JP4073548B2 - アクチュエータの出力トルク検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータと波動歯車装置から構成されるアクチュエータの出力トルクを検出するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この形式のアクチュエータの出力トルク検出方法としては、出力軸にトルクセンサを取り付ける方法が最も一般的である。このトルクセンサは、出力軸に小径のねじり変形する部分を形成しておき、当該部分のねじれを検出し、検出したねじれ量に基づき、出力トルクを算出する構成となっている。
【０００３】
しかし、このトルクセンサによる検出方法は、トルクセンサを取り付ける分だけアクチュエータ寸法の増大、製造コストの増加を招き、また、ねじり剛性の低下も招くという問題点がある。
【０００４】
一方、波動歯車装置の出力要素である可撓性外歯歯車に歪みゲージを貼り付け、ここから得られる出力に基づき出力トルクを算出する方法も提案されている。この方法によれば、装置寸法の増加、ねじり剛性の低下を回避できる。しかし、製造コストを低減することが困難であり、また、歪みゲージの耐久性に問題が残っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上記の方法による問題を解決可能な方法としては、アクチュエータのモータ電流値から、波動歯車装置の減速比を考慮して、その出力トルクを推定する方法を採用することが考えられる。しかしながら、波動歯車装置のトルク損失が原因となって、かかる方法では精度の高いトルク検出を期待できないのが現状である。
【０００６】
本発明の課題は、波動歯車装置の損失トルク特性を明確にすることにより、モータ電流値に基づき精度良く出力トルクを算出することの可能なアクチュエータの出力トルク検出方法を提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、モータとこのモータ出力回転を減速する波動歯車装置とを有するアクチュエータの出力トルクを検出するために、前記波動歯車装置の潤滑剤温度と、前記モータの回転数と、モータ出力トルクを検出し、これらの検出結果に基づき、前記波動歯車装置の出力トルクを求めるようにしている。
【０００８】
すなわち、前記波動歯車装置の損失トルクＴ１を次式により近似し、
Ｔｌ＝Ｔｑ（Ｔｏ）＋Ｔｖ（ｎ，Ｖ）
但し、Ｔｏ：アクチュエータの出力トルク
Ｔｑ：波動歯車装置のクーロン摩擦項
Ｔｖ：波動歯車装置の粘性摩擦項
ｎ：モータ回転数
Ｖ：波動歯車装置の潤滑剤のベースオイル動粘度
前記の関数Ｔｑ、Ｔｖをそれぞれ次式により近似し、
Ｔｑ（Ｔｏ）＝Ｔｓ＋｛Ｔｏ／（Ｒη ₀ ）｝
但し、Ｔｓ：無負荷時の摩擦トルク
η ₀ ：実験的に求められた波動歯車装置の基準効率（定数）
Ｔｖ（ｎ，ｔ）＝ａ×｛Ｖ（ｔ）ｎ｝ ^b
但し、 ａ：波動歯車装置のサイズ、形式、純雑剤の種類により
実験的に求められた定数
ｂ：実験から求められた定数
前記波動歯車装置の潤滑剤温度ｔと、前記モータの回転数ｎと、モータ出力トルクＴｍを検出し、
検出したこれらの値と波動歯車装置の減速比Ｒに基づき、アクチュエータ出力トルクＴｏを次式により求めることを特徴としている。
Ｔｏ＝Ｒ｛Ｔｍ−Ｔｓ−Ｔｖ（ｎ，ｔ）｝／（１＋１／η ₀ ）
【０００９】
ここで、前記モータの電流値と、予め測定した前記モータの無負荷電流値と、前記モータのトルク定数とに基づき、前記モータの回転子が発生するトルクを求め、当該トルクから、モータ自体の慣性トルクおよびモータ回転子に接続されている前記波動歯車装置の慣性トルクを差し引くことにより、前記モータの出力トルクＴｍを求めることができる。
【００１０】
この場合、モータの巻線抵抗値は温度によって変化するので、この温度変化に基づき生ずるモータ出力トルクの変動分を補償するために、前記モータの温度を検出し、当該モータ温度に基づき、推定した前記モータ出力トルクを補正することが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の方法によるアクチュエータの出力トルク制御装置の概略ブロック図である。
【００１２】
この図に示すように、本例のアクチュエータ１は、モータ２と、この回転軸に連結された減速機としての波動歯車装置（ＨＤ）３と、モータ回転位置を検出するためのロータリーエンコーダ等の回転センサ４とから基本的に構成されている。モータ２には、その温度を検出するための温度センサ５が取り付けられている。同様に、波動歯車装置３にも、その潤滑剤の温度を検出するための温度センサ６が取り付けられている。これらの温度センサ５、６は、モータ、波動歯車装置の内部、それらのケース表面あるいはそれらの周辺部分に配置すればよい。
【００１３】
この構成のアクチュエータ１の出力トルク制御装置１０は、モータ駆動制御回路１１と、アクチュエータの出力トルクを算出する演算回路１２と、角加速度検出回路１３とを含んでいる。モータ駆動制御回路１１は、上位の制御装置（図示せず）等からの駆動制御指令ω、モータの回転センサ４からの情報４Ｓ、および、演算回路１２からの推定出力トルク情報Ｔｏに基づき、所定の出力トルクが得られるように、モータ駆動電流Ｉｍを生成して、モータ２を駆動制御する。演算回路１２では、温度センサ５、６から得られるモータ温度ｔ_m 、波動歯車装置３の潤滑剤温度ｔ、および駆動制御回路１１から供給されるモータ駆動電流値ｉおよびモータ回転速度ｎ、並びに、角加速度検出器１３から得られるモータ角加速度に基づき、後述のように、アクチュエータの出力トルクＴｏを算出する。
【００１４】
本例の演算回路１２における出力トルクの推定は、次式（１）により行っている。
【００１５】
Ｔｏ＝Ｒ｛Ｔｍ−Ｔｓ−Ｔｖ（ｎ，ｔ）｝／（１＋１／η₀ ） ・・・（１）
但し、Ｒ：波動歯車装置の減速比
Ｔｍ：モータ出力トルク（波動歯車装置の入力トルク）
Ｔｓ：波動歯車装置の無負荷時の摩擦トルク
Ｔｖ：波動歯車装置の粘性摩擦トルク
ｎ：モータ回転数
ｔ：波動歯車装置の潤滑剤温度
η₀ ：波動歯車装置の基準効率（定数）
上記（１）式は次のようにして求めたものである。まず、モータ出力トルク（波動歯車装置の入力トルク）Ｔｍは、波動歯車装置３の損失トルクをＴｌ、アクチュエータ出力トルク（波動歯車装置３の出力トルク）をＴｏ、波動歯車装置３の減速比をＲとすと、
Ｔｍ＝Ｔｌ＋（Ｔｏ／Ｒ） ・・・（２）
と表される。
【００１６】
ここで、損失トルクＴｌは、波動歯車装置３のクーロン摩擦項Ｔｑと粘性摩擦項Ｔｖの和であり、近似的に
Ｔｌ＝Ｔｑ（Ｔｏ）＋Ｔｖ（ｎ，Ｖ） ・・・（３）
と表される。ここで、ｎはモータ回転速度、Ｖは潤滑剤のベースオイル動粘度である。
【００１７】
潤滑剤のベースオイル動粘度Ｖは一般的に潤滑剤の温度ｔの関数として求められる。よって、上記の式（２）は次のように書き換えることができる。
【００１８】
Ｔｍ＝Ｔｑ（Ｔｏ）＋Ｔｖ（ｎ，ｔ）＋（Ｔｏ／Ｒ）・・・（４）
よって、関数Ｔｑ、Ｔｖ、ｎ、ｔ、ＲおよびモータトルクＴｍが分かれば、上記の（４）式を解くことにより、波動歯車装置の出力トルクＴｏを求めることができる。
【００１９】
ここで、本発明者らは、実験により、上記の関数Ｔｑ、Ｔｖは次のような式によって近似できることを見出した。
【００２０】
Ｔｑ（Ｔｏ）＝Ｔｓ＋｛Ｔｏ／（Ｒη_o ）｝ ・・・（５）
但し、Ｔｓ：無負荷時の摩擦トルク
η_o ：実験的に求められた波動歯車装置の基準効率（定数）
Ｔｖ（ｎ，ｔ）＝ａ×｛Ｖ（ｔ）ｎ｝^b ・・・・ （６）
但し、ａ：波動歯車装置のサイズ、形式、純雑剤の種類により実験的に求められた定数
ｂ：実験から求められた定数
以上から、波動歯車装置３の出力トルク、すなわち、アクチュエータの出力トルクＴｏは前述の（１）式にり求められる。
【００２１】
一方、モータ出力トルクＴｍは次のようにして推定することができる。まず、モータ電流値と、予め測定された無負荷電流値と、トルク定数からモータ回転子に発生するトルクを求める。また、モータ回転数を時間微分して得られた角加速度と、モータ回転子およびここに接続されてい波動歯車装置の慣性モーメントからトルクを求める。このようにして求まった２種類のトルクに基づき、モータ出力トルクＴｍを推定することができる。この場合、モータの巻線抵抗値が温度によって変化するので、モータの温度センサ５の検出結果に基づき、推定されたモータ出力トルクＴｍを補正する。
【００２２】
本例の演算回路１２では、上記のようにしてモータ出力トルクＴｍを推定する。そして、入力信号（潤滑剤温度ｔ、モータ回転速度ｎ）と、予め設定されている摩擦トルクＴｓ、粘性摩擦関数Ｔｖ（ｎ，ｔ）に基づき、波動歯車装置の出力トルクＴｏを算出する。算出された値は、モータ駆動制御回路１１にフィードバックされる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアクチュエータの出力トルク検出方法によれば、波動歯車装置による損失トルクを規定する当該波動歯車装置のクーロン摩擦項Ｔｑおよび粘性摩擦項Ｔｖを、精度良く近似可能な実験式を見出し、これに基づき、アクチュエータの出力トルクを推定するようにしている。
【００２４】
従って、本発明の方法によれば、従来のトルク検出機構におけるような装置寸法の増加、製造コストの増加、耐久性の問題、精度の高い検出が困難である等といった弊害を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアクチュエータの出力トルク検出方法を適用した出力トルク検出装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
１ アクチュエータ
２ モータ
３ 波動歯車装置
４ 回転センサ
５ モータの温度センサ
６ 波動歯車装置の潤滑剤温度を検出する温度センサ
１０ 出力トルク制御装置
１１ モータ駆動制御回路
１２ 演算回路
１３ 角加速度検出器

Claims (3)

1. モータとこのモータ出力回転を減速する波動歯車装置とを有するアクチュエータの出力トルクを検出する出力トルク検出方法であって、
   前記波動歯車装置の損失トルクＴ１を次式により近似し、
   Ｔｌ＝Ｔｑ（Ｔｏ）＋Ｔｖ（ｎ，Ｖ）
   但し、Ｔｏ：アクチュエータの出力トルク
   Ｔｑ：波動歯車装置のクーロン摩擦項
   Ｔｖ：波動歯車装置の粘性摩擦項
   ｎ：モータ回転数
   Ｖ：波動歯車装置の潤滑剤のベースオイル動粘度
   前記の関数Ｔｑ、Ｔｖをそれぞれ次式により近似し、
   Ｔｑ（Ｔｏ）＝Ｔｓ＋｛Ｔｏ／（Ｒη ₀ ）｝
   但し、Ｔｓ：無負荷時の摩擦トルク
   η ₀ ：実験的に求められた波動歯車装置の基準効率（定数）
   Ｔｖ（ｎ，ｔ）＝ａ×｛Ｖ（ｔ）ｎ｝ ^b
   但し、 ａ：波動歯車装置のサイズ、形式、純雑剤の種類により
   実験的に求められた定数
   ｂ：実験から求められた定数
   前記波動歯車装置の潤滑剤温度ｔと、前記モータの回転数ｎと、モータ出力トルクＴｍを検出し、
   検出したこれらの値と波動歯車装置の減速比Ｒに基づき、アクチュエータ出力トルクＴｏを次式により求めることを特徴とするアクチュエータの出力トルク検出方法。
   Ｔｏ＝Ｒ｛Ｔｍ−Ｔｓ−Ｔｖ（ｎ，ｔ）｝／（１＋１／η ₀ ）
2. 請求項１において、
   前記モータの電流値と、予め測定した前記モータの無負荷電流値と、前記モータのトルク定数とに基づき、前記モータの回転子が発生するトルクを求め、当該トルクから、モータ自体の慣性トルクおよびモータ回転子に接続されている前記波動歯車装置の慣性トルクを差し引くことにより、前記モータの出力トルクＴｍを求めることを特徴とするアクチュエータの出力トルク検出方法。
3. 請求項２において、
   前記モータの温度を検出し、当該モータ温度に基づき、前記モータの出力トルクＴｍを補正することを特徴とするアクチュエータの出力トルク検出方法。

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