(57)【要約】モータ駆動装置は、モータを駆動するモータ駆動装置であって、制御指令からトルク指令を生成するモータ制御部と、モータに接続される負荷の特性及びトルク指令に基づいて模擬トルク指令を生成することによって、負荷の特性を模擬する負荷特性模擬部と、模擬トルク指令に基づいてモータを制御するモータ駆動部とを備える。
2019188154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを駆動するモータ駆動装置であって、
制御指令からトルク指令を生成するモータ制御部と、
前記モータに接続される負荷の特性及び前記トルク指令に基づいて模擬トルク指令を生成することによって、前記負荷の特性を模擬する負荷特性模擬部と、
前記模擬トルク指令に基づいて前記モータを制御するモータ駆動部とを備える
モータ駆動装置。
【請求項２】
前記負荷特性模擬部は、前記負荷の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、前記トルク指令に前記係数を乗算することで前記模擬トルク指令を生成する
請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記負荷特性模擬部は、共振周波数、反共振周波数、共振減衰比及び反共振減衰比の少なくとも一つをパラメータに持つ共振特性を模擬する２次フィルタを含む
請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
前記負荷特性模擬部は、直列結合された複数の前記２次フィルタを含む
請求項３記載のモータ駆動装置。
【請求項５】
前記負荷特性模擬部は、前記負荷の特性及び前記トルク指令と、外乱トルクを模擬した模擬外乱トルクとに基づいて前記模擬トルク指令を生成する
請求項１記載のモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、モータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＨＩＬＳ（Ｈａｒｄｗａｒｅ−Ｉｎ−ｔｈｅ−Ｌｏｏｐ−Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる、実機を仮想的に再現した環境で実機コントローラの開発を行なう手法の適用例が、車載装置の分野で増えてきている。産業分野でも、負荷装置及びサーボモータとこれを制御するモータ駆動装置とからなるモータ駆動システムのシミュレーションにおいて、一部に実機を用いて実現するものがある（例えば、特許文献１を参照）。【０００３】
従来の構成では、負荷系と駆動系と制御系とを有するモータ駆動システムのうち、負荷系及び駆動系に対する数学モデルに制御系の実機の出力を入力して、数学モデルの出力を制御系の実機に入力する。これにより、すべてをシミュレーションモデルで実現する場合と比べて、より正確なシミュレーションを実現しようとしている。【０００４】
この構成では、モータ駆動装置の駆動系、及び、モータ、軸、負荷装置などの実機の多くが不要である。よって、モータ駆動装置単体でのシミュレーションも可能となる。しかしながら、この構成では、駆動系及び負荷系のシミュレーションの精度は、ソフトウェアブロックにおけるシミュレーションモデルの精度に依存してしまう。【０００５】
この構成には実際に電流が流れる駆動系、及び、可動する負荷系が存在しないため、シミュレーション結果はソフトウェアブロックの内部情報が出力されるだけである。このため、実機動作で生じる音、振動などの情報が失われて、臨場感に欠けるという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９０５１５号公報
【発明の概要】
【０００７】
本開示は、このような従来の問題を解決する。本開示は、シミュレーションの精度を向上させつつ、より臨場感あふれる負荷特性シミュレーション機能を備えた、モータ駆動装置を提供することを目的とする。
【０００８】
上記問題を解決するために、本開示に係るモータ駆動装置の一態様は、モータを駆動するモータ駆動装置であって、制御指令からトルク指令を生成するモータ制御部と、モータに接続される負荷の特性及びトルク指令に基づいて模擬トルク指令を生成することによって、負荷の特性を模擬する負荷特性模擬部と、模擬トルク指令に基づいてモータを制御するモータ駆動部とを備える。
【０００９】
このようなモータ駆動装置の駆動系及び負荷系のうち、駆動系において、モータの実機を用いることで、モータの数学モデルを用いる従来の構成より精度のよいシミュレーションが可能となる。このシミュレーションでは実際にモータが動作することで、シミュレーション結果として実機動作で生じうる音及び振動を再現できる。これにより、臨場感あふれるモータ駆動装置のシミュレーションを提供することができる。
【００１０】
また、本開示のモータ駆動装置の一態様において、負荷特性模擬部は、負荷の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、トルク指令に係数を乗算することで模擬トルク指令を生成してもよい。
【００１１】
また、本開示のモータ駆動装置の一態様において、負荷特性模擬部は、共振周波数、反共振周波数、共振減衰比及び反共振減衰比の少なくとも一つをパラメータに持つ共振特性を模擬する２次フィルタを含んでもよい。
【００１２】
また、本開示のモータ駆動装置の一態様において、負荷特性模擬部は、直列結合された複数の２次フィルタを含んでもよい。
【００１３】
また、本開示のモータ駆動装置の一態様において、負荷特性模擬部は、負荷の特性及びトルク指令と、外乱トルクを模擬した模擬外乱トルクとに基づいて模擬トルク指令を生成してもよい。
【００１４】
これらの各構成により、一般的な負荷系の多くを高い精度でシミュレーションすることができる。
【００１５】
本開示によれば、シミュレーションの精度を向上させつつ、より臨場感あふれる負荷特性シミュレーション機能を備えた、モータ駆動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施の形態１に係るモータ駆動装置の制御ブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係るモータ駆動装置の模擬対象であるモータ駆動装置の制御ブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２に示される構成において負荷装置を剛体系と仮定した場合の制御ブロック図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示される制御ブロック図の演算順序を交換した構成を示す制御ブロック図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図２に示される構成において負荷装置を２慣性系と仮定した場合の制御ブロック図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、実施の形態２に係るモータ駆動装置の制御ブロック図である。
【図５】図５は、実施の形態３に係るモータ駆動装置の制御ブロック図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図４Ａに示される制御ブロック図において外乱トルクを残して変形した制御ブロック図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６Ｃに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示のモータ駆動装置の第１の態様は、モータを駆動するモータ駆動装置であって、制御指令からトルク指令を生成するモータ制御部と、モータに接続される負荷の特性及びトルク指令に基づいて模擬トルク指令を生成することによって、負荷の特性を模擬する負荷特性模擬部と、模擬トルク指令に基づいてモータを制御するモータ駆動部とを備える。
【００１８】
これにより、モータ駆動装置の駆動系及び負荷系のうち、駆動系において、モータ特性に実機を用いた場合に、モータの数学モデルを用いる従来の構成より精度のよいシミュレーションが可能となる。また副次的な効果として、このシミュレーションでは実際にモータが動作することで、シミュレーション結果として実機動作で生じうる音及び振動を再現できる。これにより、臨場感あふれるモータ駆動装置のシミュレーションを提供することができる。
【００１９】
本開示のモータ駆動装置の第２の態様において、負荷特性模擬部は、負荷の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、トルク指令に係数を乗算することで模擬トルク指令を生成する。
【００２０】
これにより、この係数を変化させることで、負荷系を剛体とみなしたときの負荷イナーシャを模擬的に変化させるシミュレーションが可能となる。
【００２１】
本開示のモータ駆動装置の第３の態様において、負荷特性模擬部は、共振周波数、反共振周波数、共振減衰比及び反共振減衰比の少なくとも一つをパラメータに持つ共振特性を模擬する２次フィルタを含む。
【００２２】
これにより、２慣性系の特性を持つ負荷系のシミュレーションが可能となる。
【００２３】
本開示のモータ駆動装置の第４の態様において、負荷特性模擬部は、直列結合された複数の２次フィルタを含む。
【００２４】
これにより、３慣性系またはそれ以上の多慣性系の特性を持つ負荷系のシミュレーションが可能となる。
【００２５】
本開示のモータ駆動装置の第５の態様において、負荷特性模擬部は、負荷の特性及びトルク指令と、外乱トルクを模擬した模擬外乱トルクとに基づいて模擬トルク指令を生成する。
【００２６】
これにより、偏荷重、及び、動摩擦、粘性摩擦などの摩擦特性といった外乱トルクを模擬したシミュレーションが可能となる。
【００２７】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序等は、一例であって、本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２８】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００２９】
（実施の形態１）
実施の形態１に係るモータ駆動装置について図１を用いて説明する。
【００３０】
図１は、実施の形態１に係るモータ駆動装置１の制御ブロック図である。なお、図１には、モータ駆動装置１に接続されたモータ２及び検出器３も併せて示されている。
【００３１】
図１に示されるように、モータ駆動装置１は、モータ制御部１３と、負荷特性模擬部１５と、モータ駆動部１７とを備える。
【００３２】
モータ制御部１３は、制御指令１１からトルク指令１４を生成する制御部である。制御指令１１はモータの回転を制御する指令値である。トルク指令１４は、負荷装置が接続されたように模擬したモータを回転させるためのトルクを示す指令値である。本実施の形態では、モータ制御部１３は、制御指令１１と、モータ２に接続された検出器３からのフィードバック値１２とに基づいてトルク指令１４を生成する。モータ制御部１３において用いられる制御の構成は、特に限定されない。例えば、一般的なＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御に代表されるフィードバック制御、制御指令１１を入力とするフィードフォワード制御、これらを組み合わせた複合制御などを用いてもよい。また、位置制御においては、例えば速度制御を内包したカスケード制御などを用いてもよい。
【００３３】
検出器３は、モータ２の状態を検出する計測機器である。検出器３としては、モータ２の位置情報を検出するエンコーダ、レゾルバなどの計測機器、又はモータ２の速度情報を検出するタコジェネレータなどの計測機器を用いることができる。
【００３４】
なお、制御指令１１は外部から与えても、モータ駆動装置１内で生成してもよい。フィードバック値１２は、モータ２の状態を示す値であれば特に限定されない。フィードバック値１２は、例えば、エンコーダ、レゾルバなどからなる検出器３を用いた場合に得られる位置情報、又は、タコジェネレータなどからなる検出器３を用いた場合に得られる速度情報が用いられる。
【００３５】
負荷特性模擬部１５は、モータ２に接続される負荷の特性を模擬する処理部である。負荷特性模擬部１５は、負荷の特性及びトルク指令１４に基づいて模擬トルク指令１６を生成する。模擬トルク指令１６は、負荷が接続されている場合の動作をモータ２に模擬させる指令値である。本実施の形態では、負荷特性模擬部１５は、負荷の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、トルク指令に係数を乗算することで模擬トルク指令を生成する。
【００３６】
モータ駆動部１７は、模擬トルク指令１６に基づいて、モータ２を制御する駆動部である。モータ駆動部１７は、模擬トルク指令通りのトルクをモータ２が出力するように電流制御を行う。
【００３７】
モータ駆動部１７として、一般的には模擬トルク指令１６から計算される電流指令とモータ電流の検出値との比較を行う電流制御部と、その出力である電圧指令を実際のモータに印加するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｎ）制御回路とからなることが多い。しかし、この形態にとらわれるものではなく模擬トルク指令１６を受けてモータ２を制御するものであれば特に限定されない。
【００３８】
次に、本実施の形態に係る負荷特性模擬部１５の導出方法について図２〜図３Ｃを用いて説明する。
【００３９】
図２は、実施の形態１に係るモータ駆動装置１の模擬対象であるモータ駆動装置１０の制御ブロック図である。図２に示されるように、本実施の形態に係るモータ駆動装置１の模擬対象であるモータ駆動装置１０には、モータ２及び負荷装置４が接続されている。
【００４０】
図２に示される模擬対象であるモータ駆動装置１０は、負荷特性模擬部１５がない点において、図１に示されるモータ駆動装置１と相違する。モータ駆動装置１０においては、トルク指令１４に基づいてモータ駆動部１７がモータ２を制御する。モータ２に実際の負荷装置４が接続されている。図２に示される状態におけるモータ２の動作を図１の構成でシミュレーションすることが本開示の目的となる。
【００４１】
図３Ａは、図２に示される構成において負荷装置４を剛体系と仮定した場合の制御ブロック図である。図３Ｂは、図３Ａに示される制御ブロック図の演算順序を交換した構成を示す制御ブロック図である。図３Ｃは、図３Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【００４２】
図２に示されるモータ駆動部１７及びモータ２は十分高速な応答特性を持つと仮定し、検出器３の出力をモータ速度とする。この場合、モータ駆動部１７、モータ２及び検出器３は、図３Ａに示されるようにモータイナーシャＪｍのみからなる剛体系としてモータ剛体特性演算部２１の式で近似できる。モータ２と負荷装置４とが剛体結合されている場合、負荷イナーシャをＪｌとすれば、負荷装置４の特性は総イナーシャ比演算部４１で代表できる。なお、図３Ａに示される構成では、図２のモータ駆動部１７が、モータ駆動装置１Ａの外部のモータ２及び検出器３とともに剛体系を形成している。このため、モータ駆動装置１Ａは、モータ制御部１３だけを備え、モータ駆動部１７を備えない。
【００４３】
図３Ａの制御ブロック図上で演算順序は交換可能である。したがって、負荷装置４の特性を代表する総イナーシャ比演算部４１とモータ剛体特性演算部２１との演算順序を交換し、総イナーシャ比演算部４１をモータ駆動装置１Ａに入れることができる。このように、総イナーシャ比演算部４１をモータ駆動装置１Ａに入れたモータ駆動装置１Ｂを用いる構成を図３Ｂに示す。
【００４４】
ここで、総イナーシャ比演算部４１を負荷特性模擬部１５とし、一旦近似したモータ剛体特性演算部２１を元のモータ駆動部１７とモータ２と検出器３とに戻すことで、図３Ｃに示されるように、図１に示される制御ブロック図と等価な制御ブロック図を得ることができる。
【００４５】
以上のように構成されたモータ駆動装置について、以下その動作及び作用を説明する。
【００４６】
モータ駆動装置が負荷特性模擬部１５を備えない場合は、トルク指令１４はモータ２単体のモータ剛体特性演算部２１を駆動するのに必要な値となる。一方、本実施の形態に係るモータ駆動装置１のように負荷特性模擬部１５を備える場合には、負荷特性模擬部１５は、負荷装置４の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、トルク指令に当該係数を乗算することで模擬トルク指令を生成する。より具体的には、負荷特性模擬部１５は、トルク指令１４に１未満の係数Ｊｍ／（Ｊｍ＋Ｊｌ）を乗じた模擬トルク指令１６として出力するため、模擬トルク指令１６は、トルク指令１４より小さな値となる。そのため、実際にはモータ２に負荷装置４が接続されていないにもかかわらず、あたかも負荷装置４が接続されているかのように、モータ２はゆっくり加速する。その結果、フィードバック値１２の変化もゆっくりとなるため、モータ制御部１３は制御指令１１に追従すべくより大きなトルク指令１４を出力することとなる。以上のように、モータ駆動装置１が負荷特性模擬部１５を備えることにより、モータ駆動装置１にモータ２だけを接続した状態で、総イナーシャ比演算部４１を持つ負荷装置４がモータ２に接続された場合の動作シミュレーションが可能となる。このため、上記係数を変化させることで、負荷系を剛体とみなしたときの負荷イナーシャを模擬的に変化させるシミュレーションが可能となる。したがって、図１に示される構成にて、制御指令１１、フィードバック値１２及びトルク指令１４をそのまま観測することで、図２に示される構成における制御指令１１、フィードバック値１２及びトルク指令１４と同等の値を観測できる。
【００４７】
なお、特許文献１の構成と比較して、本実施の形態に係る構成の方がモータ駆動部１７、モータ２及び検出器３として実機を用いた分だけ、より精度のよいシミュレーションが可能となる。
【００４８】
以上のように、本実施の形態に係るモータ駆動装置１は、モータ２を駆動するモータ駆動装置１であって、制御指令１１からトルク指令１４を生成するモータ制御部１３と、モータ２に接続される負荷の特性及びトルク指令１４に基づいて模擬トルク指令１６を生成することによって、負荷の特性を模擬する負荷特性模擬部１５と、模擬トルク指令１６に基づいてモータ２を制御するモータ駆動部１７とを備える。
【００４９】
すなわち、本実施の形態に係るモータ駆動装置１は、負荷特性を模擬する負荷特性模擬部１５から出力される模擬トルク指令に基づいてモータ２を駆動することで、モータ２に負荷装置４を接続した状態のシミュレーションを行うことができる。さらに、本実施の形態では、モータ駆動装置の駆動系及び負荷系のうち、駆動系においてモータ２の実機を用いることで、モータの数学モデルを用いる従来の構成より精度のよいシミュレーションが可能となる。
【００５０】
なお、モータ駆動部の制御は、通常モータ制御部の演算より高速で行なわれる。このため、これをソフトウェアブロックのシミュレーションモデルで実現するための計算負荷は膨大となる。したがって、評価装置のコストアップにつながる。また、駆動系及びモータ特性には、理論上近似が困難な非線形特性があり、実用的な精度でシミュレーションしきれない場合もある。これらのいずれの問題も、本実施の形態に係るモータ駆動装置１を用いれば解決し得る。
【００５１】
さらに、本実施の形態に係るモータ駆動装置１にモータ２の実機を接続する場合には、実際にモータ２が動作する。このため、シミュレーション結果として実機動作で生じうる音、振動などを再現できる。したがって、臨場感あふれるモータ駆動装置１のシミュレーションを提供することができる。このようなモータ駆動装置１をさまざまな機能のデモ装置、ゲイン調整のトレーニング装置などとして用いることで、より現場での作業に即した対応を学ぶことができる。
【００５２】
（実施の形態２）
実施の形態２に係るモータ駆動装置について説明する。本実施の形態に係るモータ駆動装置は、負荷装置を２慣性系と仮定する点において実施の形態１に係るモータ駆動装置と相違し、その他の点において一致する。以下、本実施の形態に係るモータ駆動装置について、実施の形態１に係るモータ駆動装置１との相違点を中心に図４Ａ〜図４Ｄを用いて説明する。
【００５３】
図４Ａは、図２に示される構成において負荷装置４を２慣性系と仮定した場合の制御ブロック図である。図４Ｂは、図４Ａに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。図４Ｃは、図４Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。図４Ｄは、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１の制御ブロック図である。
【００５４】
図４Ａに示される制御ブロック図は、図３Ａに示される制御ブロック図と同じ前提のもとに、モータ駆動部１７、モータ２及び検出器３をモータ剛体特性演算部２１で近似している。図４Ａに示されるように、２慣性系ではモータ剛体特性演算部２１への入力がトルク指令１４そのものでなく、トルク指令１４からねじれトルク４２を減算したものとなる。ねじれトルク４２は、ダンパ係数Ｄ及びばね係数Ｋで近似することによって模擬したシャフト特性演算部４４を用いて得られる値である。ねじれトルク４２は、モータ速度であるフィードバック値１２と負荷装置４側の負荷速度４３との差を、シャフト特性演算部４４に入力した場合に得られるシャフト特性演算部４４の出力である。ここで、負荷速度４３は、ねじれトルク４２から外乱トルク４５を減算した結果を、負荷イナーシャＪｌを持つ負荷剛体特性演算部４６に入力した場合に得られる負荷剛体特性演算部４６の出力である。
【００５５】
図４Ａに示される制御ブロック図で外乱トルク４５を０として変形すると、トルク指令１４を入力とするモータ剛体特性演算部２１と、その出力からモータ速度であるフィードバック値１２までの共振特性を表す２次フィルタ４７の第１伝達関数、負荷装置側の負荷速度４３までの共振特性を表す２次フィルタ４８の第２伝達関数からなる、図４Ｂの制御ブロック図が導き出される。図４Ｂの共振周波数ωｐ、反共振周波数ωｚ、共振減衰比ζｐ及び反共振減衰比ζｚは、シャフト特性演算部４４のダンパ係数Ｄ及びバネ係数Ｋ、並びに、モータイナーシャＪｍ及び負荷イナーシャＪｌから、下式で表される。
【００５６】
【数１】
2019188154.tif 000003
【００５７】
【数２】
2019188154.tif 000004
【００５８】
【数３】
2019188154.tif 000005
【００５９】
【数４】
2019188154.tif 000006
【００６０】
ここで、図４Ｂに示される負荷速度４３の推定は差し当たって不要なため、図４Ｂに示される制御ブロック図から２次フィルタ４８（つまり、第２伝達関数で表されるフィルタ）を取り除く。さらに、２次フィルタ４７（つまり、第１伝達関数で表されるフィルタ）をモータ駆動装置１Ａ内に移動する。これによって、図４Ｃに示されるように、制御ブロック図は、モータ制御部１３及び２次フィルタ４７を備えるモータ駆動装置１０１Ｃと、モータ剛体特性演算部２１とを用いて表される。
【００６１】
最終的に、２次フィルタ４７を負荷特性模擬部１１５として、モータ剛体特性演算部２１を元のモータ駆動部１７とモータ２と検出器３とに戻す。これによって、図１に示される制御ブロック図と同様の構成を有する図４Ｄに示される制御ブロック図が得られる。図４Ｄに示されるモータ駆動装置１０１は、負荷特性模擬部１１５の演算式において実施の形態１に係るモータ駆動装置１と相違し、その他の点において一致する。
【００６２】
以上のように構成されたモータ駆動装置１０１について、以下その動作、作用を説明する。
【００６３】
負荷特性模擬部１１５は、周波数特性として、共振周波数ωｐにおいて共振減衰比ζｐに応じたピークを持ち、反共振周波数ωｚにおいて反共振減衰比ζｚに応じたディップを持つ。そのため、模擬トルク指令１６もトルク指令１４の共振周波数ωｐ成分が増幅され、反共振周波数ωｚ成分が減衰した値となる。これにより、実際にはモータ２単体しか接続されていないにもかかわらず、あたかも負荷装置４が接続されているかのようにフィードバック値１２に共振周波数の振動が発生する。これに対応するため、モータ制御部１３は通常反共振周波数ωｚ以下に応答性が制限される。以上のように、本実施の形態に係る負荷特性模擬部１１５は、共振周波数ωｐ、反共振周波数ωｚ、共振減衰比ζｐ及び反共振減衰比ζｚの少なくとも一つをパラメータに持つ共振特性を模擬する２次フィルタを含む。モータ駆動装置１０１が、このような負荷特性模擬部１１５を備えることにより、モータ駆動装置１０１にモータ２だけを接続した状態で、図２に示される構成において、２慣性系の特性を持つ負荷装置４が接続された場合のシミュレーションが可能となる。したがって、図４Ｄの構成にて、制御指令１１、フィードバック値１２及びトルク指令１４をそのまま観測することで、図２に示される構成における制御指令１１、フィードバック値１２及びトルク指令１４と同等の値を観測できる。
【００６４】
なお、２慣性系だけでなく、３慣性系及びそれ以上の多慣性系の特性を持つ負荷装置４を用いる場合においても、同様の式変形で、直列結合された複数の２次フィルタを含む負荷特性模擬部を得られる。このような負荷特性模擬部を備えるモータ駆動装置を用いることで、３慣性系及びそれ以上の多慣性系の特性のような複雑な共振特性を持つ負荷装置４をモータ２に接続した場合のシミュレーションが可能となる。
【００６５】
（実施の形態３）
実施の形態３に係るモータ駆動装置について説明する。本実施の形態に係るモータ駆動装置は、負荷特性模擬部が模擬外乱トルクを受け付けることができる点において、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１と相違し、その他の点において一致する。以下、本実施の形態に係るモータ駆動装置について、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１との相違点を中心に図５〜図６Ｄを用いて説明する。
【００６６】
図５は、実施の形態３に係るモータ駆動装置２０１の制御ブロック図である。図６Ａは、図４Ａに示される制御ブロック図において外乱トルク４５を残して変形した制御ブロック図である。図６Ｂは、図６Ａに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。図６Ｃは、図６Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。図６Ｄは、図６Ｃに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【００６７】
図５に示されるように、本実施の形態に係るモータ駆動装置２０１は、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１と同様に、モータ制御部１３と、負荷特性模擬部２１５と、モータ駆動部１７とを備える。図５に示されるように、本実施の形態に係るモータ駆動装置２０１は、負荷特性模擬部２１５が模擬外乱トルク１８の入力を受け付ける点において、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１と相違し、その他の点において一致する。
【００６８】
この制御ブロック図の導出のために、実施の形態２で図４Ａから図４Ｂへの変形時に省略した外乱トルク４５をそのまま残して変形すると、第３伝達関数で表される２次フィルタ４９と第４伝達関数で表される２次フィルタ５０とを加えた図６Ａに示される制御ブロック図のようになる。ここで負荷速度４３の推定は差し当たって必要ないので、第２伝達関数で表される２次フィルタ４８と、第４伝達関数で表される２次フィルタ５０を削除すると、図６Ｂに示される制御ブロック図が得られる。図６Ｂに示される制御ブロック図において、上述の各実施の形態と同様にモータ剛体特性演算部２１を残して、他のブロックをモータ駆動装置１Ａ内に移動する。これにより、図６Ｃに示されるように、制御ブロック図は、モータ制御部１３及び２次フィルタ４７及び４９を備えるモータ駆動装置２０１Ｃと、モータ剛体特性演算部２１とを用いて表される。続いて、近似であるモータ剛体特性演算部２１を元のモータ駆動部１７とモータ２と検出器３とに戻し、外乱トルク４５をモータ駆動装置２０１内部で生成する模擬外乱トルク１８とすることで、図５と等価なブロック図６Ｄが得られる。図６Ｄに示されるように、本実施の形態に係るモータ駆動装置２０１の負荷特性模擬部２１５は、２次フィルタ４７及び４９を含む。
【００６９】
以上のように、本実施の形態に係るモータ駆動装置２０１においては、負荷装置４の特性及びトルク指令１４と、外乱トルクを模擬した模擬外乱トルク１８とに基づいて模擬トルク指令１６を生成する。このため、実機における外乱トルク４５の影響をシミュレーションできる。
【００７０】
（変形例など）
以上、本開示に係るモータ駆動装置について、各実施の形態に基づいて説明した。しかし、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
【００７１】
例えば、本開示に係るモータ駆動装置の駆動対象は、回転モータに限定されるものではなく、リニアモータにおいても回転系の単位を直動系に置き換えるだけで適用できる。また、検出器をモータ２だけでなく、負荷装置４にも取り付けて、負荷の位置及び速度情報をフィードバック値１２に加えるフルクローズ制御構成としても、さほど大きな変更を必要とせずに、モータ駆動装置のシミュレーションは可能である。
【００７２】
また、検出器３の特性がシミュレーション用と実機用とで異なる場合に、それらの特性差を負荷特性模擬部１５に取り込むことも可能である。
【００７３】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本開示に係るモータ駆動装置は、負荷特性を模擬できるシミュレーション用のモータ駆動装置として利用できる。【００７５】
本開示に係るモータ駆動装置は、臨場感あふれるシミュレーションが可能であるため、さまざまな機能のデモ装置、ゲイン調整のトレーニング装置などとして特に有用である。【００７６】
本開示に係るモータ駆動装置の負荷特性模擬部は、負荷装置のさまざまな特性を模擬できる。したがって、負荷装置を接続しないと動作しない機能をテストする場合などに有用である。また、周波数特性測定機能などで負荷装置の特性を測定できたなら、実際の装置がある場所から遠く離れた遠隔地でモータとモータ駆動装置だけでシミュレーションを行い、最適な調整結果を実機に適用するといったアプローチも可能となる。したがって、車載装置の分野及び産業分野において、さまざまな応用が考えられる。
【符号の説明】
【００７７】
１、１Ａ、１Ｂ、１０、１０１、１０１Ｃ、２０１、２０１Ｃ  モータ駆動装置
２  モータ
３  検出器
４  負荷装置
１１  制御指令
１２  フィードバック値
１３  モータ制御部
１４  トルク指令
１５、１１５、２１５  負荷特性模擬部
１６  模擬トルク指令
１７  モータ駆動部
１８  模擬外乱トルク
２１  モータ剛体特性演算部
４１  総イナーシャ比演算部
４２  ねじれトルク
４３  負荷速度
４４  シャフト特性演算部
４５  外乱トルク
４６  負荷剛体特性演算部
４７、４８、４９、５０  ２次フィルタ
【図１】
2019188154.tif 000007
【図２】
2019188154.tif 000008
【図３Ａ】
2019188154.tif 000009
【図３Ｂ】
2019188154.tif 000010
【図３Ｃ】
2019188154.tif 000011
【図４Ａ】
2019188154.tif 000012
【図４Ｂ】
2019188154.tif 000013
【図４Ｃ】
2019188154.tif 000014
【図４Ｄ】
2019188154.tif 000015
【図５】
2019188154.tif 000016
【図６Ａ】
2019188154.tif 000017
【図６Ｂ】
2019188154.tif 000018
【図６Ｃ】
2019188154.tif 000019
【図６Ｄ】
2019188154.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】令和2年5月25日(2020.5.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、モータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＨＩＬＳ（Ｈａｒｄｗａｒｅ−Ｉｎ−ｔｈｅ−Ｌｏｏｐ−Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる、実機を仮想的に再現した環境で実機コントローラの開発を行なう手法の適用例が、車載装置の分野で増えてきている。産業分野でも、負荷装置及びサーボモータとこれを制御するモータ駆動装置とからなるモータ駆動システムのシミュレーションにおいて、一部に実機を用いて実現するものがある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
従来の構成では、負荷系と駆動系と制御系とを有するモータ駆動システムのうち、負荷系及び駆動系に対する数学モデルに制御系の実機の出力を入力して、数学モデルの出力を制御系の実機に入力する。これにより、すべてをシミュレーションモデルで実現する場合と比べて、より正確なシミュレーションを実現しようとしている。
【０００４】
この構成では、モータ駆動装置の駆動系、及び、モータ、軸、負荷装置などの実機の多くが不要である。よって、モータ駆動装置単体でのシミュレーションも可能となる。しかしながら、この構成では、駆動系及び負荷系のシミュレーションの精度は、ソフトウェアブロックにおけるシミュレーションモデルの精度に依存してしまう。
【０００５】
この構成には実際に電流が流れる駆動系、及び、可動する負荷系が存在しないため、シミュレーション結果はソフトウェアブロックの内部情報が出力されるだけである。このため、実機動作で生じる音、振動などの情報が失われて、臨場感に欠けるという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９０５１５号公報
【発明の概要】
【０００７】
本開示は、このような従来の問題を解決する。本開示は、シミュレーションの精度を向上させつつ、より臨場感あふれる負荷特性シミュレーション機能を備えた、モータ駆動装置を提供することを目的とする。
【０００８】
上記問題を解決するために、本開示に係るモータ駆動装置の一態様は、モータを駆動するモータ駆動装置であって、制御指令からトルク指令を生成するモータ制御部と、モータに接続される負荷の特性及びトルク指令に基づいて模擬トルク指令を生成することによって、負荷の特性を模擬する負荷特性模擬部と、模擬トルク指令に基づいてモータを制御するモータ駆動部とを備える。
【０００９】
このようなモータ駆動装置の駆動系及び負荷系のうち、駆動系において、モータの実機を用いることで、モータの数学モデルを用いる従来の構成より精度のよいシミュレーションが可能となる。このシミュレーションでは実際にモータが動作することで、シミュレーション結果として実機動作で生じうる音及び振動を再現できる。これにより、臨場感あふれるモータ駆動装置のシミュレーションを提供することができる。
【００１０】
また、本開示のモータ駆動装置の一態様において、負荷特性模擬部は、負荷の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、トルク指令に係数を乗算することで模擬トルク指令を生成してもよい。
【００１１】
また、本開示のモータ駆動装置の一態様において、負荷特性模擬部は、共振周波数、反共振周波数、共振減衰比及び反共振減衰比の少なくとも一つをパラメータに持つ共振特性を模擬する２次フィルタを含んでもよい。
【００１２】
また、本開示のモータ駆動装置の一態様において、負荷特性模擬部は、直列結合された複数の２次フィルタを含んでもよい。
【００１３】
また、本開示のモータ駆動装置の一態様において、負荷特性模擬部は、負荷の特性及びトルク指令と、外乱トルクを模擬した模擬外乱トルクとに基づいて模擬トルク指令を生成してもよい。
【００１４】
これらの各構成により、一般的な負荷系の多くを高い精度でシミュレーションすることができる。
【００１５】
本開示によれば、シミュレーションの精度を向上させつつ、より臨場感あふれる負荷特性シミュレーション機能を備えた、モータ駆動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施の形態１に係るモータ駆動装置の制御ブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係るモータ駆動装置の模擬対象であるモータ駆動装置の制御ブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２に示される構成において負荷装置を剛体系と仮定した場合の制御ブロック図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示される制御ブロック図の演算順序を交換した構成を示す制御ブロック図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図２に示される構成において負荷装置を２慣性系と仮定した場合の制御ブロック図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、実施の形態２に係るモータ駆動装置の制御ブロック図である。
【図５】図５は、実施の形態３に係るモータ駆動装置の制御ブロック図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図４Ａに示される制御ブロック図において外乱トルクを残して変形した制御ブロック図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６Ｃに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示のモータ駆動装置の第１の態様は、モータを駆動するモータ駆動装置であって、制御指令からトルク指令を生成するモータ制御部と、モータに接続される負荷の特性及びトルク指令に基づいて模擬トルク指令を生成することによって、負荷の特性を模擬する負荷特性模擬部と、模擬トルク指令に基づいてモータを制御するモータ駆動部とを備える。
【００１８】
これにより、モータ駆動装置の駆動系及び負荷系のうち、駆動系において、モータ特性に実機を用いた場合に、モータの数学モデルを用いる従来の構成より精度のよいシミュレーションが可能となる。また副次的な効果として、このシミュレーションでは実際にモータが動作することで、シミュレーション結果として実機動作で生じうる音及び振動を再現できる。これにより、臨場感あふれるモータ駆動装置のシミュレーションを提供することができる。
【００１９】
本開示のモータ駆動装置の第２の態様において、負荷特性模擬部は、負荷の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、トルク指令に係数を乗算することで模擬トルク指令を生成する。
【００２０】
これにより、この係数を変化させることで、負荷系を剛体とみなしたときの負荷イナーシャを模擬的に変化させるシミュレーションが可能となる。
【００２１】
本開示のモータ駆動装置の第３の態様において、負荷特性模擬部は、共振周波数、反共振周波数、共振減衰比及び反共振減衰比の少なくとも一つをパラメータに持つ共振特性を模擬する２次フィルタを含む。
【００２２】
これにより、２慣性系の特性を持つ負荷系のシミュレーションが可能となる。
【００２３】
本開示のモータ駆動装置の第４の態様において、負荷特性模擬部は、直列結合された複数の２次フィルタを含む。
【００２４】
これにより、３慣性系またはそれ以上の多慣性系の特性を持つ負荷系のシミュレーションが可能となる。
【００２５】
本開示のモータ駆動装置の第５の態様において、負荷特性模擬部は、負荷の特性及びトルク指令と、外乱トルクを模擬した模擬外乱トルクとに基づいて模擬トルク指令を生成する。
【００２６】
これにより、偏荷重、及び、動摩擦、粘性摩擦などの摩擦特性といった外乱トルクを模擬したシミュレーションが可能となる。
【００２７】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序等は、一例であって、本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２８】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００２９】
（実施の形態１）
実施の形態１に係るモータ駆動装置について図１を用いて説明する。
【００３０】
図１は、実施の形態１に係るモータ駆動装置１の制御ブロック図である。なお、図１には、モータ駆動装置１に接続されたモータ２及び検出器３も併せて示されている。
【００３１】
図１に示されるように、モータ駆動装置１は、モータ制御部１３と、負荷特性模擬部１５と、モータ駆動部１７とを備える。
【００３２】
モータ制御部１３は、制御指令１１からトルク指令１４を生成する制御部である。制御指令１１はモータの回転を制御する指令値である。トルク指令１４は、負荷装置が接続されたように模擬したモータを回転させるためのトルクを示す指令値である。本実施の形態では、モータ制御部１３は、制御指令１１と、モータ２に接続された検出器３からのフィードバック値１２とに基づいてトルク指令１４を生成する。モータ制御部１３において用いられる制御の構成は、特に限定されない。例えば、一般的なＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御に代表されるフィードバック制御、制御指令１１を入力とするフィードフォワード制御、これらを組み合わせた複合制御などを用いてもよい。また、位置制御においては、例えば速度制御を内包したカスケード制御などを用いてもよい。
【００３３】
検出器３は、モータ２の状態を検出する計測機器である。検出器３としては、モータ２の位置情報を検出するエンコーダ、レゾルバなどの計測機器、又はモータ２の速度情報を検出するタコジェネレータなどの計測機器を用いることができる。
【００３４】
なお、制御指令１１は外部から与えても、モータ駆動装置１内で生成してもよい。フィードバック値１２は、モータ２の状態を示す値であれば特に限定されない。フィードバック値１２は、例えば、エンコーダ、レゾルバなどからなる検出器３を用いた場合に得られる位置情報、又は、タコジェネレータなどからなる検出器３を用いた場合に得られる速度情報が用いられる。
【００３５】
負荷特性模擬部１５は、モータ２に接続される負荷の特性を模擬する処理部である。負荷特性模擬部１５は、負荷の特性及びトルク指令１４に基づいて模擬トルク指令１６を生成する。模擬トルク指令１６は、負荷が接続されている場合の動作をモータ２に模擬させる指令値である。本実施の形態では、負荷特性模擬部１５は、負荷の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、トルク指令に係数を乗算することで模擬トルク指令を生成する。
【００３６】
モータ駆動部１７は、模擬トルク指令１６に基づいて、モータ２を制御する駆動部である。モータ駆動部１７は、模擬トルク指令通りのトルクをモータ２が出力するように電流制御を行う。
【００３７】
モータ駆動部１７として、一般的には模擬トルク指令１６から計算される電流指令とモータ電流の検出値との比較を行う電流制御部と、その出力である電圧指令を実際のモータに印加するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｎ）制御回路とからなることが多い。しかし、この形態にとらわれるものではなく模擬トルク指令１６を受けてモータ２を制御するものであれば特に限定されない。
【００３８】
次に、本実施の形態に係る負荷特性模擬部１５の導出方法について図２〜図３Ｃを用いて説明する。
【００３９】
図２は、実施の形態１に係るモータ駆動装置１の模擬対象であるモータ駆動装置１０の制御ブロック図である。図２に示されるように、本実施の形態に係るモータ駆動装置１の模擬対象であるモータ駆動装置１０には、モータ２及び負荷装置４が接続されている。
【００４０】
図２に示される模擬対象であるモータ駆動装置１０は、負荷特性模擬部１５がない点において、図１に示されるモータ駆動装置１と相違する。モータ駆動装置１０においては、トルク指令１４に基づいてモータ駆動部１７がモータ２を制御する。モータ２に実際の負荷装置４が接続されている。図２に示される状態におけるモータ２の動作を図１の構成でシミュレーションすることが本開示の目的となる。
【００４１】
図３Ａは、図２に示される構成において負荷装置４を剛体系と仮定した場合の制御ブロック図である。図３Ｂは、図３Ａに示される制御ブロック図の演算順序を交換した構成を示す制御ブロック図である。図３Ｃは、図３Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【００４２】
図２に示されるモータ駆動部１７及びモータ２は十分高速な応答特性を持つと仮定し、検出器３の出力をモータ速度とする。この場合、モータ駆動部１７、モータ２及び検出器３は、図３Ａに示されるようにモータイナーシャＪｍのみからなる剛体系としてモータ剛体特性演算部２１の式で近似できる。モータ２と負荷装置４とが剛体結合されている場合、負荷イナーシャをＪｌとすれば、負荷装置４の特性は総イナーシャ比演算部４１で代表できる。なお、図３Ａに示される構成では、図２のモータ駆動部１７が、モータ駆動装置１Ａの外部のモータ２及び検出器３とともに剛体系を形成している。このため、モータ駆動装置１Ａは、モータ制御部１３だけを備え、モータ駆動部１７を備えない。
【００４３】
図３Ａの制御ブロック図上で演算順序は交換可能である。したがって、負荷装置４の特性を代表する総イナーシャ比演算部４１とモータ剛体特性演算部２１との演算順序を交換し、総イナーシャ比演算部４１をモータ駆動装置１Ａに入れることができる。このように、総イナーシャ比演算部４１をモータ駆動装置１Ａに入れたモータ駆動装置１Ｂを用いる構成を図３Ｂに示す。
【００４４】
ここで、総イナーシャ比演算部４１を負荷特性模擬部１５とし、一旦近似したモータ剛体特性演算部２１を元のモータ駆動部１７とモータ２と検出器３とに戻すことで、図３Ｃに示されるように、図１に示される制御ブロック図と等価な制御ブロック図を得ることができる。
【００４５】
以上のように構成されたモータ駆動装置について、以下その動作及び作用を説明する。
【００４６】
モータ駆動装置が負荷特性模擬部１５を備えない場合は、トルク指令１４はモータ２単体のモータ剛体特性演算部２１を駆動するのに必要な値となる。一方、本実施の形態に係るモータ駆動装置１のように負荷特性模擬部１５を備える場合には、負荷特性模擬部１５は、負荷装置４の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、トルク指令に当該係数を乗算することで模擬トルク指令を生成する。より具体的には、負荷特性模擬部１５は、トルク指令１４に１未満の係数Ｊｍ／（Ｊｍ＋Ｊｌ）を乗じた模擬トルク指令１６として出力するため、模擬トルク指令１６は、トルク指令１４より小さな値となる。そのため、実際にはモータ２に負荷装置４が接続されていないにもかかわらず、あたかも負荷装置４が接続されているかのように、モータ２はゆっくり加速する。その結果、フィードバック値１２の変化もゆっくりとなるため、モータ制御部１３は制御指令１１に追従すべくより大きなトルク指令１４を出力することとなる。以上のように、モータ駆動装置１が負荷特性模擬部１５を備えることにより、モータ駆動装置１にモータ２だけを接続した状態で、総イナーシャ比演算部４１を持つ負荷装置４がモータ２に接続された場合の動作シミュレーションが可能となる。このため、上記係数を変化させることで、負荷系を剛体とみなしたときの負荷イナーシャを模擬的に変化させるシミュレーションが可能となる。したがって、図１に示される構成にて、制御指令１１、フィードバック値１２及びトルク指令１４をそのまま観測することで、図２に示される構成における制御指令１１、フィードバック値１２及びトルク指令１４と同等の値を観測できる。
【００４７】
なお、特許文献１の構成と比較して、本実施の形態に係る構成の方がモータ駆動部１７、モータ２及び検出器３として実機を用いた分だけ、より精度のよいシミュレーションが可能となる。
【００４８】
以上のように、本実施の形態に係るモータ駆動装置１は、モータ２を駆動するモータ駆動装置１であって、制御指令１１からトルク指令１４を生成するモータ制御部１３と、モータ２に接続される負荷の特性及びトルク指令１４に基づいて模擬トルク指令１６を生成することによって、負荷の特性を模擬する負荷特性模擬部１５と、模擬トルク指令１６に基づいてモータ２を制御するモータ駆動部１７とを備える。
【００４９】
すなわち、本実施の形態に係るモータ駆動装置１は、負荷特性を模擬する負荷特性模擬部１５から出力される模擬トルク指令に基づいてモータ２を駆動することで、モータ２に負荷装置４を接続した状態のシミュレーションを行うことができる。さらに、本実施の形態では、モータ駆動装置の駆動系及び負荷系のうち、駆動系においてモータ２の実機を用いることで、モータの数学モデルを用いる従来の構成より精度のよいシミュレーションが可能となる。
【００５０】
なお、モータ駆動部の制御は、通常モータ制御部の演算より高速で行なわれる。このため、これをソフトウェアブロックのシミュレーションモデルで実現するための計算負荷は膨大となる。したがって、評価装置のコストアップにつながる。また、駆動系及びモータ特性には、理論上近似が困難な非線形特性があり、実用的な精度でシミュレーションしきれない場合もある。これらのいずれの問題も、本実施の形態に係るモータ駆動装置１を用いれば解決し得る。
【００５１】
さらに、本実施の形態に係るモータ駆動装置１にモータ２の実機を接続する場合には、実際にモータ２が動作する。このため、シミュレーション結果として実機動作で生じうる音、振動などを再現できる。したがって、臨場感あふれるモータ駆動装置１のシミュレーションを提供することができる。このようなモータ駆動装置１をさまざまな機能のデモ装置、ゲイン調整のトレーニング装置などとして用いることで、より現場での作業に即した対応を学ぶことができる。
【００５２】
（実施の形態２）
実施の形態２に係るモータ駆動装置について説明する。本実施の形態に係るモータ駆動装置は、負荷装置を２慣性系と仮定する点において実施の形態１に係るモータ駆動装置と相違し、その他の点において一致する。以下、本実施の形態に係るモータ駆動装置について、実施の形態１に係るモータ駆動装置１との相違点を中心に図４Ａ〜図４Ｄを用いて説明する。
【００５３】
図４Ａは、図２に示される構成において負荷装置４を２慣性系と仮定した場合の制御ブロック図である。図４Ｂは、図４Ａに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。図４Ｃは、図４Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。図４Ｄは、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１の制御ブロック図である。
【００５４】
図４Ａに示される制御ブロック図は、図３Ａに示される制御ブロック図と同じ前提のもとに、モータ駆動部１７、モータ２及び検出器３をモータ剛体特性演算部２１で近似している。図４Ａに示されるように、２慣性系ではモータ剛体特性演算部２１への入力がトルク指令１４そのものでなく、トルク指令１４からねじれトルク４２を減算したものとなる。ねじれトルク４２は、ダンパ係数Ｄ及びばね係数Ｋで近似することによって模擬したシャフト特性演算部４４を用いて得られる値である。ねじれトルク４２は、モータ速度であるフィードバック値１２と負荷装置４側の負荷速度４３との差を、シャフト特性演算部４４に入力した場合に得られるシャフト特性演算部４４の出力である。ここで、負荷速度４３は、ねじれトルク４２から外乱トルク４５を減算した結果を、負荷イナーシャＪｌを持つ負荷剛体特性演算部４６に入力した場合に得られる負荷剛体特性演算部４６の出力である。
【００５５】
図４Ａに示される制御ブロック図で外乱トルク４５を０として変形すると、トルク指令１４を入力とするモータ剛体特性演算部２１と、その出力からモータ速度であるフィードバック値１２までの共振特性を表す２次フィルタ４７の第１伝達関数、負荷装置側の負荷速度４３までの共振特性を表す２次フィルタ４８の第２伝達関数からなる、図４Ｂの制御ブロック図が導き出される。図４Ｂの共振周波数ωｐ、反共振周波数ωｚ、共振減衰比ζｐ及び反共振減衰比ζｚは、シャフト特性演算部４４のダンパ係数Ｄ及びバネ係数Ｋ、並びに、モータイナーシャＪｍ及び負荷イナーシャＪｌから、下式で表される。
【００５６】
【数１】
2019188154.tif 000021
【００５７】
【数２】
2019188154.tif 000022
【００５８】
【数３】
2019188154.tif 000023
【００５９】
【数４】
2019188154.tif 000024
【００６０】
ここで、図４Ｂに示される負荷速度４３の推定は差し当たって不要なため、図４Ｂに示される制御ブロック図から２次フィルタ４８（つまり、第２伝達関数で表されるフィルタ）を取り除く。さらに、２次フィルタ４７（つまり、第１伝達関数で表されるフィルタ）をモータ駆動装置１Ａ内に移動する。これによって、図４Ｃに示されるように、制御ブロック図は、モータ制御部１３及び２次フィルタ４７を備えるモータ駆動装置１０１Ｃと、モータ剛体特性演算部２１とを用いて表される。
【００６１】
最終的に、２次フィルタ４７を負荷特性模擬部１１５として、モータ剛体特性演算部２１を元のモータ駆動部１７とモータ２と検出器３とに戻す。これによって、図１に示される制御ブロック図と同様の構成を有する図４Ｄに示される制御ブロック図が得られる。図４Ｄに示されるモータ駆動装置１０１は、負荷特性模擬部１１５の演算式において実施の形態１に係るモータ駆動装置１と相違し、その他の点において一致する。
【００６２】
以上のように構成されたモータ駆動装置１０１について、以下その動作、作用を説明する。
【００６３】
負荷特性模擬部１１５は、周波数特性として、共振周波数ωｐにおいて共振減衰比ζｐに応じたピークを持ち、反共振周波数ωｚにおいて反共振減衰比ζｚに応じたディップを持つ。そのため、模擬トルク指令１６もトルク指令１４の共振周波数ωｐ成分が増幅され、反共振周波数ωｚ成分が減衰した値となる。これにより、実際にはモータ２単体しか接続されていないにもかかわらず、あたかも負荷装置４が接続されているかのようにフィードバック値１２に共振周波数の振動が発生する。これに対応するため、モータ制御部１３は通常反共振周波数ωｚ以下に応答性が制限される。以上のように、本実施の形態に係る負荷特性模擬部１１５は、共振周波数ωｐ、反共振周波数ωｚ、共振減衰比ζｐ及び反共振減衰比ζｚの少なくとも一つをパラメータに持つ共振特性を模擬する２次フィルタを含む。モータ駆動装置１０１が、このような負荷特性模擬部１１５を備えることにより、モータ駆動装置１０１にモータ２だけを接続した状態で、図２に示される構成において、２慣性系の特性を持つ負荷装置４が接続された場合のシミュレーションが可能となる。したがって、図４Ｄの構成にて、制御指令１１、フィードバック値１２及びトルク指令１４をそのまま観測することで、図２に示される構成における制御指令１１、フィードバック値１２及びトルク指令１４と同等の値を観測できる。
【００６４】
なお、２慣性系だけでなく、３慣性系及びそれ以上の多慣性系の特性を持つ負荷装置４を用いる場合においても、同様の式変形で、直列結合された複数の２次フィルタを含む負荷特性模擬部を得られる。このような負荷特性模擬部を備えるモータ駆動装置を用いることで、３慣性系及びそれ以上の多慣性系の特性のような複雑な共振特性を持つ負荷装置４をモータ２に接続した場合のシミュレーションが可能となる。
【００６５】
（実施の形態３）
実施の形態３に係るモータ駆動装置について説明する。本実施の形態に係るモータ駆動装置は、負荷特性模擬部が模擬外乱トルクを受け付けることができる点において、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１と相違し、その他の点において一致する。以下、本実施の形態に係るモータ駆動装置について、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１との相違点を中心に図５〜図６Ｄを用いて説明する。
【００６６】
図５は、実施の形態３に係るモータ駆動装置２０１の制御ブロック図である。図６Ａは、図４Ａに示される制御ブロック図において外乱トルク４５を残して変形した制御ブロック図である。図６Ｂは、図６Ａに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。図６Ｃは、図６Ｂに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。図６Ｄは、図６Ｃに示される制御ブロック図を変形した制御ブロック図である。
【００６７】
図５に示されるように、本実施の形態に係るモータ駆動装置２０１は、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１と同様に、モータ制御部１３と、負荷特性模擬部２１５と、モータ駆動部１７とを備える。図５に示されるように、本実施の形態に係るモータ駆動装置２０１は、負荷特性模擬部２１５が模擬外乱トルク１８の入力を受け付ける点において、実施の形態２に係るモータ駆動装置１０１と相違し、その他の点において一致する。
【００６８】
この制御ブロック図の導出のために、実施の形態２で図４Ａから図４Ｂへの変形時に省略した外乱トルク４５をそのまま残して変形すると、第３伝達関数で表される２次フィルタ４９と第４伝達関数で表される２次フィルタ５０とを加えた図６Ａに示される制御ブロック図のようになる。ここで負荷速度４３の推定は差し当たって必要ないので、第２伝達関数で表される２次フィルタ４８と、第４伝達関数で表される２次フィルタ５０を削除すると、図６Ｂに示される制御ブロック図が得られる。図６Ｂに示される制御ブロック図において、上述の各実施の形態と同様にモータ剛体特性演算部２１を残して、他のブロックをモータ駆動装置１Ａ内に移動する。これにより、図６Ｃに示されるように、制御ブロック図は、モータ制御部１３及び２次フィルタ４７及び４９を備えるモータ駆動装置２０１Ｃと、モータ剛体特性演算部２１とを用いて表される。続いて、近似であるモータ剛体特性演算部２１を元のモータ駆動部１７とモータ２と検出器３とに戻し、外乱トルク４５をモータ駆動装置２０１内部で生成する模擬外乱トルク１８とすることで、図５と等価なブロック図６Ｄが得られる。図６Ｄに示されるように、本実施の形態に係るモータ駆動装置２０１の負荷特性模擬部２１５は、２次フィルタ４７及び４９を含む。
【００６９】
以上のように、本実施の形態に係るモータ駆動装置２０１においては、負荷装置４の特性及びトルク指令１４と、外乱トルクを模擬した模擬外乱トルク１８とに基づいて模擬トルク指令１６を生成する。このため、実機における外乱トルク４５の影響をシミュレーションできる。
【００７０】
（変形例など）
以上、本開示に係るモータ駆動装置について、各実施の形態に基づいて説明した。しかし、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
【００７１】
例えば、本開示に係るモータ駆動装置の駆動対象は、回転モータに限定されるものではなく、リニアモータにおいても回転系の単位を直動系に置き換えるだけで適用できる。また、検出器をモータ２だけでなく、負荷装置４にも取り付けて、負荷の位置及び速度情報をフィードバック値１２に加えるフルクローズ制御構成としても、さほど大きな変更を必要とせずに、モータ駆動装置のシミュレーションは可能である。
【００７２】
また、検出器３の特性がシミュレーション用と実機用とで異なる場合に、それらの特性差を負荷特性模擬部１５に取り込むことも可能である。
【００７３】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本開示に係るモータ駆動装置は、負荷特性を模擬できるシミュレーション用のモータ駆動装置として利用できる。
【００７５】
本開示に係るモータ駆動装置は、臨場感あふれるシミュレーションが可能であるため、さまざまな機能のデモ装置、ゲイン調整のトレーニング装置などとして特に有用である。
【００７６】
本開示に係るモータ駆動装置の負荷特性模擬部は、負荷装置のさまざまな特性を模擬できる。したがって、負荷装置を接続しないと動作しない機能をテストする場合などに有用である。また、周波数特性測定機能などで負荷装置の特性を測定できたなら、実際の装置がある場所から遠く離れた遠隔地でモータとモータ駆動装置だけでシミュレーションを行い、最適な調整結果を実機に適用するといったアプローチも可能となる。したがって、車載装置の分野及び産業分野において、さまざまな応用が考えられる。
【符号の説明】
【００７７】
１、１Ａ、１Ｂ、１０、１０１、１０１Ｃ、２０１、２０１Ｃ    モータ駆動装置
２    モータ
３    検出器
４    負荷装置
１１    制御指令
１２    フィードバック値
１３    モータ制御部
１４    トルク指令
１５、１１５、２１５    負荷特性模擬部
１６    模擬トルク指令
１７    モータ駆動部
１８    模擬外乱トルク
２１    モータ剛体特性演算部
４１    総イナーシャ比演算部
４２    ねじれトルク
４３    負荷速度
４４    シャフト特性演算部
４５    外乱トルク
４６    負荷剛体特性演算部
４７、４８、４９、５０    ２次フィルタ
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを駆動するモータ駆動装置であって、
制御指令からトルク指令を生成するモータ制御部と、
前記モータに接続される負荷の特性及び前記トルク指令に基づいて模擬トルク指令を生成することによって、前記負荷の特性を模擬する負荷特性模擬部と、
前記模擬トルク指令に基づいて前記モータを制御するモータ駆動部とを備える
モータ駆動装置。
【請求項２】
前記負荷特性模擬部は、前記負荷の特性として剛体特性を模擬する係数を有し、前記トルク指令に前記係数を乗算することで前記模擬トルク指令を生成する
請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項３】
前記負荷特性模擬部は、共振周波数、反共振周波数、共振減衰比及び反共振減衰比の少なくとも一つをパラメータに持つ共振特性を模擬する２次フィルタを含む
請求項１記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
前記負荷特性模擬部は、直列結合された複数の前記２次フィルタを含む
請求項３記載のモータ駆動装置。
【請求項５】
前記負荷特性模擬部は、前記負荷の特性及び前記トルク指令と、外乱トルクを模擬した模擬外乱トルクとに基づいて前記模擬トルク指令を生成する
請求項１記載のモータ駆動装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2019188154.tif 000031
【図４Ｃ】
2019188154.tif 000032
【図４Ｄ】
2019188154.tif 000033
【図５】
2019188154.tif 000034
【図６Ａ】
2019188154.tif 000035
【図６Ｂ】
2019188154.tif 000036
【図６Ｃ】
2019188154.tif 000037
【図６Ｄ】
2019188154.tif 000038
【国際調査報告】
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2019188154.tif 000040
2019188154.tif 000041
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