JPH02241383A - 電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電動機制御装置に係り、特に、電動機の駆動系
に含まれる積分要素の伝達関数を一次遅れ要素に変換す
るに好適な電動機制御装置に関する。

〔従来の技術〕

直流及び交流の電動機は回転体の駆動装置として用いら
れており、例えば、圧延機を用いて圧延材の板厚を制御
するシステムにおいて、圧延材を巻き取る巻取機の駆動
装置として用いられている。

このようなシステムにおいては、被圧延材に印加される
張力の精度が板厚精度に大きく影響するため、板厚制御
装置と併用して被圧延材及び圧延材の張力を制御するた
めの張力制御装置が設置されている。

圧延材の張力制御を行う場合には、例えば、特公昭６２
−１０１１３号公報に記載されているように、検出した
張力が目標張力となるように、電動機の電流あるいはト
ルクを制御することが行われている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来技術においては、電動機の駆動系に含
まれる積分要素の伝達関数を一次遅れ要素に変換するこ
とについては配慮されておらず、特に交流電動機を用い
たときのように、電動機の発生トルク応答を高速化する
と、電動機の能動トルクが圧延材の張力に反映されて圧
延材の伸びのばね作用による反動トルクの影響を受け、
張力制御系が不安定になり易く、高応答の張力制御系を
実現できないという不具合がある。

即ち、電動機によって巻取機を駆動する場合、電動機の
発生トルクＴｍと張力Ｔとで定まる伝達関数は、次の（
１）式によって表わされる。

Ｔ　　　　　　　　　１　　　　　　　　２・・・・・
・　（１） ここで、 よって、 Ｊ　：張力廃動系の慣性モーメント［Ｋｇ−ｍ”］Ｄ　
、張力駆動機械の径［ｍ］ Ｌ　：圧延機と巻取機間の距離［ｍ１ Ｖ１．圧延速度［ｍ／　Ｓ　］ Ｅ　：ヤング率［Ｎ／ｍ”］ Ａ　、圧延材の断面積［ｍ２］ ωｎ：圧延材の共振角周波数［ｒａｄ／ｓ］上記伝達関
数における二次系で圧延機の速度により振動項が変化す
ることがわかる０例えば、二次系の振動項の値を下記の
ように試算すると、Ｌ＝８［ｍ］ Ｖ１＝１２００　［履ｐ＋ｍｌ　＝２０　［ｍ／ｓｌω
ｎは圧延材の共振角周波数で、２〜５　［Ｈｚ］なので
、 ｃ、＋ｎ＝２π・（２〜５）弁１３〜３１［ｒａｄ／５
ｌ＝０．０９６〜０．０４ となり、圧延速度が、１２００ｍｐｍと大きくても振動
減衰係数ζは、 ４句０．０４〜０．１ であり、振動しやすい伝達関数になっている。

なお、圧延機が停止している（Ｖ１＝Ｏ）の状態におい
ては、（３）式のζはＯになるため、（１）式は次式と
なる。

このような運転状態においては、電動機トルクＴｍを緩
やかに出力し振動が発生しないようにしている。

本発明の目的は、電動機の駆動系に含まれる積分要素の
伝達関数を一次遅れ要素に変換して振動減衰係数を等測
的に大きくすることができる電動機制御装置を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、本発明は、第１の電動機制
御装置として、電動機の目標電流に対応した第１電流指
令を出力する第１電流指令手段と、電動機の速度を検出
して速度信号を出力する速度検出手段と、速度検出手段
出力の速度信号に調整ゲインを乗算した補正電流指令を
出力する補正電流指令手段と、第１電流指令と補正電流
指令との偏差に応じた第２電流指令を出力する第２ｆ４
流指令手段と、電動機の電流を検出する電流検出手段と
、第２電流指令と電流検出手段の検出出力との偏差を零
に抑制するための駆動信号を生成し、この駆動信号によ
り電動機の駆動を制御する制御手段とを含むものを構成
したものである。

第２の電動機制御装置として、電動機の目標トルクに対
応した第１トルク指令を出力する第１トルク指令手段と
、電動機の速度を検出して速度信号を出力する速度検出
手段と、速度検出手段出力の速度信号に調整ゲインを乗
算した補正トルク指令を出力する補正トルク指令手段と
、第１トルク指令と補正トルク指令との偏差に応じた第
２トルク指令を出力する第２トルク指令手段と、電動機
の駆動トルクを検出する駆動トルク検出手段と、第２ト
ルク指令とトルク検出手段の検出出力との偏差を零に抑
制するための駆動信号を生成し、この駆動信号により電
動機の駆動を制御する制御手段とを含むものを構成した
ものである。

第３の電動機制御装置として、電動機に連結された回転
体に装着される材料の張力を検出する張力検出手段と、
目標張力指令と張力検出手段の出力との偏差を補正する
補正値を目標張力指令に加えて出力する張力指令手段と
、張力指令手段の出力指令に対応した第１電流指令を出
力する第１電流指令手段と、電動機の速度を検出して速
度信号を出力する速度検出手段と、速度検出手段出力の
速度信号に調整ゲインを乗算した補正電流指令を出力す
る補正電流指令手段と、第１電流指令と補正電流指令と
の偏差に応じた第２電流指令を出力する第２電流指令手
段と、電動機の電流を検出する電流検出手段と、第２電
流指令と電流検出手段の検出出力との偏差を零に抑制す
るための駆動信号を生成し、この駆動信号により電動機
の駆動を制御する制御手段とを含むものを構成したもの
である。

第４の電動機制御装置として、電動機に連結された回転
体に装着される材料の張力を検出する張力検出手段と、
目標張力指令と張力検出手段の出力との偏差を補正する
補正値を目標張力指令に加えて出力する張力指令手段と
、張力指令手段の出力指令に対応した第１トルク指令を
出力する第１トルク指令手段と、電動機の速度を検出し
て速度信号を出力する速度検出手段と、速度検出手段出
力の速度信号に調整ゲインを乗算した補正トルク指令を
出力する補正トルク指令手段と、第１トルク指令と補正
トルク指令との偏差に応じた第２トルク指令を出力する
第２トルク指令手段と、電動機の駆動トルクを検出する
駆動トルク検出手段と、第２トルク指令とトルク検出手
段の検出出力との偏差を零に抑制するための駆動信号を
生成し、この駆動信号により電動機の駆動を制御する制
御手段とを含むものを構成したものである。

第３または第４の電動機制御装置を含む第５の電動機制
御装置として、速度検出手段の代わりに、電動機の駆動
トルクを検出する駆動トルク検出手段と、電動機に連結
された回転体の回転トルクを検出する回転トルク検出手
段と、駆動トルク検出手段の検出出力と回転トルク検出
手段の検出出力との差を積分する積分手段とを備え、積
分手段の出力信号を速度信号として用いるものを構成し
たものである。

第１または第３の電動機制御装置を含む第６の電動機制
御装置として、速度信号と目標速度指令との偏差に応じ
た補正速度信号を出力する補正速度信号出力手段を備え
、補正電流指令手段は、速度信号の代わりに補正速度信
号を受け、この補正速度信号に調整ゲインを乗算した補
正電流指令を出力してなるものを構成したものである。

第２または第４の電動機制御装置を含む第７の電動機制
御装置として、速度信号と目標速度指令との偏差に応じ
た補正速度信号を出力する補正速度信号出力手段を備え
、補正トルク指令手段は、速度信号の代わりに補正速度
信号を受け、この補正速度信号に調整ゲインを乗算した
補正トルク指令を出力してなるものを構成したものであ
る。

〔作用〕

電動機の目標電流に対応した第１電流指令が出力される
と、この第１電流指令から補正電流指令を減する制御が
行われ、電動機の電流が目標電流に近づくに従って目標
電流を徐々に減らす制御が行われる。即ち、電動機の駆
動系に含まれる積分要素が一次遅れ要素に変換されるた
め、電動機の電流が目標電流に近づくに従って電動機の
電流を徐々に減らす制御が順次行われる。また、電動機
のトルクに基づいて電動機を制御する場合でも、電動機
のトルクが目標トルクに近づくに従って目標トルクが少
しづつ減らされる制御が行われ、振動減衰係数を任意に
設定することによって制御応答を高速化することが可能
となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、圧延機１０と巻取機１２とは一定の間
隔を保って配置されており、圧延機１０によって圧延さ
れた圧延材１４がデフロール１６を介して巻取機１２に
巻取られるようになっている。巻取機１２は回転体とし
てその回転軸が電動機１８の駆動軸に連結されている。

巻取機１２が電動機の駆動によって回転すると、電動機
１８の駆動トルクにより巻取機１２の軸トルクが制御さ
れるようになっている。そして巻取機１２の軸トルクに
よって圧延材１４の張力が制御され、圧延材１４の張力
が張力検出手段として張力計２０により検出されるよう
になっている。この張力計２０の出力信号は、電動機１
８の駆動系を構成する張力制御系２２へ供給されるよう
になっている。

張力制御系２２は、減算器２４、張力制御器２６、加算
器２８、単位変換器３ｏ、減算器３２゜３４、電流制御
器３６、ゲートパルス発生器３８、電力変換器４０、変
流器４２、速度検出器４４、張力振動補正器４６から構
成される装置減算器２４と加算器２８には目標張力指令
が与えられ、張力計２ｏの出力信号と目標張力指令との
偏差が張力制御器２６に入力されるようになっている。

張力制御器２６は減算器２４の偏差を積分し、積分した
値を補正値として加算器２８へ出力するようになってい
る。そして加算器２８は目標張力指令と補正値とを加算
し、この加算値を張力指令として単位変換器３０へ出力
するようになっている。即ち、減算器２４．加算器２８
、張力制御器２６は張力指令手段として構成されている
。

単位変換器３ｏは張力指令を電流指令に変換し、変換し
た電流指令を電動機１８の目標電流に対応した第１電流
指令として減算器３２へ出力するようになっている。即
ち、張力制御系２２においては、電動機１８の電流を制
御して電動機１８の駆動トルクを制御し、最終的に巻取
機１２の駆動による圧延材１４の張力を制御するように
しているため、張力指令を電流指令に変換する処理が行
われている。

減算器３２には第１電流指令と張力振動補正器４６から
の補正電流指令が入力されている。即ち、張力振動補正
器４６は、電動機１８の回転速度を検出する速度検出手
段としての速度検出器４４からの速度信号を取り込み、
この速度信号に調整ゲインを乗算した補正電流指令を出
力するようになっている。この調整ゲインを算出するに
際しては、電流指令／回転速度に対応した単位変換が行
われると共に速度の変化分から第１電流指令を減するた
めの処理が行われるようになっている。そして加減算器
３２からは第１電流指令と補正電流指令の偏差に応じた
第２電流指令が出力されるようになっている。即ち、減
算器３２は第２電流指令手段として構成、されている。

そして第２電流指令は減算器３４へ出力される。

減算器３４には、第２電流指令と、電動機１８の電流を
検出する電流検出手段としての電流機４２の出力信号が
入力されており、減算器３４からは第２電流指令と変流
器４２の出力信号の偏差を零に抑制するための信号が出
力されるようになっている。この電流指令は電流制御器
４６に入力され、電流指令を電動機１８の実際の電流値
に対応づけた値に変換される。そして電流制御器３６の
出力信号はゲートパルス発生器３８へ出力される。

ここで電流指令に基づいたゲートパルスを発生するため
の処理が行われ、ゲートパルス発生器３８から電力変換
器４０ヘゲートパルスが出力される。

電力変換器４０はサイリスタなどのスイッチング素子を
備え、ゲートパルスに従ってスイッチング素子を点弧し
、スイッチング素子の点弧によって電動機１８の電流を
制御するように構成されている。即ち、減算器３４．電
流制御器３６、ゲートパルス発生器３８、電力変換器４
ｏは電動機１８の駆動を制御する制御手段として構成さ
れている。

以上の構成における制御システムを自動制御理論に従っ
て変換すると、第２図の（Ａ）に示されるようなブロッ
ク構成となる。−次遅れブロック５ｏは制御手段の機能
から決定され、Ｔｃは電流指令から電動機１８の駆動ト
ルクまでの応答遅れ（ｍＳ）を示し、Ｆｃは電流指令を
電圧の単位に変換する変換ゲインを示す。そして第２電
流指令に一次遅れブロック５０を積算することにより電
動機１８の実際の電流Ｉａが算出され、電流Ｉａに電動
機１８の特性から定まるブロック５２のトルク係数ξφ
を積算すると、電動機１８の駆動トルクＴｍ　［Ｎｍ］
が算出される。また電動機１８は慣性モーメントＪを有
し、しかも慣性モーメントＪは積分要素として機能する
ため、電動機の駆動トルクＴｍにブロック５４の値を積
算すると、電動機１８の角速度ω［ｒａｄ／　ｓ　］が
算出される。

この角速度ωに、張力補正器４６によって定まるブロッ
ク４８の帰還ゲインＫを積算すると補正電流指令が算出
され、この値が第２電流指令から減算される。一方角速
度ωに、巻取機１２のコイル半径であるブロック５６の
値を積算すると、巻取機速度Ｖ２［ｍＳ］が求められる
。

一方１巻取機１２の速度ｖ２と圧延機１ｏの速度ｖ１の
差が圧延材■１の伸び量ΔＬとして表わされ、しかもこ
の値は積分要素として機能する。

このため、速度ｖ２とｖｌとの偏差にブロック６０の積
分要素を積算することにより圧延材１４の延び量ΔＬ　
［ｍ］が求められる。そしてこの延び量ΔＬを、ブロッ
ク６２の値である圧延機１０と巻取機１２間の距離りで
割ると、圧延材１４の延び率εが求められる。さらに、
この延び率Ｃに、圧延材１４の堅さを示すヤング率Ｅと
圧延材１４の断面積Ａを示すブロック６６の値を積算す
ると張力Ｔ　［Ｎ］が求められる。さらに張力Ｔに、ブ
ロック６８で示される速度帰還ゲインとしての巻取機１
２のコイル半径を積算すると負荷トルクＴＬ　［Ｎｍ］
が求められる。そして電動機１８の駆動トルクＴｍと負
荷トルクＴＬとの差が巻取機１２の加速トルクとして巻
取機１２に伝達される。

一方、ブロック５８は、自動制御理論から第２図の（Ｂ
）に示されるように、ブロック７０によって表わされる
。

即ち、ブロック６０とブロック６２どの積算値次に、ブ
ロック４８，５０，５２，５４をトルクＴｍを基準に見
ると、トルクＴｍ＝（電流指令−ω・Ｋ）・　（ブロッ
ク５０とブロック５２との積算値）＝電流指令・　（ブ
ロック５ｏとブロック５２との積算値）−ωＫ・　（ブ
ロック５ｏとブロック５２との積算値）で表わされる。

このため。

第２図の（Ｂ）は第２図の（Ｃ）のブロックで表わされ
る。

次にブロック７２をまとめると、ブロック７２は第２図
の（Ｄ）に示されるように、Ｇ１で表わされる。このＧ
１は次の（６）式によって表わされる。

次式によって表わされる。

上記（６）式において、Ｔｃは極めて小さい値Ｇ　１　
＝□ に＋Ｊ　Ｓ ・・・・・・（１０） と、Ｇ１は次の（７）式によって表わされる。

ここで、ｋ＝Ｋ・ξφ／　Ｆ　ｃ　　　　　・・・（８
）また第２図の（Ｄ）は、第２図の（Ｅ）に示されるよ
うなブロックに変換することが可能であり、このブロッ
ク図から（Ｆ）のブロックが構成される。

ブロック７４はＧ２によって表わされ、このＧ２は次の
（９）式によって表わされる。

２二で（１１）式を（１）式と同様に表記すると、次の
（１２）式で表わされる。

ここで、 ここで、Ｔｃは無視することができるので、これを無視
したＧ１の式、（７）式を（９）式に代入すると、Ｇ２
は次の（１１）式によって表わされる。

＝（ｋ−Ｌ＋Ｊ−ｖｌ）＋＋−＊　−＝１１６）２Ｗｎ
ｘ　　　Ｂ を示す。

（１２）式から、（１）、（３）式では自由に設定でき
なかったＳの一次の項を、（８）式のＫ、即ちブロック
４８の帰還ゲインＫにより自由に設定することができる
。

即ち、張力制御系２２にはブロック５４．６０で示され
る積分要素が含まれるため、そのままでは張力制御系２
２の位相が略９０度となって系全体が不安定であるが、
電流指令から帰還ゲインＫを減することによりブロック
５４が等価的に一次遅れ要素に交換され、張力制御系２
２全体の位相が帰還ゲインにの値によって零から９０度
の範囲で変化し、帰還ゲインにの値を自由に設定するこ
とができる。これにより（１６）式に示す振動減衰係数
ξを張力制御系２２で要求する値に設定することが可能
となる。

従って、本実施例によれば、以下のような効果が得られ
る。

（１）張力制御系２２の応答向上の阻害要因である電動
機トルクＴｍから張力Ｔまでの伝達関数に関する振動減
衰係数ξを自由に設定できる。

（２）前記（１）により張力制御系２２の安定度が向上
するので、制御応答を高速にすることができる。

（３）張力制御系２２の応答が向上するので、板厚精度
の向上が可能となる。

また、第３図に示されるように、速度検出器４４と張力
振動補正器４６との間に、補正速度信号出力手段として
の減算器８ｏを設け、目標速度指令と速度検出器４４出
力の速度信号との偏差に応じた補正速度信号を張力振動
補正器４６へ入力するようにすれば、速度の変化分が予
めキャンセルされ、オフセットエラーを少なくすること
ができる。即ち出力補正器４６の出力信号の直流分のキ
ャンセルは張力制御器２６の積分項で行うのに対し、張
力補正器４６の出力信号の直流分を予め入力側でキャン
セルすれば、張力補正器２６の積分項によるキャンセル
を減少させることが可能となる。

また前記各実施例において、速度検出器４４の代わりに
、電動機１８の駆動トルクを検出する駆動トルク検出器
と、巻取機１２の回転トルクを検出する回転トルク検出
器と、駆動トルク検出器と回転トルク検出器の検出出力
の差を積分する積分器を設け、この積分器の出力信号を
速度信号として用いることも可能である。

また前記実施例においては、電動機１８の電流を制御す
ることについて述べたが、電動機１８の駆動トルクを制
御することも可能であり、この場合には単位変換器３０
として張力をトルクに変換する交換器を設け、張力振動
補正器４６として、トルク／回転数の単位変換を行うと
共に速度検出器４４出力の速度信号に調整ゲインを乗算
した補正トルク信号を出力するものを構成し、減算器３
２から補正トルク指令と単位変換器からの第１トルク指
令との偏差に応じた第２トルク指令を出力し、制御手段
として、第２トルク指令と電動機１８の駆動トルクを検
出する駆動トルク検出手段との偏差を抑制するための駆
動信号を生成し、駆動信号により電動機１８の駆動トル
クを制御するものを構成すれば、前記実施例と同様な効
果を得ることかできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、電動機の邪動系
に含まれる積分要素の伝達関数を一次遅れ要素に変換し
て振動減衰係数を等価的に大きくすることができるため
、応答性の向上に寄与することができる。また、張力制
御系の安定度が向上するので、張力制御系の制御応答の
高速化を図ることができる。さらに圧力制御系の応答性
が向上するので、材料の板厚精度の向上に寄与すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は本発
明に係る装置を自動制御理論に従った機能で説明するた
めのブロック図、第３図は本発明の他の実施例を示す構
成図である。 １ｏ・・・圧延機、１２・・・巻取機、１４・・・圧延
材、１８・・・電動機、２ｏ・・・張力計、２２・・・
張力制御系、２４・・・減算器、２６・・・張゛力制御
器、２８・・・加算器、３０・・・単位変換器、３２．
３４・・・減算器、３６・・・電流制御器、 ３８・・・ゲートパルス発生器、 ４０・・・ 電力交換器、 ４２・・・変流器、 ４４・・・速度検出器、 ４６・・・張力振動補正器。 ８０・・・減算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電動機の目標電流に対応した第１電流指令を出力す
   る第１電流指令手段と、電動機の速度を検出して速度信
   号を出力する速度検出手段と、速度検出手段出力の速度
   信号に調整ゲインを乗算した補正電流指令を出力する補
   正電流指令手段と、第１電流指令と補正電流指令との偏
   差に応じた第２電流指令を出力する第２電流指令手段と
   、電動機の電流を検出する電流検出手段と、第２電流指
   令と電流検出手段の検出出力との偏差を零に抑制するた
   めの駆動信号を生成し、この駆動信号により電動機の駆
   動を制御する制御手段とを含む電動機制御装置。 ２、電動機の目標トルクに対応した第１トルク指令を出
   力する第１トルク指令手段と、電動機の速度を検出して
   速度信号を出力する速度検出手段と、速度検出手段出力
   の速度信号に調整ゲインを乗算した補正トルク指令を出
   力する補正トルク指令手段と、第１トルク指令と補正ト
   ルク指令との偏差に応じた第２トルク指令を出力する第
   ２トルク指令手段と、電動機の駆動トルクを検出する駆
   動トルク検出手段と、第２トルク指令とトルク検出手段
   の検出出力との偏差を零に抑制するための駆動信号を生
   成し、この駆動信号により電動機の駆動を制御する制御
   手段とを含む電動機制御装置。 ３、電動機に連結された回転体に装着される材料の張力
   を検出する張力検出手段と、目標張力指令と張力検出手
   段の出力との偏差を補正する補正値を目標張力指令に加
   えて出力する張力指令手段と、張力指令手段の出力指令
   に対応した第１電流指令を出力する第１電流指令手段と
   、電動機の速度を検出して速度信号を出力する速度検出
   手段と、速度検出手段出力の速度信号に調整ゲインを乗
   算した補正電流指令を出力する補正電流指令手段と、第
   １電流指令と補正電流指令との偏差に応じた第２電流指
   令を出力する第２電流指令手段と、電動機の電流を検出
   する電流検出手段と、第２電流指令と電流検出手段の検
   出出力との偏差を零に抑制するための駆動信号を生成し
   、この駆動信号により電動機の駆動を制御する制御手段
   とを含む電動機制御装置。 ４、電動機に連結された回転体に装着される材料の張力
   を検出する張力検出手段と、目標張力指令と張力検出手
   段の出力との偏差を補正する補正値を目標張力指令に加
   えて出力する張力指令手段と、張力指令手段の出力指令
   に対応した第１トルク指令を出力する第１トルク指令手
   段と、電動機の速度を検出して速度信号を出力する速度
   検出手段と、速度検出手段出力の速度信号に調整ゲイン
   を乗算した補正トルク指令を出力する補正トルク指令手
   段と、第１トルク指令と補正トルク指令との偏差に応じ
   た第２トルク指令を出力する第２トルク指令手段と、電
   動機の駆動トルクを検出する駆動トルク検出手段と、第
   ２トルク指令とトルク検出手段の検出出力との偏差を零
   に抑制するための駆動信号を生成し、この駆動信号によ
   り電動機の駆動を制御する制御手段とを含む電動機制御
   装置。 ５、速度検出手段の代わりに、電動機の駆動トルクを検
   出する駆動トルク検出手段と、電動機に連結された回転
   体の回転トルクを検出する回転トルク検出手段と、駆動
   トルク検出手段の検出出力と回転トルク検出手段の検出
   出力との差を積分する積分手段とを備え、積分手段の出
   力信号を速度信号として用いる請求項第３または第４項
   記載の電動機制御装置。 ６、速度信号と目標速度指令との偏差に応じた補正速度
   信号を出力する補正速度信号出力手段を備え、補正電流
   指令手段は、速度信号の代わりに補正速度信号を受け、
   この補正速度信号に調整ゲインを乗算した補正電流指令
   を出力してなる請求項１または３記載の電動機制御装置
   。 ７、速度信号と目標速度指令との偏差に応じた補正速度
   信号を出力する補正速度信号出力手段を備え、補正トル
   ク指令手段は、速度信号の代わりに補正速度信号を受け
   、この補正速度信号に調整ゲインを乗算した補正トルク
   指令を出力してなる請求項２または４記載の電動機制御
   装置。