JP2001290515A - シミュレーション装置およびシミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷系、駆動系、および、制御系とを有する
制御システムをより正確にシミュレーションする。 【解決手段】 数学モデル入力手段１ａは、負荷系２ｃ
および駆動系２ｂに対応する数学モデルの入力を受け
る。演算手段１ｂは、数学モデルに応じた演算を行う。
制御信号入力手段１ｃは、制御系２ａから出力された制
御信号を入力する。供給手段１ｄは、制御信号入力手段
１ｃから入力された制御信号を演算手段１ｂに対して供
給する。フィードバック手段１ｅは、演算手段１ｂによ
る演算結果を、制御系２ａに対してフィードバックす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシミュレーション装
置およびシミュレーション方法に関し、特に、制御対象
となる負荷系と、負荷系を駆動する駆動系と、駆動系を
制御する制御系と、を有する制御システムの一部をシミ
ュレーションするシミュレーション装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ファームやソフトウエアを作成する手法
はユーザーフレンドリーになってきており、一昔前のア
センブラやＣ言語などの予備知識や学習が必要なテキス
ト記述の手法から、よく使用する機能はモジュール化し
た部品として利用するオブジェクト技術の利用に移りつ
つある。このモジュール化した部品(ファンクションブ
ロック)はソフトウエア作成環境において、各機能をイ
メージした絵や図等で表現される。

【０００３】モータと負荷がギアを介して数段接続して
いるような複雑な機械系では、機械系パラメータ(ギア
のバックラッシュ、負荷イナーシャ、負荷トルク、軸剛
性等を総称して以下は全て機械系パラメータ)によりそ
の状態特有の挙動を示し、制御装置の調節パラメータ
(速度調節器ゲイン、積分定数、各種フィルタ、トルク
制限値などを総称して以下は調節パラメータ)を用いて
調節することになる。

【０００４】制御装置の調節パラメータの最適値を求め
るにはいくつかの方法がある。第１は実機との組み合わ
せによるマニュアル調整する方法。第２は調節パラメー
タを自動調節するオートチューニング機能を予め制御装
置に内蔵したものを利用する方法。第３はパソコン上で
動作する市販の制御ソフトウエアを用いて全てをモデル
化してシミュレーションする方法である。

【０００５】第１の方法は現場での試行錯誤と経験が必
要であり、一般に長い現場経験と熟練した技巧及び労力
を必要とする。この方法は制御挙動を物理的に説明する
ことができない場合があること、偶然に調整が完了する
場合があるなどの問題点があるが、旧くから現在に至る
までよく利用されている。

【０００６】第２は制御装置内蔵のシーケンス運転で急
加減速運転や高速な定速運転を行うことで機械調節パラ
メータの計算をファームが行う方法である。このような
シーケンス運転はファームＲＯＭ（Read Only Memory）
の制約上、固定的で柔軟性に欠ける。従って、そのシー
ケンス運転を許容できない機械システムには適合できな
いなどの問題点があり、実際にほとんど利用されていな
い。

【０００７】第３の方法は、制御装置と機械系を全て含
めて、即ち、制御装置の機能および性能まで全て含めて
数学的にモデリングすることが必要であり、制御装置を
含めることで問題が複雑化する。即ち、制御装置の内部
構造をメーカは外部に開放していないので、ユーザが制
御装置を含めた完全なモデルを作成することは不可能で
ある。ユーザが理想化した制御装置をモデル化すること
で、実機の組み合わせを真値とした場合に比してモデル
の誤差が大きくなってしまう。この結果、シミュレーシ
ョンと実機では異なった挙動を示すことになり、シミュ
レーション自体が意味を成さなくなる。制御装置の内部
構造を知り得るメーカの開発元が、制御装置のソフトウ
エアを全て綿密にシミュレーションできたとしても、膨
大な計算量となり数十秒のシミュレーションに数時間を
要することになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】各機能フロックはユー
ザの様々な目的に応じて作成される。モータ単体をシミ
ュレーションするレベルのファンクションブロック（以
下、ＦＢと称す）はイナーシャによる積分であるから簡
単である。しかしながら、複雑な機械系を構築するため
の手法も同時に提供しなければ、ユーザは機械の実体を
ＦＢによるモデルに移すことが容易にできないという問
題点があった。

【０００９】また、複雑な機械システムを駆動する場
合、ほとんどの場合、制御装置と機械系を実際に組み合
わせてテストを行って調整することが昔から現在に至る
まで行われている。そして場合により、機械的な共振点
の存在による許容できない速度変動や、バックラッシュ
に伴う機械音の発生、位置決め制御において所望の性能
がでない、駆動および制動能力不足などの問題が現場で
発生することがある。この結果、システムの立ち上げ工
程最終段階でシステムの再構築や部品の変更などを余儀
なくされる場合があるという問題点があった。また、実
機による組み合わせテストを完了させるには熟練した技
と経験が必要であるという問題点もあった。

【００１０】従来は、その対応策として、第１に性能お
よび機能的に余裕をみた部品および機械の選定を行うこ
と。第２に高価な市販制御シミュレーション用のソフト
ウエアを利用して、パソコン上で制御シミュレーション
を行い、制御挙動と機械系パラメータの関係を確認する
ことを行っていた。前者ではシステムが高コストになっ
てしまい、後者では制御装置のハードウエアおよびファ
ームまで含めた全てのモデリングを行う必要があり、複
雑な機械系になるとモデル誤差が大きく実機動作との違
いが大きくなり制御挙動の傾向解析に利用はするが、実
用に耐えないなどの問題点があった。

【００１１】本発明は、以上の点に鑑みてなされたもの
であり、低い導入コストでより真値に近いシミュレーシ
ョンを実行可能なシミュレーション装置を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、図１に示す、制御対象となる負荷系２ｃ
と、負荷系２ｃを駆動する駆動系２ｂと、駆動系２ｂを
制御する制御系２ａと、を有する制御システム２の一部
をシミュレーションするシミュレーション装置１におい
て、前記負荷系２ｃおよび前記駆動系２ｂに対応する数
学モデルの入力を受ける数学モデル入力手段１ａと、前
記数学モデルに応じた演算を行う演算手段１ｂと、前記
制御系２ａから出力された制御信号を入力する制御信号
入力手段１ｃと、前記制御信号入力手段１ｃから入力さ
れた制御信号を前記演算手段１ｂに対して供給する供給
手段１ｄと、前記演算手段１ｂによる演算結果を、前記
制御系２ａに対してフィードバックするフィードバック
手段１ｅと、を有することを特徴とするシミュレーショ
ン装置が提供される。

【００１３】ここで、数学モデル入力手段１ａは、負荷
系２ｃおよび駆動系２ｂに対応する数学モデルの入力を
受ける。演算手段１ｂは、数学モデルに応じた演算を行
う。制御信号入力手段１ｃは、制御系２ａから出力され
た制御信号を入力する。供給手段１ｄは、制御信号入力
手段１ｃから入力された制御信号を演算手段１ｂに対し
て供給する。フィードバック手段１ｅは、演算手段１ｂ
による演算結果を、制御系２ａに対してフィードバック
する。

【００１４】また、本発明では上記課題を解決するため
に図１１に示す、制御対象となる負荷系と、負荷系を駆
動する駆動系２ｂと、駆動系２ｂを制御する制御系２ａ
と、を有する制御システム２の一部をシミュレーション
するシミュレーション装置１において、前記負荷系に対
応する数学モデルの入力を受ける数学モデル入力手段１
ａと、前記数学モデルに応じた演算を行う演算手段１ｂ
と、前記負荷系の代わりとして前記駆動系に接続された
負荷機２ｄの状態を検出する検出手段１ｈと、前記検出
手段１ｈの検出結果を前記演算手段に供給する供給手段
１ｄと、前記演算手段１ｂの演算結果に応じて前記負荷
機２ｄを制御する制御手段１ｇと、を有することを特徴
とするシミュレーション装置が提供される。

【００１５】ここで、数学モデル入力手段１ａは、負荷
系に対応する数学モデルの入力を受ける。演算手段１ｂ
は、数学モデルに応じた演算を行う。検出手段１ｈは、
負荷系の代わりとして駆動系に接続された負荷機２ｄの
状態を検出する。供給手段１ｄは、検出手段１ｈの検出
結果を演算手段に供給する。制御手段１ｇは、演算手段
１ｂの演算結果に応じて負荷機２ｄを制御する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の動作原理を説明
するための原理図である。この図に示すように、シミュ
レーション装置１は、数学モデル入力手段１ａ、演算手
段１ｂ、制御信号入力手段１ｃ、供給手段１ｄ、フィー
ドバック手段１ｅ、および、停止手段１ｆによって構成
されており、制御システム２の駆動系および負荷系をシ
ミュレーションする。

【００１７】ここで、数学モデル入力手段１ａは、制御
システム２の負荷系２ｃおよび駆動系２ｂに対応する数
学モデルの入力を受ける。なお、この数学モデルは、図
示せぬ表示装置に表示されたＧＵＩ（Graphical User I
nterface）において、ＦＢを相互に連結することによっ
て生成されたものである。

【００１８】演算手段１ｂは、数学モデル入力手段１ａ
から入力された数学モデルに応じた演算処理を行う。制
御信号入力手段１ｃは、制御系２ａから出力された制御
信号を入力する。

【００１９】供給手段１ｄは、制御信号入力手段１ｃか
ら入力された制御信号を、演算手段１ｂに対して供給す
る。フィードバック手段１ｅは、演算手段１ｂによる演
算結果を、制御系２ａに対してフィードバックする。

【００２０】停止手段１ｆは、シミュレーションを実行
する際には、駆動系２ｂの動作を停止させる。また、シ
ミュレーション対象である制御システム２は、制御系２
ａ、駆動系２ｂ、および、負荷系２ｃによって構成され
ている。制御系２ａは、例えば、制御装置のファームで
あり、駆動系２ｂからのフィードバック信号と制御指令
に応じて駆動系２ｂを制御する。

【００２１】駆動系２ｂは、例えば、モータによって構
成されており、制御系２ａからの制御指令に応じて、負
荷系２ｃを駆動する。負荷系２ｃは、例えば、工作機械
であり、駆動系２ｂの制御に応じて動作する。

【００２２】次に、以上の原理図の動作について説明す
る。いま、ファンクションブロックが適宜組み合わせら
れ、駆動系２ｂおよび負荷系２ｃに対応する数学モデル
が構成され、数学モデル入力手段１ａから入力されたと
する。

【００２３】数学モデル入力手段１ａは、入力された数
学モデルを、演算手段１ｂに供給する。演算手段１ｂ
は、入力された数学モデルを保持し、動作の要求がなさ
れるまで待機状態となる。

【００２４】このような状態において、シミュレーショ
ン動作を開始すると、先ず、停止手段１ｆが駆動系２ｂ
の動作を停止させる。即ち、シミュレーション中はシミ
ュレーション装置１によって駆動系２ｂおよび負荷系２
ｃの機能が代替されるので、駆動系２ｂを動作させる必
要がないからである。その結果、駆動系２ｂと負荷系２
ｃは制御系２ａからは切り離された状態となる。

【００２５】次に、制御系２ａに対して所定の指令値が
供給されて動作が開始されると、制御系２ａは、フィー
ドバック手段１ｅからのフィードバック信号と、指令値
との差分に応じて生成した制御信号を出力する。なお、
駆動系２ｂは、停止手段１ｆによって動作が停止されて
いるので、制御系２ａから制御信号が供給された場合で
も動作することはない。

【００２６】制御系２ａから出力された制御信号は、制
御信号入力手段１ｃを介してシミュレーション装置１に
入力され、供給手段１ｄに供給される。供給手段１ｄ
は、制御信号入力手段１ｃから入力された制御信号を演
算手段１ｂに対して供給する。

【００２７】演算手段１ｂは、供給手段１ｄから供給さ
れた制御信号に対して、保持している数学モデルに応じ
た演算処理を施す。フィードバック手段１ｅは、演算手
段１ｂの演算結果を制御系２ａに対してフィードバック
する。

【００２８】その結果、制御系２ａとシミュレーション
装置１の間でフィードバックループが形成されることに
なる。ここで、演算手段１ｂによってシミュレーション
されている数学モデルは、駆動系２ｂおよび負荷系２ｃ
に対応するものであるので、駆動系２ｂおよび負荷系２
ｃを動作させることなく、システム全体の挙動を知るこ
とができる。

【００２９】以上に説明したように、本発明のシミュレ
ーション装置によれば、駆動系２ｂおよび負荷系２ｃを
実際に動作させることなく、システム全体の挙動を知る
ことが可能となる。その結果、制御系２ａを含んだ状態
でシミュレーションができるので、システム全体をシミ
ュレーションした場合に比較して、より真値に近い結果
を得ることが可能となる。

【００３０】次に、本発明の実施の形態の構成例につい
て説明する。図２は、本発明の実施の形態の構成例を示
す図である。この図において、制御装置２０には、統括
指令部２１と光通信部２２とが具備されている。この制
御装置２０は、固有のファームウエアを有しており、制
御対象となる機械系を独自に制御可能であるとともに、
統括指令部２１からの指令により制御対象を制御するこ
とも可能である。なお、制御装置２０と制御装置２５−
１〜２５−ｎは同様の構成である。

【００３１】統括指令部２１は、制御装置２０の制御Ｐ
Ｔ板上に配置されており、コネクタ２１ａを介してプロ
グラマブルコントローラ（以下、ＰＣと称す）２４から
供給される制御用プログラムを入力し、制御装置２０を
制御するとともに、光通信部２２を介して制御装置２５
−１〜２５−ｎを制御する。

【００３２】光通信部２２は、統括指令部２１に接続さ
れ、統括指令部２１からの制御信号を光信号に変換して
制御装置２５−１〜２５−ｎに供給する。なお、光通信
部２２を、制御装置２０に対して付加するようにしても
よい。

【００３３】ＰＣ２４は、例えば、パーソナルコンピュ
ータ等によって構成されており、統括指令部２１で実行
する制御プログラムを、例えば、ＧＵＩ等を介して生成
する。

【００３４】光ケーブル２６−１〜２６−ｎは、光通信
部２２および制御装置２５−１〜２５−ｎを相互に接続
し、光信号によって情報を送受信する。次に、図３を参
照して、図２に示す実施の形態の各部の詳細な構成例に
ついて説明する。

【００３５】この図に示すように、統括指令部２１は、
コネクタ２１ａ、シリアルバス２１ｂ、ＣＰＵ２１ｃ、
フラッシュメモリ２１ｄ、ＲＡＭ２１ｅ、バス２１ｆ、
ＣＰＵ２１ｇ、フラッシュメモリ２１ｈ、ＲＡＭ２１
ｉ、および、バックアップ電源２１ｊによって構成され
ている。

【００３６】ＣＰＵ２１ｃ、フラッシュメモリ２１ｄ、
および、ＲＡＭ２１ｅは、ＰＣ２４から制御プログラム
を入力する処理を実行する。ＣＰＵ２１ｇ、フラッシュ
メモリ２１ｈ、および、ＲＡＭ２１ｉは、ＰＣ２４から
入力された制御プログラムに従って制御装置２０および
制御装置２５−１〜２５−ｎを制御する。

【００３７】ここで、ＣＰＵ２１ｃは、シリアルバス２
１ｂを介してＰＣ２４から制御プログラムを入力する処
理を実行する。フラッシュメモリ２１ｄは、ＣＰＵ２１
ｃが実行するプログラムを格納している。

【００３８】ＲＡＭ２１ｅは、ＣＰＵ２１ｃが実行対象
とするプログラムやデータ等を一時的に格納する。バス
２１ｆは、パラレルバスであり、装置の各部を接続して
情報の授受を可能とする。

【００３９】ＣＰＵ２１ｇは、フラッシュメモリ２１ｈ
に格納されている制御プログラムに従って制御装置２０
および制御装置２５−１〜２５−ｎを制御する。フラッ
シュメモリ２１ｈは、ＣＰＵ２１ｃによって入力された
制御プログラムを記録する。

【００４０】ＲＡＭ２１ｉは、ＣＰＵ２１ｇが実行対象
とするプログラムやデータ等を一時的に格納するととも
に、フラッシュメモリ２１ｈに格納されている制御プロ
グラムをバックアップする。

【００４１】バックアップ電源２１ｊは、ＲＡＭ２１ｉ
に対して電源を供給しており、装置の電源が切断された
場合でもＲＡＭ２１ｉに格納されている情報が消滅する
ことを防止する。

【００４２】一方、光通信部２２は、コネクタ２２ａ、
バス２２ｂ、ＲＯＭ２２ｃ、ＲＡＭ２２ｄ、ＣＰＵ２２
ｅ、Ｉ／Ｆ２２ｆによって構成されており、制御装置２
０から供給された制御信号を光信号に変換して制御装置
２５−１〜２５−ｎに対して供給する。

【００４３】ここで、コネクタ２２ａは、制御装置２０
と光通信部２２をパラレルバスであるバス２０ｂによっ
て接続する。バス２２ｂはパラレルバスであり、制御装
置２０とＲＯＭ２２ｃその他を接続し、情報の授受を可
能とする。

【００４４】ＲＯＭ２２ｃは、ＣＰＵ２２ｅが実行する
プログラム等を格納している。ＲＡＭ２２ｄは、ＣＰＵ
２２ｅが実行対象とするプログラムやデータ等を一時的
に格納する。

【００４５】Ｉ／Ｆ２２ｆは、ＣＰＵ２２ｅから供給さ
れた電気信号を光信号に変換し、光ケーブル２６−１に
対して送出する。次に、以上の実施の形態の動作につい
て説明する。

【００４６】本実施の形態では、シミュレーションの対
象である負荷系と制御系に対応する数学的なモデルを生
成する必要があるが、以下では、先ず、このようなモデ
ルを生成する方法について説明する。

【００４７】図４は、慣性モデルをファンクションブロ
ックによって構成する場合の一例である。この例では、
モータ側トルク６０、負荷側トルク６１、および、粘性
負荷（風損、動摩擦損）６４の差分が加減算器６２によ
って算出され、積分器６３によって得られた結果が積分
されるとともにイナーシャ６５で除した結果が負荷側速
度６６として出力されている。

【００４８】以上のようなモデルにおいて、伝達トルク
Δτを式で表すと以下のようになる。なお、τ_refはモ
ータ側トルク、τ_Lは負荷側トルク、τ_Dは粘性負荷を示
している。

【００４９】

【数１】

【００５０】また、トルクτ、イナーシャＪ、速度ωの
関係は以下のようになる。

【００５１】

【数２】

【００５２】図５は、軸モデルをファンクションブロッ
クによって構成した場合の一例である。この例は、モー
タ、モータと負荷を接続する軸、および、ギアをモデル
化したものである。モータ側速度（ω_M）７０と負荷側
速度（ω_L）７１とは、加減算器７２によって差分が算
出され、積分器７３によって積分されて位相偏差（Δ
θ）に変換される。ギアにバックラッシュがある場合に
は、軸の片側が逆方向に回転を開始する際には、バック
ラッシュ分の角度は、他方の装置側には力は伝達されな
い。これを不感帯７５で表し、ファンクションブロック
７４で実際の計算を行う。軸の両端の位置偏差（Δθ）
はストレスそのものであり、軸の剛性Ｋに比例したトル
ク７６（τ_L）が伝達する。また、負荷側からは粘性負
荷（風損、動摩擦損）７７が加減算器７９によって除算
され、負荷側トルク８０となる。なお、スイッチ７８
は、不感帯である場合にはＯＦＦとなって粘性負荷が出
力に反映されないようにする。

【００５３】以上のようなモデルにおいて、モータ側と
機械側の位置偏差Δθは、モータ速度ω_M、負荷速度ω_L
より以下の式を用いて表すことができる。

【００５４】

【数３】

【００５５】また、負荷側に伝達する負荷側トルクτ_L
は、以下の式で表すことができる。

【００５６】

【数４】

【００５７】図６は、以上のモデルを用いて複雑な機械
モデルを構築した場合の一例を示す図である。この図で
は、モータと３つの負荷が並列に接続され、１つの負荷
が更に直列に接続された機械系に対応するモデルであ
る。即ち、モータ慣性９０に対して負荷慣性９１〜９３
が並列に接続され、負荷慣性９１に対して負荷慣性９４
が直列に接続されている。

【００５８】図７は、図６に示すモデルをブロック図で
表したものである。この図において、慣性モデルは図４
に対応するモデルであり、軸モデルは図５に対応するモ
デルである。

【００５９】この例では、加減算器１００は、軸モデル
１０５〜１０７の出力と、トルク指令との差分を算出し
て慣性モデル１０１に供給する。慣性モデル１０１の出
力は、加減算器１０２〜１０４へ供給され、そこで、慣
性モデル１１３〜１１５からの出力との差分が算出さ
れ、軸モデル１０５〜１０７にそれぞれ供給される。

【００６０】軸モデル１０５の出力は、加減算器１０８
へ供給され、そこで、軸モデル１１７からの出力との差
分が算出され、慣性モデル１１３に供給される。軸モデ
ル１０６，１０７の出力は、加減算器１０９，１１０に
供給され、そこで、負荷トルク１１１，１１２との差分
が算出されて慣性モデル１１４，１１５へそれぞれ供給
される。

【００６１】慣性モデル１１３の出力は加減算器１１６
に供給され、そこで、慣性モデル１２０からの出力との
差分が算出され、軸モデル１１７に供給される。加減算
器１１８は、軸モデル１１７の出力と負荷トルク１１９
との差分を算出し、慣性モデル１２０に供給する。

【００６２】以上に示したように、ファンクションブロ
ックを用いた慣性モデルと軸モデルとを用いることによ
り、複雑な機械系も簡単にモデル化することが可能とな
る。次に、以上のようにして生成したファンクションブ
ロックを用いて、シミュレーションを行う場合の具体的
な例について説明する。

【００６３】図８は、図３に示す実施の形態によって、
駆動系および負荷系をシミュレーションする場合の動作
を説明するための図である。この図において、ソフトウ
エアブロック１４０は、統括指令部２１のフラッシュメ
モリ２１ｈに格納されたプログラムによって実現される
機能である。また、加減算器１４１、速度調節器１４
２、駆動制御部１４３、スイッチ１４４、および、スイ
ッチ１４５は、例えば、制御装置２０に内蔵されてい
る。また、エンコーダ１４６、モータ１４７、軸１４
８、負荷機械１４９は、制御装置２０の制御対象であ
る。

【００６４】ソフトウエアブロック１４０は、スケール
変換部１４０ａ、加減算器１４０ｂ、慣性モデル１４０
ｃ、加減算器１４０ｄ、スケール変換部１４０ｅ、軸モ
デル１４０ｆ、外乱トルク１４０ｇ、加減算器１４０
ｈ、および、慣性モデル１４０ｉによって構成されてい
る。

【００６５】ここで、スケール変換部１４０ａは、速度
調節器１４２から出力されたデータ（最大出力に対する
出力割合％）を、工業値である単位（Newton Meter）
に変換する。

【００６６】加減算器１４０ｂは、スケール変換部１４
０ａから出力されたデータと、軸モデル１４０ｆからの
出力との差分を算出して、慣性モデル１４０ｃに供給す
る。慣性モデル１４０ｃは、モータに対応するファンク
ションブロックである。

【００６７】加減算器１４０ｄは、慣性モデル１４０ｃ
からの出力と、慣性モデル１４０ｉとの差分を算出し、
軸モデル１４０ｆに供給する。スケール変換部１４０ｅ
は、慣性モデル１４０ｃから出力された工業値である角
速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）を、回転数（ｒｐｍ）に変換す
る。

【００６８】軸モデル１４０ｆは、モータと負荷とを連
結する軸に対応するモデルである。加減算器１４０ｈ
は、軸モデル１４０ｆの出力と外乱トルク１４０ｇの差
分を算出し、得られた結果を慣性モデル１４０ｉに入力
する。

【００６９】慣性モデル１４０ｉは、負荷に対応するモ
デルである。加減算器１４１は、速度指令ω＊と、スイ
ッチ１４５から供給された速度ωとの差分を算出し、速
度調節器１４２に供給する。

【００７０】駆動制御部１４３は、インバータ等によっ
て構成され、速度調節器１４２からの出力に応じてモー
タを制御する。スイッチ１４４は、統括指令部２１によ
って制御され、ソフトウエアブロック１４０によってシ
ミュレーションを行う場合にはＯＦＦの状態とされ、そ
れ以外の場合にはＯＮの状態とされる。

【００７１】スイッチ１４５は、同様に統括指令部２１
によって制御され、シミュレーションを実行する際に
は、ソフトウエアブロック１４０側に接続され、それ以
外の場合にはエンコーダ１４６側に接続される。

【００７２】エンコーダ１４６は、モータ１４７の出力
軸等に接続されており、モータの回転数に対応する信号
を出力する。モータ１４７は、軸１４８を介して負荷機
械１４９に接続されている。

【００７３】軸１４８は、ギアおよび軸によって構成さ
れており、モータの回転力を適宜変速して負荷機械１４
９に伝達する。負荷機械１４９は、例えば、工作機械の
切削部等の実動部分である。

【００７４】次に、以上の実施の形態の動作について説
明する。先ず、ソフトウエアブロック１４０によってシ
ミュレーションを行う場合について説明する。

【００７５】ソフトウエアブロック１４０によってシミ
ュレーションを行う場合には、統括指令部２１は、スイ
ッチ１４４をＯＦＦの状態にして駆動制御部１４３から
の出力を切断するとともに、スイッチ１４５によってス
ケール変換部１４０ｅからの出力を選択する。その結
果、速度調節器１４２、ソフトウエアブロック１４０、
および、加減算器１４１によってループが形成されるこ
とになる。

【００７６】このような状態において、速度指令ω＊が
加減算器１４１に入力されると、ソフトウエアブロック
１４０の出力は、まだ、初期値の“０”の状態であるの
で、速度調節器１４２には、速度指令ω＊がそのまま入
力されることになる。

【００７７】速度調節器１４２は、速度指令ω＊に応じ
た制御信号を生成し、スケール変換部１４０ａに対して
供給する。スケール変換部１４０ａは、速度調節器１４
２から供給された制御信号（最大出力に対する出力割合
％）を、工業値である単位（Newton Meter）に変換し、
加減算器１４０ｂに供給する。

【００７８】加減算器１４０ｂは、スケール変換部１４
０ａから供給されたトルク指令τ＊と軸モデル１４０ｆ
の出力の差分を算出し、慣性モデル１４０ｃに対して供
給する。

【００７９】慣性モデル１４０ｃは、入力されたトルク
指令τ＊をイナーシャＪで積分し、得られた負荷速度を
スケール変換部１４０ｅと加減算器１４０ｄに供給す
る。加減算器１４０ｄに供給された出力信号は、慣性モ
デル１４０ｉからの出力との差分が算出され、軸モデル
１４０ｆに供給される。

【００８０】軸モデル１４０ｆは加減算器１４０ｄから
の出力を積分して位置偏差を生成し、この位置偏差に対
してバックラッシュモデルである不感帯モデルを介して
軸剛性を乗算することで負荷伝達トルクを生成して加減
算器１４０ｂ，１４０ｈに供給する。

【００８１】加減算器１４０ｈは、軸モデル１４０ｆか
ら供給された負荷側トルクから外乱トルク１４０ｇを減
算し、慣性モデル１４０ｉに対して供給する。慣性モデ
ル１４０ｉは、加減算器１４０ｈからの出力である負荷
伝達トルクを負荷のイナーシャで積分することにより、
負荷側速度を算出し、加減算器１４０ｄに供給する。

【００８２】スケール変換部１４０ｅは、慣性モデル１
４０ｃから出力された工業値である角速度（ｒａｄ／ｓ
ｅｃ）を、回転数（ｒｐｍ）に変換し、スイッチ１４５
に供給する。スイッチ１４５は、前述したように、加減
算器１４１側に接続されているので、スケール変換部１
４０ｅからの出力は、加減算器１４１に供給されること
になる。

【００８３】以上の動作により、制御装置２０の速度調
節器１４２から出力された信号は、ソフトウエアブロッ
ク１４０によってシミュレーションされた駆動系および
負荷系に供給され、そこで設定値に応じた演算処理が施
され、再度、速度調節器１４２に入力されることにな
る。

【００８４】図９は、スケール変換部１４０ｅの出力を
ＰＣ２４によってモニタした場合の表示例である。この
例では、ウィンドウ２００の表示領域２００ａに、図８
に示す加減算器１４１に対してステップ入力がなされた
場合における駆動系のステップ応答特性が表示されてい
る。

【００８５】このように、速度調節器１４２を一部に含
んだ状態で、対象となる系のシミュレーションを行うこ
とが可能となるので、全てをモデル化した場合に比較し
てより真値に近い値を得ることが可能となる。

【００８６】また、このようなシミュレーションでは、
制御系および負荷系を実際に動作して調節することがで
きない場合（例えば、パラメータが未設定の状態で動作
させることは危険である場合）においても、適切なパラ
メータを得ることができる。

【００８７】更に、外乱トルク１４０ｇ等を適宜設定す
ることにより、様々な条件下での使用も想定したパラメ
ータの設定が可能となる。なお、この機械モデルは、正
確には、モータの慣性と負荷機の慣性が剛性のある軸を
介して接続されている２慣性系モデルと呼ばれるもので
ある。剛性の大きさとモータ、負荷機の慣性により軸両
端の共振周波数が決まり、制御装置の調節系パラメータ
により共振の振幅が決まる。

【００８８】機械系の応答を高めるには速度調節器１４
２のゲインを大きくする必要があるが、大きくし過ぎる
と共振の度合いが大きくなり、許容できない速度変動と
なって現れる。また、加速や減速等の過渡的な状態では
速度調節器１４２の積分定数を小さくし過ぎるとモータ
ハンチングの為にモータ１４７から異様な音が発生する
こととなる。このような現象を予めシミュレーションに
より確かめ、調節パラメータを決定できることになる。

【００８９】図１０は、図８の場合に比較して、更に複
雑な制御系および駆動系を有するシステムの具体例であ
る。この例は、位置・速度制御部１５０、ハードウエア
部１５７、機械系１６０、および、その他の部分によっ
て構成されている。

【００９０】位置・速度制御部１５０は、加減算部１５
０ａ、位置調節器１５０ｂ、可減速演算器１５０ｃ、フ
ィルタ１５０ｄ、加減算器１５０ｅ、速度調節器１５０
ｆ、トルク制限器１５０ｇ、加減算器１５０ｈ、スイッ
チ１５０ｉ，１５０ｊ、フィルタ１５０ｋ、および、磁
束調節器１５０ｍによって構成されており、制御対象で
あるモータ１６０ａの位置および速度を制御する。

【００９１】加減算器１５１，１５２、電流調節器１５
３、ベクトル回転器１５４、および、２相／３相変換器
１５５は、位置・速度制御部１５０から出力された制御
信号に対応する３相信号を生成してハードウエア部１５
７に供給する。なお、スイッチ１５６は、２相／３相変
換器１５５の出力を遮断するスイッチである。

【００９２】ハードウエア部１５７は、ＰＷＭ（Pulse
Width Modulation）１５７ａ、キャリア１５７ｂ、ＯＮ
−ＤＥＬＡＹ１５７ｃ、および、スイッチング回路１５
７ｄによって構成されており、２相／３相変換器１５５
の出力に応じた駆動信号を生成してモータ１６０ａに供
給する。

【００９３】２相／３相変換器１５８およびベクトル回
転器１５９は、スイッチング回路１５７ｄからの出力信
号を２相信号に変換して、加減算器１５１，１５２にフ
ィードバックする。

【００９４】機械系１６０は、モータ１６０ａ、エンコ
ーダ１６０ｂ、ギア１６０ｃ，１６０ｄ、負荷１６０
ｅ、エンコーダ１６０ｆによって構成されており、ハー
ドウエア部１５７から出力された３相信号に応じてモー
タ１６０ａが回転され、ギア１６０ｃ，１６０ｄを介し
て負荷１６０ｅが駆動される。このとき、モータ１６０
ａと負荷１６０ｅに関する情報は、エンコーダ１６０ｂ
およびエンコーダ１６０ｆによってそれぞれ検知され、
位置・速度制御部１５０にフィードバックされる。

【００９５】このような制御システムに対して、本発明
を適用し、シミュレーションを実行する場合には、スイ
ッチ１５０ｉ，１５０ｊによって、エンコーダ１６０
ｂ，１６０ｆからの信号を、対象となるソフトウエアブ
ロック（図示せず）側に供給するとともに、２相／３相
変換器１５５からの出力信号をスイッチ１５６により遮
断する。そして、そのような状態において、ソフトウエ
アブロックによりシミュレーションを実行する。

【００９６】即ち、本実施の形態によってシミュレーシ
ョンを行う場合には、シミュレーションの対象となる制
御系を停止するとともに、制御系に対するフィードバッ
ク信号をソフトウエアブロックに対して供給する必要が
ある。

【００９７】次に本発明の他の実施の形態に対応する原
理図について説明する。図１３は、本発明の他の実施の
形態に対応する原理図の一例である。なお、この図にお
いて、図１の場合と対応する部分には、同一の符号を付
してあるので、その説明は適宜省略する。

【００９８】この例では、図１の場合に比較して、制御
システム２の負荷系２ｃが除外され、その代わりに負荷
機２ｄが付加されている。また、シミュレーション装置
１からは制御信号入力手段１ｃ、フィードバック手段１
ｅ、停止手段１ｆが除外され、制御手段１ｇおよび検出
手段１ｈが新たに付加されている。また、シミュレーシ
ョン装置１は、図１の例では、制御系２ａおよび駆動系
２ｂに接続されているが、図１１の例では負荷機２ｄに
のみ接続されている。

【００９９】ここで、数学モデル入力手段１ａは、負荷
系に対応する数学モデルの入力を受ける。演算手段１ｂ
は、入力された数学モデルに応じた演算を行う。

【０１００】検出手段１ｈは、負荷系の代わりとして接
続された負荷機２ｄの状態を検出する。供給手段１ｄ
は、検出手段１ｈの検出結果を演算手段１ｂに供給す
る。

【０１０１】制御手段１ｇは、演算手段１ｂの演算結果
に応じて負荷機２ｄを制御する。また、負荷機２ｄは、
負荷をシミュレーションするためのモータである。な
お、負荷機２ｄと駆動系２ｂとは剛性の大きい（剛性の
無視できる）軸を介して機械的に接続されている。その
他の構成は、図１の場合と同様である。

【０１０２】次に、以上の原理図の動作について説明す
る。いま、数学モデル入力手段１ａからシミュレーショ
ンしようとする負荷系の数学モデルが入力されると、こ
の数学モデルは演算手段１ｂに供給される。

【０１０３】演算手段１ｂは、入力された数学モデルを
保持し、シミュレーションの開始を示す制御信号が供給
されるまで待機する。このような状態において、シミュ
レーションの開始を示す制御信号が演算手段１ｂに供給
されると、シミュレーション動作が開始される。

【０１０４】シミュレーション動作が開始されると、検
出手段１ｈは、負荷機２ｄからの検出信号を取得し、供
給手段１ｄに供給する。供給手段１ｄは、検出手段１ｈ
からの信号を演算手段１ｂに供給する。

【０１０５】演算手段１ｂは、数学モデルに応じて供給
手段１ｄから供給された信号に対して所定の演算処理を
施し、得られた結果を制御手段１ｇに供給する。制御手
段１ｇは、演算手段１ｂから供給された信号に応じて、
負荷機２ｄを制御する。その結果、負荷機２ｄは、目的
とする数学モデルに応じた特性を有するように制御され
ることになる。

【０１０６】このようにして、駆動系２ｂに対して負荷
機２ｄを接続し、対象とする数学モデルに応じてこの負
荷機２ｄを制御するようにすることで、任意の負荷特性
を実現することが可能となる。その結果、様々な状況を
想定したシミュレーションが可能となる。

【０１０７】なお、このようなシミュレーションは、駆
動系２ｂを負荷系に対して接続する前の段階において、
特に有効であると考えられる。次に、以上の原理図に係
る実施の形態について説明する。

【０１０８】図１２は、図１１に示す原理図に対応する
実施の形態の構成例である。この図において、制御装置
１７０は、例えば、図３に示す制御装置２０に対応して
おり、モータ１７１を制御する。

【０１０９】モータ１７１は、制御装置１７０の制御に
応じて動作する。軸１７２は、剛性の大きい軸によって
構成され、モータ１７１と負荷機１７３とを機械的に接
続する。

【０１１０】負荷機１７３は、負荷を模擬するためのモ
ータであり、制御装置１７４の制御に応じて負荷特性が
変化する。制御装置１７４は、例えば、図３に示す制御
装置２５−１に対応しており、統括指令部２１によって
実現されるソフトウエアブロック１７５に応じた負荷特
性を負荷機１７３に実現させる。

【０１１１】ソフトウエアブロック１７５は、統括指令
部２１のフラッシュメモリ２１ｈに格納されている制御
ソフトによって実現される機能であり、この例では、負
荷機側慣性と負荷側の粘性負荷(回転数に比例した風損
または動摩擦損)、および、固定負荷をシミュレーショ
ンしている。

【０１１２】ここで、負荷速度１７５ａは、負荷の速度
を示す。微分器１７５ｂは、負荷速度の微分値を求め、
これにイナーシャ１７５ｃを乗算した値をトルクとして
加減算器１７５ｅに出力する。粘性負荷１７５ｄは、速
度に比例した抵抗である。イナーシャ１７５ｃは負荷の
慣性を示す。固定負荷１７５ｆは、負荷が有する固定的
なトルクである。負荷側トルク指令１７５ｇは、以上の
モデルによって算出された負荷を駆動するのに必要なト
ルクである。この指令値は、制御装置１７４に供給さ
れ、負荷機１７３はこの指令値に応じたトルクを発生す
ることになる。

【０１１３】なお、以上のモデルによってシミュレーシ
ョンされるトルクτ_Lを式に示すと、以下のように表す
ことができる。

【０１１４】

【数５】

【０１１５】この式において、右辺第１項のトルク（以
下トルク＃１と称す）は、速度ω_LとイナーシャＪとの
積であるので、慣性の大きい負荷機を加速・減速するに
は大きなトルクが必要であることがこの式から分かる。
プログラム上でＪの大きさを変える事で、様々な慣性を
もつ負荷機を駆動するシミュレーションが実行できる。

【０１１６】一方、このトルク＃１には、右辺第２項の
負荷速度に比例したシミュレーショントルク（Ｄω_L：
以下トルク＃２と称す）が加算される。トルク＃２は負
荷速度が大きくなるとそれに比例して負荷トルクも大き
くなることを示しており、これは機械システムの粘性損
失にあたる。プログラム上で粘性係数にあたる変数Ｄの
大きさを変えることで、様々な粘性力をもつ負荷側の特
徴をシミュレーションすることができる。

【０１１７】また、トルク＃１には籠を上下搬送するよ
うな場合の固定負荷シミュレーショントルク（τ_S：以
下トルク＃３と称す）も加算される。トルク＃３は籠や
荷物の重さに応じた固定トルクを想定しており、プログ
ラミング上で固定負荷τ_S変数の大きさを変えること
で、様々な固定負荷をもつ負荷系のシミュレーションが
実行できる。

【０１１８】以上に示したように、図１２に示すソフト
ウエアブロック１７５によって、負荷機１７３をトルク
制御することで、式（５）に示す３つの変数に応じたダ
イナミックなシミュレーションが実行可能となる。

【０１１９】以上に説明したように、本実施の形態によ
れば、実際の駆動用制御装置のハードウエアおよびファ
ームをそのまま使用することになるので、ファームの一
部である位置・速度制御性能・機能を利用する手法に比
べて、より実機により近い状態で模擬動作させることが
可能となる。

【０１２０】これにより、物理的な挙動を実際のシステ
ムをそのまま利用して解析し、駆動および制動能力の確
認を行うことが可能となる。なお、以上の実施の形態で
は、制御装置２０および制御装置２５−１〜２５−ｎが
相互に接続され、制御装置２０が統括指令部２１を具備
する場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明はこのよ
うな場合にのみ限定されるものではなく、他の構成にお
いても実施が可能であることはいうまでもない。

【０１２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、制御対
象となる負荷系と、負荷系を駆動する駆動系と、駆動系
を制御する制御系と、を有する制御システムの一部をシ
ミュレーションするシミュレーション装置において、負
荷系および駆動系に対応する数学モデルの入力を受ける
数学モデル入力手段と、数学モデルに応じた演算を行う
演算手段と、制御系から出力された制御信号を入力する
制御信号入力手段と、制御信号入力手段から入力された
制御信号を演算手段に対して供給する供給手段と、演算
手段による演算結果を、制御系に対してフィードバック
するフィードバック手段と、を有するようにしたので、
駆動系および負荷系を実際に動作させることなく、制御
系のパラメータを設定することが可能となる。

【０１２２】また、制御対象となる負荷系と、負荷系を
駆動する駆動系と、駆動系を制御する制御系と、を有す
る制御システムの一部をシミュレーションするシミュレ
ーション装置において、負荷系に対応する数学モデルの
入力を受ける数学モデル入力手段と、数学モデルに応じ
た演算を行う演算手段と、負荷系の代わりとして駆動系
に接続された負荷機の状態を検出する検出手段と、検出
手段の検出結果を演算手段に供給する供給手段と、演算
手段の演算結果に応じて負荷機を制御する制御手段と、
を有するようにしたので、実際の制御系と駆動系を取り
込んだ状態でシミュレーションを行うことが可能とな
り、真値に近い結果を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作原理を説明する原理図である。

【図２】本発明の実施の形態の構成例を示す図である。

【図３】図２に示す実施の形態の各部の詳細な構成例に
ついて説明する図である。

【図４】慣性モデルをファンクションブロックによって
構成した場合の一例を示す図である。

【図５】軸モデルをファンクションブロックによって構
成した場合の一例を示す図である。

【図６】図４および図５に示すモデルを用いて複雑な機
械モデルを構築した場合の一例を示す図である。

【図７】図６に示すモデルをブロック図で表した場合の
図である。

【図８】図３に示す実施の形態によってシミュレーショ
ンを行う場合の動作を説明するための図である。

【図９】スケール変換部の出力をＰＣによってモニタし
た場合の表示例である。

【図１０】複雑な制御系および駆動系を有するシステム
の具体例を示す図である。

【図１１】本発明の動作原理を説明する原理図である。

【図１２】図１１に示す原理図に対応する実施の形態の
構成例である。

【符号の説明】

１ シミュレーション装置 １ａ 数学モデル入力手段 １ｂ 演算手段 １ｃ 制御信号入力手段 １ｄ 供給手段 １ｅ フィードバック手段 １ｆ 停止手段 １ｇ 制御手段 １ｈ 検出手段 ２ 制御システム ２ａ 制御系 ２ｂ 駆動系 ２ｃ 負荷系 ２ｄ 負荷機 ２０ 制御装置 ２１ 統括指令部 ２２ 光通信部 ２４ ソフトウエア開発環境 ２５−１〜２５−ｎ 制御装置 ２６−１〜２６−ｎ 光ケーブル

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御対象となる負荷系と、負荷系を駆動
   する駆動系と、駆動系を制御する制御系と、を有する制
   御システムの一部をシミュレーションするシミュレーシ
   ョン装置において、 前記負荷系および前記駆動系に対応する数学モデルの入
   力を受ける数学モデル入力手段と、 前記数学モデルに応じた演算を行う演算手段と、 前記制御系から出力された制御信号を入力する制御信号
   入力手段と、 前記制御信号入力手段から入力された制御信号を前記演
   算手段に対して供給する供給手段と、 前記演算手段による演算結果を、前記制御系に対してフ
   ィードバックするフィードバック手段と、 を有することを特徴とするシミュレーション装置。
2. 【請求項２】 シミュレーションを実行する際には、前
   記駆動系の動作を停止させる停止手段を更に有すること
   を特徴とする請求項１記載のシミュレーション装置。
3. 【請求項３】 前記制御信号入力手段から入力された信
   号に対してスケール変換を施す第１のスケール変換手段
   と、 前記演算手段による演算結果に対してスケール変換を施
   す第２のスケール変換手段と、 を更に有することを特徴とする請求項１記載のシミュレ
   ーション装置。
4. 【請求項４】 前記数学モデル入力手段は、グラフィカ
   ルユーザインターフェースを有しており、 前記数学モデルは前記グラフィカルユーザインターフェ
   ースによりファンクションブロックを適宜接続すること
   により構成される、 ことを特徴とする請求項１記載のシミュレーション装
   置。
5. 【請求項５】 制御対象となる負荷系と、負荷系を駆動
   する駆動系と、駆動系を制御する制御系と、を有する制
   御システムの一部をシミュレーションするシミュレーシ
   ョン方法において、 前記負荷系および前記駆動系に対応する数学モデルの入
   力を受ける数学モデル入力ステップと、 前記数学モデルに応じた演算を行う演算ステップと、 前記制御系から出力された制御信号を入力する制御信号
   入力ステップと、 前記制御信号入力ステップによって入力された制御信号
   を、前記演算ステップに対して供給する供給ステップ
   と、 前記演算ステップによる演算結果を、前記制御系に対し
   てフィードバックするフィードバックステップと、 を有することを特徴とするシミュレーション方法。
6. 【請求項６】 制御対象となる負荷系と、負荷系を駆動
   する駆動系と、駆動系を制御する制御系と、を有する制
   御システムの一部をシミュレーションするシミュレーシ
   ョン装置において、 前記負荷系に対応する数学モデルの入力を受ける数学モ
   デル入力手段と、 前記数学モデルに応じた演算を行う演算手段と、 前記負荷系の代わりとして前記駆動系に接続された負荷
   系の状態を検出する検出手段と、 前記検出手段の検出結果を前記演算手段に供給する供給
   手段と、 前記演算手段の演算結果に応じて前記負荷機を制御する
   制御手段と、 を有することを特徴とするシミュレーション装置。
7. 【請求項７】 前記数学モデル入力手段は、グラフィカ
   ルユーザインターフェースを有しており、 前記数学モデルは前記グラフィカルユーザインターフェ
   ースによりファンクションブロックを適宜接続すること
   により構成される、 ことを特徴とする請求項６記載のシミュレーション装
   置。
8. 【請求項８】 制御対象となる負荷系と、負荷系を駆動
   する駆動系と、駆動系を制御する制御系と、を有する制
   御システムの一部をシミュレーションするシミュレーシ
   ョン方法において、 前記負荷系に対応する数学モデルの入力を受ける数学モ
   デル入力ステップと、 前記数学モデルに応じた演算を行う演算ステップと、 前記負荷系の代わりとして接続された負荷機の状態を検
   出する検出ステップと、 前記検出ステップの検出結果を前記演算ステップに供給
   する供給ステップと、 前記演算ステップの演算結果に応じて前記負荷機を制御
   する制御ステップと、 を有することを特徴とするシミュレーション方法。