JP6564272B2 - Ｈｉｌシミュレーションシステム及びｈｉｌシミュレーション方法 - Google Patents

Description

本発明は、油圧回路と電動機とによる電動油圧駆動型の油圧ショベル、ホイールローダ、フォークリフト等の作業機械のＨＩＬシミュレーションシステム及びＨＩＬシミュレーション方法に関する。

従来、実機の一部とリアルタイムシミュレータとを組み合わせたＨＩＬＳ(Hardware in the loop Simulation)が知られており、例えば、自動車、電車等の開発に利用されている。特許文献１には、自動車に利用されたＨＩＬシミュレーションシステムが開示されている。

特開平１０−２８４２号公報

油圧回路と電動機とを組み合わせた電動油圧駆動型の自走式作業機械（以下、「電動油圧駆動型作業機械」という）がある。電動油圧駆動型作業機械では、下部走行体の上方に配置された上部旋回体に設けられたリンク機構を油圧回路によって駆動すると共に、電動機によって上部旋回体を旋回させたり、油圧ポンプを駆動したりすることが可能である。かかる電動油圧駆動型作業機械の開発においては、電動機の特性を把握することが重要な課題であるが、従来のＨＩＬＳには、構造が比較的単純であり、自由度の低い機構を有する自動車又は電車に利用されるものはあっても、電動油圧駆動型作業機械に適用されたものはない。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、上記課題を解決することができるＨＩＬシミュレーションシステム及びＨＩＬシミュレーション方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様のＨＩＬシミュレーションシステムは、リンク機構と油圧回路と電動機とを有し、前記リンク機構を前記油圧回路によって駆動し、前記電動機によって発生する動力を利用する電動油圧駆動型作業機械における前記電動機に対応する供試体電動機の特性を評価するために、前記供試体電動機の制御と、前記リンク機構及び前記油圧回路の運動シミュレーションとを実行するＨＩＬシミュレーションシステムであって、前記供試体電動機の回転速度の検出値を取得し、取得された前記回転速度の検出値と、与えられた操作量とに基づいて、前記リンク機構及び前記油圧回路の運動シミュレーションを実行し、前記供試体電動機に負荷として付与すべきトルクを算出するシミュレーション実行部を備える。

この態様において、前記油圧回路は、前記リンク機構に含まれる複数のリンクを駆動する複数の直動要素を有し、前記シミュレーション実行部は、前記複数のリンクそれぞれの回転動作を前記複数の直動要素それぞれの直線運動として表現する運動方程式により、前記負荷トルクを算出するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記ＨＩＬシミュレーションシステムは、前記供試体電動機に与える負荷トルクを生成する負荷生成電動機と、前記負荷生成電動機を駆動するためのインバータと、前記負荷生成電動機を制御するために、前記シミュレーション実行部によって算出された負荷トルクに基づく指令信号を前記インバータに出力する制御部と、をさらに備えてもよい。

また、上記態様において、前記制御部は、与えられた目標値に基づいて前記供試体電動機を制御するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記シミュレーション実行部は、前記回転速度の検出値として、過去所定回数分の回転速度の検出値の平均値を用いて、前記運動シミュレーションを実行するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、ユーザが前記操作量を入力するための操作部と、前記シミュレーション実行部による前記運動シミュレーションの実行結果に基づいて、前記リンク機構の姿勢を表示する表示部と、をさらに備えてもよい。

また、上記態様において、前記シミュレーション実行部は、前記運動シミュレーションの実行結果に基づき、前記供試体電動機へ供給すべき電力量を算出するように構成されており、前記ＨＩＬシミュレーションシステムは、前記シミュレーション実行部によって算出された電力量を前記供試体電動機へ供給する電力供給部をさらに備えてもよい。

また、上記態様において、前記電力供給部は、前記供試体電動機駆動用の蓄電装置の動作シミュレーションを実行するように構成されており、前記シミュレーション実行部によって算出された電力量に基づいて、前記蓄電装置の蓄電量を算出するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記電動油圧駆動型作業機械は、前記リンク機構を有する上部旋回体と、前記上部旋回体を旋回可能に支持する下部走行体とを具備し、前記供試体電動機は、前記上部旋回体を前記下部走行体に対して旋回させるための電動機に対応するものであってもよい。

また、上記態様において、前記供試体電動機は、前記油圧回路に設けられた油圧ポンプを駆動するための電動機に対応するものであってもよい。

また、上記態様において、前記ＨＩＬシミュレーションシステムは、前記供試体電動機に電力を供給するための第２電力供給部と、前記第２電力供給部から出力される電力を変換し、前記供試体電動機に与えるためのインバータと、前記供試体電動機において発生される動力と、前記インバータから前記供試体電動機に与えられる電力とに基づいて、前記供試体電動機における損失に関する情報を出力する損失情報出力部と、をさらに備えてもよい。

また、上記態様において、前記損失情報出力部は、前記インバータから前記供試体電動機に与えられる電力と、前記第２電力供給部から前記インバータに与えられる電力とに基づいて、前記インバータにおける損失に関する情報を出力するように構成されていてもよい。

また、上記態様において、前記損失情報出力部は、前記インバータから前記供試体電動機に与えられる電流値と、前記供試体電動機の巻線の抵抗値とに基づいて、前記供試体電動機における銅損に関する情報を出力するように構成されていてもよい。

また、本発明の一の態様のＨＩＬシミュレーション方法は、リンク機構と油圧回路と電動機とを有し、前記リンク機構を前記油圧回路によって駆動し、前記電動機によって発生する動力を利用する電動油圧駆動型作業機械における前記電動機に対応する供試体電動機の特性を評価するために、前記供試体電動機の制御と、前記リンク機構及び前記油圧回路の運動シミュレーションとを実行するＨＩＬシミュレーション方法であって、前記供試体電動機の回転速度を検出するステップと、検出された回転速度と、与えられた操作量とに基づいて、前記リンク機構及び前記油圧回路の運動シミュレーションを実行し、前記供試体電動機に負荷として付与すべきトルクを算出するステップと、算出されたトルクを生成し、前記トルクを前記供試体電動機に負荷として付与するステップと、前記供試体電動機を制御するステップと、を有する。

本発明に係るＨＩＬシミュレーションシステム及びＨＩＬシミュレーション方法によれば、電動油圧駆動型作業機械に用いられる電動機の特性を評価することが可能となる。

実施の形態に係るＨＩＬシミュレーションシステムの構成を示す模式図。 制御用計算機の構成を示すブロック図。 シミュレーション用計算機の構成を示すブロック図。 シミュレーション対象の作業機械の構成を示す右側面図。 シミュレーション対象の作業機械の油圧回路の構成を示す回路図。 リンク機構の解析モデルを示す模式図。 電動機制御処理の手順を示すフローチャート。 シミュレーション制御処理の手順を示すフローチャート。 シミュレーション計算処理の手順を示すフローチャート。 １サイクルの掘削作業におけるリンク機構の挙動を示す側面図。 実測結果と比較用シミュレーション装置のシミュレーション結果とのブームシリンダの変動量の比較結果を示すグラフ。 実測結果と比較用シミュレーション装置のシミュレーション結果とのアームシリンダの変動量の比較結果を示すグラフ。 実測結果と比較用シミュレーション装置のシミュレーション結果とのバケットシリンダの変動量の比較結果を示すグラフ。 実測結果と比較用シミュレーション装置のシミュレーション結果との上部旋回体の旋回角速度の変動量の比較結果を示すグラフ。 ＨＩＬシミュレーションシステムの計測結果と、比較用シミュレーション装置のシミュレーション結果との上部旋回体の旋回角速度の比較結果を示すグラフ。 ＨＩＬシミュレーションシステムの計測結果と、比較用シミュレーション装置のシミュレーション結果との旋回用電動機の正規化トルクの比較結果を示すグラフ。 実施の形態２に係るＨＩＬシミュレーションシステムの構成を示す模式図。 実施の形態３に係るＨＩＬシミュレーションシステムの構成を示す模式図。 実施の形態４に係るＨＩＬシミュレーションシステムの構成を示す模式図。 損失評価用計算機の構成を示すブロック図。 損失情報生成処理の手順を示すフローチャート。 作業機械シミュレーション装置の構成を示すブロック図。 永久磁石同期電動機の鉄損及びインバータの損失を考慮した永久磁石同期電動機のｄ軸の等価回路を示す図。 永久磁石同期電動機の鉄損及びインバータの損失を考慮した永久磁石同期電動機のｑ軸の等価回路を示す図。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
［ＨＩＬシミュレーションシステムの構成］
図１は、実施の形態１に係るＨＩＬシミュレーションシステムの構成を示す模式図である。

本実施の形態に係るＨＩＬシミュレーションシステム（以下、「ＨＩＬＳシステム」という）は、油圧回路と電動機とを動力とした電動油圧駆動型作業機械に用いられる電動機の特性を評価するためのものである。図１に示すように、ＨＩＬＳシステム１は、供試体電動機２と、負荷生成電動機３と、回転速度検出部４と、制御部である制御用計算機５と、シミュレーション実行部であるシミュレーション用計算機６とを備えている。

供試体電動機２は、同期電動機である。供試体電動機２は、電動油圧駆動型作業機械に搭載される電動機と同型のものであり、本ＨＩＬＳシステム１では、供試体電動機２の特性が評価対象となる。供試体電動機２には、第１インバータ２１が接続されている。第１インバータ２１は、図示しない電源に接続されており、電源から供給される電力を変換して供試体電動機２へと供給し、供試体電動機２を駆動する。

供試体電動機２には、回転軸２２を共有するように、負荷生成電動機３が接続されている。つまり、供試体電動機２が回転動作すると、負荷生成電動機３の回転軸も同一の回転数により回転することとなる。また、回転軸２２には、回転速度検出部４が接続されている。回転速度検出部４は、レゾルバであり、回転軸２２の回転速度を検出する。

負荷生成電動機３は、電動発電機であり、供試体電動機２に与える負荷を生成するためのものである。つまり、負荷生成電動機３が回転力を生じるように制御されると、その出力トルクが回転軸２２に負荷として作用する。かかる負荷生成電動機３には、第２インバータ３１が接続されている。第２インバータ３１は、図示しない電源に接続されており、電源から供給される電力を変換して負荷生成電動機３へと供給し、負荷生成電動機３を駆動する。

図２は、制御用計算機５の構成を示すブロック図である。制御用計算機５は、コンピュータ５０によって実現される。図２に示すように、コンピュータ５０は、本体５１と、入力部５２と、表示部５３とを備えている。本体５１は、ＣＰＵ５１１、ＲＯＭ５１２、ＲＡＭ５１３、ハードディスク５１４、入出力インタフェース５１５、画像出力インタフェース５１６、及び通信インタフェース５１７を備えており、ＣＰＵ５１１、ＲＯＭ５１２、ＲＡＭ５１３、ハードディスク５１４、入出力インタフェース５１５、画像出力インタフェース５１６、及び通信インタフェース５１７は、バスによって接続されている。

ＣＰＵ(Central Processing Unit)５１１は、ＲＡＭ５１３にロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。供試体電動機２及び負荷生成電動機３の制御用のコンピュータプログラムである電動機制御プログラム５１０を当該ＣＰＵ５１１が実行することにより、コンピュータ５０が制御用計算機５として機能する。

電動機制御プログラム５１０は、通信インタフェース５１７を使用してシミュレーション用計算機６とデータの送受信を行い、第１インバータ２１及び第２インバータ３１に指令を与えるためのものである。

ＲＯＭ(Read Only Memory)５１２には、ＣＰＵ５１１に実行されるコンピュータプログラム及びこれに用いるデータ等が記録されている。

ＲＡＭ(Random Access Memory)５１３は、ハードディスク５１４に記録されている電動機制御プログラム５１０の読み出しに用いられる。また、ＣＰＵ５１１がコンピュータプログラムを実行するときに、ＣＰＵ５１１の作業領域として利用される。

ハードディスク５１４は、オペレーティングシステム及びアプリケーションプログラム等、ＣＰＵ５１１に実行させるための種々のコンピュータプログラム及び当該コンピュータプログラムの実行に用いられるデータがインストールされている。電動機制御プログラム５１０も、このハードディスク５１４にインストールされている。

ハードディスク５１４には、例えば米マイクロソフト社が製造販売するWindows（登録商標）等のオペレーティングシステムがインストールされている。以下の説明においては、本実施の形態に係る電動機制御プログラム５１０は当該オペレーティングシステム上で動作するものとしている。

入出力インタフェース５１５は、例えばUSB，IEEE1394，又はRS-232C等のシリアルインタフェース、SCSI，IDE，又は IEEE1284等のパラレルインタフェース、及びＤ／Ａ変換器、Ａ／Ｄ変換器等からなるアナログインタフェース等から構成されている。入出力インタフェース５１５には、キーボード及びマウスからなる入力部５２が接続されており、ユーザが当該入力部５２を使用することにより、コンピュータ５０にデータを入力することが可能である。また、入出力インタフェース５１５には、回転速度検出部４、第１インバータ２１及び第２インバータ３１が接続されている。

画像出力インタフェース５１６は、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)またはＣＲＴ(Cathode Ray Tube)等で構成された表示部５３に接続されており、ＣＰＵ５１１から与えられた画像データに応じた映像信号を表示部５３に出力するようになっている。表示部５３は、入力された映像信号にしたがって、画像（画面）を表示する。

通信インタフェース５１７は、計算機間の通信を行うためのインタフェースである。通信インタフェース５１７は、シミュレーション用計算機６と通信可能に接続されている。

図３は、シミュレーション用計算機６の構成を示すブロック図である。シミュレーション用計算機６は、コンピュータ６０によって実現される。図３に示すように、コンピュータ６０は、本体６１と、入力部６２と、表示部６３とを備えている。本体６１は、ＣＰＵ６１１、ＲＯＭ６１２、ＲＡＭ６１３、ハードディスク６１４、入出力インタフェース６１５、画像出力インタフェース６１６、及び通信インタフェース６１７を備えており、ＣＰＵ６１１、ＲＯＭ６１２、ＲＡＭ６１３、ハードディスク６１４、入出力インタフェース６１５、画像出力インタフェース６１６、及び通信インタフェース６１７は、バスによって接続されている。

ＣＰＵ６１１は、ＲＡＭ６１３にロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。電動油圧駆動型作業機械の油圧回路及びリンク機構の運動シミュレーション用のコンピュータプログラムであるシミュレーション制御プログラム６１０ａ及びシミュレーション計算プログラム６１０ｂを当該ＣＰＵ６１１が実行することにより、コンピュータ６０がシミュレーション用計算機６として機能する。

シミュレーション制御プログラム６１０ａは、シミュレーション計算プログラム６１０ｂとの間でデータの授受を行い、負荷生成電動機３への入力補正と、油圧回路及びリンク機構の姿勢シミュレーションとを行うためのものである。シミュレーション計算プログラム６１０ｂは、シミュレーション制御プログラム６１０ａから与えられたデータを用いて、後述する運動方程式を解くためのものである。

ＲＯＭ６１２には、ＣＰＵ６１１に実行されるコンピュータプログラム及びこれに用いるデータ等が記録されている。

ＲＡＭ６１３は、ハードディスク６１４に記録されているシミュレーション制御プログラム６１０ａ及びシミュレーション計算プログラム６１０ｂの読み出しに用いられる。また、ＣＰＵ６１１がコンピュータプログラムを実行するときに、ＣＰＵ６１１の作業領域として利用される。

また、ＲＡＭ６１３の一部の領域は、共有メモリ６１３ａとして使用される（図１参照）。共有メモリ６１３ａは、シミュレーション制御プログラム６１０ａとシミュレーション計算プログラム６１０ｂとのデータの授受に利用される。

ハードディスク６１４は、オペレーティングシステム及びアプリケーションプログラム等、ＣＰＵ６１１に実行させるための種々のコンピュータプログラム及び当該コンピュータプログラムの実行に用いられるデータがインストールされている。シミュレーション制御プログラム６１０ａ及びシミュレーション計算プログラム６１０ｂも、このハードディスク６１４にインストールされている。

ハードディスク６１４には、例えば米マイクロソフト社が製造販売するWindows（登録商標）等のオペレーティングシステムがインストールされている。以下の説明においては、本実施の形態に係るシミュレーション制御プログラム６１０ａ及びシミュレーション計算プログラム６１０ｂは当該オペレーティングシステム上で動作するものとしている。

入出力インタフェース６１５は、例えばUSB，IEEE1394，又はRS-232C等のシリアルインタフェース、SCSI，IDE，又は IEEE1284等のパラレルインタフェース、及びＤ／Ａ変換器、Ａ／Ｄ変換器等からなるアナログインタフェース等から構成されている。入出力インタフェース６１５には、キーボード及びマウスからなる入力部６２が接続されており、ユーザが当該入力部６２を使用することにより、コンピュータ６０にデータを入力することが可能である。

画像出力インタフェース６１６は、ＬＣＤまたはＣＲＴ等で構成された表示部６３に接続されており、ＣＰＵ６１１から与えられた画像データに応じた映像信号を表示部６３に出力するようになっている。表示部６３は、入力された映像信号にしたがって、画像（画面）を表示する。

通信インタフェース６１７は、計算機間の通信を行うためのインタフェースである。通信インタフェース６１７は、制御用計算機５と通信可能に接続されている。

＜電動油圧駆動型作業機械の運動シミュレーション＞
次に、シミュレーション制御プログラム６１０ａ及びシミュレーション計算プログラム６１０ｂによる電動油圧駆動型作業機械の運動シミュレーションの内容について説明する。

図４は、シミュレーション対象の電動油圧駆動型作業機械の構成を示す右側面図である。本実施の形態では、電動油圧駆動型ショベルをシミュレーション対象としている。なお、以下の説明では、図中において左方を「前方」、右方を「後方」、上方を「上方」、下方を「下方」といい、電動油圧駆動型ショベルの正面（前面）に向かって右方を「右方」、同正面に向かって左方を「左方」という。

電動油圧駆動型ショベル１００は、クローラ式の下部走行体１０１と、キャビン１０２を具備する上部旋回体１０３と、リンク機構である作業アタッチメント１０４とを備える。上部旋回体１０３は、下部走行体１０１の上に、鉛直方向の軸まわりに回動可能に取り付けられる。かかる下部走行体１０１と上部旋回体１０３とによって、車体が構成される。

作業アタッチメント１０４は、ブーム１０５と、アーム１０６と、バケット１０７とを具備する。ブーム１０５は、上部旋回体１０３の前部であってキャビン１０２の側方に、水平軸まわりに回動可能に取り付けられ、これによって起伏自在となっている。また、アーム１０６は、ブーム１０５の先端に水平軸まわりに回動可能に取り付けられ、バケット１０７は、アーム１０６の先端に水平軸まわりに回動可能に取り付けられる。

ブーム１０５には、油圧シリンダであるブームシリンダ１８１のピストンロッド先端が取り付けられ、ブームシリンダ１８１のシリンダチューブは上部旋回体１０３に取り付けられる。ブームシリンダ１８１は、ブーム１０５を駆動する。油圧シリンダは直動要素である。

また、ブーム１０５には、油圧シリンダであるアームシリンダ１８２のシリンダチューブが取り付けられ、アームシリンダ１８２のピストンロッド先端はアーム１０６に取り付けられる。アームシリンダ１８２は、アーム１０６を駆動する。

また、アーム１０６には、油圧シリンダであるバケットシリンダ１８３のシリンダチューブが取り付けられ、バケットシリンダ１８３のピストンロッドの先端はバケット１０７に取り付けられる。バケットシリンダ１８３は、バケット１０７を駆動する。

上部旋回体１０３は、下部走行体１０１に設けられた電動機（図示せず）によって旋回駆動される。上部旋回体１０３の旋回用電動機は、供試体電動機２と同型のものである。

図５は、シミュレーション対象の電動油圧駆動型作業機械の油圧回路の構成を示す回路図である。電動油圧駆動型ショベル１００にはエンジンによって駆動される２つの油圧ポンプ１１１が油圧供給源として設けられる。油圧ポンプ１１１は、可変ポンプであり、負荷の状況によって吐出流量が制御される。

油圧ポンプ１１１からは、作動油が通流する管路が延設され、制御弁１１２を介して、上述したブームシリンダ１８１、アームシリンダ１８２、及びバケットシリンダ１８３が接続される。制御弁１１２は、ブームシリンダ１８１駆動用の電磁弁１１３と、アームシリンダ１８２駆動用の電磁弁１１４と、バケットシリンダ１８３駆動用の電磁弁１１５とを備えている。かかる制御弁１１２は、オペレータの操作レバー入力に応じて動作し、ブームシリンダ１８１、アームシリンダ１８２、バケットシリンダ１８３への作動油の流量を制御する。これにより、ブームシリンダ１８１、アームシリンダ１８２、バケットシリンダ１８３が動作制御される。

本実施の形態における油圧回路の解析モデルは、実際の設計解析にも用いられる７２自由度のモデルである。７２自由度は、油圧ポンプ、制御弁、電磁比例弁、リリーフ弁、チェック弁等の個々のポイントの流量積である。

シミュレーション計算プログラム６１０ｂでは、剛体システムであるリンク機構と、油圧回路との連成解析が行われる。ここで連成解析とは、相異なる運動方程式で表現され、互いに関連する２以上の物理現象を、それぞれの運動方程式を関連づけて解くことにより解析することをいう。本実施の形態におけるシミュレーション計算プログラム６１０ｂでは、リンク機構及び油圧回路のそれぞれに対してＭＣＫ型の運動方程式を導出し、次式の非線形運動方程式に重ね合わせることによって連成解析を行う。
ここで、ｑ_ｎ＋１は剛体システムでは時刻ｔ_ｎ＋１における変位及び回転角、油圧回路では流量積などの状態量を表すベクトルである。Ｍ，Ｃ，Ｋはそれぞれ時刻ｔ_ｎで線形化された質量、減衰、剛性マトリックスであり、ｆ_ｎ＋１は時刻ｔ_ｎ＋１における外力である。本実施の形態では、時間積分法にＮｅｗｍａｒｋβ法（β＝１／４）を用いた。

剛体システムであるリンク機構の定式化を行う。図６は、リンク機構の解析モデルを示す模式図である。図６に示す解析モデルでは、上部旋回体１０３をボディ０とし、ブーム１０５をボディ１とし、アーム１０６をボディ２とし、バケット１０７をボディ３としている。基準枠として、Ｏ−ＸＹＺからなる慣性基準枠と、ボディ０の点Ｂに取り付けられた物体基準枠Ｂ−ｘｙｚを考える。このモデルは、４つの剛体（ボディ）からなり、ボディ０は並進運動を行わず、ｙ軸回りの回転運動のみ行う。ボディ１はボディ０にピンジョイントで結合されており、ボディ０とボディ１との間の直動要素（ブームシリンダ１８１）によって駆動され、ｚ軸回りに回転運動を行う。ボディ２はボディ１にピンジョイントで結合されており、ボディ１とボディ２との間の直動要素（アームシリンダ１８２）によって駆動され、ｚ軸回りに回転運動を行う。ボディ３はボディ２にピンジョイントで結合されており、ボディ２とボディ３との間の直動要素（バケットシリンダ１８３）によって駆動され、ｚ軸回りに回転運動を行う。ボディ１乃至３は、ボディ０のｙ軸回りの回転運動によって一体的に回転する。

ボディ１乃至３の重心点をＰ_ｉ（ｉ＝１〜３）としたとき、点Ｐ_ｉの点Ｏからの位置は次式により表される。

慣性枠Ｏから見た点Ｐ_ｉの絶対速度は次式により表される。

点Ｐ_ｉの加速度は、式（３）を慣性枠Ｏに対して時間で微分すると次式のようになる。

図６のモデルでは、物体枠Ｂの原点は回転中心に固定されているため、次のようになる。

ボディ１乃至３は、ボディ０と一体的に回転運動を行うため、点Ｐ_ｉの加速度を物体枠Ｂの成分を用いて表すと、次式のようになる。

ボディ０の角速度は物体枠Ｂのｙ軸回りの角速度のみであるため、次のようになる。

ボディ１乃至３の物体枠Ｂのｚ軸回りの角度をθ_ｉ（ｉ＝１〜３）とすると、点Ｐ_ｉの加速度及び旋回角加速度は次式で与えられる。

次に、角度θ_ｉ（ｉ＝１〜３）の代わりに各シリンダ変位ξ_ｉ（ｉ＝１〜３）を用いて表すと次式の関係を得る。

式（９）を微分すると、次式の関係が得られる。

点Ｐ_ｉ及び旋回軸の運動方程式は、次式で与えられる。

式（１１）に式（８）、（９）、（１０）を代入し、次式の関係
及び式（９）の関係を用い、ボディ１乃至３の重心回りの慣性モーメント行列Ｉ_ｅを考慮すると、次式の運動方程式が得られる。

図５に示した油圧回路をモデル化するために、配管要素、バルブ要素などについて考える。まず、配管内の作動油の圧縮性を表現するために、配管要素を考える。分岐を有する３ポート要素を考えると、各節点圧力ｐ_ｐ［ｐ_１，ｐ_２，ｐ_３］^Ｔと流量積ｑ_ｐ［ｑ_１，ｑ_２，ｑ_３］^Ｔとの関係式は次式のようになり、この係数マトリックスが要素剛性マトリックスＫ_ｅとなる。

質量は各節点にｍ_ｉ＝ｐｌ_ｉ／Ａ_ｉ（ｉ＝１〜３）を与える。各節点圧力ｐ_ｐと流量積の２階微分ｕ_ｐとの関係式は次式のようになり、この係数マトリックスが要素質量マトリックスＭ_ｅとなる。

次に、配管圧損については次式で定義する。
上式の右辺第１項は直管の圧力損失特性を示し、管摩擦係数にＢｒａｓｉｕｓの式を用いて、乱流域での流量特性を近似したものである（日本流体力学会編、「流体力学ハンドブック」、第２版、丸善株式会社、１９９８年５月発行を参照）。また、同第２項は急拡大・縮小、ベント、エルボ等の圧力損失特性を示し、流量二乗特性を持つ等価絞りとした。ｃ１は直管の長さ、管径等の諸元から決まる係数であり、ｃ２は急拡大・縮小、ベント、エルボ等の諸元によって決まる係数である。式（１７）を時刻ｔ_ｎにおいて線形化し、補正外力を用いて式（１）の運動方程式に組み込む。

次に、バルブの圧力損失を考慮するためにバルブ要素を考える。各バルブの開口特性はポート毎に可変絞り弁と考え、絞り弁における圧力損失を次式で定義する。
上式において、各ポートのバルブ開度はバルブストロークに対する関数として予め設定したものを用いる。

方向制御用のチェック弁、圧力制御用のリリーフ弁については、圧力差と流量の管径が断片線形特性を持つ減衰要素として定義する。これらについても上記と同様に時刻ｔ_ｎにおいて線形化し、補正外力を導入して式（１）の運動方程式に組み込む。

［ＨＩＬＳシステムの動作］
以下、本実施の形態に係るＨＩＬＳシステム１の動作について説明する。

ＨＩＬＳシステム１は、制御用計算機５が電動機制御プログラム５１０に基づく電動機制御処理を実行し、シミュレーション用計算機６がシミュレーション制御プログラム６１０ａに基づくシミュレーション制御処理及びシミュレーション計算プログラム６１０ｂに基づくシミュレーョン計算処理を実行することにより動作する。

図７は、電動機制御処理の手順を示すフローチャートである。制御用計算機５のＣＰＵ５１１は、回転速度検出部４から供試体電動機２の現在の回転速度を取得する（ステップＳ１０１）。かかる回転速度の取得は、所定周期で繰り返し行われる。ＣＰＵ５１１は、取得した回転速度をシミュレーション用計算機６へと送信する（ステップＳ１０２）。

シミュレーション用計算機６は、与えられた供試体電動機２の回転速度を用いて電動油圧駆動型作業機械の運動シミュレーションを実行し、負荷生成電動機３の目標トルクを算出する。また、シミュレーション用計算機６は、算出された負荷生成電動機３の目標トルクと、予め設定された供試体電動機の目標回転速度を制御用計算機５へと送信する。制御用計算機５は、供試体電動機２の目標回転速度と、負荷生成電動機３の目標トルクとをシミュレーション用計算機６から受信する（ステップＳ１０３）。ＣＰＵ５１１は、供試体電動機２の目標回転速度から、供試体電動機２の指令値を生成し、この指令値を第１インバータ２１へと出力し、負荷生成電動機３の目標トルクから、負荷生成電動機３の指令値を生成し、この指令値を第２インバータ３１へと出力する（ステップＳ１０４）。第１インバータ２１及び第２インバータ３１への指令値の出力は、所定の制御周期毎に実行される。

第１インバータ２１は、受け付けた指令値にしたがい、目標回転速度を発生するように供試体電動機２へと電力を供給する。第２インバータ３１は、受け付けた指令値にしたがい、目標トルクを発生するように負荷生成電動機３へと電力を供給する。

ＣＰＵ５１１は、電動機制御処理の終了条件に合致するか否かを判定する（ステップＳ１０５）。終了条件は、例えば、ユーザからの終了指示を受け付けること、与えられた操作量のシミュレーションが完了すること等である。終了条件に合致しない場合には（ステップＳ１０５においてＮＯ）、ＣＰＵ５１１はステップＳ１０１へと処理を戻す。この繰り返し周期は、所定時間（例えば、５ｍｓｅｃ）である。終了条件に合致する場合には（ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、ＣＰＵ５１１は、電動機制御処理を終了する。

図８は、シミュレーション制御処理の手順を示すフローチャートである。シミュレーション用計算機６のＣＰＵ６１１は、ステップＳ１０２において制御用計算機５から送信された回転速度を受信する（ステップＳ２０１）。ＣＰＵ６１１は、最近取得した所定数（例えば、６つ）の回転速度を平均し（ステップＳ２０２）、回転速度の平均値を共有メモリ６１３ａに書き込む（ステップＳ２０３）。平均化処理により、回転速度からノイズが除去される。

後述するように、シミュレーション計算処理によって、供試体電動機２に負荷として印加する負荷トルク（即ち、負荷生成電動機３によって生成すべきトルク）の数値が算出され、共有メモリ６１３ａに書き込まれる。ＣＰＵ６１１は、共有メモリ６１３ａからパイロット圧、供試体電動機２の目標回転速度を読み出す（ステップＳ２０４）。油圧回路のパイロット圧及び供試体電動機２の目標回転速度は、予めハードディスク６１４に記憶されたものであり、シミュレーション計算処理によってハードディスク６１４から読み出され、共有メモリ６１３ａに書き込まれるようになっている。

ＣＰＵ６１１は、読み出したパイロット圧及び回転速度の平均値を用いて、リンク機構及び油圧回路の姿勢の計算（ステップＳ２０５）と、負荷生成電動機３の入力補正（ステップＳ２０６）とを実行する。これらの処理によって、負荷生成電動機３の目標トルクが算出される。

ＣＰＵ６１１は、供試体電動機２の目標回転速度及び負荷生成電動機３の目標トルクを制御用計算機５へと送信する（ステップＳ２０７）。

ＣＰＵ６１１は、シミュレーション制御処理の終了条件に合致するか否かを判定する（ステップＳ２０８）。終了条件は、例えば、ユーザからの終了指示を受け付けること、与えられた操作量のシミュレーションが完了すること等である。終了条件に合致しない場合には（ステップＳ２０８においてＮＯ）、ＣＰＵ６１１はステップＳ２０１へと処理を戻す。この繰り返し周期は、所定時間（例えば、５ｍｓｅｃ）である。終了条件に合致する場合には（ステップＳ２０８においてＹＥＳ）、ＣＰＵ６１１は、シミュレーション制御処理を終了する。

図９は、シミュレーション計算処理の手順を示すフローチャートである。シミュレーション用計算機６のＣＰＵ６１１は、共有メモリ６１３ａから供試体電動機２の回転速度の平均値を読み出す（ステップＳ３０１）。

次にＣＰＵ６１１は、読み出されたパイロット圧及び回転速度の平均値と、与えられた操作量とに基づいて、上述した運動方程式の連成解析処理を行い、供試体電動機２に負荷として印加する負荷トルクを算出し（ステップＳ３０２）、得られた負荷トルクを共有メモリ６１３ａに書き込む（ステップＳ３０３）。

ＣＰＵ６１１は、シミュレーション計算処理の終了条件に合致するか否かを判定する（ステップＳ３０４）。終了条件は、例えば、ユーザからの終了指示を受け付けること、与えられた操作量のシミュレーションが完了すること等である。終了条件に合致しない場合には（ステップＳ３０４においてＮＯ）、ＣＰＵ６１１はステップＳ３０１へと処理を戻す。この繰り返し周期は、所定時間（例えば、５ｍｓｅｃ）である。終了条件に合致する場合には（ステップＳ３０４においてＹＥＳ）、ＣＰＵ６１１は、シミュレーション計算処理を終了する。

［評価試験］
上述したＨＩＬＳシステムを実際に作成し、その性能を評価した。

本評価試験では、比較対象として、供試体電動機２（上部旋回体の旋回用電動機）の動作シミュレーションと、上記の油圧回路及びリンク機構の動作シミュレーションとを合わせて行う比較用シミュレーション装置を作成した。

まず、比較用シミュレーション装置が十分に正確なシミュレーションを行えることを説明する。発明者は、比較用シミュレーション装置によって１サイクルの掘削作業における電動油圧駆動型ショベルの動作シミュレーションを行った。図１０は、１サイクルの掘削作業におけるリンク機構の挙動を示す側面図である。

発明者らは、実際の電動油圧駆動型ショベルを使用して、１サイクルの掘削作業における実測結果を得、実測結果と比較用シミュレーション装置のシミュレーション結果とを比較した。図１１Ａ乃至図１１Ｄに、比較結果を示す。図１１Ａは、ブームシリンダの変動量の比較結果を、図１１Ｂは、アームシリンダの変動量の比較結果を、図１１Ｃは、バケットシリンダの変動量の比較結果を、図１１Ｄは、上部旋回体の旋回角速度の比較結果をそれぞれ示している。図１１Ａ乃至図１１Ｄに示されるように、各アクチュエータ（ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ、旋回用電動機）のシミュレーション結果が実測結果とよく一致している。

本評価試験において、発明者らは、ＨＩＬＳシステム１によって１サイクルの掘削作業における電動油圧駆動型ショベルのＨＩＬシミュレーションを行い、上部旋回体の旋回角速度と、供試体電動機２に作用するトルクとを計測した。上部旋回体の旋回角速度は、供試体電動機２の回転速度に所定の減速比を掛けることによって得た。

図１２Ａ及び図１２Ｂに、ＨＩＬＳシステム１の計測結果と、比較用シミュレーション装置のシミュレーション結果との比較を示す。図１２Ａは、上部旋回体の旋回角速度の比較結果であり、図１２Ｂは、供試体電動機２（旋回用電動機）の正規化トルクの比較結果である。これらの図に示されるように、上部旋回体の旋回角度、供試体電動機２の正規化トルク共に、計測結果とシミュレーション結果とがよく一致しており、ＨＩＬＳシステム１によって、掘削作業の状況を精度よく再現できていることが分かる。

（実施の形態２）
図１３は、実施の形態２に係るＨＩＬＳシステムの構成を示す模式図である。

図１３に示すように、ＨＩＬＳシステム２００は、供試体電動機２と、負荷生成電動機３と、回転速度検出部４と、制御部である制御用計算機５と、シミュレーション実行部であるシミュレーション用計算機６とに加え、操作用計算機７と、操作レバー７１とを備えている。供試体電動機２、負荷生成電動機３、回転速度検出部４、制御用計算機５、及びシミュレーション用計算機６の構成については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

操作用計算機７は、コンピュータによって構成されており、制御用計算機５及びシミュレーション用計算機６と同様に、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、入出力インタフェース、画像出力インタフェース、及び通信インタフェースを備える。操作用計算機７は、シミュレーション用計算機６と通信可能に接続されている。また、操作用計算機７は、表示部７２を備えており、表示部７２は画像出力インタフェースに接続されている。

操作レバー７１は、シミュレーション用計算機６へ操作量を与えるためのものである。操作レバー７１による操作値は、リンク機構の変位方向及び変位量、並びに上部旋回体の旋回方向及び旋回角度を示している。つまり、操作レバー７１に与えられた操作値にしたがって、油圧回路及び供試体電動機が駆動されるよう、ＨＩＬシミュレーションが実行される。

操作レバー７１は、制御用計算機５の入出力インタフェース５１５に接続されている。操作レバー７１はユーザが操作可能であり、操作レバー７１から与えられた操作値は、シミュレーション用計算機６に送信される。

シミュレーション用計算機６は、与えられた操作値に基づいて、電動油圧駆動型ショベルの運動シミュレーションを実行し、そのシミュレーション結果のデータを操作用計算機７へと送信する。操作用計算機７は、受信したデータにしたがい、シミュレーションされた電動油圧駆動型ショベルの姿勢を表示部７２に表示する。これにより、電動油圧駆動型ショベルの運転シミュレーションを行うことができる。

（実施の形態３）
図１４は、実施の形態３に係るＨＩＬＳシステムの構成を示す模式図である。

図１４に示すように、ＨＩＬＳシステム３００は、供試体電動機２と、負荷生成電動機３と、回転速度検出部４と、制御部である制御用計算機５と、シミュレーション実行部であるシミュレーション用計算機６００と、電力供給装置９００とを備える。供試体電動機２、負荷生成電動機３、回転速度検出部４、及び制御用計算機５の構成については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

シミュレーション用計算機６００は、上述したリンク機構及び油圧回路の運動シミュレーションを行う他、供試体電動機２（旋回用電動機）へ供給すべき電力量を算出するようになっている。シミュレーション用計算機６００には、旋回用電動機のモデルが組み込まれており、シミュレーション用計算機６００は、このモデルを使用して旋回用電動機の動作シミュレーションを実行し、各時刻における旋回用電動機への供給電力量をリアルタイムに算出する。

電力供給装置９００は、蓄電シミュレーション用計算機９０１と、可変電源９０２とを備えている。蓄電シミュレーション用計算機９０１には、供試体電動機２の駆動用の蓄電池のモデルが組み込まれており、蓄電シミュレーション用計算機９０１は、このモデルを使用して蓄電池の動作シミュレーションを実行し、各時刻における蓄電量をリアルタイムに算出する。蓄電シミュレーション用計算機９０１は、シミュレーション用計算機６００と通信可能に接続されている。シミュレーション用計算機６００は、算出した旋回用電動機への供給電力量を蓄電シミュレーション用計算機９０１に送信するようになっており、蓄電シミュレーション用計算機９０１は受信した供給電力量にしたがい、蓄電池の動作シミュレーションを実行し、蓄電量を算出するようになっている。

可変電源９０２は、第１インバータ２１に接続されており、第１インバータ２１を介して供試体電動機２へ電力を供給する。蓄電シミュレーション用計算機９０１は、可変電源９０２と通信可能に接続されており、可変電源９０２を制御することができる。蓄電シミュレーション用計算機９０１は、シミュレーション用計算機６００から受信した旋回用電動機への供給電力量にしたがい可変電源９０２を制御し、可変電源９０２に前記供給電力量の電力を第１インバータ２１へと出力させる。

上記のようにＨＩＬＳシステム３００を構成することによって、実際の蓄電池を備える電力供給システムの特性を考慮して、電力を供試体電動機２へ供給することができ、電動油圧駆動型作業機械のシミュレーションの精度をより一層向上させることができる。

（実施の形態４）
［ＨＩＬシミュレーションシステムの構成］
図１５は、実施の形態４に係るＨＩＬＳシステムの構成を示す模式図である。

本実施の形態に係るＨＩＬＳシステムは、供試体電動機及び第１インバータにおける損失に関する情報を出力し、これらの損失を評価することを可能とするものである。図１５に示すように、ＨＩＬＳシステム４００は、電源装置７０１と、計測装置７０２と、損失評価用計算機７０３とを備えている。また、供試体電動機２と負荷生成電動機３との間の回転軸２２には、トルク及び回転数（回転速度）を検出する検出装置７０４が設けられている。なお、本実施の形態に係るＨＩＬＳシステム４００のその他の構成は、実施の形態１に係るＨＩＬＳシステム１の構成と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

電源装置７０１は、第１インバータ２１に接続されており、第１インバータ２１に電力を供給する。

なお、電源装置７０１を、実施の形態３における電力供給装置９００とすることも可能である。

計測装置７０２は、電源装置７０１から第１インバータ２１に与えられる電流及び電圧を計測し、第１インバータ２１から供試体電動機２に与えられる電流及び電圧を計測する。また、計測装置７０２は、検出装置７０４に接続されており、検出装置７０４からトルク及び回転数を示す信号を受信する。

損失評価用計算機７０３は、計測装置７０２と接続されており、計測装置７０２から、電源装置７０１及び第１インバータ２１の間の電流及び電圧、第１インバータ２１及び供試体電動機２の間の電流及び電圧、並びに検出装置７０４によって検出されたトルク及び回転数を示すデータを受信する。損失評価用計算機７０３は、受信したデータに基づいて、供試体電動機２及び第１インバータ２１における損失を計算する。

図１６は、損失評価用計算機７０３の構成を示すブロック図である。損失評価用計算機７０３は、コンピュータ７０によって実現される。図１６に示すように、コンピュータ７０は、本体７１０と、入力部７２０と、表示部７３０とを備えている。本体７１０は、ＣＰＵ７１１、ＲＯＭ７１２、ＲＡＭ７１３、ハードディスク７１４、入出力インタフェース７１５、画像出力インタフェース７１６、及び通信インタフェース７１７を備えており、ＣＰＵ７１１、ＲＯＭ７１２、ＲＡＭ７１３、ハードディスク７１４、入出力インタフェース７１５、画像出力インタフェース７１６、及び通信インタフェース７１７は、バスによって接続されている。

ＣＰＵ７１１は、ＲＡＭ７１３にロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。供試体電動機２及び第１インバータ２１における損失を計算するためのコンピュータプログラムである損失評価プログラム７１０ａを当該ＣＰＵ７１１が実行することにより、コンピュータ７０が損失評価用計算機７０３として機能する。

ハードディスク７１４は、オペレーティングシステム及びアプリケーションプログラム等、ＣＰＵ７１１に実行させるための種々のコンピュータプログラム及び当該コンピュータプログラムの実行に用いられるデータがインストールされている。損失評価プログラム７１０ａも、このハードディスク７１４にインストールされている。

通信インタフェース７１７は、計測装置７０２と通信可能に接続されている。

［ＨＩＬＳシステムの動作］
以下、本実施の形態に係るＨＩＬＳシステム４００の動作について説明する。なお、供試体電動機２、負荷生成電動機３、制御用計算機５、及びシミュレーション用計算機６の動作については、実施の形態１に係るＨＩＬＳシステム１の動作と同様であるので、その説明を省略し、ここでは、損失評価用計算機７０３による供試体電動機２及び第１インバータ２１における損失の算出動作（以下、「損失情報生成処理」という）について説明する。

図１７は、損失情報生成処理の手順を示すフローチャートである。計測装置７０２は、電源装置７０１及び第１インバータ２１の間の電流及び電圧、第１インバータ２１及び供試体電動機２の間の電流及び電圧をリアルタイムに計測する。また、検出装置７０４が回転軸２２に発生するトルク及び回転数を検出し、計測装置７０２が検出装置７０４からトルク及び回転数を示す信号を受信する。損失評価用計算機７０３のＣＰＵ７１１は、電源装置７０１及び第１インバータ２１の間の電流及び電圧、第１インバータ２１及び供試体電動機２の間の電流及び電圧、並びに検出装置７０４によって検出されたトルク及び回転数を示すデータを計測装置７０２から受信する（ステップＳ４０１）。

ＣＰＵ７１１は、第１インバータ２１及び供試体電動機２の間の電流及び電圧、並びに、供試体電動機２の発生トルク及び回転数に基づいて、供試体電動機２における全損失を算出する（ステップＳ４０２）。供試体電動機２の全損失Ｗ_{ｍｏｔ＿ｌｏｓｓ}は、次式のように、供試体電動機２に供給される電力Ｗ_ｉｎｖと、供試体電動機２が出力する動力Ｗ_ｍｏｔとの差として表される。

次にＣＰＵ７１１は、電源装置７０１及び第１インバータ２１の間の電流及び電圧、並びに、第１インバータ２１及び供試体電動機２の間の電流及び電圧に基づいて、第１インバータ２１における損失を算出する（ステップＳ４０３）。第１インバータ２１における損失Ｗ_{ｉｎｖ＿ｌｏｓｓ}は、次式のように、電源電力Ｗ_ｐｏｗと、第１インバータ２１が出力する電力Ｗ_ｉｎｖとの差として表される。

電動機における損失特性は、銅損、鉄損、及び軸受損に分類される。ここで、銅損は銅線の抵抗により発生するジュール熱損失であり、鉄損は鋼板に発生する磁気的な損失であり、軸受損は軸受で発生する摩擦損失である。

ＣＰＵ７１１は、供試体電動機２における銅損、鉄損、軸受損を算出する（ステップＳ４０４）。

銅損Ｗ_Ｃについては、次式のように、巻線の抵抗Ｒと、銅線に流れる電流Ｉの２乗の積として表される。電流Ｉには、供試体電動機２と第１インバータ２１との間で計測される電流値が用いられる。
なお、ここでは銅損、鉄損、軸受損のそれぞれをリアルタイムに算出する構成について述べたが、銅損、鉄損、軸受損のうちの１つ若しくは２つ、又は全てを後処理で算出してもよい。また、銅損の算出に用いられる抵抗値は温度依存性を有するため、複数の温度での抵抗値を予め計測しておき、別途計測した巻線の実温度に適合する抵抗値を用いることが、精度の観点からは好ましい。

また、鉄損、軸受損については、計測装置７０２及び検出装置７０４で計測された電流、電圧、トルク、回転数等の情報を用いて、例えば公知の理論式によって推定することが可能である。

例えば鉄損Ｗ_ｉは、次式のように表現することができる。
ここで、Ｖ_ｏは誘起電圧、Ｒ_ｃは鉄損等価抵抗である。

誘起電圧Ｖ_ｏは電動機の回転により誘起される電圧であるが、一般に実運転時における誘起電圧の計測は困難である。また、鉄損等価抵抗Ｒ_ｃは、電動機の等価回路表現において概念的に使用される値であり、実現象においては存在しないため、それを直接計測することはできない。一方で、誘起電圧Ｖ_ｏ、鉄損等価抵抗Ｒ_ｃについてはその原理から、回転数および電流値の関数として近似できることが知られている。

そこで式（２２）を用いた鉄損の推定については、事前に供試体電動機の電磁界解析を行って、各運転条件における回転数及び電流値と誘起電圧との関係、並びに、回転数及び電流値と鉄損等価抵抗との関係を把握しておく。この関係と、実測の回転数及び電流値とによって、実運転時の電動機鉄損をリアルタイムに推定することができる。

また、例えば軸受損Ｗｂは、次式のように表現することができる。
ここで、Ｃ_ｂは軸受損失係数、θ_ｍは電動機の回転角速度である。

軸受損失係数Ｃ_ｂには、例えば軸受メーカの提示する仕様値（所謂カタログ値）を使用してもよく、実際に使用する軸受の特性を事前に計測して得られた計測値を使用してもよい。ただし、個々の製品の特性のバラつきを考慮すれば、計測値を使用することが精度の観点からは好ましい。

次にＣＰＵ７１１は、供試体電動機２における全損失、第１インバータ２１における損失、及び供試体電動機２における銅損、鉄損、軸受損を表示部７３０に表示させる（ステップＳ４０５）。

ＣＰＵ７１１は、損失情報生成処理の終了条件に合致するか否かを判定する（ステップＳ４０６）。終了条件は、例えば、ユーザからの終了指示を受け付けることである。終了条件に合致しない場合には（ステップＳ４０６においてＮＯ）、ＣＰＵ７１１はステップＳ４０１へと処理を戻す。終了条件に合致する場合には（ステップＳ４０６においてＹＥＳ）、ＣＰＵ７１１は、損失情報生成処理を終了する。

上記のような構成とすることにより、ユーザは、供試体電動機２の全損失、銅損、鉄損、軸受損、及び第１インバータ２１における損失を評価することができる。このため、電動油圧駆動型ショベルの実機を用いて損失の評価試験を行う必要がなく、開発期間及びコストを低減することができる。

また、供試体電動機２の開発のために、電動油圧駆動型作業機械における電動機、油圧回路、及びリンク機構（剛体システム）の全ての動作を計算によって模擬する作業機械シミュレーション装置が用いられる。本実施の形態に係るＨＩＬＳシステム４００によって、かかる作業機械シミュレーション装置の性能を評価することができる。

＜作業機械シミュレーション装置＞
以下、作業機械シミュレーション装置の構成について説明する。

図１８は、作業機械シミュレーション装置８００の構成を示すブロック図である。作業機械シミュレーション装置８００は、コンピュータ８０によって実現される。図１８に示すように、コンピュータ８０は、本体８１０と、入力部８２０と、表示部８３０とを備えている。本体８１０は、ＣＰＵ８１１、ＲＯＭ８１２、ＲＡＭ８１３、ハードディスク８１４、入出力インタフェース８１５、画像出力インタフェース８１６、及び通信インタフェース８１７を備えており、ＣＰＵ８１１、ＲＯＭ８１２、ＲＡＭ８１３、ハードディスク８１４、入出力インタフェース８１５、画像出力インタフェース８１６、及び通信インタフェース８１７は、バスによって接続されている。

ＣＰＵ８１１は、ＲＡＭ８１３にロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。作業機械シミュレーションプログラム８１０ａを当該ＣＰＵ８１１が実行することにより、コンピュータ８０が作業機械シミュレーション装置８００として機能する。

ハードディスク８１４は、オペレーティングシステム及びアプリケーションプログラム等、ＣＰＵ８１１に実行させるための種々のコンピュータプログラム及び当該コンピュータプログラムの実行に用いられるデータがインストールされている。作業機械シミュレーションプログラム８１０ａも、このハードディスク８１４にインストールされている。

＜作業機械シミュレーション＞
次に、作業機械シミュレーションプログラム８１０ａによる作業機械シミュレーションの内容について説明する。この作業機械シミュレーションでは、磁気飽和を考慮して永久磁石同期電動機の動作シミュレーション（以下、「電動機シミュレーション」という）を行う。

電動機シミュレーションの内容を説明する。図１９は、永久磁石同期電動機の鉄損及びインバータの損失を考慮した永久磁石同期電動機のｄ軸の等価回路を示す図であり、図２０は同じくｑ軸の等価回路を示す図である。

ｄ軸等価回路の電圧方程式は次のように与えられる。

同様に、ｑ軸等価回路の電圧方程式は次のように与えられる。

フレーリッヒの式を拡張し、ｄ，ｑ軸の時速を８つの変数で表現する磁束の数式モデルが提案されている（中津川潤之介他、「磁気飽和およびｄｑ軸間干渉を考慮した永久磁石同期モータの数式モデルの提案」、電気学会論文誌Ｄ、Ｖｏｌ．１３０、Ｎｏ．１１（２０１０）、ｐｐ．１２１２−１２２０を参照）。この数式モデルは、次式で与えられる。

式（３０）、（３１）において、
とおき、Ｌ_ｄ，Ｌ_ｑが数値積分の区間時間内では一定値と仮定し、式（３０）、（３１）を時間で微分して式（２５）、（２８）に代入し、式（２６）、（２９）を式（２４）、（２５）、（２７）、（２８）に代入して整理すると次式のようになる。

式（３５）〜（３８）をマトリックス形式で表すと次式となる。

鉄損を考慮したトルクは次式で与えられる。

一方、電動機の運動方程式は次式で与えられる。

式（３９）と式（４１）を合わせてマトリックス形式で表すと次式となる。

上記のような電動機シミュレーションと、実施の形態１において述べた電動油圧駆動型作業機械の運動シミュレーションとを組み合わせる。具体的には、式（４２）の関係を式（１）に組み込むことで、電動機、油圧回路、及びリンク機構の連成解析を行う。

なお、電動機の損失のうち、銅損Ｗ_Ｃは巻線抵抗Ｒ_ａを用いて次式で与えられる。

上記のような作業機械シミュレーション装置８００は、磁気飽和を考慮することで、電動機の損失を含めた電動機の動作シミュレーションを行うことができる。また、上記のようにＨＩＬＳシステム４００によって供試体電動機２の損失を計算することができる。このため、ＨＩＬＳシステム４００によって計算された供試体電動機２の損失と、作業機械シミュレーション装置８００における電動機の損失のシミュレーション結果とを比較することで、作業機械シミュレーション装置８００における電動機の損失のシミュレーション性能を評価することができる。

（その他の実施の形態）
なお、上述した実施の形態１乃至３においては、予め設定された目標回転速度にしたがって、供試体電動機２を制御する構成について述べたが、これに限定されるものではない。シミュレーション用計算機によって供試体電動機の目標トルクを制御量として算出し、この目標トルクを発生するように制御用計算機５が供試体電動機２を制御する構成としてもよい。また、シミュレーション用計算機によって電動油圧駆動型作業機械の運動シミュレーションを実行し、供試体電動機の目標回転速度を制御量として算出し、この目標回転速度で回転するように制御用計算機が供試体電動機を制御する構成とすることもできる。

また、上述した実施の形態においては、制御用計算機５と、シミュレーション用計算機６、６００とを別々に設け、制御用計算機５によって供試体電動機２及び負荷生成電動機３の制御を行い、シミュレーション用計算機６、６００によってリンク機構及び油圧回路の運動シミュレーションを行う構成について述べたが、これに限定されるものではない。１つの計算機によって、供試体電動機２及び負荷生成電動機３の制御処理と、リンク機構及び油圧回路の運動シミュレーション処理とを実行する構成とすることも可能である。しかし、ＨＩＬＳでは、供試体電動機のようなハードウェアのリアルタイム制御が必要なことから、リアルタイムの運動シミュレーションが必要であり、また、自動車、電車等と比べてリンク機構及び油圧回路の自由度が高いことから、運動シミュレーションに高い計算能力が要求される。このため、制御用計算機５とシミュレーション用計算機６、６００とを別々に設けることが好ましい。

また、上述した実施の形態３においては、電力供給装置９００が蓄電シミュレーション用計算機９０１と可変電源９０２とを備える構成について述べたが、これに限定されるものではない。蓄電装置として、蓄電池ではなく、キャパシタの動作シミュレーションを行う構成とすることも可能である。蓄電シミュレーション用計算機９０１に代えて、実際の蓄電池、キャパシタ等の蓄電装置を電力供給装置に設ける構成とすることも可能である。また、蓄電池の動作シミュレーションだけでなく、発電機のモデルを計算機に組み込み、発電機の動作シミュレーションを行うことも可能である。また、可変電源９０２に代えて、実際の電動油圧駆動型作業機械に搭載されるエンジンと発電機とを電力供給装置に設ける構成とすることも可能である。

また、上述した実施の形態においては、作業機械として電動油圧駆動型ショベルの動作シミュレーションを行うＨＩＬＳシステムについて述べたが、これに限定されるものではない。油圧回路と電動機との電動油圧駆動型のホイールローダ、フォークリフト等、油圧回路によって駆動されるリンク機構を車体に搭載する電動油圧駆動型作業機械であれば、電動油圧駆動型ショベル以外のものをシミュレーション対象とすることも可能である。

また、上述した実施の形態においては、供試体電動機２を、電動油圧駆動型作業機械に搭載される電動機と同型のものとしたが、電動油圧駆動型作業機械に搭載される電動機に対応するものであれば、これに限定されるものではない。例えば、電動油圧駆動型作業機械に搭載される電動機そのものを供試体電動機として使用することも可能である。また、その時点で存在する電動油圧駆動型作業機械に搭載されていなくても、将来電動油圧駆動型作業機械に搭載される予定の電動機と同型のものを供試体電動機として使用することも可能である。電動油圧駆動型作業機械に搭載される電動機と厳密に同型のものでなくても、後継機種等、仕様が同等のものを供試体電動機として使用することもできる。

本発明のＨＩＬシミュレーションシステム及びＨＩＬシミュレーション方法は、油圧回路と電動機とによる電動油圧駆動型の油圧ショベル、ホイールローダ、フォークリフト等の電動油圧駆動型作業機械のＨＩＬシミュレーションシステム及びＨＩＬシミュレーション方法等として有用である。

１ ＨＩＬシミュレーションシステム
２ 供試体電動機
２１ 第１インバータ
３ 負荷生成電動機
３１ 第２インバータ
４ 回転速度検出部
５ 制御用計算機
５１０ 電動機制御プログラム
５１１ ＣＰＵ
６ シミュレーション用計算機
６１０ａ シミュレーション制御プログラム
６１０ｂ シミュレーション計算プログラム
６１１ ＣＰＵ
６１３ａ 共有メモリ
７ 操作用計算機
７１ 操作レバー
７２ 表示部
７０１ 電源装置
７０２ 計測装置
７０３ 損失評価用計算機
７１１ ＣＰＵ
８００ 作業機械シミュレーション装置
９００ 電力供給装置
９０１ 蓄電シミュレーション用計算機
９０２ 可変電源

Claims (14)

1. リンク機構と油圧回路と電動機とを有し、前記リンク機構を前記油圧回路によって駆動し、前記電動機によって発生する動力を利用する電動油圧駆動型作業機械における前記電動機に対応する供試体電動機の特性を評価するために、前記供試体電動機の制御と、前記リンク機構及び前記油圧回路の運動シミュレーションとを実行するＨＩＬシミュレーションシステムであって、
   前記供試体電動機の回転速度の検出値を取得し、取得された前記回転速度の検出値と、与えられた操作量とに基づいて、前記リンク機構及び前記油圧回路の運動シミュレーションを実行し、前記供試体電動機に負荷として付与すべきトルクを算出するシミュレーション実行部を備える、
   ＨＩＬシミュレーションシステム。
2. 前記油圧回路は、前記リンク機構に含まれる複数のリンクを駆動する複数の直動要素を有し、
   前記シミュレーション実行部は、前記複数のリンクそれぞれの回転動作を前記複数の直動要素それぞれの直線運動として表現する運動方程式により、前記負荷トルクを算出するように構成されている、
   請求項１に記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
3. 前記供試体電動機に与える負荷トルクを生成する負荷生成電動機と、
   前記負荷生成電動機を駆動するためのインバータと、
   前記負荷生成電動機を制御するために、前記シミュレーション実行部によって算出された負荷トルクに基づく指令信号を前記インバータに出力する制御部と、
   をさらに備える、
   請求項１又は２に記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
4. 前記制御部は、与えられた目標値に基づいて前記供試体電動機を制御するように構成されている、
   請求項３に記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
5. 前記シミュレーション実行部は、前記回転速度の検出値として、過去所定回数分の回転速度の検出値の平均値を用いて、前記運動シミュレーションを実行するように構成されている、
   請求項１乃至４の何れかに記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
6. ユーザが前記操作量を入力するための操作部と、
   前記シミュレーション実行部による前記運動シミュレーションの実行結果に基づいて、前記リンク機構の姿勢を表示する表示部と、
   をさらに備える、
   請求項１乃至５の何れかに記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
7. 前記シミュレーション実行部は、前記運動シミュレーションの実行結果に基づき、前記供試体電動機へ供給すべき電力量を算出するように構成されており、
   前記シミュレーション実行部によって算出された電力量を前記供試体電動機へ供給する電力供給部をさらに備える、
   請求項１乃至６の何れかに記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
8. 前記電力供給部は、前記供試体電動機駆動用の蓄電装置の動作シミュレーションを実行するように構成されており、前記シミュレーション実行部によって算出された電力量に基づいて、前記蓄電装置の蓄電量を算出するように構成されている、
   請求項７に記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
9. 前記電動油圧駆動型作業機械は、前記リンク機構を有する上部旋回体と、前記上部旋回体を旋回可能に支持する下部走行体とを具備し、
   前記供試体電動機は、前記上部旋回体を前記下部走行体に対して旋回させるための電動機に対応する、
   請求項１乃至８の何れかに記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
10. 前記供試体電動機は、前記油圧回路に設けられた油圧ポンプを駆動するための電動機に対応する、
    請求項１乃至８の何れかに記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
11. 前記供試体電動機に電力を供給するための第２電力供給部と、
    前記第２電力供給部から出力される電力を変換し、前記供試体電動機に与えるためのインバータと、
    前記供試体電動機において発生される動力と、前記インバータから前記供試体電動機に与えられる電力とに基づいて、前記供試体電動機における損失に関する情報を出力する損失情報出力部と、
    をさらに備える、
    請求項１乃至１０の何れかに記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
12. 前記損失情報出力部は、前記インバータから前記供試体電動機に与えられる電力と、前記第２電力供給部から前記インバータに与えられる電力とに基づいて、前記インバータにおける損失に関する情報を出力するように構成されている、
    請求項１１に記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
13. 前記損失情報出力部は、前記インバータから前記供試体電動機に与えられる電流値と、前記供試体電動機の巻線の抵抗値とに基づいて、前記供試体電動機における銅損に関する情報を出力するように構成されている、
    請求項１１又は１２に記載のＨＩＬシミュレーションシステム。
14. リンク機構と油圧回路と電動機とを有し、前記リンク機構を前記油圧回路によって駆動し、前記電動機によって発生する動力を利用する電動油圧駆動型作業機械における前記電動機に対応する供試体電動機の特性を評価するために、前記供試体電動機の制御と、前記リンク機構及び前記油圧回路の運動シミュレーションとを実行するＨＩＬシミュレーション方法であって、
    前記供試体電動機の回転速度を検出するステップと、
    検出された回転速度と、与えられた操作量とに基づいて、前記リンク機構及び前記油圧回路の運動シミュレーションを実行し、前記供試体電動機に負荷として付与すべきトルクを算出するステップと、
    算出されたトルクを生成し、前記トルクを前記供試体電動機に負荷として付与するステップと、
    前記供試体電動機を制御するステップと、
    を有する、
    ＨＩＬシミュレーション方法。