JP2017034936A - モータ制御装置、モータ装置、及びモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したトルク制御を実現できるモータ制御装置、モータ装置及びモータ制御方法を提供する。【解決手段】本発明のモータ制御装置は、負荷側トルク指令値に応じて負荷に駆動力を機械的に伝達するモータの外乱トルクであるねじりトルクの測定値と前記負荷側トルク指令値とに基づいて加速度指令値を算出するバック・ドライバビリティ制御部と、前記モータの外乱トルクを推定する外乱オブザーバと、前記バック・ドライバビリティ制御部によって算出された前記加速度指令値及び前記外乱オブザーバから出力された前記モータの外乱トルクの推定値に基づいて前記モータに入力する電流指令値を算出する加速度制御部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置、モータ装置、及びモータ制御方法に関する。

産業用ロボット、パワーアシスト機器などの自動機器では、例えば、ロボットの関節などの可動部分にサーボモータが用いられている。例えばロボットのような自動機器は、負荷が減速機構を介してサーボモータに接続された負荷の位置と負荷にかかるトルクとを、サーボモータの回転軸の回転角度とトルクとを制御することで制御し、人間に近い作業を実現している。このような自動機器では、作業を行うとき、負荷に何らかの力がかかるなどの外乱が生じ、負荷からモータにねじりトルクなどの外乱トルクがかかると、負荷にかかるトルクが制御目標値に追従しなくなる場合がある。このような場合にも、速やかにトルクを制御目標値にし、安定したトルク制御をできるように、外乱トルクを考慮した制御装置が種々開発されている。

例えば、特許文献１に開示されているモータ制御装置は、モータへの電流指令値とモータの角速度応答値とを入力することにより、モータにかかった外乱トルクの推定値を出力するモータ側外乱オブザーバと、モータに接続された負荷の角速度応答値とモータ側外乱オブザーバからの推定値とを入力することにより、モータのねじりトルクと分離して負荷の外乱トルクの推定値を出力する負荷側外乱オブザーバとを備えている。

特許文献１に開示されているモータ制御装置は、負荷側外乱オブザーバからの外乱トルクの推定値を電流指令値にフィードバックして負荷にかかるトルクを制御し、外乱トルクを補償したトルク制御を実現している。

特開２００８−２２８４８４号公報

しかしながら特許文献１に開示されているモータ制御装置には、経年などによって制御系の特性が変化しても外乱オブザーバのパラメータを変更することができないので、外乱オブザーバによって外乱トルクを適切に補償できなくなり、安定したトルク制御を行うことが難しいという問題があった。

そこで、本発明は、安定したトルク制御を実現できるモータ制御装置、モータ装置及びモータ制御方法を提供することを目的とする。

本発明のモータ制御装置は、負荷側トルク指令値に応じて負荷に駆動力を機械的に伝達するモータの外乱トルクであるねじりトルクの測定値と前記負荷側トルク指令値とに基づいて加速度指令値を算出するバック・ドライバビリティ制御部と、前記モータの外乱トルクを推定する外乱オブザーバと、前記バック・ドライバビリティ制御部によって算出された前記加速度指令値及び前記外乱オブザーバから出力された前記モータの外乱トルクの推定値に基づいて前記モータに入力する電流指令値を算出する加速度制御部とを備えることを特徴とする。

本発明のモータ装置は、請求項１又は２に記載のモータ制御装置と、前記ねじりトルクを測定するトルク測定部とを備え、前記トルク測定部は、一端が減速機構を介して前記モータに接続され、負荷が接続される他端に前記負荷側トルク指令値に応じたトルクが生じる回転軸に配置された歪ゲージと、前記歪ゲージの抵抗変化を検出し、検出した前記抵抗変化から前記ねじりトルクを算出するトルク検出回路とを有することを特徴とする。

本発明のモータ制御方法は、負荷側トルク指令値に応じて負荷に駆動力を機械的に伝達するモータの外乱トルクであるねじりトルクの測定値と前記負荷側トルク指令値とに基づいて加速度指令値を算出し、前記加速度指令値及び外乱オブザーバによって推定された前記モータの外乱トルクの推定値に基づいて前記モータに入力する電流指令値を算出することを特徴とする。

本発明によれば、バック・ドライバビリティ制御部によって、実際に測定したねじりトルクの測定値を負荷側トルク指令値にフィードバックして外乱トルクを補償できると共に振動を抑制でき、外乱オブザーバで算出されたモータの外乱トルクの推定値を加速度制御部によって電流指令値にフィードバックしてモータの動摩擦を補償できるので、経年変化が生じた場合も外乱トルクを補償することができ、安定したトルク制御を実現できる。

本発明のモータ制御装置を用いたモータ装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の実施形態のトルク検出器一体型減速機の断面を示す概略図である。 本発明の実施形態のモータ制御装置を示すブロック線図である。 本発明の変形例のトルク検出器一体型減速機の断面を示す概略図である。 本発明の変形例のトルク検出器一体型減速機の断面を示す概略図である。

（１）本発明の実施形態のモータ制御装置を用いたモータ装置の構成
図１に示すように、本実施形態のモータ装置１は、モータ２と、モータ２の回転軸（図示しない）の一端に接続されたトルク検出器一体型減速機３と、モータ２の回転軸の他端に接続されたロータリエンコーダ４と、モータ２やトルク検出器一体型減速機３に電力を供給し、モータ２を制御するモータ制御装置５を備えている。

モータ２は、モータ制御装置５から電流が供給されると、回転軸を回転させてトルクを生じ、駆動力をトルク検出器一体型減速機３に伝達する。モータ２は、特に限定されず、本実施形態の場合、ＤＣモータである。

トルク検出器一体型減速機３は、回転軸６とトルク測定部８と減速機構１０とを備えており、モータ２の回転軸と回転軸６の一端とが当該減速機構１０を介して接続されている。トルク検出器一体型減速機３は、減速機構１０が、モータ２の回転軸の回転速度とトルクとを減速比に応じて変換し、回転軸６に伝達する。回転軸６の他端は、例えばロボットのアームのような負荷を接続できるようになされている。トルク検出器一体型減速機３は、さらに、トルク測定部８を備えており、当該トルク測定部８が回転軸６に生じたねじりトルクを測定して、当該ねじりトルクの測定値を出力する。

ロータリエンコーダ４は、モータ２の回転軸の位置、すなわち、所定の基準点からの回転軸の回転角度（以下、モータ２の位置応答値という。）を検出し、電気信号に変換して出力する。

モータ制御装置５は、モータ２、トルク検出器一体型減速機３、ロータリエンコーダ４とそれぞれ配線７ａ、７ｂ、７ｃを介して接続されている。

モータ制御装置５は、配線７ａを介してモータ２に電流を供給する。モータ制御装置５は、配線７ｂを介してトルク検出器一体型減速機３から出力されたねじりトルクの測定値を受け取る。モータ制御装置５は、配線７ｃを介してロータリエンコーダ４から出力されたモータ２の位置応答値を受け取る。

モータ制御装置５は、負荷が回転軸６に接続されたとき、当該負荷にかかるトルクが所定の値（後述する負荷側トルク指令値）に追従するように、負荷側トルク指令値とモータ２の位置応答値とねじりトルクとに基づいて電流指令値を算出し、電流指令値をモータ２に入力してモータ２を制御する。ここでは、電流指令値をモータに入力するということは、電流指令値に応じた直流電流をモータに供給することを意味している。

次に、トルク検出器一体型減速機３の構造についてさらに説明する。図２に示すように、トルク検出器一体型減速機３は、回転軸６と、トルク測定部８と、減速機構１０と、回転軸６の一部及び減速機構１０を収容する筐体１２と、回転軸６を筐体１２に対して回転自在に支持するベアリング１３と、ベアリング１３上に設けられた軸カバー１４とを備えている。

減速機構１０は、波動歯車機構であり、図示しないモータ２の回転軸２ａの先端に接続されたウエーブジェネレータ１０ａと、薄肉の金属でカップ形状に形成されて弾性を有し、当該カップの開口部１０ｄの外側面にギア歯（図示せず）が設けられたフレックススプライン１０ｂと、当該フレックススプライン１０ｂのギア歯と噛み合うギア歯（図示せず）が内側面に設けられたサーキュラスプライン１０ｃとを備えている。

ウエーブジェネレータ１０ａは、楕円状カムとカムの外周に配置されたボールベアリングとでなり、ボールベアリングの内輪がカムに固定され、ボールベアリングの外輪がボールを介して弾性変形する部品である。ウエーブジェネレータ１０ａは、モータ２の筐体（図示せず）に固定されたベアリング１６に支持された回転軸２ａの先端に、ねじ１１ｄによって固定されている。ウエーブジェネレータ１０ａは楕円形状をしており、フレックススプライン１０ｂに挿入されている。

フレックススプライン１０ｂは、回転軸６の一端がねじ１１ａよって底部１５に固定されており、フレックススプライン１０ｂが回転すると回転軸６も回転するようになされている。

サーキュラスプライン１０ｃは、リング状に形成された剛体であり、ねじ１１ｂによって筐体１２の内側面に固定されている。サーキュラスプライン１０ｃは、フレックススプライン１０ｂのギア歯よりも多くのギア歯を有している。このように、減速機構１０は筐体１２内に収容されている。

ウエーブジェネレータ１０ａがフレックススプライン１０ｂの開口部１０ｄに挿入された状態では、フレックススプライン１０ｂの開口部１０ｄが楕円形状に変形し、楕円形になったフレックススプライン１０ｂの開口部１０ｄの長軸方向の頂点にあるギア歯がサーキュラスプライン１０ｃのギア歯と噛み合う。その状態でウエーブジェネレータ１０ａが時計回りに回転すると、フレックススプライン１０ｂは、弾性変形し、サーキュラスプライン１０ｃのギア歯と噛み合う位置が移動する。ウエーブジェネレータ１０ａが１回転すると、フレックススプライン１０ｂは、サーキュラスプライン１０ｃとのギア歯の差分だけ初期位置と比較してフレックススプライン１０ｂのギア歯がサーキュラスプライン１０ｃギア歯と噛み合う位置がずれ、反時計回りに移動する。よって、ウエーブジェネレータ１０ａが１回転してもフレックススプライン１０ｂが１回転せず、フレックススプライン１０ｂに接続された回転軸６は、ギア歯の差分に応じて減速し、当該減速機構１０の減速比の分だけ減速する。

フレックススプライン１０ｂの底部１５近傍にある回転軸６と筐体１２との間の空間には、オイルシール２５が設けられている。オイルシール２５は、筐体１２に固定されていると共に、回転軸６に接触しており、回転軸６と筐体１２との間の空間をシールし、減速機構１０側のオイルが筐体１２内に飛散するのを防いでいる。

本実施形態では、減速機構１０として波動歯車機構を用いたが、減速機構１０は特に限定されず、減速機構１０として例えば遊星歯車機構など他の機構を用いてもよい。

回転軸６は、円柱形状をしており、減速機構１０に接続された一端が筐体１２に収容されており、他端が負荷を取り付けられるようにトルク検出器一体型減速機３から突出している。

回転軸６は、径が他の部分よりも小さく形成された起歪部６ａと、起歪部６ａよりもモータ２側に形成され、回転軸６から鍔状にせりだした円板形状の鍔部６ｂとを備えている。起歪部６ａは、歪ゲージ１８が貼着されている。起歪部６ａは、回転軸６の長手方向には強度を有して変形しないが、径が他の部分よりも小さく形成されているため、ねじれ方向には、変形する。その結果、歪ゲージ１８は、起歪部６ａに生じるねじれ（せん断歪み）によって歪み、歪ゲージ１８のせん断歪み量に応じた抵抗変化を生じる。

鍔部６ｂには、基板１９が基板固定支柱２０によって固定されている。基板１９はリング状の円板である。基板１９は、第１基板１９ａと第２基板１９ｂとでなり、第１基板１９ａの表面には歪ゲージ１８に結線されたトルク検出回路２９が設けられている。なお、基板１９は、円形状であることが好ましいが、四角形状や多角形状であってもよい。

トルク検出回路２９は、回転軸６に配置された歪ゲージ１８の抵抗変化を検出する例えばホイートストンブリッジ回路などの抵抗変化検出回路と、抵抗変化検出回路の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、このデジタル信号を処理するＣＰＵと、整流回路と、安定化回路とを備えている。

トルク検出回路２９は、デジタル信号に変換された抵抗変化検出回路の出力電圧信号から歪ゲージ１８に生じた抵抗変化を検出することで、歪ゲージ１８に掛かるせん断歪み量を測定でき、回転軸６に生じるねじりトルクを算出できる。

ＣＰＵは、デジタル信号に変換された抵抗変化検出回路の出力電圧信号に基づいてねじりトルクの測定値を算出し送信部２７へ送出する。

本実施形態の場合、歪ゲージ１８は、起歪部６ａの外周面に９０°間隔で４枚貼着されており、抵抗変化検出回路は、４枚の歪ゲージ１８で構成されたホイートストンブリッジ回路である。このように構成することで、回転軸６に生じたせん断歪みを確実に検出でき、歪ゲージ１８に生じた微小な抵抗変化を検出できるので、より確実にねじりトルクを検出できる。

なお、歪ゲージ１８の枚数及び抵抗変化検出回路の構成は、上述の様にするのが望ましいが、特に限定されない。

第２基板１９ｂの表面には、トルク検出回路２９に結線され、トルク検出回路２９から送出されたねじりトルク測定値の信号を無線で送信する送信部２７が設けられている。送信部２７は、ねじりトルクの測定値の信号をデジタル変調するデジタル変調回路（不図示）と、デジタル変調回路から出力されたデジタル変調信号に応じて赤外光を発光して当該デジタル変調信号を光信号に変換するＬＥＤなどの発光素子（不図示）とを備えている。

筐体１２に固定された筐体基板２４には、送信部２７から送信された光信号を受信する受信部２８が送信部２７と対向する位置に設けられており、送信部２７及び受信部２８間で赤外線通信などの無線通信ができるようになされている。

受信部２８は、送信部２７が発した赤外光を受光して光信号を電気信号（すなわち、送信部２７で光信号に変換される前のデジタル変調信号）に変換するフォトダイオードなどの受光素子（不図示）と、電気信号に変換したデジタル変調信号からねじりトルクの測定値の信号をデジタル復調によって取り出すデジタル復調回路（不図示）とを備えている。

デジタル復調回路は配線７ｂ（図２には不図示）に接続されており、モータ制御装置５にねじりトルクの測定値に対応した信号を送出する。

トルク検出回路２９及び送信部２７は、回転軸６と共に基板１９が回転するときにトルク検出回路２９及び送信部２７に掛かる遠心力の影響が回転軸６に及びにくいように、トルク検出回路２９及び送信部２７を構成する電子部品が配置されている。

本実施形態の場合、基板１９は、第１基板１９ａと第２基板１９ｂとの２枚の基板で構成されているが、基板の枚数は特に限定されず、１枚の基板で構成されていてもよく、３枚以上の基板で構成されていてもよい。特に、基板１９が基板１枚で構成されている場合は、回転軸６の長さを短くでき、トルク検出器一体型減速機３を小型化できるので好ましい。

さらに、回転軸６は、例えばフェライトシートなどの磁性体シートでなり、回転軸６の側面を覆う２次側コア２１ａと、２次側コア２１ａの表面に例えば銅線などの導電性の線材を巻回して形成された２次コイル２１ｂとを備える受電部２１が設けられている。

筐体基板２４には、受電部２１と対向する位置に筐体基板２４に固定されたコアホルダ２３に保持された送電部２２が配置されている。送電部２２は、コアホルダ２３に保持され、例えばフェライトなどの磁性体でなり、断面形状がコ字型となるように成形された１次側コア２２ａと、１次側コア２２ａの２つの突部間に例えば銅線などの導電性の線材を巻回して形成された１次コイル２２ｂとを備えている。

筐体基板２４には、配線７ｂ（図２には不図示）を介してモータ制御装置５（図２には不図示）と接続された図示しないスイッチング回路が設けられている。当該スイッチング回路は、モータ制御装置５から供給された直流電流を交流電流に変換している。スイッチング回路は、送電部２２と結線されており、変換した交流電流を送電部２２へ出力する。

送電部２２は、供給された交流電流を１次コイル２２ｂに流し、１次コイル２２ｂに交流磁界を発生させ、受電部２１の２次コイル２１ｂに電流を誘起する。よって、２次コイル２１ｂが１次コイル２２ｂから非接触で電力を受電できる。

受電部２１は、２次コイル２１ｂに誘起された交流電流をトルク検出回路２９に供給する。トルク検出回路２９は、供給された交流電圧を整流回路と安定化回路とによって直流電圧へと変換し、抵抗変化検出回路などに供給する。

回転軸６を筐体１２に対して回転自在に支持するベアリング１３は、接続部２６を介して筐体１２に設けられている。接続部２６は、中心に穴が形成されており、当該穴内に回転軸６の鍔部６ｂが配置され、接続部２６の穴の内側面２６ａが鍔部６ｂと所定の間隔を空けて対向するように、筐体１２に固定されている。

本実施形態の場合、ベアリング１３は、クロスローラベアリングであり、外輪１３ａと、内輪１３ｂと、円筒形状のコロ１３ｃとを備えている。ベアリング１３は、外輪１３ａが接続部２６に固定され、内輪１３ｂがねじ１１ｃによって鍔部６ｂに固定されることで、回転軸６が筐体１２に対して自在に回転できるように回転軸６を支持している。

このようにベアリング１３は、起歪部６ａよりも回転軸６の長手方向においてモータ２側で回転軸を支持している。本実施形態では歪ゲージ１８が、回転軸６の一部及び減速機構１０を収容する筐体１２に設けられたベアリング１３によって回転軸６が支持された位置よりも回転軸６の長手方向において負荷が接続される他端側に配置されているので、組み立て時のネジやボルトの締結に起因する応力が歪ゲージ１８を貼着した起歪部６ａに生じるのを抑制でき、当該応力の影響が歪ゲージ１８に及ぶのを抑制でき、より確実にねじりトルクを測定できる。

軸カバー１４は、ねじ１１ｅによってベアリング１３の外輪１３ａに固定されており、中心に穴が形成されている。当該穴は、軸カバー１４をベアリング１３に固定したとき、穴の内側面と回転軸６とが接触しない程度の大きさに形成されている。

本実施形態のトルク検出器一体型減速機３では、トルク測定部８は、上述の歪ゲージ１８とトルク検出回路２９と送信部２７と受信部２８と復調回路と受電部２１と送電部２２とで構成されている。

次いで、本実施形態のモータ制御装置５について説明する。図３は、モータ制御装置５を示すブロック線図３０である。図３に示すように、モータ制御装置５は、バック・ドライバビリティ制御部３８と、モータ２の外乱トルクを推定する外乱オブザーバ３４と、加速度制御部３３とを備えている。

モータ制御装置５は、トルク測定部８が測定したねじりトルクτ_ｓと、ロータリエンコーダ４が検出した位置応答値θ_ｍと、負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄとに基づいて電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを算出する。そしてモータ制御装置５は、当該電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆをモータ２へ入力してモータ２を駆動し、回転軸６に生じるトルクを負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄに追従させる。

図３に示すモータ制御装置５の各構成要素は、モータ２を制御する機能に着目して便宜的にモータ制御装置５の内部を分類したものであり、各構成要素が物理的に分割可能である必要はない。モータ制御装置５は、ＬＳＩなどを用いたハードウェアによって実現してもよく、コンピュータープログラムを用いたソフトウェアによって実現してもよい。

モータ制御装置５は、本実施形態ではモータ２へ電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを入力してモータ２を駆動しているが、モータ制御装置５外に設けられた外部電源を制御して電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆに応じた電流をモータ２へ供給してもよい。

モータ２及びトルク検出器一体型減速機３は、回転軸６が弾性を有していたり、減速機構１０のギア歯が弾性結合したりしているなどのために、所定の共振周波数で振動する機械共振系である。そのため、モータ２及びトルク検出器一体型減速機３を二慣性共振系の近似化モデルで表すことができるので、図３では、便宜的に、モータ２及びトルク検出器一体型減速機３は、二慣性共振系の近似化モデルを用いて表されている。また図３では、回転軸６（図３に不図示）に負荷３７が接続されている状態を示している。

二慣性共振系の近似化モデルで表したモータ２は、電流‐トルク変換器２ｂにより電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆにトルク定数Ｋ_ｔを乗算して電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆをトルク値に変換したものからトルク検出器一体型減速機３のトルク応答値τ^ｄｉｓを減算器２ｃによって減算することで、モータ２の回転軸２ａに生じる出力トルク値を等価的に算出する。トルク検出器一体型減速機３のトルク応答値τ^ｄｉｓは、モータ２にトルク検出器一体型減速機３から伝わるトルク、すなわち、モータ２の外乱トルクを意味している。

さらにモータ２は、減算器２ｃが算出した出力トルク値をトルク‐速度変換器２ｄによって速度に変換することで、モータ２の回転軸２ａの回転速度である速度応答値ω_ｍを等価的に算出する。なお、速度応答値ω_ｍは、図３に示すトルク‐速度変換器２ｄ内の項１／（Ｊ_ｍｓ＋Ｄ_ｍ）と、減算器２ｃからの出力トルク値とを乗算することで算出できる。Ｊ_ｍはモータ２の慣性モーメントであり、Ｄ_ｍはモータ２の粘性摩擦であり、ｓはラプラス演算子である。

二慣性共振系の近似化モデルで表したトルク検出器一体型減速機３は、ねじりトルクτ_ｓから回転軸６に接続された負荷３７の慣性変動や摩擦などの外乱トルクを包括的に含む負荷３７のトルク応答値τ_Ｌを減算器３ｃにより減算することで、回転軸６に生じる出力トルク値を等価的に算出する。

さらにトルク検出器一体型減速機３は、減算器２ｃが算出した出力トルク値をトルク‐速度変換器３ｄによって速度に変換することで、トルク検出器一体型減速機３の回転軸６の回転速度である速度応答値ω_Ｌを等価的に算出する。なお、速度応答値ω_Ｌは、図３に示すトルク‐速度変換器３ｄ内の項１／（Ｊ_Ｌｓ＋Ｄ_Ｌ）と、減算器３ｃからの出力トルク値を乗算することで算出できる。Ｊ_Ｌはトルク検出器一体型減速機３の慣性モーメントであり、Ｄ_Ｌはトルク検出器一体型減速機３の粘性摩擦である。

二慣性共振系の近似化モデルでは、トルク検出器一体型減速機３に生じるねじりトルクτ_ｓは、モータ２と負荷３７との速度差により生じるねじり角と、モータ２と負荷３７との間の機械共振振動に依存して定まるばね定数Ｋ_ｓとの積としてモデル化される。

すなわち、モータ２と負荷３７との速度差は、減速比逆変換器３ａでモータ２の速度応答値ω_ｍに減速比Ｒ_ｇの逆数を乗算して速度応答値ω_ｍを減速機構１０（図３に不図示）の減速比に応じて変換した値から、トルク検出器一体型減速機３の速度応答値ω_Ｌを減算器３ｂで減算することで算出される。

そして、ねじりトルクτ_ｓは、減算器３ｂによって算出した速度差を、ゲインとしてばね定数Ｋ_ｓを備える積分器３ｆによって積分して回転軸６のねじり角に変換すると共に、当該ねじり角にばね定数Ｋ_ｓを乗算することで等価的に算出される。

二慣性共振系の近似化モデルでは、このように算出されたねじりトルクτ_ｓが減算器３ｃに加わり、またこのねじりトルクτ_ｓに、減速比逆変換器３ｇによって減速比Ｒ_ｇの逆数を乗算して算出した値τ_ｓ／Ｒ_ｇがトルク応答値τ^ｄｉｓとして、モータ２の減算器２ｃに加わっているように表される。

なお、図３では、モータ２は、速度応答値ω_ｍを積分器２ｅで積分した値であるモータ２の位置応答値θ_ｍを出力し、トルク検出器一体型減速機３は、速度応答値ω_Ｌを積分器３ｅで積分した値である負荷３７の位置応答値θ_Ｌを出力するように示している。

実際には、回転軸６に物理的に生じたねじりトルクτ_ｓをトルク測定部８によって測定しているが、図３に示すブロック線図３０では、二慣性共振系の近似化モデルを適用しているので、上記の様にして算出されたねじりトルクτ_ｓをトルク測定部８によって測定しているように表している。

バック・ドライバビリティ制御部３８は、トルク測定部８によって測定されたねじりトルクτ_ｓの測定値と負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄとに基づいて加速度指令値を算出して回転軸６に生じるトルクが負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄに追従するようにすると共に、モータ２及びトルク検出器一体型減速機３の共振比を制御してモータ２及びトルク検出器一体型減速機３の振動を抑制する。

本実施形態の場合、バック・ドライバビリティ制御部３８は、回転軸６に生じるトルクを制御する負荷側トルク制御要素３１と、共振比を制御する共振比制御要素３２とを備えている。

負荷側トルク制御要素３１は、トルク測定部８によって測定されたねじりトルクτ_ｓの測定値と負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄとに基づいて加速度指令値としての負荷側加速度指令値^〜θ^{・・ｒｅｆ}を算出する。ここで「^〜」は負荷側の数値であることを意味し、「^・・」は２階微分であることを意味する。本実施形態では、負荷側トルク制御要素３１は、ねじりトルクτ_ｓの測定値と負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄとに基づいてＩ−ＰＤ制御を行い、回転軸６に生じるトルクが負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄに追従するようにする。

具体的には、負荷側トルク制御要素３１は、負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄからねじりトルクτ_ｓの測定値を減算器３１ａで減算し、減算器３１ａの出力を、積分ゲインＫ_ｉを備える積分制御器３１ｂに入力する。

さらに負荷側トルク制御要素３１は、ねじりトルクτ_ｓの測定値を、比例ゲインＫ_ｐを備える比例制御器３１ｃと微分ゲインＫ_ｄを備える疑似微分器３１ｄとにそれぞれ入力し、比例制御器３１ｃの出力と疑似微分器３１ｄの出力とを加算器３１ｅで加算する。

負荷側トルク制御要素３１は、積分制御器３１ｂの出力から加算器３１ｅの出力を減算器３１ｆで減算し、負荷側加速度指令値^〜θ^{・・ｒｅｆ}を算出する。このようにモータ制御装置５では、負荷側トルク制御要素３１によって、ねじりトルクτ_ｓが負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄにフィードバックされ、負荷３７を介して回転軸６にかかる外乱トルクが補償される。

なお、負荷側トルク制御要素３１は、負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄとトルク測定部８によって測定されたねじりトルクτ_ｓの測定値とに基づいて負荷側加速度指令値^〜θ^{・・ｒｅｆ}を算出していれば特に限定されず、比例制御器や積分制御制御器など１つの制御器のみを有していてもよく、比例積分制御器や比例微分制御器など２つの制御器を組み合わせたものでもよい。

また、負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄは、外部からモータ制御装置５に入力されてもよく、モータ制御装置５に備えられた記憶媒体にあらかじめ負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄを記憶しておき、当該記憶された負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄを用いてもよい。

共振比制御要素３２は、トルク測定部８によって測定されたねじりトルクτ_ｓの測定値に基づいて、負荷側トルク制御要素３１から入力された加速度指令値を補正する。共振比制御要素３２は、ねじりトルクτ_ｓの測定値を、ゲインＫ_ｒを備えるトルク‐加速度変換器３２ｂに入力してねじりトルクτ_ｓにゲインＫ_ｒを乗算し、トルクを加速度に変換する。

共振比制御要素３２は、負荷側加速度指令値^〜θ^{・・ｒｅｆ}から、トルク‐加速度変換器３２ｂからの出力を減算器３２ａで減じることで、負荷側加速度指令値^〜θ^{・・ｒｅｆ}を補正する。このようにして、共振比制御要素３２がモータ２及びトルク検出器一体型減速機３を含むシステムの共振比を制御することで、モータ制御装置５では、モータ２及びトルク検出器一体型減速機３の振動が抑制される。共振比は２．２３６程度の値となる。

なお、バック・ドライバビリティ制御部３８は、比例制御器３１ｃの比例ゲインＫ_ｐを適宜設定することで、ゲインＫ_ｒを０に設定しても、共振比を制御してモータ２及びトルク検出器一体型減速機３の振動を抑制できる。これは、モータ２及びトルク検出器一体型減速機３の振動が、ゲインＫ_ｒ及び比例制御器３１ｃの比例ゲインＫ_ｐの和Ｋ_ｐ＋Ｋ_ｒの値が所定の値で一定であれば、Ｋ_ｒ及びＫ_ｐの値を適宜変更しても抑制されるからである。

ゲインＫ_ｒを０に設定するということは共振比制御要素３２を有していないということと等価であるので、バック・ドライバビリティ制御部３８は、比例ゲインＫ_ｐの値によっては、共振比制御要素３２を省略できる。

同様に、バック・ドライバビリティ制御部３８は、ゲインＫ_ｒの値によっては、比例ゲインＫ_ｐが０となり、比例制御器３１ｃを省略できる。

減速比変換器３６は、ゲインとして減速比Ｒ_ｇを備えており、共振比制御要素３２で補正された負荷側加速度指令値^〜θ^{・・ｒｅｆ}をモータ側加速度指令値θ^{・・ｒｅｆ}に変換する。なお、減速機構１０の減速比が１である場合は、減速比変換器３６、減速比逆変換器３ａ、３ｇを設ける必要はない。この場合、負荷側加速度指令値^〜θ^{・・ｒｅｆ}がそのままモータ側加速度指令値θ^{・・ｒｅｆ}となる。

外乱オブザーバ３４は、モータ２への入力である電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆと、モータ２からの出力であり、ロータリエンコーダ４によって検出された位置応答値θ_ｍとに基づいてモータ２の外乱トルクの推定値＾τ^ｄｉｓを算出する。ここで「＾」は推定値であることを意味する。なお、本実施形態の場合、外乱オブザーバ３４は、電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆと位置応答値θ_ｍとに基づいて外乱トルクを推定しているが、本発明はこれに限られず、電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆとモータ２の速度応答値ω_ｍとに基づいて外乱トルクを推定してもよい。

加速度制御部３３は、モータ側加速度指令値θ^{・・ｒｅｆ}を、ゲインＪ_ｍｎ／Ｋ_ｔｎを備える加速度‐電流変換器３３ａに入力して加速度を電流に変換する。また、加速度制御部３３は、モータ２の外乱トルクの推定値＾τ^ｄｉｓを、ゲイン１／Ｋ_ｔｎを備えるトルク‐電流変換器３３ｃに入力し、トルクを電流に変換する。

加速度制御部３３は、加速度‐電流変換器３３ａの出力とトルク‐電流変換器３３ｃの出力とを加算器３３ｂで加算し、電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを算出する。ここで、Ｋ_ｔｎはトルク定数のノミナル値であり、Ｊ_ｍｎはモータ２の慣性モーメントのノミナル値である。

このようにモータ制御装置５では、加速度制御部３３によって、モータ２の入力と出力とに基づいて外乱オブザーバ３４で算出されたモータ２の外乱トルクの推定値＾τ^ｄｉｓが電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆにフィードバックされ、モータ２の動摩擦が補償される。

このようにモータ制御装置５は、加速度制御部３３で算出された電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆをモータ２に入力することで、負荷３７に掛かるトルクが負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄに追従するように制御できる。

（２）作用及び効果
以上の構成において、本実施形態のモータ制御装置５は、負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄに応じて負荷に駆動力を機械的に伝達するモータ２の外乱トルクであるねじりトルクτ_ｓの測定値と負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄとに基づいて加速度指令値としての負荷側加速度指令値^〜θ^{・・ｒｅｆ}を算出する算出するバック・ドライバビリティ制御部３８を備えるように構成した。

さらにモータ制御装置５は、モータ２に入力される電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆとロータリエンコーダ４によって検出された位置応答値θ_ｍとに基づいてモータ２の外乱トルクを推定し、モータ２の外乱トルクの推定値＾τ^ｄｉｓを出力する外乱オブザーバ３４と、バック・ドライバビリティ制御部３８によって算出され、減速比変換器でモータ側加速度指令値θ^{・・ｒｅｆ}に変換された加速度指令値及び外乱オブザーバから出力されたモータ２の外乱トルクの推定値＾τ^ｄｉｓに基づいてモータ２に入力する電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを算出する加速度制御部３３とを備えるように構成した。

よって本実施形態のモータ制御装置５は、バック・ドライバビリティ制御部３８によって、トルク測定部８が実際に測定したねじりトルクτ_ｓの測定値を負荷側トルク指令値τ^ｃｍｄにフィードバックして外乱トルクを補償できると共にモータ２及びトルク検出器一体型減速機３の共振比制御をして振動を抑制でき、モータ２の入力と出力とに基づいて外乱オブザーバ３４で算出されたモータ２の外乱トルクの推定値＾τ^ｄｉｓを加速度制御部３３によって電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆにフィードバックしてモータ２の動摩擦を補償できるので、経年変化が生じた場合も外乱トルクを補償することができ、安定したトルク制御を実現できる。

（３）その他の実施形態
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

上記の実施形態では、トルク検出器一体型減速機３の回転軸６に受電部２１を設け、受電部２１と対向する筐体基板２４に固定されたコアホルダ２３に保持された送電部２２を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限られない。

例えば、図２と同一の構成には同一の番号を付して示す図４に示すトルク検出器一体型減速機３０１のように、フレックススプライン１０ｂの外側面に受電部２１を設けてもよい。

この場合、トルク検出器一体型減速機３０１では、減速機構１０のフレックススプライン１０ｂの外側面を覆うようにシート状の２次側コア２１ａが配置され、２次側コア２１ａ上に２次コイル２１ｂが形成されて、受電部２１が設けられる。

このようなトルク検出器一体型減速機３０１は、フレックススプライン１０ｂの外側面に受電部２１が設けられているので、回転軸６の側面に受電部２１が設けられている実施形態のトルク検出器一体型減速機３０１よりも、筐体１２０１と回転軸６０１とを短くすることができ、小型化できる。

また、図２と同一の構成には同一の番号を付して示す図５に示すトルク検出器一体型減速機３０２のように、回転軸６０２に形成され歪ゲージ１８が貼着された起歪部６０２ａの外周を囲むように配置された円筒部材４２の外側面に受電部２１を設けてもよい。

この場合、回転軸６０２は、起歪部６０２ａと第１鍔部６０２ｂ及び第２鍔部６０２ｃの２つの鍔部とを備えている。第１鍔部６０２ｂは、起歪部６０２ａのモータ２側の端部に設けられ、円筒部材４２が装着されている。第２鍔部６０２ｃは起歪部６０２ａの回転軸６０２先端側の端部に設けられている。

円筒部材４２は、円筒形状に形成されており、鍔部６０２ｂと嵌合するように内径が鍔部６０２ｂの外径と同程度の大きさに形成されている。円筒部材４２は、一端が、鍔部６０２ｂのモータ２側端に形成された凸部６０２ｄと接触するまで、内部に鍔部６０２ｂが差し込まれている。円筒部材４２は、凸部６０２ｄによって装着位置が固定され、ねじ１１ｆによって鍔部６０２ｂに止着されている。円筒部材４２は、歪ゲージ１８が貼着された起歪部６０２ａの外周を囲むように配置されている。

受電部２１は、円筒部材４２の外周面を覆うようにシート状の２次側コア２１ａが配置され、当該２次側コア２１ａ上に２次コイル２１ｂが巻回されることで、円筒部材４２の外周面上に形成されている。

このようなトルク検出器一体型減速機３０２は、起歪部６０２ａを囲むように鍔部６０２ｂに装着された円筒部材４２の外周面に受電部２１が設けられているので、回転軸６の外周面の一部に直接受電部２１が設けられている実施形態のトルク検出器一体型減速機３よりも、筐体１２０２と回転軸６０２とを短くすることができ、小型化できる。

さらに、トルク検出器一体型減速機３０２では、基板１９も起歪部６０２ａの外周を囲むように配置されているので、筐体１２０２と回転軸６０２とをより短くすることができ、さらに小型化できる。

このように、円筒部材４２及び基板１９の両方が起歪部６０２ａの外周を囲むように配置されていることが望ましいが、円筒部材４２及び基板１９の少なくとも１つ以上が起歪部６０２ａの外周を囲むように配置されていれば、トルク検出器一体型減速機３を小型化できる。

なお、円筒部材４２と基板１９とは、円筒形状又はドーナツ状に形成されて起歪部６０２ａの外周を１周切れ目なく囲っているのが望ましいが、円筒部材４２や基板１９の一部が欠けて起歪部６０２ａの外周の一部を覆っていなくてもよい。

また、トルク検出器一体型減速機３０２は、回転軸６０２を筐体１２０２に対して回転自在に支持するベアリング１３０２として、ラジアル深溝玉ベアリングを備えている。ベアリング１３０２は、筐体１２０２に固定された接続部２６０２に固定された外輪１３０２ａと、回転軸６０２の第２鍔部６０２ｃに固定された内輪１３０２ｂと、外輪１３０２ａ及び内輪１３０２ｂ間に配置されたボール１３０２ｃとからなる。ベアリング１３０２は、筐体１２０２に装着された軸カバー１４０２によって覆われている。

さらに、トルク検出器一体型減速機３０２は、ラジアル深溝玉ベアリングでなり、減速機構１０近傍に設けられたベアリング４１を備えている。トルク検出器一体型減速機３０２は、ベアリング４１によって回転軸６０２を筐体１２０２に対して回転自在に支持されている。ベアリング４１は、筐体１２０２に固定された外輪４１ａと、回転軸６０２の１鍔部６０２ｂに固定された内輪４１ｂと、外輪４１ａ及び内輪４１ｂ間に配置されたボール４１ｃとからなる。このように、トルク検出器一体型減速機３０２は、回転軸６０２を２つのベアリング１３０２、４１によって支持するので、より確実に回転軸６０２を支持できる。

また、ベアリング４１は図示しないシール部材を備えており、減速機構１０側のオイルが筐体１２０２内に飛散するのを防いでいる。

このように、本発明では、回転軸を筐体に対して回転自在に支持するベアリングとしてクロスローラベアリング以外の他の種類のベアリングを用いてもよく、２つ以上のベアリングを用いて回転軸６を支持してもよい。

１ モータ装置
２ モータ
３ トルク検出器一体型減速機
５ モータ制御装置
６ 回転軸
８ トルク測定部
１０ 減速機構
３１ 負荷側トルク制御要素
３２ 共振比制御要素
３３ 加速度制御部
３４ 外乱オブザーバ
３８ バック・ドライバビリティ制御部

Claims (9)

1. 負荷側トルク指令値に応じて負荷に駆動力を機械的に伝達するモータの外乱トルクであるねじりトルクの測定値と前記負荷側トルク指令値とに基づいて加速度指令値を算出するバック・ドライバビリティ制御部と、
   前記モータの外乱トルクを推定する外乱オブザーバと、
   前記バック・ドライバビリティ制御部によって算出された前記加速度指令値及び前記外乱オブザーバから出力された前記モータの外乱トルクの推定値に基づいて前記モータに入力する電流指令値を算出する加速度制御部と
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記バック・ドライバビリティ制御部は、
   前記ねじりトルクの測定値と前記負荷側トルク指令値とに基づいて前記加速度指令値を算出する負荷側トルク制御要素と、
   前記ねじりトルクの測定値に基づいて前記加速度指令値を補正する共振比制御要素と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 請求項１又は２に記載のモータ制御装置と、
   前記ねじりトルクを測定するトルク測定部とを備え、
   前記トルク測定部は、
   一端が減速機構を介して前記モータに接続され、負荷が接続される他端に前記負荷側トルク指令値に応じたトルクが生じる回転軸に配置された歪ゲージと、
   前記歪ゲージの抵抗変化を検出し、検出した前記抵抗変化から前記ねじりトルクを算出するトルク検出回路とを有する
   ことを特徴とするモータ装置。
4. 前記歪ゲージが、前記回転軸の一部及び前記減速機構を収容する筐体に設けられたベアリングによって前記回転軸が支持された位置よりも前記回転軸の長手方向において前記他端側に配置される
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ装置。
5. 前記トルク測定部は、
   前記回転軸の一部及び前記減速機構を収容する筐体に固定される１次コイルと、
   前記１次コイルと対向するように前記減速機構に設けられ、前記１次コイルから非接触で電力を受電する２次コイルと
   を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載のモータ装置。
6. 前記トルク測定部は、
   前記回転軸の一部及び前記減速機構を収容する筐体に固定される１次コイルと、
   前記回転軸に装着された円筒部材に、前記１次コイルと対向するように設けられ、前記１次コイルから非接触で電力を受電する２次コイルとを備え、
   前記トルク検出回路が、前記回転軸に固定された基板に設けられ、
   前記円筒部材及び前記基板の少なくとも１つ以上が、前記歪ゲージが貼着された起歪部の外周を囲むように配置されている
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載のモータ装置。
7. 入力された前記電流指令値に応じたトルクを出力する前記モータと、
   前記モータに接続された減速機構と、
   前記減速機構に接続された前記回転軸と
   を備えることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載のモータ装置。
8. 負荷側トルク指令値に応じて負荷に駆動力を機械的に伝達するモータの外乱トルクであるねじりトルクの測定値と前記負荷側トルク指令値とに基づいて加速度指令値を算出し、
   前記加速度指令値及び外乱オブザーバによって推定された前記モータの外乱トルクの推定値に基づいて前記モータに入力する電流指令値を算出する
   ことを特徴とするモータ制御方法。
9. 前記ねじりトルクの測定値に基づいて前記加速度指令値を補正する
   ことを特徴とする請求項８に記載のモータ制御方法。
   
   

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