JP5016639B2

JP5016639B2 - 駆動装置

Info

Publication number: JP5016639B2
Application number: JP2009147500A
Authority: JP
Inventors: 喜三郎早川; 祥宏水野; 善美北角
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: JP2011002075A

Description

本発明は、入力転動体と出力転動体の摩擦により動力を伝達する伝達機構を有する駆動装置に関し、特に、その速度制御に関する。

入力側の回転速度を変換して出力側に伝達する伝達機構、例えば歯車機構が知られている。歯車機構においては、変速比は、入力側の歯車と出力側の歯車の歯数の比で決定される。したがって、変速比は整数比、つまり離散的な値となり、設計自由度が低いという問題がある。歯車の歯をなくしたローラ同士を接触させ、ローラ間の摩擦により回転伝達を行えば、ローラの半径は連続的な値を取り得るので、変速比も自由に設定することができる。また、歯車伝達に比べて、伝達誤差が少なく、バックラッシュ等がない伝達機構を構成することができる。

下記特許文献１には、遊星歯車機構のサンギア、リングギア、プラネタリピニオンをローラに置き換えた摩擦式の伝達機構が示されている。

特開平５−２５７５３６号公報

上述のようなローラ等の転動体同士の摩擦を利用した伝達機構においては、二つの転動体間に滑りが生じ、その分、回転伝達に誤差が発生する。

本発明は、転動体同士の滑りによる誤差を見込んで回転速度制御し、かつ実際に生じた滑りに応じた制御を実現することを目的とする。

本発明に係る駆動装置においては、入力側と出力側の転動体の滑りが、転動体同士を押し付ける力と、転動体間に働く、回転を伝達する力との比（トラクション係数）に依存することを利用して、発生する滑りを予測し、これを速度制御に反映させている。転動体同士を押し付ける力を固定値として扱い、回転を伝達する力から滑りを推定する。さらに、実際に駆動した場合の結果から、予測していた滑りを修正し、修正された滑りにより速度制御を行う。

具体的には、本駆動装置は、入力転動体と出力転動体の間で転動面の摩擦により駆動力の伝達を行う伝達機構を介して、モータの駆動力を出力する駆動装置であり、モータの制御を行う制御部と、出力転動体の位置を検出する位置検出センサとを有する。前記制御部は、伝達機構の出力軸の回転速度パターンと、伝達機構の出力側に接続される回転慣性とを設定する運転条件設定部と、前記設定された回転速度パターンと回転慣性とからモータの負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段と、モータの負荷トルクに基づき、前記伝達機構に生じる滑り率を求める滑り率算出手段と、滑り率と、出力軸の回転速度パターンから伝達機構の入力軸の回転速度パターンを求め、これに対応する速度指令値を生成する速度指令値生成部と、前記速度指令値に従ってモータを駆動制御する駆動部と、を有し、さらに、前記制御部は、前記速度指令値に従って駆動したときの出力転動体の目標位置と、前記位置検出センサにより検出された現実位置との差に基づき、滑り率を修正する滑り率修正手段を有し、前記速度指令値生成部は、修正された滑り率により速度指令値を再生成する。

事前に求めた滑り率を、駆動装置の運転中に滑りにより修正することで、より精度の高い制御が実現される。

摩擦による伝達機構の概略構成を示す図である。トラクション係数と滑り率の関係を示す図である。駆動装置の概略構成を示すブロック図である。伝達機構の一例である遊星ローラ式の減速装置を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。本発明に係る駆動装置は、回転体同士の間で回転を伝達する伝達機構を含む。この伝達機構の回転体の少なくとも一方は、相手に対し転がるように接触し、この接触する部分の摩擦により力の伝達が行われる。したがって、本発明に係る伝達機構は、クラッチのように二つの回転体が結合して一体となり回転の伝達が行われる伝達機構を含まない。クラッチ等の伝達機構を区別するために、以下、転がるように接触する回転体と、接触される側の回転体の双方を転動体と記して説明する。

図１は、回転伝達を行う二つの転動体間に作用する力を示す図である。二つの転動体１０，１２は、平行な軸線回りに回転するローラであり、下に示されたローラが駆動側ローラ１０、上に示されたローラが被駆動側ローラ１２である。駆動側ローラ１０は、半径がｒ1 であり、角速度ω1 で回転する。被駆動側ローラ１２は、半径がｒ2 であり、角速度ω2 で回転する。二つのローラ１０，１２は、押付け力Ｆn で互いに押し付けられており、それらの間には潤滑油１４が介在している。二つのローラの共通接線方向には、二つのローラ間で回転を伝達する力（以下、接線力と記す。）Ｆt が作用する。

二つのローラ１０，１２の間に滑りがなければ、
ｒ2 ／ｒ1 ＝ω1 ／ω2 （＝λ）・・・（１）
が成立する。λは、変速比である。滑りは、ローラ１０，１２の接点における接線方向の速度差、すなわち、
ｒ1 ×ω1 −ｒ2 ×ω2
と定義し、さらに、スリップ率slipを次式で定義する。
slip＝（ｒ1 ×ω1 −ｒ2 ×ω2 ）／ｒ1 ×ω1
＝１−λ（ω2 ／ω1 ）・・・（２）
このスリップ率slipは、通常の使用領域においては、接線力Ｆt と押付け力Ｆn の比であるトラクション係数μ、
μ＝Ｆt ／Ｆn ・・・（３）
と線形の関係にある。図２に示すように、設計仕様としては、トラクション係数の最大値μmax 以下で使用するため、滑り率slipとトラクション係数μの関係は、ほぼ線形である。また、線形範囲の比例係数をＣとする。
μ＝Ｃ×slip ・・・（４）
この係数Ｃは、潤滑油の温度により変化する。通常は、潤滑油の温度が低い方が、係数Ｃは大きな値をとる。

ローラ１０，１２間での伝達トルクをＴとすれば、
Ｔ＝ｒ1 ×Ｆt ・・・（５）
であり、式（５）に、式（３），（４）を代入すれば次式が得られる。
Ｔ＝Ｃ×slip×ｒ1 ×Ｆn
または、
slip＝Ｔ／（Ｃ×ｒ1 ×Ｆn ) ・・・（６）
と表せる。

図３は、転動体間で回転伝達を行う伝達機構１６を含む駆動装置１８の概略構成を示すブロック図である。駆動装置１８は、駆動力を発生するモータ２０と、モータ２０を駆動制御する制御部２２と、モータの出力を減速して出力する伝達機構１６を含む。伝達機構１６は、例えば図１で説明した二つのローラ間で回転伝達を行う機構であってよい。以下では、この機構を例として説明する。また、伝達装置１６は、モータの出力を増速するものであってもよく、また等速で伝達するものであってもよい。

モータ２０の出力軸は、伝達機構１６の入力側である駆動側ローラ１０に接続されている。モータ２０の制御は、出力軸の回転速度を定めた目標速度指令値に従って実行される。目標速度指令値は、モータ、または伝達機構１６を介してモータに駆動される駆動対象物の運動を、その速度変化として定めた速度パターンに従って算出される。この目標速度指令値に基づいて、電流指令部２４にて、モータ２０が発生すべきトルク、さらにモータ２０に供給すべき電流値が算出され、電流指令値としてモータ２０に供給される。モータ２０は、電流指令値に従った電流をコイルに供給する電流供給部を含み、これによりモータが駆動される。電流指令部２４は制御部２２に含まれ、制御部２２は、さらに電流指令部２４に供給する目標速度指令値を、伝達機構１６の滑りを考慮して生成する構成を有する。

式（２）を変形すると次式が得られる。
ω1＝λ×ω2 ／（１−slip）・・・（７）
これは、伝達機構１６の出力軸の角速度ω2 の制御目標が予め設定できる場合には、スリップ率slipが推定できれば、滑りを考慮して入力軸の角速度ω1 の制御目標を設定できることを示している。例えば、ロボットアームは、所定の動作を行うためにその動作は予めプログラムされており、このプログラムされた動作が制御目標を定める。この動作をするために、アームの各部の可動部を駆動する個々のモータに対し制御目標、すなわち目標速度指令値が設定される。このとき、上記のように、滑りを考慮して目標速度指令値を設定することができる。以下、伝達機構１６の出力軸の目標となる回転速度パターンをω2refとし、このパターンを実現するために算出される入力軸の回転速度パターンをω1refとして説明する。出力軸の回転速度パターンω2refが設定され、制御対象物の回転慣性Ｉo が分かれば、モータの負荷トルクが事前に求められ、滑り率が算出できる。これにより、滑り率を考慮した入力軸回転速度パターンω1refが求められる。

このために、駆動装置１８の制御部２２は、出力軸の回転速度パターンω2ref、制御対象の構成の回転慣性を設定する設定部２６、これらの設定値から負荷トルクを算出する負荷トルク事前算出部２８、負荷トルクから滑り率を算出する滑り率事前算出部３０および上記の設定値、算出値から入力軸の回転速度パターンω1refを算出する入力軸速度パターン算出部３２を有する。入力軸および出力軸の制御目標となる回転速度パターンω1ref，ω2refを用いて式（７）を書き直すと、次式となる。
ω1ref＝λ×ω2ref ／（１−slip）・・・（８）

伝達機構１６の出力側の回転慣性をＩo 、負荷トルクをＴo 、機械損失トルクをＴolとすれば、
Ｔo ＝Ｉo ×β2ref ＋Ｔol ・・・（９）
で表せる。β2refは、伝達機構１６の出力側である駆動側ローラ１２の角加速度である（β2ref＝(d/dt)ω2ref）。さらに、伝達機構１６の入力トルクＴは、伝達機構１６の効率をηとすれば、次式で表せる。
Ｔ＝Ｔo ／（λ×η）＝（Ｉo×β2ref ＋Ｔol）／（λ×η）・・・（１０）
式（８）に、式（６），（１０）を代入すれば、次式が得られる。

設定部２６においては、実現したい出力軸回転速度パターンω2refが設定され、また出力側の回転慣性Ｉo が設定される。機械損失トルクＴolは、固定値と取り扱うことができる。負荷トルク事前算出部２８においては、式（９）に従い負荷トルクＴo を実際に制御を行う前に、事前に算出する。滑り率事前算出部３０においては、式（１０）を式（６）に代入することにより、滑り率slipを算出する。入力軸速度パターン算出部３２においては、滑り率slipを式（８）に適用して、入力軸の回転速度パターンω1refを算出する。以上の入力軸の回転速度パターンω1refの算出をまとめると、上記の式（１１）となる。

前述のように、滑り率slipとトラクション係数μの比例係数をＣは、潤滑油の温度により変化する。したがって、滑り率事前算出部３０において、すなわち式（６）を用いて滑り率を算出する際の比例係数Ｃの値が実際の運転環境に適合した値でないと、出力軸の回転位置において、目標値と現実の値とにずれが生じる。この実施形態の駆動装置１８は、伝達機構１６の出力側転動体の現実の回転位置を取得するために、伝達機構の出力軸の位置を検出する位置センサ３４を有している。位置センサ３４は、出力軸周囲の固定された部分に配置された磁気を利用したギャップセンサと、出力軸の回転方向の少なくとも一箇所に設けられた対象片とすることができる。対象片とギャップセンサとの間隔が、出力軸の周方向の他の部分よりも小さくされており、この間隔の差を持って対象片がギャップセンサに対向する位置にあることを検知する。出力軸の回転に伴い対象片がギャップセンサに対向する位置に来たとき、出力軸の回転位置が予め定められた位置にあることを検知することができる。位置センサ３４は、磁気を利用したギャップセンサ以外のセンサを採用することもできる。例えば、光の反射率の差を利用するフォトセンサを用いることができる。

位置センサ３４に検出された、現実の出力側の回転位置は、滑り率修正部３６に送られる。また、滑り率修正部３６は、モータ２０の出力軸、すなわち伝達機構１６の入力軸（入力側の転動体）の回転位置を算出する。これは、例えば、式（１１）を用いて、目標の入力軸の速度パターンω1refから出力軸の速度パターンを再算出し、これを積分して得るようにしてよい。この速度パターンω1refから求められた出力軸の回転位置（以下、目標回転位置と記す。）は、事前に算出された滑り率に基づき導出されたもので、位置センサ３４により検出された現実の回転位置に差が生じていれば、事前算出された滑り率が、現実の滑り率と相違していると考えられる。滑り率修正部３６は、出力軸の現実の回転位置が、目標の回転位置とずれている場合、式（６）の比例係数Ｃを変更して、滑り率slipを再度算出する。前述のように比例係数Ｃは、潤滑油温度に依存し、回転位置のずれの要因として、この比例係数Ｃの誤差が大きな割合を占めると考えられる。そこで、発生した回転位置のずれを比例係数Ｃを変更することで回転位置のずれを小さくする。目標回転位置よりも現実の回転位置が進んでいる場合、これは事前に想定していたより、滑り率が小さいと考えられ、このときは比例係数Ｃを所定量増加させて、式（６）に基づき滑り率slipを再算出する。逆に、目標位置に比べ現実の回転位置が遅れている場合、滑り率が大きかったと考えられ、このときは比例係数Ｃを所定量減少させて、式（６）に基づき滑り率slipを再算出する。再算出された滑り率slipに基づき、入力軸速度パターン算出部３２は速度パターンを再度算出し、このパターンに基づきモータ２０を駆動する。

図４には、伝達機構の一例として、遊星ローラ式の減速装置４０が示されている。減速装置４０は、入力側遊星ローラ機構４２と出力側遊星ローラ機構４４の２組の遊星ローラ機構を有する。入力側遊星ローラ機構４２のサンローラ４２Ｓが減速装置４０の入力軸４６でモータ２０の出力軸に結合されている。出力側遊星ローラ機構４４のリングローラ４４Ｒが減速機構４０の出力軸４８に結合されている。二つの遊星ローラ機構４２，４４のそれぞれのプラネタリローラ４２Ｐ，４４Ｐは、異なる半径を有するが、一体となっており、プラネタリキャリア４２Ｃに回転可能に支持されている。この減速装置４０においては、転動接触する点が２点であるが、減速装置４０の入力軸、出力軸の回転速度差として滑りをとらえ、２箇所の接点の合計の滑りとトラクション係数の関係を記述することができる。したがって、上述した２個のローラ１０，１２間の伝達と同様に滑り率等の算出を行うことが可能である。

減速機構４０は、円筒形状のハウジング５０に収められ、ハウジング５０にはギャップセンサ５２が設けられている。ハウジング５０は、モータ２０を保持しており、モータ２０の本体と一体となっている。一方、出力軸４８の外周部には、一つまたは複数の対象片５４が設けられ、この対象片５４と、ギャップセンサ５２で位置センサ３４が構成される。対象片５４は、出力軸４８と共に回転し、ギャップセンサ５２に対向する位置に来たときギャップセンサ５２は所定の信号を出力する。対象片５４が１個設けられた場合、対象片５４が検出されたときの出力軸の位置は一意に決定するが、複数設けられた場合には、いずれの対象片が検出されたのかを特定する必要がある。例えば、対象片が検出されたとき、その対象片を、目標位置に最も近い対象片として処理することができる。これは、現実の回転位置が、目標位置から大きくずれることはないとの前提に基づく。したがって、対象片を複数設ける場合は、ある程度対象片同士の間隔をあける必要がある。また、対象片同士の間隔が狭いと、ある対象片を検出してから次の対象片を検出するまでの間の回転位置のずれが小さく、ずれの算出が難しい。これらを考慮すると、対象片を複数配置する場合は、円周上の２から４箇所程度配置するものが望ましい。

１０駆動側ローラ（入力転動体）、１２被駆動側ローラ（出力転動体）、１６伝達機構、１８駆動装置、２０モータ、２２制御部、２４電流指令部、２８負荷トルク事前算出部、３０滑り率事前算出部、３２入力軸速度パターン算出部、３４位置センサ。

Claims

入力転動体と出力転動体の間で転動面の摩擦により駆動力の伝達を行う伝達機構を介して、モータの駆動力を出力する駆動装置であって、
モータの制御を行う制御部と、
出力転動体の位置を取得する位置取得手段と、
を有し、
前記制御部は、
伝達機構の出力軸の回転速度パターンと、伝達機構の出力側に接続される回転慣性とを設定する運転条件設定部と、
前記設定された回転速度パターンと回転慣性とからモータの負荷トルクを算出する負荷トルク算出手段と、
モータの負荷トルクに基づき、前記伝達機構に生じる滑り率を求める滑り率算出手段と、
滑り率と、出力軸の回転速度パターンから伝達機構の入力軸の回転速度パターンを求め、これに対応する速度指令値を生成する速度指令値生成部と、
前記速度指令値に従ってモータを駆動制御する駆動部と、
を有し、
前記制御部は、前記速度指令値に従って駆動したときの出力転動体の目標位置と、前記位置取得手段により検出された現実位置との差に基づき、滑り率を修正する滑り率修正手段をさらに有し、前記速度指令値生成部は、修正された滑り率により速度指令値を再生成する、
駆動装置。