JP2007304995A

JP2007304995A - 動作検証システムおよび駆動用モータ制御装置

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Publication number: JP2007304995A
Application number: JP2006134460A
Authority: JP
Inventors: Emiko Hayasaka; 恵美子早坂; Tetsuaki Nagano; 鉄明長野; Hiroshi Terada; 啓寺田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: JP4619988B2

Abstract

【課題】負荷機械の実機を用いることなく負荷機械の動作を検証可能とする動作検証システムを一定の検証精度を確保しつつ、規模およびコストの増加を招来することなく実現すること。
【解決手段】負荷機械の実機を接続することなく負荷機械の動作を検証する動作検証システムにおいて、負荷機械の実機の全部または一部を模擬した負荷機械模擬モデルを具備してなる計算機１３と、負荷機械に接続されるべき駆動用モータ１２と、駆動用モータ１２を制御する駆動用モータ制御装置１１と、を備え、計算機１３は、駆動用モータ１２から出力される位置情報に基づいて負荷機械模擬モデルに生ずる反力トルクを演算し、駆動用モータ制御装置１１は、駆動用モータ１２に付与すべきトルク指令を反力トルクに基づいて修正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷機械の実機と接続することなく負荷機械の動作を検証することができる動作検証システムおよび当該動作検証システムを構成する駆動用モータ制御装置に関するものである。

制御装置の製造メーカが機械装置製造メーカの製品を制御するための制御装置の製作を受注した場合、制御装置の製造メーカは、当該制御装置の開発・設計段階から、制御アルゴリズムの検証等を行う必要があり、機械装置製造メーカの実機械（現実の製品）を使用した実機検証が不可欠となる場合が多い。

このような実機検証を行う場合、従来から、以下に示すような問題点が存在していた。
（１）制御装置と組み合わせる機械装置が客先装置の場合には、検証内容・回数・データ採取等が十分に行えるとは限らず、納期の遅延や、納入後の設計変更等などが発生するなど、コスト・納期に与えるインパクトが大きかった。
（２）また、制御装置と組み合わせる機械装置が大型の場合には、安全対策が容易ではなく、上記（１）と同様にコスト・納期に与えるインパクトが大きかった。
（３）一方、客先装置との接続試験が不可能な場合あるいは困難な場合には、制御装置と組み合わせる機械装置のプロトタイプ機を構築する必要があり、開発コストの増加を余儀なくされていた。
（４）また、制御装置の設計・開発段階における機械装置側の仕様変更・設計変更等に対する柔軟な対応が困難となるので、結果として、客先である機械装置メーカの活動に制約を与えることになっていた。

なお、上記（１）〜（４）の問題点は、制御装置の製造メーカだけでなく、機械装置の製造メーカあるいは制御装置を内製している機械装置の製造メーカにおいても、そのまま当てはまる問題点でもあった。

ここで、上述のような実機検証におけるコストの問題点を解決するための技術を開示した文献として、例えば、下記特許文献１が存在する。この特許文献１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系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、を有することを特徴とするシミュレーション装置を開示している。

特開２００１−２９０５１５号公報

上記特許文献１に示されるシミュレーション装置は、例えば当該文献の図１２に示されるように、負荷機械を駆動するためのモータ（負荷機械駆動用モータ）に負荷機械を模擬する負荷機（負荷機械模擬用モータ）を接続するように構成される。このため、負荷機械駆動用モータを制御する制御装置（負荷機械駆動用モータ制御装置）に加えて、負荷機械模擬用モータを制御するための制御装置（負荷機械模擬用モータ駆動制御装置）が必須の構成要件となるので、システムの規模やコストが増加するといった問題点があった。

また、この特許文献１のシミュレーション装置を、負荷機械を制御する制御装置の設計開発を目的として使用した場合には、上記のように負荷機械模擬用モータ駆動制御装置が負荷機械模擬用モータを制御するような構成、つまり、制御対象である負荷機械を制御するための制御装置（設計・開発の対象装置）がシミュレーションのループの中に含まれる構成となるので、精度のよいシミュレーションを行うことが困難となるといった問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、負荷機械の実機と接続することなく負荷機械の動作を検証可能とする動作検証システムを一定の検証精度を確保しつつ、規模およびコストの増加を招来することなく実現することを目的とする。また、当該動作検証システムに用いられて好適な駆動用モータ制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる動作検証システムは、負荷機械の実機を接続することなく該負荷機械の動作を検証する動作検証システムにおいて、前記負荷機械の実機の全部または一部を模擬した負荷機械模擬モデルを具備してなる計算機と、前記負荷機械に接続されるべき実機駆動装置と、前記実機駆動装置を制御する実機制御装置と、を備え、前記計算機は、前記実機駆動装置から出力され、該実機駆動装置の駆動部の位置を特定可能とする位置特定可能情報に基づいて前記負荷機械模擬モデルに生ずる反力トルクまたは反力トルクへの変換を可能とする反力トルク特定可能情報を演算し、前記実機制御装置は、前記実機駆動装置に付与すべきトルク指令を前記反力トルクまたは前記反力トルク特定可能情報に基づいて修正することを特徴とする。

本発明にかかる動作検証システムによれば、負荷機械に接続されるべき実機駆動装置と実機駆動装置を制御する実機制御装置とを、負荷機械の実機の全部または一部を模擬した負荷機械模擬モデルを具備する計算機と接続して動作検証を行う構成とし、実機駆動装置の駆動部の位置を特定可能とする位置特定可能情報に基づいて負荷機械模擬モデルに生ずる反力トルクまたは反力トルクへの変換を可能とする反力トルク特定可能情報を演算し、実機駆動装置に付与すべきトルク指令を、これらの反力トルクまたは反力トルク特定可能情報に基づいて修正するようにしているので、負荷機械の実機を用いずに負荷機械の動作が検証可能となるとともに、同検証を行ったときのある一定以上の検証精度が確保され、また、システムの規模およびコストの増加を招来することもない。

以下に、本発明にかかる動作検証システムおよび駆動用モータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す各実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかる動作検証システムの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる動作検証システムの構成を示す図である。同図に示す動作検証システムは、制御系を成す実機の制御装置である駆動用モータ制御装置１１と、駆動系を成す実機の駆動装置である駆動用モータ１２と、負荷系を模擬する計算機１３と、計算機１３からの情報を駆動用モータ制御装置１１に伝達するか否かを選択する入力選択手段１４と、を備えて構成される。また、これらの各構成部間の接続は、つぎのとおりである。まず、駆動用モータ制御装置１１は、制御対象である駆動用モータ１２と接続される。また、駆動用モータ１２は、自身の回転位置の情報（以下、単に「位置情報」という）が駆動用モータ制御装置１１および計算機１３の双方に伝達可能となるように、駆動用モータ制御装置１１および計算機１３のそれぞれと接続される。また、計算機１３は、駆動用モータ１２から出力された位置情報に基づいて、後述する反力トルクが伝達可能となるように入力選択手段１４を介し、情報伝達経路を通じて駆動用モータ制御装置１１と接続される。

つぎに、実施の形態１にかかる動作検証システムの動作について説明する。なお、入力選択手段１４は、計算機１３からの情報を駆動用モータ制御装置１１に伝達するか否かを選択する手段であり、また、実機械を接続する場合（運用モード）と、実機械を接続しない場合（動作検証モード）との選択切換を考慮して設けられた選択手段である。したがって、本発明が主眼とする動作検証システムにおいては、通常、閉路状態にあるものとして、爾後の説明を行う。

図１において、駆動用モータ制御装置１１は、駆動用モータ１２の動作を制御する。例えば、駆動用モータ制御装置１１は、駆動用モータ１２への印加電流（トルク指令電流(Ｉ')）を可変制御することで、駆動用モータ１２に所望のトルクを発生させる。なお、駆動用モータ１２へのトルク指令電流を可変する以外にも、駆動用モータ１２に付与する印加電圧（トルク指令電圧）を可変制御してもよい。一方、駆動用モータ１２は、時々刻々と変化する自身の位置情報（θｍ）を所定の間隔で駆動用モータ制御装置１１および計算機１３にそれぞれ伝達する。計算機１３は、駆動用モータ１２から伝達された位置情報（θｍ）に基づいて、反力トルク（Ｔｒ）を生成して駆動用モータ制御装置１１に出力する。なお、計算機１３の内部には、駆動用モータ１２の特性や、接続する負荷機械（実機械）の特性を考慮して構築され負荷機械模擬モデルを有しており、この反力トルク（Ｔｒ）は、計算機１３に構築された負荷機械模擬モデルに基づいて計算される。駆動用モータ制御装置１１は、駆動用モータ制御装置１１から出力された位置情報（θｍ）および計算機１３から出力された反力トルク（Ｔｒ）に基づいて、入力されたトルク情報（Ｔｍ）（以下「入力トルク」という）をトルク指令電流（Ｉ'）に変換して駆動用モータ１２を制御する。

つぎに、駆動用モータ制御装置１１の内部で実行される処理について説明する。図１の駆動用モータ制御装置１１の上部に示す制御ブロックは、駆動用モータ制御装置１１の内部で実行される制御処理を示している。詳細には、駆動用モータ制御装置１１に入力された入力トルク（Ｔｍ）と反力トルク（Ｔｒ）とが加算部１５にて減算処理され、その減算出力が出力調整部１６において定数（Ｋ）倍され、出力調整されたトルク指令（Ｔ'）が生成される。また、上述のトルク指令電流(Ｉ')は、このトルク指令（Ｔ'）に基づいて生成される。

なお、計算機１３は、負荷機械模擬モデルを模擬する装置としての機能に加えて、負荷機械の動作を表示する表示機能を具備することが好ましい。特に、近時のパーソナルコンピュータ等は３次元表示のグラフィック能力にも優れており、駆動用モータ１２に駆動された負荷機械の動作を３次元アニメーション表示することで、負荷機械の挙動、状態等を視覚的に確認することができる。

また、計算機１３にアニメーション表示機能を付加させた場合には、例えば駆動用モータ１２の回転位置を変化させるような例えば外乱等に連動する負荷機械の挙動を、計算機１３の画面上に３次元表示することもできる。

このように、この実施の形態の動作検証システムでは、駆動用モータ１２から駆動用モータ制御装置１１に対して位置情報（θｍ）がフィードバックされ、駆動用モータ１２の回転位置に応じたトルク指令電流(Ｉ')が駆動用モータ制御装置１１において生成される。また、トルク指令電流(Ｉ')が生成される際には、計算機１３に構築された負荷機械模擬モデルに基づいて計算された反力トルク（Ｔｒ）を考慮した修正がなされる。したがって、駆動用モータ１２に実機械が接続されているかの状態で負荷機械の挙動を検証することができるとともに、以下に示すような効果が得られる。

（１）駆動用モータ制御装置に実装した制御アルゴリズムの検証を実機械と接続することなく検証することができる。
（２）制御系、機械系ともに設計期間の短縮が可能となり、その結果コスト削減にも繋がる。
（３）制御系、機械系ともに仕様変更・設計変更等に対する柔軟な対応が可能となる。
（４）例えば、数十ｋＷ以上の大容量の駆動用モータを必要とするような大型機械を制御対象とする場合に、最終確認等の確認フェーズを除く大部分を、実機械を用いずに行うことができるので、コストを削減し、検証期間を短縮化することができる。
（５）また、安全面の観点から実機検証が困難となるような限界試験（例えば、負荷機械の能力の上限を確認する試験）を行うことができるので、負荷機械の能力限界を把握することができ、負荷機械の能力を最大限に発揮させる仕様に基づいた制御装置を製作することができる。

また、この実施の形態の動作検証システムでは、特許文献１のように、設計開発の対象である負荷機械を制御するための制御装置がシミュレーションのループの中に含まれるような構成となることはなく、シミュレーションの精度は計算機１３の内部に構築された負荷機械模擬モデルの模擬度に依存することになる。したがって、この実施の形態の動作検証システムは、計算機１３の内部に構築された負荷機械模擬モデルの模擬度を向上させることにより、シミュレーションの精度を高めることができる。

以上説明したように、この実施の形態の動作検証システムによれば、計算機は、駆動用モータから出力され、駆動用モータの駆動部の位置を特定可能とする位置特定可能情報に基づいて負荷機械模擬モデルに生ずる反力トルクを演算し、駆動用モータ制御装置は、駆動用モータに付与すべきトルク指令を反力トルクに基づいて修正するようにしているので、負荷機械の実機を接続することなく負荷機械の動作を検証可能とする動作検証システムを一定の検証精度を確保しつつ、規模およびコストの増加を招来することなく実現することができる。

なお、この実施の形態の動作検証システムでは、駆動用モータ制御装置１１への入力情報として計算機１３から反力トルクを出力する場合を一例として示したが、反力トルクのみに限定されるものではなく、例えば、反力トルクの変化率の情報や、負荷機械の可動部の速度情報などの反力トルクに変換することができる種々の模擬情報（以下「反力トルク特定可能情報」）を出力するようにしてもよい。

また、この実施の形態の図１に示す構成では、駆動用モータ１２の位置情報（θｍ）を駆動用モータ制御装置１１および計算機１３にそれぞれ伝達するようにしているが、駆動用モータ１２の位置情報に限定されるものではなく、例えば駆動用モータ１２の回転速度、トルクあるいは電流などの情報、すなわち駆動用モータ１２の回転位置を特定することができる情報（以下「位置特定可能情報」という）を用いるようにしてもよい。

また、この実施の形態の図１に示す構成では、運用モード／動作検証モードにおいて、模擬情報の使用の有無を選択するための入力選択手段１４を駆動用モータ制御装置１１の外部に備えるようにしているが、駆動用モータ制御装置１１の一機能として、駆動用モータ制御装置１１の内部に備えるように構成してもよい。

実施の形態２．
つぎに、本発明の実施の形態２にかかる動作検証システムの構成について説明する。図２は、本発明の実施の形態２にかかる動作検証システムの構成を示す図である。同図に示す動作検証システムは、図１に示す構成において、駆動用モータ１２の回転軸にカップリング相当換算イナーシャ１７を介して負荷機械相当換算イナーシャ１８を接続するようにしている。このような構成は、計算機１３で模擬していた実機械モデル（ソフトウェア）の一部を実機械に相当するハードウェアで模擬しようとする考え方に基づくものである。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１の構成と同一または同等であり、それらの各構成部には同一符号を付して示し、その説明を省略する。

図２に示す動作検証システムでは、上記のように、実機械モデルの一部を実機械に相当するハードウェア的模擬手段（カップリング相当換算イナーシャ１７および負荷機械相当換算イナーシャ１８）で模擬しているので、計算機１３の内部に構築される負荷機械模擬モデルの規模を小さくできるという効果が得られる。なお、特に、外乱等による影響を詳細に検証するような場合には、現実のハードウェア構成に近い実施の形態２の構成の方が、実施の形態１の構成に比べて検証精度の向上に効果的である。

以上説明したように、この実施の形態の動作検証システムによれば、駆動用モータの駆動部の位置を特定可能とする位置特定可能情報に基づいて負荷機械模擬モデルに生ずる反力トルクを演算する際に、負荷機械の実機の一部をハードウェア的に模擬する換算イナーシャを接続した上で演算しているので、実施の形態１の効果に加え、外乱等による影響を実機接続により近い形で検証することができるという効果が得られる。

なお、この実施の形態の動作検証システムでは、駆動用モータ制御装置１１への入力情報として計算機１３から反力トルクを出力する場合を一例として示したが、反力トルクのみに限定されるものではなく、例えば反力トルクの変化率の情報や、負荷機械の可動部の速度情報などの反力トルクに変換することができる反力トルク特定可能情報を出力するようにしてもよい。

また、この実施の形態の図２に示す構成では、駆動用モータ１２の位置情報（θｍ）を駆動用モータ制御装置１１および計算機１３にそれぞれ伝達するようにしているが、駆動用モータ１２の位置情報に限定されるものではなく、例えば駆動用モータ１２の回転速度、トルクあるいは電流などの位置特定可能情報を用いてもよい。

実施の形態３．
図３は、図１に示した実施の形態１にかかる動作検証システムに接続される負荷機械としてボールネジ機構２０を想定した場合のモデル化の概念およびその範囲を説明するための図である。なお、実施の形態１と同一あるいは同等の構成部には、同一符号を付して示している。

図３の上段部では、駆動用モータ１２に接続されたボールネジ機構２０を示している。ボールネジ機構２０は、ボールネジ並進可動部２３と、ボールネジ並進可動部２３に挿通されるボールネジ２２と、駆動用モータ１２の駆動力をボールネジ２２に結合させるカップリング２１とを備えて構成され、また、ボールネジ並進可動部２３にはアーム状の板バネ２４を介して移動対象物２５が接続されている。なお、これらの構成部の括弧内に示している記号の意味は、つぎのとおりである。

Ｊｍ：駆動用モータの慣性モーメント（イナーシャ）
Ｊｃ：カップリングの慣性モーメント
Ｊｂ：ボールネジの慣性モーメント
Ｔｍ：駆動用モータに発生するトルク
Ｍ₁：ボールネジ並進可動部の質量
Ｍ₂：移動対象物の質量
Ｋθ：板バネのバネ定数［Ｎｍ／ｒａｄ］

図３の中段部では、駆動用モータ１２およびボールネジ機構２０をモデル化する場合の制御要素とその範囲を示している。また、この図の破線で示す部分が、計算機１３においてモデル化する部分である。すなわち、この実施の形態では、負荷機械であるボールネジ機構２０の全ての部分をモデル化している。なお、この中段部に図示している記号の意味は、つぎのとおりである。

Ｊ₁：駆動用モータ、カップリングおよびボールネジの各慣性モーメントならびにボールネジ並進可動部に働く慣性力のそれぞれの和（＝Ｊｍ＋Ｊｃ＋Ｊｂ＋Ｍ₁・ｒ²）
Ｊ₂：移動対象物に働く慣性力（＝Ｍ₂・ｒ²）
ｌｅａｄ：ボールネジ１回転あたりのピッチ［ｍ／ｒｅｖ］
ｒ：１ラジアンあたりの移動距離（＝ｌｅａｄ／(２π)[ｍ／ｒａｄ]）
θ₁：駆動用モータの回転角（＝(Ｔｍ−Ｔｒ)／(Ｊ₁Ｓ²)）
θ₂：移動対象物の移動距離を回転角に換算した値（＝Ｔｒ／(Ｊ₂Ｓ²)）
Ｔｒ：負荷機械に発生する反力トルク（＝Ｋθ・(θ₁−θ₂)）

図３の下段部では、モデル化した部分と実機を使用する部分とを区別して示している。また、中段部の破線で示した部分がモデル化されて計算機内に負荷機械模擬モデルとして構成される。その結果、このような負荷機械模擬モデルが構築された計算機１３を用いれば、負荷機械の挙動を模擬する上で重要な反力トルクの情報を駆動用モータ制御装置に出力することが可能となる。

実施の形態４．
図４は、図２に示した実施の形態２にかかる動作検証システムに接続される負荷機械としてボールネジ機構２０を想定した場合のモデル化の概念およびその範囲を説明するための図である。図３と同様に、実施の形態２と同一あるいは同等の構成部には、同一符号を付して示している。

ところで、図１と図２の構成の差異は、実機械モデルの一部を実機械に相当するハードウェアで模擬するかソフトウェアで模擬するかの相違にあったが、図３と図４との差異も、同一の相違点に基づくものである。すなわち、図４の中段部に示すように、実施の形態４では、ボールネジ機構２０のうちの板バネ２４と移動対象物２５の部分をモデル化して計算機１３内に構築するようにしている。なお、図４の構成では、カップリング相当換算イナーシャ１７および負荷機械相当換算イナーシャ１８が駆動用モータ１２に接続されているので、入力トルク（Ｔｍ）と反力トルク（Ｔｒ）との減算出力に対する出力調整が不要となる（図２の構成における出力調整部１６の定数Ｋが、Ｋ＝１となることに相当する）。

このように、上記のような負荷機械模擬モデルが構築された計算機１３によれば、実施の形態３と同様に、負荷機械の挙動を模擬する上で重要な反力トルクの情報を駆動用モータ制御装置に出力することが可能となる。

以上のように、本発明は、負荷機械の実機を接続することなく負荷機械の動作を検証可能とする動作検証システムおよび当該動作検証システムを構成する駆動用モータ制御装置として有用である。

本発明の実施の形態１にかかる動作検証システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態２にかかる動作検証システムの構成を示す図である。実施の形態１にかかる動作検証システムに接続される負荷機械としてボールネジ機構を想定した場合のモデル化の概念およびその範囲を説明するための図である。実施の形態２にかかる動作検証システムに接続される負荷機械としてボールネジ機構を想定した場合のモデル化の概念およびその範囲を説明するための図である。

符号の説明

１１駆動用モータ制御装置
１２駆動用モータ
１３計算機
１４入力選択手段
１５加算部
１６出力調整部
１７カップリング相当換算イナーシャ
１８負荷機械相当換算イナーシャ
２０ボールネジ機構
２１カップリング
２２ボールネジ
２３ボールネジ並進可動部
２４板バネ
２５移動対象物

Claims

負荷機械の実機を接続することなく該負荷機械の動作を検証する動作検証システムにおいて、
前記負荷機械の実機の全部または一部を模擬した負荷機械模擬モデルを具備してなる計算機と、
前記負荷機械に接続されるべき実機駆動装置と、
前記実機駆動装置を制御する実機制御装置と、
を備え、
前記計算機は、前記実機駆動装置から出力され、該実機駆動装置の駆動部の位置を特定可能とする位置特定可能情報に基づいて前記負荷機械模擬モデルに生ずる反力トルクまたは反力トルクへの変換を可能とする反力トルク特定可能情報を演算し、
前記実機制御装置は、前記実機駆動装置に付与すべきトルク指令を前記反力トルクまたは前記反力トルク特定可能情報に基づいて修正することを特徴とする動作検証システム。
前記計算機の演算結果を前記実機制御装置に付与するか否かを選択する選択手段を有することを特徴とする請求項１に記載の動作検証システム。
前記実機駆動装置には、前記負荷機械の実機の一部をハードウェア的に模擬する模擬手段が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の動作検証システム。
前記計算機には、前記負荷機械の挙動を表示する表示機能が具備されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の動作検証システム。
負荷機械を駆動する駆動用モータに付与すべきトルク指令を生成出力する駆動用モータ制御装置において、
前記負荷機械の実機の動作を模擬する模擬情報に基づいて前記駆動用モータに付与すべきトルク指令を修正する制御ブロックと、
前記模擬情報の使用の有無を選択する入力選択手段と、
を備えたことを特徴とする駆動用モータ制御装置。
前記負荷機械の実機を接続する運用モードおよび該負荷機械の実機を接続しない動作検証モードを有し、前記動作検証モードが選択された際に、前記模擬情報が前記入力選択手段を介して入力されることを特徴とする請求項５に記載の駆動用モータ制御装置。