2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of precision positioning control circuit of ultrasonic motor by pulse width high speed switching method
| Project/Area Number |
19K04337
|
|---|
| Research Institution | Kindai University |
|---|
Principal Investigator |
岡 正人 近畿大学, 工学部, 教授 (70281582)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 超音波モータ / 精密位置決め制御 / アクチュエータ / MRI対応型手術支援ロボット |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では超音波モータの駆動回路および制御方式を見直すことにより，高精度な位置決め制御を実現させることが目的である。
駆動回路については次のようになる。現在主流である昇圧トランスを用いた駆動回路では，FETのスイッチングによって電圧を発生させて圧電素子に印加している。このため印加される電圧は疑似正弦波となり，トランスの二次側の電圧はフィードバックをかけることができないためにひずみ波形の成分が多くまた周波数によってその電圧のピーク値が変化してしまう欠点がある。提案する駆動回路では昇圧トランスを用いる手法ではなく，正弦波を発生させるためのDirect Digital Synthesizer（以下，DDSと記述）と高電圧オペレーショナルアンプ（以下，Op-Ampと記述）を用いた駆動回路を開発した。この手法により歪がなく周波数によって電圧の大きさが変化しない正弦波電圧を超音波モータに印加することができる。
次に制御方式については次のようになる。昇圧トランスを用いた手法では，超音波モータの回転速度を周波数（回転速度）を可変，電圧（回転と静止）および位相差（正転と逆転）を2値で制御する手法が一般的となっている。この制御手法では低速回転時において細かな制御が難しい点があった。提案する制御手法ではDDSを用いることによりこれらの３つのパラメータの値を細かく制御できる。本手法において従来電圧制御は不可能とされていた超音波モータに対して，共振周波数より数kHz高い周波数領域において電圧制御できる領域を利用して，周波数と電圧の両方を制御することにより高精度な位置制御を行うことができた。この方式を用いることにより，超音波モータの位置決め制御としてはきわめて精度の高い±0.000138 deg.で行なうことが可能となった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在までに製作した駆動回路および実験装置またパラメータ値の調整方法について下記に示す。
<駆動回路の作製>DDSとOp-Ampを用いることにより，正確で高レスポンスの波形を出力できる駆動回路を作製した。駆動回路は初段にDDSおよび2つの汎用オペアンプと終段のOp-Ampから構成される。この回路は周波数，電圧および位相差を高速に切替えることができる。DDS は周波数を32ビット，位相差を14ビット，電圧を10ビットの分解能で正弦波を出力することができる。このDDSから出力された正弦波は終段のOp-Ampで±180Vに増幅されて超音波モータのA相およびB相に電圧を供給することができる。
<実験装置の作製>実験装置は超音波モータ，負荷およびエンコーダから構成される。これらの装置を同一軸上に配置して，各軸をカップリングで接続している。超音波モータは回転子（ロータ）の直径が60mmの超音波モータを用いた。負荷はパウダクラッチを用いた。このパウダクラッチに供給する電流を調整することによって負荷の大きさを調整した。エンコーダは648,000P/Rの分解能を有しており，この信号を4逓倍することにより2,592,000P/Rの分解能を持つ位置検出器として使用した。角度の分解能としては0.0001388deg.となる。
<パラメータ値の調整方法>周波数と電圧を変化させて制御する方式については，計算された制御入力値の95％を周波数制御，残りの5％を電圧制御で行う。従来電圧制御は非線形性が強く制御が行えないと考えられていたが，共振周波数の数kHzほど高い周波数領域に制御できる領域があることが判った。この領域では電圧と回転子の移動距離が周波数制御と比較して安定しているため，周波数制御のみでは実現できないような高精度な位置決め制御が可能となった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
最適な応答波形にするために各ゲインや周波数と電圧の入力割合などの調整を行う。
駆動回路をプリント基板で作製することにより誤動作のない回路にする。
研究で得られた結果を学会などで発表する。
論文を執筆して研究内容の成果について投稿を行う。
|
Research Products
(2 results)
