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
8. 前記連続定格出力不足判断手段は、モータに取り付けられた温度センサの出力が規定値よりも高くなったことをもって、連続定格出力の不足と判断する請求項３又は請求項４に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
9. 前記連続定格出力不足判断手段は、サーボモータに流れる実電流の２乗平均値が規定値よりも高くなったことをもって、連続定格出力の不足と判断する請求項３又は請求項４に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
10. 前記弱め界磁電流調整手段は、ロボットに所定の決められた動作を１サイクル実行される手段と、該１サイクル動作中の最大トルクに対する余裕度と連続定格出力のモータ定格出力に対する余裕度を算出する余裕度算出手段を備え、最大トルクに対する余裕度が少ない場合には弱め界磁電流を増やし、モータの定格出力に対する余裕度が少ない場合には弱め界磁電流を減らして、軸の特性に合わせて弱め界磁電流を最適化する請求項１に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
11. 前記余裕度算出手段は、トルク指令を制限するリミット値に対する動作中の最大トルク指令値で前記最大トルクに対する余裕度を算出することを特徴とする請求項１０に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
12. 前記余裕度算出手段は、モータの定格トルクに対する動作中の軸毎のトルクの２乗平均値でモータの定格出力に対する余裕度を算出することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載のロボット用サーボモータの制御装置。
13. 請求項１乃至１２に記載のロボット用サーボモータの制御装置のいずれかを用いたサーボモータであって、同一仕様のサーボモータを少なくとも２軸以上の軸の駆動源として用いたロボット。
    

Images