JP4873013B2 - 機械試験装置 - Google Patents
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Description
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、複数のインバータと共通のコンバータを用いることにより、小型で効率のよい機械試験装置を提供することを目的とする。
交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータに供給する共通コンバータを備え、
前記機械制御部は、上位システムからコマンドを受信しレスポンスを送信する第1通信部と、前記コマンドから速度指令、トルク指令、制御モード信号を生成する指令生成部と、前記コマンドの機械合否判定条件と速度、トルク指令、共通コンバータ電流から機械の合否を判定する合否判定部と、前記速度指令、トルク指令、制御モード信号を前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータと前記共通コンバータへ送信し、レスポンスを受信する第2通信部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は請求項1記載の発明において、前記インバータは、前記機械制御部から速度指令、トルク指令、制御モード信号を受信し、トルク指令、速度を送信する第3通信部と、前記速度指令と速度からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令と前記機械制御部の外部トルク指令を加算して新たなトルク指令とするトルク加算部と、前記トルク指令から電流指令を生成する電流指令生成部と、前記電流指令と電流から電圧指令を生成する電流制御部と、前記電圧指令からPWM信号を生成するPWM部と、前記PWM信号を電力増幅する電力変換部と、を備えることを特徴とするものである。 請求項3に記載の発明は請求項1記載の発明において、前記インバータは前記制御モード信号により速度制御モードかトルク制御モードを選択して動作し、前記速度制御モードでは、前記外部トルク指令を零とし、前記トルク指令モードでは、前記速度制御部の生成するトルク指令を零にすることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は請求項2記載の発明において、前記インバータは、前記機械制御部の生成する同期信号に基づき、互いに同期したPWM信号を生成することを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は請求項1記載の発明において、前記共通コンバータは、3相交流電源を整流して直流電源を生成するダイオード整流部と、前記直流電源の直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータへ出力する共通コンバータ電流を検出する電流検出器と、前記機械制御部から指令を受信し、前記共通コンバータ電流をレスポンスとして送信する第3通信部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は請求項5記載の発明において、前記共通コンバータは、前記ダイオード整流部と、電源回生用の電力変換器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明は請求項1記載の発明において、前記共通コンバータは、前記直流電源の直流電圧を設定可能な任意の電圧に制御することを特徴とするものである。
請求項8に記載の発明は請求項1記載の発明において、前記機械制御部は、前記入力軸インバータにトルク指令、前記出力軸インバータに速度指令を与え、前記合否判定部は前記入力軸インバータの速度と前記出力軸インバータのトルク指令のレスポンスから前記機械の合否を判定することを特徴とするものである。
請求項9に記載の発明は請求項8記載の発明において、前記機械制御部は、前記出力軸のトルク指令が一定になるよう速度指令を制御することを特徴とするものである。
請求項10に記載の発明は請求項1記載の発明において、前記機械制御部は、前記入力軸インバータに速度指令、前記出力軸インバータにトルク指令を与え、前記合否判定部は前記入力軸インバータのトルク指令と前記出力軸インバータの速度のレスポンスから前記機械の合否を判定することを特徴とするものである。
請求項11に記載の発明は請求項10記載の発明において、前記機械制御部は、前記入力軸のトルク指令が一定になるよう速度指令を制御することを特徴とするものである。
請求項12に記載の発明は、N個の入力軸とM個の出力軸をもつ機械の試験装置であって、N個の入力軸に結合された第1モータ〜第Nモータと、M個の出力軸に結合された第N+1モータ〜第N+Mモータと、直流電力を交流電力に変換し前記第1モータ〜前記第N+Mモータの回転速度またはトルクを制御する第1インバータ〜第N+Mインバータと、前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータにトルク指令または速度指令を与える機械制御部と、
交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータに供給する共通コンバータを備え、
前記機械制御部は、前記トルク指令と前記速度指令と前記共通コンバータのコンバータ電流のレスポンスに基づいて前記機械の合否を判定することを特徴とするものである。
2〜7 インバータ
8〜13 モータ
14 機械制御部
15 機械
21 指令生成部
22 合否判定部
23、24 通信部
31 速度制御部
32 トルク加算部
33 電流指令生成部
34 電流制御部
35 PWM部
36 電力変換部
37 モータ
38 速度検出部
39 通信部
41 ダイオード整流部
42 平滑コンデンサ
43 電流検出部
44 回生処理部
45 電圧検出部
46 通信部
47 電力変換部
48 回生コンバータ
110 エンジン
120 モータ・ジェネレータ
130 動力分配機構
150a、150b 負荷吸収モータ
160 走行模擬装置
170a、170b センサ
180 操作端末
190 ECU
201 低慣性駆動モータ
202 トランスミッション
203 吸収モータ
204 ハーネス
205 ECU
206 電子スロットル
207 パネルPC
208 中継ボックス
210 制御手段
211 条件入力画面
310 インバータ試験装置
311 DC電源(直流電源)
312 第1モータ
312a 第1モータのステータ
312b 第1モータのロータ
313 第2モータ
313a 第2モータのステータ
313b 第2モータのロータ
314 第1回転軸
315 第2回転軸
316 動力分配機構
317 回転駆動力伝達機構
317a、317b 回転駆動力伝達機構のギア
317c 回転駆動力伝達機構の回転軸
317d 回転駆動力伝達機構のディファレンシャルギア
317e、317f 回転駆動力伝達機構の出力軸
318 第3回転軸
319 回転軸固定装置
321 負荷装置
322 トランスアクスル装置
図2において、21は指令生成部、22は合否判定部、23は上位システムとの通信部、24はインバータとの通信部である。
図3において、31は速度制御部、32はトルク加算部、33は電流指令生成部、34は電流制御部、35はPWM部、36は電力変換部、37はモータ、38は速度検出部、39は機械制御部との通信部である。
図4において、41はダイオード整流部、42は平滑コンデンサ、43は電流検出部、44は回生処理部、45は電圧検出部、46は通信部である。
図5において、47は電力変換部、48は回生コンバータである。
次に機械制御部14の動作について説明する。通信部23でパソコンなどの上位システムから試験項目、試験内容、合否判定条件を受信する。指令生成部21は、上位システムの試験項目、試験内容から、インバータを速度制御モードかトルク制御モードかを指定する制御モード信号、速度指令、トルク指令を生成し通信部24に引渡す。通信部24は、制御モード信号、速度指令、トルク指令をインバータに送信し、インバータから速度、トルク指令を受信する。合否判定部22は、速度指令、トルク指令およびインバータの応答である速度、トルク指令から合否を判定する。
次に、コンバータの動作について説明する。図4で、ダイオード整流部41は、6ブリッジのダイオードで構成されており、3相交流電源を整流して直流電源を生成する。平滑コンデンサ42は、直流電源の直流電圧を平滑し、平滑した直流電力をインバータに供給する。電流検出部43はインバータに供給する電流を検出し、コンバータ電流信号を生成する。回生処理部44は、インバータの回生電力により平滑コンデンサ電圧が上昇して所定のレベルに到達すると電力素子をオンして抵抗を平滑コンデンサと並列に接続して放電し、コンデンサ電圧を低下させる。電圧検出部は、平滑コンデンサの電圧を検出してコンバータ電圧信号を生成する。通信部46はコンバータ電流信号、電圧信号を機械制御部に送信する。図5で、電力変換部47は、インバータの回生電力を電源に回生する。
次に入出力軸のインバータを駆動したときの波形をシミュレーションタイムチャートに基づいて説明する。
図6は、シミュレーションに使用した制御系と機械のモデルである。入力軸のモータのロータと機械の入力軸の回転体はリジッドに結合しておりロータの慣性モーメントをJr1、入力軸の慣性モーメントをJm1とすると入力軸全体の慣性モーメントはJ1=Jr1+Jm1である。出力軸も同様ににJ2=Jr2+Jm2である。入力軸から出力軸へのトルクの伝達はばね定数ksのばね系で行い、さらにバックラッシBLを付加した。
図7は、1つの入力軸に速度指令、1つの出力軸にトルク指令を与えたときのシミュレーションタイムチャートである。シミュレーションの条件は、入力側および出力側ともに、慣性モーメントJ1=J2=0.1kgm2、モータ抵抗R1=R2=0.001Ω、速度制御ゲインkv1=0.05Nms/rad、粘性制動係数kd1=Kd2=0.01Nms/rad、ばね定数ks=100000Nm/radである。加速時間tva=1sec、負荷トルク加速時間tta=1sec、最大速度ωmax=300rad/s、最大トルク速度Trqmax=200Nm、バックラッシBL=0である。入力軸パワーPinと出力軸パワーPoutの合計の入出力パワー差Pdfは速度加速時は、大きいが一定速度でトルクを増加させたときのパワーはモータとインバータと機械のロスであり電源の電力はほとんど消費しない。速度制御の軸のモータが、トルク制御の軸のモータトルクを外乱トルクとしてとらえ、それに対抗するトルク指令を生成する。トルク制御の軸のモータが発電機として動作すれば速度制御の軸のモータは電動機として動作し、トルク制御の軸のモータが電動機として動作すれば速度制御の軸のモータは発電機として動作する。ただし、加即時にはモータのロータを含む機械系全体の慣性モーメントを加速しなければならず、大きなパワーを必要とする。しかし、加速時間をTa=1sec→10secに増加させれば、瞬時パワーは1/10になり、ほとんど無視することができる。機械の合否判定は、入力軸のパワーと出力軸のパワーの総計を入出力パワー差Pdfとして、入出力パワー差Pdfを速度、トルクの関数として合格条件をあらかじめ決めておき、合否判定とすることができる。また、一定速度時の速度制御軸のトルク指令が一定になるように速度指令を制御し、このときの速度指令を合否判定条件に加えてもよい。
図8は、出力軸の出力が速度の1.8乗に比例したときのシミュレーションタイムチャートである。コンバータの電源出力は、定速度のとき入力軸の入力パワーPinと出力軸の出力パワーPoutがほとんど打ち消しあう。入出力パワー差、トルク指令、速度を解析することにより機械の合否判定ができる。
図9は、機械にバックラッシBL=0.1radがあるときのシミュレーションタイムチャートで、条件は図4と同一である。トルクが変化するときに振動が発生するので、合否判定としてトルクが変化する加速開始時、加速終了時、減速開始時、減速終了時の振動と、入出力軸のトルク方向反転時の位置誤差などを用いることできる。
図10は、機械に振動が生じたときのシミュレーションタイムチャートである。トルク指令波形は、機械速度に比例した周波数で脈動しているばかりでなく、機械系の共振周波数点で振動のレベルが大きくなっている。トルク指令の脈動は電源の入出力パワー差にも現れる。これらの波形を解析することにより、機械の合否を判定することができるだけではなく、伝達系の特定部位の不良を検出できる。
図12は、本発明の機械試験装置の入力軸と出力軸のPWMを同期させたときのシミュレーション結果である。PWM周波数が異なる場合に発生するビートによる騒音を低減できるだけではなくコンデンサのリプル電流を減少させることができる。
以上説明したように、総入出力パワー差、各軸のトルク指令、速度を合否判定の基準値と比較したり、説明はしていないが、FFTなどにより波形解析をしたり、騒音のパワースペクトラムを解析することにより機械の合否を判定でき、電源パワーの消費を低減した機械試験装置を提供できる。
Claims (12)
- N個の入力軸とM個の出力軸をもつ機械の試験装置であって、N個の入力軸に結合された第1モータ〜第Nモータと、M個の出力軸に結合された第N+1モータ〜第N+Mモータと、直流電力を交流電力に変換し前記第1モータ〜前記第N+Mモータの回転速度またはトルクを制御する第1インバータ〜第N+Mインバータと、前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータにトルク指令または速度指令を与える機械制御部と、
交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータに供給する共通コンバータを備え、
前記機械制御部は、上位システムからコマンドを受信しレスポンスを送信する第1通信部と、前記コマンドから速度指令、トルク指令、制御モード信号を生成する指令生成部と、前記コマンドの機械合否判定条件と速度、トルク指令、共通コンバータ電流から機械の合否を判定する合否判定部と、前記速度指令、トルク指令、制御モード信号を前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータと前記共通コンバータへ送信し、レスポンスを受信する第2通信部と、を備えることを特徴とする機械試験装置。 - 前記インバータは、前記機械制御部から速度指令、トルク指令、制御モード信号を受信し、トルク指令、速度を送信する第3通信部と、前記速度指令と速度からトルク指令を生成する速度制御部と、前記トルク指令と前記機械制御部の外部トルク指令を加算して新たなトルク指令とするトルク加算部と、前記トルク指令から電流指令を生成する電流指令生成部と、前記電流指令と電流から電圧指令を生成する電流制御部と、前記電圧指令からPWM信号を生成するPWM部と、前記PWM信号を電力増幅する電力変換部と、を備えることを特徴とする請求項1記載の機械試験装置。
- 前記インバータは前記制御モード信号により速度制御モードかトルク制御モードを選択して動作し、前記速度制御モードでは、前記外部トルク指令を零とし、前記トルク指令モードでは、前記速度制御部の生成するトルク指令を零にすることを特徴とする請求項1記載の機械試験装置。
- 前記インバータは、前記機械制御部の生成する同期信号に基づき、互いに同期したPWM信号を生成することを特徴とする請求項2記載の機械試験装置。
- 前記共通コンバータは、3相交流電源を整流して直流電源を生成するダイオード整流部と、前記直流電源の直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータへ出力する共通コンバータ電流を検出する電流検出器と、前記機械制御部から指令を受信し、前記共通コンバータ電流をレスポンスとして送信する第3通信部と、を備えることを特徴とする請求項1記載の機械試験装置。
- 前記共通コンバータは、前記ダイオード整流部と、電源回生用の電力変換器と、を備えることを特徴とする請求項5記載の機械試験装置。
- 前記共通コンバータは、前記直流電源の直流電圧を設定可能な任意の電圧に制御することを特徴とする請求項1記載の機械試験装置。
- 前記機械制御部は、前記入力軸インバータにトルク指令、前記出力軸インバータに速度指令を与え、前記合否判定部は前記入力軸インバータの速度と前記出力軸インバータのトルク指令のレスポンスから前記機械の合否を判定することを特徴とする請求項1記載の機械試験装置。
- 前記機械制御部は、前記出力軸のトルク指令が一定になるよう速度指令を制御することを特徴とする請求項8記載の機械試験装置。
- 前記機械制御部は、前記入力軸インバータに速度指令、前記出力軸インバータにトルク指令を与え、前記合否判定部は前記入力軸インバータのトルク指令と前記出力軸インバータの速度のレスポンスから前記機械の合否を判定することを特徴とする請求項1記載の機械制御装置。
- 前記機械制御部は、前記入力軸のトルク指令が一定になるよう速度指令を制御することを特徴とする請求項10記載の機械試験装置。
- N個の入力軸とM個の出力軸をもつ機械の試験装置であって、N個の入力軸に結合された第1モータ〜第Nモータと、M個の出力軸に結合された第N+1モータ〜第N+Mモータと、直流電力を交流電力に変換し前記第1モータ〜前記第N+Mモータの回転速度またはトルクを制御する第1インバータ〜第N+Mインバータと、前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータにトルク指令または速度指令を与える機械制御部と、
交流電力を直流電力に変換し、前記直流電力を前記第1インバータ〜前記第N+Mインバータに供給する共通コンバータを備え、
前記機械制御部は、前記トルク指令と前記速度指令と前記共通コンバータのコンバータ電流のレスポンスに基づいて前記機械の合否を判定することを特徴とする機械試験装置。
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