JPWO2018220751A1 - 状態監視装置、並びに機器システム - Google Patents

Abstract

本発明は、モデル化が難しい機器システムの状態を推定することができる状態監視装置、並びにこれを備える機器システムを提供する。モータ制御手段４によって制御されるモータ２によって駆動される機器を備える機器システムの状態監視装置が、モータ制御手段４における状態変数であるモータ制御内部値を作成するモータ制御内部値作成手段６と、モータ制御内部値作成手段６によって作成されるモータ制御内部値に基づいて、機器システムの状態を推定する状態推定手段５と、を備える。

Description

本発明は、モータによって駆動される機器を備える機器システムの状態を推定する状態監視装置、並びに状態監視装置を搭載する機器システムに関する。

工場などで使用される工作機械システムにおいては、生産性向上や製造物の品質安定化のために、機器の稼動状態や機器によって製造される製造物の状態を詳細に監視することが要求される。また、鉄道や自動車などの車両機器システムにおいても、故障を事前に予知するために、機器システムの稼動状態を監視することが要求される。

このような状態監視においては、一般的に、センサを用いて、直接、状態量が取得される。しかし、機器システムによっては、センサの設置が物理的、コスト的に難しい場合がある。これに対し、例えば、特許文献１に記載の従来技術が知られている。

本従来技術によるモータ制御装置は、モータ、モータによって駆動される機構部およびモータ制御部からなる実機部と、モータモデル、機構モデル部および制御モデル部からなるシミュレーションモデル部と、を備える。シミュレーションモデル部には、剛体モデルから求められるイナーシャが初期値として設定される。

実機部およびシミュレーションモデル部は、上位コントローラから与えられる位置指令に応じて動作する。このとき、実機部において位置検出器によって検出される位置フィードバック量と、シミュレーションモデル部におけるモデル位置フィードバック量とが比較される。そして、比較結果に応じて、両者が一致するように、シミュレーションモデル部に設定されるイナーシャの値が変更される。

このように、本従来技術によれば、ロボットなどの機器システムにおいて、機器システムの状態に応じて変動するイナーシャを、簡単に推定することができる。

特開２００４−２６０８９１号公報

しかしながら、上記従来技術では、伝達関数によってモデル化することが難しい複雑な機器システムに対しては、機器の状態を推定することが難しい。例えば、射出成形機で加工される製造物の品質（例えば、バリの有無）や加工に用いる金型の劣化度合いについては、物理的な知見や理論に基づいて、伝達関数によってモデル化することは困難である。

そこで、本発明は、モデル化が難しい機器システムの状態を推定することができる状態監視装置、並びにこれを備える機器システムを提供する。

上記課題を解決するために、本発明による状態監視装置は、モータ制御手段によって制御されるモータによって駆動される機器を備える機器システムの状態監視装置であって、モータ制御手段における状態変数であるモータ制御内部値を作成するモータ制御内部値作成手段と、モータ制御内部値作成手段によって作成されるモータ制御内部値に基づいて、機器システムの状態を推定する状態推定手段と、を備える。

また、上記課題を解決するために、本発明による機器システムは、モータによって駆動される機器を備える機器システムであって、モータの駆動力によって操作されるアクチュエータと、モータを制御するモータ制御手段と、モータ制御手段における状態変数であるモータ制御内部値を作成するモータ制御内部値作成手段と、モータ制御内部値作成手段によって作成されるモータ制御内部値に基づいて、機器システムの状態を推定する状態推定手段と、状態推定手段によって推定される機器システムの状態に関わる情報を表示する情報伝達手段と、を備える。

本発明によれば、モータ制御内部値に基づいて、機器システムの状態を推定することにより、モデル化が難しい機器システムの状態を推定することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態における、モータ特性値の時間変化の一例を示す。 本発明の実施例１である、状態監視装置を備える機器システムの構成を示す。 モータ制御手段の構成を示すブロック図である。 モータ制御内部値作成手段の構成を示すブロック図である。 状態算出手段の構成例を示すブロック図である。 状態算出手段の構成例を示すブロック図である。 情報伝達手段の構成例を示すブロック図である。 電流指令作成部の構成を示す。 本発明の実施例２である、状態監視装置を備える機器システムの構成を示す。 状態推定手段更新手段の構成例を示す。 状態推定モデルの更新例を示す。 本発明の実施例３である、状態監視装置を備える機器システムの構成を示す。 本発明の実施例４である、状態監視装置を備える機器システムの構成を示す。 本発明の実施例５である、工作機械システムの構成を示す。 本発明の実施例６である、車両機器システムの構成を示す。

本発明の実施形態では、機器システムの状態に関連性の高いモータ制御内部値を用いて、伝達関数によるモデル化が難しい複雑な機器システムの状態が推定される。また、推定された状態を用いて、機器作業員の負担を軽減できる機器システムが構成される。

ここで、機器システムの状態とは、機器自体の状態、例えば、動作状態の異常の有無や、機器の劣化の度合いなど、並びに、機器システムによって製造される製造物の状態、例えば、品質など、である。また、状態量は、機器システムの状態を示す指標であり、本実施形態では、モータ制御内部値を用いて、特殊な手段（複雑なシミュレーションなど）を用いることなく推定される。

まず、モータ制御内部値を用いる機器システム状態の推定メカニズムについて、図１を用いて説明する。

図１は、本実施形態における、モータ特性値の時間変化（時系列データ）の一例を示す。図中、ω_ｍ、Ｉｍ、Ｖｍは、それぞれ、実機におけるモータ回転数、モータ電流およびモータ電圧である。また、図中、モータ制御内部値であるｑ軸電圧指令値Ｖｑとｄ軸電圧指令Ｖｄの二乗和平方根の時間変化を示す。

なお、モータは、インバータによって駆動され、かつ、いわゆるベクトル制御によって、モータ電流が一定値となるように制御される。

図１に示すように、負荷脈動が発生しているため、モータ回転数（ω_ｍ）が脈動している。ここで、機器システムが、電流センサおよび電圧センサは備えているが、モータ回転数センサを備えていない場合、モータ電流やモータ電圧に係る情報（Ｉｍ，Ｖｍ）を得ることはできても、これらの情報から負荷の脈動を検出あるいは推定することは難しい。

一方で、図１に示すように、ｑ軸電圧指令値Ｖｑとｄ軸電圧指令Ｖｄの二乗和平方根には、モータ脈動の情報が含まれている。モータ回転数が負荷脈動に応じて変動する時、初期段階ではモータ電流が振動するが、モータ電流一定制御により、ｑ軸電圧指令値Ｖｑとｄ軸電圧指令Ｖｄを脈動させて、モータ電流が一定に保たれる。その結果、モータ電流（Ｉｍ）やモータ電圧（Ｖｍ）には脈動の情報が現れないが、ｑ軸電圧指令値Ｖｑとｄ軸電圧指令Ｖｄの二乗和平方根には脈動の情報が現れる。すなわち、モータ制御内部値であるｑ軸電圧指令値Ｖｑとｄ軸電圧指令Ｖｄに基づいて、機器システムの一状態量であるモータの負荷を推定することができる。

以下、本発明の実施形態について、実施例１〜６により、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、名称あるいは参照番号が同一のものは、同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

図２は、本発明の実施例１である、状態監視装置を備える機器システムの構成を示す。なお、本実施例１においては、マイクロコンピュータなどの演算処理装置が、所定のプログラムを実行することにより、制御装置や状態監視装置として機能する（他の実施例も同様）。

本実施例１は、動力源として、インバータ１と、インバータ１によって回転駆動されるモータ２を備える。さらに、本実施例１は、モータ２により駆動されて、機械的動作を行うアクチュエータ３を備える。

インバータ１は、いわゆるベクトル制御方式が適用されるモータ制御手段４により制御される。モータ制御手段４は、インバータ１あるいはモータ２からモータ電流、モータ電圧、回転子の位置情報、回転数などの情報を取得し、それらの情報を基に、上位コントローラからの指令に応じて、モータ２を駆動するための電圧指令値を作成する。そして、モータ制御手段４は、作成した電圧指令値をインバータ１に与える。

外部データ取得手段１０は、機器システムにおいてモータ２やインバータ１以外に設置されるセンサなどから構成され、機器の温度や外気温、機器の上位指令値などを取得する。

状態推定手段５は、モータ制御内部値を作成するモータ制御内部値作成手段６と、モータ制御内部値作成手段６によって作成されるモータ制御内部値に基づいて機器システムの状態量を算出する状態算出手段７を備える。

モータ制御内部値作成手段６は、モータ２の入力部あるいは出力部に、モータ制御手段４用とは別に、独立に設置される電流センサ、電圧センサおよび位置センサによって取得される時系列データと、外部データ取得手段１０によって取得されるデータとに基づいて、モータ制御手段４における状態変数であって機器システムの状態に関連するモータ制御内部値を作成する。

状態算出手段７は、状態推定モデルを有し、状態推定モデルを用いて、モータ制御内部値作成手段６によって作成されるモータ制御内部値に基づいて、機器システムの状態、すなわち機器自体の状態や機器によって製造される製造物の状態（品質など）示す状態量を算出する。

すなわち、状態推定手段５は、前述の各センサや外部データ取得手段１０によって取得されるデータを入力して、入力するデータから作成されるモータ制御内部値を作成し、作成されるモータ制御内部値に基づいて算出される状態量もしくはこの状態量が示す機器システムの状態に関する情報（以下、「推定状態」と記す）を出力する。状態推定手段５から出力される推定状態は、後述する情報伝達手段８およびモータ制御手段更新手段９に伝送される。

情報伝達手段８は、状態推定手段５から出力される推定状態に応じて、機器システムの状態に関する情報、例えば、機器自体の状態やその変化、あるいは製造物の品質やその変化に関する情報を、ディスプレイ、音声、ランプなどにより、機器システムを用いる作業員や機器システムの管理者に通知する。これにより、機器のメンテナンス時期の把握や、品質変化時の状況把握および機器調整作業などにおける、作業負荷が軽減できる。

モータ制御手段更新手段９は、状態推定手段５から出力される推定状態に基づいて、モータ制御手段４、すなわち制御指令や制御パラメータもしくは制御ソフトを変更する。例えば、製造物の品質が変化してきた場合、モータ制御手段更新手段９は、品質の変化を抑制するようにモータ制御手段４を変更する。これにより、機器システムの調整作業が自動化できるので、作業負荷が軽減される。

次に、モータ制御手段４、状態推定手段５について、さらに詳細を説明する。

図３は、モータ制御手段４の構成を示すブロック図である。

図３では、上位コントローラからの指令が、位置指令θ＊であるが、速度（回転数）指令ω＊やトルク指令Ｔｒｑ＊でもよい。なお、上位コントローラからの指令が速度（回転数）指令ω＊およびトルク指令Ｔｒｑ＊である場合、モータ制御手段４のブロック図は、それぞれ、図３中の境界線Ａより右側のブロック図および境界線Ｂより右側のブロック図となる。

図３に示すように、位置指令θ＊が上位コントローラからモータ制御手段４に入力されると、速度指令作成部１０１は、センサにより実測される位置フィードバック値θ_ｍと位置指令値θ＊との差分に基づいて、速度指令ω＊を作成して出力する。

トルク指令作成部１０２は、速度指令ω＊を入力すると、センサにより実測される速度（回転数）フィードバック値ω_ｍと速度指令ω＊との差分に基づいて、トルク指令Ｔｒｑ＊を作成して出力する。

電流指令作成部１０３は、トルク指令Ｔｒｑ＊を入力すると、トルク指令Ｔｒｑ＊に基づいて、回転座標系におけるｄｑ軸上の電流指令、すなわちｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｑ軸電流指令Ｉｑ＊を作成して出力する。

電圧指令作成部１０４は、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｑ軸電流指令Ｉｑ＊を入力すると、ｄ軸電流フィードバック値Ｉｄとｄ軸電流指令Ｉｄ＊との差分、およびｑ軸電流フィードバック値Ｉｑとｑ軸電流指令Ｉｑ＊との差分に基づいて、ｄｑ軸上の電圧指令、すなわちｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を作成して出力する。

ここで、ｄ軸電流フィードバック値Ｉｄとｑ軸電流フィードバック値Ｉｑは、センサにより実測されるモータのＵ相電流フィードバック値Ｉｕ、Ｖ相電流フィードバック値ＩｖおよびＷ相電流フィードバック値Ｉｗを、３相／２相変換部１０６によって３相２相変換して得られる。

２相／３相変換部１０５は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を入力すると、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊およびＷ相電圧指令Ｖｗ＊に変換し、これら電圧指令をインバータ１へ出力する。

次に、状態推定手段５について説明する。

前述のように（図２参照）、状態推定手段５は、モータ制御内部値作成手段６および状態算出手段７を備える。そこで、まず、モータ制御内部値作成手段６を説明し、次に、状態算出手段７について説明する。

図４は、モータ制御内部値作成手段６の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、モータ制御内部値作成手段６は、いわば、図３に示すモータ制御手段４の逆モデルになっている。すなわち、モータ制御内部値作成手段６は、モータ制御手段４（図３参照）における速度指令作成部１０１、トルク指令作成部１０２、電流指令作成部１０３、電圧指令作成部１０４、２相／３相変換部１０５および３相／２相変換部１０６に対応して、それぞれ、速度指令作成部逆モデル１１１、トルク指令作成部逆モデル１１２、電流指令作成部逆モデル１１３、電圧指令作成部逆モデル１１４、３相／２相変換部１１５および３相／２相変換部１１６を備えている。

図４では、上位コントローラからモータ制御手段４への指令が、位置指令θ＊であるが、トルク指令Ｔｒｑ＊や速度指令ω＊でもよい。なお、上位コントローラからの指令が、トルク指令Ｔｒｑ＊、速度指令ω＊および、位置指令θ＊である場合、モータ制御内部値作成手段６のブロック図は、それぞれ、図４中の境界線Ｃより右側のブロック図、境界線Ｄより右側のブロック図および境界線Ｅより右側のブロック図となる。

図４に示す構成により、モータ制御内部値作成手段６は、モータ２の入力部あるいは出力部に、モータ制御手段４用とは別に、独立に設置される電流センサ、電圧センサおよび位置センサによって取得される時系列データである、モータ３相電圧フィードバック値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、モータ３相電流フィードバック値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと、速度フィードバック値ωｍと、位置フィードバック値θｍのいずれかあるいは複数に基づいて、ｄ軸電流フィードバック値Ｉｄとｑ軸電流フィードバック値Ｉｑ、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｑ軸電流指令Ｉｑ＊、トルク指令Ｔｒｑ＊、速度指令ω＊、位置指令θ＊を算出する。

なお、本実施例１においては、モータ制御手段４の状態変数である、θ＊，θｍ，ω＊，ωｍ，Ｔｒｑ＊，Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉｄ，Ｉｑ，Ｖｄ＊，Ｖｑ＊，Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊，Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ，Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、指令値と実測値との差分、制御器を構成する比例器、積分器、微分器の出力値が、モータ制御内部値である。すなわち、モータ制御手段４におけるこれらのモータ制御内部値のいずれかあるいは複数が、モータ制御内部値作成手段６によって作成される。

なお、本実施例１においては、図４に示すモータ制御内部値作成手段６により、モータ制御手段４の状態変数の内、モータ制御手段４による処理の過程で作成されて用いられ、モータ制御手段４からは出力されない状態変数（例えば、Ｉｄ＊，Ｉｑ＊，Ｉｄ，Ｉｑ，Ｖｄ＊，Ｖｑ＊）も作成することができる。これにより、本実施例１は、多種多様な機器システムの様々な状態の推定に適用することができる。

図５および図６は、状態算出手段７の構成例を示すブロック図である。

上述のように、状態算出手段７（図２参照）は、モータ制御内部値作成手段６によって作成される少なくとも一つのモータ制御内部値に基づいて、機器システムの状態、すなわち機器自体の状態や機器によって製造される製造物の状態（品質など）を示す状態量を算出する。なお、状態算出手段７は、モータ制御内部値に加えて、外部データ取得手段１０（図２参照）で取得したデータ（機器の温度など）に基づいて状態量を算出しても良い。そこで、図５および図６では、モータ制御内部値（Ｘ１〜Ｘｎ）および外部データ取得手段１０で取得されるデータ（Ｚ１〜Ｚｎ）が状態算出手段７へ入力されている。

図５，６中のＸ１〜Ｘｎはモータ制御内部値を示し、Ｚ１〜Ｚｎは外部データ取得手段１０で取得される情報を示す。状態算出手段７には、少なくとも一つのモータ制御内部値が入力される。また、状態算出手段７への外部データ取得手段１０で取得される情報の入力の有無および入力数は任意である。

状態算出手段７に入力される、モータ制御内部値および外部データ取得手段１０で取得される情報の種類や個数は、状態算出手段の構成（例えば、後述する統計的モデル）に応じて設定される。

なお、図５，６中、Ｘｎ，Ｚｎ，Ｃｎ（後述）の添え字を、便宜上、同じ「ｎ」にしているが、この「ｎ」は、Ｘｎ，Ｚｎ，Ｃｎの各個数が任意であることを示しており、Ｘｎ，Ｚｎ，Ｃｎの個数が同数であることを意味するものではない。

図５の構成例では、状態算出手段７は、状態量算出に用いる統計的モデルとして、回帰式を有する。本構成例において、状態算出手段７は、回帰式の説明変数となる特徴量を設定する特徴量算出手段１２１と、特徴量算出手段１２１によって設定される特徴量に基づいて、回帰式により状態量（目的変数）を算出する演算手段１２２を備える。

特徴量算出手段１２１は、ＸｎおよびＺｎを入力し、入力したＸｎおよびＺｎに基づいて、演算手段１２２の入力とする特徴量（説明変数）Ｃｎを算出する。特徴量算出手段１２１は、ＸｎやＺｎの瞬時データを加工せずにそのまま特徴量Ｃｎとして出力したり、所定の時間区間においてＸｎやＺｎの瞬時データを周波数分析した結果（振幅、位相など）、所定の時間区間における実効値、平均値、標準偏差、最大値もしくは最小値、所定の時間区間におけるオーバーシュート量やピーク値を出力したりする。特徴量Ｃｎの個数は、回帰式に応じて、単数でも良いし、複数でも良い。

また、特徴量算出手段１２１は、モータ制御内部値から演算される所定量、例えば、有効電力、無効電力、図１に示すようなＶｑとＶｄの二乗和平方根などを、特徴量として出力しても良い。また、いわゆるオブザーバにより推定される外乱トルクなどを特徴量としても良い。なお、これらの特徴量は、さらに周波数分析や統計的計算（平均）などを施してから出力されても良い。

演算手段１２２は、特徴量算出手段１２１から出力される特徴量Ｃ１〜Ｃｎを入力し、特徴量Ｃ１〜Ｃｎに基づいて状態量推定値（Ｙａ，Ｙｂ）を算出する。

図５の構成例においては、図中のグラフが示すように、特徴量Ｃ１を説明変数とし、機器の状態や製造物の品質を示す状態量Ｙを目的変数とする一次元の回帰式が適用される。ここで、演算手段１２２は、入力する特徴量Ｃ１の値がＣａである場合、Ｃａに対する回帰式の計算値Ｙａを現時点の状態量（推定値）として出力する。また、演算手段１２２は、Ｃａに対する状態量の標準偏差Ｙｂを状態量（推定値）として出力する。このように、回帰式を用いると、平均的な状態量を推定できるとともに、状態量のばらつき量も推定できる。従って、機器や製造物の状態を推定できると共に、その状態の発生割合を推定することできる。

状態推定手段５は、算出される状態量（推定値）を推定状態として出力しても良いし、この状態量が示す機器システムの状態に関する情報（例えば、機器の稼動状態や製造物の品質の良否など）を推定状態として出力しても良い。

なお、演算手段１２２における回帰式は、過去に取得したモータ制御内部値のデータと、そのデータを取得した際における機器状態の監視データや、製造物の検査結果を用いて、統計モデリングなどにより予め求められる。

その他の状態算出手段７の構成例を図６に示す。

図６の構成例では、状態算出手段７は、状態量算出に用いる統計的モデルとして、クラスタリング結果を有する。本構成例において、状態算出手段７は、前述の図５における特徴量算出手段１２１と同じ機能を有する特徴量算出手段１２３と、特徴量算出手段１２１によって設定される特徴量に基づいて、機器状態や製造物状態に関するクラスタリング結果により状態量を算出する分類部１２４を備える。

なお、図６中、Ｘ１〜Ｘｎ、Ｚ１〜Ｚｎ、Ｃ１〜Ｃｎについては、図５で説明したとおりである。

分類部１２４は、予めクラスタリングによって求められる、特徴量空間（図６では二次元（Ｃ１，Ｃ２））内で、機器や製造物が所定の状態（例えば、正常状態）を示す範囲と、特徴量算出手段１２１によって設定される特徴量Ｃ１〜Ｃｎ、すなわち特徴量空間内における空間点との距離を演算する。し、演算される距離に基づいて、機器や製造物の状態が所定の状態であるか否かを判定する。そして、分類部１２４は、判定結果に応じた状態量（推定値）Ｙ３を出力する。

図６の構成例においては、図中のクラスタリング結果例が示すように、分類部１２４は、入力される特徴量Ｃ１およびＣ２がそれぞれＣａおよびＣｂである場合、二次元特徴量空間における点（Ｃａ，Ｃｂ）と、同空間内における製造物品質正常範囲（クラスタ）との距離を算出する。分類部１２４は、算出される距離あるいはこれに対応する所定量を状態量（推定値）Ｙ３として出力する。ここで、算出される距離としては、例えば、ユークリッド距離やマハラノビス距離などを用いることができる。

状態推定手段５は、算出される状態量（推定値）を推定状態として出力しても良いし、この状態量が示す機器システムの状態に関する情報（例えば、機器や製造物品質の異常の有無）を推定状態として出力しても良い。

このように、クラスタリングの結果を用いることにより、機器や製造物の状態が所定の状態（例えば、正常状態）であるか否かを高精度に推定できる。

特徴量空間は、２次元空間に限らず、３次元以上の多次元空間でも良い。また、距離を判定する所定状態量の範囲（クラスタ）は、複数でも良い。これにより、機器や製造物の状態が、複数の所定状態のいずれであるかが判定できる。

なお、分類部１２４が使用するクラスタリング結果は、過去に取得したモータ制御内部値と、そのデータを取得した際における機器状態の監視データや、製造物の検査結果を用いて、機械学習や人工知能によりなどにより予め求められる。

なお、状態量の算出に統計的モデルを用いることにより、機器の劣化や製造物の品質など、伝達関数によるモデル化や、物理モデルの構築が難しい場合でも、機器システムの状態を高精度に推定できる。

次に、情報伝達手段８について、さらに詳細を説明する。

情報伝達手段８（図２参照）は、状態推定手段５から出力される推定状態を画像や音声などにより表示する。また、推定状態とともに、状態推定手段５において用いられる特徴量を表示しても良い。さらに、推定状態の時間的推移を表示しても良い。このような表示により、作業者が現在の機器や製造物の状態を精度良く把握することができる。なお、状態量の基準値や閾値、データが示す意味（例えば、機器の調整の必要性に関する情報）などを同時に表示しても良い。これにより、作業者は、機器や製造物の状態の良否や適否を、的確に判断することができる。

なお、情報の表示手段としては、ディスプレイのような画像表示手段、警報機のような音声表示手段、回転警告灯（いわゆるパトランプ）などのような点灯表示手段などがある。例えば、警報機や回転警告灯を用いる場合、情報伝達手段８は、状態量推定値Ｙａを所定の閾値と比較し、閾値以上であれば、警報機や回転警告灯を作動させる。

図７は、情報伝達手段８の構成例を示すブロック図である。本構成例は、状態量（推定値）や特徴量のデータを表示するととともに、これらのデータを加工して、機器や製造物の状態に関わる情報を作成する情報処理部１２５と、情報処理部１２５が作成する情報を表示するディスプレイを備える。情報処理部１２５が作成する情報は、例えば、製造物の品質を示す状態量（推定値）Ｙ１（＝Ｙａ）が仕様値（Ｙｔ）を越えている場合に、状態量ＹをＹｔ以下にするための機器の調整に関する指標である。

図７の構成例においては、状態推定手段５（図２）が出力する状態量（推定値）Ｙａすなわち推定状態が、情報処理部１２５における回帰式逆モデル部１２７に入力される。回帰式逆モデル部１２７は、前述の演算手段１２２（図５）の逆モデルであり、入力するＹａに応じて、品質を示す状態量Ｙ（＝Ｙ１＝Ｙａ）を仕様値Ｙｔ以下にするための特徴量Ｃ１の変化量ΔＣを算出する。

情報処理部１２５における変換部１２８は、回帰式逆モデル部１２７によって算出される特徴量の変化量ΔＣに応じて、機器の調整に関する指標を作成する。例えば、変換部１２８は、モータ制御手段４（図２）における制御ゲインの変更値Ｋ’（＝Ｋ＊（Ｃａ−ΔＣ）／Ｃａ（Ｋ：現時点での制御ゲイン））を算出する。さらに、変換部１２８は、制御ゲインの変更値Ｋ’に応じて、制御ゲインの調整に関する指標（例えば、現状から上げるか、あるいは下げるか）をディスプレイ１２６に画像表示する。なお、Ｋ’の値を表示しても良い。

ここで、特徴量Ｃ１がｑ軸電流指令Ｉｑ＊である場合、モータ制御手段４（図２）における電流指令作成部１０３（図３）の制御ゲイン（Ｋ）の調整指標が表示される。なお、この場合における、電流指令作成部１０３の構成を図８に示す。なお、図８の構成は、公知技術によるものであるため、構成の説明は省略する。

図７に示す情報伝達手段によれば、調整作業に関する指標が表示されるので、作業員が的確に機器の調整を行えるとともに、機器調整作業における作業員の負担が軽減される。

次に、モータ制御手段更新手段９について、さらに詳細を説明する。

モータ制御手段更新手段９（図２）は、状態推定手段５から出力される推定状態に応じて、モータ制御手段におけるモータ制御指令値や制御パラメータを更新する。例えば、モータ制御手段更新手段９は、状態量（推定値）を所定閾値と比較し、比較結果に応じて、予め設定されているモータ制御の指令値、制御パラメータを増減する。

モータ制御手段更新手段９は、閾値に代えて、所定の関数を用いて、モータ制御指令値や制御パラメータを変更しても良い。さらに、モータ制御手段更新手段９は、入力される状態量（推定値）が複数ある場合、機器学習を用いて、変更するモータ制御指令値やモータ制御パラメータを探索するとともに、探索されたモータ制御指令値やモータ制御パラメータを、これら複数の状態量（推定値）に応じて変更しても良い。機器学習としては、例えば、Ｑ学習などの強化学習が適用できる。

なお、モータ制御指令値やモータ制御パラメータに限らず、モータ制御用ソフトウェア自体を変更しても良い。

上述のようなモータ制御手段更新手段９によれば、機器や製造物の状態に応じて、機器を自動で調整できる。これにより、作業員の作業負担を軽減できる。

上述のように、本実施例１によれば、センサ情報や外部データ取得手段によって取得される情報から、機器システムの状態すなわち機器自体の状態や製造物の状態に影響するモータ制御内部値を推定し、推定されるモータ制御内部値に基づいて機器システムの状態を推定することにより、伝達関数などによってモデル化することが難しい機器システムの状態を推定することができる。

なお、本実施例１において、モータ制御内部値作成手段６は、モータ制御手段４用とは別に設置されるセンサによって取得されるデータに基づいてモータ制御内部値を作成するが、モータ制御手段４用のセンサに基づいて作成しても良い。これにより、センサ数を増加することなく、機器システムに状態監視機能を備えることができる。なお、状態監視用に独立にセンサを設けることにより、図２における状態推定手段５を備える状態監視装置を機器システムに搭載する場合、モータ制御手段４用のセンサの配線の変更や特性の再調整を必要としない。従って、状態監視装置を機器システムに容易に搭載することができる。特に、既存の機器システムに対して、容易に状態監視装置を設けることができる。また、状態監視装置がモータ制御手段の動作に影響を及ぼさないので、モータ制御手段の再調整が不要になると共に、状態制御装置の動作に関わりなく、モータの制御を維持できる。

図９は、本発明の実施例２である、状態監視装置を備える機器システムの構成を示す。以下、主に、実施例１と異なる点について説明する。

本実施例２においては、状態算出手段１７で用いられる回帰式やクラスタリング結果などが、機器システムの状態に応じて更新される。このため、図９に示すように、実施例１の機器システムに対して、状態量取得手段２０と状態推定手段更新手段２１が追加されている。

状態量取得手段２０は、機器システムの実際の状態の記録（図示せず）から、状態推定手段更新手段２１において用いられるデータ、すなわち記録されている実際の状態量を抽出する。このような記録は、例えば、機器に関する過去のメンテナンス記録や、製造物に関する過去の品質検査記録である。

メンテナンス記録の内容は、例えば、機器の故障箇所、故障状態（例えば、工作機械の加工ツールの破損状態（折れ、欠け））、故障するまでの稼働時間、故障に至らない異常の発生箇所、異常状態、異常が発生するまでの稼働時間である。また、品質検査記録の内容は、例えば、切削装置によって加工される切削物の表面粗さ、混練機によって混練される混練物の粘度、射出成形機による製造物におけるバリおよびソリの有無である。これらの記録は電子データ化されてデータベース化されることが多い。従って、状態量取得手段２０は、データベース操作が実行可能なＳＱＬ（Structured Query Language）が扱えるソフトウェアを用いて構成しても良い。

状態推定手段更新手段２１は、状態量取得手段２０が抽出するデータと、このデータと関連付けられる少なくともひとつのモータ制御内部値と、状態算出手段１７が出力する情報を入力して、これらの情報に基づいて、状態算出手段１７で用いる回帰式やクラスタリング結果などを更新する。ここで、状態推定手段更新手段２１が入力するモータ制御内部値のデータは、状態量取得手段２０から入力するデータ（機器のメンテナンス結果、製造物の検査結果など）が得られた時のデータであり、機器システムの状態の記録に関連づけられて記録されている。従って、状態量取得手段２０によるデータ（記録されている実際の状態量）の抽出に応じて、対応するモータ制御内部値が状態推定手段更新手段２１に入力される。

図９においては、外部データ取得手段２２からの情報も状態推定手段更新手段２１に入力されているが、外部データ取得手段２２からの情報の仕様は任意である。なお、外部データ取得手段２２からの情報を併用することにより、状態算出手段を高精度に更新することができる。

図１０は、状態推定手段更新手段２１の構成例を示す。

上述のように状態推定手段更新手段２１に入力されるモータ制御内部値、機器や製造物の状態量、外部データは、データ保存手段２０１に、現時点から過去一定期間分のデータが蓄積される。なお、保存するデータの取得期間、保存するタイミング、データ量は、あらかじめ設定されていることが好ましい。

データ保存手段２０１に保存されたデータは、特徴量算出手段２０２に入力される。この特徴量算出手段２０２の機能は、前述の実施例１における特徴量算出手段１２１，１２３（図５，６）と同様である。

特徴量算出手段２０２で算出されるモータ制御内部値の特徴量は、モデル作成手段２０３に入力される。モデル作成手段２０３は、入力した特徴量およびデータ保存手段２０１から読み出される状態量に基づいて、統計モデリングや機器学習により回帰式を構築したり、機器学習や人工知能などによりクラスタリングを行ったりする。回帰式構築およびクラスタリングの際には、状態量および特徴量をそれぞれ目的変数および説明変数として、モデリングが実行される。

モデル変更判定手段２０４は、モデル作成手段２０３によって作成される状態推定モデル（回帰式、クラスタリング結果など）と、現在、状態推定に用いている状態推定モデル（状態算出手段に設定されている回帰式やクラスタリング結果など）とを比較し、現在用いている状態推定モデルのパラメータ変更が必要か否かを判定したり、モデル自体の変更が必要か否かを判定したりする。モデル変更判定手段２０４は、判定結果を変更情報として出力する。この変更情報に基づいて、状態推定手段１５は、状態算出手段１７に設定されている状態推定モデルを更新する。

状態推定モデルの更新は、あらかじめ指定した期間ごとに行っても良いし、不定期に行っても良い。また、モデル作成手段２０３から回帰式が出力される場合、現在用いている回帰式とモデル作成手段２０３から出力された回帰式が同じ形（例えば、ともに線形）であればパラメータのみを更新し、式の形が変わっている場合は、式全体を更新することが好ましい。モデル作成手段２０３からクラスリング結果が出力される場合、現在使用されているクラスタリング結果を、モデル作成手段２０３から出力される結果に更新することが好ましい。

なお、状態推定モデルが回帰式で表される場合における、状態推定モデルの更新例を図１１に示す。本更新例においては、時間経過とともに、回帰式の形が変わっており、式全体が更新される。

上述のように、本実施例２によれば、状態推定手段更新手段２１により状態推定モデルを更新するので、時間経過に伴って機器や製造物の状態が変化しても、状態推定の精度を確保することができる。

図１２は、本発明の実施例３である、状態監視装置を備える機器システムの構成を示す。以下、主に、実施例１と異なる点について説明する。

本実施例２においては、モータ制御手段３４が、実施例１と同様に、インバータ３１に与える電圧指令値を作成するとともに、実施例１におけるモータ制御内部値作成手段６としての機能を有する。すなわち、モータ制御手段３４の構成は実施例１（図３参照）と同様であるが、モータ制御手段３４は、上位指令に応じて電圧指令を作成する過程で作成するモータ制御内部値（Ｉｄ，Ｉｑ，Ｖｄ＊，Ｖｑ＊，Ｔｒｑ＊，ω＊など）を状態算出手段３７へ出力する。

本実施例３によれば、モータ制御手段がモータ制御内部値作成手段を兼ねるため、またこれによりモータ制御用のセンサをモータ制御内部値作成に併用するため、機器システムを簡素化できる。

図１３は、本発明の実施例４である、状態監視装置を備える機器システムの構成を示す。以下、主に、実施例３と異なる点について説明する。

本実施例４においては、実施例３の機器システムに対して、状態量取得手段５０と状態推定手段更新手段５１が追加されている。すなわち、本実施例３においては、前述の実施例２（図９）と同様に、状態算出手段４７で用いられる回帰式やクラスタリング結果などが、機器システムの状態に応じて更新される。

本実施例４によれば、機器システムを簡素化できるとともに、時間経過に伴って機器や製造物の状態が変化しても状態推定の精度を確保することができる。

図１４は、本発明の実施例５である、フライス盤を備える工作機械システムの構成を示す。本機器システムは、実施例４（図１３参照）と同様の状態監視部を備えている。

図１４に示すように、本実施例５において、モータによって駆動されるアクチュエータは、フライス盤の加工ツールであるエンドミル４０３である。上位コントローラであるフライス盤コントローラ（図示せず）からの切削回転数指令に基づいて、モータ制御手段４０８がインバータ４０５を制御して、モータ４０４とエンドミル４０３が駆動される。

外部データ取得手段４０６は、切削送り速度や切削位置などの情報をフライス盤コントローラから取得する。また、状態量取得手段４０７は、フライス盤で切削した板材の表面粗さの検査結果を品質検査データベース４０１から取得する。取得されたこれらのデータおよびモータ制御手段４０８が出力するモータ制御内部値は、状態推定手段更新手段４１０に入力され、状態推定手段４０９において用いられる回帰式を作成および更新する。状態推定手段４０９は、回帰式を用いて、切削中に切削物の品質を推定する。

情報伝達手段４１１は、状態推定手段４０９で算出される切削物の品質の推定結果と、品質を推定するために使用される説明変数（モータ制御内部値の特徴量）、およびそれらの変化をフライス盤近傍に設置されるディスプレイに表示する。

なお、本実施例５の状態推定部の構成は、実施例１または実施例２の構成を適用しても良い。

本実施例５によれば、リアルタイムに切削物の品質を定量的に確認することができる。これにより、オペレータが品質状態の把握や品質改善のための機器調整を行う時に、オペレータの作業負荷を軽減できる。また、表面粗さ計のような、切削物の品質を検出する特殊なセンサを設けることなく、切削物の品質を確認することができる。

なお、本実施例５のシステム構成は、フライス盤を備える工作機械システムに限らず、ドリル刃を加工ツールとするボール盤などを備える他の工作機械システムにも適用できる。

図１５は、本発明の実施例６である、車両機器システムの構成を示す。本機器システムは、実施例４（図１３参照）と同様の状態監視部を備えている。ここで、車両は、例えば、電気鉄道車両や電気自動車である。

図１５に示すように、本実施例６において、モータによって駆動されるアクチュエータは、車輪３０３である。上位コントローラである、運転手が操作するアクセルやマスターコントローラ（図示せず）からのトルク指令に基づいて、モータ制御手段３０８が、インバータ３０５を制御して、モータ３０４と車輪３０３が駆動される。

外部データ取得手段３０６は、天候、気温などの情報を取得する。状態量取得手段３０７は、車輪３０３の交換時期や故障要因をメンテナンスデータベース３０１から取得する。取得されたこれらのデータおよびモータ制御手段３０８が出力するモータ制御内部値は、状態推定手段更新手段３１０に入力され、状態推定手段３０９において用いられるクラスタリング結果を作成および更新する。状態推定手段３０９は、クラスタリング結果を用いて、車輪の交換時期や故障時期を推定する。なお、外部データ取得手段３０６および状態量取得手段３０７によって取得される情報、およびモータ制御内部値は、自車両に加え、他車両から取得しても良い。

情報伝達手段３１１は、状態推定手段３０９で推定される車輪の交換時期や故障時期の推定結果と、車輪の交換時期や故障時期を推定するために使用される説明変数（モータ制御内部値の特徴量）の変化を運転席３０２に設置されるディスプレイに表示する。

モータ制御手段更新手段３１２は、状態推定手段３０９によって推定されるモータや車輪の交換時期や故障時期から、交換時期や故障時期が近い場合には、機器を延命するための出力制限運転などを行うように、モータ制御手段３０８の制御指令値や制御パラメータを変更する。これにより、リアルタイムに車輪状態などを定量的に確認することができるため、検査員が実施する車輪状態の把握や故障要因の分析などに関わる作業の負荷を軽減できる。さらに、自動的に延命運転などを実施できるため、突発的な運行停止を防止できる。

なお、本実施例６の状態推定部の構成は、実施例１または実施例２の構成を適用しても良い。

本実施例６によれば、車輪の交換時期や故障時期を高精度に把握できる。これにより、メンテナンスの頻度が低減し、作業負担が軽減されたり、メンテナンスコストが低減されたりする。また、的確な時期に機器がメンテナンスされ、故障を未然に防止できるので、機器の信頼性が向上する。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

１，１１，３１，４１，３０５，４０５…インバータ、２，１２，３２，４２，３０４，４０４…モータ、３，１３，３３，４３…アクチュエータ、４，１４，３４，４４，３０８，４０８…モータ制御手段、５，１５，３０９，４０９…状態推定手段、６，１６…モータ内部値作成手段、７，１７，３７，４７…状態算出手段、８，１８，３８，４８，３１１，４１１…情報伝達手段、９，１９，３９，４９，３１２…モータ制御手段更新手段、１０，２２，５２，３０６，４０６…外部データ取得手段、２０，５０，３０７，４０７…状態量取得手段、２１，５１，３１０，４１０…状態推定手段更新手段、１０１…速度指令作成部、１０２…トルク指令作成部、１０３…電流指令作成部、１０４…電圧指令作成部、１０５…２相／３相変換部、１０６，１１５，１１６…３相／２相変換部、１１１…速度指令作成部逆モデル、１１２…トルク指令作成部逆モデル、１１３…電流指令作成部逆モデル、１１４…電圧指令作成部逆モデル、１２１，１２３…特徴量算出手段、１２２…演算手段、１２４…分類部、１２５…情報処理部、１２６…ディスプレイ、１２７…回帰式逆モデル部、１２８…変換部、２０１…データ保存手段、２０２…特徴量算出手段、２０３…モデル作成手段、２０４…モデル変更判定手段、３０１…メンテナンスデータベース、３０２…運転席、３０３…車輪、４０１…品質検査データベース、４０３…エンドミル

なお、本実施例１において、モータ制御内部値作成手段６は、モータ制御手段４用とは別に設置されるセンサによって取得されるデータに基づいてモータ制御内部値を作成するが、モータ制御手段４用のセンサに基づいて作成しても良い。これにより、センサ数を増加することなく、機器システムに状態監視機能を備えることができる。なお、状態監視用に独立にセンサを設けることにより、図２における状態推定手段５を備える状態監視装置を機器システムに搭載する場合、モータ制御手段４用のセンサの配線の変更や特性の再調整を必要としない。従って、状態監視装置を機器システムに容易に搭載することができる。特に、既存の機器システムに対して、容易に状態監視装置を設けることができる。また、状態監視装置がモータ制御手段の動作に影響を及ぼさないので、モータ制御手段の再調整が不要になると共に、状態監視装置の動作に関わりなく、モータの制御を維持できる。

本実施例３においては、モータ制御手段３４が、実施例１と同様に、インバータ３１に与える電圧指令値を作成するとともに、実施例１におけるモータ制御内部値作成手段６としての機能を有する。すなわち、モータ制御手段３４の構成は実施例１（図３参照）と同様であるが、モータ制御手段３４は、上位指令に応じて電圧指令を作成する過程で作成するモータ制御内部値（Ｉｄ，Ｉｑ，Ｖｄ＊，Ｖｑ＊，Ｔｒｑ＊，ω＊など）を状態算出手段３７へ出力する。

本実施例４においては、実施例３の機器システムに対して、状態量取得手段５０と状態推定手段更新手段５１が追加されている。すなわち、本実施例４においては、前述の実施例２（図９）と同様に、状態算出手段４７で用いられる回帰式やクラスタリング結果などが、機器システムの状態に応じて更新される。

図１４は、本発明の実施例５である、フライス盤を備える工作機械システムの構成を示す。本機器システムは、実施例４（図１３参照）と同様の状態監視装置を備えている。

図１５は、本発明の実施例６である、車両機器システムの構成を示す。本機器システムは、実施例４（図１３参照）と同様の状態監視装置を備えている。ここで、車両は、例えば、電気鉄道車両や電気自動車である。

Claims (15)

1. モータ制御手段によって制御されるモータによって駆動される機器を備える機器システムの状態監視装置において、
   センサ情報に基づいて、前記モータ制御手段における状態変数であるモータ制御内部値を作成するモータ制御内部値作成手段と、
   前記モータ制御内部値作成手段によって作成される前記モータ制御内部値に基づいて、前記機器システムの状態を推定する状態推定手段と、
   を備えることを特徴とする状態監視装置。
2. 請求項１に記載の状態監視装置において、
   前記機器システムの前記状態は、前記機器の状態あるいは前記機器による製造物の状態であることを特徴とする状態監視装置。
3. 請求項２に記載の状態監視装置において、
   前記モータ制御内部値は、位置指令、位置フィードバック値、速度指令、速度フィードバック値、トルク指令、ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令、ｄ軸電流フィードバック値、ｑ軸電流フィードバック値、ｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令、モータ電圧指令、モータ電圧フィードバック値、モータ電流フィードバック値、フィードバック値と指令値との偏差、比例器の出力、積分器の出力、微分器の出力の内のいずれかを含むことを特徴とする状態監視装置。
4. 請求項３に記載の状態監視装置において、
   前記センサ情報は、位置フィードバック値、速度フィードバック値、モータ電圧フィードバック値、モータ電流フィードバック値の内のいずれかを含むことを特徴とする状態監視装置。
5. 請求項２に記載の状態監視装置において、
   前記状態推定手段は、統計的モデルに基づいて前記機器システムの前記状態を推定することを特徴とする状態監視装置。
6. 請求項１に記載の状態監視装置において、
   前記モータ制御内部値作成手段は前記モータ制御手段の逆モデルによって構成されることを特徴とする状態監視装置。
7. 請求項１または請求項６に記載の状態監視装置において、
   前記センサ情報は、前記モータ制御手段あるいは前記モータにおける入力部あるいは出力部に、前記モータ制御手段用とは別に設けられるセンサによって取得されることを特徴とする状態監視装置。
8. 請求項１に記載の状態監視装置において、
   さらに、前記状態推定手段によって推定される前記機器システムの前記状態に関わる情報を表示する情報伝達手段を備えることを特徴とする状態監視装置。
9. 請求項１に記載の状態監視装置において、
   さらに、前記状態推定手段によって推定される前記機器システムの前記状態に応じて、前記モータ制御手段を更新するモータ制御手段更新手段を備えることを特徴とする状態監視装置。
10. 請求項１に記載の状態監視装置において、
    さらに、前記機器システムの状態に関する過去のデータを取得する状態量取得手段と、
    前記状態量取得手段によって取得される前記データに基づいて、前記状態推定手段を更新する状態推定手段更新手段と、
    を備えることを特徴とする状態監視装置。
11. 請求項１０に記載の状態監視装置において、
    前記データは、前記機器のメンテナンス結果または前記機器による製造物の品質検査結果であることを特徴とする状態監視装置。
12. 請求項１に記載の状態監視装置において、
    前記モータ制御内部値作成手段は、前記モータ制御手段に含まれ、かつ前記モータ制御手段から前記状態変数を出力する手段であることを特徴とする状態監視装置。
13. モータによって駆動される機器を備える機器システムにおいて、
    前記モータの駆動力によって操作されるアクチュエータと、
    前記モータを制御するモータ制御手段と、
    前記モータ制御手段における状態変数であるモータ制御内部値を作成するモータ制御内部値作成手段と、
    前記モータ制御内部値作成手段によって作成される前記モータ制御内部値に基づいて、前記機器システムの状態を推定する状態推定手段と、
    前記状態推定手段によって推定される前記機器システムの前記状態に関わる情報を表示する情報伝達手段と、
    を備えることを特徴とする機器システム。
14. 請求項１３に記載の機器システムにおいて、
    前記アクチュエータは工作機械における加工用ツールであり、
    さらに、前記工作機械による製造物の品質検査結果を取得する状態量取得手段と、
    前記状態量取得手段によって取得される前記品質検査結果に基づいて、前記状態推定手段を更新する状態推定手段更新手段と、
    を備えることを特徴とする機器システム。
15. 請求項１３に記載の機器システムにおいて、
    前記アクチュエータは車両が備える車輪であり、
    さらに、前記車両のメンテナンス結果を取得する状態量取得手段と、
    前記状態量取得手段によって取得される前記メンテナンス結果に基づいて、前記状態推定手段を更新する状態推定手段更新手段と、
    を備えることを特徴とする機器システム。

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