JP2018191371A - 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】より応答速度の速いねじり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。【解決手段】本発明のモータ制御装置５は、トルク指令値τｓｒｅｆ及びねじりトルクτｓを測定するトルクセンサ８の出力値τｓ’に基づいて参照電流指令値ｉｑｒｅｆを算出するねじりトルク制御部３１と、出力値τｓ’に基づいて参照電流指令値ｉｑｒｅｆを補正して、モータ２に出力する電流指令値ｉｑを算出する共振比制御部３２とを備え、ねじりトルク制御部３１は、２つ以上直列に接続された積分制御要素としての積分器３１ｂ、３１ｅを有していることを特徴とする。【選択図】図３

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では、例えば関節のような可動部分にサーボモータが用いられている。可動部分では、負荷が減速機構を介してサーボモータに接続されており、負荷にかかる加速度を制御することで負荷の速度と位置が制御されて人間に近い作業が実現されている。このようなモータと負荷の間に減速機が介在する制御系で、負荷にかかる加速度を制御するには、共振振動を抑えつつ、減速機負荷側のねじりトルクを制御することが必要である。

例えば、特許文献１には、負荷側のねじりトルクを測定するトルクセンサを備える減速機付きモータと、外乱オブザーバを用いて当該モータのねじりトルクをトルク指令値に追随させる制御装置とが開示されている。特許文献１に開示されているモータ制御装置は、トルクセンサの出力をトルク指令値にＰＩＤ制御要素を介してフィードバックして加速度指令値を算出している。当該モータ制御装置は、加速度指令値をねじりトルクの測定値に基づいて補正して減速機付きモータの共振比を制御している。そしてモータ制御装置は、補正された加速度指令値と、外乱オブザーバで推定された外乱トルクの推定値に基づいてモータに入力する電流指令値を算出して負荷側のねじりトルクを制御している。

特開２０１７−３４９３６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は、ねじりトルクの制御にオブザーバを使用しており、当該オブザーバの応答速度が遅いために、制御系の応答速度がオブザーバの応答速度に律速され、ねじりトルク制御の応答速度を上げにくい。また当該モータ制御装置は、微分要素を含んでいるために制御信号にノイズが入りやすく、制御の帯域を上げることが難しい。

そこで、本発明は、より応答速度の速いねじり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、トルク指令値に応じてモータに接続された減速機の出力軸に発生させるねじりトルクを制御するモータ制御装置であって、前記トルク指令値及び前記ねじりトルクを測定するトルクセンサの出力値に基づいて参照電流指令値を算出するねじりトルク制御部と、前記出力値に基づいて前記参照電流指令値を補正して、前記モータに出力する電流指令値を算出する共振比制御部とを備え、前記ねじりトルク制御部は、２つ以上直列に接続された積分制御要素を有していることを特徴とする。

本発明のモータ装置は、前記モータと、前記モータに接続された前記減速機と、前記減速機の出力軸に配置された前記トルクセンサと、請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ制御装置とを備えることを特徴とする。

本発明のモータ制御方法は、トルク指令値の入力に応じてモータに接続された減速機の出力軸に生じるねじりトルクを、トルクセンサで測定することと、前記トルクセンサの出力値を前記トルク指令値にフィードバックして参照電流指令値を算出することと、前記出力値に基づいて前記参照電流指令値を補正して、前記モータに入力する電流指令値を算出することとを含み、前記出力値と前記トルク指令値の偏差を２回以上積分して前記参照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、外乱オブザーバを用いて算出したねじりトルクの推定値をトルク指令値にフィードバックしてねじりトルクを制御する場合よりも速く、モータに接続された減速機の出力軸に生じるねじりトルクを、共振振動を抑制しつつトルク指令値に追従させることができる。

本発明の第１実施形態のモータ装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の第１実施形態の減速機の断面を示す概略図である。 本発明の第１実施形態のモータ制御装置を示すブロック線図である。 本発明の第１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。 本発明の変形例のモータ制御装置を示すブロック線図である。 本発明の第２実施形態のモータ制御装置を示すブロック線図である。 実施例１のシミュレーション結果を示す図であり、図８Ａがトルク指令値をステップ関数状に変化させたときの参照電流指令値の過渡応答を示す図であり、図８Ｂがトルク指令値をステップ関数状に変化させたときのねじりトルクの過渡応答を示す図である。 実施例２のシミュレーション結果を示す図であり、図９Ａはトルクセンサの帯域を１０００ｒａｄ／ｓとしたときの結果、図９Ｂはトルクセンサの帯域を４００ｒａｄ／ｓとしたときの結果、図９Ｃはトルクセンサの帯域を１００ｒａｄ／ｓとしたときの結果、図９Ｄはトルクセンサの帯域を５０ｒａｄ／ｓとしたときの結果を示す図である。 実施例３のシミュレーション結果を示す図であり、図１０Ａが加速度指令値をステップ関数状に変化させたときの参照電流指令値の過渡応答と外乱トルクを示す図であり、図１０Ｂが加速度指令値をステップ関数状に変化させたときの出力軸に発生する加速度の過渡応答を示す図である。

（１）本発明の第１実施形態のモータ装置の構成
図１に示すように、第１実施形態のモータ装置１は、モータ２と、モータ２の出力軸（図示しない）の一端に接続された減速機３と、モータ２の出力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、減速機３及びロータリエンコーダ４とそれぞれ配線７ａ、７ｂ、７ｃを介して接続されたモータ制御装置５を備えている。図１では、便宜上、配線７ａ、７ｂ、７ｃを１本の線として示している。配線７ａ、７ｂ、７ｃは、例えば入力用の配線と出力用の配線などのように複数本の配線を有していてもよい。

モータ２は、配線７ａを介してモータ制御装置５に接続されている。モータ制御装置５から配線７ａを介してモータ２に電流が供給されると、供給された電流の大きさに応じてモータ２は出力軸を回転させ、ねじりトルクを出力軸に発生させる。このねじりトルクによって減速機３が駆動される。モータ２は、本実施形態の場合、ＤＣモータであるが、特に限定されない。

減速機３は、出力軸６とトルクセンサ８と減速機構１０とを備えている。減速機構１０は、一端がモータ２の出力軸に接続され、他端が出力軸６に接続されている。減速機構１０は、モータ２の出力軸の回転速度とねじりトルクの大きさとを減速比に応じて変換する。減速機構１０がモータ２によって駆動されると、出力軸６が回転し、出力軸６にねじりトルクが発生する。

出力軸６の先端は、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。出力軸６に生じたねじりトルクによって、出力軸６に接続された負荷が駆動される。

トルクセンサ８は、出力軸６に設置されている。トルクセンサ８は、出力軸６に生じたねじりトルクを測定する。トルクセンサ８は、ねじりトルクの測定値を出力値として出力する。なお、トルクセンサ８は、出力軸６に生じるねじりトルクを測定することができれば、その設置位置については特に限定されない。本実施形態の減速機３の詳細な構造は後述する。

ロータリエンコーダ４は、モータ２の出力軸の位置、すなわち、所定の基準点からの出力軸の回転角度を検出し、電気信号に変換して出力する。

モータ制御装置５は、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、トルクセンサ８の出力値を、配線７ｂを介して受け取る。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、トルク指令値が入力されると、減速機３の出力軸６に発生するねじりトルクがトルク指令値に追従するように、モータ２を制御する。すなわち、モータ制御装置５は、トルク指令値とトルクセンサ８の出力値とに基づいて算出した電流指令値をモータ２に出力してモータ２を駆動して、ねじりトルクの大きさを制御する。ここでは、電流指令値をモータ２に出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２に供給することを意味している。

ここで、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、減速機３は、出力軸６と、トルクセンサ８と、減速機構１０と、出力軸６の一部及び減速機構１０を収容する筐体１２と、出力軸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、モータ２の出力軸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）が設けられたフレクスプライン１０ｂと、当該フレクスプライン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に支持された出力軸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はフレクスプライン１０ｂに挿入されている。

フレクスプライン１０ｂは、出力軸６の一端がねじ１１ａよって底部１５に固定されており、フレクスプライン１０ｂが回転すると出力軸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、フレクスプライン１０ｂのギア歯よりも多くのギア歯を有している。このようにして減速機構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がフレクスプライン１０ｂの開口部１０ｄに挿入された状態では、フレクスプライン１０ｂの開口部１０ｄが楕円形状に変形し、楕円形になったフレクスプライン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が回転すると、フレクスプライン１０ｂは、弾性変形しながらフレクスプライン１０ｂのギア歯がサーキュラスプライン１０ｃのギア歯と噛み合う位置がウエーブジェネレータ１０ａの回転に伴って移動する。

ウエーブジェネレータ１０ａが時計回りに１回転して初期位置に戻ると、サーキュラスプライン１０ｃとのギア歯の差分だけフレクスプライン１０ｂのギア歯がサーキュラスプライン１０ｃのギア歯と噛み合う位置が反時計回りに初期位置からずれる。すなわち、フレクスプライン１０ｂは、ギア歯の差分だけ初期位置から反時計回りに回転する。このように、ウエーブジェネレータ１０ａが時計回りに１回転しても、フレクスプライン１０ｂは反時計回りにギア歯の差分しか回転せず、フレクスプライン１０ｂに接続された出力軸６の回転速度が、モータ２の出力軸の回転速度に対して減速する。

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として例えばバックラッシが極少の減速機構など他の機構を用いてもよい。

フレクスプライン１０ｂの底部１５近傍にある出力軸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、出力軸６に接触しており、出力軸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。

出力軸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筐体１２から突出している。

出力軸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、出力軸６から鍔状にせりだした円板形状の鍔部６ｂとを有している。起歪部６ａには、歪ゲージ１８が貼着されている。起歪部６ａは、出力軸６の長手方向には強度を有していて変形しないが、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、多角形状であってもよい。

トルク検出回路２９は、出力軸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（いずれも図２には不図示）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、出力軸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、出力軸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出力値として送出する。

トルク検出回路２９及び送信部２７は、出力軸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出力軸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、出力軸６の長さを短くでき、減速機３を小型化できるので好ましい。

さらに、出力軸６には、例えばフェライトシートなどの磁性体シートでなり、出力軸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と対向する位置にコアホルダ２３が固定されている。コアホルダ２３は、送電部２２を保持している。送電部２２は、直方体形状の部材と、当該部材の長軸方向の両端で直方体の表面に垂直に同じ方向に突出した突部とを有する形状（断面形状がコ字型）をしており、例えばフェライトなどの磁性体で作られている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直方体形状の部材に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。なお、モータ制御装置５によって交流電流が供給される場合は、スイッチング回路は不要である。

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配線（図２には不図示）を介して供給する。

出力軸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、当該穴内に出力軸６の鍔部６ｂが配置され、接続部２６の穴の内側面２６ａと鍔部６ｂとが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、出力軸６が筐体１２に対して自在に回転できるように出力軸６を支持している。

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、穴の内側面と出力軸６とが接触しない程度の大きさに形成されている。

本実施形態の減速機３では、トルクセンサ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。トルクセンサ８の構成は、出力軸６に生じたねじりトルクを測定できれば、特に限定されない。

（２）本発明の第１実施形態のモータ制御装置の構成
次いで、第１実施形態のモータ制御装置５について、図３に示すブロック線図３０を用いて説明する。モータ２及び減速機３は、出力軸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ていたりするなどのために、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。よって図３では、便宜的に、モータ２及び減速機３を、二慣性共振系の近似化モデルを用いて表している。

また、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。

まずは、二慣性共振系の近似化モデルを用いて表したモータ２及び減速機３について説明する。本実施形態のモデルのモータ２は、Ｋ_ｔをゲインに有する乗算器２ｂと、１／Ｊ_ｍをゲインに有する乗算器２ｄと、Ｄ_ｍをゲインに有する乗算器２ｇと、減算器２ｃと、加算器２ｈと、２つの積分器２ｅ、２ｆとで構成される。図中の、Ｋ_ｔはトルク定数であり、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の粘性摩擦係数であり、ｓはラプラス演算子である。

本実施形態のモデルでは、電流指令値ｉ_ｑと、減速機３からモータ２の出力軸２ａ（図３には不図示）が受けるトルクの値であるトルク応答値とがモータ２に入力され、出力軸２ａの回転速度を表す速度応答値ω_ｍと出力軸２ａの回転角度を表す位置応答値θ_ｍとがモータ２から出力されるように表されている。

モータ２に入力された電流指令値ｉ_ｑは、乗算器２ｂにおいてトルク定数Ｋ_ｔを乗算され、電流指令値ｉ_ｑに応じたトルク値に変換される。当該トルク値は、減算器２ｃにおいて、後述するモータ２の外乱トルクτ_ｍ ^ｄｉｓを減算される。このようにして減算器２ｃでは、出力軸２ａに生じる出力トルク値が等価的に算出される。

出力トルク値は、乗算器２ｄに入力され、モータ２の出力軸２ａの慣性モーメントＪ_ｍの逆数を乗算される。乗算器２ｄでは、出力軸２ａに生じる加速度を表す加速度応答値α_ｍが等価的に算出される。加速度応答値α_ｍは、積分器２ｅに入力され、積分される。積分器２ｅでは、速度応答値ω_ｍが等価的に算出される。

速度応答値ω_ｍは積分器２ｆに入力されて積分される。積分器２ｆでは、位置応答値θ_ｍが等価的に算出される。一方で、速度応答値ω_ｍは乗算器２ｇにも入力され、粘性摩擦係数Ｄ_ｍが乗算される。乗算器２ｇでは、モータ２の粘性摩擦力が等価的に算出される。粘性摩擦力は、加算器２ｈに入力され、前述のトルク応答値と加算される。加算器２ｈでは、モータ２に生じる外乱トルクτ_ｍ ^ｄｉｓが等価的に算出される。

以上のように、電流指令値ｉ_ｑと、減速機３からのトルク応答値とに基づいて速度応答値ω_ｍと位置応答値θ_ｍとが算出され、モータ２から出力される。

本実施形態のモデルの減速機３の減速機構１０は、減速機構１０の減速比Ｒ_ｇの逆数をゲインに有する乗算器１０ｅ、１０ｈと、減算器１０ｆと、ばね定数Ｋ_ｓをゲインとして有する積分器１０ｇとで構成される。

二慣性共振系の近似化モデルでは、減速機３の出力軸６に生じるねじりトルクτ_ｓは、出力軸２ａ及び出力軸６の速度差により生じるねじり角と、モータ２及び減速機３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。

本実施形態のモデルでは、このようにしてねじりトルクを等価的に算出するため、出力軸２ａの速度応答値ω_ｍと減速機３の出力軸６の回転速度を表す速度応答値ω_ｌとが減速機構１０に入力されるように表されている。

また、本実施形態のモデルでは、ねじりトルクτ_ｓが、出力軸６と、帯域がＬ_ｓ（ｓ）であるトルクセンサ８とに出力され、前述のトルク応答値がモータ２に出力されるように表されている。

減速機構１０へ入力された速度応答値ω_ｍは、乗算器１０ｅで減速比Ｒ_ｇの逆数を乗算される。これは出力軸２ａの回転が減速機構１０で減速されることを表している。乗算器１０ｅでは、速度応答値ω_ｍが減速機構１０で減速後の回転速度、すなわち、出力軸６側での回転速度に変換される。

減算器１０ｆでは、減速後の値に変換された速度応答値ω_ｍから速度応答値ω_ｌが減算され、出力軸２ａと出力軸６との速度差が算出される。

減算器１０ｆの出力は、積分器１０ｇに入力され、積分されてばね定数Ｋ_ｓを乗算される。積分器１０ｇでは、出力軸２ａと出力軸６との速度差を積分することで出力軸２ａと出力軸６とのねじり角が算出され、当該積分結果にばね定数Ｋ_ｓが乗算されてねじりトルクτ_ｓが等価的に算出される。

算出されたねじりトルクτ_ｓは、減速機構１０から、トルクセンサ８と出力軸６とに出力される。またねじりトルクτ_ｓは乗算器１０ｈに入力されて減速比Ｒ_ｇの逆数を乗算される。乗算器１０ｈは、ねじりトルクτ_ｓをモータ２側の値に変換し、トルク応答値を算出する。トルク応答値は、減速機構１０からモータ２へ入力される。このようにして、ねじりトルクτ_ｓは減速機構１０を介してモータ２へも伝わる。

ねじりトルクτ_ｓを入力されたトルクセンサ８は、ねじりトルクτ_ｓの測定値として、出力値τ_ｓ’をねじりトルク制御部３１と共振比制御部３２とに出力する。モデルでは、便宜上、ねじりトルクτ_ｓが減速機構１０から出力されているように表されているが、実際には、出力軸６で発生したねじりトルクτ_ｓを出力軸６に設けられたトルクセンサ８で検出している。

出力軸６は、減算器６ｃと、出力軸６の慣性モーメントＪ_ｌの逆数をゲインとして有する乗算器６ｄと、積分器６ｅ、６ｆとを有し、ねじりトルクτ_ｓと、出力軸６の外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓが出力軸６に入力され、出力軸６の回転速度を表す速度応答値ω_ｌと出力軸６の回転角度を表す位置応答値θ_ｌとが出力軸６から出力されるように表されている。

出力軸６に入力されたねじりトルクτ_ｓは、減算器６ｃで出力軸６に入力された外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓを減算される。減算器６ｃでは、ねじりトルクτ_ｓから外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓ成分が除かれ、出力軸６に生じる出力トルク値が算出される。

出力トルク値は、乗算器６ｄに入力され、出力軸６の慣性モーメントＪ_ｌの逆数を乗算される。乗算器６ｄでは、出力軸６に生じる加速度を表す加速度応答値α_ｌが等価的に算出される。加速度応答値α_ｌは、積分器６ｅに入力され、積分される。積分器６ｅでは、速度応答値ω_ｌが等価的に算出される。

速度応答値ω_ｌは出力軸６から減速機構１０に出力される。一方で、速度応答値ω_ｌは積分器６ｆにも入力されて積分される。積分器６ｆでは、位置応答値θ_ｌが等価的に算出される。位置応答値θ_ｌは出力軸６から出力される。

続いて本実施形態のモータ制御装置５について説明する。モータ制御装置５は、ねじりトルク制御部３１と、共振比制御部３２とを備え、入力されたトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆ及びトルクセンサ８の出力値τ_ｓ’に基づいて電流指令値ｉ_ｑを算出し、モータ２に出力してモータ２を駆動し、減速機３の出力軸６に生じるねじりトルクτ_ｓをトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆに追従させる。

本実施形態では、モータ制御装置５がモータ２へ電流指令値ｉ_ｑ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に応じた電流をモータ２へ供給してもよい。

ねじりトルク制御部３１は、３つの減算器３１ａ、３１ｄ、３１ｇと、積分制御要素として２つの積分器３１ｂ、３１ｅと、比例制御要素として２つの乗算器３１ｃ、３１ｆとを含み、２つの積分制御要素、積分器３１ｂ及び積分器３１ｅが直列に接続されている。このように本実施形態では、ねじりトルク制御部３１は、いわゆるＩ−Ｐ−Ｉ−Ｐ制御系である。

ねじりトルク制御部３１は、図示しないトルク指令値入力部から出力されたトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆが入力され、トルクセンサ８から出力値τ_ｓ’が入力されるように構成されている。トルク指令値入力部は、キーボードやダイヤル、プッシュボタンなどの入力手段を有し、出力軸６に発生させたいねじりトルクの値を、入力手段を介して入力できるように構成されている。トルク指令値入力部は、入力された値をトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆとして出力する。

ねじりトルク制御部３１では、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆが、減算器３１ａに出力値τ_ｓ’と共に入力される。減算器３１ａは、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆから出力値τ_ｓ’を減算し、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆと出力値τ_ｓ’の偏差を出力する。

出力値τ_ｓ’は、比例ゲインＫ_ｐ１を有する乗算器３１ｃと比例ゲインＫ_ｐ２を有する乗算器３１ｆにも入力される。乗算器３１ｃでは出力値τ_ｓ’に比例ゲインＫ_ｐ１が乗算され、乗算器３１ｆでは出力値τ_ｓ’に比例ゲインＫ_ｐ２が乗算される。乗算器３１ｃ、３１ｆは、それぞれ乗算結果を出力する。

減算器３１ａの出力は、積分ゲインＫ_ｉを有する積分器３１ｂに入力されて積分される。積分器３１ｂは、積分結果に積分ゲインＫ_ｉを乗算し、乗算結果を出力する。積分器３１ｂの出力は、減算器３１ｄに入力され、乗算器３１ｃの出力が減算される。減算器３１ｄは減算結果を出力する。

減算器３１ｄの出力は、積分器３１ｅに入力される。積分器３１ｅは、減算器３１ｄの出力を積分し、積分結果を出力する。このように出力値τ_ｓ’とトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆの偏差が２回積分される。積分器３１ｅの出力は、減算器３１ｇに入力され、乗算器３１ｃの出力が減算されて、参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆが算出される。参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆは、共振比制御部３２に出力される。

このようにねじりトルク制御部３１は、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆにトルクセンサ８の出力値τ_ｓ’をフィードバックし、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆ及び出力値τ_ｓ’に基づいて参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを算出し、ねじりトルクτ_ｓをトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆに追従させる。

共振比制御部３２は、２つの加算器３２ｄ、３２ｆと、βをゲインとして有する乗算器３２ａと、Ｒ_ｇ ^−１をゲインとして有する乗算器３２ｂと、Ｄ_ｍｎをゲインとして有する乗算器３２ｃと、Ｋ_ｔｎ ^−１（１−β）をゲインとして有する乗算器３２ｅとを有している。ここで、βは共振比制御ゲインであり、Ｒ_ｇは減速機構１０の減速比であり、Ｄ_ｍｎはモータ２の粘性摩擦係数のノミナル値であり、Ｋ_ｔｎはモータ２のトルク定数のノミナル値である。

共振比制御部３２は、ねじりトルク制御部３１から参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆが入力され、トルクセンサ８から出力値τ_ｓ’が入力されるように構成されている。さらに共振比制御部３２は、ロータリエンコーダ４（図３には不図示）から出力された位置応答値θ_ｍに基づいて算出されたモータ２の速度応答値ω_ｍが入力されるように構成されている。なお、図３では、便宜的に、速度応答値ω_ｍがモータ２から乗算器３２ｃに直接入力されるように表されている。

共振比制御部３２では、入力された参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆが乗算器３２ａに入力され、乗算器３２ａが、参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆに共振比制御ゲインβを乗算し、乗算結果を出力する。入力された出力値τ_ｓ’が乗算器３２ｂに入力され、乗算器３２ｂが、出力値τ_ｓ’に減速比Ｒ_ｇの逆数を乗算し、乗算結果を算出する。入力された速度応答値ω_ｍが乗算器３２ｃに入力され、乗算器３２ｃが、速度応答値ω_ｍにモータ２の粘性摩擦係数のノミナル値Ｄ_ｍｎを乗算し、モータ２の粘性摩擦力を算出する。乗算器３２ｃは乗算結果を出力する。

乗算器３２ｂ及び乗算器３２ｃの出力は、加算器３２ｄに入力される。加算器３２ｄは、乗算器３２ｂの出力と乗算器３２ｃの出力を加算し、加算結果を出力する。加算器３２ｄの出力は、乗算器３２ｅに入力される。乗算器３２ｅは、加算器３２ｄの出力にゲインＫ_ｔｎ ^−１（１−β）を乗算し、乗算結果を出力する。

乗算器３２ｅの出力は、乗算器３２ａの出力と共に加算器３２ｆに入力される。加算器３２ｆは、乗算器３２ａの出力と乗算器３２ｅの出力とを加算し、電流指令値ｉ_ｑを算出する。共振比制御部３２は、電流指令値ｉ_ｑをモータ２に出力する。

このように共振比制御部３２は、出力値τ_ｓ’とモータ２の粘性摩擦力とに基づいて参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを補正して、電流指令値ｉ_ｑを算出し、モータ２及び減速機３の共振比を制御してモータ２及び減速機３の共振振動を抑制し、ねじりトルクτ_ｓの振動を抑制している。共振比制御ゲインβの値を変化させることで、モータ２及び減速機３の共振比を変え、モータ２及び減速機３の共振振動を抑制できる。

モータ制御装置５について、図３と同じ構成には同じ符号を付した図４を用いてさらに説明する。図４は、図３からモータ制御装置５の部分のみを取り出した図である。

モータ制御装置５は、ねじりトルク制御部３１において、２つの積分器３１ｂ、３１ｅが直列に接続され、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆと出力値τ_ｓ’の偏差が２回積分されるように構成されている。そのため、モータ制御装置５によって算出される電流指令値ｉ_ｑは、式（１）のように表される。

ここで、モータ制御装置５をモータ２から切り離した場合のトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆと電流指令値ｉ_ｑの関係を考える。この場合、モータ２がないので、出力値τ_ｓ’と速度応答値ω_ｍはともに０である。そうすると、式（１）の右辺はτ_ｓ ^ｒｅｆの項のみとなる。入力をトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆとし、出力を電流指令値ｉ_ｑとしたときの伝達関数は２次系である。そのため、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆとしてステップ関数をモータ制御装置５に入力したときの電流指令値ｉ_ｑの過渡応答が、２次の伝達関数のステップ応答の振る舞いとなる。

例えば、モータ２とモータ制御装置５の配線７ａを切断し、配線７ａから出力される電流を観察すると、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆをステップ関数状に変化させたときの電流指令値ｉ_ｑの過渡応答特性が、２次の伝達関数にステップ関数を入力したときの該伝達関数の出力の過渡応答特性であることを確認できることを意味している。

（３）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、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆに応じてモータ２に接続された減速機３の出力軸６に発生させるねじりトルクτ_ｓを制御するモータ制御装置であって、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆ及びねじりトルクτ_ｓを測定するトルクセンサ８の出力値τ_ｓ’に基づいて参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを算出するねじりトルク制御部３１と、出力値τ_ｓ’に基づいて参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを補正して、モータ２に出力する電流指令値ｉ_ｑを算出する共振比制御部３２とを備えるように構成した。

さらにモータ制御装置５は、ねじりトルク制御部が３１、２つ以上直列に接続された積分制御要素として積分器３１ｂ、３１ｅを有しているように構成した。

よって本実施形態のモータ制御装置５は、外乱オブザーバを用いて算出したねじりトルクの推定値をトルク指令値にフィードバックしてねじりトルクを制御する場合よりも速く、モータ２に接続された減速機３の出力軸６に生じるねじりトルクτ_ｓを、モータ２及び減速機３の共振振動を抑制しつつトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆに追従させることができる。

また本実施形態のモータ制御装置５は、共振比制御部３２が、出力値τ_ｓ’とモータ２の粘性摩擦力とに基づいて参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを補正して、電流指令値ｉ_ｑを算出している。

よって本実施形態のモータ制御装置５は、より確実にモータ２及び減速機３の共振振動を抑制できる。

（４）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、ねじりトルク制御部３１は、Ｉ−Ｐ−Ｉ−Ｐ制御系として構成したが本発明はこれに限られない。ねじりトルク制御部は、少なくとも２つの積分制御要素が直列に接続されていればよく、積分制御要素が２つ以上直列に接続されていてもよい。この場合、出力値τ_ｓ’とトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆの偏差が２回以上積分される。

ねじりトルク制御部が積分制御要素を２つ以上有する場合、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆとしてステップ関数をモータ制御装置に入力したときの電流指令値ｉ_ｑの過渡応答は、直列に接続された積分制御要素の数に応じた次数の伝達関数のステップ応答の振る舞いとなる。

このように、直列に接続された積分制御要素の数を増やすことで、変形例のモータ制御装置は、上記の実施形態のモータ制御装置５よりもノイズに強くなる。なお、本発明のモータ装置を使用する機械などがモータ装置に対して要求する性能にもよるが、直列に接続された積分制御要素の数は３つ以下であることがより望ましい。直列に接続された積分制御要素の数が２つ以上３つ以下であれば、制御系に外乱オブザーバを用いた場合よりも応答速度が速くかつノイズにも強いモータ制御装置を実現できる。

上記の実施形態では、共振比制御部３２が、出力値τ_ｓ’とモータ２の粘性摩擦力とに基づいて参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを補正して、電流指令値ｉ_ｑを算出するように構成したが、本発明はこれに限られず、モータ２の粘性摩擦係数のノミナル値Ｄ_ｍｎをゼロとみなし、Ｄ_ｍｎをゼロに設定する又はモータ制御装置５から乗算器３２ｃを除去し、粘性摩擦力を用いずに出力値τ_ｓ’のみを用いて参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを補正するようにしてもよい。

特にモータ制御装置５から乗算器３２ｃを除去した場合、ねじりトルク制御部３１の比例ゲインＫ_ｐ２を有する乗算器３１ｆを共振比制御部３２に組み込むこともできる。図３と同じ構成には同じ符号を付した図５に示されているブロック線図３０Ａのように、このような共振比制御部３２Ａは、実施形態の共振比制御部３２の構成要素に加えて、比例ゲインＫ_ｐ２を有する乗算器３１ｆと、共振比制御ゲインβを有する乗算器３２ｇと、減算器３２ｈとを有する。

乗算器３１ｆの出力は、乗算器３２ｇに入力され、共振比制御ゲインβを乗算される。乗算器３２ｇは、乗算結果を減算器３２ｈに出力する。減算器３２ｈは、乗算器３２ａと加算器３２ｆの間に配置され、乗算器３２ａの出力から乗算器３２ｇの出力を減算し、減算結果を加算器３２ｆに出力する。

この場合、ねじりトルク制御部３１Ａは、Ｉ−Ｐ−Ｉ制御系となる。なお実際には、ブロック線図３０Ａのモータ制御装置５Ａは、ねじりトルク制御部３１が乗算器３１ｆを有している場合と等価である。

さらに、モータ制御装置５Ａの共振比制御部３２Ａの乗算器３１ｆ、３２ｂ、３２ｅ、３２ｇを統合して、図３と同じ構成には同じ符号を付した図６に示されているブロック線図３０Ｂのように、比例ゲインＫ_ｐ３を有する乗算器３１ｈとすることができる。このとき、Ｋ_ｐ３は式（２）で表され、モータ制御装置５Ｂは、モータ制御装置５Ａと等価である。

この場合、図６に示すように、モータ制御装置５Ｂは、見かけ上、２つの積分制御要素としての積分器３１ｂ、３１ｅと２つの比例制御要素としての乗算器３１ｃ、３１ｈを有するねじりトルク制御部３１Ｂで構成される。

乗算器３１ｈは、入力された出力値τ_ｓ’に、比例ゲインＫ_ｐ３を乗算し、その結果を加算器３２ｊに出力する。加算器３２ｊは乗算器３２ａの出力と乗算器３１ｈの出力とを加算し、電流指令値ｉ_ｑを算出する。

このとき、モータ２及び減速機３の共振比は、乗算器３２ａの共振比制御ゲインβの値と乗算器３１ｈの比例ゲインＫ_ｐ３の値とを適宜設定することで制御される。すなわち、ねじりトルク制御部３１Ｂ内の乗算器３２ａ、３１ｈが共振比制御部として機能する。よって、モータ制御装置５Ｂは、ねじりトルク制御部３１Ｂに組み込まれる形で、実質的に、共振比制御部３２Ｂを有しているということができる。

（５）本発明の第２実施形態のモータ装置
第２実施形態のモータ装置は、第１実施形態のモータ装置とはモータ制御装置が異なるが、他の構成は同様であるので、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図３と同じ構成には同じ番号を付した図７は、第２実施形態のモータ制御装置４５を示すブロック線図４０である。本実施形態のモータ制御装置４５は、ねじりトルク制御部３１と、共振比制御部３２と、負荷側加速度制御部４１とを有し、減速機３の出力軸６に発生させる加速度応答値α_ｌが、加速度応答値α_ｌの目標値である加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆに追随するようにモータ２を制御する。

負荷側加速度制御部４１は、出力軸６の慣性モーメントのノミナル値Ｊ_ｌｎをゲインとして有する乗算器４１ａと、出力軸６の外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓを推定する外乱トルク推定要素４１ｂと、加算器４１ｃとを有している。負荷側加速度制御部４１は、トルクセンサ８の出力値τ_ｓ’とモータ２の回転速度を表す速度応答値ω_ｍと加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆとが入力され、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆを出力するように構成されている。

乗算器４１ａは、入力された加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆにゲインＪ_ｌｎを乗算し、加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆをトルク値に変換し、加算器４１ｃに出力する。外乱トルク推定要素４１ｂは、モータ２の回転速度を表す速度応答値ω_ｍ及びトルクセンサ８の出力値τ_ｓ’が入力され、モータ２の回転速度と出力値から減速機３の出力軸６の外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓの推定値＾τ_ｌ ^ｄｉｓを算出し、加算器４１ｃに出力する。モデル上、速度応答値ω_ｍがモータ２から外乱トルク推定要素４１ｂに直接入力されるように表しているが、実際には、ロータリエンコーダ４（図７には不図示）から出力された位置応答値θ_ｍに基づいて算出されたモータ２の速度応答値ω_ｍが入力されるように構成されている。

本実施形態の場合、外乱トルク推定要素４１ｂは、速度応答値ω_ｍと出力値τ_ｓ’とから外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓの推定値＾τ_ｌ ^ｄｉｓを算出する外乱オブザーバである。加算器４１ｃは、乗算器４１ａの出力と外乱トルク推定要素４１ｂの出力とを加算してトルク指令値τ_ｓ ^ｌｅｆを算出し、ねじりトルク制御部３１に出力する。

外乱トルク推定要素４１ｂは、速度応答値ω_ｍと出力値τ_ｓ’とから外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓの推定値＾τ_ｌ ^ｄｉｓを算出できれば特に限定されず、外乱オブザーバを用いなくてもよい。例えば、速度応答値ω_ｍと出力値τ_ｓ’とから状態オブザーバを構成して出力軸６の回転速度の推定値を算出し、当該推定値から、出力軸６の慣性力と粘性摩擦力を逆動力学計算して差し引くことで、外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓの推定値＾τ_ｌ ^ｄｉｓを算出することができる。

以上の構成において、本実施形態のモータ制御装置４５は、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆに応じてモータ２に接続された減速機３の出力軸６に発生させるねじりトルクτ_ｓを制御するモータ制御装置であって、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆ及びねじりトルクτ_ｓを測定するトルクセンサ８の出力値τ_ｓ’に基づいて参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを算出するねじりトルク制御部３１と、出力値τ_ｓ’に基づいて参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆを補正して、モータ２に出力する電流指令値ｉ_ｑを算出する共振比制御部３２とを備えるように構成した。

そしてモータ制御装置４５は、ねじりトルク制御部が３１、積分制御要素として２つ以上直列に接続された積分制御要素としての積分器３１ｂ、３１ｅを有するように構成した。

さらにモータ制御装置４５は、減速機３の出力軸６に発生させる加速度応答値α_ｌの目標値である加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆと、モータ２の速度応答値ω_ｍ及び出力値τ_ｓ’から算出された減速機３の出力軸６の外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓの推定値＾τ_ｌ ^ｄｉｓとに基づいてトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆを算出する負荷側加速度制御部４１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、外乱オブザーバを用いて算出したねじりトルクの推定値をトルク指令値にフィードバックしてねじりトルクを制御する場合よりも速く、モータ２に接続された減速機３の出力軸６に生じるねじりトルクτ_ｓを、モータ２及び減速機３の共振振動を抑制しつつ制御できるので、その分だけ早く減速機３の出力軸６に生じる加速度応答値α_ｌを加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆに追従させることができる。

（実施例１）
実施例１として、第１実施形態のモータ装置１を図３のブロック線図３０をもとにシミュレーションモデルとして作製し、シミュレーションにより、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆをステップ関数状に変化させたときの、出力軸６に発生するねじりトルクτ_ｓの応答特性を解析した。

ブロック線図３０をもとに、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆを入力、ねじりトルクτ_ｓを出力としたときの制御系の伝達関数を導出すると、下記の式（３）として表される。

式（４ａ）、式（４ｂ）、式（４ｃ）、式（４ｄ）は式（３）の各係数を表している。

次に、共振比制御ゲインβ、積分ゲインＫ_ｉ、比例ゲインＫ_ｐ１、Ｋ_ｐ２の値を決める。式（４ａ）から（４ｄ）の他の係数はモータや減速機などによって所与の値であるので、これらの値を決めることで、伝達関数のパラメータが定まり、上記式（３）の伝達関数の特性が決まる。よって、逆に、式（３）の伝達関数に持たせたい所望の特性をあらかじめ設定し、その特性を有する伝達関数のパラメータを定め、当該パラメータから、その特性を実現するために必要な共振比制御ゲインβ、積分ゲインＫ_ｉ、比例ゲインＫ_ｐ１、Ｋ_ｐ２の値を決定することができる。ただし、設定する所望の伝達関数は式（３）の伝達関数と次数を合わせる必要がある。

このとき、所望の特性を有する伝達関数がバターワースフィルタ又はベッセルフィルタとなるようすることが望ましい。バターワースフィルタ又はベッセルフィルタは、ステップ入力に対して出力が振動少なく定常値に達する過渡応答特性を有しているので、式（３）の伝達関数もこのような特性を有するようになり、望ましい。式（３）の伝達関数がバターワースフィルタ又はベッセルフィルタの伝達関数となるように、共振比制御ゲインβ、積分ゲインＫ_ｉ、比例ゲインＫ_ｐ１、Ｋ_ｐ２の値を決定することで、ねじりトルクτ_ｓの値が、振動することが抑制され、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆの値に素早く追従するようになる。

とくに、式（３）の伝達関数がベッセルフィルタの伝達関数となるようにすることが望ましい。ベッセルフィルタは、ステップ入力に対する出力の立ち上がりがバターワースフィルタよりも急峻で、出力がオーバーシュートすることなく定常値に達するからである。式（３）の伝達関数がベッセルフィルタの伝達関数となるようにすることで、ねじりトルクτ_ｓの値が、オーバーシュートすることなく、そして、素早くトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆの値に追従するようになる。

今回は、所望の伝達関数を式（５）で表される伝達関数に設定した。

式（５）であらわされる伝達関数は、２次のローパスフィルタを直列に２つ接続したフィルタの伝達関数と等価である。ここで、ω_１、ω_２は制御帯域、ζ_１、ζ_２は制動係数であり、適宜設定することができる。これらの係数を変えることで、フィルタの特性を変えることができ、式（５）の伝達関数をバターワースフィルタやベッセルフィルタの伝達関数にできる。

続いて式（３）、式（４ａ）から式（４ｄ）と、式（５）の係数を比較して共振比制御ゲインβ、積分ゲインＫ_ｉ、比例ゲインＫ_ｐ１、Ｋ_ｐ２の値を計算すると、以下の式（６）、式（７）、式（８）、式（９）として表すことができる。

これらの式に、各係数を代入することで共振比制御ゲインβ、積分ゲインＫ_ｉ、比例ゲインＫ_ｐ１、Ｋ_ｐ２の値を決めることができる。実際にモータ制御装置を作成する場合は、このようにして決定した値を用いる。

本実施例では、下記に示す表１、表２のパラメータを用いてトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆをステップ関数状に変化させたときの、ねじりトルクτ_ｓの過渡応答をシミュレーションした。

なおシミュレーションでは、トルクセンサ８の出力に、遮断周波数がトルクセンサ８の帯域であるローパスフィルタを設けることで、トルクセンサ８の帯域を考慮し、より実際に近い形にしている。

ここで、Ｊ_ｍｎ＝Ｊ_ｍ、Ｊ_ｌｎ＝Ｊ_ｍ、Ｄ_ｍｎ＝Ｄ_ｎ、Ｋ_ｔｎ＝Ｋ_ｔとした。ω_ａはモータ２及び減速機３の***振周波数、ω_ｒはモータ２及び減速機３の共振周波数、Ｈ_ｎは自然共振比、ｇ_ｓはトルクセンサ８の帯域、Ｊ_ｍ’＝β^−１Ｊ_ｍは共振比制御ゲインで修正したモータ２の慣性モーメント、Ｈは共振比制御によって変更された共振比である。なお、表１に示すパラメータは、実際に使用するモータ装置から同定した値である。表２に示すパラメータは、トルクセンサ８の帯域ｇ_ｓ、制御帯域ω_１、ω_２、制動係数ζ_１、ζ_２を除き、表１に示すパラメータを用いて算出した値である。

図８は、シミュレーション結果を示したものである。図８Ａは、横軸が時間、縦軸が電流値を表し、参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆの時間変化を表している。図８Ｂは、横軸が時間、縦軸はトルク値を表し、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆ（図８Ｂ中の実線）とねじりトルクτ_ｓ（図８Ｂ中の破線）の時間変化を表している。

図８Ｂを見ると、時間０秒でトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆが１Ｎｍになっている。時間０秒でトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆがステップ関数状に変化しており、この時、モータ制御装置５にトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆが入力されたことを意味している。一方で、ねじりトルクτ_ｓは、時間０秒から徐々に増加し、最終的には１Ｎｍになり、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆと同じ値になっている。そして、ねじりトルクτ_ｓは振動していない。これは、モータ制御装置５にトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆが入力されたことで、ねじりトルクτ_ｓが徐々に発生し始め、最終的にはねじりトルクτ_ｓがトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆに追従したこと、共振振動が抑制されていることを意味している。

このとき、図８Ａに示されているように、参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆは時間０から徐々に増加し始め、ねじりトルクτ_ｓがトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆに追従すると、時間に比例して増加している。参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆは、トルク制御をおこなっている間、実際的な電流量となっていることから、シミュレーションが適切に行われたことが確認できる。

このように、シミュレーション結果から、モータ制御装置５が共振振動を抑制しつつねじりトルクτ_ｓがトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆに追従するように制御できることを確認できた。

（実施例２）
次に、実施例２として、トルクセンサ８の帯域ｇ_ｓのみ実施例１のシミュレーションモデルと変化させて、同様にトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆをステップ関数状に変化させたときの、ねじりトルクτ_ｓの過渡応答をシミュレーションし、トルクセンサ８の帯域ｇ_ｓがねじりトルク制御へ及ぼす影響を検証した。

そのシミュレーション結果を図９に示す。図９の各図は、横軸が時間、縦軸がトルク値を表している。図中の実線がトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆ、図中の破線がねじりトルクτ_ｓ、図中の点線が出力軸６の外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓを表している。図９Ａはｇ_ｓ＝１０００ｒａｄ／ｓとしたときのシミュレーション結果、図９Ｂはｇ_ｓ＝４００ｒａｄ／ｓとしたときのシミュレーション結果、図９Ｃはｇ_ｓ＝１００ｒａｄ／ｓとしたときのシミュレーション結果、図９Ｄはｇ_ｓ＝５０ｒａｄ／ｓとしたときのシミュレーション結果をそれぞれ示している。

トルクセンサ８の帯域ｇ_ｓが大きいほうが、振動が減少していることがわかる。このことから、帯域ｇ_ｓが大きいトルクセンサを用いてねじりトルクτ_ｓを測定することが好ましいことがわかる。特に、ｇ_ｓ＝１００ｒａｄ／ｓでは振動も収束傾向になっているので、帯域ｇ_ｓが１００ｒａｄ／ｓ以上のトルクセンサを用いてねじりトルクτ_ｓを測定することが好ましい。

また、シミュレーションでは、時間０．２秒から０．３５秒まで０．２Ｎｍの外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓを発生させている。外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓが発生したことによりねじりトルクτ_ｓは、一時的に大きくなり、トルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆからずれるが、すぐにトルク指令値τ_ｓ ^ｒｅｆに追従するようになっていることがわかる。外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓがなくなった時も同様である。このように、モータ制御装置５が外乱にも強いことが確認できた。

（実施例３）
実施例３では、図７に示したブロック線図４０のモータ制御装置のシミュレーションモデルを実施例１と同様に作成し、加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆをステップ関数状に変化させたときの、出力軸６に生じる加速度応答値α_ｌの過渡応答をシミュレーションした。出力軸６の慣性モーメントのノミナル値Ｊ_ｌｎを２倍にした場合と０．５倍にした場合を合わせた３種類のシミュレーションを行った。シミュレーションのパラメータは表３、表４のとおりである。

図１０は、シミュレーション結果を示すグラフである。図１０Ａは、横軸が時間、縦軸が電流値とトルク値を表しており、参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆと出力軸６の外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓの時間変化を示している。図１０Ｂは、横軸が時間、縦軸が加速度を表し、加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆと加速度応答値α_ｌの時間変化を示している。

図１０Ａに示すように、参照電流指令値ｉ_ｑ ^ｒｅｆが、実際的な電流量となっていることから、シミュレーションが適切に行われたことが確認できる。

図１０Ｂを見ると、時間０秒で加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆが５０ｒａｄ／ｓ^２になっている。時間０秒で加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆがステップ関数状に変化しており、この時、モータ制御装置５に加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆが入力されたことを意味している。一方で、加速度応答値α_ｌは、時間０秒から徐々に増加し、最終的には５０ｒａｄ／ｓ^２になり、加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆと同じ値になっている。この傾向は、出力軸６の慣性モーメントＪ_ｌｎを変えても変わっていない。

出力軸６の慣性モーメントＪ_ｌｎを２倍にした時のシミュレーション結果は加速度応答値α_ｌがオーバーシュートしてから加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆに追従しているが、振動は見られない。出力軸６の慣性モーメントＪ_ｌｎが他の値のシミュレーション結果にも振動は見られない。

図１０Ａに示すように、シミュレーションでは、時間０．２秒から０．３５秒まで１Ｎｍの外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓを出力軸６に発生させている。図１０に示すように、外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓの発生に伴い、加速度応答値α_ｌが加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆからずれたが、すぐに加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆに追従している。外乱トルクτ_ｌ ^ｄｉｓがなくなった時も同様であり、出力軸６の慣性モーメントＪ_ｌｎの値が変わってもこの傾向は変わっていない。

以上のシミュレーション結果から、モータ制御装置５が共振振動を抑制しつつ加速度応答値α_ｌが加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆに追従するように制御できることを確認できた。また、モータ制御装置５が加速度を制御するときも外乱に強いことが確認できた。これらの傾向が、出力軸６の慣性モーメントＪ_ｌｎの値を０．５倍、２倍にした時も変わらないことから、経年変化などによって、出力軸６の慣性モーメントＪ_ｌｎの値が変わってしまった時も、加速度応答値α_ｌが加速度指令値α_ｓ ^ｒｅｆに追従するように制御できることを確認できた。

１ モータ装置
２ モータ
３ 減速機
５ モータ制御装置
６ 出力軸
８ トルクセンサ
１０ 減速機構
３１ ねじりトルク制御部
３２ 共振比制御部
４１ 負荷側加速度制御部

Claims (9)

1. トルク指令値に応じてモータに接続された減速機の出力軸に発生させるねじりトルクを制御するモータ制御装置であって、
   前記トルク指令値及び前記ねじりトルクを測定するトルクセンサの出力値に基づいて参照電流指令値を算出するねじりトルク制御部と、
   前記出力値に基づいて前記参照電流指令値を補正して、前記モータに出力する電流指令値を算出する共振比制御部と
   を備え、
   前記ねじりトルク制御部は、２つ以上直列に接続された積分制御要素を有している
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記共振比制御部は、前記出力値と前記モータの粘性摩擦力とに基づいて前記参照電流指令値を補正して、前記電流指令値を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記トルク指令値を入力とし、前記ねじりトルクを出力としたときの伝達関数が、ベッセルフィルタ、又は、バターワースフィルタの特性を有している
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記減速機の出力軸に発生させる加速度の目標値である加速度指令値と、前記モータの回転速度及び前記出力値から算出された前記減速機の出力軸の外乱トルクの推定値とに基づいて前記トルク指令値を算出する負荷側加速度制御部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 前記トルク指令値をステップ関数状に変化させたときの前記電流指令値の過渡応答特性が、２次の伝達関数にステップ関数を入力したときの該伝達関数の出力の過渡応答特性である
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
6. 前記モータと、
   前記モータに接続された前記減速機と、
   前記減速機の出力軸に配置された前記トルクセンサと、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ制御装置と
   を備えることを特徴とするモータ装置。
7. トルク指令値の入力に応じてモータに接続された減速機の出力軸に生じるねじりトルクを、トルクセンサで測定することと、
   前記トルクセンサの出力値を前記トルク指令値にフィードバックして参照電流指令値を算出することと、
   前記出力値に基づいて前記参照電流指令値を補正して、前記モータに入力する電流指令値を算出することと
   を含み、
   前記出力値と前記トルク指令値の偏差を２回以上積分して前記参照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。
8. 前記トルク指令値の入力をステップ関数状に変化させると、前記電流指令値が、２次の伝達関数にステップ関数を入力したときの該伝達関数の出力の過渡応答特性を示す
   ことを特徴とする請求項７に記載のモータ制御方法。
9. 前記減速機の前記出力軸に発生させる加速度の目標値である加速度指令値をトルク値に変換することと、
   前記モータの回転速度及び前記出力値から前記出力軸の外乱トルクの推定値を算出することと、
   前記トルク値と前記外乱トルクの推定値とに基づいて前記トルク指令値を算出することと
   をさらに含むことを特徴とする請求項７又は８に記載のモータ制御方法。
   
   

Images