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制御理論特論
明治大学 理工学研究科
機械工学専攻
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前回までは,バイラテラル制御を学んだ
対称型を除き,トルク検出手段を必要とする
今回から
トルクセンサ
トルクモータ
トルク制御
について扱っていく
トルク制御
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基本は通常モータであるが,いくつかの条件がある.
トルクを検出する,あるいは,トルクを推定する手段がある
モータの品質が高く,回転ムラ(コギングトルク)が少ない
モータの回転ムラを抑えるような制御を行う
これらの要素を持ったトルク制御を実現したモータをトルクモータという.
トルクモータとは?
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トルクモータ基本構成
DCブラシ付きモータの場合
PWMドライバ
トルクセンサ
ギアヘッド
モータ
アンプ等
サーボドライバ 上位制御系と通信
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モータの分類
モータ
DCモータ
DCブラシ付きモータ
DCブラシレスモータ
ACモータ
AC単相モータ
※ このほかに,ステッピングモータ,超音波モータなどもあるが割愛する
AC3相モータ
AC3相同期モータ
AC単相同期モータ
AC単相誘導モータ
AC3相誘導モータ
インバータを使っていれば同じようなもの
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モータの原理として,制御がかかればサーボモータと言える.
位置,速度の制御であれば,たいていのモータはサーボモータになる
例外;電源に同期するだけの同期モータ
サーボモータにするには,検出または推定する手段が必要
モータとサーボモータ
トルクに関しても同様,トルクを制御できるようにサーボを構成したもの
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DCブラシ付きモータ
電圧と速度が1次遅れの関係にあり,電流とトルクにも1次遅れの関係がある.
電流とトルクに関してはきわめて速い応答であるため,トルクは電流に比例すると言ってよい.
電流を測定すればモータの出力トルク※を推定できる.
シンプルな制御回路で構成できる.
※ 負荷トルクそのものでない点は注意すべき.
サーボに適したモータ
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DCブラシレスモータ
3相の界磁コイルにより回転磁界を発生
回転角センサによりロータの同期状態を検出する必要あり
電流と出力トルクの関係から推定が可能
サーボに適したモータ
• 駆動回路は3組必要 • 回転角センサや電流センサの性能が悪いと極端に効率が低下
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ACサーボモータ
AC[3相※]同期モータが出発点
エンコーダ,ホール素子による回転角センサを加えたもの
上記はDCブラシレスモータそのものであるため,混同されて論じられる
※3相以外のものも少ないが存在
余談だが,4相はマイコンの計算がしやすい
サーボに適したモータ
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同期モータは構造上ロータの極慣性モーメントが小さくできる
DCブラシレス,ACサーボの別の利点
• 応答性が良く,制御性が良い(加速性能に優れる)
• 応答帯域が大きく確保できることから力覚提示性能が優れる
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ある極を通過するとき,トルク変動(リップル)が発生
ある極に吸着されるとき,振動が発生
モータ全般の欠点
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コアの形状最適化; 磁場解析
ロータの着磁パターンの最適化; 磁場解析
コアをなくし,空芯にして非線形性を改善
コギングトルクの解決法
これらの対策を講じると最大トルクは下がる結果になる
角度依存性を調べ,制御による解決
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モータ特性をモデリングすることは難しい
不可能ではないが演算負荷が大きい
近似モデルで代用する方が現実的
純粋な制御理論に対して,実在するモータはあまりに不確定な要素が多い
シミュレーション結果と実験結果が合わない
動力学演算しながら制御を掛けるような場合,合わせ込みが難しいことを知っておく必要がある.
キャリブレーション動作を設定することでパラメータ同定を行うような工夫が必要な場合がある.
モータを扱った理由
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トルクモータ基本構成
ブラシレスモータの場合
ギアヘッド
モータ
サーボドライバ
上位制御系と通信
PWMドライバ 電流センサ
角度センサ
PWMドライバ 電流センサ PWMドライバ 電流センサ
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電流センサでトルク制御を行うのは限界あり
誤差の要因
コギングトルク
軸受や減速機の摩擦要素が検出できない
これらが非線形性を有し,推測が極めて難しい
電流センサによっては,オフセットやドリフトがあり,トルク検出用に0近傍が扱いにくい場合もある
電流センサは高精度だが・・・
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多軸力センサ
対象物への接触状態が把握しやすい
デバイスが高価,演算コスト大
構造部材に配置(アーム,リンク等)
比較的配置しやすく,回路構成も簡潔
構造の設計変更を要し,軸干渉も起こりやすい
出力軸に配置
出力軸,関節に配置し,純粋に計測できる
動く関節にセンサを配置せざるを得ない
アナログではコネクタ・ハーネスの所でノイズ発生
トルクセンサの配置(基本)
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単体,複数によらず,多軸のセンシングを行った場合,ある軸の検出した成分が他のセンサにも表れてしまう現象 材料のポアソン比分は直交する部分も変形する
回路も完全に独立しない場合がある(電源回路が共有されているため)
起歪体構造や配置によりある程度低減でき,演算によりある程度推測できるが,結果として分解能を落とす結果になる
軸干渉とは?
起歪体構造の例
Fx, Fy, Fz; 並進成分
Mx, My, Mz; 回転成分
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モータの反トルクを計測
モータのケーシングを起歪体で支持
磁界を介すため,不要な高振動数の成分が減衰され,扱いやすいセンサ出力
反面,訛ったセンサ出力となるため利用法を工夫する必要あり
減速機の反トルクを計測
基本はモータ反トルクと同様
機構を介しているだけのため,直接的に伝達されてくる
トルクセンサの配置(研究)
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モータのケーシングを軸受で支持する
ロータとステータの相対トルクを利用できる一種の差動機構
簡単に差動機構を構成可能
ステータ側の無限回転利用にはあまり適さない
フロートディファレンシャル
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減速機特性をモデリングすることは難しい
不可能ではないが演算負荷が大きい
近似モデルで代用する方が現実的
純粋な制御理論に対して,実在する減速機はあまりに不確定な要素が多い
シミュレーション結果と実験結果が合わない
動力学演算しながら制御を掛けるような場合,合わせ込みが難しいことを知っておく必要がある.
キャリブレーション動作を設定することでパラメータ同定を行うような工夫が必要な場合がある.
減速機を扱った理由
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ありません.
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