电动机驱动装置的制作方法

本公开涉及一种电动机驱动装置。

背景技术：

近年来，在虚拟地再现了实机的环境中进行实机控制器的开发的被称为hils(hardware-in-the-loop-simulation：硬件在环仿真)的方法的应用例在车载装置的领域不断增加。在产业领域中也是，在由负载装置、伺服电动机以及控制该伺服电动机的电动机驱动装置构成的电动机驱动系统的仿真中，有时一部分使用实机来实现(例如，参照专利文献1)。

在以往的结构中，在具有负载系统、驱动系统以及控制系统的电动机驱动系统中，向与负载系统和驱动系统对应的数学模型输入控制系统的实机的输出，并向控制系统的实机输入数学模型的输出。由此，试图实现与全部通过仿真模型来实现的情况相比更准确的仿真。

在该结构中，电动机驱动装置的驱动系统以及电动机、轴、负载装置等的实机大多是不需要的。因此，也能够通过电动机驱动装置单体进行仿真。然而，在该结构中，驱动系统和负载系统的仿真精度依赖于软件模块的仿真模型的精度。

由于在该结构中实际上不存在流过电流的驱动系统以及可动的负载系统，因此仿真结果是只输出软件模块的内部信息。因此，存在以下缺点：在实机动作中产生的声音、振动等信息丢失，缺乏临场感。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-290515号公报

公开内容

本公开解决这种现有的问题。本公开的目的在于，提供一种在提高仿真精度的同时具备更富有临场感的负载特性仿真功能的电动机驱动装置。

为了解决上述问题，本公开所涉及的电动机驱动装置的一个方式是一种驱动电动机的电动机驱动装置，其具备：电动机控制部，其根据控制指令来生成转矩指令；负载特性模拟部，其通过基于与电动机连接的负载的特性和转矩指令生成模拟转矩指令，来模拟负载的特性；以及电动机驱动部，其基于模拟转矩指令来控制电动机。

在这样的电动机驱动装置的驱动系统和负载系统中的驱动系统中使用电动机的实机，由此能够进行与使用电动机的数学模型的现有结构相比精度更好的仿真。在该仿真中，电动机实际地进行动作，由此作为仿真结果，能够再现在实机动作中可能产生的声音和振动。由此，能够提供富有临场感的电动机驱动装置的仿真。

另外，在本公开的电动机驱动装置的一个方式中，也可以是，负载特性模拟部具有模拟刚体特性来作为负载的特性的系数，通过对转矩指令乘以系数来生成模拟转矩指令。

另外，在本公开的电动机驱动装置的一个方式中，也可以是，负载特性模拟部包括二阶滤波器，该二阶滤波器对在参数中具有谐振频率、反谐振频率、谐振衰减比以及反谐振衰减比中的至少一个的谐振特性进行模拟。

另外，在本公开的电动机驱动装置的一个方式中，也可以是，负载特性模拟部包括被串联耦合的多个二阶滤波器。

另外，在本公开的电动机驱动装置的一个方式中，也可以是，负载特性模拟部基于负载的特性、转矩指令以及模拟了干扰转矩的模拟干扰转矩，来生成模拟转矩指令。

根据这些各结构，能够以高精度对大多数一般的负载系统进行仿真。

根据本公开，能够提供一种在提高仿真精度的同时具备更富有临场感的负载特性仿真功能的电动机驱动装置。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的电动机驱动装置的控制框图。

图2是作为实施方式1所涉及的电动机驱动装置的模拟对象的电动机驱动装置的控制框图。

图3a是在图2所示的结构中将负载装置假定为刚体系统的情况下的控制框图。

图3b是示出交换了图3a所示的控制框图的运算顺序后的结构的控制框图。

图3c是将图3b所示的控制框图变形后的控制框图。

图4a是在图2所示的结构中将负载装置假定为双惯性系统的情况下的控制框图。

图4b是将图4a所示的控制框图变形后的控制框图。

图4c是将图4b所示的控制框图变形后的控制框图。

图4d是实施方式2所涉及的电动机驱动装置的控制框图。

图5是实施方式3所涉及的电动机驱动装置的控制框图。

图6a是在图4a所示的控制框图中保留干扰转矩并进行变形后的控制框图。

图6b是将图6a所示的控制框图变形后的控制框图。

图6c是将图6b所示的控制框图变形后的控制框图。

图6d是将图6c所示的控制框图变形后的控制框图。

具体实施方式

本公开的电动机驱动装置的第一方式是一种驱动电动机的电动机驱动装置，其具备：电动机控制部，其根据控制指令来生成转矩指令；负载特性模拟部，其通过基于与电动机连接的负载的特性和转矩指令生成模拟转矩指令，来模拟负载的特性；以及电动机驱动部，其基于模拟转矩指令来控制电动机。

由此，在电动机驱动装置的驱动系统和负载系统中的驱动系统中针对电动机特性使用了实机的情况下，能够进行与使用电动机的数学模型的现有结构相比精度更好的仿真。另外，作为次要的效果，在该仿真中，电动机实际地进行动作，由此作为仿真结果，能够再现在实机动作中可能产生的声音和振动。由此，能够提供富有临场感的电动机驱动装置的仿真。

在本公开的电动机驱动装置的第二方式中，负载特性模拟部具有模拟刚体特性来作为负载的特性的系数，通过对转矩指令乘以系数来生成模拟转矩指令。

由此，通过使该系数变化，能够进行使将负载系统视为刚体时的负载惯量模拟地变化的仿真。

在本公开的电动机驱动装置的第三方式中，负载特性模拟部包括二阶滤波器，该二阶滤波器对在参数中具有谐振频率、反谐振频率、谐振衰减比以及反谐振衰减比中的至少一个的谐振特性进行模拟。

由此，能够进行具有双惯性系统的特性的负载系统的仿真。

在本公开的电动机驱动装置的第四方式中，负载特性模拟部包括被串联耦合的多个二阶滤波器。

由此，能够进行具有三个惯性系统或三个以上的多惯性系统的特性的负载系统的仿真。

在本公开的电动机驱动装置的第五方式中，负载特性模拟部基于负载的特性、转矩指令以及模拟了干扰转矩的模拟干扰转矩，来生成模拟转矩指令。

由此，能够进行模拟了偏载荷以及动摩擦、粘性摩擦等摩擦特性之类的干扰转矩的仿真。

以下，参照附图来说明本公开的实施方式。此外，以下说明的实施方式均表示本公开的一个具体例。因而，以下的实施方式中示出的数值、结构要素、结构要素的配置及连接方式、以及步骤及步骤的顺序等是一例，而并非用于限定本公开。因此，关于以下的实施方式的结构要素中的、在表示本公开的最上位概念的独立权利要求中没有记载的结构要素，设为任意的结构要素来进行说明。

另外，各图是示意图，并不一定严格地进行了图示。此外，在各图中，对实质上相同的结构标注相同的附图标记，并省略或简化重复的说明。

(实施方式1)

使用图1对实施方式1所涉及的电动机驱动装置进行说明。

图1是实施方式1所涉及的电动机驱动装置1的控制框图。此外，在图1中还一并示出了与电动机驱动装置1连接的电动机2和检测器3。

如图1所示，电动机驱动装置1具备电动机控制部13、负载特性模拟部15以及电动机驱动部17。

电动机控制部13是根据控制指令11来生成转矩指令14的控制部。控制指令11是控制电动机的旋转的指令值。转矩指令14是表示用于使模拟成连接有负载装置的电动机旋转的转矩的指令值。在本实施方式中，电动机控制部13基于控制指令11以及来自与电动机2连接的检测器3的反馈值12，来生成转矩指令14。在电动机控制部13中使用的控制结构没有特别的限定。例如，也可以使用以一般的pid(proportional-integral-differential：比例积分微分)控制为代表的反馈控制、将控制指令11作为输入的前馈控制以及由它们组合而成的复合控制等。另外，也可以使用在位置控制中例如包括速度控制的串级控制等。

检测器3是检测电动机2的状态的测量设备。作为检测器3，能够使用检测电动机2的位置信息的编码器、旋转变压器等测量设备或者检测电动机2的速度信息的测速发电机等测量设备。

此外，控制指令11既可以从外部提供，也可以在电动机驱动装置1内生成。反馈值12只要是表示电动机2的状态的值即可，没有特别的限定。关于反馈值12，例如能够使用在使用了由编码器、旋转变压器等构成的检测器3的情况下得到的位置信息、或者在使用了由测速发电机等构成的检测器3的情况下得到的速度信息。

负载特性模拟部15是对与电动机2连接的负载的特性进行模拟的处理部。负载特性模拟部15基于负载的特性和转矩指令14来生成模拟转矩指令16。模拟转矩指令16是使电动机2模拟连接有负载的情况下的动作的指令值。在本实施方式中，负载特性模拟部15具有模拟刚体特性来作为负载的特性的系数，通过对转矩指令乘以系数来生成模拟转矩指令。

电动机驱动部17是基于模拟转矩指令16来控制电动机2的驱动部。电动机驱动部17进行电流控制，以使电动机2按照模拟转矩指令输出转矩。

作为电动机驱动部17，一般来说大多由电流控制部和pwm(pulsewidthmodulaton：脉冲宽度调制)控制电路构成，其中，该电流控制部将根据模拟转矩指令16计算出的电流指令与电动机电流的检测值进行比较，该pwm控制电路用于对实际的电动机施加作为pwm控制电路的输出的电压指令。但是，并不限定于该方式，只要是接收模拟转矩指令16来控制电动机2的方式即可，没有特别的限定。

接着，使用图2～图3c对本实施方式所涉及的负载特性模拟部15的导出方法进行说明。

图2是作为实施方式1所涉及的电动机驱动装置1的模拟对象的电动机驱动装置10的控制框图。如图2所示，在作为本实施方式所涉及的电动机驱动装置1的模拟对象的电动机驱动装置10上连接有电动机2和负载装置4。

图2所示的作为模拟对象的电动机驱动装置10在没有负载特性模拟部15这一点上与图1所示的电动机驱动装置1不同。在电动机驱动装置10中，电动机驱动部17基于转矩指令14来控制电动机2。在电动机2上连接有实际的负载装置4。本公开的目的在于，利用图1的结构来仿真图2所示的状态下的电动机2的动作。

图3a是在图2所示的结构中将负载装置4假定为刚体系统的情况下的控制框图。图3b是示出交换了图3a所示的控制框图的运算顺序后的结构的控制框图。图3c是将图3b所示的控制框图变形后的控制框图。

假设图2所示的电动机驱动部17和电动机2具有足够高速的响应特性，并将检测器3的输出设为电动机速度。在该情况下，电动机驱动部17、电动机2以及检测器3能够如图3a所示那样利用电动机刚体特性运算部21的式子来近似为仅由电动机惯量jm构成的刚体系统。在电动机2与负载装置4刚体结合的情况下，如果将负载惯量设为jl，则负载装置4的特性能够用总惯量比运算部41来代表。此外，在图3a所示的结构中，图2的电动机驱动部17与电动机驱动装置1a的外部的电动机2及检测器3一起形成了刚体系统。因此，电动机驱动装置1a仅具备电动机控制部13，而不具备电动机驱动部17。

在图3a的控制框图上，运算顺序能够交换。因而，能够交换代表负载装置4的特性的总惯量比运算部41与电动机刚体特性运算部21的运算顺序，并将总惯量比运算部41装入电动机驱动装置1a中。这样，在图3b中示出使用将总惯量比运算部41装入电动机驱动装置1a中所得到的电动机驱动装置1b的结构。

在此，将总惯量比运算部41设为负载特性模拟部15，将暂时近似得到的电动机刚体特性运算部21恢复为原来的电动机驱动部17、电动机2以及检测器3，由此能够如图3c所示那样获得与图1所示的控制框图等效的控制框图。

下面，对如上述那样构成的电动机驱动装置的动作和作用进行说明。

在电动机驱动装置不具备负载特性模拟部15的情况下，转矩指令14成为对电动机2单体的电动机刚体特性运算部21进行驱动所需要的值。另一方面，在如本实施方式所涉及的电动机驱动装置1那样具备负载特性模拟部15的情况下，负载特性模拟部15具有模拟刚体特性来作为负载装置4的特性的系数，通过对转矩指令乘以该系数来生成模拟转矩指令。更具体地说，负载特性模拟部15输出对转矩指令14乘以小于1的系数jm/(jm+jl)而得到的值来作为模拟转矩指令16，因此模拟转矩指令16成为比转矩指令14小的值。因此，尽管实际上没有在电动机2上连接有负载装置4，电动机2也如同连接有负载装置4那样缓慢地加速。其结果，反馈值12的变化也变得缓慢，因此电动机控制部13为了追随控制指令11而输出更大的转矩指令14。如上所述，通过电动机驱动装置1具备负载特性模拟部15，能够在电动机驱动装置1上仅连接了电动机2的状态下进行在电动机2上连接了具有总惯量比运算部41的负载装置4的情况下的动作仿真。因此，通过使上述系数变化，能够进行使将负载系统视为刚体时的负载惯量模拟地变化的仿真。因而，通过在图1所示的结构中直接观测控制指令11、反馈值12以及转矩指令14，能够观测到与图2所示的结构中的控制指令11、反馈值12以及转矩指令14同等的值。

此外，与专利文献1的结构相比，本实施方式所涉及的结构使用了实机来作为电动机驱动部17、电动机2以及检测器3，与之相应地，能够进行精度更好的仿真。

如上所述，本实施方式所涉及的电动机驱动装置1是驱动电动机2的电动机驱动装置1，其具备：电动机控制部13，其根据控制指令11来生成转矩指令14；负载特性模拟部15，其通过基于与电动机2连接的负载的特性和转矩指令14生成模拟转矩指令16，来模拟负载的特性；以及电动机驱动部17，其基于模拟转矩指令16来控制电动机2。

即，本实施方式所涉及的电动机驱动装置1基于从模拟负载特性的负载特性模拟部15输出的模拟转矩指令来驱动电动机2，由此能够进行在电动机2上连接了负载装置4的状态的仿真。并且，在本实施方式中，在电动机驱动装置的驱动系统和负载系统中的驱动系统中使用电动机2的实机，由此与使用电动机的数学模型的现有结构相比能够进行精度更好的仿真。

此外，电动机驱动部的控制通常以比电动机控制部的运算速度高的高速来进行。因此，利用软件模块的仿真模型来实现电动机驱动部的控制所需的计算负担变得庞大。因而，导致评价装置的成本升高。另外，关于驱动系统和电动机特性，也有时存在理论上难以近似的非线性特性，无法以实用的精度完全进行仿真。只要使用本实施方式所涉及的电动机驱动装置1，就能够解决这些问题中的任何问题。

并且，在本实施方式所涉及的电动机驱动装置1上连接电动机2的实机的情况下，电动机2实际地进行动作。因此，作为仿真结果，能够再现在实机动作中产生的声音、振动等。因而，能够提供富有临场感的电动机驱动装置1的仿真。通过将这样的电动机驱动装置1作为各种功能的演示装置、增益调整的训练装置等来使用，能够学会更符合现场作业的应对。

(实施方式2)

对实施方式2所涉及的电动机驱动装置进行说明。本实施方式所涉及的电动机驱动装置在将负载装置假定为双惯性系统这一点上与实施方式1所涉及的电动机驱动装置不同，而其它方面一致。以下，以与实施方式1所涉及的电动机驱动装置1的不同点为中心，使用图4a～图4d来说明本实施方式所涉及的电动机驱动装置。

图4a是在图2所示的结构中将负载装置4假定为双惯性系统的情况下的控制框图。图4b是将图4a所示的控制框图变形后的控制框图。图4c是将图4b所示的控制框图变形后的控制框图。图4d是实施方式2所涉及的电动机驱动装置101的控制框图。

在图4a所示的控制框图中，基于与图3a所示的控制框图相同的前提，利用电动机刚体特性运算部21来对电动机驱动部17、电动机2以及检测器3进行近似。如图4a所示，在双惯性系统中，向电动机刚体特性运算部21的输入不是转矩指令14本身，而是从转矩指令14减去扭转转矩42所得到的值。扭转转矩42是使用通过利用阻尼系数d和弹簧系数k进行近似而模拟出的轴特性运算部44而得到的值。扭转转矩42是在将作为电动机速度的反馈值12与负载装置4侧的负载速度43之差输入到轴特性运算部44的情况下得到的轴特性运算部44的输出。在此，负载速度43是在将从扭转转矩42减去干扰转矩45所得到的结果输入到具有负载惯量jl的负载刚体特性运算部46的情况下所获得的负载刚体特性运算部46的输出。

在图4a所示的控制框图中，当将干扰转矩45设为0来进行变形时，能够导出由电动机刚体特性运算部21、二阶滤波器47的第一传递函数以及二阶滤波器48的第二传递函数构成的图4b的控制框图，其中，该电动机刚体特性运算部21将转矩指令14作为输入，该二阶滤波器47的第一传递函数表示从电动机刚体特性运算部21的输出到作为电动机速度的反馈值12为止的谐振特性，该二阶滤波器48的第二传递函数表示从电动机刚体特性运算部21的输出到负载装置侧的负载速度43为止的谐振特性。根据轴特性运算部44的阻尼系数d、弹簧系数k、电动机惯量jm以及负载惯量jl，通过下式来表示图4b的谐振频率ωp、反谐振频率ωz、谐振衰减比ζp以及反谐振衰减比ζz。

[数1]

[数2]

[数3]

[数4]

在此，由于当前不需要估计图4b所示的负载速度43，因此从图4b所示的控制框图中去除二阶滤波器48(即，用第二传递函数表示的滤波器)。并且，将二阶滤波器47(即，用第一传递函数表示的滤波器)移动到电动机驱动装置1a内。由此，如图4c所示，使用具备电动机控制部13和二阶滤波器47的电动机驱动装置101c、以及电动机刚体特性运算部21来表示控制框图。

最终，将二阶滤波器47作为负载特性模拟部115，将电动机刚体特性运算部21恢复为原来的电动机驱动部17、电动机2以及检测器3。由此，得到具有与图1所示的控制框图相同结构的图4d所示的控制框图。图4d所示的电动机驱动装置101与实施方式1所涉及的电动机驱动装置1的不同之处是负载特性模拟部115的运算式，而其它方面一致。

下面，对如上述那样构成的电动机驱动装置101的动作和作用进行说明。

作为频率特性，负载特性模拟部115在谐振频率ωp处具有与谐振衰减比ζp相应的峰，在反谐振频率ωz处具有与反谐振衰减比ζz相应的谷。因此，模拟转矩指令16也成为转矩指令14的谐振频率ωp成分被放大、反谐振频率ωz成分衰减的值。由此，尽管实际上仅连接有电动机2单体，也如同连接有负载装置4那样在反馈值12中产生谐振频率的振动。为了应对该情况，电动机控制部13的响应性通常被限制为反谐振频率ωz以下。如上所述，本实施方式所涉及的负载特性模拟部115包括二阶滤波器，该二阶滤波器对在参数中具有谐振频率ωp、反谐振频率ωz、谐振衰减比ζp以及反谐振衰减比ζz中的至少一个的谐振特性进行模拟。通过电动机驱动装置101具备这样的负载特性模拟部115，能够以在电动机驱动装置101上仅连接了电动机2的状态进行在图2所示的结构中连接了具有双惯性系统的特性的负载装置4的情况的仿真。因而，通过在图4d的结构中直接观测控制指令11、反馈值12以及转矩指令14，能够观测到与图2所示的结构中的控制指令11、反馈值12以及转矩指令14同等的值。

此外，不仅在使用具有双惯性系统的特性的负载装置4的情况下，即使在使用具有三个惯性系统以及三个以上的多惯性系统的特性的负载装置4的情况下，也能够通过同样的公式变形来得到包括被串联耦合的多个二阶滤波器的负载特性模拟部。通过使用具备这样的负载特性模拟部的电动机驱动装置，能够进行在电动机2上连接了具有如三个惯性系统以及三个以上的多惯性系统的特性那样的复杂的谐振特性的负载装置4的情况的仿真。

(实施方式3)

对实施方式3所涉及的电动机驱动装置进行说明。本实施方式所涉及的电动机驱动装置在负载特性模拟部能够接受模拟干扰转矩这一点上与实施方式2所涉及的电动机驱动装置101不同，而其它方面一致。以下，以与实施方式2所涉及的电动机驱动装置101的不同点为中心，使用图5～图6d来说明本实施方式所涉及的电动机驱动装置。

图5是实施方式3所涉及的电动机驱动装置201的控制框图。图6a是在图4a所示的控制框图中保留干扰转矩45并进行变形后的控制框图。图6b是将图6a所示的控制框图变形后的控制框图。图6c是将图6b所示的控制框图变形后的控制框图。图6d是将图6c所示的控制框图变形后的控制框图。

如图5所示，与实施方式2所涉及的电动机驱动装置101同样地，本实施方式所涉及的电动机驱动装置201具备电动机控制部13、负载特性模拟部215以及电动机驱动部17。如图5所示，本实施方式所涉及的电动机驱动装置201在负载特性模拟部215接受模拟干扰转矩18的输入这一点上与实施方式2所涉及的电动机驱动装置101不同，而其它方面一致。

为了导出该控制框图，当以使在实施方式2中从图4a向图4b变形时省略的干扰转矩45保持原样的方式变形时，成为添加了用第三传递函数表示的二阶滤波器49和用第四传递函数表示的二阶滤波器50后的图6a所示的控制框图。在此，由于当前不需要估计负载速度43，因此删除用第二传递函数表示的二阶滤波器48和用第四传递函数表示的二阶滤波器50，则得到图6b所示的控制框图。在图6b所示的控制框图中，与上述各实施方式同样地保留电动机刚体特性运算部21，使其它模块移动到电动机驱动装置1a内。由此，如图6c所示，使用具备电动机控制部13、二阶滤波器47以及二阶滤波器49的电动机驱动装置201c以及电动机刚体特性运算部21来表示控制框图。接着，将作为近似的电动机刚体特性运算部21恢复为原来的电动机驱动部17、电动机2以及检测器3，将干扰转矩45设为在电动机驱动装置201内部生成的模拟干扰转矩18，由此得到与图5等效的框图6d。如图6d所示，本实施方式所涉及的电动机驱动装置201的负载特性模拟部215包括二阶滤波器47和二阶滤波器49。

如上所述，在本实施方式所涉及的电动机驱动装置201中，基于负载装置4的特性、转矩指令14以及模拟了干扰转矩的模拟干扰转矩18，来生成模拟转矩指令16。因此，能够仿真实机中的干扰转矩45的影响。

(变形例等)

以上，基于各实施方式说明了本公开所涉及的电动机驱动装置。然而，本公开不限定于上述实施方式。

例如，本公开所涉及的电动机驱动装置的驱动对象并不限定于旋转电动机，在线性电动机中也能够仅通过将旋转系统的单位置换为直动系统的单位来进行应用。另外，即使设为将检测器不仅安装于电动机2还安装于负载装置4来对反馈值12添加负载的位置和速度信息的全闭环控制结构，也不需要进行多大的变更就能够进行电动机驱动装置的仿真。

另外，在仿真用和实机用中检测器3的特性不同的情况下，也能够将它们的特性差收入到负载特性模拟部15。

除此以外，对各实施方式实施本领域技术人员想到的各种变形而得到的方式、或者通过在不脱离本公开的宗旨的范围内将各实施方式中的结构要素和功能任意地组合而实现的方式也包括在本公开中。

产业上的可利用性

本公开所涉及的电动机驱动装置能够作为能够模拟负载特性的仿真用的电动机驱动装置来利用。

本公开所涉及的电动机驱动装置能够进行富有临场感的仿真，因此本公开所涉及的电动机驱动装置作为各种功能的演示装置、增益调整的训练装置等特别有用。

本公开所涉及的电动机驱动装置的负载特性模拟部能够模拟负载装置的各种特性。因而，在测试如果不连接负载装置就不进行动作的功能的情况等下是有用的。另外，如果能够通过频率特性测定功能等测定负载装置的特性，则也能够采取如下方式：在远离实际的装置所在的场所的远处仅利用电动机和电动机驱动装置进行仿真，将最佳的调整结果应用于实机。因而，在车载装置的领域和产业领域能够考虑各种应用。

附图标记说明

1、1a、1b、10、101、101c、201、201c：电动机驱动装置；2：电动机；3：检测器；4：负载装置；11：控制指令；12：反馈值；13：电动机控制部；14：转矩指令；15、115、215：负载特性模拟部；16：模拟转矩指令；17：电动机驱动部；18：模拟干扰转矩；21：电动机刚体特性运算部；41：总惯量比运算部；42：扭转转矩；43：负载速度；44：轴特性运算部；45：干扰转矩；46：负载刚体特性运算部；47、48、49、50：二阶滤波器。