JP5223470B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動機制御を行う負荷追従型の制御装置に関するものである。

一般に、電動機制御は、モータの速度を制御する速度制御機能や、モータ電流を制御する電流制御機能を備えたドライブ制御装置によって行われる。鉄鋼圧延及びプロセス設備においてストリップ圧延や通板に使用される電動機は、安定操業の観点から、このドライブ制御装置によって所望の速度に精度良く制御される必要がある。
ドライブ制御装置による従来の電動機制御では、負荷に関係なく安定した運転が可能となるように、制御ゲインが固定値で設定されていた。一方、最近では、負荷が変動しても、要求する速度応答を得ることができる速度制御技術がいくつか提案されている。

例えば、従来技術として、下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１記載のものでは、運転時の機械負荷の慣性モーメントの変化に着目し、この慣性モーメントから要求応答を得るための速度制御ゲインを逆算して求めている。そして、その求めた速度制御ゲインにより、試運転時に調整した速度制御ゲインを補正している。なお、図４は従来の電動機の制御装置を示す構成図であり、特許文献１に記載のものの具体的構成を示している。以下、図４に基づいて詳細を説明する。

速度制御器（ＡＳＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｐｅｅｄ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）１７から出力されるトルク信号τ_１は、外部コントローラからの速度指令（ＳＰ＿Ｒｅｆ）と速度検出器（ＳＳ：Ｓｐｅｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ）６から出力された電動機速度ω_１との偏差に基づいて生成される。なお、ＡＳＲ１７では、上記入力偏差に所定のゲイン設定値を乗じ、この偏差を解消できるようにトルク信号τ_１を出力する。

５は電動機１に流れる電流値を検出する電流検出器である。ＡＳＲ１７から出力されたトルク信号τ_１は、電流検出器５からの電流フィードバックτ_ＩＦｂｋが減算され、出力τ_Ｔとして、電流制御器（ＡＣＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）１８に入力される。この出力τ_Ｔは、ＡＣＲ１８で処理され、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電力変換回路１９に入力される。なお、上記ＡＣＲ１８は、速度制御応答の向上及び速度制御系の安定性を図るため、通常、電流フィードバックループを構成している。

上記ＡＳＲ１７においては、試運転時にゲイン調整を行い、負荷運転時に電動機１に掛かる負荷等の慣性モーメントから要求するべき応答を得るための速度制御ゲインを逆算する。そして、ＡＳＲ１７のゲインが、その逆算したゲインとなるように補正している。

しかし、特許文献１に記載のもののように、ＡＳＲ１７のゲインのみを負荷等の慣性モーメントに応じて補正する場合、この速度制御系において、速度制御ゲインを一定値以上に上げることができない場合がある。この理由は、以下の通りである。

一般に、電動機１と負荷機械３との速度比を可変にする目的等のため、両者を連結するトルク伝達機構４として減速機が採用されることが多い。この減速機は、通常、バックラッシュがあるため、ギアが接触している時と離れている時とでは、その機械特性が異なる。特に、ギアが離れている場合は、電動機１と負荷機械３とが絶縁されている状態になるため、速度制御系が不安定となる。また、速度制御ゲインが大き過ぎると、速度制御閉ループの応答が上がりすぎることになるため、速度制御系の不安定さが増し、ハンチング現象が発生したり、電動機１と負荷機械３とを連結する軸の剛性が低い場合にはねじり振動が発生したりする。

このような問題を解決する従来技術として、例えば、下記特許文献２に記載のものが提案されている。特許文献２記載のものでは、加速及び減速電流制御系のゲインを負荷の慣性モーメントの大きさに応じて変化させている。このため、無負荷の状態、負荷がある状態、負荷が変化する状態の何れの場合においても、あらゆる負荷状態の慣性モーメントに対応して、電動機の加速及び減速時に、常に適切な加速及び減速電流を電動機に与えることが可能となる。したがって、常に、要求する応答性で電動機を制御することができるようになる。

図５は従来の電動機の制御装置を示す構成図であり、特許文献２に記載のものの具体的構成を示している。即ち、図５では、図４に示す構成に、加速・減速電流演算器（ＦＦ）２０が追加されており、外部コントローラからのゲイン設定値によって、加速・減速電流演算器２０のゲインを補正できるように構成している。
なお、図５に示す方法の他にも、外部コントローラを用いる方法として、図６に示す構成も一般に知られている。即ち、加速及び減速に必要なトルクτ_ａｃｃを外部コントローラによって演算し、ＡＳＲ１７の出力τ_１に加算する方法である。

一方、下記特許文献３に記載されたものでは、上述の速度制御ゲインを上げることができない問題に対して、図７に示す構成を採用している。即ち、ドライブ制御装置２３内にモデルＡＳＲ２１と機械系モデル２２とを追加し、機械系モデル２２の出力である理想速度ω_０が、外部からの速度指令に追従するように制御を行う。

具体的に、図７に示すものでは、モデルＡＳＲ２１から出力されるトルク信号τ_０は、外部からの速度指令（ＳＰ＿Ｒｅｆ）と上記トルク信号τ_０が入力された機械系モデル２２の出力である理想速度ω_０との偏差に基づいて生成される。
なお、機械系モデル２２は１つの積分器で構成されており、その出力である理想速度ω_０は、電動機１及び負荷機械３を１つの質点とみなしたときの速度に対応する。また、モデルＡＳＲ２１では、Ｐ制御が行われている。この閉ループには負荷トルクがないため、速度指令と実績速度とが一致するので問題は生じない。

ＡＳＲ１７から出力されるトルク信号τ_１は、速度指令ＳＰ＿Ｒｅｆと速度検出器６から出力される電動機速度ω_１との偏差に基づいて生成される。なお、このＡＳＲ１７では、ＰＩ制御が行われている。これは、負荷トルクがある場合の速度低下に対しては、速度指令と速度実績との偏差を積分することで補償できるためである。また、モデルＡＳＲ２１の出力τ_０は、電動機速度ω_１によって変化しないため、機械系の状態によらず速度制御の安定性が保たれる。これにより、加速及び減速時等の外部速度指令の変化による速度制御の応答性を一定に維持することができ、そのための回路を、電動機１を制御するドライブ制御装置２３内だけで達成することができるようになる。

特開平２−３０７３８１号公報 特開平５−６４４７６号公報 特許第２５５２７１９号公報

上述したような従来の制御装置では、機械負荷の慣性モーメントが一定の場合、速度応答は、初期に設定した速度制御が可能である。しかし、機械負荷の慣性モーメントが変化する場合においては、モデルＡＳＲ２１の制御ゲインを調整しない限り、電動機速度ω_１の速度制御応答が変化してしまう。負荷外乱に関しては、ＡＳＲ１７の制御応答を上げることで対応できるが、ＡＳＲ１７の制御ゲインは、安定性の問題から上げることができない場合もある。

例えば、鉄鋼プロセスラインにおけるルーパキャリッジが昇降する際には、機械負荷の慣性モーメントは、ストリップを吐き出した状態の短端側に位置している場合と、ストリップを溜め込んだ状態の長端側に位置している場合とでは異なる値を示す。即ち、キャリッジの位置により速度制御系の応答が変化してしまうという問題がある。その結果、速度制御性が変化することによる張力変動の発生が問題になり、例えば、プロセス部が焼鈍炉であれば、ルーパからの張力変動が伝播して炉内張力変動を引き起こし、ストリップの蛇行やヒートバックルを発生させて生産を妨害する恐れがある。

従来、この対策として、連続的に変化していく負荷に合わせて、外部コントローラ等からトルク指令を変化させる方式が採用されていたが、外部コントローラの制御周期とドライブ制御装置内の制御周期とは必ずしも同期しておらず、しかも外部コントローラの制御周期が遅いため、トルク補償の遅れが発生していた。
近年では、製品に対する品質の要求レベルが高くなり、また、ラインの高速化に伴いルーパ容量が大きくなっている。また、キャリッジの制御精度の要求も高くなりつつある。このため、適切な改善が必要とされている。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、負荷機械の慣性モーメントが変化する場合でも、速度制御応答を可変にしたり、外部コントローラによりトルク補償を行ったりすることなく、速度制御系の応答を一定に保持することができ、ドライブ調整内容を簡略化できる電動機の制御装置を提供することである。

この発明に係る電動機の制御装置は、電動機、負荷機械、電動機及び負荷機械を機械的に連結するトルク伝達機構を１つの積分要素として近似し、理想速度を出力する機械系モデルと、電動機に流れる電流値を検出する電流検出器と、外部コントローラからの速度指令及び機械系モデルから出力された理想速度の偏差に基づいて、機械系モデルから出力された理想速度が外部コントローラからの速度指令に対して所定の応答性を有するように、トルク信号を出力する第１速度制御手段と、電動機の速度及び機械系モデルから出力された理想速度の偏差に基づいて、電動機の速度が機械系モデルから出力された理想速度に追従するように第１補償トルク信号を出力する第２速度制御手段と、負荷機械の慣性モーメントが変化した場合に、トルク信号を出力するための速度制御ゲイン及び第１補償トルク信号を出力するための速度制御ゲインを変更することなく、負荷追従するようにトルク補償を行う制御手段と、を備え、制御手段は、第１速度制御手段から出力されたトルク信号と第２速度制御手段から出力された第１補償トルク信号との合計から電流検出器からの電流フィードバックを減算した出力を電流制御器に入力し、電動機の速度と機械系モデルから出力された理想速度との速度比を電流制御器の出力に乗算するものである。

この発明によれば、負荷機械の慣性モーメントが変化する場合でも、速度制御応答を可変にしたり、外部コントローラによりトルク補償を行ったりすることなく、速度制御系の応答を一定に保持することができ、ドライブ調整内容を簡略化できるようになる。

この発明をより詳細に説明するため、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電動機の制御装置を示す構成図である。図１において、１は鉄鋼圧延及びプロセス設備においてストリップ圧延や通板に使用される電動機、２はこの電動機１を駆動制御するドライブ制御装置である。３は電動機１によって駆動される負荷機械、４は電動機１と負荷機械３とを機械的に連結するトルク伝達機構である。このトルク伝達機構４は、電動機１と負荷機械３との速度比を可変にする目的等のために設置され、例えば、減速機によって構成される。
なお、電流検出器５により上記電動機１に流れる電流値が、速度検出器（ＳＳ）６により上記電動機１の速度が検出される。

次に、上記ドライブ制御装置２の具体的な構成について説明する。
ドライブ制御装置２は、例えば、機械系モデル７、モデルＡＳＲ８、速度制御器（ＡＳＲ）９、ＬＦＣ（Ｌｏａｄ Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ）１０、電流制御器（ＡＣＲ）１１、電力変換回路１２を備えている。
機械系モデル７は、電動機１と負荷機械３と減速機等のトルク伝達機構４とを１つの積分要素として近似し、理想速度ω_０を出力する。即ち、上記理想速度ω_０は、電動機１、負荷機械３、トルク伝達機構４を１つの質点とみなした時の速度である。

モデルＡＳＲ（第１速度制御手段）８は、外部コントローラ（図示せず）からの速度指令（ＳＰ＿Ｒｅｆ）と、機械系モデル７から出力された理想速度ω_０との偏差を入力として、上記理想速度ω_０が外部コントローラからの速度指令ＳＰ＿Ｒｅｆに対して所望の応答性を有するように、トルク信号τ_０を出力する。なお、モデルＡＳＲ８の出力であるトルク信号τ_０が、上記機械系モデル７の入力となる。また、モデルＡＳＲ８では、Ｐ制御が行われている。

ＡＳＲ（第２速度制御手段）９は、速度検出器６によって検出された電動機速度ω_１と、機械系モデル７から出力された理想速度ω_０との偏差を入力として、上記電動機速度ω_１が上記理想速度ω_０に追従するように、補償トルク信号τ_１を出力する。なお、このＡＳＲ９では、ＰＩ制御が行われている。これは、負荷トルクがある場合の速度低下に対しては、速度指令と速度実績との偏差を積分することによって補償できるためである。

また、上記ドライブ制御装置２には、上記負荷機械３の慣性モーメントが変化した場合に、トルク信号τ_０を出力するための速度制御ゲインと補償トルク信号τ_１を出力するための速度制御ゲインとを変更することなく、負荷追従するようにトルク補償を行う機能が備えられている。
以下に、上記機能を実現するための具体的構成（制御手段）について説明する。

ＬＦＣ１０は、速度検出器６によって検出された電動機速度ω_１と機械系モデル７から出力された理想速度ω_０との偏差を入力として、負荷機械３の慣性モーメントが変化した場合でも負荷追従するような補償トルク信号τ_２を出力する。そして、ＬＦＣ１０から出力された補償トルク信号τ_２は、モデルＡＳＲ８から出力されたトルク信号τ_０と、ＡＳＲ９から出力された補償トルク信号τ_１との合計に加算される。なお、上記ＬＦＣ１０では、Ｐ制御が行われる。

例えば、負荷機械３の慣性モーメントが、速度制御応答を調整した際の慣性モーメントよりも大きくなる場合、電動機速度ω_１は理想速度ω_０に対して遅れるため、ＬＦＣ１０からは正の補償トルク信号τ_２が出力される。この結果、正の補償トルク信号τ_２がトルク信号τ_０と補償トルク信号τ_１との合計に加算され、電動機速度ω_１を理想速度ω_０に追従させることができるようになる。なお、トルク信号τ_０は、上述のように速度制御ゲインを上げることができない。このため、上記ＬＦＣ１０を備えていない場合には、電動機速度ω_１が理想速度ω_０に追従するまでに遅れが生じてしまうことになる。

そして、トルク信号τ_０と補償トルク信号τ_１との合計に補償トルク信号τ_２が加算されたものから更に電流検出器５からの電流フィードバックτ_ＩＦｂｋが減算され、その出力τ_ＴがＡＣＲ１１に入力される。その後、出力τ_ＴはＡＣＲ１１で処理され、ＩＧＢＴ等の電力変換回路１２に入力される。

この発明の実施の形態１によれば、負荷機械３の慣性モーメントが変化する場合でも、速度制御応答を可変にしたり、外部コントローラによりトルク補償を行ったりすることなく、速度制御系の応答を一定に保持することができ、ドライブ調整内容を簡略化できるようになる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における電動機の制御装置を示す構成図である。図２に示すドライブ制御装置２では、除算器１３、乗算器１４、回路切替スイッチ１５を備えることにより、実施の形態１と同様の機能を確保している。

具体的に、除算器１３は、速度検出器６によって検出された電動機速度ω_１と機械系モデル７から出力された理想速度ω_０との速度比τ_３を出力する。そして、除算器１３から出力された速度比τ_３は、乗算器１４により、ＡＣＲ１６で処理された値に乗算される。なお、ＡＣＲ１６には、モデルＡＳＲ８から出力されたトルク信号τ_０とＡＳＲ９から出力された補償トルク信号τ_１との合計から電流フィードバックτ_ＩＦｂｋを減算した出力τ_Ｔが入力され、この出力τ_ＴがＡＣＲ１６で処理される。

例えば、負荷機械３の慣性モーメントが、速度制御応答を調整した際の慣性モーメントよりも大きくなる場合、電動機速度ω_１は理想速度ω_０に対して遅れるため、除算器１３から出力される速度比τ_３は１よりも大きくなる。そして、この速度比τ_３をＡＣＲ１６で処理された値に乗算することによって、電動機速度ω_１を理想速度ω_０に追従させることができるようになる。

なお、除算器１３において、電動機速度ω_１を分母にする場合、電動機１が停止している状態では分母に０が入力されるため、ＡＣＲ１６で処理された値に無限大が乗算されてしまう。上記回路切替スイッチ１５は、かかる不具合を解消するために備えられたものである。図３は図２に示す回路切替スイッチの動作フローを示す図であり、入力される電動機速度ω_１の値によって、除算器１３から出力される速度比τ_３の値を調整する機能を示している。即ち、電動機速度ω_１が所定速度未満の場合は速度比τ_３＝１とし、所定速度以上の場合は速度比τ_３＝ω_０／ω_１として出力する。かかる場合、電動機速度ω_１の状態によってトルクを増幅させる制御が行われるようになる。

この発明の実施の形態１における電動機の制御装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２における電動機の制御装置を示す構成図である。 図２に示す回路切替スイッチの動作フローを示す図である。 従来の電動機の制御装置を示す構成図である。 従来の電動機の制御装置を示す構成図である。 従来の電動機の制御装置を示す構成図である。 従来の電動機の制御装置を示す構成図である。

符号の説明

１ 電動機
２、２３ ドライブ制御装置
３ 負荷機械
４ トルク伝達機構
５ 電流検出器
６ 速度検出器（ＳＳ）
７、２２ 機械系モデル
８、２１ モデルＡＳＲ
９、１７ 速度制御器（ＡＳＲ）
１０ ＬＦＣ
１１、１６、１８ 電流制御器（ＡＣＲ）
１２、１９ 電力変換回路
１３ 除算器
１４ 乗算器
１５ 回路切替スイッチ
２０ 加速・減速電流演算器（ＦＦ）

Claims (2)

1. 電動機、負荷機械、前記電動機及び前記負荷機械を機械的に連結するトルク伝達機構を１つの積分要素として近似し、理想速度を出力する機械系モデルと、
   前記電動機に流れる電流値を検出する電流検出器と、
   外部コントローラからの速度指令及び前記機械系モデルから出力された理想速度の偏差に基づいて、前記機械系モデルから出力された理想速度が前記外部コントローラからの速度指令に対して所定の応答性を有するように、トルク信号を出力する第１速度制御手段と、
   前記電動機の速度及び前記機械系モデルから出力された理想速度の偏差に基づいて、前記電動機の速度が前記機械系モデルから出力された理想速度に追従するように第１補償トルク信号を出力する第２速度制御手段と、
   前記負荷機械の慣性モーメントが変化した場合に、前記トルク信号を出力するための速度制御ゲイン及び前記第１補償トルク信号を出力するための速度制御ゲインを変更することなく、負荷追従するようにトルク補償を行う制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記第１速度制御手段から出力されたトルク信号と前記第２速度制御手段から出力された第１補償トルク信号との合計から前記電流検出器からの電流フィードバックを減算した出力を電流制御器に入力し、前記電動機の速度と前記機械系モデルから出力された理想速度との速度比を前記電流制御器の出力に乗算することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記制御手段は、前記電動機の速度を分母にして前記速度比を求め、前記電動機の速度が所定速度未満の場合は前記速度比を１として前記電流制御器の出力に乗算することを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。

Images