JP3654475B2

JP3654475B2 - 減速機付きサーボモータの制御装置

Info

Publication number: JP3654475B2
Application number: JP31599596A
Authority: JP
Inventors: 義雄惣津
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1996-11-27
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2016-11-27
Also published as: JPH10164879A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は減速機付きサーボモータの制御装置に関するものであり、更に詳しくは、減速機の入出力間のねじれに起因した減速回転出力の回転角の位置決め精度の低下を回避可能な減速機付きサーボモータの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に減速機の入力軸と出力軸の間では、負荷トルクと減速機のばね定数に応じた「ねじれ」が発生する。減速機を応用した各種の装置において高い位置決め精度を必要とする場合、このねじれが原因となって角度位置に誤差が生じ、結果として必要な位置精度が得られないことがある。
【０００３】
この現象は、減速機としての撓み噛み合い式歯車装置とサーボモータとの組み合わせからなるアクチュエータにおいても発生する。撓み噛み合い式歯車装置は、一般に、環状の剛性内歯歯車と、その内側に配置された環状の可撓性外歯歯車と、この内側に嵌めた楕円形の波動発生器とを有している。モータ軸に連結された波動発生器が回転すると、剛性内歯歯車に対する可撓性外歯歯車の噛み合い位置が円周方向に移動し、内歯と外歯の歯数差に基づき大幅に減速された減速回転が、一方の歯車から出力される。
【０００４】
撓み噛み合い式歯車装置の入力側である波動発生器を固定し、出力側である可撓性外歯歯車にトルクを加えると、出力側にはトルクにほぼ比例したねじれが発生する。図４は、ねじれとトルクの関係の一例を示すグラフである。この関係は、撓み噛み合い式歯車装置の設計でほぼ決定される。トルクに応じて発生する異なる量のねじれ角が原因となって、トルク変化に応じて出力角が変化して、位置（出力角）の変動が起こる。
【０００５】
ここで、図１には、一般的なサーボモータと、上記構成の減速機との組み合わせからなるアクチュエータの構成を示してある。この図に示すように、サーボモータ１の主要部分は、固定側である電機子部２と、回転側である永久磁石により構成した回転子部３と、モータ軸４と、回転子の現在位置を検出するためのエンコーダ５である。減速機６の入力部である波動発生器７は、モータ軸４に直結されており、モータ１は当該減速機６を介して負荷装置（図示せず）を駆動する。このように、エンコーダ５はモータ軸４に取り付けられているので、負荷装置の角度位置、すなわち減速機６の出力角位置を直接検出していない。このために、上述したねじれによる減速機出力側の出力角の変化は検出できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
減速機出力側の角度位置を検出するためには、減速機出力軸にエンコーダを取り付けて、当該出力軸の実際の角度位置を直接に検出すればよい。しかし、減速機出力側の回転角度位置を検出することは現実的ではない。この理由を以下に述べる。
【０００７】
一般的にモータ軸に取り付けるエンコーダの分解能は、１回転当たり最大で４０００パルス程度である。従って、エンコーダの１パルス当たりの分解能は最小で１．５ｘ１０^-3ラジアン程度である。減速機を使用した場合は、この分解能は減速比倍されるので、例えば、減速比が１００の時は減速機出力軸での分解能は１．５ｘ１０^-5ラジアンとなる。仮に、減速機出力軸にエンコーダを取り付けるとすれば、１回転当たり４０００００パルスのものと等価なものにする必要がある。しかし、このような高い分解能をもつエンコーダは非常に高価であり、一般的な減速機付きモータに搭載することは価格の点で現実的ではない。
【０００８】
上記の減速機６として本願人製造による型番ＣＳＳ−２５−１００−２Ａ−ＧＲを使用した場合、この減速機に４．０Ｎ・ｍの負荷トルクが加わった場合のねじれ角は約１．０ｘ１０^-3ラジアンとなり、上記の減速機出力軸での分解能と比較すると大きな値である。このねじれ角以上の位置決め精度を必要とする場合には、当該ねじれ角に起因する位置変動を補償しない限り、目標とする位置決め精度を得ることは出来ない。
【０００９】
本発明の課題は、減速機出力軸の角度位置を直接に検出することなく、減速機の入出力間で発生するねじれに起因した出力角の変動を補償でき、位置決めを高精度に行うことの可能な減速機付きサーボモータの制御装置を提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、減速機付きサーボモータにおける減速機の入出力間に発生するねじれを補償する減速機付きサーボモータの制御装置において、前記サーボモータに発生する電流を検出する電流検出手段と、前記減速機のねじれ補償値を前記サーボーモータに発生する電流との対応テーブルの形態で保持していると共に検出された電流値に対応するねじれ補正値を出力するねじれ補正値発生手段と、外部からの位置指令信号、発生した前記ねじれ補正値および前記サーボモータの実際の回転位置に基づき、前記サーボモータの速度指令信号を発生する位置制御器とを有する構成を採用している。
【００１１】
前記減速機としては、剛性歯車と、可撓性歯歯車と、当該可撓性歯車を半径方向に撓めて前記剛性歯車に部分的に噛み合わせ、これらの噛み合わせ位置を円周方向に移動させる波動発生器とを備えた撓み噛み合い式歯車装置を用いることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明を適用した減速機付きサーボモータの制御装置を説明する。なお、減速機付きサーボモータの構成は図１に示す構成と同様である。
【００１３】
図２は本例の減速機付きサーボモータの制御装置の概略ブロック図である。この制御装置１０は一般的なＡＣサーボモータ制御装置と同様に、位置制御器１１、速度制御器１２、電流制御器１３、電力変換器１４、３相交流／ｄ−ｑ座標変換器１５、ｄ−ｑ座標／３相交流変換器１６および各種のセンサインタフェースを主要構成要素として備えている。
【００１４】
位置制御器１１は、制御装置１０の外部から入力される位置指令信号θ（１）と、サーボモータのモータ軸４に取り付けたエンコーダ５から発生する現在位置信号との差を計算し、その差に応じてモータの速度指令信号を発生する。これに加えて、後述のように減速機ねじれ角を加味したモータの速度指令信号ω（１）を発生する。速度制御器１２は、位置制御器１１から速度指令信号ω（１）を受け取り、エンコーダ５の現在位置信号θ（ａ）を微分して得られる現在速度信号ω（ａ）または直接にモータ軸４に速度検出器を取り付けて得られる現在速度信号ω（ａ）を比較し、速度差に応じてモータ１に流す電流指令信号ｉｑ（＊）を発生する。
【００１５】
電流制御器１３は２つ用意されている。第１の電流制御器１３１は、速度制御器が発生する電流指令信号ｉｑ（＊）と、電流検出器１７で検出したモータに現在流れている電流ｉｕ，ｉｖをｄ−ｑ座標変換したｑ軸電流ｉｑとを比較し、それらの電流の差に相当する電圧指令信号ｖｑ（＊）を発生する。第２の電流制御器１３２は、電流検出器１７で検出されたモータの現在の電流をｄ−ｑ座標変換したｄ軸電流ｉｄを零にするような電圧指令信号ｖｄ（＊）を発生する。
【００１６】
電力変換器１４は、半導体電力制御素子により構成され、上記の電流制御器１３から発生した電圧指令信号によりモータに加わる出力電圧を制御して、モータを所定のトルクを発生させながら所定の速度で目的の位置まで回転させる。
【００１７】
次に、ＡＣサーボモータのトルク発生原理とトルク検出原理について説明する。一般にＡＣサーボーモータの固定子には三相巻線が施されており、固定子の内部に永久磁石で構成した回転子が存在する。図３はこれを図式化したものである。ＡＣサーボモータの制御装置１０の速度制御器１２と電流制御器１３では、三相回路によりｄ−ｑ座標系で演算制御されている。従って、電流制御器１３から電力変換器１４への電圧指令信号は一旦、ｄ−ｑ座標系から三相交流座標系に変換されて電力変換器１４に入力されている。また、電流検出器１７の電流信号は、三相交流座標系からｄ−ｑ座標系に変換されて電流制御器に入力されている。三相交流座標系からｄ−ｑ座標系への変換式は式（１）の通りである。
【００１８】
【数１】

【００１９】
また、ｄ−ｑ座標系から三相交流座標系への変換式は式（２）の通りである。
【００２０】
【数２】

【００２１】
さらに、ＡＣサーボモータの発生トルクは次の式（３）で得られる。
【００２２】
【数３】

【００２３】
この式（３）において、ｐとΦ_faはモータの設計で決まる一定値であるので、モータの発生トルクはｑ軸電流に比例することになる。従って、ｑ軸電流を検出することで、モータの発生トルクを間接的に検出できる。
【００２４】
この点に鑑みて、本例の制御装置１０では、次のようにして減速機ねじれ角を補償している。
【００２５】
上記のように、減速機の負荷トルクに応じてねじれが発生するが、このねじれ量は主に減速機の設計条件で決定され、予めトルクとねじれ量の関係を計測しておくことが可能である。また、サーボモータの電流とトルクの関係も、サーボモータの設計条件で決定され、設計値若しくは計測により、予め関係を求めておくことができる。従って、サーボモータと減速機の組み合わせが決定すれば、サーボモータの電流とねじれ量の関係を一義的に決定でき、この関係は設計値あるいは計測によって予め求めることができる。
【００２６】
ここで、デジタル式の制御装置ではメモリを内蔵しているので、このメモリにサーボモータの電流とねじれ量の関係を表すテーブルを記憶させることができる。図２を参照して説明すると、本例の制御装置１０では、この対応テーブルを記憶した減速機ねじれ角補償器１８を備えている。電流検出値ｉｑが入力されると、それに対応するねじれ補償値θｒを対応テーブルから求めて、位置制御器１１に向けて出力する。
【００２７】
減速機のねじれ補償の無い従来の位置制御器の入力信号は次式である。
【００２８】
（位置制御器の入力信号）＝（位置指令信号）−（現在位置信号）
本例の制御装置１０においては、ねじれ角補償を行っているので、この補償値が加算されるので、位置制御器の入力信号は次式のようになる。
【００２９】
（位置制御器の入力信号）
＝（位置指令信号）−（現在位置信号）＋（減速機ねじれ補償値）
このように構成した本例の減速機付きモータの制御装置によれば、減速機ねじれ角がサーボモータ制御装置内部で自動的に補償される。従って、見かけ上減速機が高い剛性を呈し、換言すると、トルク変動にもかかわらず減速機出力軸の出力角の変動が殆ど無いので、高い角度位置決め精度を得ることができる。
【００３０】
（その他の実施の形態）
なお、上記のような撓み噛み合い式歯車装置以外の減速機を備えたモータの制御装置に対しても本発明を同様に適用できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の減速機付きモータの制御装置では、サーボモータの電流値と減速機ねじれ量との対応関係を予め保持し、サーボモータに実際に発生するモータ電流を検出し、検出した電流値に対応するねじれ角補償値を求め、当該ねじれ角補償値を加味して、サーボモータの位置制御を行うようにしている。従って、本発明によれば、減速機出力軸に高価な高分解能のエンコーダを取り付けることなく、減速機ねじれ角を補償できるので、減速機付きモータの出力角の位置決めを高精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置を適用可能な減速機付きモータの機械的な構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明による減速機付きモータの制御装置の概略ブロック図である。
【図３】ＡＣサーボモータのトルク発生原理およびトルク検出原理を説明するための説明図である。
【図４】撓み噛み合い式歯車装置のトルクに対するねじれ角の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１モータ
５エンコーダ
６減速機
１０制御装置
１１位置制御器
１２速度制御器
１３電流制御器
１４電力変換器
１５三相交流／ｄ−ｑ座標変換器
１６ｄ−ｑ／三相交流座標変換器
１７電流検出器
１８減速機ねじれ角補償器
θ（１）位置指令信号
θ（ａ）現在位置信号
θ（ｒ）ねじれ角補償値
ω（１）速度指令信号
ｉ（ｕ），ｉ（ｖ）検出電流値
ｉｑｑ軸電流値

Claims

減速機付きサーボモータにおける減速機の入出力間に発生するねじれを補償する減速機付きサーボモータの制御装置であって、前記サーボモータに発生する電流を検出する電流検出手段と、前記減速機のねじれ補償値を前記サーボーモータに発生する電流との対応テーブルの形態で保持していると共に検出された電流値に対応するねじれ補正値を出力するねじれ補正値発生手段と、外部からの位置指令信号、発生した前記ねじれ補正値および前記サーボモータの実際の回転位置に基づき、前記サーボモータの速度指令信号を発生する位置制御器とを有する減速機付きサーボモータの制御装置。
請求項１において、前記減速機は、剛性歯車と、可撓性歯歯車と、当該可撓性歯車を半径方向に撓めて前記剛性歯車に部分的に噛み合わせ、これらの噛み合わせ位置を円周方向に移動させる波動発生器とを備えた撓み噛み合い式歯車装置であることを特徴とする減速機付きサーボモータの制御装置。