JP5759013B2 - 制御プログラム、制御方法及び制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばサーボモータによって駆動されるサーボモータ式機械試験装置等の駆動を制御するための制御プログラム、制御方法及び制御装置に関する。
１００Ｈｚを超える高い周波数の変動トルクを出力可能な低慣性型の高出力ＡＣサーボモータ（以下「サーボモータ」と略記する。）の実用化に伴い、従来の油圧アクチュエータに替えてサーボモータを駆動源として使用するサーボモータ式機械試験装置（例えば、疲労試験装置や振動試験装置）が普及しつつある。また、サーボモータは、油圧装置と比べて、小型であり、操作やメンテナンスが容易であることから、複数のサーボモータを使用して高度な試験を可能にする機械試験装置のニーズが高まっている。しかしながら、出力が高速で変動する複数のサーボモータを同期制御する為には高度な制御技術を必要とし、また専用の制御プログラムを開発するには多額の開発コストと長い開発期間を要するという問題があった。
複数のサーボモータを同期制御する制御システムを効率的に構築するための開発環境が、サーボモータ・メーカーから提供されている（非特許文献１）。非特許文献１には、メカ機構プログラムというビジュアルプログラミング言語が開示されている。メカ機構プログラムは、ギアやカム等の機械要素を使用して複数の出力軸の同期駆動を機械的に制御するハードウェア同期制御をソフトウェア上でシミュレーションし、各出力軸（仮想軸）と関連付けられた複数のサーボモータの同期制御をソフトウェア上で行う。
Mitsubishi Integrated FA Software MELSOFT, effective May 2005, pages25-26. [online]. MITSUBISHI ELECTRIC. [retrieved on 2011-11-02]. Retrieved fromthe Internet: <URL: http://wwwf2.mitsubishielectric.co.jp/melfansweb/document/catalog/melsoft/l08008/l08008c.pdf>.
しかしながら、非特許文献１に記載されるような開発環境を使用しても、従来の一般的なプログラミング手法を用いると、近年の機械試験装置に要求される高度な制御を実現するためには、プログラムの構成が複雑になるため、より効率的に開発できるプログラム構成が望まれていた。
本発明の実施形態に従って、コンピュータに、仮想的な機構である仮想メカ機構の動作をシミュレーションさせ、該シミュレーションの結果に基づいて複数のサーボモータの駆動を同期制御させる制御プログラムが提供される。仮想メカ機構は、第１駆動モジュールと、第１駆動モジュールに接続された第１メインシャフトモジュールと、第１メインシャフトモジュールに接続され、複数のサーボモータとそれぞれ対応づけられた、複数の動力伝達サブシステムと、を備え、動力伝達サブシステムの各々は、第２駆動モジュールと、主入力軸、補助入力軸、および出力軸を有する、差動歯車モジュールと、出力モジュールと、を備え、主入力軸は第１メインシャフトモジュールと接続され、補助入力軸は第２駆動モジュールと接続され、出力軸は出力モジュールと接続され、出力モジュールへの入力のシミュレーション結果に応じて、その動力伝達サブシステムと対応づけられたサーボモータを駆動する。
この構成によれば、仮想機構モジュールを用いて、第１駆動モジュールと第２駆動モジュールそれぞれの出力の差動歯車モジュールによる合成を仮想的に実現することで、サーボモータの複雑な駆動制御を容易に行うことができる。
また、主入力軸が、第１クラッチモジュールを介して第１メインシャフトモジュールに接続された構成としてもよい。
この構成によれば、第１クラッチモジュールのＯＮ／ＯＦＦにより、第１駆動モジュールによる各サーボモータの駆動のＯＮ／ＯＦＦを容易に制御することができる。
また、補助入力軸は、第２クラッチモジュールを介して第２駆動モジュールと接続された構成としてもよい。
この構成によれば、第２駆動モジュールから差動歯車モジュールへの入力を第２クラッチモジュールによってＯＮ／ＯＦＦ制御できるため、各サーボモータの出力を個別に且つ容易に制御することができる。
また、第２駆動モジュールの回転位置の設定によって、サーボモータの駆動の位相が制御される構成としてもよい。
この構成によれば、第２駆動モジュールによる位相制御の為の出力を、第２クラッチモジュールによって所望のサーボモータに与えることができるので、各サーボモータの位相を独立に設定することができ、サーボモータ駆動制御プログラムの開発や改変が容易である。
また、第１駆動モジュールを第１の駆動波形に従って駆動させ、第２駆動モジュールを振動波形に従って駆動させることで、第１の駆動波形によって規定されるサーボモータの回転位置を中心に、振動波形に従ってサーボモータの回転を振動させる構成としてもよい。
第１駆動モジュールの駆動波形がランプ波であり、サーボモータの回転振動の中心が等角速度運動する構成としてもよい。
第２駆動モジュールを方形波に従って階段状に駆動させることにより、サーボモータの駆動波形のオフセットを実現する構成としてもよい。
また、本発明の実施形態に従って、コンピュータ上で仮想的なメカ機構である仮想メカ機構の動作をシミュレーションし、シミュレーションの結果に基づいて複数のサーボモータの駆動を同期制御する制御方法が提供される。仮想メカ機構は、第１駆動モジュールと、第１駆動モジュールに接続された第１メインシャフトモジュールと、第１メインシャフトモジュールに接続され、複数のサーボモータとそれぞれ対応づけられた、複数の動力伝達サブシステムと、を備え、動力伝達サブシステムの各々は、第２駆動モジュールと、主入力軸、補助入力軸、および出力軸を有する、差動歯車モジュールと、出力モジュールと、を備え、主入力軸は第１メインシャフトモジュールと接続され、補助入力軸は第２駆動モジュールと接続され、出力軸は出力モジュールと接続され、出力モジュールへの入力のシミュレーション結果に応じて、該動力伝達サブシステムと対応づけられたサーボモータを駆動する。
また、本発明の実施形態に従って、仮想的な機構である仮想メカ機構の動作をシミュレーションし、シミュレーションの結果に基づいて複数のサーボモータの駆動を同期制御する制御装置が提供される。仮想メカ機構の動作のシミュレーションを行うシミュレーション部と、シミュレーションの結果に基づいて、複数のサーボモータの駆動を制御する駆動制御部と、を備え、仮想メカ機構は、第１駆動モジュールと、第１駆動モジュールに接続された第１メインシャフトモジュールと、第１メインシャフトモジュールに接続され、複数のサーボモータとそれぞれ対応づけられた、複数の動力伝達サブシステムと、を備え、動力伝達サブシステムの各々は、第２駆動モジュールと、主入力軸、補助入力軸、および出力軸を有する、差動歯車モジュールと、出力モジュールと、を備え、主入力軸は第１メインシャフトモジュールと接続され、補助入力軸は第１クラッチモジュールを介して第２駆動モジュールと接続され、出力軸は出力モジュールと接続され、駆動制御部は、出力モジュールへの入力のシミュレーション結果に応じて、該動力伝達サブシステムと対応づけられたサーボモータの駆動を制御する制御信号を出力する。
また、本発明の実施形態に従って、機械試験装置の駆動部を目標波形に従って駆動させるためにコンピュータを、目標波形を表す目標波形データを生成する目標波形データ生成部、及び目標波形データに基づいて駆動部に駆動を指令する駆動指令部として機能させ、目標波形データ生成部と駆動指令部とが並列処理するように構成された制御プログラムが提供される。また、目標波形データ生成部が、外部から入力される波形信号を読み取り、波形信号を目標波形データに変換するように構成されてもよい。
この構成によれば、目標波形データの生成処理と、駆動指令処理とが並列して処理をするため、例えば駆動部の駆動波形を試験状況に応じてリアルタイムで決定する制御を容易に行うことが可能となる。また、外部から入力される波形信号に従って制御する処理にも容易に対応することができる。
また、複数の波形信号に基づいて、複数の駆動部の駆動を制御可能に構成されており、複数の波形信号のそれぞれに対応する複数の目標波形データ生成部と、複数の駆動部のそれぞれに対応する複数の駆動指令部とを備える構成としてもよい。
この構成によれば、複数の波形信号に基づいて複数の駆動部を制御する複雑な駆動制御を簡単なプログラム構成で実現することができる。
また、本発明の実施形態に従って、機械試験装置の駆動部を目標波形に従って駆動させる制御方法であって、目標波形を表す目標波形データを生成するステップと、目標波形データに基づいて駆動部に駆動を指令するステップと、を含み、目標波形データを生成するステップと駆動部に駆動を指令するステップを並列処理する制御方法が提供される。
本発明の実施形態に従って、機械試験装置の駆動部を目標波形に従って駆動させるためにコンピュータを、１周期分の基本波形を定義する基本波形定義データに基づいて、１周期分の波形を表す単位波形データを生成する単位波形データ生成部、１つ以上の単位波形データに基づいて、目標波形を表す連続波形データである目標波形データを生成する目標波形データ生成部、及び目標波形データに基づいて駆動部に駆動を指令する駆動指令部として機能させる制御プログラムが提供される。
この構成によれば、データ容量の小さい基本波形定義データに基づいて機械試験装置の連続的な駆動が可能になる。また、比較的に少ない種類の基本波形定義データに基づいて、複雑かつ多様な目標波形データの生成が可能となり、機械試験装置の自由度の高い駆動制御が可能になる。
単位波形データ生成部、目標波形データ生成部と駆動指令部とが並列処理するように構成されていてもよい。
この構成によれば、機械試験装置のリアルタイム制御を容易に行うことが可能になる。
本発明の実施形態に従って、サーボモータの駆動を制御するためにコンピュータを、制御量の目標値を生成する目標値生成部、目標値を補正する補正部、及び補正された目標値に基づいてサーボモータに駆動を指令する駆動指令部、として機能させ、補正部は、サーボモータの回転を検出するエンコーダからのパルス信号を取得するパルス信号取得部と、パルス信号に基づいて、サーボモータの回転の位相を計算する位相計算部と、位相に基づいて補正値を決定する補正値決定部と、を備え、目標値に補正値を加えることによって目標値を補正する、ことを特徴とする制御プログラムが提供される。
この構成によれば、実際のサーボモータの駆動状態（実位相）に同期してサーボモータの駆動制御が行われるため、実位相と制御信号との位相差を排除することができ、トルクリップルの無いスムーズな駆動制御が可能になる。
また、本発明の実施形態に従って、機械試験装置の駆動部を目標波形に従って駆動させる制御装置が提供される。制御装置は、目標波形を表す目標波形データを生成する目標波形データ生成部と、目標波形データに基づいて駆動部に駆動を指令する駆動指令部とを備え、目標波形データ生成部と駆動指令部が並列処理するように構成される。
また、本発明の実施形態に従って、サーボモータの駆動を制御する制御方法が提供される。この制御方法は、制御量の目標値を生成するステップと、目標値を補正するステップと、補正された目標値に基づいてサーボモータに駆動を指令するステップと、を含み、標値を補正するステップは、サーボモータの回転を検出するエンコーダからのパルス信号を取得するステップと、パルス信号に基づいて、サーボモータの回転の位相を計算するステップと、位相に基づいて補正値を生成するステップと、目標値に補正値を加えることによって目標値を補正するステップと、を含む。
また、本発明の実施形態に従って、サーボモータの駆動を制御する制御装置が提供される。この制御装置は、制御量の目標値を生成する目標値生成部と、目標値を補正する補正部と、補正された目標値に基づいてサーボモータに駆動を指令する駆動指令部と、を備え、補正部は、サーボモータの回転を検出するエンコーダからのパルス信号を取得するパルス信号取得部と、パルス信号に基づいて、サーボモータの回転の位相を計算する位相計算部と、位相に基づいて補正値を生成する補正値生成部と、を備え、目標値に補正値を加えることによって目標値を補正するように構成される。
また、本発明の実施形態に従って、複数のサーボモータの駆動を制御するためにコンピュータを、目標波形データを生成する、複数の目標波形データ生成部、及び、一または複数の目標波形データに基づいて駆動部に駆動を指令する駆動指令部として機能させ、駆動指令部は、複数の目標波形データに基づいて駆動部に駆動を指令する場合には、複数の目標波形データを合成した波形に基づいて駆動部に駆動を支持するように構成された制御プログラムが提供される。
また、本発明の実施形態に従って、複数のサーボモータの駆動を制御する制御方法が提供される。この制御方法は、目標波形データを生成するステップと、一または複数の目標波形データに基づいて駆動部に駆動を指令するステップと、を含み、駆動部に駆動を指令するステップにおいて、複数の目標波形データに基づいて駆動部に駆動を指令する場合には、複数の目標波形データを合成した波形に基づいて駆動部に駆動を指令する。
本発明の実施形態の構成によれば、開発・改変が容易でありながら、機械試験装置等の複雑な駆動制御が可能な制御プログラム及び制御装置が提供される。
本発明の実施形態に係る機械試験装置のハードウェア構成の概略を示すブロック図である モーションコントローラの概略構成を示すブロック図である。 実施例１において実行されるメカ機構ユーザプログラムを示す図である。 実施例１の動作フローを示すフローチャートである。 実施例２におけるサーボモータの駆動を説明する図である。 図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ第１駆動モジュール、第２駆動モジュール及び出力モジュールの回転角の時間変化を示すグラフである。 実施例４のユーザプログラムの概略構成を示すブロック図である。 実施例５の制御に使用されるユーザプログラムの構成を示す図である。 基本波形定義データ２７Ｃの例を示す図である。 実施例６の制御量の補正を説明するグラフである。 実施例６の制御システムの概略構成を示すブロック図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る機械試験装置１のハードウェア構成の概略を示すブロック図である。機械試験装置１は、複数のサーボモータ１１を備えた試験機構部１０、複数のサーボモータ１１にそれぞれ対応する複数のサーボアンプ１１ａ、モーションコントローラ２０、計測ユニット３０、ＰＣ（Personal Computer）４０、及びファンクションジェネレータ５０を備えている。
試験機構部１０は、供試体（不図示）に加えられる荷重を検出する荷重センサ１４（例えば、ロードセルやトルクメータ）及び供試体の変位を検出する変位センサ１６を備えている。なお、変位センサ１６に代えて供試体の応答を検出する他の種類のセンサ（例えば、ひずみゲージ、速度センサ、加速度センサ等）を試験機構部１０に設けてもよい。また、各サーボモータ１１は、回転軸の回転数を検出するロータリーエンコーダ１２を備える。
サーボアンプ１１ａは、各サーボモータ１１に１台ずつ接続されており、モーションコントローラ２０からの指令信号に基づいて、対応するサーボモータ１１に駆動電流を供給する。サーボアンプ１１ａは、光ファイバーケーブルによりモーションコントローラ２０にデイジー・チェーンで接続されている。
モーションコントローラ２０は、ＰＣ４０から入力される各種設定パラメータ（後述）に基づいて、各サーボモータ１１の駆動を制御するための駆動制御信号を生成して、サーボアンプ１１ａに出力する。また、モーションコントローラ２０は、ファンクションジェネレータ５０が生成した交流電圧信号に基づいて駆動制御信号を生成することもできるように構成されている。モーションコントローラ２０の詳細な構成については後述する。
計測ユニット３０は、荷重センサ１４及び変位センサ１６の検出信号をデジタルデータに変換して、ＰＣ４０に出力する。また、計測ユニット３０はモーションコントローラ２０に接続されており、ロータリーエンコーダ１２が検出したサーボモータ１１の回転数を示すデジタル信号が、サーボアンプ１１ａ及びモーションコントローラ２０を介して計測ユニット３０に入力され、荷重センサ１４及び変位センサ１６の検出結果と共にＰＣ４０に送信される。
ＰＣ４０は、ユーザ入力に基づいてサーボモータ１１を駆動するための目標波形データを計算し、目標波形データを定義する各種設定パラメータを生成して、モーションコントローラ２０に出力する。また、ＰＣ４０は、計測ユニット３０が出力する各種計測データに基づいてリアルタイムで試験結果を計算して、ディスプレイ表示すると共に、内蔵するメモリ（不図示）に試験結果を記録する。また、ＰＣ４０は、計測ユニット３０からの各種計測データに基づいて、目標波形データを修正する機能も備えている。これらの処理は、ＰＣ４０にインストールされた専用アプリケーションソフトウェアを使用して行われる。
図２は、モーションコントローラ２０の概略構成を示すブロック図である。モーションコントローラ２０は、ハードウェア２０ａ、オペレーションシステム２０ｂ及びユーザプログラム２０ｃから構成される。オペレーションシステム２０ｂは、階層構造を有し、ハードウェア２０ａを直接管理する下位レイヤーのカーネル２１と、カーネル２１上で動作する上位レイヤーのモーション制御用ＳＦＣ言語プログラム２２（以下「ＳＦＣ言語プログラム２２」という。）、メカ機構言語プログラム２３及びインターフェース２４を備える。ＳＦＣ言語プログラム２２は、モーション制御のために開発されたモーション制御用ＳＦＣ言語によって記述されたユーザプログラム２０ｃ（ＳＦＣユーザプログラム２５）を解釈して実行する。モーション制御用ＳＦＣ言語は、モーション制御の手順をフローチャート形式で記述するビジュアルプログラミング言語である。また、メカ機構言語プログラム２３は、メカ機構言語によって記述されたユーザプログラム２０ｃ（メカ機構ユーザプログラム２６）を解釈して実行する。メカ機構ユーザプログラム２６は、複数のサーボモータ１１の同期駆動制御の記述に使用され、ＳＦＣ言語プログラム２２により呼び出されて実行される。ユーザプログラム２０ｃには、上述のＳＦＣユーザプログラム２５及びメカ機構ユーザプログラム２６に加えて、ＳＦＣユーザプログラム２５の実行に使用される基本波形データ２７等の設定データが含まれる。また、インターフェース２４は、外部装置（例えば、モーションコントローラ２０に接続されたＰＣ４０やファンクションジェネレータ５０）との入出力を管理する。
次に、機械試験装置１を使用した具体的な制御の実施例を説明する。図３は、以下に説明する実施例１〜３において実行されるメカ機構ユーザプログラム２６を示す。実施例１は、各サーボモータ１１を所定の位相差で同期回転させる制御例である。メカ機構ユーザプログラム２６は、第１駆動モジュール１１０と、これに駆動される第１メインシャフト１２０を有している。第１メインシャフト１２０には、実際に駆動するサーボモータ１１の数と同数のギア（図３には２系統のギア１３０Ａ、１３０Ｂのみを示す。）が設けられ、ギア１３０Ａ、１３０Ｂを介して複数の第２メインシャフト１２０Ａ、１２０Ｂに接続されている。第２メインシャフト１２０Ａは、クラッチ１４０Ａを介してディファレンシャルギア（差動歯車装置）１５０Ａの主入力軸１５１Ａに接続されている。また、ディファレンシャルギア１５０Ａの補助入力軸１５２Ａは、ギア１６０Ａ及びクラッチ１７０Ａを介して第２駆動モジュール１８０Ａに接続されている。また、ディファレンシャルギア１５０Ａの出力軸１５３Ａには出力モジュール１９０Ａが接続されている。ディファレンシャルギア１５０Ａは、主入力軸１５１Ａの回転と補助入力軸１５２Ａの回転との差分の回転を出力軸１５３Ａに与える。第１メインシャフト１２０に接続された他の第２仮想メインシャフト（１２０Ｂ等）にも、同じ構成の仮想機構（例えば、クラッチ１４０Ｂ、ディファレンシャルギア１５０Ｂ、ギア１６０Ｂ、クラッチ１７０Ｂ、第２駆動モジュール１８０Ｂ及び出力モジュール１９０Ｂ）が接続されている。また、各出力モジュール（１９０Ａ、１９０Ｂ、・・・）は各サーボモータ１１と一対一で関連付けられており、各サーボモータ１１は対応する出力モジュールと同じ位相で回転するように制御される。上記のメカ機構により、各サーボモータ１１（出力モジュール）の回転駆動は、第１駆動モジュール１１０の仮想的な回転駆動と関連付けられる（すなわち同期して駆動する）。また、実施例１においては、各第２駆動モジュール（図１では１８０Ａと１８０Ｂ）には、共通の駆動パルスが入力され、各第２駆動モジュールは、駆動パルスに応じた角度だけ、同位相で回転するように設定されている。実施例１においては、第１駆動モジュール１１０は、入力される指令に従って、様々な波形（例えば、正弦波、三角波、矩形波、鋸波及び任意の合成波）で回転可能に設定されている。
次に、実施例１におけるサーボモータの動作を説明する。上述のように、実施例１は、各サーボモータ１１を所定の位相差で、かつ同じ波形で回転させる為の制御例である。ここでは、出力モジュール１９０Ａ、１９０Ｂに対応するサーボモータ１１の回転駆動に位相差を与える場合について説明する。図４は、実施例１の動作フローを示すフローチャートである。
先ず、処理Ｓ１において、初期設定が行われる。具体的には、クラッチ１４０Ａ、１４０Ｂ及び１７０Ａをつなぎ、クラッチ１７０Ｂを切った状態に設定する。次に、第１駆動モジュール１１０を始動する（Ｓ２）。このとき、出力モジュール１９０Ａと１９０Ｂは、同位相で回転する。次に、第２駆動モジュール１８０Ａ及び１８０Ｂに、所定の回転角Δθ（例えば１８０度）に相当する駆動パルスを入力する（Ｓ３）。このとき、クラッチ１７０Ａがつながれている為、ディファレンシャルギア１５０Ａの補助入力軸１５２Ａは第２駆動モジュール１８０Ａにより回転角Δθだけ回転し、ディファレンシャルギア１５０Ａの出力軸１５３Ａは主入力軸１５１Ａに対してΔθだけ位相差（回転角度差）が与えられる。一方、この時、クラッチ１７０Ｂはつながれていない為、ディファレンシャルギア１５０Ｂの補助入力軸１５２Ｂは第１駆動モジュール１１０と同位相で回転する。ディファレンシャルギア１５０Ａ、１５０Ｂの主入力軸１５１Ａ、１５１Ｂは同位相で回転するため、ディファレンシャルギア１５０Ａ、１５０Ｂの出力軸１５３Ａ、１５３Ｂは、それぞれ第１駆動モジュール１１０と同じ波形で、かつ位相差Δθで回転することになる。すなわち、実施例１の制御により、第１駆動モジュール１１０の回転状態を変動させても、出力モジュール１９０Ａと１９０Ｂに対応するサーボモータ１１を、常に所定の位相差で回転させることができる。また、実施例１の構成によれば、各サーボモータ１１の駆動波形と位相とを独立に制御することが可能となる。すなわち、第１駆動モジュール１１０を使用して駆動波形を制御し、これと独立して、第２駆動モジュール１８０Ａ、１８０Ｂ及び１７０Ａ、１７０Ｂにより位相差を制御することができる。
次に、サーボモータの回転を振動させながら、所定方向に一定の平均速度で回転させる制御を行う実施例２について説明する。ここでは、出力モジュール１９０Ａの制御を例に挙げて説明する。図５は、実施例２におけるサーボモータ１１の駆動を説明する図である。具体的には、図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ第１駆動モジュール１１０、第２駆動モジュール１８０Ａ及び出力モジュール１９０Ａの回転角の時間変化を示すグラフである。実施例２においては、クラッチ１４０Ａ及び１７０Ａがつなげられ、出力モジュール１９０Ａの回転角は、第１駆動モジュール１１０及び第２駆動モジュール１８０Ａの回転角の和に等しくなる。実施例２では、図５（ａ）に示されるように、第１駆動モジュール１１０には、一定の回転速度で回転させるような指令を入力する。また、図５（ｂ）に示されるように、第２駆動モジュール１８０Ａには、正弦波に従って回転角が変動するような指令を入力する。これにより、第１駆動モジュール１１０と第２駆動モジュール１８０Ａの回転は、ディファレンシャルギア１５０Ａによって重畳され、出力モジュール１９０Ａは図５（ａ）の波形と図５（ｂ）の波形を重ね合わせた図５（ｃ）の波形に従って回転する。実施例２の構成によれば、サーボモータ１１の回転と振動とを独立に制御することが容易に可能となる。すなわち、第１駆動モジュール１１０を使用して回転運動（振動の中心角度）を制御し、これと独立して、第２駆動モジュール１８０Ａにより振動を制御することができる。なお、実施例２では、第１駆動モジュール１１０を等角速度駆動し、第２駆動モジュール１８０Ａを正弦振動させる構成を例に説明したが、第１駆動モジュール１１０及び第２駆動モジュール１８０Ａを他の波形で駆動させてもよい。例えば、第１駆動モジュール１１０を等角速度駆動させ、第２駆動モジュール１８０Ａを鋸波で駆動する構成としてもよい。この構成は、例えば供試体を所定速度で回転させながら、供試体に繰り返しねじり荷重（又は加振力）を加える、いわゆる回転ねじり試験の制御に適用することができる。
次に、サーボモータ１１を振動させながら、振動の中心角度にオフセットを与える制御を行う実施例３について説明する。ここでは、出力モジュール１９０Ａの制御を例に挙げて説明する。図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ第１駆動モジュール１１０、第２駆動モジュール１８０Ａ及び出力モジュール１９０Ａの回転角の時間変化を示すグラフである。実施例３においても、クラッチ１４０Ａ及び１７０Ａがつなげられ、出力モジュール１９０Ａの回転角は、第１駆動モジュール１１０及び第２駆動モジュール１８０Ａの回転角の和に等しくなる。また、実施例３では、図６（ａ）に示されるように、第１駆動モジュール１１０には、正弦波に従って回転角が変動するような指令が入力される。また、図６（ｂ）に示されるように、第２駆動モジュール１８０Ａの回転角は、制御開始時（ｔ＝０）において、位相θ１に設定される。時刻０〜ｔ１においては、第２駆動モジュール１８０Ａには駆動パルスは与えられず、回転角θ１にて静止する。また、サーボモータ１１の振動の中心角にオフセットを与えるタイミング（ｔ＝ｔ１）において、第２駆動モジュール１８０Ａに駆動パルスが入力され、第２駆動モジュール１８０Ａは回転角Δθだけ回転する。その後は、第２駆動モジュール１８０Ａには駆動パルスは与えられず、回転角θ２にて静止する。その結果、出力モジュール１９０Ａに関連付けられたサーボモータ１１は、時刻０〜ｔ１において回転角θ１を中心に正弦振動し、時刻ｔ１において中心角がΔθだけオフセットされ、時刻ｔ１以降は回転角θ２を中心に正弦振動するように駆動制御される。実施例３の構成によれば、サーボモータ１１の振動波形とオフセットを独立に制御することが容易に可能となる。すなわち、第１駆動モジュール１１０を使用して駆動波形を制御し、これと独立して、第２駆動モジュール１８０Ａによりオフセット量を制御することができる。第１駆動モジュール１１０の振動波形は、正弦波に限らず、様々な波形（例えば、正弦波、三角波、矩形波、鋸波及び任意の合成波）に設定することができる。また、第２駆動モジュール１８０Ａの駆動により、オフセット量やオフセットの方向、タイミングを自由に制御することができる。また、オフセット付与時における第２駆動モジュール１８０Ａの駆動速度（駆動パルスのレート）により、オフセットの緩急を調節することもできる。なお、以上は出力モジュール１９０Ａの制御の説明であるが、例えば出力モジュール１９０Ｂを含む複数の出力モジュールを同期駆動させながら、各出力モジュールの位相θにオフセットを与えることができる。各出力モジュールの位相に同じ値のオフセットを同時に与える構成としてもよいし、異なる値のオフセットを各出力モジュールに異なるタイミングで与える構成としてもよい。
次に、ファンクションジェネレータ５０が発生する交流電圧信号（アナログ波形信号）に基づいてサーボモータ１１を駆動制御する実施例４について説明する。図７は、実施例４のユーザプログラム２０ｃの概略構成を示すブロック図である。実施例４において使用されるＳＦＣユーザプログラム２５は、同時並列に実行される２種類のプログラム（波形信号読取プログラム２５Ａ及び駆動制御プログラム２５Ｂ）から構成される。波形信号読取プログラム２５Ａは、モーションコントローラ２０のアナログ信号入力部（不図示）に入力されたアナログ波形信号を逐次目標波形データに変換する処理を行う。また、駆動制御プログラム２５Ｂは、波形信号読取プログラム２５Ａが生成した目標波形データに基づいてサーボモータ１１を駆動する処理を実行する。波形信号読取プログラム２５Ａは、機械試験装置１の制御に使用されるアナログ波形信号の数だけ設けられ、並列処理を行う。また、駆動制御プログラム２５Ｂは、機械試験装置１が備えるサーボモータ１１の数だけ設けられ、並列処理を行う。なお、同一の制御を行うサーボモータ１１については、共通の駆動制御プログラム２５Ｂが使用される。このように、複数の波形信号読取プログラム２５Ａ及び／又は複数の駆動制御プログラム２５Ｂにより並列処理を行う構成により、複数のアナログ波形信号を使用して、複数のサーボモータ１１を動作させる複雑な制御を行うことが可能になる。実施例４は、メカ機構ユーザプログラム２６を使用せずに、ＳＦＣユーザプログラム２５のみを使用して複数のサーボモータ１１の駆動制御を行う例であるが、例えば駆動制御プログラム２５Ｂによりメカ機構ユーザプログラム２６を呼び出して、別のサーボモータ１１と同期制御させることも可能である。
次に、予めモーションコントローラ２０に保存された後述の基本波形定義データ２７Ｃを使用して、機械試験装置１の動作を制御する実施例５について説明する。図８は、実施例５の制御に使用されるユーザプログラム２０ｃの具体的構成を示す図である。図８に示すように、実施例５においては、ユーザ設定データ２７の一つである基本波形定義データ２７Ｃと、３つのＳＦＣユーザプログラム２５（単位波形データ生成プログラム２５Ｃ、目標波形データ生成プログラム２５Ｄ及び駆動制御プログラム２５Ｂ）を使用して機械試験装置１の動作制御が行われる。
基本波形定義データ２７Ｃの例を図９に示す。基本波形定義データ２７Ｃは、１周期分の基本波形が所定の規約に従って記述されたマトリックスデータである。モーションコントローラ２０のメモリ（不図示）には、複数種類の基本波形（例えば、正弦波、三角波、矩形波、鋸波及び任意の合成波）に対応する基本波形定義データ２７Ｃが記憶されている。また、基本波形定義データ２７Ｃは、ＰＣ４０にインストールされた専用アプリケーションソフトウェアを使用してユーザが作成することもできる。基本波形定義データ２７Ｃは、後述する単位波形データ２８Ｃとは異なり、正規化された振幅及び周期を有するデータである。単位波形データ生成プログラム２５Ｃは、機械試験装置１の制御に使用される波形に対応した基本波形定義データ２７Ｃを読み取り、基本波形定義データ２７Ｃに基づいて、指定された振幅及び周期を有する１周期分の波形データである単位波形データ２８Ｃを生成する。単位波形データ２８Ｃは、時間ｔと回転角θのデータ対から構成され、設定された時間間隔で生成された複数のデータ対を含んでいる。なお、振幅の代わりに回転角θの最大値／最小値、又は中心値／片振幅値によって生成する単位波形データ２８Ｃの強度を指定することもできる。目標波形データ生成プログラム２５Ｄは、一つ以上の単位波形データ２８Ｃを使用して、連続波形データである目標波形データ２９Ｃを生成する。駆動制御プログラム２５Ｂは、指定された波形の周期に応じた時間間隔で目標波形データ２９Ｃのデータ対を順次読み取って、内部クロックに同期して（同期制御を行う場合はメカ機構ユーザプログラム２６を介して）、目標波形データ２９Ｃの振幅を指令信号Ｃとしてサーボアンプ１１ａに出力する。なお、本実施例では、単位波形データ生成プログラム２５Ｃと目標波形データ生成プログラム２５Ｄが設けられているが、これらを一体化して、基本波形定義データ２７Ｃから目標波形データ２９Ｃを直接生成する構成としてもよい。
次に、実施例６について説明する。図１１は、実施例６の制御の概要を示すブロック図である。また、図１０は、制御量（回転数）の補正を説明するグラフである。実施例６は、サーボモータ１１の回転軸の回転数Ｎ（位相速度ω＝２πＮ）を制御量とする回転数制御（速度制御）の一例であり、モーションコントローラ２０の回転数制御モード下で実行される。サーボモータ１１は、コギングトルク等の影響により、一定出力で駆動しても、１回転中に出力トルクが変動するトルクリップルが生じる。また、同じ理由により、回転数制御を行った場合でも、位相θに応じて位相速度ωが変動する速度リップルが生じる。実施例６は、サーボモータ１１の位相θに応じて位相速度ωの目標値を補正することにより、速度リップルを解消して、均一な回転駆動を実現する。
実施例６では、予め、サーボモータ１１を定速回転駆動させたときの、回転周期中の回転数Ｎの変動が計測される。具体的には、まず、サーボモータ１１を定速回転駆動させたときに、ロータリーエンコーダ１２からパルスが出力されるタイミング（時刻ｔ）が計測される。各パルスが出力された時刻ｔにおけるサーボモータ１１の位相θは既知であるため、各パルス（時刻ｔ、位相θ）をプロットすると、図１０（ａ）のプロットＰに示すような位相θの時間変化を示すグラフが得られる。プロットＰの上下の振動は、周期的な回転数Ｎのゆらぎ（速度リップル）の存在を示している。また、図１０（ａ）に示す直線Ｌは、最小二乗法によりプロットＰを直線近似したものである。周期的な変動として現れる速度リップルの影響は直線近似によってキャンセルされるため、直線Ｌは、速度リップルが生じない理想的な制御が行われた場合の位相θの時間変化（すなわち位相θの目標値の波形）と考えることができる。
図１０（ｂ）に示す曲線Ｄは、図１０（ａ）における曲線Ｐ（プロットＰのフィッティング曲線）と直線Ｌとの差分θＬ−θＰのグラフである。この差分は、サーボモータ１１の速度リップルに起因する。従って、曲線Ｄの時間微分により、サーボモータ１１の速度リップル、すなわち回転数Ｎ（＝ω／２π）の偏差Ｅ（＝Ｎｒｅｆ−Ｎｍｅａｓ）が得られる（但し、Ｎｒｅｆ：回転数Ｎの目標値、Ｎｍｅａｓ：回転数Ｎの計測値）。図１０（ｃ）の曲線Ｅは、曲線Ｄを時間微分し、更に横軸を位相に変換したものである。
偏差Ｅは、回転数Ｎの補正値として使用することができる。すなわち、回転数の目標値Ｎsetに曲線Ｅの値を加えて補正したものを用いてサーボモータ１１の回転の位相θを制御することにより、トルクリップルが打ち消され、均一な回転数の制御が可能になる。なお、上記のように予め取得された曲線Ｅの波形は、ルックアップテーブル（補正データ２９Ｅ）としてモーションコントローラ２０の内蔵メモリに記録されている。
次に、上記の補正データＥを使用したサーボモータ１１の駆動制御の方法について説明する。図１１は、実施例６の制御システムの概略構成を示すブロック図である。図１１に示されるように、まず、モーションコントローラ２０（駆動制御プログラム２５Ｂ）にロータリーエンコーダ１２からのパルス信号Ｐが入力される。駆動制御プログラム２５Ｂは、パルス信号Ｐに基づいてサーボモータ１１の位相θを計算し、補正データ２９Ｅを参照して位相θに対応する補正値Ｅを取得する。また、駆動制御プログラム２５Ｂは、上述の目標波形データ生成プログラム２５Ｄが生成した目標波形データ２９Ｃを読み取り、回転数の目標値Ｎｒｅｆに補正値Ｅを加えたものを指令信号Ｃとしてサーボアンプ１１ａに出力する。サーボアンプ１１ａは、指令信号Ｃに従って駆動電流を生成して、サーボモータ１１を駆動させる。そして、ロータリーエンコーダ１２は、サーボモータ１１の回転数を示すパルス信号Ｐをモーションコントローラ２０に出力し、再び実行中の駆動制御プログラム２５Ｂに入力される。
トルクリップルや速度リップルはサーボモータ１１の位相θの関数となるが、回転数Ｎを一定にする速度制御を行った場合でも、サーボモータ１１の位相θはモーションコントローラ２０の内部クロックとは必ずしも同期していない。そのため、実施例６では、上述のようにサーボモータ１１のロータリーエンコーダの出力に同期した制御を行うことで、トルクリップルや速度リップルの効果的な補正が実現している。
また、上記の実施例６は、速度制御（回転数制御）を行う例であるが、この構成に限らず、例えば位相θを制御量とする位相制御や、トルクを制御量とするトルク制御などの別の制御モードにも本発明を適用することができる。なお、補正量Ｅには、制御量の偏差が使用される。
また、上記の実施例６では、補正データ２９Ｅの波形が実験的に取得されているが、トルクリップルや速度リップルは、一般にサーボモータ１１の位相θの余弦により良好に近似される。そのため、トルクリップルや速度リップルの振幅、周期、位相に合わせた余弦の波形を補正データ２９Ｅとして用いても良い。
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施の形態は、上記に説明したものに限定されず、特許請求の範囲の記載により表現された技術的思想の範囲内で任意に変更することができる。
例えば、上記の実施形態は、サーボモータ１１の回転軸の回転角を制御するものであるが、本発明の実施形態の構成はこれに限定されず、サーボモータの回転数やトルク、サーボモータによって駆動されるアクチュエータの位置、速度、駆動力等を目標値にして制御する構成も本発明の技術的範囲に含まれる。
また、上記の実施形態では、モーションコントローラ２０は、デジタル値の指令信号をサーボアンプ１１ａに与えるが、他の形態の指令信号（例えば、アナログ電流信号、アナログ電圧信号、パルス信号）をサーボアンプ１１ａに与える構成とすることもできる。
また、上記に説明した本発明の実施形態の構成は、引張り圧縮試験機、ねじり試験機、振動試験機、その他各種の機械試験装置に適用することができる。
１ 機械試験装置
１０ 試験機構部
１１ サーボモータ
２０ モーションコントローラ
２５ ＳＦＣユーザプログラム
２６ メカ機構ユーザプログラム
３０ 計測ユニット
４０ ＰＣ
５０ ファンクションジェネレータ

Claims (12)

  1. コンピュータに、仮想的な機構である仮想メカ機構の動作をシミュレーションさせ、該シミュレーションの結果に基づいて複数のサーボモータの駆動を同期制御させる制御プログラムであって、
    前記仮想メカ機構は、
    第１駆動モジュールと、
    前記第１駆動モジュールに接続された第１メインシャフトモジュールと、
    前記第１メインシャフトモジュールに接続され、前記複数のサーボモータとそれぞれ対応づけられた、複数の動力伝達サブシステムと、
    を備え、
    前記動力伝達サブシステムの各々は、出力モジュールを備え、
    前記出力モジュールへの入力のシミュレーション結果に応じて、該動力伝達サブシステムと対応づけられたサーボモータを駆動することを特徴とする制御プログラム。
  2. 前記動力伝達サブシステムの各々は、
    第２駆動モジュールと、
    主入力軸、補助入力軸、および出力軸を有する、差動歯車モジュールと、
    を更に備え、
    前記主入力軸が前記第１メインシャフトモジュールと接続され、
    前記補助入力軸が前記第２駆動モジュールと接続され、
    前記出力軸が前記出力モジュールと接続された、
    ことを特徴とする、請求項１に記載の制御プログラム。
  3. 前記主入力軸が、第１クラッチモジュールを介して前記第１メインシャフトモジュールと接続されたことを特徴とする、請求項２に記載の制御プログラム。
  4. 前記補助入力軸は、第２のクラッチモジュールを介して前記第２駆動モジュールと接続されたことを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の制御プログラム。
  5. 前記第２駆動モジュールの回転位置の設定によって、前記サーボモータの駆動の位相が制御されることを特徴とする、請求項４に記載の制御プログラム。
  6. 前記第１駆動モジュールを第１の駆動波形に従って駆動させ、前記第２駆動モジュールを振動波形に従って駆動させることで、前記第１の駆動波形によって規定される前記サーボモータの回転位置を中心に、前記振動波形に従って前記サーボモータの回転を振動させることを特徴とする、請求項４に記載の制御プログラム。
  7. 前記第１の駆動波形がランプ波であり、前記サーボモータの回転振動の中心が等角速度運動することを特徴とする、請求項６に記載の制御プログラム。
  8. 前記第２駆動モジュールを方形波に従って階段状に駆動させることにより、前記サーボモータの駆動波形のオフセットを実現することを特徴とする、請求項４に記載の制御プログラム。
  9. コンピュータ上で仮想的なメカ機構である仮想メカ機構の動作をシミュレーションし、該シミュレーションの結果に基づいて複数のサーボモータの駆動を同期制御する制御方法であって、
    前記仮想メカ機構は、
    第１駆動モジュールと、
    前記第１駆動モジュールに接続された第１メインシャフトモジュールと、
    前記第１メインシャフトモジュールに接続され、前記複数のサーボモータとそれぞれ対応づけられた、複数の動力伝達サブシステムと、
    を備え、
    前記動力伝達サブシステムの各々は、出力モジュールを備え、
    前記出力モジュールへの入力のシミュレーション結果に応じて、該動力伝達サブシステムと対応づけられたサーボモータを駆動することを特徴とする制御方法。
  10. 前記動力伝達サブシステムの各々は、
    第２駆動モジュールと、
    主入力軸、補助入力軸、および出力軸を有する、差動歯車モジュールと、
    を更に備え、
    前記主入力軸が前記第１メインシャフトモジュールと接続され、
    前記補助入力軸が前記第２駆動モジュールと接続され、
    前記出力軸が前記出力モジュールと接続された、
    ことを特徴とする、請求項９に記載の制御方法。
  11. 仮想的な機構である仮想メカ機構の動作をシミュレーションし、該シミュレーションの結果に基づいて複数のサーボモータの駆動を同期制御する制御装置であって、
    前記仮想メカ機構の動作のシミュレーションを行うシミュレーション部と、
    前記シミュレーションの結果に基づいて、前記複数のサーボモータの駆動を制御する駆動制御部と、
    を備え、
    前記仮想メカ機構は、
    第１駆動モジュールと、
    前記第１駆動モジュールに接続された第１メインシャフトモジュールと、
    前記第１メインシャフトモジュールに接続され、前記複数のサーボモータとそれぞれ対応づけられた、複数の動力伝達サブシステムと、
    を備え、
    前記動力伝達サブシステムの各々は、出力モジュールを備え、
    前記駆動制御部は、前記出力モジュールへの入力のシミュレーション結果に応じて、該動力伝達サブシステムと対応づけられたサーボモータの駆動を制御する制御信号を出力することを特徴とする制御装置。
  12. 前記動力伝達サブシステムの各々は、
    第２駆動モジュールと、
    主入力軸、補助入力軸、および出力軸を有する、差動歯車モジュールと、
    を更に備え、
    前記主入力軸が前記第１メインシャフトモジュールと接続され、
    前記補助入力軸が第１クラッチモジュールを介して前記第２駆動モジュールと接続され、
    前記出力軸が前記出力モジュールと接続された、
    ることを特徴とする、請求項１１に記載の制御装置。
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