JP7491190B2 - Two-inertia system simulator - Google Patents

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Description

本発明は、モータ制御装置により駆動される第1のモータと、この第1のモータにカップリング部を介して結合された第2のモータとを備えた全体がモータ制御装置側から見て二慣性系として振舞うように模擬する二慣性系模擬装置に関し、詳しくは、サーボシステム等のモータ制御装置の開発や動作の検証に適用可能な技術に関する。 The present invention relates to a two-inertia system simulator that simulates an entire system comprising a first motor driven by a motor control device and a second motor connected to the first motor via a coupling unit so that the entire system behaves as a two-inertia system when viewed from the motor control device side, and more specifically, to technology that can be applied to the development and operation verification of motor control devices such as servo systems.

モータにより機械負荷を駆動する際の課題の一つとして、モータ及び機械負荷の振動問題が挙げられる。サーボアンプ等のモータ制御装置では、振動抑制手段として、位置・速度フィードバック制御ゲインやフィードバック制御ループ内のフィルタを調整する他に、振動を誘起させないような指令値を生成・加工する方法が良く用いられている。 One of the issues when driving a mechanical load with a motor is the vibration problem of the motor and the mechanical load. In motor control devices such as servo amplifiers, in addition to adjusting the position/speed feedback control gain and the filter in the feedback control loop as a means of suppressing vibration, methods of generating and processing command values that do not induce vibration are often used.

このような振動抑制機能を備えたモータ制御装置を開発する場合には、初期段階でシミュレーションを行った上で実機検証を行うという工程を経るのが普通である。モータ及び機械負荷を含む駆動機器の実機検証においては、実際に何らかの機械負荷を駆動して試験する場合と、電子制御による負荷機を使って試験する場合とがあるが、後者については定常的な負荷トルクが関わる検証で用いられることが多い。機械負荷を加減速運転する際には慣性に比例したトルクも加わるが、一慣性系とみなせる機械負荷の加減速運転試験を行うには、実際の機械負荷を加減速運転する以外に、慣性を模擬する装置を使用することも可能である。
一慣性系を対象とした模擬装置や模擬方法については、例えば特許文献1に係る慣性シミュレータのように、従来から多数提案され、実用化されている。
When developing a motor control device with such a vibration suppression function, it is common to go through a process of performing simulations at an early stage and then performing actual verification. In actual verification of driving equipment including a motor and a mechanical load, there are cases where a mechanical load is actually driven and tested, and cases where an electronically controlled load machine is used for testing, with the latter being often used for verification involving steady-state load torque. When accelerating and decelerating a mechanical load, a torque proportional to inertia is also added, but to perform an acceleration/deceleration test of a mechanical load that can be considered a one-inertia system, in addition to accelerating and decelerating the actual mechanical load, it is also possible to use a device that simulates inertia.
Many simulation devices and methods for a single-inertia system have been proposed and put to practical use, such as the inertia simulator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233691.

一方、二慣性系を模擬する従来技術としては、例えば特許文献2に開示されているように、エンジンの動力計測システムに適用され、インバータを介して動力計を制御する動力計制御部に設けられて機械的慣性を電気的慣性として模擬する電気慣性制御装置において、動力計の軸トルクを検出して第1電気慣性及び第2電気慣性が電気ばねで結合された二慣性モデルに入力し、この二慣性モデルの挙動を実現するようにインバータに対するトルク指令を生成する従来技術が知られている。 On the other hand, as a conventional technique for simulating a two-inertia system, for example, as disclosed in Patent Document 2, an electric inertia control device is applied to an engine power measurement system, and is provided in a dynamometer control unit that controls a dynamometer via an inverter to simulate mechanical inertia as electrical inertia. The axial torque of the dynamometer is detected and input to a two-inertia model in which a first electrical inertia and a second electrical inertia are connected by an electric spring, and a torque command is generated for the inverter to realize the behavior of the two-inertia model.

特許第2884698号(第1図等)Patent No. 2884698 (Figure 1, etc.) 特許第4946495号([0018]~[0020]、図1~図3等)Patent No. 4946495 ([0018] to [0020], Figs. 1 to 3, etc.)

特許文献2に開示された従来技術では、動力計の軸トルクを検出するための軸トルクメータ及び軸トルク検出値を用いた演算が必要であり、システム全体の構成が比較的大掛かりで高コストになるという問題がある。
また、軸トルクメータ自体も慣性を有するため、これを無視できない程度の比較的小さな慣性のモータを使って正しく試験するのは容易でない。
仮に、軸トルクを検出しない場合には、速度検出値、あるいは位置検出値の微分値に基づいて、二慣性系を模擬するべくインバータに対するトルク指令を演算することが必要になるが、この演算は遅れを伴うため動作が不安定になる恐れがある。また、不安定化しにくく減衰の大きい系を模擬することは可能であったとしても、減衰の速さまで再現することは難しい。
The conventional technology disclosed in Patent Document 2 requires a shaft torque meter for detecting the shaft torque of the dynamometer and calculations using the detected shaft torque value, which results in a problem that the overall system configuration is relatively large-scale and expensive.
In addition, since the shaft torque meter itself has inertia, it is not easy to perform a proper test using a motor with a relatively small inertia that cannot be ignored.
If the shaft torque is not detected, it is necessary to calculate the torque command for the inverter based on the speed detection value or the differential value of the position detection value to simulate a two-inertia system, but this calculation involves a delay, which may cause the operation to become unstable. Even if it is possible to simulate a system that is less likely to become unstable and has large damping, it is difficult to reproduce the speed of damping.

そこで、本発明の解決課題は、特許文献2に記載されているような軸トルク検出手段及びその検出値を用いた演算処理を不要とし、安定的かつ低コストにて二慣性系を模擬可能とした二慣性系模擬装置を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a two-inertia system simulator that can simulate a two-inertia system stably and at low cost without the need for shaft torque detection means and calculation processing using the detected values as described in Patent Document 2.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、
モータ制御装置により駆動される第1のモータの回転軸にカップリング部を介して第2のモータの回転軸を結合し、前記第2のモータまたは第1のモータの速度信号vを入力として前記第2のモータがトルクTを出力するように前記第2のモータを制御する模擬負荷制御装置を備え、
前記模擬負荷制御装置は、
前記第1のモータの回転軸と一体的に動くと想定される部分の慣性を第1の模擬慣性Jとし、前記カップリング部以降に前記第1のモータの回転軸よりも剛性が低く、前記第1の模擬慣性Jと弱く結合して動く部分が存在することを想定してその部分の慣性を第2の模擬慣性Jとし、前記第1の模擬慣性Jと、前記第2の模擬慣性Jと、前記第1の模擬慣性Jと前記第2の模擬慣性Jとの間の弾性定数K及び減衰係数Cと、前記第1のモータ及び前記第2のモータ並びに前記カップリング部を合わせた実際の全慣性Jと、を設定項目として有し、
前記第2のモータが出力するトルクTを、
前記設定項目と、二慣性系を模擬する制御により生じる位相遅れを補償するための補償用減衰係数Ccmpを前記減衰係数Cに加えた補償後の減衰係数C’=C+Ccmpを定数として有する伝達関数H(s)と、ローパスフィルタの伝達関数と、を前記速度信号vに演算することにより与えることを特徴とする。
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 comprises:
a dummy load control device that couples a rotary shaft of a second motor via a coupling unit to a rotary shaft of a first motor driven by a motor control device, and controls the second motor by receiving a speed signal v of the second motor or the first motor as an input so that the second motor outputs a torque T;
The simulated load control device includes:
the inertia of a portion assumed to move integrally with the rotation shaft of the first motor is defined as a first simulated inertia J1 , and assuming that a portion exists downstream of the coupling unit that has a lower rigidity than the rotation shaft of the first motor and moves while weakly coupled to the first simulated inertia J1 , the inertia of the portion is defined as a second simulated inertia J2 , and the first simulated inertia J1 , the second simulated inertia J2 , an elastic constant K and a damping coefficient C between the first simulated inertia J1 and the second simulated inertia J2 , and an actual total inertia Jr of the first motor, the second motor, and the coupling unit are included as setting items;
The torque T output by the second motor is
The setting items, a transfer function H(s) having a compensated damping coefficient C'=C+C cmp , which is obtained by adding a compensating damping coefficient C cmp for compensating for a phase delay caused by control simulating a two-inertia system to the damping coefficient C, as a constant, and a transfer function of a low-pass filter are given to the velocity signal v by calculation.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載した二慣性系模擬装置において、
前記伝達関数H(s)を、以下の数式Aにより与えることを特徴とする(sはラプラス演算子)。

Figure 0007491190000001
The invention according to claim 2 is the two-inertia system simulator according to claim 1,
The transfer function H(s) is given by the following formula A (s is the Laplace operator).
Figure 0007491190000001

請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した二慣性系模擬装置において、
前記補償用減衰係数Ccmpは、前記伝達関数H(s)と前記ローパスフィルタの伝達関数との積の絶対値が1となるゲイン交差周波数ωにおいて、前記ローパスフィルタによる演算及び前記トルクTの演算が行われてから前記トルクTが印加されたことにより変化した速度が速度信号vに反映されるまでの遅延時間によって生ずる位相遅れΔθに対して、補償後の減衰係数C’=Ccmpとして前記伝達関数H(s)を求めた時の位相∠H(s)が前記位相遅れΔθと等しくなるように与えることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the two-inertia system simulator according to claim 1 or 2,
The compensating damping coefficient C cmp is given so that, at a gain crossover frequency ω G where the absolute value of the product of the transfer function H(s) and the transfer function of the low-pass filter is 1, a phase ∠H(s) when the transfer function H(s) is calculated as a compensated damping coefficient C'=C cmp is equal to a phase lag Δθ generated by a delay time from when the calculation by the low-pass filter and the calculation of the torque T are performed until when the speed changed due to the application of the torque T is reflected in the speed signal v.

請求項4に係る発明は、請求項1~3の何れか1項に記載した二慣性系模擬装置において、
模擬しようとする二慣性系の共振周波数を、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数未満に限定したことを特徴とする。
The invention according to claim 4 provides the two-inertia system simulator according to any one of claims 1 to 3,
The resonant frequency of the two-inertia system to be simulated is limited to a frequency lower than the cutoff frequency of the low-pass filter.

請求項5に係る発明は、請求項1~4の何れか1項に記載した二慣性系模擬装置において、
前記速度信号vを、前記第2のモータまたは前記第1のモータの速度検出値または速度推定値、或いは、前記モータ制御装置により前記第1のモータを速度制御する際の速度指令値として与えることを特徴とする。
The invention according to claim 5 provides a two-inertia system simulator according to any one of claims 1 to 4,
The speed signal v is provided as a detected speed value or an estimated speed value of the second motor or the first motor, or as a speed command value when the motor control device controls the speed of the first motor.

本発明によれば、軸トルクを検出することなく、安定的かつ低コストにて二慣性系を模擬することが可能であり、サーボシステム等のモータ制御装置の開発や動作の検証等に役立てることができる。 The present invention makes it possible to simulate a two-inertia system stably and at low cost without detecting the shaft torque, which can be useful for developing motor control devices such as servo systems and verifying their operation.

本発明の第1実施形態に係る二慣性系模擬装置の構成図である。1 is a configuration diagram of a two-inertia system simulator according to a first embodiment of the present invention. 図1の模擬負荷制御装置により二慣性系を模擬する際の制御ブロック図である。FIG. 2 is a control block diagram when simulating a two-inertia system by the simulated load control device of FIG. 1 . 本発明の第1実施形態における数式2に相当する二慣性系のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a two-inertia system corresponding to Equation 2 in the first embodiment of the present invention. 二慣性系の模擬手順を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a simulation procedure for a two-inertia system. 表2のモータ制御条件のもとで表1のパラメータを有する二慣性系負荷そのものを駆動した場合のシミュレーション結果を示す波形図である。FIG. 11 is a waveform diagram showing a simulation result when a two-inertia load having the parameters of Table 1 is driven under the motor control conditions of Table 2. 表2のモータ制御条件を実際のモータ制御装置に設定し、表1のパラメータを有する二慣性系を模擬するように設定した模擬負荷を駆動した場合の実測結果を示す波形図である。FIG. 11 is a waveform diagram showing the actual measurement results when the motor control conditions in Table 2 are set in an actual motor control device and a simulated load set to simulate a two-inertia system having the parameters in Table 1 is driven. 本発明の第2実施形態に係る二慣性系模擬装置の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a two-inertia system simulator according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態に係る二慣性系模擬装置の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a two-inertia system simulator according to a third embodiment of the present invention. 図8に示した二慣性系模擬装置の制御ブロック図である。FIG. 9 is a control block diagram of the two-inertia system simulator shown in FIG. 8 . 本発明の第4実施形態に係る二慣性系模擬装置の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a two-inertia system simulator according to a fourth embodiment of the present invention.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る二慣性系模擬装置の構成図である。図1において、モータ制御装置10により駆動される第1のモータMの回転軸と第2のモータMの回転軸とは高剛性のカップリング部20によって連結されており、これらのモータM,M及びカップリング部20をまとめた全慣性をJとみなせるものとする。
ここで、第1のモータMの回転軸と一体的に動くと想定される部分の慣性を第1の模擬慣性(モータ側慣性)Jとし、カップリング部20以降には第1のモータMの回転軸よりも剛性が低く、第1の模擬慣性Jと弱く結合して動く部分が存在することを想定して、その部分の慣性を第2の模擬慣性(負荷側慣性)Jとする。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Fig. 1 is a configuration diagram of a two-inertia system simulator according to a first embodiment of the present invention. In Fig. 1, the rotating shaft of a first motor M1 and the rotating shaft of a second motor M2 driven by a motor control device 10 are connected by a highly rigid coupling unit 20, and the total inertia of these motors M1 , M2 and the coupling unit 20 can be regarded as Jr.
Here, the inertia of the part assumed to move integrally with the rotating shaft of the first motor M1 is defined as a first simulated inertia (motor-side inertia) J1 , and it is assumed that there exists a part downstream of the coupling portion 20 that has a lower rigidity than the rotating shaft of the first motor M1 and moves weakly coupled with the first simulated inertia J1 , and the inertia of that part is defined as a second simulated inertia (load-side inertia) J2 .

模擬負荷制御装置30は、第1のモータMを直接駆動するモータ制御装置10側から見た時に二慣性系を駆動することと等しくなるように、第2のモータMの速度信号、例えば第2のモータMの速度検出値に基づいてトルク指令Tを演算し、このトルク指令Tに応じた電流を第2のモータMに通電する。 The dummy load control device 30 calculates a torque command T * based on a speed signal of the second motor M2, for example, a detected speed value of the second motor M2 , so that the operation is equivalent to driving a two-inertia system when viewed from the motor control device 10 side which directly drives the first motor M1 , and supplies a current corresponding to this torque command T * to the second motor M2 .

図2は、模擬負荷制御装置30により二慣性系を模擬するための制御ブロック図である。この制御ブロックは、第1のモータMによるトルクTと第2のモータMによるトルク(二慣性系を模擬するためのトルク)Tとの偏差を加減算手段31aにより求め、求めた偏差から第2のモータMの速度検出値等の速度信号vを得る伝達関数(1/Js)と、速度信号vが入力されるローパスフィルタLPFと、その出力を第2のモータMによるトルクTに変換する開ループ伝達関数H(s)と、によって構成されている。 2 is a control block diagram for simulating a two-inertia system by the dummy load control device 30. This control block is composed of a transfer function (1/Jrs) for obtaining a deviation between the torque T1 generated by the first motor M1 and the torque (torque for simulating a two-inertia system) T generated by the second motor M2 by an adding/subtracting means 31a and obtaining a speed signal v such as a detected speed value of the second motor M2 from the deviation thus obtained, a low-pass filter LPF to which the speed signal v is input, and an open-loop transfer function H ( s) for converting the output of the low-pass filter LPF into the torque T generated by the second motor M2 .

すなわち、模擬負荷制御装置30は、第1のモータMによるトルクTと速度との関係が模擬するべき二慣性系におけるトルクと速度との関係に等しくなるように、第2のモータMが出力するトルクTを演算し、このトルクTをモータMによるトルクTに対してフィードバック制御する。
ここで、速度信号vが入力されるローパスフィルタLPFの次数は、第2のモータMの速度を直接検出する場合は一次でも良いが、速度検出値を位置検出値の数値微分により代用する場合には二次以上とする。以下では、第2のモータMの位置検出値を数値微分して速度検出値を得るために二次のローパスフィルタLPFを用い、特に、伝達関数が1/(τs)の形で演算する場合について説明する。なお、τはフィルタの時定数、sはラプラス演算子である。
That is, the dummy load control device 30 calculates the torque T output by the second motor M2 so that the relationship between the torque T1 and the speed due to the first motor M1 becomes equal to the relationship between the torque and the speed in the two-inertia system to be simulated, and feedback controls this torque T with respect to the torque T1 due to the motor M1 .
Here, the order of the low-pass filter LPF to which the speed signal v is input may be first order when the speed of the second motor M2 is directly detected, but it must be second order or higher when the detected speed value is substituted by the numerical differentiation of the detected position value. In the following, a case will be described in which a second order low-pass filter LPF is used to obtain the detected speed value by numerically differentiating the detected position value of the second motor M2 , and in particular, the transfer function is calculated in the form of 1/(τ f s) 2. Here, τ f is the time constant of the filter, and s is the Laplace operator.

まず、図2における伝達関数H(s)は、数式1の通りである。

Figure 0007491190000002
数式1において、第1の模擬慣性Jは、前述した全慣性Jに対してJ≧Jという関係にあるものとする。また、Kは第1の模擬慣性Jと第2の模擬慣性Jとの間の弾性定数、Cは同じく減衰係数である。 First, the transfer function H(s) in FIG.
Figure 0007491190000002
In the formula 1, the first simulated inertia J1 has a relationship of J1Jr with respect to the total inertia Jr described above. Furthermore, K is an elastic constant between the first simulated inertia J1 and the second simulated inertia J2 , and C is a damping coefficient.

いま、ローパスフィルタLPF及びむだ時間の影響を無視できると仮定すると、図2に示したフィードバック制御が行われることにより、第1のモータMのトルクTに対して第2のモータMの速度信号vは数式2のように変化する。

Figure 0007491190000003
(ただし、Jμ=J/(J+J) とした。) Assuming that the effects of the low-pass filter LPF and dead time can be ignored, the feedback control shown in FIG. 2 causes the speed signal v of the second motor M2 to change with respect to the torque T1 of the first motor M1 as shown in Equation 2.
Figure 0007491190000003
(where J μ = J 1 J 2 /( J 1 + J 2 ).)

上記の数式2は、図3のブロック図に示すように、弾性定数K及び減衰係数Cにより結合された第1の模擬慣性J 及び第2の模擬慣性Jからなる二慣性系にトルクTを印加した場合の、第2のモータMの速度信号vを表す式に等しい。従って、むだ時間遅れ等を伴わない理想的な制御システムであれば、速度信号v、例えば速度検出値に対してH(s)を演算して得たトルクTを第2のモータMが出力することで、所望の二慣性系を模擬することができる。 The above formula 2 is equal to an equation expressing the speed signal v of the second motor M2 when a torque T1 is applied to a two-inertia system consisting of a first simulated inertia J1 and a second simulated inertia J2 coupled by an elastic constant K and a damping coefficient C , as shown in the block diagram of Fig. 3. Therefore, in an ideal control system without dead time delay, etc., a desired two-inertia system can be simulated by having the second motor M2 output a torque T obtained by calculating H(s) for the speed signal v, for example, the detected speed value.

次に、ローパスフィルタLPF及びむだ時間による影響を考慮した場合について説明する。
まず、図2に示した制御ループにおけるむだ時間をτとすると、ローパスフィルタLPF及びむだ時間τを合わせた周波数ωにおける位相遅れは、2arctanωτ+ωτとなる。減衰係数Cがゼロに近い場合、二慣性の共振系はもともと安定限界にあるため、位相遅れを含むフィードバック制御によって二慣性系を模擬しようとしても安定して模擬できない。
そこで、フィードバック制御によって生じる位相遅れを補償するように減衰係数Cを増加させて補償済みの減衰係数C’を求め、この減衰係数C’を伝達関数H(s)に与えてフィードバック制御することにより、二慣性系模擬の安定化を図る。
以下、その具体的方法を説明する。
Next, a case in which the influence of the low pass filter LPF and the dead time is taken into consideration will be described.
2, the phase lag at frequency ω , which is the sum of the low pass filter LPF and the dead time τd , is 2arctanωτf + ωτd . When the damping coefficient C is close to zero, the two-inertia resonant system is originally at the stability limit, so that the two-inertia system cannot be stably simulated by feedback control including a phase lag.
Therefore, the damping coefficient C is increased to compensate for the phase delay caused by the feedback control, a compensated damping coefficient C' is obtained, and this damping coefficient C' is applied to the transfer function H(s) for feedback control, thereby stabilizing the two-inertia system simulation.
The specific method will be described below.

始めに、
=J(J-J)/(J+J-J), ω=√(K/J), ω=√(K/J)とおく。
減衰係数Cが0に近い場合、ω<ω<ωの範囲で、H(jω)は-∞から0に移動する。伝達関数H(s)とローパスフィルタLPFの伝達関数との積の絶対値が1となる角周波数ω=ω(ゲイン交差周波数)では、数式1におけるCsの項を無視すると数式3が成り立つ。

Figure 0007491190000004
At the beginning,
Let J a = J 2 (J 1 - J r )/(J 1 + J 2 - J r ), ω 1 = √(K/J 2 ), and ω 2 = √(K/J a ).
When the damping coefficient C is close to 0, H(jω) moves from −∞ to 0 in the range of ω 1 < ω < ω 2. At the angular frequency ω = ω G (gain crossover frequency) where the absolute value of the product of the transfer function H(s) and the transfer function of the low-pass filter LPF is 1, Equation 3 holds when the Cs term in Equation 1 is ignored.
Figure 0007491190000004

次に、以下の数式4によりω,η,q,r,xを定義する。ここで、ωは模擬する二慣性系の反共振周波数である。

Figure 0007491190000005
数式4を用いて数式3を整理すると、数式5となる。
Figure 0007491190000006
Next, ω z , η, q, r, and x are defined by the following formula 4: where ω z is the anti-resonance frequency of the simulated two-inertia system.
Figure 0007491190000005
When Equation 3 is rearranged using Equation 4, Equation 5 is obtained.
Figure 0007491190000006

これにより、数式4で定義したxは、数式6によって得られる。

Figure 0007491190000007
As a result, x defined in Equation 4 can be obtained by Equation 6.
Figure 0007491190000007

また、ゲイン交差周波数ωは、数式4におけるxの定義と数式6とから、ω=ω√xとして求めることができる。
このゲイン交差周波数ωにおいて、ローパスフィルタLPFやむだ時間に起因する位相遅れを補償するように、伝達関数H(s)における減衰係数として補償用減衰係数Ccmpを導入し、減衰係数Cを有する二慣性系を模擬する場合には、C’=C+Ccmpにより減衰係数Cを増加させた補償済みの減衰係数C’を開ループ伝達関数H(s)に与える。
すなわち、請求項2に記載した数式Aのように、前記数式1における減衰係数Cに代えて、補償済みの減衰係数C’=C+Ccmpを与えた伝達関数H(s)を用いてフィードバック制御することにより、第2のモータMが出力するトルクTを演算する。
Further, the gain crossover frequency ω G can be obtained as ω Gz √x from the definition of x in Equation 4 and Equation 6.
At this gain crossover frequency ωG , a compensating damping coefficient C cmp is introduced as a damping coefficient in the transfer function H(s) so as to compensate for a phase delay caused by the low-pass filter LPF or dead time. When simulating a two-inertia system having a damping coefficient C, a compensated damping coefficient C' obtained by increasing the damping coefficient C by C' = C + C cmp is given to the open loop transfer function H(s).
That is, as in Formula A recited in claim 2, the torque T output by the second motor M2 is calculated by performing feedback control using a transfer function H(s) to which a compensated damping coefficient C' = C + C cmp is applied, instead of the damping coefficient C in Formula 1.

上記の補償用減衰係数Ccmpは、次の数式7の解として得ることができる。

Figure 0007491190000008
The compensating damping coefficient C cmp can be obtained as a solution to the following equation 7.
Figure 0007491190000008

この補償用減衰係数Ccmpは数値計算によって求めることができるが、ここでは小さな位相遅れを問題にしているため、数式8の近似式を用いて求めることが可能である。

Figure 0007491190000009
This compensating damping coefficient C cmp can be found by numerical calculation, but since a small phase delay is the issue here, it can be found using the approximation formula of Equation 8.
Figure 0007491190000009

次に、図4は、上述した二慣性模擬の手順を示すフローチャートである。
まず、模擬したい二慣性系のパラメータJ,J,K,C、及び、モータM,Mとカップリング部20とをまとめた全慣性Jを設定する(ステップS1)。次いで、伝達関数H(s)とローパスフィルタLPFの伝達関数との積の絶対値が1となるゲイン交差周波数ωを算出する(ステップS2)。
そして、ω=ωにおける位相遅れを補償するために必要な補償用減衰係数Ccmpを求め(ステップS3)、C’=C+Ccmpとした補償済みの減衰係数C’を用いて伝達関数H(s)を決定し(ステップS4)、この伝達関数H(s)を用いてフィードバック制御を行う(ステップS5)。
これにより、特許文献2のような軸トルク検出を必要とせずに安定して二慣性系を模擬することが可能である。ただし、模擬しようとする二慣性系の共振周波数は、ローパスフィルタLPFのカットオフ周波数未満に限定することが望ましい。
Next, FIG. 4 is a flow chart showing the procedure of the above-mentioned two-inertia simulation.
First, the parameters J1 , J2 , K, and C of the two-inertia system to be simulated, and the total inertia Jr including the motors M1 and M2 and the coupling unit 20 are set (step S1). Next, the gain crossover frequency ωG at which the absolute value of the product of the transfer function H(s) and the transfer function of the low-pass filter LPF becomes 1 is calculated (step S2).
Then, a compensating damping coefficient C cmp necessary for compensating for the phase delay at ω = ω G is calculated (step S3), a compensated damping coefficient C' where C' = C + C cmp is used to determine a transfer function H(s) (step S4), and feedback control is performed using this transfer function H(s) (step S5).
This makes it possible to stably simulate a two-inertia system without the need for shaft torque detection as in Patent Document 2. However, it is desirable to limit the resonance frequency of the two-inertia system to be simulated to a frequency lower than the cutoff frequency of the low-pass filter LPF.

なお、第1実施形態ではローパスフィルタLPFの伝達関数を1/(τs)として演算する場合について説明したが、必ずしもこの形である必要はなく、ローパスフィルタの伝達関数に応じて開ループゲイン=1における位相遅れを見積もり、その位相遅れを補償するための補償用減衰係数Ccmpを求め、これを模擬したい二慣性系の減衰係数Cに加算して得た補償済みの減衰係数C’を開ループ伝達関数H(s)に与えればよい。
また、第1実施形態では、模擬負荷制御装置30に第2のモータMの速度検出値を入力しているが、モータM,M間を一慣性体とみなしているので、第1のモータMを直接駆動するモータ制御装置10の動作に支障をきたさなければ、第2のモータMの代わりに第1のモータMの速度検出値を入力してもよい。
In the first embodiment, the transfer function of the low-pass filter LPF is calculated as 1/(τ f s) 2. However, this form is not essential. A phase delay at an open-loop gain of 1 can be estimated according to the transfer function of the low-pass filter, a compensating damping coefficient C cmp for compensating for this phase delay can be calculated, and this can be added to the damping coefficient C of the two-inertia system to be simulated to obtain a compensated damping coefficient C', which can then be applied to the open-loop transfer function H(s).
In the first embodiment, the speed detection value of the second motor M2 is input to the dummy load control device 30. However, since the motors M1 and M2 are regarded as a single inertial body, the speed detection value of the first motor M1 may be input instead of the speed detection value of the second motor M2, provided that this does not impede the operation of the motor control device 10 which directly drives the first motor M1 .

次に、本実施形態により二慣性系を模擬した実験結果について説明する。
図1において、単体の慣性Jが何れも1.35×10-5[kgm]であるモータM,Mを、慣性が1.84×10-5[kgm]のカップリング部20により結合し、全慣性Jを4.54×10-5[kgm]として以下の実験を行った。
模擬負荷制御装置30に設定する、模擬したい二慣性系の模擬負荷制御条件として、表1に示すように、条件1~3の各パラメータを用意した。ただし、表1における第1の慣性の値及び第2の慣性の値は、それぞれ、モータM,Mの単体の慣性J(=1.35×10-5[kgm])に対する比(J/J,J/J)である。

Figure 0007491190000010
Next, the results of an experiment simulating a two-inertia system according to this embodiment will be described.
In FIG. 1, motors M 1 and M 2 , each of which has an inertia Jm of 1.35×10 −5 [kgm 2 ], were coupled by a coupling portion 20 with an inertia of 1.84×10 −5 [kgm 2 ], and the following experiment was performed with a total inertia Jr of 4.54×10 −5 [kgm 2 ].
As simulated load control conditions for the two-inertia system to be simulated, which are set in the simulated load control device 30, parameters for conditions 1 to 3 are prepared as shown in Table 1. Note that the first inertia value and the second inertia value in Table 1 are ratios ( J1 / Jm , J2 / Jm ) to the inertia Jm (=1.35× 10-5 [ kgm2 ]) of the motors M1 and M2 alone, respectively.
Figure 0007491190000010

模擬負荷制御におけるローパスフィルタLPFの伝達関数は1/(1+τs)とし、フィルタ定数τ=0.8[ms]とした。また、同制御におけるむだ時間遅れは0.2[ms]と見積もっている。これらと表1の各パラメータとを用いて前述の数式8により補償用減衰係数Ccmpを求め、C’=C+Ccmpとした補償済みの減衰係数C’を用いて開ループ伝達関数H(s)を決定し、図2に示した演算により模擬負荷制御を実装した。 The transfer function of the low-pass filter LPF in the simulated load control is 1/(1+τ f s) 2 , and the filter constant τ f =0.8 [ms]. The dead time delay in the control is estimated to be 0.2 [ms]. Using these and each parameter in Table 1, the compensation damping coefficient C cmp is calculated by the above-mentioned formula 8, and the open loop transfer function H(s) is determined using the compensated damping coefficient C' where C' = C + C cmp , and the simulated load control is implemented by the calculation shown in Figure 2.

また、各パラメータを表1のように設定した上で、モータMを表2に示すモータ制御条件のもとで台形加減速運転し、モータMの速度及びトルクをモニタすることにより、モータ制御装置10側から見た場合の負荷が模擬しようとした二慣性系として振舞うことを確認した。
フィードバック制御の構成は、比例積分制御による速度制御をマイナーループとして内包する、位置の比例制御である。この際、二慣性系として振舞うこと確認するために、モータ制御条件としては、あえて不適切な(反共振周波数における振動が生じやすくなる)位置制御ゲイン、比例制御ゲインを与えている。

Figure 0007491190000011
In addition, after setting each parameter as shown in Table 1, motor M1 was operated with trapezoidal acceleration/deceleration under the motor control conditions shown in Table 2, and the speed and torque of motor M1 were monitored, thereby confirming that the load as viewed from the motor control device 10 behaves as the two-inertia system that was being simulated.
The feedback control is a proportional control of position that includes a minor loop of speed control using proportional-integral control. In order to confirm that the motor behaves as a two-inertia system, the motor control conditions are deliberately set to inappropriate position control gain and proportional control gain (which tend to cause vibration at the anti-resonance frequency).
Figure 0007491190000011

表2のモータ制御条件により、表1に示したパラメータを有する二慣性系負荷そのものを駆動した場合の各条件のシミュレーション結果(モータMの速度及びトルク波形)を図5に示す。これらの二慣性系負荷を駆動する条件としては高すぎる制御ゲインを与えているため、図5から明らかなように、トルク波形に顕著な振動を有するシミュレーション結果が得られた。 Fig. 5 shows the simulation results (speed and torque waveforms of motor M1 ) under each condition when a two-inertia load having the parameters shown in Table 1 is driven under the motor control conditions in Table 2. As the control gains given are too high for the conditions of driving these two-inertia loads, as is clear from Fig. 5, the simulation results show significant vibration in the torque waveform.

次に、表2に示した制御条件を実際のモータ制御装置に設定し、表1に記したパラメータの二慣性系を模擬するように設定した模擬負荷を、前記モータ制御装置により駆動した際の実測結果を図6に示す。この図6からわかるように、模擬負荷を駆動した際の実測結果は二慣性系負荷そのものを駆動した図5のシミュレーション結果とほぼ同様になり、本実施形態によって二慣性系を正しく模擬できることが確認された。 Next, the control conditions shown in Table 2 were set in an actual motor control device, and a simulated load set to simulate a two-inertia system with the parameters shown in Table 1 was driven by the motor control device. The actual measurement results are shown in Figure 6. As can be seen from Figure 6, the actual measurement results when the simulated load was driven were almost the same as the simulation results in Figure 5, in which the two-inertia load itself was driven, and it was confirmed that this embodiment can accurately simulate a two-inertia system.

次いで、図7は、本発明の第2実施形態に係る二慣性系模擬装置の構成図である。
この第2実施形態が第1実施形態と相違する点は、模擬負荷制御装置30に入力される速度信号vを、モータMを駆動するモータ制御装置10から得る点である。モータM,Mはカップリング部20により結合されて一体的に動くため、モータMの速度検出値に代えてモータMの速度検出値をモータ制御装置10から得るようにしても、第1実施形態と同様に二慣性系を模擬することができる。
なお、モータ制御装置10によってモータMを速度制御する場合には、モータMの速度検出値の代わりにモータMの速度指令値を速度信号vとして用いても良い。速度制御ゲインが高くモータMの速度実際値が速度指令値に近ければ、その速度を実現するためにモータ制御装置10が指令するトルクTが模擬したい二慣性系を駆動するためのトルクに等しくなり、二慣性系を模擬していることと同様になる。
Next, FIG. 7 is a configuration diagram of a two-inertia system simulator according to a second embodiment of the present invention.
The second embodiment differs from the first embodiment in that the speed signal v input to the simulated load control device 30 is obtained from a motor control device 10 that drives a motor M1 . Since the motors M1 and M2 are coupled by a coupling unit 20 and move integrally, even if the speed detection value of the motor M1 is obtained from the motor control device 10 instead of the speed detection value of the motor M2 , a two-inertia system can be simulated in the same manner as in the first embodiment.
When the speed of motor M1 is controlled by motor control device 10, the speed command value of motor M1 may be used instead of the detected speed value of motor M1 as speed signal v. If the speed control gain is high and the actual speed value of motor M1 is close to the speed command value, the torque T1 commanded by motor control device 10 to achieve that speed will be equal to the torque for driving the two-inertia system to be simulated, which is equivalent to simulating a two-inertia system.

図8は、本発明の第3実施形態に係る二慣性系模擬装置の構成図である。また、図9は模擬負荷制御装置30の制御ブロック図であり、32は速度オブザーバ、Gobはオブザーバゲイン、31a,31b,31cは加減算手段を示している。
この第3実施形態では、図9に示すように、オブザーバゲインGobを有する速度オブザーバ32にモータMによるトルクTとモータMの速度検出値とが入力されてモータMの速度推定値が演算され、この速度推定値に基づいて、モータMにトルクTを出力させるような制御が行われる。
本実施形態の制御は第1実施形態または第2実施形態に対して若干複雑になるが、速度推定値に含まれる高周波ノイズは速度検出値に含まれる高周波ノイズより小さくなるため、ローパスフィルタLPFの時定数τを低減することができる。
Fig. 8 is a block diagram of a two-inertia system simulator according to a third embodiment of the present invention. Fig. 9 is a control block diagram of a simulated load controller 30, in which 32 denotes a speed observer, G ob denotes an observer gain, and 31 a, 31 b, and 31 c denote addition and subtraction means.
In the third embodiment, as shown in FIG. 9, the torque T1 generated by the motor M1 and the detected speed value of the motor M2 are input to a speed observer 32 having an observer gain G ob to calculate an estimated speed value of the motor M2 , and control is performed so that the motor M2 outputs a torque T based on this estimated speed value.
Although the control of this embodiment is slightly more complicated than that of the first or second embodiment, the high frequency noise contained in the estimated speed value is smaller than the high frequency noise contained in the detected speed value, so that the time constant τf of the low pass filter LPF can be reduced.

更に、図10は、本発明の第4実施形態に係る二慣性系模擬装置の構成図である。
この第4実施形態が第3実施形態と相違する点は、モータMの速度検出値の代わりにモータMの速度検出値をトルクTと共に模擬負荷制御装置30に入力している点であり、以降の制御は第3実施形態と同じである。
この第4実施形態においてはモータMの速度検出値を模擬負荷制御装置30側に伝送する手段が必要となるが、モータMの速度を直接検出できない場合でも二慣性系を模擬することが可能になる。
Further, FIG. 10 is a configuration diagram of a two-inertia system simulator according to a fourth embodiment of the present invention.
The fourth embodiment differs from the third embodiment in that the detected speed value of motor M1 is input to the dummy load control device 30 together with torque T1 instead of the detected speed value of motor M2 , but the subsequent control is the same as in the third embodiment.
In the fourth embodiment, a means for transmitting the detected speed value of the motor M1 to the dummy load control device 30 is required, but even if the speed of the motor M2 cannot be detected directly, it is possible to simulate a two-inertia system.

本発明は、サーボシステムを始めとしたモータ制御装置や駆動機器の開発・検証に利用することができ、これらの装置を使用して駆動システムを調整する者を対象とした教育・訓練のためのツールとしても活用可能である。 The present invention can be used in the development and verification of motor control devices and drive equipment, including servo systems, and can also be used as an educational and training tool for those who use these devices to adjust drive systems.

10:モータ制御装置
20:カップリング部
30:模擬負荷制御装置
31a~31c:加減算手段
32:速度オブザーバ
:第1のモータ
:第2のモータ
LPF:ローパスフィルタ
10: Motor control device 20: Coupling section 30: Dummy load control devices 31a to 31c: Addition and subtraction means 32: Speed observer M 1 : First motor M 2 : Second motor LPF: Low pass filter

Claims (5)

モータ制御装置により駆動される第1のモータの回転軸にカップリング部を介して第2のモータの回転軸を結合し、前記第2のモータまたは第1のモータの速度信号vを入力として前記第2のモータがトルクTを出力するように前記第2のモータを制御する模擬負荷制御装置を備え、
前記模擬負荷制御装置は、
前記第1のモータの回転軸と一体的に動くと想定される部分の慣性を第1の模擬慣性Jとし、前記カップリング部以降に前記第1のモータの回転軸よりも剛性が低く、前記第1の模擬慣性Jと弱く結合して動く部分が存在することを想定してその部分の慣性を第2の模擬慣性Jとし、前記第1の模擬慣性Jと、前記第2の模擬慣性Jと、前記第1の模擬慣性Jと前記第2の模擬慣性Jとの間の弾性定数K及び減衰係数Cと、前記第1のモータ及び前記第2のモータ並びに前記カップリング部を合わせた実際の全慣性Jと、を設定項目として有し、
前記第2のモータが出力するトルクTを、
前記設定項目と、二慣性系を模擬する制御により生じる位相遅れを補償するための補償用減衰係数Ccmpを前記減衰係数Cに加えた補償後の減衰係数C’=C+Ccmpを定数として有する伝達関数H(s)と、ローパスフィルタの伝達関数と、を前記速度信号vに演算することにより与えることを特徴とする二慣性系模擬装置。
a dummy load control device that couples a rotary shaft of a second motor via a coupling unit to a rotary shaft of a first motor driven by a motor control device, and controls the second motor by receiving a speed signal v of the second motor or the first motor as an input so that the second motor outputs a torque T;
The simulated load control device includes:
the inertia of a portion assumed to move integrally with the rotation shaft of the first motor is defined as a first simulated inertia J1 , and assuming that a portion exists downstream of the coupling unit that has a lower rigidity than the rotation shaft of the first motor and moves while weakly coupled to the first simulated inertia J1 , the inertia of the portion is defined as a second simulated inertia J2 , and the first simulated inertia J1 , the second simulated inertia J2 , an elastic constant K and a damping coefficient C between the first simulated inertia J1 and the second simulated inertia J2 , and an actual total inertia Jr of the first motor, the second motor, and the coupling unit are included as setting items;
The torque T output by the second motor is
a transfer function H(s) having as a constant a compensated damping coefficient C'=C+C cmp obtained by adding a compensating damping coefficient C cmp for compensating for a phase delay caused by control simulating a two-inertia system to the damping coefficient C, and a transfer function of a low-pass filter, which are applied to the velocity signal v by calculation;
請求項1に記載した二慣性系模擬装置において、
前記伝達関数H(s)を、以下の数式Aにより与えることを特徴とする二慣性系模擬装置(sはラプラス演算子)。
Figure 0007491190000012
In the two-inertia system simulator according to claim 1,
A two-inertia system simulator, characterized in that the transfer function H(s) is given by the following formula A (s is the Laplace operator).
Figure 0007491190000012
請求項1または2に記載した二慣性系模擬装置において、
前記補償用減衰係数Ccmpは、前記伝達関数H(s)と前記ローパスフィルタの伝達関数との積の絶対値が1となるゲイン交差周波数ωにおいて、前記ローパスフィルタによる演算及び前記トルクTの演算が行われてから前記トルクTが印加されたことにより変化した速度が速度信号vに反映されるまでの遅延時間によって生ずる位相遅れΔθに対して、補償後の減衰係数C’=Ccmpとして前記伝達関数H(s)を求めた時の位相∠H(s)が前記位相遅れΔθと等しくなるように与えることを特徴とする二慣性系模擬装置。
In the two-inertia system simulator according to claim 1 or 2,
The compensating damping coefficient C cmp is given so that a phase ∠H(s) when the transfer function H(s) is calculated as a compensated damping coefficient C'=C cmp becomes equal to a phase lag Δθ caused by a delay time from when the calculation by the low-pass filter and the calculation of the torque T are performed until when the speed changed due to the application of the torque T is reflected in a speed signal v at a gain crossover frequency ωG where the absolute value of the product of the transfer function H(s) and the transfer function of the low-pass filter is 1.
請求項1~3の何れか1項に記載した二慣性系模擬装置において、
模擬しようとする二慣性系の共振周波数を、前記ローパスフィルタのカットオフ周波数未満に限定したことを特徴とする二慣性系模擬装置。
In the two-inertia system simulator according to any one of claims 1 to 3,
A two-inertia system simulator, characterized in that the resonant frequency of the two-inertia system to be simulated is limited to a frequency lower than the cutoff frequency of said low-pass filter.
請求項1~4の何れか1項に記載した二慣性系模擬装置において、
前記速度信号vを、前記第2のモータまたは前記第1のモータの速度検出値または速度推定値、或いは、前記モータ制御装置により前記第1のモータを速度制御する際の速度指令値として与えることを特徴とする二慣性系模擬装置。
In the two-inertia system simulator according to any one of claims 1 to 4,
A two-inertia system simulator characterized in that the speed signal v is provided as a speed detection value or a speed estimate value of the second motor or the first motor, or as a speed command value when the motor control device controls the speed of the first motor.
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