JP5361280B2 - サーボ解析機能を備えたシミュレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、温度、位置、速度等の制御器の開発にあたって使用されるサーボ解析機能を備えたシミュレーションシステムに関する。

温度、位置、速度等の制御器を設計するにあたっては、数学モデルを作り、この数学モデルを解くことによって所定の制御性能を有しているか否か、また、外乱等に対して安定しているか否かを検証する必要がある。

この計算には多大な時間がかかるため、制御用のシミュレーションソフトが市販され、広く使用されている。シミュレーションソフトへの数学モデルの入力も、コマンドラインからの手入力、エディターを使用したファイル入力、さらに現在では、数式の要素をモデル化し、これらを画面上で貼り付け、線をつなぐことで数学モデルを作成でき、利便性を増している。

さらに、現在では、パソコンにAD（アナログデジタル変換器）入力、PWM（パルス幅変調器）出力ボードを組み込み、シミュレーションソフト上で使用可能なシンボルをつくり、これらを組み合わせたシミュレーションソフトによって実機が作動可能になり、このような機器が市販されている。

制御系のブロックダイアグラムを作り、各ブロックの数学モデル（伝達関数）を作成し、先に述べたシミュレーションソフトを用いれば、制御結果が所定の結果になっているか否か、また、ボード線図等で周波数に対する利得、位相を確認すれば周波数応答が安定か否かの判断も可能である。

演算増幅器等のアナログ素子を使った制御機器では、２チャンネルのFFT（高速フーリエ変換）を用い、周波数スペクトラムの比を取ることにより、２点間の伝達関数が計測可能であり、これらからボード線図を求めることが可能であり、サーボアナライザとして市販されている。

アナログ制御では、比較的簡単に制御器の周波数応答を求めることができるが、マイクロコンピュータ等を使用したデジタルのソフトウエア制御によりボード線図を求めるには、制御器ごとに専用の計測装置を作る必要があり、多くの手間がかかっていた。

本発明は、シンボリックなモデルでシミュレーション可能なシミュレーションソフトとAD、PWM等を接続し、実機作動が可能なリアルタイムシミュレータに組み合わせることにより、容易に制御器の周波数応答等伝達関数を計測可能にするサーボ解析機能を備えたシミュレーションシステムを提供することを目的とする。

本発明のサーボ解析機能を備えたシミュレーションシステムは、制御器と等価な応答を実時間で演算して出力するモデルベースなリアルタイムシミュレータを備え、該リアルタイムシミュレータを実機からなる制御対象に接続し、制御シミュテーションを行なうシミュレーションシステムにおいて、前記リアルタイムシミュレータは、該制御対象となるモータのレゾルバ信号を読み取りロータ角度信号に変換するブロックと、該ロータ角度信号を入力し、該ロータ角度信号から回転角度１２０度ごとの矩形波駆動信号を生成するブロックと、該ロータ回転角度信号を入力し、該モータの回転速度信号を生成するブロックと、を備え、前記リアルタイムシミュレータのモデル内に伝達関数計測ブロックモデルが配置され、
該伝達関数計測ブロックモデルは、パラメトリックに伝達関数計測構造を変更可能に構成され、且つ、パラメータとなる周波数、振幅、位相を可変として、伝達関数測定の駆動源となるスイープ解析用の正弦波を発生する正弦波発生器及びステップ解析用の矩形波を発生する矩形波発生器を有した信号発生部と、該信号発生部からの信号を選択する信号セレクタと、制御系のクローズとオープン及び応答と計測を切り替える構造可変ユニットと、該信号セレクタの選択動作及び該構造可変ユニットの切替動作に応じて、該信号発生器の該正弦波発生器または該矩形波発生器から送出される信号データを収集し送出するデータ収集ユニットと、該データ収集ユニットから送られた信号データから前記制御シミュレーションの伝達関数を計算する伝達関数演算ユニットと、を備えたことを特徴とする。

本発明によると、リアルタイムシミュレータのモデル内に伝達関数計測ブロックモデルを配置するようにしたため、専用の計測装置を用いて伝達関数を計測する場合と比べ、きわめて簡単な作業によって伝達関数を計測することが可能となる。

また、前記伝達関数計測ブロックモデルは、パラメトリックに伝達関数計測構造を変更可能に構成されるので、多種多様な態様で伝達関数の計測を行なうことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るサーボ解析機能を備えたシミュレーションシステムの構成図、図２は、リアルタイムシミュレータのブロック構成図、図３は、伝達関数計測ブロックモデルのブロック構成図、図４は、伝達関数計測ブロックモデルのパラメータを設定する際に使用される設定画面の表示構成図、図５は、オープンループかつ応答モードが選択されたときの伝達関数の計算式の説明図、図６は、クローズドループかつ応答モードが選択されたときの伝達関数の計算式の説明図、図７は、オープンループ又はクローズドループ、かつ、計測モードが選択されたときの伝達関数の計算式の説明図をそれぞれ示す。

図１において、１は、リアルタイムシミュレータを表す。リアルタイムシミュレータ１は、主モデルベースの数値解析プログラムを実時間で作動させる装置である。リアルタイムシミュレータ１には拡張スロットが設けられており、拡張スロットにAD（アナログデジタル変換器）、PWM（パルス幅変調器）等のボードを挿入し、予め用意されたAD、PWM等を表すモデルをモデルブロックに貼付することにより、上記ボードを介して外部から電気信号をリアルタイムシミュレータ１に入力し、また、PWM信号をリアルタイムシミュレータ１から外部に出力可能とされる。図１に示す実施形態では、リアルタイムシミュレータ１の拡張スロットにPWMボード２を挿入している。

PWMボード２にはインバータ３が接続される。インバータ３は、直流電源４に接続され、PWMボード２からのPWM信号を増幅し、モータ５を交流駆動する。モータ５は、例えば、三相交流モータであって永久磁石を使用したブラシレスモータで構成される。

モータ５のロータには、ロータの角度を検出するためのレゾルバ６が組み付けられ、レゾルバ６の出力側にはレゾルバ変換機７が接続される。レゾルバ６は、公知のように、交流による励磁に対しSIN信号とCOS信号を得るものであり、角度信号に変換するためには演算が必要となり、レゾルバ変換機７は、SIN信号とCOS信号とをロータ角度を示すレゾルバ信号に変換するものである。

リアルタイムシミュレータ１は、図２に示すようなブロックモデルで構成される。

図２において、８は、レゾルバ変換機７に接続され、レゾルバ変換機７からのレゾルバ信号を読み取りロータ角度信号に変換するブロックを表す。

９は、ブロック８のロータ角度信号をSIN変換するブロック、１０は、入力信号が正のとき１を、負のとき−１を、０のとき０を出力するブロック、１１は、上限を１、下限を０としたリミッターを表し、ブロック９に入力したロータ角度信号は、ブロック９〜１１を通過することによって、回転角度１８０°ごとに振幅が１と０に交互に切替わる矩形波信号を出力する。ブロック１３〜１５及びブロック１７〜１９も、それぞれブロック９〜１１と同様な処理を行うブロックである。ただし、ブロック１３〜１５の入力信号は、ブロック９〜１１の入力信号の位相をブロック１２において設定された２/３πだけ遅らせた入力信号であり、また、ブロック１７〜１９の入力信号は、ブロック９〜１１の入力信号の位相をブロック１６において設定された４/３πだけ遅らせた入力信号である。

２０は、ブロック１１、１５、１９から出力された互いに２/３πの位相差をもつ回転角度１８０°ごとの矩形波信号から回転角度１２０°ごとの振幅１の矩形波駆動信号を生成する公知のブロックを表す。

２１は、ブロック８から出力されるロータ角度信号からモータ５の１秒あたりの回転数（rps）を演算するブロックを表す。２２は、ブロック２１で演算されたモータ５の１秒あたりの回転数（rps）を１分あたりの回転数（rpm）に変換するブロックを表す。

２３は、モータ５の１分あたりの回転数（rpm）を観測するためのモニタースコープを表す。

１００は、リアルタイムシミュレータ１のモデル内に配置された伝達関数計測ブロックモデルを表す。伝達関数計測ブロックモデル１００は、周波数応答等伝達関数を計測するものであり、後に詳述する。

２４は、モータ５の設定回転数（例えば１０００rpm）を指令するブロックを表す。

２５は、ブロック２２から入力されるモータ５の１分当たりの回転数（rpm）とブロック２４の設定回転数とに基づいてモータ５に対する回転数補正係数を演算し、出力するブロックを表す。

２６は、ブロック２０からの振幅１の矩形波信号にブロック２５からの回転数補正係数を乗算し、PWMボード２にモータ駆動電圧信号を出力するブロックを表す。

伝達関数計測ブロックモデル１００は、図３に示すように構成される。

図３において、Ciは、制御ループからの入力、Coは、制御ループへの出力、Fiは、フィードバックをもたないシステムの出力（制御ループに入れる場合は未使用）を表す。

信号発生部１０１は、周波数、振幅、位相が可変な正弦波発生器１０２及び矩形波発生器１０３と信号を選択する信号セレクタ１０４とにより構成され、スイープ解析では正弦波発生器１０２が、ステップ解析では矩形波発生器１０３がそれぞれ伝達関数測定の駆動源になる。

データ収集ユニット１０５は、設定されたデータ数に応じた信号を取り込み、伝達関数演算ユニット１０６に演算指令を送る機能を有する。

伝達関数演算ユニット１０６は、データ収集ユニット１０５からの指令に基づいてスイープ解析、ステップ解析方法で伝達関数を計算する。

構造可変ユニット１０７は、クローズ/オープン、応答/計測の各セレクタ１０８、１０９で構成され、下記の伝達関数を計算することができる。

(1) Loop＝０、Ctrl＝１
図５に示すように、OxとOy間の伝達関数を計算する。

H（ω）＝Oy（ω）/Ox（ω）
(2) Loop＝１、Ctrl＝１
図６に示すように、CxとCy間の伝達関数を計算する。

H（ω）＝Cy（ω）/Cx（ω）
(3) Loop＝０or１、Ctrl＝０
図７に示すように、MxとMy間の伝達関数を計算する。

H（ω）＝My（ω）/Mx（ω）
伝達関数計測ブロックモデル１００は、図４に設定画面の一例として示すように、パラメトリックに伝達関数計測構造を変更可能に構成され、多種多様な態様で伝達関数の計測を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態のサーボ解析機能を備えたシミュレーションシステムは、制御器と等価な応答を実時間で演算して出力するモデルベースなリアルタイムシミュレータ１を備え、リアルタイムシミュレータ１を実機からなるモータ５（制御対象）に接続し、制御シミュレーションを行うシミュレーションシステムにおいて、リアルタイムシミュレータ１のモデル内に伝達関数計測ブロックモデル１００を配置して構成される。

本実施形態によると、リアルタイムシミュレータ１のモデル内に伝達関数計測ブロックモデル１００を配置するようにしたため、専用の計測装置を用いて伝達関数を計測する場合と比べ、きわめて簡単な作業によって伝達関数を計測することが可能となる。

また、伝達関数計測ブロックモデル１００は、パラメトリックに伝達関数計測構造を変更可能に構成されるため、多種多様な態様で伝達関数の計測を行うことができる。

本発明の一実施形態に係るサーボ解析機能を備えたシミュレーションシステムの構成図である。 リアルタイムシミュレータのブロック構成図である。 伝達関数計測ブロックモデルのブロック構成図である。 伝達関数計測ブロックモデルのパラメータを設定する際に使用される設定画面の表示構成図である。 オープンループかつ応答モードが選択されたときの伝達関数の計算式の説明図である。 クローズドループかつ応答モードが選択されたときの伝達関数の計算式の説明図である。 オープンループ又はクローズドループ、かつ、計測モードが選択されたときの伝達関数の計算式の説明図である。

符号の説明

１ リアルタイムシミュレータ
５ モータ（制御対象）
１００ 伝達関数計測ブロックモデル

Claims (1)

1. 制御器と等価な応答を実時間で演算して出力するモデルベースなリアルタイムシミュレータを備え、該リアルタイムシミュレータを実機からなる制御対象に接続し、制御シミュテーションを行なうシミュレーションシステムにおいて、
   前記リアルタイムシミュレータは、
   該制御対象となるモータのレゾルバ信号を読み取りロータ角度信号に変換するブロックと、
   該ロータ角度信号を入力し、該ロータ角度信号から回転角度１２０度ごとの矩形波駆動信号を生成するブロックと、
   該ロータ回転角度信号を入力し、該モータの回転速度信号を生成するブロックと、
   を備え、
   前記リアルタイムシミュレータのモデル内に伝達関数計測ブロックモデルが配置され、
   該伝達関数計測ブロックモデルは、パラメトリックに伝達関数計測構造を変更可能に構成され、且つ
   パラメータとなる周波数、振幅、位相を可変として、伝達関数測定の駆動源となるスイープ解析用の正弦波を発生する正弦波発生器及びステップ解析用の矩形波を発生する矩形波発生器を有した信号発生部と、
   該信号発生部からの信号を選択する信号セレクタと、
   制御系のクローズとオープン及び応答と計測を切り替える構造可変ユニットと、
   該信号セレクタの選択動作及び該構造可変ユニットの切替動作に応じて、該信号発生器の該正弦波発生器または該矩形波発生器から送出される信号データを収集し送出するデータ収集ユニットと、
   該データ収集ユニットから送られた信号データから前記制御シミュレーションの伝達関数を計算する伝達関数演算ユニットと、
   を備えたことを特徴とするサーボ解析機能を備えたシミュレーションシステム。

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