JP2006187134A

JP2006187134A - 電動機制御装置

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Publication number: JP2006187134A
Application number: JP2004378642A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Matsumoto; 博明松本; So Shiraishi; 創白石
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】マスターとなる電力変換装置からスレーブの電力変換装置へ与える信号の伝送遅延があっても、不安定現象が生ずることのない電動機制御装置を提供する。
【解決手段】マスター電動機２Ａの速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するマスター電力変換装置１００Ａと、前記マスター電動機と機械的に結合した少なくとも１台のスレーブ電動機２Ｂと、前記スレーブ電動機の速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するスレーブ電力変換装置１００Ｂと、前記マスター電力変換装置の出力トルク基準に比例した量を前記スレーブ電力変換装置用のトルク基準として前記スレーブ電力変換装置に伝送する伝送インタフェース手段１５Ａ及び１５Ｂとで構成し、前記マスター電力変換装置１００Ａの出力トルク制御は、前記伝送インタフェース手段の伝送遅れ時間に相当する時間だけ制御を遅らせるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機を駆動し、その速度及び出力トルクを制御する電力変換装置を複数台組み合わせた電動機制御装置に関する。

例えば、鉄鋼用の圧延ラインの電動機制御装置においては、隣り合う２台の電動機が圧延材を介して機械的に結合された状態で運転を行う必要があるため、１台の電動機を駆動する電力変換装置をマスター装置として速度制御し、このマスター装置の出力トルクに追従するように他の１台の電力変換装置をスレーブ装置として制御を行う場合がある。

このようにマスター電動機駆動用の電力変換装置のトルク基準に比例したトルク基準をスレーブ電動機駆動用の電力変換装置に与えて負荷分担制御を行う場合、信号の伝送遅れに起因するトルクの時間的なズレにより、制御が不安定になり、機械系が振動を起こすことがあった。

この対策として、ノイズに強くしかも伝送遅れの少ない光通信路を用いて信号の伝送を行いてマスター／スレーブ制御を行う提案が為されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−１０２１８８号公報（第３−５頁、図１）

特許文献１に示されている手法は、伝送の遅れの少ない伝送路を使用して制御の改善を図っている例であるが、現実には、僅かな伝送路の伝送遅れが問題となって不安定現象が生じる場合もあり、またデジタル制御を行っている場合には伝送のためのデータサンプリング時間も遅れ時間として問題となる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、マスターとなる電力変換装置からスレーブの電力変換装置へ与える信号の伝送遅延があっても、不安定現象が生ずることのない電動機制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である電動機制御装置は、マスター電動機を駆動し、その速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するマスター電力変換装置と、前記マスター電動機と機械的に結合した少なくとも１台のスレーブ電動機と、前記スレーブ電動機を駆動し、その速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するスレーブ電力変換装置と、前記マスター電力変換装置の出力トルク基準に比例した量を前記スレーブ電力変換装置用のトルク基準として前記スレーブ電力変換装置に伝送する伝送インタフェース手段とを備え、前記マスター電力変換装置の出力トルク制御は、前記伝送インタフェース手段の伝送遅れ時間に相当する時間だけ制御を遅らせるようにしたことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である電動機制御装置は、マスター電動機を駆動し、その速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するマスター電力変換装置と、前記マスター電動機と機械的に結合した少なくとも１台のスレーブ電動機と、前記スレーブ電動機を駆動し、その速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するスレーブ電力変換装置と、前記マスター電力変換装置の出力トルク基準に比例した量を前記スレーブ電力変換装置用のトルク基準として前記スレーブ電力変換装置に伝送する伝送インタフェース手段とを備え、前記スレーブ電力変換装置の出力トルク制御は、前記伝送インタフェース手段の伝送遅れ時間に相当する時間だけ制御を進ませるように補償したことを特徴としている。

本発明によれば、マスターとなる電力変換装置からスレーブの電力変換装置へ与える信号の伝送遅延があっても、不安定現象が生ずることのない電動機制御装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明に係る電動機制御装置の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電動機制御装置のブロック構成図である。

マスター電力変換装置１００Ａは、電力変換器１Ａの交流出力で電動機２Ａを駆動する。通常、電力変換器１Ａは商用交流電源を入力とし、複数個のパワーデバイスを組み合わせた主変換回路によりこの交流を電動機駆動用の交流出力に変換するように構成されている。電動機２Ａには速度検出用の位置検出器３Ａが取り付けられており、この位置検出器３Ａの出力を速度信号演算器４Ａでデジタル量に変換し、位相角θを得る。また、この位相角θを積分器５Ａで積分して速度フィードバック信号ＳＰ＿Ｆを得ている。

通常は外部から与えられる速度基準ＳＰ＿ＲＥＦ１はその変化率が所定値以内となるように速度変化率リミット回路６を介して実際の速度基準ＳＰ＿Ｒとなり、上記の速度フィードバック信号ＳＰ＿Ｆと比較されてその偏差が速度制御器７の入力となる。速度制御器７はこの偏差を比例・積分処理して出力ＡＳＰＲ＿ＯＵＴを得、更にトルクリミット回路８Ａを介して最終的なトルク基準Ｔ＿Ｒを得る。マスター側のトルク基準Ｔ＿Ｒは、伝送インタフェース装置１５Ａを介してスレーブ側に伝達され、スレーブ側のトルク基準となる。

トルク基準Ｔ＿Ｒは遅れ回路１４に入力される。遅れ回路１４はデジタル制御におけるサンプリング数Ｎだけ前のトルク基準を出力するように動作する。

電流基準部９Ａでは、このサンプリング数Ｎだけ遅れたトルク基準を受け、磁束で割り算を行い、トルク電流基準Ｉｑ＿Ｒを求め、また、図示は省略しているが、速度基準ＳＰ＿Ｒに応じた磁束基準を求めてこの磁束に相当する磁束電流基準Ｉｄ＿Ｒを出力する。

このようにして求められたトルク電流基準Ｉｑ＿Ｒと磁束電流基準Ｉｄ＿Ｒは、電力変換器１Ａの出力相電流を電流座標変換器１０Ａによって２軸に変換したトルクフィードバック電流Ｉｑ＿Ｆと磁束フィードバック電流Ｉｄ＿Ｆと夫々比較され、夫々の偏差が電流制御器１１Ａの入力となる。ここで電流制御器１１Ａは実際にはトルク軸と磁束軸の２つの制御器が独立して存在しているが、簡単のため１つの電流制御器１１Ａとして図示している。この電流制御器１１Ａによって前記の夫々の偏差は比例・積分処理されて、トルク軸電圧基準Ｅｄ＿Ｒと磁束軸電圧基準Ｅｑ＿Ｒを得る。このようにして得られたトルク軸電圧基準Ｅｄ＿Ｒと磁束軸電圧基準Ｅｑ＿Ｒを電圧基準部１２Ａに入力し、磁束位置の情報であるθに基づいて、３相の電圧基準を求め、ＰＷＭ制御回路１３Ａに与える。ＰＷＭ制御回路１３Ａは各相の電圧基準に基づいてゲートパルス信号を電力変換器１Ａを構成するパワーデバイスに対し出力する。

次にスレーブ側の構成について説明する。

スレーブ電力変換装置１００Ｂは、電力変換器１Ａと同様の構成である電力変換器１Ｂの交流出力で電動機２Ｂを駆動する。このスレーブ用の電動機２Ｂと前述のマスター用電動機２Ａとは機械的に結合しており、電動機の出力軸を介してトルクのやりとりが可能な構成となっている。尚、ここでいう機械的結合とは、前述したように媒体となる負荷を介して結合している状態を含むものとする。

電動機２Ｂには速度検出用の位置検出器３Ｂが取り付けられており、この位置検出器３Ｂの出力を速度信号演算器４Ｂでデジタル量に変換し、位相角θを得る。この位相角θを積分器５Ｂで積分して速度フィードバック信号ＳＰ＿Ｆを得ている。尚、この速度フィードバック信号ＳＰ＿Ｆは、スレーブ電力変換装置１００Ｂがマスター電力変換装置１００Ａのトルク基準でその動作を行うモードにおいては速度基準としては使用されないが、マスター／スレーブの運転モードでない状態で運転される場合には、図示しない速度制御回路で使用される場合がある。

マスター側の伝送インタフェース回路１５Ａからスレーブ側の伝送インタフェース回路１５Ｂを介してスレーブ側に伝達されたトルク基準ＴＥＮＳ＿Ｒはトルクリミット回路８Ｂを経由して実際のトルク基準Ｔ＿Ｒとなり、電流基準部９Ｂに与えられる。尚、伝送インタフェース回路１５Ａ及び伝送インタフェース回路１５Ｂは夫々電力変換装置１００Ａ及び電力変換装置１００Ｂの内部に含まれるものとして図示しているが、必ずしもその必要はなく、独立した伝送装置であっても良い。

電流基準部９Ｂでは、このトルク基準を受け、磁束で割り算を行い、トルク電流基準Ｉｑ＿Ｒを求める。また、図示は省略しているが、スレーブ側の速度フィードバック信号ＳＰ＿Ｆに応じた磁束基準を求めてこの磁束に相当する磁束電流基準Ｉｄ＿Ｒを出力する。

このようにして求められたトルク電流基準Ｉｑ＿Ｒと磁束電流基準Ｉｄ＿Ｒは、電力変換器１Ｂの出力相電流を電流座標変換器１０Ｂによって２軸に変換したトルクフィードバック電流Ｉｑ＿Ｆ及び磁束フィードバック電流Ｉｄ＿Ｆと夫々比較され、夫々の偏差が電流制御器１１Ｂの入力となる。以下、マスター側の制御と同様に、電流制御器１１Ｂ、電圧基準部１２Ｂ及びＰＷＭ制御回路１３Ｂを経由して電力変換器１Ｂの出力が制御される。

以上の実施例１における動作のポイントは、マスター電力変換装置１００Ａ側に設けられた遅れ回路１４の作用である。この遅れ回路１４の遅れ時間が、マスター側の伝送インタフェース１５Ａからスレーブ側の伝送インタフェース１５Ｂに至る伝送の遅れ時間と等しくなるように設定されていれば、マスター電力変換装置１００Ａ側のトルク制御とスレーブ電力変換装置１００Ｂ側のトルク制御とが同期し、従って不安定現象は生じない。

尚、説明を簡単にするため、マスター側のトルク基準をそのままスレーブ側のトルク基準とするように説明したが、これは必ずしも同一である必要はない。例えばスレーブ側が
ギヤを介して駆動されている場合には、そのギヤ比に見合うスレーブ側のトルク基準とする。

図２は本発明の実施例２に係る電動機制御装置のブロック構成図である。

この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る電動機制御装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、マスター側の遅れ回路１４を省いた点、スレーブ側のトルクリミット回路８Ｂの出力側に進み補償回路１６を挿入し、この進み補償回路１６の出力を実際のスレーブ側のトルク基準Ｔ＿Ｒとするようにした点である。

進み補償回路１６の進み補償時間が、マスター側の伝送インタフェース１５Ａからスレーブ側の伝送インタフェース１５Ｂに至る伝送の遅れ時間に見合う進み時間に設定されていれば、厳密にはマスター側とスレーブ側が同一トルクで完全に同期運転することは困難であるが、概略の同時運転性を保つことが可能となる。従ってこの実施例２に係る電動機制御装置は、比較的速い制御は要求されるが、厳密に同一基準でマスター側とスレーブ側が動作する必要のない用途、例えば、鉄鋼のプロセスラインなどの応用に好適である。一方、実施例１に係る電動機制御装置は、速い制御は要求されないが、トルクが完全に同期している必要のある用途、例えば、抄紙機のドライパートなどの応用に好適である。尚、遅れ時間全体の一部分をこの実施例２のスレーブ側の進み補償で制御し、残りの部分の遅れ時間の補償を実施例１のマスター側の遅れ時間で制御する混合型としても良い。

図３は本発明の実施例３に係る電動機制御装置の伝送インタフェース部分のブロック構成図である。この実施例３が実施例１の伝送インタフェース部分と異なる点は、マスター側の伝送インタフェース１５Ａに対してこの伝送遅れ時間を測定する伝送時間計測回路１７Ａを設け、この伝送時間計測回路１７Ａによって計測された遅れ時間をサンプリング数Ｎとして遅れ回路１４の遅れ時間を設定するようにした点である。

前述したように伝送の遅れ時間は、伝送のサンプリング時間と伝送路の遅れ時間の和であるので、伝送インタフェース１５Ａから伝送インタフェース１５Ｂにパイロット信号を送信し、伝送インタフェース１５Ｂ側はこの信号を折り返し伝送インタフェース１５Ａに返信するようにすれば、このときの応答時間の１／２に伝送サンプリング時間を加えた時間が遅れ時間となる。従ってこの遅れ時間を制御側のサンプリング時間で除算すればサンプリング数Ｎが求まる。このようにすれば遅れ回路１４の遅れ時間の設定を正確に且つ効率的に行うことが可能となる。

尚、上記の伝送時間計測回路１７Ａによる計測動作及びサンプリング数Ｎの設定は、システムが決まれば変化することはないので、通常はシステム調整の段階で１回だけ行えば十分である。

図４は本発明の実施例４に係る電動機制御装置の伝送インタフェース部分のブロック構成図である。この実施例４が実施例２の伝送インタフェース部分と異なる点は、スレーブ側の伝送インタフェース１５Ｂに対してこの伝送遅れ時間を測定する伝送時間計測回路１７Ｂを設け、この伝送時間計測回路１７Ｂによって計測された遅れ時間を進み補償回路１６の進み補償時間τとして自動的に設定するようにした点である。

実施例３の場合と同様に、伝送インタフェース１５Ｂから伝送インタフェース１５Ａにパイロット信号を送信し、伝送インタフェース１５Ａ側はこの信号を折り返し伝送インタフェース１５Ｂに返信するようにすれば、このときの応答時間の１／２に伝送サンプリング時間を加えた時間が遅れ時間となる。従ってこの遅れ時間を進み補償回路１６の進み補償時間として設定するようにすれば、この設定を正確に且つ効率的に行うことが可能となる。

また、上記の伝送時間計測回路１７Ｂの動作についても、実施例３の場合と同様にシステムが決まれば変化することはないので、通常はシステム調整の段階で１回だけ行えば十分である。

尚、以上の実施例１乃至実施例４においては、スレーブ側の電動機及び電力変換装置が１台の場合について説明したが、スレーブ側の電動機及び電力変換装置が複数台ある場合についても本発明の適用が可能であることは明らかである。

本発明の実施例１に係る電動機制御装置のブロック構成図。本発明の実施例２に係る電動機制御装置のブロック構成図。本発明の実施例３に係る電動機制御装置の伝送インタフェース部分のブロック構成図。本発明の実施例４に係る電動機制御装置の伝送インタフェース部分のブロック構成図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ電力変換器
２Ａ、２Ｂ電動機
３Ａ、３Ｂ速度検出器
４Ａ、４Ｂ速度信号演算器
５Ａ、５Ｂ積分回路
６速度変化率リミット回路
７速度制御器
８Ａ、８Ｂトルクリミット回路
９Ａ、９Ｂ電流基準部
１０Ａ、１０Ｂ電流座標変換器
１１Ａ、１１Ｂ電流制御器
１２Ａ、１２Ｂ電圧基準部
１３Ａ、１３ＢＰＷＭ制御回路
１４遅れ回路
１５Ａ、１５Ｂ伝送インタフェース回路
１６進み補償回路
１７Ａ、１７Ｂ伝送時間計測回路
１００Ａマスター電力変換装置
１００Ｂスレーブ電力変換装置

Claims

マスター電動機を駆動し、その速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するマスター電力変換装置と、
前記マスター電動機と機械的に結合した少なくとも１台のスレーブ電動機と、
前記スレーブ電動機を駆動し、その速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するスレーブ電力変換装置と、
前記マスター電力変換装置の出力トルク基準に比例した量を前記スレーブ電力変換装置用のトルク基準として前記スレーブ電力変換装置に伝送する伝送インタフェース手段と
を備え、
前記マスター電力変換装置の出力トルク制御は、前記伝送インタフェース手段の伝送遅れ時間に相当する時間だけ制御を遅らせるようにしたことを特徴とする電動機制御装置。
前記マスター電力変換装置は、
前記伝送インタフェース手段の伝送遅れ時間を計測する手段を有し、
この伝送遅れ時間に基づき前記マスター電力変換装置の出力トルク制御の遅れ時間を自動的に設定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
マスター電動機を駆動し、その速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するマスター電力変換装置と、
前記マスター電動機と機械的に結合した少なくとも１台のスレーブ電動機と、
前記スレーブ電動機を駆動し、その速度及び出力トルクの少なくとも１つを制御するスレーブ電力変換装置と、
前記マスター電力変換装置の出力トルク基準に比例した量を前記スレーブ電力変換装置用のトルク基準として前記スレーブ電力変換装置に伝送する伝送インタフェース手段と
を備え、
前記スレーブ電力変換装置の出力トルク制御は、前記伝送インタフェース手段の伝送遅れ時間に相当する時間だけ制御を進ませるように補償したことを特徴とする電動機制御装置。
前記スレーブ電力変換装置は、
前記伝送インタフェース手段の伝送遅れ時間を計測する手段を有し、
この伝送遅れ時間に基づき前記スレーブ電力変換装置の出力トルク制御の進み補償時間を自動的に設定するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の電動機制御装置。