(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ、前記モータにより駆動される機械および前記モータを駆動させるアンプを備えた産業用機械における消費電力量を推定する消費電力量推定装置であって、
前記機械または前記モータの動作パターンを示す動作パターン情報を取得する動作パターン情報取得部と、
前記機械および前記モータのダイナミクスを規定するダイナミクス情報を取得するダイナミクス情報取得部と、
前記アンプを構成している整流器の抵抗値、平滑コンデンサの容量、回生抵抗の抵抗値を含んで構成されたアンプ情報と、前記モータの巻線抵抗値を含んで構成されたモータ情報とを取得する回路情報取得部と、
前記動作パターン情報、前記ダイナミクス情報、前記アンプ情報、前記モータ情報および前記平滑コンデンサに印加される電圧である母線電圧を模擬する母線電圧模擬値に基づいて、前記モータおよび前記回生抵抗の各々における消費電力を算出するとともに当該算出した各消費電力に基づいて前記産業用機械の消費電力を算出する処理と、前記算出した前記モータおよび前記回生抵抗の各々における消費電力と前記算出した前記産業用機械の消費電力とに基づいて前記母線電圧模擬値を更新する処理と、を規定時間にわたって実行し、当該規定時間において算出した前記産業用機械の消費電力を積算して前記産業用機械の消費電力量を推定する消費電力量算出部と、
を備えることを特徴とする消費電力量推定装置。
【請求項２】
前記消費電力量算出部は、
前記動作パターン情報、前記ダイナミクス情報および前記モータ情報に基づいて前記モータの単位時間あたりの消費電力を算出するとともに、前記回生抵抗の抵抗値、前記回生抵抗に直列に接続された回生トランジスタのオン電圧および前記平滑コンデンサに印加される電圧である母線電圧を模擬する母線電圧模擬値に基づいて前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力を算出し、さらに、前記母線電圧模擬値、前記整流器の出力電圧および前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力に基づいて前記整流器の単位時間あたりの出力電力を算出して当該算出した出力電力を前記産業用機械の単位時間あたりの消費電力とし、また、前記平滑コンデンサの容量と、前記モータの単位時間あたりの消費電力と、前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力と、前記整流器の単位時間あたりの出力電力とに基づいて前記母線電圧模擬値を更新する、
ことを特徴とする請求項１に記載の消費電力量推定装置。
【請求項３】
前記母線電圧模擬値をＶdc、前記平滑コンデンサの容量をＣ、前記モータの単位時間あたりの消費電力をＰ、前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力をＰreg、前記整流器の単位時間あたりの出力電力をＰcnvとした場合、
前記消費電力量算出部は、前記母線電圧模擬値Ｖdcを
【数１】
0006038399.tif 000020
に従って更新する、
ことを特徴とする請求項２に記載の消費電力量推定装置。
【請求項４】
前記母線電圧模擬値をＶdc、前記母線電圧模擬値の更新周期をＴs、前記平滑コンデンサの容量をＣ、前記モータの単位時間あたりの消費電力をＰ、前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力をＰreg、前記整流器の単位時間あたりの出力電力をＰcnvとした場合、
前記消費電力量算出部は、前記母線電圧模擬値Ｖdcを
（更新後のＶdc）＝Ｖdc＋Ｔs／(Ｃ・Ｖdc)・（−Ｐ−Ｐreg＋Ｐcnv）
に従って更新する、
ことを特徴とする請求項２に記載の消費電力量推定装置。
【請求項５】
前記産業用機械が前記モータ、前記機械および前記アンプの組を複数備えた構成の場合、
前記動作パターン情報取得部は、各組の前記機械または前記モータの前記動作パターン情報を取得し、
前記ダイナミクス情報取得部は、各組の前記機械および前記モータの前記ダイナミクス情報を取得し、
前記回路情報取得部は、複数の組の各々について、前記アンプの前記アンプ情報および前記モータの前記モータ情報を取得し、
前記消費電力量算出部は、前記動作パターン情報、前記ダイナミクス情報、前記アンプ情報および前記モータ情報に基づいて、前記複数の組の各々における単位時間あたりの消費電力を規定時間にわたって算出し、当該算出した消費電力を積算して前記複数の組の各々における消費電力量を算出し、さらに、当該算出した消費電力量を合計して前記産業用機械の消費電力量を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の消費電力量推定装置。
【請求項６】
前記消費電力量算出部は、
前記動作パターン情報、前記ダイナミクス情報および前記モータ情報に基づいて前記産業用機械を構成している各モータの単位時間あたりの消費電力を算出するとともに、前記産業用機械を構成している各アンプの回生抵抗の抵抗値、当該回生抵抗に直列に接続された回生トランジスタのオン電圧および当該各アンプにおいて平滑コンデンサに印加される電圧である母線電圧を模擬する母線電圧模擬値に基づいて前記産業用機械を構成している各アンプにおける各回生抵抗の単位時間あたりの消費電力を算出し、さらに、前記母線電圧模擬値と、前記産業用機械を構成している各アンプにおける各整流器の出力電圧および当該各アンプにおける各回生抵抗の単位時間あたりの消費電力に基づいて当該各アンプにおける各整流器の単位時間あたりの出力電力を算出して当該算出した出力電力を前記複数の組の各々における単位時間あたりの消費電力とし、また、前記産業用機械を構成している各アンプにおける各平滑コンデンサの容量と、前記産業用機械を構成している各モータの単位時間あたりの消費電力と、前記産業用機械を構成している各アンプにおける各回生抵抗の単位時間あたりの消費電力と、当該各アンプにおける各整流器の単位時間あたりの出力電力とに基づいて、当該各アンプにおける前記母線電圧模擬値を更新する、
ことを特徴とする請求項５に記載の消費電力量推定装置。
【請求項７】
複数の組の中のある組における、前記母線電圧模擬値をＶdc、前記平滑コンデンサの容量をＣ、前記モータの単位時間あたりの消費電力をＰ、前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力をＰreg、前記整流器の単位時間あたりの出力電力をＰcnvとした場合、
前記消費電力量算出部は、前記母線電圧模擬値Ｖdcを
【数２】
0006038399.tif 000021
に従って更新する、
ことを特徴とする請求項６に記載の消費電力量推定装置。
【請求項８】
複数の組の中のある組における、前記母線電圧模擬値をＶdc、前記母線電圧模擬値の更新周期をＴs、前記平滑コンデンサの容量をＣ、前記モータの単位時間あたりの消費電力をＰ、前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力をＰreg、前記整流器の単位時間あたりの出力電力をＰcnvとした場合、
前記消費電力量算出部は、前記母線電圧模擬値Ｖdcを
（更新後のＶdc）＝Ｖdc＋Ｔs／(Ｃ・Ｖdc)・（−Ｐ−Ｐreg＋Ｐcnv）
に従って更新する、
ことを特徴とする請求項６に記載の消費電力量推定装置。
【請求項９】
前記産業用機械が前記モータおよび前記機械の組を複数備えるとともに、複数の組の各モータを駆動させるアンプを備えた構成の場合、
前記動作パターン情報取得部は、各組の前記機械または前記モータの前記動作パターン情報を取得し、
前記ダイナミクス情報取得部は、各組の前記機械および前記モータの前記ダイナミクス情報を取得し、
前記回路情報取得部は、前記アンプの前記アンプ情報および前記モータの前記モータ情報を取得し、
前記消費電力量算出部は、前記各組の動作パターン情報、前記各組のダイナミクス情報、前記アンプ情報および前記モータ情報に基づいて、前記産業用機械の単位時間あたりの消費電力を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の消費電力量推定装置。
【請求項１０】
前記消費電力量算出部は、
前記動作パターン情報、前記ダイナミクス情報および前記モータ情報に基づいて前記産業用機械を構成している各モータの単位時間あたりの消費電力を算出し、さらに、当該算出した各モータの単位時間あたりの消費電力の合計値を算出し、また、前記回生抵抗の抵抗値、前記回生抵抗に直列に接続された回生トランジスタのオン電圧および前記平滑コンデンサに印加される電圧である母線電圧を模擬する母線電圧模擬値に基づいて、前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力を算出し、さらに、前記母線電圧模擬値、前記整流器の出力電圧および前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力に基づいて前記整流器の単位時間あたりの出力電力を算出して当該算出した出力電力を前記産業用機械の単位時間あたりの消費電力とし、また、前記平滑コンデンサの容量と、前記各モータの単位時間あたりの消費電力の合計値と、前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力と、前記整流器の単位時間あたりの出力電力とに基づいて前記母線電圧模擬値を更新する、
ことを特徴とする請求項９に記載の消費電力量推定装置。
【請求項１１】
前記母線電圧模擬値をＶdc、前記平滑コンデンサの容量をＣ、前記各モータの単位時間あたりの消費電力の合計値をＰ、前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力をＰreg、前記整流器の単位時間あたりの出力電力をＰcnvとした場合、
前記消費電力量算出部は、前記母線電圧模擬値Ｖdcを
【数３】
0006038399.tif 000022
に従って更新する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の消費電力量推定装置。
【請求項１２】
前記母線電圧模擬値をＶdc、前記母線電圧模擬値の更新周期をＴs、前記平滑コンデンサの容量をＣ、前記各モータの単位時間あたりの消費電力の合計値をＰ、前記回生抵抗の単位時間あたりの消費電力をＰreg、前記整流器の単位時間あたりの出力電力をＰcnvとした場合、
前記消費電力量算出部は、前記母線電圧模擬値Ｖdcを
（更新後のＶdc）＝Ｖdc＋Ｔs／(Ｃ・Ｖdc)・（−Ｐ−Ｐreg＋Ｐcnv）
に従って更新する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の消費電力量推定装置。
【請求項１３】
前記消費電力算出部が算出した前記消費電力量を外部へ出力する結果出力部、
を備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の消費電力量推定装置。
【請求項１４】
前記消費電力算出部が算出した前記消費電力量を外部へ出力する結果出力部、
を備え、
前記動作パターン情報取得部は、前記動作パターン情報を複数取得し、
前記消費電力量算出部は、前記動作パターン情報取得部が取得した複数の動作パターン情報の中の１つを選択し、当該選択した動作パターン情報、前記ダイナミクス情報、前記アンプ情報および前記モータ情報に基づいて、前記産業用機械が前記選択した動作パターン情報に従って動作する場合の単位時間あたりの消費電力を規定時間にわたって算出し、当該算出した消費電力を積算して前記産業用機械が前記選択した動作パターン情報に従って動作する場合の前記産業用機械の消費電力量を算出する消費電力量算出処理、を前記複数の動作パターン情報の各々を対象として実行し、
前記結果出力部は、前記消費電力量算出部が前記消費電力量算出処理を実行して得られた、前記産業用機械が前記複数の動作パターン情報の各々に従って動作する場合の前記産業用機械の消費電力量を、当該消費電力量を算出する際に使用した動作パターン情報と関連付けて外部へ出力する、
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の消費電力量推定装置。
【請求項１５】
前記消費電力算出部が算出した前記消費電力量を外部へ出力する結果出力部、
を備え、
前記回路情報取得部は、前記モータ情報を複数取得し、
前記消費電力量算出部は、前記回路情報取得部が取得した複数のモータ情報の中の１つを選択し、当該選択したモータ情報、前記動作パターン情報、前記ダイナミクス情報および前記アンプ情報に基づいて、前記産業用機械が前記選択したモータ情報に対応するモータを使用して動作する場合の単位時間あたりの消費電力を規定時間にわたって算出し、当該算出した消費電力を積算して前記産業用機械が前記選択したモータ情報に対応するモータを使用して動作する場合の前記産業用機械の消費電力量を算出する消費電力量算出処理、を前記複数のモータ情報の各々を対象として実行し、
前記結果出力部は、前記消費電力量算出部が前記消費電力量算出処理を実行して得られた、前記産業用機械が前記複数のモータ情報の各々に対応する各モータを使用して動作する場合の前記産業用機械の消費電力量を、当該消費電力量を算出する際に使用したモータ情報と関連付けて外部へ出力する、
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の消費電力量推定装置。
【請求項１６】
前記消費電力算出部が算出した前記消費電力量を外部へ出力する結果出力部、
を備え、
前記回路情報取得部は、前記アンプ情報を複数取得し、
前記消費電力量算出部は、前記回路情報取得部が取得した複数のアンプ情報の中の１つを選択し、当該選択したアンプ情報、前記動作パターン情報、前記ダイナミクス情報および前記モータ情報に基づいて、前記産業用機械が前記選択したアンプ情報に対応するアンプを使用して動作する場合の単位時間あたりの消費電力を規定時間にわたって算出し、当該算出した消費電力を積算して前記産業用機械が前記選択したアンプ情報に対応するアンプを使用して動作する場合の前記産業用機械の消費電力量を算出する消費電力量算出処理、を前記複数のアンプ情報の各々を対象として実行し、
前記結果出力部は、前記消費電力量算出部が前記消費電力量算出処理を実行して得られた、前記産業用機械が前記複数のアンプ情報の各々に対応する各アンプを使用して動作する場合の前記産業用機械の消費電力量を、当該消費電力量を算出する際に使用したアンプ情報と関連付けて外部へ出力する、
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の消費電力量推定装置。
【請求項１７】
前記消費電力算出部が算出した前記消費電力量を外部へ出力する結果出力部、
を備え、
前記ダイナミクス情報取得部は、前記ダイナミクス情報を複数取得し、
前記消費電力量算出部は、前記ダイナミクス情報取得部が取得した複数のダイナミクス情報の中の１つを選択し、当該選択したダイナミクス情報、前記モータ情報、前記動作パターン情報および前記アンプ情報に基づいて、前記産業用機械が前記選択したダイナミクス情報に対応するモータおよび機械を使用して動作する場合の単位時間あたりの消費電力を規定時間にわたって算出し、当該算出した消費電力を積算して前記産業用機械が前記選択したダイナミクス情報に対応するモータおよび機械を使用して動作する場合の前記産業用機械の消費電力量を算出する消費電力量算出処理、を前記複数のダイナミクス情報の各々を対象として実行し、
前記結果出力部は、前記消費電力量算出部が前記消費電力量算出処理を実行して得られた、前記産業用機械が前記複数のダイナミクス情報の各々に対応する各モータおよび各機械を使用して動作する場合の前記産業用機械の消費電力量を、当該消費電力量を算出する際に使用したダイナミクス情報と関連付けて外部へ出力する、
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の消費電力量推定装置。
【請求項１８】
モータと、前記モータにより駆動される機械と、前記モータを駆動させる平滑コンデンサおよび回生抵抗を有するアンプとを備えた産業用機械における消費電力量を推定する消費電力量推定装置であって、
前記平滑コンデンサに印加される電圧である母線電圧を模擬する母線電圧模擬値に基づいて前記回生抵抗における消費電力を算出するとともに前記モータの動作パターンを示す動作パターン情報に基づいて前記モータの消費電力を算出し、当該算出した各消費電力に基づいて前記産業用機械の消費電力を算出する処理と、前記算出した前記モータおよび前記回生抵抗の各々における消費電力と前記算出した前記産業用機械の消費電力とに基づいて前記母線電圧模擬値を更新する処理と、を規定時間にわたって実行し、当該規定時間において算出した前記産業用機械の消費電力を積算して前記産業用機械の消費電力量を推定する消費電力量算出部、
を備えることを特徴とする消費電力量推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用機械を動作させることなく消費電力を推定する消費電力量推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種産業用機械の駆動源としてサーボモータをはじめとする電動機が使用されている。産業用機械のランニングコストとして、モータおよびモータを駆動するためのアンプが消費する電気代が多くを占める場合が多い。【０００３】
電気代は基本的に消費電力量すなわち積算電力に応じて発生し、消費電力量が小さいほど電気代も安くなる。機械を動作させる際に必要な消費電力量を調べる場合、実際に機械を製造し、さらに、モータやアンプなどを取り付けた上で電力計を設置し、機械を動作させた際の電力を電力計により実測することにより調べることが考えられる。しかし、実際に機械を製造するにはコストおよび手間が生じる。また、電力計を設置して測定するという手間も生じる。さらに、機械の部品を変更するなど構成に変更が生じたりすると、正確な消費電力量を算出するために、その都度、測定をやり直さなければならないという手間が生じる。このような手間を解消するために、シミュレーションにより消費電力を推定する発明が特許文献１で開示されている。【０００４】
特許文献１に記載された発明では、動作プログラムから、各軸モータの仕事量と、各軸モータの発熱量と、各軸アンプの発熱量と、制御装置の出力電力量を算出し、単位時間毎の消費電力を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−５６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１には消費電力量を算出する技術については開示されていない。特許文献１に記載されている方法を使用して消費電力量を算出する場合、単位時間あたりの消費電力を算出し、さらに消費電力を積算して消費電力量を算出することが考えられる。しかし、発生した余剰な回生電力を回生抵抗で消費させるアンプでは、回生電力が必ず回生抵抗ですべて消費されるわけではないため、上記のような方法では正確な消費電力量を算出することができない、という問題があった。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、消費電力量を高精度に推定することが可能な消費電力量推定装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、モータ、モータにより駆動される機械およびモータを駆動させるアンプを備えた産業用機械における消費電力量を推定する消費電力量推定装置であり、機械またはモータの動作パターンを示す動作パターン情報を取得する動作パターン情報取得部、機械およびモータのダイナミクスを規定するダイナミクス情報を取得するダイナミクス情報取得部を備えている。また、アンプを構成している整流器の抵抗値、平滑コンデンサの容量、回生抵抗の抵抗値を含んで構成されたアンプ情報と、モータの巻線抵抗値を含んで構成されたモータ情報とを取得する回路情報取得部を備えている。また、動作パターン情報、ダイナミクス情報、アンプ情報、モータ情報および平滑コンデンサに印加される電圧である母線電圧を模擬する母線電圧模擬値に基づいて、モータおよび回生抵抗の各々における消費電力を算出するとともに当該算出した各消費電力に基づいて産業用機械の消費電力を算出する処理と、算出したモータおよび回生抵抗の各々における消費電力と算出した産業用機械の消費電力とに基づいて母線電圧を更新する処理と、を規定時間にわたって実行し、当該規定時間において算出した産業用機械の消費電力を積算して産業用機械の消費電力量を算出する消費電力量算出部を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にかかる消費電力量推定装置は、産業用機械の消費電力量を高精度に推定することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１の消費電力量推定装置の構成例を示す図
【図２】実施の形態１の消費電力量推定装置を実現するためのハードウェア構成例を示す図
【図３】実施の形態１の消費電力量推定装置が消費電力量を求める対象の産業用機械の構成例を示す図
【図４】実施の形態１の消費電力量推定装置における消費電力量推定動作の一例を示すフローチャート
【図５】実施の形態１の消費電力量推定装置が取得する動作パターン情報が示す動作パターンの一例を示す図
【図６】実施の形態２の消費電力量推定装置が消費電力量を求める対象の産業用機械の構成例を示す図
【図７】実施の形態２の消費電力量推定装置における消費電力量推定動作の一例を示すフローチャート
【図８】実施の形態２の消費電力量推定装置が取得する動作パターン情報が示す動作パターンの一例を示す図
【図９】実施の形態３の消費電力量推定装置が消費電力量を求める対象の産業用機械の構成例を示す図
【図１０】実施の形態３の消費電力量推定装置における消費電力量推定動作の一例を示すフローチャート
【図１１】実施の形態４の消費電力量推定装置における消費電力量推定動作の一例を示すフローチャート
【図１２】実施の形態４の消費電力量推定装置が取得する動作パターン情報が示す動作パターンの一例を示す図
【図１３】実施の形態４の消費電力量推定装置が取得する動作パターン情報が示す動作パターンの一例を示す図
【図１４】実施の形態４の消費電力量推定装置が取得する動作パターン情報が示す動作パターンの一例を示す図
【図１５】実施の形態４の消費電力量推定装置における消費電力量推定結果の一例を示す図
【図１６】実施の形態４の消費電力量推定装置における消費電力量推定結果の一例を示す図
【図１７】実施の形態５の消費電力量推定装置の動作の一例を示すフローチャート
【図１８】実施の形態５の消費電力量推定装置における消費電力量推定結果の一例を示す図
【図１９】実施の形態５の消費電力量推定装置における消費電力量推定結果の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態にかかる消費電力量推定装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる消費電力量推定装置の構成例を示す図である。消費電力量推定装置は、モータにより駆動される機械またはモータの動作パターンを示す動作パターン情報を取得する動作パターン情報取得部１１と、モータおよびモータにより駆動される機械などの運動方程式に代表されるダイナミクスを規定する情報を取得するダイナミクス情報取得部１２と、後述するアンプ情報およびモータ情報を取得する回路情報取得部１３と、モータおよびモータにより駆動される機械が所定の動作パターンに従って動作した時の消費電力量を算出する消費電力量算出部１４と、消費電力量算出部１４が算出した消費電力量の情報を外部へ出力する結果出力部１５と、を備えて構成されている。図１に示した消費電力量推定装置は、シミュレーション対象の産業用機械に関する各種情報を外部から取得し、取得した情報に基づき、産業用機械における消費電力量を推定する。動作パターン情報取得部１１、ダイナミクス情報取得部１２および回路情報取得部１３は、消費電力量推定装置が消費電力量のシミュレーションを行うために必要な情報を使用者等が設定する際に使用される。なお、消費電力量推定装置を構成している動作パターン情報取得部１１、ダイナミクス情報取得部１２、回路情報取得部１３、消費電力量算出部１４および結果出力部１５の詳細動作についてはフローチャートを参照しながら別途説明する。
【００１３】
ここで、動作パターン情報取得部１１、ダイナミクス情報取得部１２および回路情報取得部１３で設定された各情報は、消費電力量算出部１４に送信される。
【００１４】
回路情報取得部１３から消費電力量算出部１４に送信されるアンプ情報は、モータを駆動させるアンプを構成している回生抵抗の抵抗値、平滑コンデンサの容量などの情報を含んで構成されている。また、モータ情報は、モータの巻線抵抗値、トルク定数などの情報を含んで構成されている。
【００１５】
消費電力量算出部１４は、動作パターン情報取得部１１、ダイナミクス情報取得部１２および回路情報取得部１３を利用して外部から設定された情報を用いて、すなわち、動作パターン情報取得部１１、ダイナミクス情報取得部１２および回路情報取得部１３の各々から受信した情報を用いて、消費電力量を算出する。
【００１６】
結果出力部１５は、消費電力量算出部１４で算出された消費電力量の情報を文字情報、グラフ情報などとして、図示を省略している表示装置などの表示部へ表示させることにより外部へ出力する。また、結果出力部１５は、消費電力量の情報を紙に印字して出力してもよいし、ハードディスク、メモリカードなどの記憶媒体に記録するようにしてもよい。結果出力部１５は、表示部への表示および記憶媒体への記録の双方を行うなど、模擬結果である消費電力量の情報を複数の方法で出力するようにしてもよい。
【００１７】
消費電力量推定装置を構成している動作パターン情報取得部１１、ダイナミクス情報取得部１２、回路情報取得部１３、消費電力量算出部１４および結果出力部１５は、各部の処理を実装したソフトウェアをパーソナルコンピュータ上で実行することにより実現可能であるが、実現方法をこれに限定するものではない。ウェブサーバ上で上記各部の処理を行い、ウェブブラウザを通じて各種情報の設定および処理結果の表示を行う構成であってもよい。また、図２に示した構成のハードウェアで消費電力量推定装置を実現することも可能である。
【００１８】
図２は、消費電力量推定装置を実現するためのハードウェア構成例を示す図である。消費電力量推定装置は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、システムＬＳＩ（Large  Scale  Integration）などのプロセッサ３１と、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）などで構成されるメモリ３２と、入出力インタフェース３３とにより実現することが可能である。プロセッサ３１、メモリ３２および入出力インタフェース３３はシステムバス３０に接続されている。
【００１９】
動作パターン情報取得部１１、ダイナミクス情報取得部１２および回路情報取得部１３は、それぞれに対応するプログラムをメモリ３２に格納しておき、メモリ３２に格納されているプログラムをプロセッサ３１が実行することにより実現される。これらの動作パターン情報取得部１１、ダイナミクス情報取得部１２および回路情報取得部１３は、消費電力量算出部１４が消費電力量の模擬値を計算する際に使用する各情報を入出力インタフェース３３経由で外部から取得する。
【００２０】
消費電力量算出部１４は、対応するプログラムをメモリ３２に格納しておき、メモリ３２に格納されているプログラムをプロセッサ３１が実行することにより実現される。消費電力量算出部１４に設定される各種情報はメモリ３２の規定の領域に格納される。
【００２１】
結果出力部１５は、対応するプログラムをメモリ３２に格納しておき、メモリ３２に格納されているプログラムをプロセッサ３１が実行することにより実現される。結果出力部１５は、消費電力量算出部１４で算出された消費電力量を入出力インタフェース３３経由で外部へ出力する。
【００２２】
図３は、実施の形態１の消費電力量推定装置がシミュレーションにより消費電力量を求める対象の産業用機械の構成例を示す図である。図３に示した産業用機械は、モータにより駆動される機械、モータおよびアンプを備えて構成されている。本実施の形態では、図３に示した構成の産業用機械を対象として、モータを用いて位置決め動作を行う場合の消費電力量を消費電力量推定装置がシミュレーションにより求める場合の例について説明する。図３では産業用機械が位置決め制御装置である場合の例を示している。図３に示した産業用機械において、モータ１０１はカップリング１０２を介してボールネジ１０３に接合されている。ボールネジ１０３はモータ１０１が発生させる回転運動を並進運動に変換する。モータ１０１がカップリング１０２を介してボールネジ１０３を回転させることにより、ボールネジ１０３に取り付けられたテーブル１０４の位置決めを行う。図３では、機械はカップリング１０２、ボールネジ１０３およびテーブル１０４から構成されている。以下、説明の便宜上、カップリング１０２、ボールネジ１０３およびテーブル１０４をまとめて機械１００と呼ぶ。モータ１０１には、モータ１０１のロータの位置、回転速度などの検出結果を示す検出信号１０８を出力するエンコーダ１０５が取り付けられている。指令生成部１０６は、モータ１０１または機械１００の動作パターンを示す動作パターン信号１０９を生成し、モータ１０１を駆動させるアンプ２００へ出力する。動作パターン信号１０９は、位置指令値、速度指令値などを含んで構成されている。ここでの位置指令値は、例えば、可動部分であるテーブル１０４のある時間における位置を示す情報であり、速度指令値は、例えば、ある時間におけるテーブル１０４の移動速度を示す情報である。アンプ２００は、検出信号１０８が動作パターン信号１０９に追従するよう、すなわち、検出信号１０８が示すモータ１０１および機械１００の動作が動作パターン信号１０９で示された動作に追随するよう、モータ１０１に電流１０７を供給する。
【００２３】
アンプ２００は、交流電源１２０から供給された交流電圧１２１を電力変換して、電流１０７を出力している。アンプ２００は、ダイオードなどにより構成され、交流電圧１２１を整流する整流器２０１と、整流器２０１で整流された後の電圧を平滑化する平滑コンデンサ２０２と、余剰な回生電力が発生して母線電圧２１０が規定値に達した場合に回生電力を消費する回生抵抗２０３と、母線電圧２１０が規定値に達している場合にオン状態となり平滑コンデンサ２０２に蓄えられている電力を回生抵抗２０３で消費させる回生トランジスタ２０４と、モータ１０１に供給する電流１０７を生成するインバータ２０５と、指令生成部１０６から入力された動作パターン信号１０９に基づき、インバータ２０５に与える電圧指令２１１を生成するサーボ制御部２２０と、を備えている。
【００２４】
アンプ２００がモータ１０１に供給する電流１０７を生成する場合、まず、ダイオードなどで構成されている整流器２０１が交流電源１２０から供給された交流電圧１２１を半波整流し、次に、平滑コンデンサ２０２が、整流器２０１で半端整流された電圧を平滑化して母線線圧２１０である直流電圧に変換する。サーボ制御部２２０は、エンコーダ１０５から入力される検出信号１０８が指令生成部１０６から入力される動作パターン信号１０９に追従するように、ＰＩＤ（Proportional  Integral  Derivative）制御などのフィードバック制御を行い、電圧指令２１１を算出する。インバータ２０５は、母線電圧２１０に対しＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）演算等を行い、電圧指令２１１がモータ１０１に印加されるように電力変換することで電流１０７をモータ１０１に供給する。
【００２５】
アンプ２００の具体例としては、回生電力を消費させるための回生抵抗、および、回生抵抗で回生電力を消費させるための回路を有するサーボアンプと、汎用インバータとにより構成されるアンプなどが該当する。なお、回生抵抗で回生電力を消費させるための回路を有するアンプは、回生電力が発生した際に回生電力を電源に戻す電源回生コンバータを備えるアンプに比べ価格が安いという特徴がある。
【００２６】
図４は、実施の形態１の消費電力量推定装置における消費電力量推定動作、すなわち、消費電力量推定装置がシミュレーションを行って産業用機械における消費電力量を推定する動作の一例を示すフローチャートである。
【００２７】
消費電力量推定装置は、シミュレーションを行って消費電力量を推定する場合、まず、外部から動作パターン情報を取得する（ステップＳ１）。具体的には、動作パターン情報取得部１１が、位置決め動作時の移動量、速度、加速時間、減速時間、位置決め動作間の待ち時間であるドウェル時間、などの各種情報を外部から取得し、動作パターンを規定する情報である動作パターン情報として消費電力量算出部１４へ送信する。消費電力量算出部１４は、動作パターン情報を動作パターン情報取得部１１から受信すると、受け取った動作パターン情報を保持しておく。
【００２８】
消費電力量算出部１４は、動作パターン情報取得部１１から受け取った動作パターン情報に基づき、モータ１０１が動作すべき指令信号を一意に定めることができる。消費電力量算出部１４は、モータが動作すべき指令信号が定まると、機械１００もしくはモータ１０１の、時間ｔに対する位置指令Ｘ*(ｔ)や速度指令Ｖ*(ｔ)を定めることができる。なお、ステップＳ１では、シミュレーションを行う時間Ｔsimも同時に動作パターン情報取得部１１から消費電力量算出部１４に入力されるものとする。詳細については後述するが、消費電力量算出部１４は、時間０から時間Ｔsimにおいて、ステップＳ１で設定された動作パターンに従ってモータ１０１、機械１００などが動作したときの消費電力量をシミュレーションにより算出する。
【００２９】
ステップＳ１で取得する動作パターン情報が示す動作パターンは、例えば図５に示した速度パターンである。図５において、横軸は、シミュレーション時間Ｔsimを示し、このシミュレーション時間Ｔsimは動作開始からの経過時間を示している。また、縦軸は、速度、すなわちテーブル１０４の移動速度を示している。速度パターンの台形および三角形の面積が位置決め動作時のテーブル１０４の移動量に相当する。図５で示されるように、動作パターンは、１つの位置決め動作だけで構成されるのではなく、複数の位置決め動作の間に待ち時間であるドウェル時間をはさみながら、シーケンス的に位置決めされるような動作パターンでもよい。もちろん、１つの位置決め動作で動作パターンが構成されていてもよい。図５に示した動作パターンは、３つの位置決め動作と、それらの間に挿入されたドウェル時間とにより構成されている。なお、動作パターン情報は上記に限られるものではなく、機械１００もしくはモータ１０１の動作パターンを一意に定められるものであれば何でもよい。
【００３０】
次に、消費電力量推定装置は、ダイナミクス情報を取得する（ステップＳ２）。具体的には、ダイナミクス情報取得部１２が、モータ１０１および機械１００のダイナミクスを規定する情報であるダイナミクス情報を外部から取得し、消費電力量算出部１４へ送信する。消費電力量算出部１４は、ダイナミクス情報をダイナミクス情報取得部１２から受け取ると、受け取ったダイナミクス情報を保持しておく。
【００３１】
例えば、図３に示した産業用機械でシミュレーションする場合、ダイナミクス情報取得部１２は、モータ１０１の回転動作に伴う機械１００の可動イナーシャ、モータ１０１の回転動作に伴う摩擦の情報などをダイナミクス情報として取得する。機械１００の可動イナーシャとは、モータ１０１の回転に伴い稼働する部分のイナーシャの合計値Ｊを指し、図３に示した産業用機械では、モータ１０１、カップリング１０２、ボールネジ１０３およびテーブル１０４の各々のイナーシャの合計値に相当する。また、モータ１０１の回転動作に伴う摩擦の情報としては、モータ１０１の回転動作を阻害する方向に、一定のトルクで作用するクーロン摩擦トルクｃ、モータ１０１の速度に比例して大きくなる粘性摩擦トルクの比例係数である粘性摩擦トルク係数ｄなどが考えられる。消費電力量算出部１４は、ダイナミクス情報に基づき、機械１００およびモータ１０１のダイナミクス、すなわち次式（１）で表される運動方程式を一意に定めることができる。
【００３２】
【数１】
0006038399.tif 000002
【００３３】
式（１）において、ａはモータ１０１の加速度、τはモータ１０１のトルク、ｖはモータ１０１の速度である。
【００３４】
なお、図３に示した産業用機械ではテーブル１０４が水平方向に動作するため該当しないが、例えばテーブル１０４が上下方向に動作する構成である場合には、重力の影響を受けるため、ダイナミクス情報として重力の情報が入力されてもよい。また、ダイナミクス情報取得部１２が外部から取得して消費電力量算出部１４に送信する情報の例は、これらに限定されない。モータ１０１および機械１００のダイナミクスを規定する情報であればどのようなものでもよい。
【００３５】
次に、消費電力量推定装置は、アンプ情報およびモータ情報を取得する（ステップＳ３）。具体的には、回路情報取得部１３が、アンプに関する各定数情報、より詳細には、平滑コンデンサ２０２のコンデンサ容量値Ｃ、回生抵抗２０３の抵抗値Ｒreg、回生トランジスタ２０４がＯＮする電圧値Ｖon、整流器２０１の抵抗値Ｒcnv、交流電源１２０の電圧波高値Ｖsおよび交流電源１２０の電源周波数ωを外部から取得し、アンプ情報として消費電力量算出部１４へ送信する。さらに、回路情報取得部１３が、モータ１０１の巻線抵抗値Ｒおよびモータ１０１で単位電流あたりにどの程度のトルクが発生するかを表すトルク定数Ｋtを外部から取得し、モータ情報として消費電力量算出部１４へ送信する。このとき、回路情報取得部１３は、消費電力量推定装置がどの程度の時間幅でシミュレーションを行うかを表すサンプル時間Ｔsも併せて取得し、消費電力量算出部１４へ送信する。サンプル時間Ｔsは微小な値が設定されるが、１μs(0.000001s)から１０ｍｓ(0.01s)程度がサンプル時間Ｔsの好適な具体例として挙げられる。消費電力量算出部１４は、アンプ情報、モータ情報およびサンプル時間Ｔsを回路情報取得部１３から受け取ると、受け取った各情報を保持しておく。詳細については後述するが、消費電力量算出部１４は、サンプル時間Ｔsが経過するごとに、産業用機械の消費電力量模擬値を算出する。
【００３６】
なお、上記のステップＳ１からＳ３を実行する順番は入れ替わっても構わない。
【００３７】
次に、消費電力量推定装置は、消費電力量の算出処理で使用する変数に初期値を設定する（ステップＳ４）。具体的には、消費電力量算出部１４が、ｊ＝０、ｔ＝０、Ｅ[ｊ]＝０、Ｖdc[ｊ]＝Ｖsと設定する。ここで、変数ｊは配列のインデックスを表す。ｔは時間、すなわち上記ステップＳ１で取得した動作パターン情報が示す動作をモータ１０１、機械１００およびアンプ２００が開始してからの経過時間を示す。Ｅ[ｊ]は、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいてシミュレーションによって算出される、図３に示した産業用機械における消費電力量の模擬値、Ｖdc[ｊ]は、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいてシミュレーションによって算出される母線電圧模擬値をそれぞれ表す。なお、このステップＳ４、後述するステップＳ５からステップＳ１２は、消費電力量算出部１４が実行する処理である。消費電力量算出部１４は、例えば、ステップＳ１からＳ３が実行され、動作パターン情報、ダイナミクス情報、アンプ情報およびモータ情報の受信が完了した場合にステップＳ４およびこれに続く処理を実行する。消費電力量算出部１４は、消費電力量算出処理の開始の指示を図１では記載を省略している操作部を介して使用者から受けた場合にステップＳ４およびこれに続く処理を実行するようにしてもよい。
【００３８】
消費電力量算出部１４は、ステップＳ４を実行して変数の初期化を行うと、次に、インデックスｊを１つインクリメントするとともに、時間を表すパラメータｔをサンプル時間Ｔs分だけ増加させる。すなわち、ｊ＝ｊ＋１とするとともに、ｔ＝ｔ＋Ｔsとする（ステップＳ５）。
【００３９】
消費電力量算出部１４は、次に、ステップＳ１からＳ３で取得した各情報を用いて、時間ｔにおけるモータ１０１の速度の模擬値およびトルクの模擬値、時間ｔにモータ１０１に流れる電流の模擬値として、速度模擬値Ｖ、トルク模擬値τおよび電流模擬値Ｉを算出する（ステップＳ６）。具体的には、消費電力量算出部１４は、ステップＳ１で取得した動作パターン情報が速度指令パターンを示している場合には、時間ｔにおける速度模擬値ＶをＶ＝Ｖ*(ｔ)とする。また、速度指令Ｖ*(ｔ)を微分することで、時間ｔにおける加速度模擬値Ａを併せて算出する。また、ステップＳ１で取得した動作パターン情報が位置指令パターンを示している場合は、位置指令Ｘ*(ｔ)を微分することで時間ｔにおける速度模擬値Ｖを算出し、算出した速度模擬値Ｖをさらに微分することで時間ｔにおける加速度模擬値Ａを算出する。
【００４０】
また、消費電力量算出部１４は、ステップＳ２で取得したダイナミクス情報により定められる、上述した式（１）の運動方程式と、上記算出した速度模擬値Ｖおよび加速度模擬値Ａとを用いてトルク模擬値τを算出する。図３に示した構成の産業用機械を対象としてシミュレーションを行う場合、消費電力量算出部１４は、次式（２）に従ってトルク模擬値τを算出する。
【００４１】
【数２】
0006038399.tif 000003
【００４２】
また、消費電力量算出部１４は、モータ１０１に流れる電流模擬値Ｉも併せて算出する。電流模擬値Ｉは、上記算出したトルク模擬値τおよびモータのトルク定数Ｋtを用いて、Ｉ＝τ／Ｋtにより算出する。
【００４３】
なお、本実施の形態では電流模擬値Iを算出するにあたり、モータのトルク定数Ｋtを用いる例を挙げたが、これに限られるものではない。トルク定数と誘起電圧定数は、一般に同じ値になるため、トルク定数の代わりに、誘起電圧定数を用いてトルク模擬値から電流模擬値を算出してもよい。また、サーボモータではなく、誘導モータを使用する場合を模擬するのであれば、トルクと電流の関係を表しているテーブル、あるいは、関数で記憶するなど、トルク模擬値τから電流模擬値Ｉを算出できる情報であれば、どのような方法であってもよい。
【００４４】
消費電力量算出部１４は、次に、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおける、モータ１０１の出力Ｗおよび損失Ｌを算出し、モータ１０１が単位時間あたりに消費する電力の模擬値である単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]を算出する（ステップＳ７）。具体的には、消費電力量算出部１４は、まず、上記の速度模擬値Ｖおよびモータのトルク模擬値τを用いて、次式（３）に従ってモータ１０１の出力Ｗを算出する。
【００４５】
【数３】
0006038399.tif 000004
【００４６】
なお、モータ出力Ｗの算出方法は上記に限られるものではない。例えばモータ１０１のインダクタンス値の情報をさらに入力し、モータ１０１の抵抗値およびインダクタンス値をもとに、モータ１０１に印加される電圧の模擬値を算出し、電圧の模擬値と電流の模擬値とを乗ずることによって、出力Ｗを算出してもよい。また、上記算出方法および上式（３）による出力は、モータ１０１が三相モータ、二相モータいずれであっても同様に適用することができる。
【００４７】
さらに、消費電力量算出部１４は、上記の電流模擬値Ｉおよびモータ１０１の巻線抵抗Ｒを用いて、次式（４）に従って損失Ｌを算出する。
【００４８】
【数４】
0006038399.tif 000005
【００４９】
なお、式（４）では、損失Ｌとして、電流値の二乗に依存する銅損を算出する例を示したが、算出する損失は銅損に限定されない。他の例としては、速度および電流値に依存する鉄損を損失Ｌとして算出してもよい。鉄損を算出する場合、電流模擬値Ｉおよび速度模擬値Ｖを用いる。鉄損を算出するための諸係数は、上記のステップＳ３で取得することとする。また、消費電力量算出部１４は、鉄損および銅損の両方を算出し、これらを合計したものを損失Ｌとしてもよい。また、銅損、鉄損などモータに関する損失だけでなく、インバータ２０５に関する損失を計算して損失Ｌに含めてもよい。
【００５０】
消費電力量算出部１４は、モータ１０１の出力Ｗおよび損失Ｌを算出後、次式（５）に従って時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおける、単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]を算出する。
【００５１】
【数５】
0006038399.tif 000006
【００５２】
以上がステップＳ７の処理である。
【００５３】
消費電力量算出部１４は、次に、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいて、単位時間あたりに回生抵抗２０３で消費される電力の模擬値である電力模擬値Ｐreg[ｊ]を算出する（ステップＳ８）。このステップＳ８において、消費電力量算出部１４は、回生抵抗２０３に通電するか否かを母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ−１]を用いて判定しながら算出する。具体的には、次式（６）に従ってＰreg[ｊ]を算出する。
【００５４】
【数６】
0006038399.tif 000007
【００５５】
消費電力量算出部１４は、次に、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいて、単位時間あたりに整流器２０１が出力する電力の模擬値である、単位時間あたりの整流器２０１の出力電力模擬値Ｐcnv[ｊ]を算出する（ステップＳ９）。このステップＳ９において、消費電力量算出部１４は、母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ−１]と整流器２０１の出力電圧模擬値Ｖcnvとの比較結果に基づいて出力電力模擬値Ｐcnv[ｊ]を算出する。具体的には、次式（７）に従ってＰcnv[ｊ]を算出する。
【００５６】
【数７】
0006038399.tif 000008
【００５７】
ここで、整流器２０１の出力電圧模擬値Ｖcnvは次式（８）に従って算出する。
【００５８】
【数８】
0006038399.tif 000009
【００５９】
なお、ｍａｘ(α、β、γ)はα、β、γの中の最大値を出力する関数である。
【００６０】
消費電力量算出部１４は、次に、母線電圧２１０の模擬値である母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]を更新する（ステップＳ１０）。具体的には、消費電力量算出部１４は、前サンプル時間の母線電圧値模擬値Ｖdc[ｊ−１]、ステップＳ７で算出した単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]、ステップＳ８で算出した単位時間あたりに回生抵抗２０３で消費される電力模擬値Ｐreg[ｊ]、ステップＳ９で算出した単位時間あたりの整流器２０１の出力電力模擬値Ｐcnv[ｊ]、平滑コンデンサ２０２の容量Ｃおよびサンプル時間Ｔsを用いて、次式（９）に従い母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]を更新する。
【００６１】
【数９】
0006038399.tif 000010
【００６２】
消費電力量算出部１４は、次に、産業用機械における消費電力量の模擬値である消費電力量模擬値Ｅ[ｊ]を算出する（ステップＳ１１）。具体的には、消費電力量算出部１４は、前サンプル時間の消費電力量模擬値Ｅ[ｊ−１]、単位時間あたりの整流器２０１の出力電力模擬値Ｐcnv[ｊ]、および、サンプル時間Ｔsを用いて、次式（１０）に従い消費電力量模擬値Ｅ[ｊ]を算出する。次式（１０）に示した処理は、単位時間あたりの整流器２０１の出力電力模擬値Ｐcnv[ｊ]を積算する処理に相当している。
【００６３】
【数１０】
0006038399.tif 000011
【００６４】
消費電力量算出部１４は、次に、時間を表すパラメータｔがシミュレーション終了時間Ｔsimより小さいか否かを判定する（ステップＳ１２）。ｔがＴsimよりも小さい場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、消費電力量算出部１４は、ステップＳ５に戻り、上述したステップＳ５からＳ１１の処理を再度実行する。また、ｔがＴsim以上の場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、消費電力量算出部１４は消費電力模擬値の算出処理、すなわち上述したステップＳ５からＳ１１の繰り返しを終了する。また、結果出力部１５が、図１では記載を省略しているディスプレイなどの表示部に対して、消費電力量算出部１４で算出された消費電力量模擬値を表示する（ステップＳ１３）。結果出力部１５が消費電力模擬値を表示部に表示する動作としては、消費電力量模擬値Ｅ[ｊ]の時間推移をグラフとして表示する、一連の動作が終了した時間ｔ＝Ｔendにおける消費電力量模擬値を一連の動作パターンに必要な消費電力量として表示する、などが考えられるがこれらに限定するものではない。結果出力部１５は、消費電力量模擬値の時間推移だけでなく、動作パターンと関連付けて表示部に表示するようにしてもよい。また、結果出力部１５は、文字情報として表示する、消費電力量模擬値のグラフを紙に印字する、消費電力量模擬値の情報を紙に印字する、消費電力量模擬値の情報を記録媒体に記憶する、などの処理をステップＳ１３で行うようにしてもよい。また、消費電力量模擬値を算出する処理をウェブサーバで実施する構成とした場合、結果出力部１５は、消費電力量算出部１４で算出された消費電力量模擬値の情報を、インターネットなどの通信回線を通して、クライアントコンピュータ（ウェブブラウザ）に送信し、そこで表示させるようにしてもよい。
【００６５】
このように、消費電力量推定装置は、図４のフローチャートに従い、モータ１０１の消費電力量およびモータ１０１に接続された機械１００の消費電力量をシミュレーションにより算出するとともに、算出した消費電力量を表示するなどして外部に出力する。これにより、消費電力量推定装置の使用者は、機械１００、モータ１０１などを実動作させる手間や時間をかけることなく、産業用機械を構成する機械１００およびモータ１０１が所定の動作パターンに従って動作した場合の消費電力量を把握することができる。
【００６６】
つづいて、本実施の形態の効果、特に、図４のフローチャートに従って消費電力量模擬値を算出することにより、消費電力量を正確に模擬できる理由を説明する。消費電力量推定装置が図３に示した産業用機械を対象として消費電力模擬値を算出する場合を例に説明する。
【００６７】
モータの動作は、モータがエネルギーを消費して仕事を行う力行動作と、モータがエネルギーを生み出す回生動作とに分類される。図３に示した産業用機械においては、モータ１０１が回生動作を行った場合に発生する回生電力は、必ず回生抵抗２０３で消費されるわけではない。すなわち、モータ１０１が回生動作を行った場合に発生する回生電力は、回生抵抗２０３で消費される場合もあれば、アンプ２００に備えられた平滑コンデンサ２０２に蓄えられ、その後、再利用される場合もある。回生電力は、もともとは、カップリング１０２、ボールネジ１０３およびテーブル１０４で構成されている機械１００およびモータ１０１の運動エネルギーであり、その運動エネルギーはアンプ２００が電力としてモータ１０１および機械１００に与えたものである。よって、モータ１０１を用いて機械１００を駆動する場合のモータ１０１およびアンプ２００において消費される消費電力量をシミュレーションによって正確に求めるためには、回生電力がどのように処理されるかを正確に模擬する必要がある。
【００６８】
この回生電力の挙動を知るために、平滑コンデンサ２０２に蓄えられるエネルギーに着目して解析を行う。平滑コンデンサ２０２に蓄えられるエネルギーは、アンプ２００中の母線電圧値２１０を母線電圧ｖdcとすると、母線電圧ｖdcおよび平滑コンデンサ２０２の容量Ｃを用いて、１／２・Ｃ・ｖdc^２で表せる。ここで、‘＾２’は二乗を表しており、‘ｖdc＾２’は母線電圧ｖdcの二乗を表す。平滑コンデンサ２０２に蓄えられるエネルギーは、モータ１０１が電力を消費すれば減少する。また、回生抵抗２０３が電力を消費した場合にも平滑コンデンサ２０２に蓄えられるエネルギーは減少する。また、平滑コンデンサ２０２に蓄えられるエネルギーは、整流器２０１から電力が供給されると増加する。モータ１０１が単位時間あたりに消費する電力をｐ、単位時間あたりに回生抵抗２０３で消費される電力をｐreg、整流器２０１から供給される単位時間あたりの電力をｐcnvとし、エネルギー増減の時間変化という観点で上記の関係をまとめると次式（１１）が成立する。
【００６９】
【数１１】
0006038399.tif 000012
【００７０】
ここで、次式（１２）で表される合成関数の微分の公式を利用すると、式（１１）は下記の式（１３）となり、母線電圧値ｖdcの時間変化を表す微分方程式が得られる。
【００７１】
【数１２】
0006038399.tif 000013
【００７２】
【数１３】
0006038399.tif 000014
【００７３】
式（１３）の微分方程式に従って、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおける母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]をサンプリング周期Ｔsごとにシミュレーションするのが、図４のステップＳ１０の処理である。サンプル時間Ｔsを用いて式（１３）の左辺を離散化すると次式（１４）が得られる。
【００７４】
【数１４】
0006038399.tif 000015
【００７５】
式（１４）で表された関係を式（１３）に代入し、さらに、ｖdcをＶdc[ｊ]に、ｐをＰ[ｊ]に、ｐregをＰreg[ｊ]に、ｐcnvをＰcnv[ｊ]にそれぞれ代入すると、上記の式（９）が得られる。
【００７６】
なお、本実施の形態では、式（１３）をシミュレーションするために、微分演算をオイラー近似である式（１４）の差分演算で近似したが、式（１３）の関係をシミュレーションするための方法はこれに限られるものではなく、例えばルンゲクッタ法やホイン法など、どのような方法であっても同様に実施することができる。
【００７７】
一方、式（１３）における単位時間あたりの消費電力ｐ、単位時間あたりに回生抵抗で消費される電力ｐreg、単位時間あたりに整流器が供給する電力ｐcnvは、一定値ではなく、母線電圧値およびモータ動作に応じて、時々刻々と変化していく。これらをどのように模擬するかを次に説明する。
【００７８】
まず、モータ１０１が消費する単位時間あたりの消費電力量ｐについて考える。モータ１０１が消費する単位時間あたりの消費電力量ｐはモータ１０１の出力と損失の合計で表せる。図４に示したフローチャートのステップＳ１およびＳ２において、モータ１０１の動作パターン、モータ１０１の動作に伴う運動方程式の情報が入力されるので、消費電力量算出部１４は、任意の時間ｔにおけるモータ１０１の速度およびトルクがわかる。モータ１０１の速度およびトルクの模擬値を算出しているのがステップＳ６である。モータ１０１の速度およびトルクが分かればモータ１０１の出力Ｗは上記の式（３）に従って計算できる。また、トルクが分かれば、消費電力量算出部１４は、モータ１０１に電流が流れることにより発生する損失を計算できる。すなわち、消費電力量算出部１４は、まず、モータ１０１のトルクとモータ１０１のトルク定数Ｋtとを用いてモータ１０１に流れる電流を算出し、次に、算出した電流とモータの巻線抵抗Ｒとを利用して、モータ１０１に電流が流れることによって発生する損失Ｌを計算できる。損失Ｌは上記の式（４）に従って計算できる。消費電力量算出部１４がモータ１０１の出力Ｗと損失Ｌの合計値に基づき、モータ１０１が単位時間あたりに消費する消費電力ｐをＰ[ｊ]としてサンプリング周期Ｔsごとに計算する処理がステップＳ７である。消費電力Ｐ[ｊ]は上記の式（５）で表される。
【００７９】
次に、単位時間あたりに回生抵抗２０３が消費する電力ｐregについて考える。母線電圧ｖdcが回生トランジスタ２０４のＯＮ電圧Ｖon以上の場合、すなわち、ｖdc≧Ｖonの場合は、回生トランジスタ２０４が通電し、回生抵抗２０３には電流ｖdc／Ｒregが流れる。ここで、Ｒregは回生抵抗２０３の抵抗値である。電流と電圧の積により、単位時間あたりに回生抵抗２０３で消費される電力ｐregは、ｐreg＝ｖdc^２／Ｒcnvで計算できる。一方、ｖdc＜Ｖonの場合は、回生トランジスタ２０４が通電しない。そのため、回生抵抗２０３には電流が流れず、電力が消費されないので、ｐreg＝０となる。単位時間あたりに回生抵抗２０３が消費する電力ｐregをサンプリング周期Ｔsごとに計算するのがステップＳ８である。なお。ｐregは上記の式（６）で表されるＰreg[ｊ]である。
【００８０】
次に、単位時間あたりに整流器２０１が平滑コンデンサ２０２およびこれよりも後段の回路に供給する電力ｐcnvについて考える。整流器２０１は、母線電圧ｖdcが、整流器２０１の出力電圧ｖcnvより低下すると平滑コンデンサ２０２側に電力を供給する。すなわち、ｖdc＜ｖcnvの場合、その差分電圧（ｖcnv−ｖdc）に応じた電流が整流器２０１から平滑コンデンサ２０２側に流れる。整流器２０１の抵抗値Ｒcnvを用いると、整流器２０１から平滑コンデンサ２０２側へ流れる電流は（ｖcnv−ｖdc）／Ｒcnvとなる。そのため、整流器２０１から平滑コンデンサ２０２側に供給される単位時間あたりの電力ｐcnvは、ｐcnv＝（ｖcnv−ｖdc）^２／Ｒcnvとなる。これに対して、母線電圧ｖdcが整流器２０１の出力電圧力ｖcnv以上、すなわち、ｖdc≧ｖcnvの場合は整流器２０１から平滑コンデンサ２０２側に電力が供給されないため、ｐcnv＝０となる。単位時間あたりに整流器２０１が平滑コンデンサ２０２側に供給する電力ｐcnvをサンプリング周期Ｔsごとに計算するのがステップＳ９である。なお、ｐcnvは上記の式（７）で表されるＰcnv[ｊ]である。
【００８１】
モータ１０１およびアンプ２００における消費電力は、整流器２０１から平滑コンデンサ２０２に供給される電力に等しい。よって、モータ１０１およびアンプ２００における消費電力量は、単位時間あたりに整流器２０１から平滑コンデンサ２０２に供給される消費電力ｐcnvを積算することにより得られる。この処理に相当するのが、ステップＳ１１であり、モータ１０１およびアンプ２００における消費電力量は上記の式（１０）で表されるＥ[ｊ]である。
【００８２】
このように、本実施の形態の消費電力量推定装置は、外部から設定された動作パターン情報と、機械１００およびモータ１０１のダイナミクス情報と、アンプ２００を構成している平滑コンデンサ２０２の容量値の情報などであるアンプ情報と、モータ１０１の巻線の抵抗値の情報などであるモータ情報とを用いて、以上のような計算を時間０からモータ１０１および機械１００が一連の動作が終了する時間Ｔsimまでの間の各時点で行い消費電力量を算出していく。そのため、消費電力量推定装置は、モータ１０１および機械１００における正確な消費電力量をシミュレーションにより推定することができる。
【００８３】
また、本実施の形態の消費電力量推定装置は、消費電力量をシミュレーションにより推定する際に、インバータ２０５のＰＷＭ演算、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）素子のオン、オフ状態等の複雑な挙動の模擬を行うことなく、上記の式（９）、もしくは、これと等価な式（１１）、式（１３）など、アンプ２００の平滑コンデンサ２０２に蓄えられたエネルギーの時間変化に着目した式を用いることによって、母線電圧２１０の挙動を含めて模擬する。これにより、消費電力量を模擬する処理の演算量が増大するのを防止できるとともに、消費電力量を高精度に推定することができる。
【００８４】
また、本実施の形態の消費電力量推定装置は、モータ１０１で発生した回生電力が、回生抵抗２０３で消費されるのか、もしくは、回生抵抗２０３で消費されずに平滑コンデンサ２０２に蓄えられるのかを考慮して消費電力を模擬するので、正確に消費電力量を算出することができる。実際にモータ１０１を用いて機械１００を動作させた場合に、モータ１０１が回生動作を行うと、アンプ２００の母線電圧２１０が上昇し、母線電圧２１０がある一定値を超えると、回生トランジスタ２０４が通電し、回生抵抗２０３が回生電力を消費する現象が発生する。本実施の形態の消費電力量推定装置においても、モータ１０１のトルクと速度の符号が互いに異なり、モータ１０１の出力Ｗが負になり、さらに、モータ２０１の出力Ｗの絶対値が損失Ｌを上回ると、単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]が負になり回生電力が発生することを模擬する。単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]が負になると、図４に示したステップＳ１０において上記の式（９）を用いて求める母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]は大きくなる方向に変化する。これは、回生電力が平滑コンデンサ２０２に蓄えられる動作を模擬していることに相当する。さらに、回生電力が発生し続けると母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]は上昇し続け、母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]が回生トランジスタ２０４のＯＮ電圧Ｖonまで上昇すると、図４のステップＳ８の処理により、単位時間あたりに回生抵抗２０３で消費される電力模擬値Ｐreg[ｊ]が正になることを模擬する。また、単位時間あたりに回生抵抗２０３で消費される電力模擬値Ｐreg[ｊ]が正になると、ステップＳ１０において、母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]が小さくなる方向に変化する。これは、平滑コンデンサ２０２に蓄えられた回生電力の一部が回生抵抗２０３で消費されたことを模擬していることに相当する。
【００８５】
一般に、モータを用いて位置決め動作を行うと、加速動作および一定の速度を維持する動作は力行動作になり、減速動作は回生動作となる。本実施の形態の消費電力量推定装置によれば、図５に例示した動作パターンに従って動作する際の消費電力量、すなわち、力行動作と回生動作を交互に繰り返しながらモータが動作する際の消費電力量を正確に模擬できる。実際には、モータ１０１で回生動作を実行した直後は、発生したすべての回生電力が回生抵抗２０３で消費されるわけではない。回生電力の発生に伴い母線電圧２１０が上昇し、母線電圧２１０が回生トランジスタ２０４のＯＮ電圧Ｖonまで上昇した場合に、回生抵抗２０３で回生電力が消費される。モータ１０１が回生動作を行っても、回生トランジスタ２０４のＯＮ電圧Ｖonまで母線電圧２１０が上昇しないような場合、すなわち、母線電圧２１０がある程度大きい場合においては、モータ１０１の力行動作を行うと、平滑コンデンサ２０２に蓄えられたエネルギーが力行動作のエネルギーとして使用されるため、アンプ２００、モータ１０１および機械１００における消費電力量がそれほど大きくならないという現象が生じる。この現象に関しても、本実施の形態の消費電力量推定装置によれば、母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]が、整流器２０１の出力電圧Ｖcnvより大きければ、図４のステップＳ９の処理では、単位時間あたりの整流器２０１の出力電力模擬値が０、すなわちＰcnv[ｊ]＝０になり、ステップＳ１１でＰcnv[ｊ]を積算して得られる消費電力量模擬値Ｅ[ｊ]も小さくなる。
【００８６】
なお、本実施の形態では、図３に示した構成の産業用機械、すなわち、回転モータがボールネジを利用してテーブルの位置決め制御を行う産業用機械の消費電力量を模擬する場合の例を説明したが、この例に限定するものではない。例えば、タイミングベルト、ラックアンドピニオン、コンベアなどを使用する構成の産業用機械の消費電力量をシミュレーションにより求めるようにしてもよい。また、ロボットアームのような機構の消費電力量をシミュレーションにより求めるようにしてもよい。消費電力量を求める対象の産業用機械がどのような構成であっても、そのダイナミクス情報を上述したステップＳ２において外部から入力すれば、上述した手順と同様の手順により消費電力量を求めることが可能であり、同様の効果を奏することができる。また、位置決め制御を行う装置の消費電力量を求める場合だけに限定するものではない。例えば、位置決め制御ではなく動作パターンが特定できる速度制御やトルク制御を行う産業用機械の消費電力量を求めることもできる。
【００８７】
実施の形態２．
実施の形態１では、モータを１つだけ使用する構成の産業用機械の消費電力量をシミュレーションにより求める場合について説明を行ったが、１つの産業用機械の中に複数のモータが使用され、複数のアンプで駆動する場合であっても本発明を適用することが可能である。本実施の形態では、この例について説明を行う。なお、本実施の形態の消費電力量推定装置の構成は実施の形態１と同様である。
【００８８】
図６は、実施の形態２の消費電力量推定装置がシミュレーションにより消費電力量を求める対象の産業用機械の構成例を示す図である。本実施の形態では、図６に示した構成の産業用機械を対象として、複数のモータを用いて位置決め動作を行う場合の消費電力量を消費電力量推定装置がシミュレーションにより求める場合の例について説明する。
【００８９】
図６に示した産業用機械は、モータにより駆動される機械を複数備えている。具体的には、図６に示した産業用機械は、カップリング３０２、ボールネジ３０３およびテーブル３０４により構成された機械３００と、カップリング５０２、ボールネジ５０３およびテーブル５０４により構成された機械５００とを備えている。これら２つの機械３００および５００は、いずれも、モータの回転運動がカップリングおよびボールネジを介してテーブルを駆動するものである。また、産業用機械は、機械３００を駆動するためのモータ３０１および機械５００を駆動するためのモータ５０１と、モータ３０１に電流を供給するアンプ４００およびモータ５０１に電流を供給するアンプ６００と、アンプ４００および６００に対して動作パターン信号３０９および５０９を出力する指令生成部１０６ａとを備えている。このように、図６に示した産業用機械は、機械および機械を駆動するモータのペアと、モータを駆動するアンプとの組を複数備えて構成されている。
【００９０】
図６に示した産業用機械において、指令生成部１０６ａは、モータ３０１またはテーブル３０４の動作パターンを動作パターン信号３０９としてアンプ４００に与えるとともに、モータ５０１またはテーブル５０４の動作パターンを動作パターン信号５０９としてアンプ６００に与える。
【００９１】
図６に示した産業用機械のアンプ４００および６００には交流電源１２０から交流電圧１２１が供給されている。アンプ４００および６００の構成は、図３に示した産業用機械のアンプ２００と同じとする。すなわち、アンプ４００および６００は、アンプ２００が備えている整流器２０１、平滑コンデンサ２０２、回生抵抗２０３、回生トランジスタ２０４、インバータ２０５およびサーボ制御部２２０と同様の構成要素を備え、アンプ２００と同様に動作する。具体的には、アンプ４００は、モータ３０１に取り付けられたエンコーダ３０５から出力される、モータ３０１のロータの位置、回転速度などの検出結果を示す検出信号３０８が動作パターン信号３０９に追従するように、モータ３０１に電流３０７を与える。アンプ６００は、モータ５０１に取り付けられたエンコーダ５０５から出力される、モータ５０１のロータの位置、回転速度などの検出結果を示す検出信号５０８が動作パターン信号５０９に追従するように、モータ５０１に電流５０７を与える。
【００９２】
なお、これ以降の説明では、便宜上、モータ３０１をモータ＃１、モータ５０１をモータ＃２と呼ぶ場合がある。また、アンプ４００をアンプ＃１、アンプ６００をアンプ＃２と呼び、機械３００を機械＃１、機械５００を機械＃２と呼ぶ場合がある。
【００９３】
つづいて、本実施の形態の消費電力量推定装置が図６に示した産業用機械における消費電力量を模擬する処理の流れを、図７に示すフローチャートを用いて説明する。図７は、実施の形態２の消費電力量推定装置における消費電力量推定動作、すなわち、消費電力量推定装置がシミュレーションを行って産業用機械における消費電力量を推定する動作の一例を示すフローチャートである。なお、図７のフローチャートには、図４のフローチャートと類似している箇所がある。そのため、図７に示した処理のうち、図４に示した処理と類似しているものについては説明を省略、または簡略化する場合がある。また、図７においては、図４に示した処理と同じ処理に図４と同じステップ番号を付している。図７に示した処理のうち、図４と同じステップ番号の処理につては説明を省略する。
【００９４】
実施の形態２の消費電力量推定装置は、シミュレーションを行って消費電力量を推定する場合、まず、外部から複数軸の動作パターン情報、すなわち、複数のモータ各々の回転軸の動作パターンを示す動作パターン情報を取得する（ステップＳ２１）。具体的には、動作パターン情報取得部１１が、モータ＃１およびモータ＃２の各々についての、テーブルの位置決め動作時の移動量、速度、加速時間、減速時間、位置決め動作間の待ち時間であるドウェル時間、などの各種情報を外部から取得し、動作パターン情報として消費電力量算出部１４へ送信する。消費電力量算出部１４は、モータ＃１および＃２の各々に対応する合計２つの動作パターン情報を動作パターン情報取得部１１から受け取ると、受け取った各動作パターン情報を保持しておく。
【００９５】
動作パターン情報取得部１１が外部から取得する、モータ＃１および＃２の各々に対応する動作パターン情報が示す動作パターンは、例えば図８に示した速度パターンとなる。図８の上段に示した速度パターンがモータ＃１に対応するものであり、下段に示した速度パターンがモータ＃２に対応するものである。各速度パターンの構成は、図５に示した速度パターンと同様であるため、詳細説明は省略する。
【００９６】
消費電力量算出部１４は、動作パターン情報取得部１１から受け取った動作パターン情報に基づき、モータ＃１および＃２が動作すべき指令信号を一意に定めることができる。消費電力量算出部１４は、モータ＃１および＃２が動作すべき指令信号が定まると、モータ＃１の時間ｔに対する位置指令Ｘ1*(ｔ)および速度指令Ｖ1*(ｔ)、モータ＃２の時間ｔに対する位置指令Ｘ2*(ｔ)および速度指令Ｖ2*(ｔ)を定めることができる。
【００９７】
次に、消費電力量推定装置は、複数軸のダイナミクス情報、すなわち複数のモータ各々の回転軸の動作に伴うダイナミクス情報を取得する（ステップＳ２２）。具体的には、ダイナミクス情報取得部１２が、モータ＃１および機械＃１のダイナミクスを規定する情報であるモータ＃１に対応するダイナミクス情報と、モータ＃２および機械＃２のダイナミクスを規定する情報であるモータ＃２に対応するダイナミクス情報と、を外部から取得し、消費電力量算出部１４へ送信する。消費電力量算出部１４は、各モータに対応するダイナミクス情報をダイナミクス情報取得部１２から受け取ると、受け取ったダイナミクス情報を保持しておく。ダイナミクス情報は、実施の形態１で説明したものと同様であり、モータ＃１に対応するダイナミクス情報は、モータ＃１の回転動作に伴う機械＃１の可動イナーシャ、モータ＃１の回転動作に伴う摩擦の情報などである。モータ＃２に対応するダイナミクス情報は、モータ＃２の回転動作に伴う機械＃２の可動イナーシャ、モータ＃２の回転動作に伴う摩擦の情報などである。消費電力量算出部１４は、ダイナミクス情報に基づき、機械＃１およびモータ＃１の運動方程式などのダイナミクス、機械＃２およびモータ＃２の運動方程式などのダイナミクスを一意に定めることができる。
【００９８】
次に、消費電力量推定装置は、複数軸のアンプ情報およびモータ情報、すなわち各アンプのアンプ情報および各モータのモータ情報を取得する（ステップＳ２３）。具体的には、回路情報取得部１３が、各アンプのアンプ情報として、各アンプに関する各定数情報、より詳細には、アンプ＃１を構成している平滑コンデンサのコンデンサ容量値、回生抵抗の抵抗値、回生トランジスタがＯＮする電圧値および整流器の抵抗値と、アンプ＃２を構成している平滑コンデンサのコンデンサ容量値、回生抵抗の抵抗値、回生トランジスタがＯＮする電圧値および整流器の抵抗値とを外部から取得するとともに、交流電源１２０の電圧波高値および電源周波数を外部から取得する。また、回路情報取得部１３が、各モータのモータ情報として、モータ＃１の巻線抵抗値およびモータ＃１で単位電流あたりにどの程度のトルクが発生するかを表すトルク定数と、モータ＃２の巻線抵抗値およびモータ＃２で単位電流あたりにどの程度のトルクが発生するかを表すトルク定数とを外部から取得する。回路情報取得部１３は、取得した各アンプのアンプ情報および各モータのモータ情報を消費電力量算出部１４へ送信する。このとき、回路情報取得部１３は、どの程度の時間幅でシミュレーションを行うかを表すサンプル時間Ｔsも併せて取得し、消費電力量算出部１４へ送信する。
【００９９】
なお、上記のステップＳ２１からＳ２３を実行する順番は入れ替わっても構わない。
【０１００】
次に、消費電力量推定装置は、消費電力量の算出処理で使用する変数に初期値を設定する（ステップＳ２４）。具体的には、消費電力量算出部１４が、ｊ＝０、ｔ＝０、Ｅ[１，ｊ]＝０、Ｅ[２，ｊ]＝０、Ｅtotal[ｊ]＝０、Ｖdc[１，ｊ]＝Ｖs1、Ｖdc[２，ｊ]＝Ｖs2と設定する。ここで、変数ｊは配列のインデックス、ｔは時間を表す。Ｅ[１，ｊ]は、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいてシミュレーションによって算出される、モータ＃１およびアンプ＃１の消費電力量模擬値、Ｅ[２，ｊ]は、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいてシミュレーションによって算出される、モータ＃２およびアンプ＃２の消費電力量模擬値、Ｖdc[１，ｊ]は、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいてシミュレーションによって算出される、アンプ＃１の母線電圧模擬値、Ｖdc[２，ｊ]は、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいてシミュレーションによって算出される、アンプ＃２の母線電圧模擬値、をそれぞれ表す。また、Ｅtotal[ｊ]は、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいてシミュレーションによって算出される、複数のモータ、アンプおよび機械で消費される電力量の模擬値、すなわち、図６に示した産業用機械における消費電力量の模擬値を表す。
【０１０１】
消費電力量算出部１４は、ステップＳ２４を実行して変数の初期化を行うと、次に、インデックスｊを１つインクリメントするとともに、時間を表すパラメータｔをサンプル時間Ｔs分だけ増加させる。すなわち、ｊ＝ｊ＋１とするとともに、ｔ＝ｔ＋Ｔsとする。また、消費電力量算出部１４は、複数存在しているモータ、アンプおよび機械の組の中の１つを表すインデックスｋをｋ＝１とする（ステップＳ２５）。なお、ｋ＝１はモータ＃１、アンプ＃１および機械＃１の組を表し、ｋ＝２はモータ＃２、アンプ＃２および機械＃２の組を表すものとする。
【０１０２】
ステップＳ２６からＳ３１は、実施の形態１で説明した、図４のフローチャートにおけるステップＳ６からＳ１１と同様の処理である。すなわち、ステップＳ２６からＳ３１において、消費電力量算出部１４は、モータ＃ｋ、アンプ＃ｋおよび機械＃ｋを対象として、図３に示したステップＳ６からＳ１１の処理を実行し、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおいてアンプ＃ｋおよびモータ＃ｋが消費する電力量の模擬値である電力量模擬値Ｅ[ｋ，ｊ]を算出する。
【０１０３】
消費電力量算出部１４は、ステップＳ３１でＥ[ｋ，ｊ]を算出後、ｋ＝２か否かを確認し（ステップＳ３２）、ｋ＝２ではない場合（ステップＳ３２：Ｎｏ）、ｋ＝２に設定し（ステップＳ３３）、ステップＳ２６からＳ３１を実行してＥ[ｋ，ｊ]を算出する。一方、ｋ＝２の場合（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、消費電力量算出部１４は、時間ｔ＝ｊ・Ｔsにおける産業用機械の消費電力量の模擬値である消費電力量模擬値Ｅtotal[ｊ]を算出する（ステップＳ３４）。具体的には、消費電力量算出部１４は、Ｅtotal[ｊ]＝Ｅ[１，ｊ]＋Ｅ[２，ｊ]を求める。
【０１０４】
消費電力量算出部１４は、次に、時間を表すパラメータｔがシミュレーション終了時間Ｔsimより小さいか否かを判定する（ステップＳ１２）。ｔがＴsimよりも小さい場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、消費電力量算出部１４は、ステップＳ２５に戻り、上述したステップＳ２５からＳ３４の処理を再度実行する。また、ｔがＴsim以上の場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、消費電力量算出部１４は消費電力模擬値の算出処理、すなわち上述したステップＳ２５からＳ３４の繰り返しを終了する。また、結果出力部１５が、ディスプレイなどの表示部に対して、消費電力量算出部１４で算出された消費電力模擬値の情報、すなわちＥtotal[ｊ]を表示する（ステップＳ１３ａ）。結果出力部１５がＥtotal[ｊ]を表示する方法は、実施の形態１と同様である。
【０１０５】
このように、消費電力量推定装置は、図７のフローチャートに従い、産業用機械を構成している複数のモータ、機械およびアンプの組の各々について、動作パターンに基づいて動作をシミュレーションし、消費電力量の模擬値を算出する。また、算出した模擬値を表示部に表示するなどして外部に出力する。これにより、消費電力量推定装置の使用者は、機械３００および５００、モータ３０１および５０１などを実動作させる手間や時間をかけることなく、産業用機械を構成する機械３００および５００、モータ３０１および５０１が所定の動作パターンに従って動作した場合の消費電力量を把握することができる。
【０１０６】
なお、産業用機械を構成するモータ、機械およびアンプが２組の場合について説明したが、３組以上の場合も図７のフローチャートと同様のフローチャートに従って消費電力量の模擬値を算出可能である。モータ、機械およびアンプが３組以上の場合、消費電力量推定装置は、図７に示したステップＳ２６からＳ３１の処理を各組について実行して各組の消費電力量模擬値を算出し、ステップＳ３４では、各組の消費電力量模擬値を加算して産業用機械全体の消費電力量模擬値を求めればよい。なお、ステップＳ３２およびＳ３３については、モータ、機械およびアンプの組数に応じて変更する。
【０１０７】
つづいて、図７のフローチャートに従って消費電力量模擬値を算出することにより図６に示した構成の産業用機械における消費電力量を正確に模擬できる理由を説明する。
【０１０８】
図６に示した構成の産業用機械においては、アンプ４００とアンプ６００がエネルギーのやりとりを行わないので、モータ３０１で発生した回生電力をモータ５０１で使用したり、逆に、モータ５０１で発生した回生電力をモータ３０１で使用したりすることができない。そのため、モータ３０１で発生した回生電力は、アンプ４００内の平滑コンデンサに蓄えられるか、アンプ４００内の回生抵抗で消費されることになる。同様に、モータ５０１で発生した回生電力は、アンプ６００内の平滑コンデンサに蓄えられるか、アンプ６００内の回生抵抗で消費されることになる。よって、図６に示したような、複数のモータを使用し、各モータをそれぞれに対応するアンプで駆動する構成の場合には、モータとこれを駆動するアンプの組み合わせを単位として消費電力量を個別に、すなわちモータとアンプの組み合わせごとに算出し、モータとアンプの組み合わせごとに算出した消費電力量を合計すれば、産業用機械のトータルの消費電力量を算出することができる。
【０１０９】
図７に示したフローチャートに従った動作では、まず、ｋ＝１に設定し、実施の形態１で説明したステップＳ６からＳ１１と同様の処理であるステップＳ２６からＳ３１を実行することにより、１組目のモータ＃１とアンプ＃１の消費電力量模擬値を算出する。１組目の消費電力量模擬値を算出した後は、ステップＳ３３においてｋ＝２に設定し、ステップＳ２６からＳ３１を再度実行することにより、２組目のモータ＃２とアンプ＃２の消費電力量模擬値を算出する。その後、ステップＳ３４において、１組目と２組目の消費電力量模擬値を合計することで、複数のモータ、各モータを駆動する複数のアンプのトータルの消費電力量、すなわち産業用機械のトータルの消費電力量の模擬値である消費電力量模擬値Ｅtotal[ｊ]を算出する。このように、複数のモータ、アンプおよび機械の組が、組ごとに個別の動作パターンに従って動作した時の消費電力量を算出することができる。
【０１１０】
実施の形態３．
実施の形態２では、複数のモータおよびモータと同数のアンプを備えた構成の産業用機械の消費電力量をシミュレーションにより求める場合について説明を行ったが、本実施の形態では、１台のアンプで複数のモータを駆動させる構成の産業用機械の消費電力量をシミュレーションにより求める場合について説明する。なお、本実施の形態の消費電力量推定装置の構成は実施の形態１と同様である。
【０１１１】
図９は、実施の形態３の消費電力量推定装置がシミュレーションにより消費電力量を求める対象の産業用機械の構成例を示す図である。本実施の形態では、図９に示した構成の産業用機械を対象として、複数のモータを用いて位置決め動作を行う場合の消費電力量を消費電力量推定装置がシミュレーションにより求める場合の例について説明する。
【０１１２】
図９に示した産業用機械は、モータにより駆動される機械を複数備えている。具体的には、図９に示した産業用機械は、図６に示した産業用機械と同様に、カップリング３０２、ボールネジ３０３およびテーブル３０４により構成された機械３００と、カップリング５０２、ボールネジ５０３およびテーブル５０４とにより構成された機械５００とを備えている。これら２つの機械３００および５００は、いずれも、モータの回転運動がカップリングおよびボールネジを介してテーブルを駆動するものである。また、産業用機械は、機械３００を駆動するためのモータ３０１および機械５００を駆動するためのモータ５０１と、モータ３０１および５０１に電流を供給するアンプ２００ａと、アンプ２００ａに対して動作パターン信号３０９および５０９を出力する指令生成部１０６ａとを備えている。このように、図９に示した産業用機械は、機械および機械を駆動するモータのペアを複数備え、各ペアのモータは１つのアンプにより駆動される。
【０１１３】
図９に示した産業用機械において、指令生成部１０６ａは、モータ３０１およびテーブル３０４の動作パターンを動作パターン信号３０９としてアンプ４００に与えるとともに、モータ５０１およびテーブル５０４の動作パターンを動作パターン信号５０９としてアンプ６００に与える。
【０１１４】
図９に示した産業用機械は、図６に示した産業用機械のアンプ４００および６００をアンプ２００ａに置き換えたものに相当する。また、アンプ２００ａは、図３に示した産業用機械のアンプ２００に対してサーボ制御部２６０およびインバータ２５５を追加したものに相当する。サーボ制御部２６０は、サーボ制御部２２０と同様の動作を行う。すなわち、サーボ制御部２６０は、エンコーダ５０５から入力される検出信号５０８が指令生成部１０６ａから入力される動作パターン信号５０９に追従するようにフィードバック制御を行い、電圧指令２６１を算出する。インバータ２５５は、インバータ２０５と同様の動作を行う。すなわち、インバータ２５５は、母線電圧２１０に対しＰＷＭ演算等を行い、電圧指令２６１がモータ５０１に印加されるように電力変換することで電流５０７をモータ５０１に供給する。
【０１１５】
なお、これ以降の説明では、便宜上、モータ３０１をモータ＃１、モータ５０１をモータ＃２と呼ぶ場合がある。また、機械３００を機械＃１、機械５００を機械＃２と呼ぶ場合がある。
【０１１６】
つづいて、本実施の形態の消費電力量推定装置が図９に示した産業用機械における消費電力量を模擬する処理の流れを、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。図１０は、実施の形態３の消費電力量推定装置における消費電力量推定動作、すなわち、消費電力量推定装置がシミュレーションを行って産業用機械における消費電力量を推定する動作の一例を示すフローチャートである。なお、図１０のフローチャートには、図４または図７のフローチャートと類似している箇所がある。そのため、図１０に示した処理のうち、図４または図７に示した処理と類似しているものについては説明を省略、または簡略化する場合がある。また、図１０においては、図４または図７に示した処理と同じ処理に図４または図７と同じステップ番号を付している。図１０に示した処理のうち、図４または図７と同じステップ番号の処理につては説明を省略する。
【０１１７】
実施の形態３の消費電力量推定装置は、ステップＳ２１およびＳ２２を実行した後、アンプ情報およびモータ情報を取得する（ステップＳ４３）。具体的には、回路情報取得部１３が、アンプ情報として、アンプ２００ａを構成している平滑コンデンサ２０２のコンデンサ容量値Ｃ、回生抵抗２０３の抵抗値Ｒreg、回生トランジスタ２０４がＯＮする電圧値Ｖonおよび整流器２０１の抵抗値Ｒcnvを外部から取得するとともに、交流電源１２０の電圧波高値Ｖsおよび電源周波数ωを外部から取得する。また、回路情報取得部１３が、モータ情報として、モータ＃１の巻線抵抗値Ｒ1およびモータ＃１で単位電流あたりにどの程度のトルクが発生するかを表すトルク定数Ｋt1と、モータ＃２の巻線抵抗値Ｒ2およびモータ＃２で単位電流あたりにどの程度のトルクが発生するかを表すトルク定数Ｋt2とを外部から取得する。回路情報取得部１３は、取得したアンプ情報およびモータ情報を消費電力量算出部１４へ送信する。このとき、回路情報取得部１３は、どの程度の時間幅でシミュレーションを行うかを表すサンプル時間Ｔsも併せて取得し、消費電力量算出部１４へ送信する。
【０１１８】
消費電力量推定装置は、ステップＳ４３に続いてステップＳ４およびＳ５を実行し、次に、ステップＳ２１、Ｓ２２およびＳ４３で取得した各情報を用いて、時間ｔにおける各モータの速度模擬値、トルク模擬値および電流模擬値を算出する（ステップＳ４６）。具体的には、消費電力量算出部１４が、モータ＃１の時間ｔにおける速度模擬値Ｖ1、トルク模擬値τ1および電流模擬値Ｉ1と、モータ＃２の時間ｔにおける速度模擬値Ｖ2、トルク模擬値τ2および電流模擬値Ｉ2とを算出する。
【０１１９】
すなわち、消費電力量算出部１４は、ステップＳ２１で取得した動作パターン情報が速度指令パターンを示している場合には、時間ｔにおけるモータ＃１の速度模擬値Ｖ1をＶ1＝Ｖ1*(ｔ)、モータ＃２の速度模擬値Ｖ2をＶ2＝Ｖ2*(ｔ)とする。また、速度指令Ｖ1*(ｔ)およびＶ2*(ｔ)をそれぞれ微分することで、時間ｔにおけるモータ＃１の加速度模擬値Ａ1およびモータ＃２の加速度模擬値Ａ2を併せて算出する。ステップＳ２１で取得した動作パターン情報が位置指令パターンを示している場合、消費電力量算出部１４は、位置指令Ｘ1*(ｔ)およびＸ2*(ｔ)をそれぞれ微分することで、時間ｔにおけるモータ＃１の速度模擬値Ｖ1およびモータ＃２の速度模擬値Ｖ2を算出し、算出した各速度模擬値をさらに微分することで、時間ｔにおけるモータ＃１の加速度模擬値Ａ1およびモータ＃２の加速度模擬値Ａ2を算出する。
【０１２０】
消費電力量算出部１４は、時間ｔにおける各モータの速度模擬値Ｖ1，Ｖ2および加速度模擬値Ａ1，Ａ2を算出後、さらに、ステップＳ２２で取得した複数のモータ各々の回転軸の動作に伴うダイナミクス情報と、速度模擬値Ｖ1，Ｖ2および加速度模擬値Ａ1，Ａ2とを用いて、時間ｔにおけるモータ＃１のトルク模擬値τ1およびモータ＃２のトルク模擬値τ2を算出する。ここで、消費電力量算出部１４は、実施の形態１で説明したステップＳ６においてトルク模擬値τを算出する場合と同様の方法により、トルク模擬値τ1およびτ2を算出する。消費電力量算出部１４は、さらに、トルク模擬値τ1をトルク定数Ｋt1で除することにより、時間ｔにおけるモータ＃１の電流模擬値Ｉ1を算出し、トルク模擬値τ2をトルク定数Ｋt2で除することにより、時間ｔにおけるモータ＃２の電流模擬値Ｉ2を算出する。
【０１２１】
消費電力量算出部１４は、次に、時間ｔにおける各モータの単位時間あたりの消費電力模擬値を算出し、算出した消費電力模擬値を合計することにより、産業用機械が備えているモータ全体の単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]を算出する（ステップＳ４７）。具体的には、消費電力量算出部１４は、まず、上記ステップＳ４６で算出した各モータの速度模擬値Ｖ1，Ｖ2およびトルク模擬値τ1，τ2を用いて、時間ｔにおける、モータ＃１の出力Ｗ1およびモータ＃２の出力Ｗ2を次式（１５）に従って算出する。
【０１２２】
【数１５】
0006038399.tif 000016
【０１２３】
また、消費電力量算出部１４は、上記ステップＳ４６で算出した各モータの電流模擬値Ｉ1，Ｉ2と、上記ステップＳ４３で取得した各モータの巻線抵抗値Ｒ1，Ｒ2とを用いて、時間ｔにおける、モータ＃１の損失Ｌ1およびモータ＃２の損失Ｌ2を次式（１６）に従って算出する。
【０１２４】
【数１６】
0006038399.tif 000017
【０１２５】
消費電力量算出部１４は、次に、各モータの出力Ｗ1，Ｗ2および損失Ｌ1，Ｌ2を用いて、時間ｔにおける、モータ＃１の単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ1[ｊ]およびモータ＃２の単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ2[ｊ]を次式（１７）に従って算出する。
【０１２６】
【数１７】
0006038399.tif 000018
【０１２７】
消費電力量算出部１４は、次に、次式（１８）に示したように、時間ｔにおける各モータの単位時間あたりの消費電力模擬値の合計値を算出することにより、産業用機械が備えているモータ全体の単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]を算出する。
【０１２８】
【数１８】
0006038399.tif 000019
【０１２９】
消費電力量算出部１４は、消費電力模擬値Ｐ[ｊ]を算出した後は、実施の形態１で説明したステップＳ８からＳ１１を実行して消費電力量模擬値Ｅ[ｊ]を算出し、ｔ＝０からＴsimまでの期間における消費電力量模擬値Ｅ[ｊ]の算出が終了すると、ステップＳ１３において、結果出力部１５が消費電力量模擬値Ｅ[ｊ]を表示する。
【０１３０】
このように、本実施の形態の消費電力量推定装置は、複数のモータの各々における単位時間あたりの消費電力の模擬値を算出し、各モータの消費電力の模擬値を合算することにより、産業用機械が備えているモータ全体の単位時間あたりの消費電力の模擬値を算出する。また、実施の形態１と同様の手順でアンプにおける単位時間あたりの消費電力の模擬値を算出し、モータ全体の単位時間あたりの消費電力の模擬値とアンプにおける単位時間あたりの消費電力の模擬値の加算結果を積算することにより、産業用機械全体としての消費電力量の推定値を求める。
【０１３１】
つづいて、図１０のフローチャートに従って消費電力量模擬値を算出することにより図９に示した構成の産業用機械における消費電力量を正確に模擬できる理由を説明する。
【０１３２】
図９に示した構成の産業用機械において、アンプ２００ａ内のインバータ２０５および２５５は共通の母線からエネルギーが供給され、モータ３０１および５０１に電力を供給する。そのため、モータ３０１で発生した回生電力をモータ５０１が使用したり、逆にモータ５０１で発生した回生電力をモータ３０１で使用したりすることが可能である。よって、消費電力量の模擬値を算出するにあたり、このことを考慮して行う必要がある。アンプ２００ａの母線電圧２１０が上昇するか、下降するかは、各モータの単位時間あたりの消費電力だけでは決まらず、各モータの単位時間あたりの消費電力の合計値に影響される。図９に示したような、１つのアンプで２つのモータを個別に駆動させる構成の場合、一方のモータが回生動作を行い、かつ他方のモータが力行動作を行う場合、すなわち、一方のモータの単位時間あたりの消費電力が負になり、かつ他方のモータの単位時間あたりの消費電力が正になる場合、回生動作を行っているモータの回生電力を、力行動作を行っているモータのエネルギーとして使用することができる。
【０１３３】
図１０に示したフローチャートのステップＳ４７では、上述したように、各モータの単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ1[ｊ]およびＰ2[ｊ]を算出し、これらを合計したものをモータ全体の単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]として算出する。これにより、あるモータが力行動作を行い、別のモータが回生動作を行うと、これらを相殺するようにモータ全体の単位時間あたりの消費電力模擬値が算出されるので、モータ全体の単位時間あたりの消費電力を正確に模擬することができる。
【０１３４】
また、図９に示した構成の産業用機械が実動作を行った場合、各モータにおける力行エネルギーと回生エネルギーの合計が正であれば、モータ全体としてエネルギーを使用しているので、平滑コンデンサ２０２に蓄えられるエネルギーは減少し、その結果、母線電圧値２１０は減少する方向に変化する。逆に、各モータにおける力行エネルギーと回生エネルギーの合計が負で有れば、モータ全体としてエネルギーを生み出しているので、平滑コンデンサ２０２に蓄えられているエネルギーは増加し、その結果、母線電圧２１０は上昇する方向に変化する。図１０に示したフローチャートのステップＳ１０では、モータ全体の単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]が正だと母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]が下降する方向に算出され、逆にＰ[ｊ]が負だとＶdc[ｊ]が上昇する方向に働くので、この状況を正確に模擬することができる。
【０１３５】
また、図９に示したアンプ２００ａにおいても、母線電圧２１０が回生トランジスタ２０４のＯＮ電圧Ｖonを超えると、回生トランジスタ２０４が通電し、平滑コンデンサ２０２に蓄えられたエネルギーの一部を回生抵抗２０３が消費する。図１０に示したフローチャートのステップＳ８では、母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]がＶonを超えると、単位時間あたりの回生抵抗２０３で消費される電力Ｐreg[ｊ]を算出する。よって、ステップＳ８で算出するＰreg[ｊ]が正になって、母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]が下がる方向に変化し、平滑コンデンサ２０２に蓄えられるエネルギーが減少することを正確に模擬することができる。
【０１３６】
また、図９に示したアンプ２００ａでは、母線電圧２１０が、整流器２０１の出力電圧Ｖcnvを下回ると、整流器２０１から電力が供給される。図１０のフローチャートのステップＳ９では、母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]が整流器２０１の出力電圧Ｖcnvを下回ると、整流器２０１の出力電力模擬値Ｐcnv[ｊ]が正の値として算出される。さらに、Ｐcnv[ｊ]が正の値になることにより、ステップＳ１１では、母線電圧模擬値Ｖdc[ｊ]が正の方向に上昇することを正確に模擬し、さらに、平滑コンデンサ２０２に蓄えられるエネルギーが増加することもまた正確に模擬している。
【０１３７】
これらの現象を正確に模擬し、図１０のフローチャートのステップＳ１１において単位時間あたりの整流器２０１の出力電力模擬値Ｐcnv[ｊ]を積算することにより、図９に示したような構成の産業用機械が実際に動作した際の消費電力量を正確に算出することができる。
【０１３８】
なお、図９では、機械を駆動するのにモータが２つで、これら２つのモータが、母線電圧を共通とする、複数のインバータを備えるアンプにより駆動される例を示したが、この構成に限定するものではない。母線電圧を共通とする３つ以上のインバータを備え、各インバータがそれぞれ異なるモータを駆動させる構成のアンプについては、本実施の形態で説明した手順と同様の手順により消費電力量の模擬値を算出することが可能である。この場合、消費電力量推定装置は、ステップＳ２１において、使用する複数のモータそれぞれの動作パターンを示す動作パターン情報を取得し、ステップＳ２２において、各モータに関するダイナミクス情報を取得し、ステップＳ４３において、各モータのモータ情報と、アンプ情報とを取得する。そして、消費電力量推定装置は、ステップＳ４７において、複数のモータそれぞれの単位時間あたりの消費電力を算出し、算出した消費電力を合計することで、モータ全体の単位時間あたりの消費電力模擬値Ｐ[ｊ]を求める。
【０１３９】
実施の形態４．
実施の形態１から３では、機械を動作させるためのモータおよびアンプが指定された動作パターンで動作を行う場合の消費電力量を、実際に機械およびモータを動作させることなく、模擬算出する発明について説明した。本発明によれば、単一の動作パターンだけではなく、同じ機械、同じモータ、同じアンプを使用しながら、異なる複数の動作パターンで動作した際の消費電力量を算出し、動作パターンの違いによる消費電力量の違いを比較することも可能である。本実施の形態は、この例について説明を行う。本実施の形態では、図３に示した構成の産業用機械を異なる複数の動作パターンで動作させた場合の消費電力量をシミュレーションにより求める例を説明する。なお、本実施の形態の消費電力量推定装置の構成は実施の形態１と同様である。
【０１４０】
図１１は、実施の形態４の消費電力量推定装置の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図１１においては、図４に示した処理と同じ処理に図４と同じステップ番号を付している。図１１に示した処理のうち、図４と同じステップ番号の処理につては説明を省略する。
【０１４１】
消費電力量推定装置は、まず、外部から複数の動作パターン情報を取得する（ステップＳ６１）。具体的には、動作パターン情報取得部１１が、異なる複数の動作パターン情報を取得し、消費電力量算出部１４へ送信する。
【０１４２】
このステップＳ６１において、動作パターン情報取得部１１は、例えば、図１２から図１４に示した動作パターンをそれぞれ示す３つの動作パターン情報を取得する。図１２から図１４に示した動作パターンは、いずれも、３つの位置決め動作と、その間に待ち時間であるドウェル時間とにより構成されている。図１２の動作パターンの１番目の位置決め動作における移動量、図１３の動作パターンの１番目の位置決め動作における移動量、図１４の１番目の位置決め動作における移動量は同じであるとする。また、各動作パターンの２番目の位置決め動作における移動量、各動作パターンの３番目の位置決め動作における移動量も、図１２から図１４の動作パターンの間でそれぞれ同じであるとする。また、位置決め動作の間の待ち時間であるドウェル時間の長さも図１２から図１４の動作パターンの間でそれぞれ同じであるとする。ただし、図１２から図１４の動作パターンの間で位置決め動作時の速度は異なる。図示したように、図１２はモータの速度が１０００ｒｐｍの動作パターン、図１３はモータの速度が１５００ｒｐｍの動作パターン、図１４はモータの速度が８００ｒｐｍの動作パターンである。動作速度が異なるため、それぞれの位置決め動作時間の速度が大きいほど、それぞれの位置決め動作の位置決め時間が短くなり、一連の動作パターンが終了するのも短くなる。図１２から図１４の動作パターンでは、３つの位置決め動作と２つの待ち動作を行う一連の動作が終了するまでの所要時間である動作完了時間が、それぞれ、３０秒、２５秒、３５秒となっている。
【０１４３】
図１２の動作パターンを、ある機械の搬送動作パターンと見なせば、図１３の動作パターンは、搬送移動量が図１２の動作パターンと同じで図１２の動作パターンより速度の大きい搬送動作パターン、図１４の動作パターンは、搬送移動量が図１２の動作パターンと同じで図１２の動作パターンより速度の小さい搬送動作パターンと見なすことができる。
【０１４４】
ステップＳ６１に続くステップＳ２およびＳ３において、消費電力量推定装置は、実施の形態１で説明したように、ダイナミクス情報、アンプ情報およびモータ情報を取得する。
【０１４５】
次に、消費電力量推定装置は、ステップＳ６１で取得した複数の動作パターン情報の中の１つを選択する（ステップＳ６４）。このステップＳ６４および後述するステップＳ６５からＳ６８の処理は消費電力量算出部１４が実行する。ステップＳ６４において、消費電力量算出部１４は、例えば、図１２の動作パターンを示す動作パターン情報を選択する。
【０１４６】
次に、消費電力量算出部１４は、ステップＳ６４で選択した動作パターン情報に従って動作した場合の消費電力量模擬値を算出する（ステップＳ６５）。消費電力量算出部１４は、実施の形態１で説明したステップＳ４からＳ１２と同様の処理を実行することにより、消費電力量模擬値を算出する。
【０１４７】
次に、消費電力量算出部１４は、ステップＳ６４で選択した動作パターン情報とステップＳ６５で算出した消費電力量模擬値とを関連付けて記憶する（ステップＳ６６）。消費電力量算出部１４は、例えば、動作速度および動作完了時間と、算出した消費電力量模擬値とを関連付けて記憶する。
【０１４８】
次に、消費電力量算出部１４は、ステップＳ６１で取得した動作パターン情報が示す全ての動作パターンについての消費電力量模擬値の算出が完了したか否かを確認する（ステップＳ６７）。模擬値の算出が完了していない場合（ステップＳ６７：Ｎｏ）、消費電力量算出部１４は、別の動作パターン情報、すなわち消費電力量模擬値の算出が完了していない動作パターンを示す動作パターン情報の中の１つを選択し（ステップＳ６８）、ステップＳ６５およびＳ６６を実行する。一方、全ての動作パターンについての消費電力量模擬値の算出が完了した場合（ステップＳ６７：Ｙｅｓ）、消費電力量算出部１４は、ステップＳ６６で記憶した動作パターン情報と消費電力量模擬値を読み出して結果出力部１５へ出力し、結果出力部１５が、消費電力量算出部１４から受け取った動作パターン情報が示す動作パターンと消費電力量模擬値とを表示部に表示する（ステップＳ６９）。このステップＳ６９では、図１５または図１６に示した内容の表示を行う。ただし、表示内容をこれらに限定するものではない。図１５は、横軸にモータの動作速度、縦軸に消費電力量模擬値を示した表示例であり、モータの動作速度と消費電力量模擬値の関係を表示したものである。また、図１６は、横軸に動作完了時間、縦軸に消費電力量模擬値を示した表示例であり、動作完了時間と消費電力量模擬値の関係を表示したものである。
【０１４９】
本実施の形態で得られる効果について説明する。まず、本実施の形態においても、実施の形態１から３と同様の手順で消費電力量模擬値を算出するので、複数の動作パターンに対する消費電力量を、機械およびモータを実際に動作させることなく、正確に算出することができる。
【０１５０】
また、一般に、動作パターンの速度を大きくするなど、動作が完了までの時間を短くすると、産業用機械が工業製品の生産設備として使用された場合に、時間当たりの生産性が向上する。一方、モータの速度を大きくするなどして動作時間を短くすると、モータおよびアンプが消費する消費電力量は大きくなる傾向がある。言い換えれば、機械の動作時間と消費電力量はトレードオフの関係にある。本実施の形態によれば、複数の動作パターン条件を設定し、それぞれの条件に対し、消費電力量模擬値を算出し、図１５，図１６に示したように、複数の動作パターンの情報と関連付けて表示を行う。これにより、消費電力量推定装置の利用者は、機械およびモータを実際に動作させる手間や時間をかけることなく、消費電力量と動作パターンのトレードオフ関係を容易に把握することができる。
【０１５１】
また、図１６に示したように動作完了時間と消費電力量模擬値を関連付けて表示する場合、消費電力量推定装置の利用者は、生産時間と電気料金とのトレードオフ関係を視覚的に把握できる。これにより、消費電力量推定装置の利用者は、生産時間と電気料金とのトレードオフ関係を考慮して、最適な機械の動作時間を決定することができる。
【０１５２】
なお、本実施の形態では、位置決め動作の速度を変えた場合の条件を例に挙げて説明を行ったが、これに限定するものではない。動作パターンが異なればどのような場合であってもよい。例えば、位置決め動作の速度ではなく、位置決め動作時の加速度、加減速時間が異なる動作パターンであっても同様に、本実施の形態を適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【０１５３】
また、速度、加速度などの数値だけではなく、位置決め動作の動作形状を複数個用意し、動作形状ごとの消費電力量の違いをシミュレーションしてもよい。例えば、速度パターンが台形になるような直線加減速パターンと、直線的に加減速を行わずにＳ字的に加減速を行うＳ字加減速パターンとを複数の動作条件として適用してもよい。この場合、Ｓ字加減速は一般に直線的に加減速する台形指令に比べショックや振動を生じさせにくいが、直線加減速パターンとＳ字加減速パターンとで、同じ移動量を同じ位置決め時間で動作させようとすると、Ｓ字加減速パターンの方が、ピーク加速度が大きくなり、消費電力量も大きくなる傾向がある。ある動作パターン内の位置決め動作を直線加減速パターンで行うか、Ｓ字加減速パターンで行うかを利用者が決めるにあたり、消費電力量推定装置がそれぞれで動作させた際の消費電力量を模擬し、これらを関連付けて表示することにより、機械やショックの低減程度と消費電力量削減効果のトレードオフを考慮しながら、指令形状の選択の判断材料を利用者に提供することができる。
【０１５４】
また、本実施の形態では図３に示した産業用機械のように１つのモータのみを使用する場合について説明を行ったが、複数のモータを使用する構成の産業用機械であっても、同様に実施することができる。複数のモータの各々の動作パターンを複数通り設定し、それぞれの場合に対して、消費電力量の模擬算出を行い、複数設定した動作パターン、例えば、位置決め動作の速度、加速度、加減速時間、指令形状などと、算出した消費電力量模擬値とを関連付けて表示する。これにより、利用者は、複数設定した動作パターンと消費電力量の関係を、実際に機械およびモータを動作させることなく把握することができ、さらに、複数設定した動作パターンと消費電力量の関係を考慮して、適切な動作パターンを選択することができる。
【０１５５】
なお、本実施の形態では、機械を１つのモータ、１つのアンプで、複数の動作パターンで動作させた場合のそれぞれの消費電力量をシミュレーションし、動作パターンと消費電力量のシミュレーション値を関連付けて表示することを説明した。このように複数の動作パターンとこれに対応する消費電力量シミュレーション値を関連付けるのは、機械を１つのモータ、１つのアンプで動作させる場合に限られるものではない。実施の形態２、３で説明したように、複数のモータを複数のアンプで、もしくは、複数のモータを１つの母線共通のアンプで動作させる場合に対しても適用することができる。この場合、複数のモータに対する動作パターンを複数組予め用意し、この複数組の動作パターンに従って機械を動作させた際の消費電力量をシミュレーションし、その後、複数組の動作パターンと、それぞれに対応する消費電力量シミュレーション値を関連付けて表示するなどすればよい。
【０１５６】
実施の形態５．
実施の形態４では、複数の動作パターンに対して、それぞれ消費電力量のシミュレーションを行い、それぞれの動作パターンに対する消費電力量の違いを表示する例について説明を行った。しかし、動作パターンだけではなく、機械を駆動するモータまたはアンプの構成を変えた時の消費電力量の違いを把握することもできる。本実施の形態では、図３のような機械、モータ、アンプの構成に対し、使用するモータの種類を変えた場合に消費電力量がどのように変わるかをシミュレーションする例について説明を行う。なお、本実施の形態の消費電力量推定装置の構成は実施の形態１と同様である。
【０１５７】
図１７は、実施の形態５の消費電力量推定装置の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図１７においては、図４に示した処理と同じ処理に図４と同じステップ番号を付している。図１７に示した処理のうち、図４と同じステップ番号の処理につては説明を省略する。
【０１５８】
消費電力量推定装置は、まず、外部から動作パターン情報およびダイナミクス情報を取得する（ステップＳ１，Ｓ２）。
【０１５９】
次に、消費電力量推定装置は、外部からアンプ情報および複数のモータ情報を取得する（ステップＳ７３）。具体的には、回路情報取得部１３が、アンプ情報を取得し、消費電力量算出部１４へ送信する。さらに、回路情報取得部１３が、機械１００を駆動することが可能な複数種類のモータのモータ情報を取得し、消費電力量算出部１４へ送信する。ここでは、回路情報取得部１３がモータＡ、ＢおよびＣのモータ情報を取得するものとする。これらのモータＡ、ＢおよびＣは、それぞれ異なる巻線抵抗値、異なるトルク定数を有するものとする。回路情報取得部１３は、モータＡ、ＢおよびＣの各々の巻線抵抗値およびトルク定数値をモータ情報として取得する。
【０１６０】
次に、消費電力量推定装置は、ステップＳ７３で取得した複数のモータ情報の中の１つを選択する（ステップＳ７４）。このステップＳ７４および後述するステップＳ７５からＳ７８の処理は消費電力量算出部１４が実行する。ステップＳ７４において、消費電力量算出部１４は、例えば、モータＡのモータ情報を選択する。
【０１６１】
次に、消費電力量算出部１４は、ステップＳ７４で選択したモータ情報を用いて、このモータ情報に対応するモータを使用した場合の消費電力量模擬値を算出する（ステップＳ７５）。消費電力量算出部１４は、実施の形態１で説明したステップＳ４からＳ１２と同様の処理を実行することにより、消費電力量模擬値を算出する。具体的には、消費電力量算出部１４は、ステップＳ７４で選択したモータ情報に対応するモータがステップＳ１で取得した動作パターンに従って動作した場合の消費電力量の模擬値を算出する。
【０１６２】
次に、消費電力量算出部１４は、ステップＳ７４で選択したモータ情報とステップＳ７５で算出した消費電力量模擬値とを関連付けて記憶する（ステップＳ７６）。
【０１６３】
次に、消費電力量算出部１４は、ステップＳ７３で取得した複数のモータ情報が示すモータの各々を使用した場合の消費電力量模擬値の算出が完了したか否かを確認する（ステップＳ７７）。模擬値の算出が完了していない場合（ステップＳ７７：Ｎｏ）、消費電力量算出部１４は、別のモータ情報、すなわち、消費電力量模擬値の算出が完了していないモータのモータ情報の１つを選択し（ステップＳ７８）、選択したモータ情報を使用してステップＳ７５およびＳ７６を実行する。一方、模擬値の算出が完了した場合（ステップＳ７７：Ｙｅｓ）、消費電力量算出部１４は、ステップＳ７６で記憶したモータ情報と消費電力量模擬値を読み出して結果出力部１５へ出力し、結果出力部１５が、消費電力量算出部１４から受け取ったモータ情報が示すモータを使用した場合の消費電力量模擬値を表示部に表示する（ステップＳ７９）。このステップＳ７９において、結果表示部１５は、各モータと消費電力量模擬値を関連付け、図１８に示したような内容の表示を行う。図１８は、横軸にモータ種類の種類、縦軸に各モータを使用した場合の消費電力量模擬値を示した表示例である。図１８の例では、モータＢを使用した場合に消費電力量模擬値が最も大きくなっている。
【０１６４】
本実施の形態で得られる効果について説明する。ある機械を動作させるモータを選定するにあたり、モータ本体のコストは高いが、効率が良いすなわち消費電力量が小さいモータ、あるいは、モータ本体のコストは低いが、効率が悪いすなわち消費電力量が大きいモータを選ぶという選択肢がある場合がある。どのモータを使用するかは、モータ本体のコストと、そのランニングコストの要因となる消費電力量を考慮して選択することが、トータルのコストを小さくする上で重要である。本実施の形態の消費電力量推定装置によれば、実際にモータを機械に取り付けて運転させることなく、その機械に使用する可能性のある各モータを所定の動作パターンに従って使用した場合の消費電力量の模擬値を算出できる。また、消費電力量推定装置は、各モータを使用した場合の消費電力量の模擬値と各モータとを関連付けて表示するので、利用者は、トータルのコストを考慮しながらモータを選択することが可能となる。
【０１６５】
また、本実施の形態では、複数種類のモータの各々を使用した場合の消費電力量の模擬値をシミュレーションにより求め、モータと消費電力量の模擬値とを関連付けて表示する例について説明したが、複数種類のアンプを使用可能な場合に、使用可能な各アンプを使用した場合の消費電力量の模擬値を求めるようにすることも可能である。例えば、アンプの平滑コンデンサの容量値を変更した場合における、容量値ごとの消費電力量の模擬値を求めるようにすることが可能である。消費電力量推定装置は、例えば、平滑コンデンサの容量値ＣがそれぞれＣ＝１００μＦ、２００μＦ、３００μＦ、４００μＦである４種類のアンプの各々について、各アンプを使用してモータおよび機械を所定の動作パターンに従って動作させる場合のアンプごとの消費電力量模擬値を算出し、平滑コンデンサの容量値と、それぞれの平滑コンデンサを使用した場合の消費電力量模擬値の関係を図１９に示したように表示してもよい。図１９は、横軸に平滑コンデンサの容量値、縦軸に各平滑コンデンサを使用した場合の消費電力量模擬値を示した表示例である。
【０１６６】
容量値が大きい平滑コンデンサを備えたアンプを用いると、アンプ本体のコストアップにつながる。そのため、消費電力量推定装置が図１９に示した内容の表示を行うようにした場合、利用者は、アンプ本体のコストとランニングコストのトレードオフ関係を考慮しながらアンプを選択することが可能となる。
【０１６７】
また、一般に、アンプが備えている平滑コンデンサの容量を大きくすればするほど、蓄えることのできる回生電力が大きくなるので、消費電力量は小さくなる傾向にあるが、平滑コンデンサの容量を大きくすれば、必ず消費電力量が小さくなるわけではない。これは、動作パターンや機械、モータの構成によっては、それほど大きく回生電力が発生しないことがあるためである。回生電力がそれほど発生しない場合、小さな平滑コンデンサをもつアンプで駆動しても、消費電力量はそれほど大きくならない。
【０１６８】
図１９に示した例の場合、平滑コンデンサの容量値をＣ＝１００μＦからＣ＝２００μＦ、さらに、Ｃ＝３００μＦと増やすにつれて、消費電力量模擬値が小さくなる。しかし、平滑コンデンサ容量値をＣ＝３００μＦからＣ＝４００μＦに増やしても消費電力量模擬値は小さくならない。これは、平滑コンデンサの容量が３００μＦあれば、モータ動作時の回生電力を平滑コンデンサ内に蓄積できることを意味し、平滑コンデンサの容量値を３００μＦよりも大きくしても消費電力量を低減することができないことがわかる。平滑コンデンサの容量値を増やせば、アンプのコストが高くなるので、図１９の例において、消費電力量の小ささを重視してアンプの種類を選定する場合であっても、容量が４００μＦ以上の平滑コンデンサを備えたアンプを選定することは得策でないことがわかる。
【０１６９】
以上のように、消費電力量推定装置は、平滑コンデンサの容量値が異なる複数のアンプそれぞれを用いて、モータおよび機械を所定の動作パターンで動作させた場合の消費電力量模擬値を算出する。また、平滑コンデンサの容量値と、その平滑コンデンサ容量値のアンプを使用してモータおよび機械を動作させた場合の消費電力量模擬値とを関連付けて表示する。これにより、利用者は、上記のような判断、すなわち、アンプを構成する平滑コンデンサの容量の選定を簡単に行うことが可能となる。
【０１７０】
実施の形態６．
これまでに説明した各実施の形態では、モータの種類や、平滑コンデンサの容量値をさまざまに変更し、それぞれを使用した場合の、モータ情報やアンプ情報の条件をさまざまに変えて、それぞれに対応する消費電力量をシミュレーションすることを説明したが、条件をさまざまに変えて、これに対応する消費電力量をシミュレーションするのは、これらの例に限られるものではない。例えば、図３の１００で示すような機械の構成において、テーブル１０４の材質が変わったときに、消費電力量がどのように変わるかをシミュレーションすることもできる。テーブル１０４の材質が変わることによって、機械イナーシャの可動イナーシャ値Ｊが変わる。この材質によって変わる可動イナーシャ値Ｊを予め複数用意し、それぞれの可動イナーシャ値Ｊに対し、所定の動作パターンに従ったときの消費電力量をシミュレーションする。テーブルの材料に軽いものを使用すれば、可動イナーシャ値Ｊが小さくなり消費電力量は一般的に小さくなる。逆に、重い材料を使用すれば、可動イナーシャ値Ｊが大きくなり消費電力量は大きくなる。一般に、ある程度の強度を確保したまま、軽い材料を使用すると機械のコストは高くなる。逆に、重い材料を使用すると、機械のコストは安くなる。つまり、機械材料のコストと消費電力量はトレードオフ関係になる。本発明によれば、材質によって変わる可動イナーシャ値Ｊと、これに対応する消費電力量をシミュレーションし、対応づけて表示することにより、このトレードオフ関係を定量的、かつ、視覚的に把握することができる効果がある。
【０１７１】
なお、テーブル１０４の材質が変わることによって、可動イナーシャ値Ｊが変わることを例示したが、複数のダイナミクス情報を予め用意し、これに対応する消費電力量をシミュレーションするようにしてもよい。他の例では、使用するボールネジ１０３を変えた時の消費電力量をシミュレーションすることもできる。ボールネジの種類が変わると、可動イナーシャ値Ｊや摩擦係数が変化する。そのため、ボールネジが変わることによる、可動イナーシャ値や摩擦係数の値を複数用意し、それぞれのボールネジで動作させた場合の消費電力量をシミュレーションする。これにより、使用するボールネジの種類により、機械が消費する消費電力量がどのように変わるかを把握することができる。
【０１７２】
なお、本実施の形態では、機械を１つのモータ、１つのアンプで、機械を動作させた際に消費電力量のシミュレーション値を算出することを説明した。しかし、この場合に限られるものではなく、機械を複数のモータ及び複数のアンプ、もしくは、複数のモータ及び１つの母線共通のアンプで動作させる場合であっても同様に適用することができる。
【０１７３】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１７４】
１１  動作パターン情報取得部、１２  ダイナミクス情報取得部、１３  回路情報取得部、１４  消費電力量算出部、１５  結果出力部、３１  プロセッサ、３２  メモリ、３３  入出力インタフェース、１００，３００，５００  機械、１０１，３０１，５０１  モータ、１０２，３０２，５０２  カップリング、１０３，３０３，５０３  ボールネジ、１０４，３０４，５０４  テーブル、１０５，３０５，５０５  エンコーダ、１０６，１０６ａ  指令生成部、１０７，３０７，５０７  電流、１０８，３０８，５０８  検出信号、１０９，３０９，５０９  動作パターン信号、１２０  交流電源、１２１  交流電圧、２００，２００ａ，４００，６００  アンプ、２０１  整流器、２０２  平滑コンデンサ、２０３  回生抵抗、２０４  回生トランジスタ、２０５，２５５  インバータ、２１０  母線電圧、２１１，２６１  電圧指令、２２０，２６０  サーボ制御部。
【要約】
本発明は、モータ、モータにより駆動される機械およびモータを駆動させるアンプを備えた産業用機械における消費電力量を推定する消費電力量推定装置であり、動作パターン情報取得部１１と、ダイナミクス情報取得部１２と、アンプ情報と、モータ情報とを取得する回路情報取得部１３と、動作パターン情報、ダイナミクス情報、アンプ情報、モータ情報および母線電圧模擬値に基づいて、モータおよび回生抵抗の各々における消費電力を算出するとともに算出した各消費電力に基づいて産業用機械の消費電力を算出する処理と、算出したモータおよび回生抵抗の各々における消費電力と算出した産業用機械の消費電力とに基づいて母線電圧を更新する処理と、を規定時間にわたって実行し、算出した産業用機械の消費電力を積算して産業用機械の消費電力量を算出する消費電力量算出部１４と、を備えている。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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