JP6654868B2 - 仮想負荷付与装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転動作を行う被試験体、例えば電動モータの特性を試験するために、仮想的な負荷の生成・付与する負荷付与装置に関するものである。

従来から回転動作を行う電動モータ等の被試験体に、仮想的な負荷を与える負荷付与装置としては、図１で示すように動力伝達軸に回転速度検出器も兼ねたトルクメータ（トルク検出器）と共に制動器を設置し、動力伝達軸が動力を伝達しているときに生じるねじれによって係るトルクを検出し、所望する負荷を仮想的に、発電機による発電ブレーキ、ヒステリシス損を生じさせるヒステリシスブレーキ、また粉末を機械的な抵抗として用いるパウダブレーキなどの制動器による制動効果によって発生させる装置が知られている。

上記の負荷付与装置は被試験体の回転数に応じ、かつ検出したトルクをフィードバックすることで、所望する制動力を高精度に付与することが可能である。しかしながら、被試験体を駆動源として実際に使用する場面が、例えばギヤ、ベルトとプーリなどの伝達機構を介して動作対象に運動をさせる場合などでも、係る慣性力（慣性抵抗）の付与には、それ相応の錘を等価慣性重量として装着することで代替していた。よって、慣性力も含めた上で所望する制動力を付与することは不可能であった。

特許文献１は、車両用エンジン、電動モータを被試験体として、ダイナモメータ（動力計）によって、あたかも車両に搭載された場合と同様な負荷を仮想的に付与し、出力特性、エネルギー消費特性等を測定する動力試験システムの提案である。

特許文献１に記載の試験装置では、実際に走行している車両の速度から走行抵抗（例えば走行中の車両に作用する空気抵抗等）を導き、また実際に被試験体を搭載する車両の質量および加速度から慣性抵抗を算出し、それらを合算したものを被試験体に付与する負荷トルクとしてダイナモメータに発生させ、より被試験体が実車両に装着された状態に近い環境で、試験を行うことを可能としている。

特開２０００−３９３８１号公報

図１に示した従来の仮想負荷付与装置では、前記したように慣性力の変更には錘の交換を行うことで実現する。すなわち、被試験体が同じでも、伝達機構等が異なる場合においては、手間の掛かる錘の交換を伴うため効率的な試験ができなかった。

また、特許文献１で示したよう動力試験システムにおいては、錘の交換のような操作は伴わずに、慣性力の変更はダイナモメータの制御部に対しパラメータを変更することで可能となるが、試験システムそのものが大掛かりであり、大型の被試験体での利用を想定したシステムでしかなかった。

さらに前記の動力試験システムでは、車両の移動を想定しているため加減速動作は頻繁にあっても、特にエンジンなど正回転と逆回転が行われることはないため位置決め動作は必要としなかった。そのため、例えば複写機やプリンタ等の画像形成を伴う装置の撮影部のフォーカスや、ヘッド部の送りで頻繁に繰り返される正反転動作を位置基準とした仮想的負荷を自在に設定するには不向きであった。

本発明は、複写機やプリンタ等の画像形成を伴う装置の撮影部のフォーカスや、ヘッド部の送りで用いられるステッピングモータ等、比較的小型で卓上において試験可能な被試験体の特性を、その位置を基準とした仮想負荷付与装置の提供を課題としている。

本発明は前記の課題を解決すべく、電動モータ等の被試験体に仮想負荷を付与する負荷付与モータと、負荷付与モータを加速度制御する加速度制御部と、負荷付与モータの速度を検出する速度センサと、被試験体と負荷付与モータとが連結された出力部の捩れを検出するトルク検出器とを備え、加速度制御部が、与えられた指令トルクをトルク検出器の信号から算出される測定トルクで減算したものを予め設定された慣性抵抗で除算して加速度指令に変換し、さらに加速度指令を電流指令に変換して電流指令として制御を行う仮想負荷付与装置であって、
加速度制御部は、指令トルクを測定トルクで減算したものに、回転センサの出力から得た負荷付与モータの位置に予め設定した弾性抵抗係数を乗算して生成した弾性抵抗力、回転センサの出力から得た負荷付与モータの速度に予め設定した摩擦抵抗係数を乗算して生成した摩擦抵抗力、回転センサの出力から得た位置及び速度に予め設定した粘性抵抗係数を乗算して生成した粘性抵抗力、の少なくとも１つを加算し、負荷付与モータ電流指令に負荷付与モータで発生する外乱トルクを推定する推定器の出力から求めた補正電流値を加算することを特徴とする。

また、推定器は、電流指令または負荷付与モータに流れる電流を検出する電流検出器による測定電流と、負荷付与モータに付設された回転センサの出力から得た位置若しくは速度と、を入力として補正電流値を出力することが好ましい。

本発明による仮想負荷付与装置では、トルク制御を加速度制御系にて実現する為、与える仮想負荷トルク指令値に対して、弾性抵抗、摩擦抵抗、および粘性抵抗は、実際に仮想負荷トルクを発生させる負荷付与モータの速度および位置を検出し、その検出値に基づき仮想負荷トルク指令値に加算処理をすることを可能としている。それ故に結果として、被試験体の速度並びに位置を検知することが可能となり、被試験体の位置に基づいた弾性抵抗、摩擦抵抗、および粘性抵抗の各パラメータによる仮想負荷を適切に付与することが可能となる。

かつ慣性抵抗においては、仮想負荷トルク指令値を、除算処理をすることで加速度指令値に変換できるため、複雑な演算を伴わず、単純な方式にて制御系に組込むことができる。

したがって、本発明の仮想負荷付与装置の場合は、位置を基準とした弾性抵抗、摩擦抵抗、粘性抵抗を自在に設定し、かつ簡素で小型な制御系にて慣性抵抗も簡単に設定することが可能となり、正転反転動作を頻繁に伴う複写機やプリンタ等の画像形成装置の撮影部のフォーカスや、ヘッド部の送りで用いられるステッピングモータ等の被試験体でも、その位置を基準として決定することができるので、問題なく仮想負荷付与装置として利用することができる。

従来の仮想負荷付与装置を示したブロック図 エンジン等の性能試験を行う動力試験システムを示したブロック図 本発明の第一の実施形態による仮想負荷付与装置の制御ブロック図 本発明の第二の実施形態による仮想負荷付与装置の制御ブロック図 本発明の第三の実施形態による仮想負荷付与装置の制御ブロック図

図３は、本発明の仮想負荷付与装置１の実施の形態を示したブロック図である。当該仮想負荷付与装置１は、電動モータ等の被試験体３００に対して実際に仮想負荷を付与する負荷付与モータ２００と、負荷付与モータ２００に取り付けられた減速器１０７と、減速器１０７と被試験体３００とを連結する結合手１１４で発生する捩れトルクを検出するトルクセンサ１０８、負荷付与モータ２００の速度検出を行う回転センサ１０９と、負荷付与モータ２００によって発生する仮想負荷制御を行う加速度制御部１００と、から構成される。

尚、本実施形態では、負荷付与モータ２００に出力部として減速器１０７が付設されて被試験体３００と連結されているが、被試験体３００の速度や出力の大きさ等に応じて、そのままカップリング等で連結してもよい。

また当該仮想負荷付与装置１では、加速度制御部１００内において、付与可能な負荷トルクのパラメータである弾性抵抗係数Ｋ、摩擦抵抗係数Ｆ、粘性抵抗係数Ｄ、さらに慣性抵抗Ｊの設定部を備えている。各設定部としては、所望する弾性抵抗係数Ｋを予め設定する弾性抵抗部１０１、同じく所望する摩擦抵抗係数Ｆを予め設定する摩擦抵抗部１０２と、粘性抵抗係数Ｄを予め設定する粘性抵抗部１０３、さらに、所望する慣性抵抗Ｊを生成する慣性抵抗部１０４とによって構成されている。

図３で示すように、加速度制御部１００は、はじめに与えられた指令トルクＴｃｍｄに対して、付与可能な負荷トルクのパラメータが加算される形で遷移する。

弾性抵抗力Ｔｋは、回転センサ１０９（負荷付与モータ２００の実速度フィードバック値）の速度出力ωを積分器１１２によって積分して得られた現在位置δと、位置によって予め設定された弾性抵抗係数Ｋを基に、弾性抵抗部１０１によって算出する。

また摩擦抵抗力Ｔｆは、回転方向検出器１１３によって、予め設定された摩擦抵抗係数Ｆに速度出力ωを入力することで、負荷付与モータ２００の回転方向Ｓｉｇｎが判定され、摩擦抵抗が負荷付与モータ２００の回転方向と逆の方向に働くように摩擦抵抗部１０２によって導き出される。

粘性抵抗力Ｔｄについては、回転センサ１０９の速度出力ωに比例して粘性抵抗は変化するため、積分器１１２による現在位置δと、位置によって予め設定された粘性抵抗係数Ｄを基に、回転センサ１０９の速度出力ωに応じた粘性抵抗力が粘性抵抗部１０３によって求められる。

以上、弾性抵抗部１０１、摩擦抵抗部１０２および粘性抵抗部１０３によって求められた弾性抵抗力Ｔｋ，摩擦抵抗力Ｔｆ，粘性抵抗力Ｔｄは、指令トルクＴｃｍｄと、トルクセンサ１０８からの実測トルク値Ｔｓとの減算結果に対して逐次加算が行われる。

次に、慣性抵抗部１０４では、指令トルクＴｃｍｄに対して予め設定した慣性抵抗Ｊにより除算が行われ、加速度指令αに変換される。即ち、予め設定する抵抗パラメータである弾性抵抗係数Ｋ，摩擦抵抗係数Ｆ，粘性抵抗係数Ｄおよび慣性抵抗Ｊに基づき、制御値として加速度指令αを求め、加速度指令αによるフィードバック制御が行われることで仮想負荷が付与されることになる。

加速度指令αは、速比切換器１０５によって減速器１０７の減速比Ｒｇにて乗算が行われ、負荷付与モータ２００の加速度指令αｇに変換される。さらに、加速度指令-電流変換器１０６では、負荷付与モータ２００のトルク定数ＫｔをロータイナーシャＪｍで除算した値を乗算することで、負荷付与モータ２００への電流指令ｉｑへと変換される。

加えて、本実施形態による加速度制御部１００では、外乱オブザーバによる推定器１１０も備えている。回転センサ１０９からの速度出力ωと負荷付与モータ２００への電流指令ｉｑとに基づいて外乱トルクＴｄｉｓを推定している。推定した外乱トルクＴｄｉｓは、外乱トルク−電変換器１１１によって電流値に変換され、電流指令ｉｑへと加算され、電流フィードバック制御が行われることになる。

尚、本発明では外乱トルクＴｄｉｓの推定に、負荷付与モータ２００への電流指令ｉｑを用いたが、これに限らず、図４で示すような、電流検出器２０１により負荷付与モータ２００を流れる電流を測定した測定電流ｉｓを用いてもよい。

また、負荷付与モータ２００への電流指令ｉｑと、回転センサ１０９からの速度出力ωを積分器１１２によって積算した現在位置δを用いて外乱トルクＴｄｉｓを推定することも可能である。

ここでは回転センサ１０９に、速度が出力されるセンサを用いているが、位置を出力するセンサを用いることも可能である。その場合は図５に示すように、現在位置δが出力されるため、積分器１１２に代わって微分器を設けることで速度出力ωを求める形態となる。

１…仮想負荷付与装置
１００…加速度制御部
１０１…弾性抵抗部
１０２…摩擦抵抗部
１０３…粘性抵抗部
１０４…慣性抵抗部
１０５…速比切換器
１０６…加速度指令-電流変換器
１０７…減速器
１０８…トルクセンサ
１０９…回転センサ
１１０…推定器
１１１…外乱トルク−電変換器
１１２…積分器
１１３…回転方向検出器
１２０…微分器
２００…負荷付与モータ
２０１…電流検出器
３００…被試験体

Claims (2)

1. 電動モータ等の被試験体に仮想負荷を付与する負荷付与モータ(200)と、前記負荷付与モータを加速度制御する加速度制御部(100)と、前記負荷付与モータに付設された回転センサ(109)と、前記被試験体と前記負荷付与モータとが連結された出力部(107)の捩れを検出するトルク検出器(108)とを備え、前記加速度制御部が、与えられた指令トルクを前記トルク検出器の信号から算出される測定トルクで減算したものを予め設定された慣性抵抗で除算して加速度指令に変換し、さらに前記加速度指令を電流指令に変換して負荷付与モータ電流指令として制御を行う仮想負荷付与装置であって、
   前記加速度制御部は、前記指令トルクを前記測定トルクで減算したものに、前記回転センサの出力から得た前記負荷付与モータの位置に予め設定した弾性抵抗係数を乗算して生成した弾性抵抗力、前記回転センサの出力から得た前記負荷付与モータの速度に予め設定した摩擦抵抗係数を乗算して生成した摩擦抵抗力、前記回転センサの出力から得た前記位置及び前記速度に予め設定した粘性抵抗係数を乗算して生成した粘性抵抗力、の少なくとも１つを加算し、前記電流指令に前記負荷付与モータで発生する外乱トルクを推定する推定器の出力から求めた補正電流値を加算することを特徴とする仮想負荷付与装置。
2. 前記推定器は、前記電流指令または前記負荷付与モータに流れる電流を検出する電流検出器(201)による測定電流(is)と、前記負荷付与モータに付設された前記回転センサ(109)の出力から得た前記位置若しくは前記速度と、を入力として前記補正電流値を出力することを特徴とする請求項１に記載の仮想負荷付与装置。