设计辅助装置、设计辅助方法以及设计辅助程序

摘要

设计辅助装置具有：取得系统信息的单元，该系统信息表示DC供电系统的DC总线的结构；以及输出单元，其根据由取得单元取得的系统信息、和1台以上的伺服装置各自的动作所需的电流值，输出与DC供电系统的稳定性相关的信息。根据该结构，能够考虑DC总线的结构，对通过DC总线从直流电源向包含逆变器电路和电动机的1台以上的伺服装置供给电力的DC供电系统的稳定性进行分析。

说明书

技术领域

本发明涉及设计辅助装置、设计辅助方法以及设计辅助程序。

背景技术

在工厂等中，使用了如下系统(由机器人及其控制装置构成的系统等)：多个电动机由配置于远离的场所的多个伺服驱动器进行PWM驱动。在这样的系统中，存在如下问题：为了降低来自电动机/伺服驱动器之间的长电缆的辐射噪声而无法加快开关速度，且电动机/伺服驱动器之间的连接需要多条电缆。

如果采用在各电动机的附近仅配置伺服驱动器内的逆变器电路，并通过DC总线从1个直流电源向多个逆变器电路供给电力的结构，则能够使得不产生上述问题。

但是，在采用了该结构的系统中，存在DC总线侧的LC电路与逆变器电路侧相互干扰而系统的动作变得不稳定的情况(例如，参照非专利文献1)。在实物布线并确认振荡的情况下，修正实物的布线总线来抑制振荡，因此需要工时。另外，需要试错地改变布线总线直到能够抑制振荡为止，从而进一步需要工时。因此，在采用上述结构时，考虑了DC总线侧的电感等的稳定性分析是必要的。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：横尾真志，近藤圭一郎，“直流电动铁路车辆中的被矢量控制的感应电动机驱动系统的阻尼控制系统设计方法”，电气学会论文杂志D，Vol.135No.6pp.622-631(2015)

非专利文献2：R.D.Middlebrook，“Input Filter Considerations in Designand Application of Switching Regulators”,Proc,IEEE Industrial ApplicationSociety Annual Meeting pp.363-382(1976)

发明内容

发明所要解决的课题

本发明是鉴于上述现状而完成的，其目的在于提供一种能够考虑DC总线的结构来对DC供电系统的稳定性进行分析(评价)的技术，该DC供电系统通过DC总线从直流电源向包含逆变器电路和电动机的1台以上的伺服装置供给电力。

用于解决课题的手段

本发明一个观点的设计辅助装置是对DC供电系统的设计进行辅助的装置，该DC供电系统通过DC总线从直流电源向包含逆变器电路和电动机的1台以上的伺服装置供给电力。并且，设计辅助装置具有：取得单元，其取得系统信息，该系统信息表示所述DC供电系统的所述DC总线的结构；以及输出单元，其根据由所述取得单元取得的所述系统信息、和所述1台以上的伺服装置各自的动作所需的电流值，输出与所述DC供电系统的稳定性相关的信息。系统信息是与基于DC总线的硬件结构的电特性相关联的信息，DC供电系统的稳定性与流过DC总线的工作电流值具有强相关性。因此，根据具有这样的结构的设计辅助装置，能够考虑DC总线的结构和从此处被供电的伺服装置中的工作电流，对DC供电系统的稳定性进行分析(评价)。

并且，具有如下结构：所述输出单元构成为，根据与所述系统信息对应的Z

即，只要有表示DC供电系统的DC总线的结构的系统信息，就能够求出DC供电系统的负载侧部的输出阻抗Z

设计辅助装置的输出单元可以以任何形式输出与DC供电系统的稳定性相关的信息。具体而言，输出单元也可以经由用户界面，针对设计辅助装置的外部用户等，在显示器的画面上显示与所述DC供电系统的稳定性相关的信息(奈奎斯特线图、波特线图)，也可以输出表示奈奎斯特线图等的数据(数值组)。另外，对由设计辅助装置的内部或外部的装置进行的其他处理输出这些信息、数据的方式也包含在上述输出单元的输出方式中。

设计辅助装置的输出单元可以针对预先设定的每个总线电流值，输出与DC供电系统的稳定性相关的信息，也可以针对用户所指定的每个总线电流值，输出与DC供电系统的稳定性相关的信息。

输出单元也可以根据以下的(1)～(4)式求出所述DC供电系统内的所述伺服装置为1个的情况下的所述Z

另外，V

这里，在之前所述的设计辅助装置中，也可以是，所述系统信息包含表示所述1台以上的伺服装置各自的工作模式的工作模式信息。通过包含工作模式，能够基于该工作模式导出与所述1台以上的伺服装置各自的动作所需的电流值相关的信息，能够利用该信息输出上述与稳定性相关的信息。

另外，也可以是，之前所述的设计辅助装置还具有修正单元，在由所述输出单元输出的与所述DC供电系统的稳定性相关的信息不满足规定的稳定性条件的情况下，该修正单元将所述系统信息修正为满足所述规定的稳定性条件。通过这样的结构，能够通过修正单元的修正处理，取得DC供电系统的稳定性满足规定的稳定性条件的系统信息。例如，修正单元能够进行DC总线的结构修正。另外，作为其他方法，也可以是，在所述系统信息中包含所述工作模式信息、且与所述DC供电系统的稳定性相关的信息不满足所述规定的稳定性条件的情况下，所述修正单元修正与所述工作模式信息对应的所述工作模式，使得所述1台以上的伺服装置各自的动作所需的电流值下降。

另外，本发明一个观点的设计辅助方法对DC供电系统的设计进行辅助，其中，该DC供电系统通过DC总线从直流电源向包含逆变器电路和电动机的1台以上的伺服装置供给电力，在该设计辅助方法中，取得系统信息，该系统信息表示所述DC供电系统的所述DC总线的结构，根据所述系统信息、和所述1台以上的伺服装置各自的动作所需的电流值，输出与所述DC供电系统的稳定性相关的信息。进而，在该设计辅助方法中，根据所述系统信息、和所述1台以上的伺服装置各自的动作所需的电流值，将所述DC供电系统视为将包含所述1台以上的伺服装置的负载侧部和向所述负载侧部供给电力的电源侧部连接的系统，确定所述电源侧部的输出阻抗即Z

发明的效果

根据本发明，能够考虑DC总线的结构，对通过DC总线从直流电源向包含逆变器电路和电动机的1台以上的伺服装置供给电力的DC供电系统的稳定性进行分析。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的设计辅助装置的框图。

图2A是被设计辅助装置分析稳定性的DC供电系统的结构例的说明图。

图2B是被设计辅助装置分析稳定性的DC供电系统的结构例的说明图。

图3是表示伺服装置所具有的控制部的q轴电流的控制内容的控制框图。

图4是LC并联电路信息的说明图。

图5是设计辅助装置所显示的奈奎斯特线图的说明图。

图6是表示设计辅助装置为了确定Z

图7是为了确认能够由设计辅助装置分析稳定性而进行的实验结果的说明图。

图8是设计辅助装置的设计辅助处理的流程图。

图9是用于说明设计辅助处理对最初输入的工作模式的修正处理的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图1表示本发明一个实施方式的设计辅助装置10的框图，图2A和图2B表示被设计辅助装置10分析稳定性的DC供电系统的结构例。

本实施方式的设计辅助装置10(图1)是为了通过分析图2A、图2B所示的结构的DC供电系统的稳定性来辅助该DC供电系统的设计而开发的装置。

具体而言，如图2A和图2B所示，被设计辅助装置10分析稳定性的DC供电系统(以下，也表述为分析对象系统)是经由DC总线35对由逆变器电路41、电动机42以及控制部43构成的1台(图2A)或者多台(图2B)伺服装置供给来自直流电源31的电力的系统。

分析对象系统内的各伺服装置的电动机42是永磁同步电动机。另外，各伺服装置的控制部43是基于来自安装于电动机42的编码器(省略图示)和检测电动机42的驱动电流的传感器(省略图示)的信息(图中，为θ、i

更详细而言，如图3所示，控制部43成为控制q轴电流的单元。另外，该图3是表示控制部43的q轴电流的控制内容的控制框图。另外，在图3中，Kt是电动机42的转矩常数，K

返回图1，对设计辅助装置10的结构以及功能进行说明。

如图所示，设计辅助装置10具有键盘、鼠标等输入装置11、显示器12以及主体部13。

主体部13是由CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、RAM(RandomAccess Memory：随机存取存储器)、非易失性存储装置16(硬盘驱动器、固态驱动器等)等构成的单元。在该主体部13的非易失性存储装置16中安装有设计辅助程序18，CPU将设计辅助程序18读出到RAM上并执行，由此主体部13作为UI处理部14和稳定性分析处理部15进行动作。

UI处理部14是在显示器12的画面上显示各种图像信息，并且通过对输入装置11的操作，从用户取得系统信息和显示对象指定信息的单元。

UI处理部14从用户取得的系统信息是表示分析对象系统的结构以及动作的信息。UI处理部14从用户取得以下信息作为该系统信息。

·用于将分析对象系统的电源侧部30作为图4所示的结构的LC并联电路进行处理的LC并联电路指定信息

·直流电源31(将系统电压直流化的转换器等)的输出电压V

·各伺服装置的电动机42的电感L

·各伺服装置的电流补偿器45(图3)的比例增益K

·各伺服装置的工作模式信息

另外，各伺服装置的工作模式信息是指为了使各伺服装置动作而输入到各控制部43的指令值组(位置指令的时间序列数据等)。关于工作模式信息的用途，将在后面叙述，但工作模式信息为能够省略输入的信息。

UI处理部14从用户取得的LC并联电路指定信息是在图4中的C

UI处理部14从用户取得的显示对象指定信息是使稳定性分析处理部15显示奈奎斯特线图的指定1个以上的DC总线电流I

UI处理部14通常等待由用户输入上述2个信息(系统信息和显示对象指定信息)。而且，在2个信息的输入完成后，从用户输入了稳定分析处理的执行指示的情况下，向稳定性分析处理部15指示稳定性分析处理的开始。

稳定性分析处理部15执行的稳定性分析处理是如下处理：基于系统信息，确定分析对象系统(图2A、图2B)的电源侧部30的输出阻抗Z

即，具体将后述，在进行稳定性分析处理时，在显示器12的画面上例如显示图5所示那样的奈奎斯特线图。因此，用户能够根据各DC总线电流I

以下，以分析对象系统的负载侧部40由1台伺服装置构成的情况(图2A)为中心，更具体地说明稳定性分析处理的内容。

在稳定性分析处理时，稳定性分析处理部15基于系统信息(LC并联电路信息)，准备由以下的(A1)式表示的函数，作为分析对象系统的电源侧部30的输出阻抗Z

另外，稳定性分析处理部15基于系统信息(LC并联电路信息以外的信息)，准备满足以下的(A2)式的函数，作为负载侧部40的输入阻抗Z

在该(A2)式中，Z

另外，在分析对象系统的负载侧部40由多台伺服装置构成的情况下，稳定性分析处理部15通过合成由(A2)式准备的各伺服装置的Z

另外，理想反馈时的伺服装置的输入阻抗为-V

另外，在伺服装置中被反馈的是Iq(参照图3)。因此，作为Z

I

在此，当考虑到伺服装置的机械系统的响应性(通常几百Hz)比电源侧部30的谐振频率低很多的情况时，根据忽略了H(s)的控制框图、即图6所示的控制框图，求出在I

而且，PI(s)、G(s)分别能够用以下的(A3)式、(A4)式表示，因此用(A5)式表示T(s)。

另外，I

如上所述，准备了Z

以下，对几个事项进行补充。

图5所示的奈奎斯特线图是通过在符合实际系统的条件下进行稳定性分析处理而得到的。此外，作为(A5)式的K

图7示出实际控制了L

由图7可知，随着速度上升，DC总线电流I

这样，设计辅助装置10(稳定性分析处理部15)能够显示与DC供电系统的实际动作对应的奈奎斯特线图。因此，根据设计辅助装置10，能够将作为系统信息的DC供电系统的结构(例如，作为DC电缆使用的电缆的规格)、针对逆变器电路41的控制内容设为使得更不易产生振动的结构、控制内容。

另外，作为其他方法，也可以基于设计辅助装置10中的稳定性分析处理部15的处理结果，自动地进行系统信息的修正。因此，基于图8对系统信息的修正处理进行说明。按照图8所示的流程图的控制由设计辅助装置10的主体部13执行。首先，在S101中，进行系统信息的取得。该取得处理相当于如下处理：通过对输入装置11的操作，UI处理部14从用户取得与DC总线的结构相关的信息、伺服装置的工作模式信息来作为系统信息。接着，在S102中，进行分析对象系统的稳定性信息的输出。该输出处理相当于如下处理：由稳定性分析处理部15输出奈奎斯特线图等与系统的稳定性相关的稳定性信息。

然后，在S103中，基于在S102中输出的稳定性信息和在分析对象系统中从各伺服装置的工作模式导出的、该动作所需的电流值，判定是否满足规定的稳定性条件。例如，基于图5所示的输出结果即奈奎斯特线图进行说明。该情况下的规定的稳定性条件是指奈奎斯特线图与(-1，0)的相对位置关系。在此，在从工作模式导出的最大的电流值为Imax2、Imax3的情况下，能够判断为不满足规定的稳定性条件(否定判定)。另一方面，在最大电流值为Imax1的情况下，能够判断为满足规定的稳定性条件(肯定判定)。

因此，在S103中作出肯定判定的情况下，处理进入S104，维持在S101中取得的系统信息。即，与在S101中取得的系统信息对应的DC总线的结构为即使考虑该系统信息和伺服装置的工作模式也能够确保稳定性的结构，因此不需要对其进行修正而维持。另一方面，在S103中判定为否定的情况下，处理进入S105，修正在S101中取得的系统信息。该修正处理相当于本申请的修正单元的处理。关于系统信息的修正，作为一例，也可以修正与DC总线的结构相关的信息。在该情况下，也可以在能够实现伺服装置的工作模式的范围内，适当修正DC总线的规格，并将其修正结果显示在显示器12上。

另外，作为系统信息的修正的另一例，也可以在保持原样地维持DC总线的结构的基础上，适当修正系统信息所包含的工作模式，并将其修正结果显示在显示器12上。例如，如图9所示，将在S101中取得的工作模式信息中的、伺服装置的最高速度从由线L1表示的最高速度修正为由线L2表示的最高速度，并将该修正结果显示在显示器12上。通过这样使最高速度降低，能够降低伺服装置的工作所需的电流值，能够满足规定的稳定性条件。

此外，在修正了系统信息的情况下，用户经由输入装置11适当决定该修正结果的接受即可。

最后，对上述的(A6)式成立的理由进行说明。

在DC总线电压V

V

V

根据(B2)式，关于作为DC总线电流Ib与q轴电流Iq之比的转换率α，以下的(B3)式成立。因此，以下的(B4)式即上述的(A6)式成立。

αV

《变形方式》

上述的设计辅助装置10能够进行各种变形。例如，可以将稳定性分析处理变形为不是显示Z

《附记1》

一种设计辅助装置(10)，其对DC供电系统的设计进行辅助，该DC供电系统经由DC总线(35)从直流电源(31)向包含逆变器电路(41)和电动机(42)的1台以上的伺服装置供给电力，该设计辅助装置(10)具有：

取得单元(14)，其取得系统信息，该系统信息表示所述DC供电系统的所述DC总线的结构；以及

输出单元(15)，其根据由所述取得单元(14)取得的所述系统信息、和所述1台以上的伺服装置各自的动作所需的电流值，输出与所述DC供电系统的稳定性相关的信息。

标号说明

10：设计辅助装置；11：输入装置；12：显示器；13：主体部；14：UI处理部；15：稳定性分析处理部；16：非易失性存储部；18：设计辅助程序；30：电源侧部；31：直流电源；40：负载侧部；41：逆变器；42：电动机；43：控制部。