JP2005227858A - 駆動機構設計支援装置と駆動機構設計支援方法及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性要素と粘性要素及び弾性要素の全ての影響を含めた動作をシミュレーションして駆動機構の評価を正確に行う。
【解決手段】制御装置１０３と連動する仮想機構モデルの動作計算を開始すると、制御装置１０３の駆動制御部１０８は、目標値に対する制御量を制御プログラム１０９により算出する。駆動制御部１０８は算出した制御量に基づく制御信号である印加電圧をシミュレーション装置１０２に出力する。シミュレーション装置１０２のシミュレーション実行部１０７は、入力した印加電圧とアクチュエータ回路部１０５で得たアクチュエータ回路モデルに基づいてアクチュエータ回路モデルの電流を所定時間間隔毎に算出し、駆動機構モデル部１０６で得た仮想機構モデルの算出した電流に応じた挙動を算出して解析する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、慣性要素や粘性要素及び弾性要素等の各種駆動機構を仮想機構モデル上で構築して動作させてシミュレーションする駆動機構設計支援装置と駆動機構設計支援方法及び記憶媒体に関するものである。

各種駆動機構を開発するとき、試作した実機による駆動機構の設計評価は作業負担や時間とコストが大きいため、シミュレーションモデルによる設計評価が広まっている。しかし、駆動機構の実機による評価とシミュレーションモデルによる評価では入力が異なり、実機による評価において入力は制御装置からの制御信号であるのに対して、シミュレーションモデルによる評価では、入力として実験データからのプロファイルを用いている。このように入力が異なると出力も異なるため、実機と比較して機能の再現性が高い駆動機構のシミュレーションモデルを利用しても、不正確な評価になる可能性がある。従来、これを防ぐためには、制御装置と駆動機構ともども実機で評価せざるを得なかった。

この実機とシミュレーションモデルの入力を同一にして正確な設計評価を行う方法として、制御装置と連動するシミュレーションモデルを利用することが考えられる。すなわち、、制御装置を含めた全体システムの中にある駆動機構をシミュレーション評価する。そのためには制御系と駆動系を相互作用させた連成解析が必要である。しかし、制御系をシミュレーションモデル上で構成するためには、制御アルゴリズムの知識と技術が必要である。これは、機械系が専門技術である駆動機構の設計者にとっては大きな負担となる。また、制御装置には駆動回路（ドライバ）のように、電子系の技術もあり、実装の知識と技術も兼ね備えないとシミュレーション上で連成解析をするのは困難である。

このような問題を解決する有効な方法は、実際の制御装置と仮想の駆動機構を連動させて、駆動機構の設計評価をする方法である。このような技術が実現されると、制御系のシミュレーション技術を必要とすることなく、制御装置を含めた全体システム中の駆動機構を設計評価できる。また、実際の制御装置と連動させることで、制御装置の不安定性や雑音による制御信号の乱れに対しても、駆動系の動作を評価可能になる等の利点が得られる。

このように実際の制御装置と仮想の駆動機構を連動させて、駆動機構の設計評価をする方法が特許文献１に開示されている。特許文献１に示されたシミュレーションシステムは、制御プログラムを実行して機構機構を制御するソフトウエア実行装置と、機構機構の仮想機構モデルを構築し、ソフトウエア実行装置からの入力データに応じたシミュレーション計算により仮想機構モデルを動作させて、駆動機構の動作をリアルタイムで解析するようにしている。そして駆動機構の動作を解析するため、駆動機構の全ての慣性要素、例えば駆動軸と複数のギアのような一連の従動関節の慣性をエネルギ保存側を用いて駆動関節となる駆動軸から見たときの値である等価慣性に変換し、駆動関節と一連の従動関節全ての摩擦を減速比を用いて駆動関節から見た等価摩擦に変換し、この等価慣性と等価摩擦の影響を受けた駆動機構のシミュレーション動作で設計の評価をしている。

しかし、一般に駆動機構を構成する物体の運動は、慣性要素と粘性要素及び弾性要素の３要素によって構成するのが望ましく、弾性要素の影響を含めた動作をシミュレーションして駆動の振動を評価する必要があるが、特許文献１に示されたシミュレーションシステムでは駆動の振動を評価できず、駆動機構の評価を正確に行えないという短所があった。
特開２００３−３０２５１号公報

この発明はかかる問題を解消し、慣性要素と粘性要素及び弾性要素の全ての影響を含めた動作をシミュレーションして駆動機構の評価を正確に行うことができる駆動機構設計支援装置と駆動機構設計支援方法及び記憶媒体を提供することを目的とするものである。

この発明の駆動機構設計支援装置は、入力装置とシミュレーション装置と制御装置及び出力装置を有し、前記入力装置は、解析する駆動機構のアクチュエータや駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素のパラメータ情報を前記シミュレーション装置に入力し、前記シミュレーション装置は、アクチュエータ回路部と駆動機構モデル部及びシミュレーション実行部を有し、前記アクチュエータ回路部は、前記入力装置から入力するアクチュエータのパラメータ情報により、前記駆動機構のアクチュエータの挙動を解析するアクチュエータ回路モデルを形成し、前記駆動機構モデル部は、前記入力装置から入力する駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素により仮想機構モデルを形成し、前記シミュレーション実行部は、前記アクチュエータ回路部で形成したアクチュエータ回路モデルと前記駆動機構モデル部で形成した仮想機構モデルに基づいて、前記制御装置から入力する制御信号に応じた仮想機構モデルの挙動を所定の微小時間間隔毎に解析し、解析した結果をセンサ信号に変換して制御装置に送り、前記制御装置は、駆動制御部と制御プログラムを有し、前記駆動制御部は前記シミュレーション装置から送られたセンサ信号に応じた制御量と前記制御プログラムにより制御信号を生成し、前記出力装置は、前記シミュレーション装置に入力する制御信号と前記シミュレーション実行部で解析した仮想機構モデルの挙動を示す状態量及びセンサ信号を出力することを特徴とする。

前記シミュレーション実行部は、前記制御装置から制御信号として入力する印加電圧と前記アクチュエータ回路モデルに基づいてアクチュエータ回路モデルの電流を所定時間間隔毎に算出し、算出した電流に応じた前記仮想機構モデルの挙動を解析する。

また、前記シミュレーション実行部は、前記アクチュエータ回路モデルの変化に応じてアクチュエータ回路モデルの抵抗要素と誘導要素及び逆起電力定数の特性値を変更し、変更した特性値に応じて前記仮想機構モデルの挙動を微小時間間隔ごとに解析する。

さらに、前記シミュレーション実行部は、算出したアクチュエータ回路モデルの電流と前記仮想機構モデルに基づいてアクチュエータの瞬間速度と瞬間位置を決定する。

また、前記シミュレーション実行部は、算出したアクチュエータ回路モデルの電流と前記仮想機構モデルを構成する部品間の等価慣性と等価負荷、減速比、減衰定数及び剛性定数に基づいて前記仮想機構モデルの挙動を解析する。

この発明の駆動機構設計支援方法は、解析する駆動機構のアクチュエータのパラメータ情報により、前記駆動機構のアクチュエータの挙動を解析するアクチュエータ回路モデルを形成し、駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素により仮想機構モデルを形成し、形成したアクチュエータ回路モデルと仮想機構モデルに基づいて、制御装置から入力する制御信号に応じた仮想機構モデルの挙動を所定の微小時間間隔毎に解析し、解析した結果を出力するとともに前記制御装置にフィードバックすることを特徴とする。

この駆動機構設計支援方法は、制御装置から制御信号として入力する印加電圧と前記アクチュエータ回路モデルに基づいてアクチュエータ回路モデルの電流を所定時間間隔毎に算出し、算出した電流に応じた仮想機構モデルの挙動を解析したり、アクチュエータ回路モデルの変化に応じてアクチュエータ回路モデルの抵抗要素と誘導要素及び逆起電力定数の特性値を変更し、変更した特性値に応じて仮想機構モデルの挙動を微小時間間隔ごとに解析したり、アクチュエータ回路モデルの電流と仮想機構モデルに基づいてアクチュエータの瞬間速度と瞬間位置を決定したり、あるいはアクチュエータ回路モデルの電流と仮想機構モデルを構成する部品間の等価慣性と等価負荷、減速比、減衰定数及び剛性定数に基づいて前記仮想機構モデルの挙動を解析する。

この発明の記憶媒体は、前記駆動機構設計支援方法のプログラムを格納し、コンピュータで読み取り可能なことを特徴とする。

この発明は、解析する駆動機構のアクチュエータのパラメータ情報により、駆動機構のアクチュエータ回路モデルを形成し、駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素により仮想機構モデルを形成し、形成したアクチュエータ回路モデルと仮想機構モデルに基づいて、制御装置から入力する制御信号に応じた仮想機構モデルの挙動を所定の微小時間間隔毎に解析するから、制御装置と連動した駆動機構の評価を正確に行うことができる。

また、制御装置から制御信号として入力する印加電圧とアクチュエータ回路モデルに基づいてアクチュエータ回路モデルの電流を所定時間間隔毎に算出し、算出した電流に応じた仮想機構モデルの挙動を解析することにより、内部の電圧降下を補償する電流制御を備えた制御装置を含む全体システム内の駆動機構の動作を評価することができる。

さらに、アクチュエータの変化に応じたアクチュエータ回路の抵抗やインダクタンス要素等の特性値の変更を可能にして、アクチュエータの変化に応じた駆動機構の挙動を所定の微小時間間隔ごとに解析することにより、制御装置を含む全体システム内の駆動機構の動作に対して回路変化が寄与する程度を評価することができる。

また、アクチュエータ回路電流に応じたアクチュエータの瞬間速度と瞬間位置を解析することにより、速度制御と位置制御を備えた制御装置を含む全体システム内の駆動機構の動作を評価することができる。

また、駆動機構内の連結する部品同士の等価慣性や等価負荷、減速比、減衰定数、剛性定数の変更に応じた駆動機構の挙動を解析することにより、駆動機構の動作に対して慣性要素と粘性要素と弾性要素が寄与する程度を評価することができる。

図１はこの発明の駆動機構設計支援装置の構成を示すブロック図である。図に示す駆動機構設計支援装置１００はコンピュータによって構成され、入力装置１０１とシミュレーション装置１０２と制御装置１０３及び出力装置１０４を有する。入力装置１０１は、解析する駆動機構のアクチュエータや駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素のパラメータ情報をシミュレーション装置１０２に入力する。シミュレーション装置１０２は、アクチュエータ回路部１０５と駆動機構モデル部１０６及びシミュレーション実行部１０７を有する。アクチュエータ回路部１０５は、入力装置１０１から入力するアクチュエータのパラメータ情報により、解析する駆動機構のアクチュエータの挙動を解析するアクチュエータ回路モデルを得る。駆動機構モデル部１０６は、入力装置１０１から入力する駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素により、駆動機構の挙動を解析する仮想機構モデルを得る。シミュレーション実行部１０７は、ＣＰＵやＲＯＭやＲＡＭを有し、アクチュエータ回路部１０５で得たアクチュエータ回路モデルと駆動機構モデル部１０６で得た仮想機構モデルの挙動を解析する。このシミュレーション実行部１０７でアクチュエータ回路モデルと仮想機構モデルを解析するとき、アクチュエータ回路モデルと仮想機構モデルに基づいて、制御装置１０３からの制御信号である印加電圧に応じた仮想機構モデルの挙動を所定の微小時間間隔毎に計算して、センシング時間間隔ごとに制御装置１０２にセンサ信号を送る。制御装置１０３は、駆動制御部１０８と制御プログラム１０９を有し、駆動制御部１０８は送られたセンサ信号に応じた制御量を制御プログラム１０９により計算して制御信号をシミュレーション装置１０２に送る。出力装置１０４は、制御信号やセンサ信号あるいは仮想機構モデルの状態量を出力する。

この駆動機構設計支援装置１００で駆動機構モデル部１０６で得た仮想機構モデルが制御装置１０８と連動して動作をするときの解析処理を、図２のフローチャートを参照して説明する。

制御装置１０３と連動する仮想機構モデルの動作計算を開始すると、制御装置１０３の駆動制御部１０８は、目標値に対する制御量を制御プログラム１０９により算出する（ステップＳ１）。駆動制御部１０８は算出した制御量に基づく制御信号である印加電圧をシミュレーション装置１０２に出力する（ステップＳ２）。シミュレーション装置１０２のシミュレーション実行部１０７は、駆動制御部１０８から制御信号である印加電圧を入力すると（ステップＳ１１）、入力した印加電圧とアクチュエータ回路部１０５で得たアクチュエータ回路モデルに基づいてアクチュエータ回路モデルの電流を所定時間間隔毎に算出し(ステップＳ１２)、駆動機構モデル部１０６で得た仮想機構モデルの算出した電流に応じた挙動を算出して解析する（ステップＳ１３）。

この仮想機構モデルの挙動を解析するとき、アクチュエータ印加電圧に応じたアクチュエータの瞬間電流を解析したり、アクチュエータの変化に応じたアクチュエータ回路の抵抗やインダクタンス要素等の特性値の変更を可能にして、アクチュエータの変化に応じた仮想機構モデルの挙動を所定の微小時間間隔ごとに解析したり、あるいはアクチュエータ回路電流に応じたアクチュエータの瞬間速度と瞬間位置を解析したり、仮想機構モデル内の連結する部品同士の等価慣性や等価負荷、減速比、減衰定数、剛性定数の変更に応じた駆動機構の挙動を解析する。

そしてシミュレーション実行部１０７は、算出した仮想駆動モデルの挙動をセンサ信号に換算して制御装置１０３に出力する（ステップＳ１４）。制御装置１０３の駆動制御部１０８は、センサ信号を入力すると（ステップＳ３）、入力したセンサ信号を制御プログラム１０９へフィードバックする（ステップＳ４、Ｓ１）６）。この一連の解析処理を仮想駆動モデルの全ての挙動に対して繰り返す（ステップＳ４，Ｓ１〜Ｓ３，Ｓ１５，Ｓ１１〜Ｓ１４）。このようにして制御装置を含めた全体システム中の駆動機構の動作を評価することができる。

また、アクチュエータ印加電圧に応じたアクチュエータの瞬間電流を解析することにより、モータ内部の電圧降下を補償する電流制御を備えた制御装置を含む全体システム内の駆動機構の動作を評価することができる。

さらに、アクチュエータの変化に応じたアクチュエータ回路の抵抗やインダクタンス要素等の特性値の変更を可能にして、アクチュエータの変化に応じた駆動機構の挙動を所定の微小時間間隔ごとに解析することにより、制御装置を含む全体システム内の駆動機構の動作に対して回路変化が寄与する程度を評価できる。

また、アクチュエータ回路電流に応じたアクチュエータの瞬間速度と瞬間位置を解析することにより、速度制御と位置制御を備えた制御装置を含む全体システム内の駆動機構の動作を評価することができる。

また、駆動機構内の連結する部品同士の等価慣性や等価負荷、減速比、減衰定数、剛性定数の変更に応じた駆動機構の挙動を解析することにより、駆動機構の動作に対して慣性要素と粘性要素と弾性要素が寄与する程度を評価することができる。

この駆動機構設計支援装置１００で例えば画像読取装置のモータ印加電圧に応じた第１キャリッジ速度変動を解析して設計を支援する方法について説明する。

画像読取装置の機械構造は図３の構成図に示すように、ＤＣモータ１の回転をタイミングベルト１５を介してシャフト１６に固定された減速プーリ２に伝達して減速プーリ２を回転する。このシャフト１６には減速プーリ２とワイヤプーリ３，１４が固定され、減速プーリ２の回転によりワイヤプーリ３，１４は回転する。このワイヤプーリ３にはワイヤ１７が掛け回され、ワイヤプーリ１４にはワイヤ１８が掛け回されている。ワイヤ１７とワイヤ１８は第１キャリッジ９に固定され、両端をこせぞれ固定部１７ａ，１７ｂと固定部１８ａ、１８ｂに固定されている。ワイヤ１７の張力はプーリ４とプーリ５によって、その力方向が変えられ、ワイヤ１８の張力はプーリ１１とプーリ１２によって、その力方向が変えられ、第１キャリッジ９を引いて動かす。第２キャリッジ１０には両端に回転軸が設けられ、回転軸にはプーリ７，８，１９，２０が固定されている。このプーリ７，８，１９，２０は巻き回したワイヤ１７，１８の張力によって回転と移動をして、第２キャリッジ１０を移動する。

この画像読取装置の駆動機構を評価する項目として、第1キャリッジ９の副走査方向の速度変動がある。副走査方向の速度変動が大きいと、読み取った画像の画質が低下する。そのため画像読取装置の駆動機構の設計では速度変動を抑えるように設計する。その設計評価を駆動機構設計支援装置１００でシミュレーションで行うときの解析処理を図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、駆動機構設計支援装置１００の入力装置１０１でアクチュエータや駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素のパラメータ情報をシミュレーション装置１０２に入力して、シミュレーション装置１０２のアクチュエータ回路部１０５にアクチュエータ回路モデルを得て、駆動機構モデル部１０６に仮想機構モデルを得る。この仮想機構モデルを得るとき、第１キャリッジ９の副走査方向の速度変動を評価する場合は、図３に示す画像読取装置の駆動機構を図５に示すように、ＤＣモータ１と減速プーリ２とワイヤプーリ３とプーリ４，５，６と第１キャリッジ９及び第２キャリッジ１０でモデル化して仮想機構モデルとする。すなわち、第1キャリッジ９の副走査方向のみの機構に着目することにより、解析するときの計算量の低減を図る。しかし、制御装置と実時間で連動するためには、この図５に示す駆動機構でも計算時間の大きいモデルである。そこで、駆動機構の構成要素を減らすことで、実時間で計算できるようにする。ここでは、駆動機構の中でも低い固有振動数成分による振動を評価することを目的として絞ることで構成要素を減らす。この駆動機構の中では、タイミングベルト１５に起因する固有振動数が低いので、タイミングベルト１５を介してＤＣモータ１の駆動トルクを減速プーリ２に伝える２慣性系でモデル化する。

この状態で仮想機構モデルの解析処理を開始すると、制御装置１０３の駆動制御部１０８は、画像読取装置の仮想機構モデルにスキャン動作を行わせるために、ＤＣモータ１を回転させる命令を出す。このＤＣモータ１を回転するとき、あらかじめ格納した制御プログラム１０９に設定された制御プロファイルと仮想機構モデルにおける現在のＤＣモータ１の回転角度から、モータ回転角速度の目標値を決定し（ステップＳ２１）、決定した目標値と現在のＤＣモータ１の回転角速度を比較して、ＤＣモータ１に印加する電圧値を算出する（ステップＳ２２）。駆動制御部１０８は算出した電圧値を基にしたＰＷＭ（パルス幅変調）信号をシミュレーション装置１０２に出力する（ステップＳ２３）。このとき、出力されたＰＷＭ信号を必要に応じて加工しても良い。具体的には、シミュレーション装置１０２を壊さないために電圧を減幅したり、計算負荷を低減させるためにローパスフィルタを通したりする。

シミュレーション装置１０２のシミュレーション実行部１０７は、制御装置１０３からＰＷＭ信号を入力すると、入力したＰＷＭ信号の電圧測定値をデジタル情報に変換してモータ印加電圧の値とする（ステップＳ３１）。次に、シミュレーション実行部１０７は、印加電圧の応じてモータ回路に流れる電流ｉを算出する（ステップＳ３２）。このモータ回路に流れる電流ｉは、一般のモータの回路方程式である下記（１）式を解くことにより求めることができる。

（１）式において、Ｌはモータ回路のインダクタンス（Ｈ）、Ｒはモータ回路の抵抗（Ω）、Ｋｅは逆起電力定数｛Ｖ／（rad/ｓ）｝、Ｖはモータ回路を流れる電流（Ａ）、ωはモータの回転角速度（rad／ｓ）である。

また、インダクタンスＬの値が抵抗Ｒと比較して小さい場合には、インダクタンスＬを（１）式から削除した下記（２）式を解いても良い。
Ｒ１＋Ｋｅω＝Ｖ （２）
また、電流値をモータ回路に送って電流制御を行う場合があるが、その場合は、モータ回路の電流値をフィードバックする。

シミュレーション実行部１０７は算出したモータ回路の電流から第1キャリッジ９の速度を求め処理に入る。この第1キャリッジ９の速度を求めとき、前記タイミングベルト１５を介してＤＣモータ１の駆動トルクを減速プーリ２に伝える２慣性系でモデル化した仮想機構モデルで、タイミングベルト１５に接するＤＣモータ１を駆動軸、減速プーリ２を従動軸と考え、算出したモータ回路の電流により駆動軸と従動軸の回転角速度を算出する（ステップＳ３３）。この駆動軸と従動軸の回転角速度を算出するとき、シミュレーション実行部１０７は、まず、駆動軸の等価慣性モーメントＪｅｑ１と従動軸の等価慣性モーメントＪｅｑ２を算出する。この駆動軸と従動軸についてはエネルギー保存則が成り立ち、駆動軸と従動軸の等価慣性モーメントＪｅｑ１，Ｊｅｑ２について下記（３）式と（４）式が成り立つ。

（３）式と（４）式において、Ｊｎ（ｎ＝１〜８）は、図５に示すようにＤＣモータ１の慣性モーメント（Ｎ・ｍ）と減速プーリ３とワイヤプーリ３とプーリ５〜８の慣性モーメント（Ｎ・ｍ）を示し、Ｍ１は第１キャリッジ９の質量（ｋｇ）、Ｍ２は第２キャリッジ１０の質量（ｋｇ）、Ｒｎ（ｎ＝１〜８）は、ＤＣモータ１と減速プーリ３とワイヤプーリ３及びプーリ５〜８の半径（ｍ）、ｘ９は第１キャリッジ９の変位（ｍ）、ｘ１０は第２キャリッジ１０の変位（ｍ）、θｎ（ｎ＝１〜８）はＤＣモータ１と減速プーリ３とワイヤプーリ３及びプーリ５〜８が回転した角度を示す。

（３）式から駆動軸の等価慣性モーメントＪｅｑ１は、ＤＣモータ１の等価慣性モーメントＪ１と同値であることがわかり、シミュレーション実行部１０７は駆動軸の等価慣性モーメントＪｅｑ１をＤＣモータ１の等価慣性モーメントＪ１で算出する。また、（４）式は、下記（５）式に変形できる。

また、減速プーリ３とワイヤプーリ３及びプーリ５〜８に対して滑ることがないと仮定すると、ＤＣモータ１と減速プーリ３とワイヤプーリ３とプーリ５〜８の角度比及び第１キャリッジ９と第２キャリッジ１０の位置比について、下記（６）式から（１４）式までが成り立つ。

前記（６）式は、駆動軸と従動軸間の減速比Ｒ＝Ｒ２／Ｒ１の逆数である。また、（５）式に（７）式から(１４)式を代入すると、従動軸の等価慣性モーメントＪｅｑ２は下記（１５）式で表せ、シミュレーション実行部１０７は、従動軸の等価慣性モーメントＪｅｑ２を(１５)式で算出する。

また、第１キャリッジ９の速度を求めるためには、従動軸の回転角速度を求める必要がある。そのためにシミュレーション実行部１０７は、算出した駆動軸の等価慣性モーメントＪｅｑ１と従動軸の等価慣性モーメントＪｅｑ２を使用して、下記（１６）式と（１７）式に示す駆動軸と従動軸の運動方程式を解いて、駆動軸の回転角速度ｄθ１／ｄｔと従動軸の回転角速度ｄθ２／ｄｔを算出する。

（１６）式と（１７）式において、Ｊｅｑ１は駆動軸の等価慣性モーメント（ｋｇ・ｍ^２）、Ｊｅｑ２は従動軸の等価慣性モーメント（ｋｇ・ｍ^２）、ｉは駆動軸に接続するモータ回路を流れる電流（Ａ）、Ｋｔはモータのトルク定数（Ｎ・ｍ／Ａ）、ｃは駆動軸と従動軸間の減衰定数｛Ｎ・ｍ／（rad/ｓ）｝、ｋは駆動軸と従動軸間の剛性定数（Ｎ・ｍ／rad）、Ｂは駆動軸の粘性制動定数｛Ｎ・ｍ／（rad/ｓ）｝、ＴＬは駆動軸の等価負荷トルク（Ｎ・ｍ）、Ｒは駆動軸と従動軸間の減速比を示す。ここで、駆動軸等価負荷トルクＴＬは、第１キャリッジ９の定常速度時に各駆動機構にかかる負荷を駆動軸に全て換算した値としている。

シミュレーション実行部１０７は、算出した駆動軸すなわちＤＣモータ１の回転角速度ｄθ１／ｄｔを制御装置１０３の駆動制御部１０８にフィードバック情報として入力して制御する場合、（１６）式を解いて駆動軸の回転角速度ｄθ１／ｄｔを求めたら、求めた駆動軸の回転角速度ｄθ１／ｄｔを２相のパルス信号に変換してセンサ信号とし、制御装置１０３と同期をとって出力する（ステップＳ３４）。このように求めた駆動軸の回転角速度ｄθ１／ｄｔをセンサ信号に変換して制御装置１０３に出力することにより、制御装置１０８とより早い時間間隔で信号の交換を行うことができる。

ここでシミュレーション実行部１０７で駆動軸の回転角速度ｄθ１／ｄｔを２相のパルス信号に変換するとき、図６のフローチャートに示すように、駆動軸の回転角速度ｄθ１／ｄｔから毎秒のエンコーダのパルス数を算出する（ステップＳ３４１）。この毎秒のエンコーダのパルス数Ｐ（pulse／ｓ）は下記(１８)式で示される。
Ｐ＝（ＰＮ／２π）（ｄθ１／ｄｔ） （１８）
（１８）式において、ＰＮはＤＣモータ１の１回転に対してエンコーダが出力するパルス数である。また、パルス数Ｐの逆数はパルス周期である。

シミュレーション実行部１０７は、駆動軸の回転角速度ｄθ１／ｄｔから毎秒のエンコーダのパルス数を算出すると、算出したパルス数Ｐのパルス周期でＡ相のパルス信号を制御装置１０３に出力し、A相パルス信号に対して駆動軸の回転が正転時には１／４周期遅らせ、逆転時には１／４周期進めたＢ相のパルス信号を制御装置１０３に出力する（ステップＳ３４２）。

制御装置１０３の駆動制御部１０８は入力したＡ相とＢ相のパルス信号から駆動軸の回転角速度を算出する（ステップＳ２５）。この駆動軸の回転角速度を算出するとき、まず、パルス信号を一定時間間隔でカウントして毎秒のパルス数Ｐを算出する。次に、（１８）式を変形した下記（１９）式を用いて駆動軸の回転角速度ωを算出する。
ω＝２π（Ｐ／ＰＮ） （１９）

また、ワイヤ１７，１８が伸び縮みしたり、ワイヤプーリ３とプーリ５〜８に対して滑ったりすることがないと仮定すると、（１３）式より駆動軸すなわちＤＣモータ１の回転角速度に対する第1キャリッジ９の速度ｄｘ９／ｄｔは下記（２０）式で示される。
ｄｘ９／ｄｔ＝Ｒ３（ｄθ２／ｄｔ） （２０）

シミュレーション実行部１０７は、（１７）式により算出した従動軸の回転角速度ｄθ２／ｄｔと(２０)式により、第１キャリッジ９の移動速度を算出して出力装置１０４に出力する（ステップＳ３５）。

この解析処理を第１キャリッジ９の移動範囲の全てを評価するまで、一定微小時間間隔毎に繰り返す（ステップＳ２６，Ｓ２１〜Ｓ２５，Ｓ３６，Ｓ３１〜Ｓ３５）。

このようにして制御装置１０３と連動させて画像読取装置の仮想機構モデルを解析することにより第１キャリッジ９の速度を求め、求めた速度から、図３に示す画像読取装置の駆動機構を実際の制御装置と組み合せた場合に、第１キャリッジ９の速度のムラがどの程度になるのかを評価することができる。

この発明の駆動機構設計支援装置の構成を示すブロック図である。 駆動機構設計支援装置の解析処理を示すフローチャートである。 評価する画像読取装置に機構構造を示す構成図である。 画像読取装置に機構構造を評価するときの解析処理を示すフローチャートである。 画像読取装置に機構構造の仮想機構モデルの構成図である。 駆動軸の回転角速度を２相のパルス信号に変換する処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１００；駆動機構設計支援装置、１０１；入力装置、
１０２；シミュレーション装置、１０３；制御装置、１０４；出力装置、
１０５；アクチュエータ回路部、１０６；駆動機構モデル部、
１０７；シミュレーション実行部、１０８；駆動制御部、１０９；制御プログラム、
１；ＤＣモータ、２；減速プーリ、３，１４；ワイヤプーリ、
４，５，６，７，８，１１，１２，１３，１９，２０；プーリ、
１５；タイミングベルト、１６；シャフト、１７，１８；ワイヤ。

Claims (11)

1. 入力装置とシミュレーション装置と制御装置及び出力装置を有し、
   前記入力装置は、解析する駆動機構のアクチュエータや駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素のパラメータ情報を前記シミュレーション装置に入力し、
   前記シミュレーション装置は、アクチュエータ回路部と駆動機構モデル部及びシミュレーション実行部を有し、前記アクチュエータ回路部は、前記入力装置から入力するアクチュエータのパラメータ情報により、前記駆動機構のアクチュエータの挙動を解析するアクチュエータ回路モデルを形成し、前記駆動機構モデル部は、前記入力装置から入力する駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素により仮想機構モデルを形成し、前記シミュレーション実行部は、前記アクチュエータ回路部で形成したアクチュエータ回路モデルと前記駆動機構モデル部で形成した仮想機構モデルに基づいて、前記制御装置から入力する制御信号に応じた仮想機構モデルの挙動を所定の微小時間間隔毎に解析し、解析した結果をセンサ信号に変換して制御装置に送り、
   前記制御装置は、駆動制御部と制御プログラムを有し、前記駆動制御部は前記シミュレーション装置から送られたセンサ信号に応じた制御量と前記制御プログラムにより制御信号を生成し、
   前記出力装置は、前記シミュレーション装置に入力する制御信号と前記シミュレーション実行部で解析した仮想機構モデルの挙動を示す状態量及びセンサ信号を出力することを特徴とする駆動機構設計支援装置。
2. 前記シミュレーション実行部は、前記制御装置から制御信号として入力する印加電圧と前記アクチュエータ回路モデルに基づいてアクチュエータ回路モデルの電流を所定時間間隔毎に算出し、算出した電流に応じた前記仮想機構モデルの挙動を解析する請求項１記載の駆動機構設計支援装置。
3. 前記シミュレーション実行部は、前記アクチュエータ回路モデルの変化に応じてアクチュエータ回路モデルの抵抗要素と誘導要素及び逆起電力定数の特性値を変更し、変更した特性値に応じて前記仮想機構モデルの挙動を微小時間間隔ごとに解析する請求項２記載の駆動機構設計支援装置。
4. 前記シミュレーション実行部は、算出したアクチュエータ回路モデルの電流と前記仮想機構モデルに基づいてアクチュエータの瞬間速度と瞬間位置を決定する請求項２記載の駆動機構設計支援装置。
5. 前記シミュレーション実行部は、算出したアクチュエータ回路モデルの電流と前記仮想機構モデルを構成する部品間の等価慣性と等価負荷、減速比、減衰定数及び剛性定数に基づいて前記仮想機構モデルの挙動を解析する請求項２記載の駆動機構設計支援装置。
6. 解析する駆動機構のアクチュエータのパラメータ情報により、前記駆動機構のアクチュエータの挙動を解析するアクチュエータ回路モデルを形成し、駆動機構を構成する慣性要素と粘性要素及び弾性要素により仮想機構モデルを形成し、形成したアクチュエータ回路モデルと仮想機構モデルに基づいて、制御装置から入力する制御信号に応じた仮想機構モデルの挙動を所定の微小時間間隔毎に解析し、解析した結果を出力するとともに前記制御装置にフィードバックすることを特徴とする駆動機構設計支援方法。
7. 前記制御装置から制御信号として入力する印加電圧と前記アクチュエータ回路モデルに基づいてアクチュエータ回路モデルの電流を所定時間間隔毎に算出し、算出した電流に応じた前記仮想機構モデルの挙動を解析する請求項６記載の駆動機構設計支援方法。
8. 前記アクチュエータ回路モデルの変化に応じてアクチュエータ回路モデルの抵抗要素と誘導要素及び逆起電力定数の特性値を変更し、変更した特性値に応じて前記仮想機構モデルの挙動を微小時間間隔ごとに解析する請求項６記載の駆動機構設計支援方法。
9. 前記アクチュエータ回路モデルの電流と前記仮想機構モデルに基づいてアクチュエータの瞬間速度と瞬間位置を決定する請求項６記載の駆動機構設計支援方法。
10. 前記アクチュエータ回路モデルの電流と前記仮想機構モデルを構成する部品間の等価慣性と等価負荷、減速比、減衰定数及び剛性定数に基づいて前記仮想機構モデルの挙動を解析する請求項６記載の駆動機構設計支援装置。
11. 請求項６乃至１０のいずれかに記載の駆動機構設計支援方法のプログラムを格納し、コンピュータで読み取り可能なことを特徴とする記憶媒体。
    
    
    

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