JP2011160574A

JP2011160574A - 電動機の速度制御装置

Info

Publication number: JP2011160574A
Application number: JP2010020816A
Authority: JP
Inventors: Toshimichi Takahashi; 利道高橋; Kuniaki Hirao; 邦朗平尾; Shizunori Hamada; 鎮教濱田; Yasuhiro Kanesashi; 泰宏金刺
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2011-08-18

Abstract

【課題】速度制御時に機械共振の発生要因となる負荷と電動機を連結した機械系を、インバータで制御する場合、電動機の慣性は既知であっても、負荷側の慣性値が不明により、機械系との共振特性に起因する不安定現象が発生する。
【解決手段】速度制御部の出力側にトルク電流指令に対するゲイン補償部を設ける。また、機械系で算出された軸トルク検出に対する重み係数を付与する重み係数補償部を設け、各補償部の出力信号を加算してトルク電流指令として電流制御部に入力する。また、軸トルク検出の代わりとして、外乱オブザーバの補償出力に対する重み係数補償部を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の速度制御装置に係り、特に、電動機に負荷が接続されて速度制御時に機械共振現象を起こすようなシステムにおける電動機の速度制御装置に関するものである。

電動機にフライホイールやローラ等の負荷を接続した、例えば、動力計システム等では機械共振による影響を小さくし、安定で高応答な速度制御方法が要望されている。
図５は、電動機にローラ等の負荷が接続されたシステム構成図を簡略化した例で、
負荷Ｌを連結した電動機ＩＭはインバータＩＶによって速度制御される。ＴＭは軸トルクメータ、ＥＣはエンコーダで、このエンコーダＥＣにより検出された電動機の回転数と軸トルクメータＴＭによって検出された軸トルクは、それぞれ速度制御回路ＳＣに入力されてトルク電流指令を生成し、このトルク電流指令に基づいてインバータＩＶによって電動機ＩＭを制御する。

図５で示すようなシステムでの速度制御装置ＳＣは、図６のように構成されている。点線で囲んだ５の部分が電動機ＩＭ、軸トルクメータＴＭ、及び負荷Ｌからなる実機機械系を伝達関数で表現したもので、５１は負荷側慣性モーメント、５２はバネ剛性要素、５３は電動機慣性モーメントである。１は速度制御部で、入力された電動機角速度指令ωrefと電動機角速度検出ωdyとの差演算を実行する。２は外乱オブザーバ補償部で、速度制御部１による算出信号と電動機角速度検出ωdyとの差に基づいて外乱オブザーバ補償出力Ｔ_OBSを加算部３に出力する。加算部３では、速度制御部１による算出信号と補償出力Ｔ_OBSを加算することでトルク電流指令Ｔ_DYを生成し、電流制御部４を介して機械系５を制御する。
ここで、Ｊ_Lは負荷側慣性、Ｊ_DYは電動機慣性、Ｋ_SHはバネ剛性、Ｔ_SHは軸トルク検出、ω_Lは負荷側角速度検出、ｓはラプラス演算子である。

図５で示すような機械系を有する制御方法としては、特許文献１が公知となっている。この特許文献１には、機械系の共振・反共振周波数等のパラメータがわからなくても機械系の振動を抑制するために振動抑制補償器を設け、演算により求めた速度指令と速度検出信号との偏差分を振動抑制補償器に入力して速度指令補償信号を生成し、この補償信号と速度指令基本信号との和を速度信号とすることが記載されている。

特開２００４−３６１２５５

図５では外乱オブザーバ補償部を用いた制御となっている。このような制御では、電動機の慣性は既知であるとしても、負荷側の慣性値が不明の場合には高応答な速度制御は困難となっており、また、速度制御応答を高めようとすると機械系の共振特性が考慮されてないために、機械系の共振特性に起因するハンチングや発散による不安定現象が発生する。
本発明が目的とするとこは、不安定現象の発生しない高応答且つ安定な電動機の速度制御装置を提供することにある。

本発明は、速度制御時に機械共振の発生要因となる負荷と電動機を連結した機械系を、インバータの出力で制御するよう構成された速度制御装置であって、速度制御部で入力された電動機角速度指令と電動機角速度検出に基づいてトルク電流指令を算出し、このトルク電流指令を電流制御部に入力してインバータを制御するものにおいて、
前記速度制御部の出力側にトルク電流指令に対するゲイン補償部を設け、且つ前記機械系で算出された軸トルク検出に対する重み係数を付与する重み係数補償部を設け、各補償部の出力信号を加算してトルク電流指令として前記電流制御部に入力するよう構成したことを特徴としたものである。
また、本発明は、速度制御時に機械共振の発生要因となる負荷と電動機を連結した機械系を、インバータの出力で制御するよう構成された速度制御装置であって、速度制御部に入力された電動機角速度指令と電動機角速度検出に基づいてトルク電流指令を算出すると共に、外乱オブザーバ補償部を設け、この外乱オブザーバ補償部に電動機角速度検出と前記演算されたトルク電流指令を入力して外乱オブザーバ補償出力を算出し、この補償出力と前記演算されたトルク電流指令の加算信号を電流制御部に入力してインバータを制御するものにおいて、
前記速度制御部の出力側にトルク電流指令に対するゲイン補償部を設け、ゲイン補償部から算出されたトルク電流指令と電動機角速度検出を前記外乱オブザーバ補償部に入力して外乱オブザーバ補償出力を算出し、この外乱オブザーバ補償出力に対する重み係数を付与する重み係数補償部を設け、トルク電流指令及び外乱オブザーバ補償出力に対する各補償部の出力信号を加算してトルク電流指令として前記電流制御部に入力するよう構成したことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、速度制御部により演算されたトルク電流指令に対するゲイン補償部と、機械系で算出される軸トルク検出に対する重み係数補償設定部を設けたことにより、電動機単体の制御パラメータとすることができ、ゲイン補償部の比例ゲインＫと重み係数補償部の比例ゲインＷを適切に調整することで機械系の共振特性に起因するハンチングや散発などの不安定現象が抑制され、高応答で、且つ安定した速度制御が可能となるものである。
また、外乱オブザーバ補償部を備えた速度制御装置では、軸トルク検出のないシステムにも適用できるものである。

本発明の実施形態を示す速度制御装置の構成図。説明のための速度制御装置の基本構成図。軸トルク検出を追加した説明のための速度制御装置の基本構成図。本発明の他の実施形態を示す速度制御装置の構成図。電動機に負荷を連結したシステムの速度制御装置の概略構成図。従来の速度制御装置の構成図。

速度制御時に機械共振の発生要因となる負荷と電動機を連結した機械系を、インバータの出力で制御するよう構成された速度制御装置において、トルク電流指令と軸トルク検出に対する補償部、若しくは、トルク電流指令と外乱オブザーバ補償出力に対する補償部を付加することで調整可能なパラメータにでき、電動機単体と等価な慣性とすることを可能としたものである。以下、実施例に基づいて詳述する。

図１は、本発明の実施例を示す速度制御システムの構成図を示したもので、図４と同一部分、若しくは相当する部分に同一符号付している。すなわち、この実施例は、速度制御部１により演算されたトルク電流指令Ｔrefに対するゲイン補償部６と、機械系５で算出される軸トルク検出Ｔshに対する重み係数補償部７を設け、これにより電動機単体パラメータとして機械系の共振を抑制するものである。

本発明の基本的原理について説明する。
図２は説明のための速度制御システムの基本構成図で、Ｐはプラント、Ｐｍは規範モデル、Ｃは補償器で、トルク電流指令Ｔrefに基づいてプラントＰより角速度信号ωが検出される。
ここで、電動機単体慣性をＪ_nominal、規範モデル慣性をＪ_modelとして、

と置いた場合のトルク電流指令Ｔrefから角速度検出ωまでの伝達関数を展開すると（３）式となる。

（３）式の補償器Ｃについて展開する。ただし、ゲイン補償部の比例ゲインＫと重み係数補償部の比例ゲインＷとする。

（４）式と（５）式を（３）式に代入して展開すると（６）式となる。

（６）式より、Ｗ⇒∞とし、Ｋ⇒∞にすると（７）式となる。

（７）式より比例ゲインＫとＷを可調整パラメータとすることにより、電動機と負荷（電動機、フライホイール、ローラ等）の結合されたシステムにおいて、電動機単体慣性とすることができる。

ここで、規範モデル慣性を（８）式として、（３）式を展開すると（９）式となる。

（９）式で、補償信号をＴcomとし、軸トルク検出Ｔshと補償信号Ｔcomについて展開すると図３のようになり、基本構成に軸トルク検出を追加した状態になる。図３から補償信号Ｔcomと角速度検出ωは、

となり、（１０）式と（１１）式より、トルク電流指令Ｔrefから補償信号Ｔcomまでの伝達関数と、軸トルク検出Ｔshから補償信号Ｔcomまでの伝達関数は（１２）式となる。

（１２）式に（４）式と（５）式を代入すると、

となり、比例ゲインＷにより、トルク電流指令Ｔrefと軸トルク検出Ｔshの重み係数としての設定が可能になる。なお、比例ゲインＫと比例ゲインＷは０（零）以上の値とする。

図１に示すトルク電流指令Ｔrefに対するゲイン補償部６と、機械系モデル５で算出された軸トルク検出Ｔshに対する重み係数補償部７の比例ゲインは上記のように設定される。つまり、速度制御部１の出力であるトルク電流指令Ｔref
から電流制御部４の入力であるトルク電流指令Ｔdyまでの各補償パラメータは、（１３）式に基づいて設定することで、比例ゲインＷと比例ゲインＫによる設定で、速度制御時に機械共振の発生要因となる負荷が電動機に連結している場合でも、電動機単体の慣性とすることができる。

この実施例によれば、速度制御部を電動機単体の制御パラメータとすることができ、比例ゲインＫと比例ゲインＷを適切に調整することで機械系の共振特性に起因するハンチングや散発などの不安定現象が抑制され、高応答で、且つ安定した速度制御が可能となるものである。

図４は、制御対象システムに軸トルク検出がない場合の速度制御回路の例を示したものである。この実施例は、外乱オブザーバ補償部８とこの補償部の出力信号に対する重み係数設定部９を設けたものである。外乱オブザーバ補償部８は、ゲイン補償部６からのトルク電流指令と電動機角速度検出ωdyを入力して補償信号を演算し、重み係数補償部９によって適切にパラメータが調整された後、外乱オブザーバ補償出力Ｔ_OBSとして加算部３に出力されてトルク電流指令と加算されて電流制御部４に入力される。
図４において、（１３）式に対応した補償信号Ｔcomは（１４）式となる。

他は、実施例１と同様で、この実施例２によれば、軸トルク検出のないシステムにも適用できるものである。

１… 速度制御部
２… 外乱オブザーバ補償部
３… 加算部
４… 電流制御部
５… 機械系モデル
６… ゲイン補償部
７… 重み係数補償部
８… 外乱オブザーバ
９… 重み係数補償部

Claims

速度制御時に機械共振の発生要因となる負荷と電動機を連結した機械系を、インバータの出力で制御するよう構成された速度制御装置であって、速度制御部で入力された電動機角速度指令と電動機角速度検出に基づいてトルク電流指令を算出し、このトルク電流指令を電流制御部に入力してインバータを制御するものにおいて、
前記速度制御部の出力側にトルク電流指令に対するゲイン補償部を設け、且つ前記機械系で算出された軸トルク検出に対する重み係数を付与する重み係数補償部を設け、各補償部の出力信号を加算してトルク電流指令として前記電流制御部に入力するよう構成したことを特徴とする電動機の速度制御装置。
速度制御時に機械共振の発生要因となる負荷と電動機を連結した機械系を、インバータの出力で制御するよう構成された速度制御装置であって、速度制御部に入力された電動機角速度指令と電動機角速度検出に基づいてトルク電流指令を算出すると共に、外乱オブザーバ補償部を設け、この外乱オブザーバ補償部に電動機角速度検出と前記演算されたトルク電流指令を入力して外乱オブザーバ補償出力を算出し、この補償出力と前記演算されたトルク電流指令の加算信号を電流制御部に入力してインバータを制御するものにおいて、
前記速度制御部の出力側にトルク電流指令に対するゲイン補償部を設け、ゲイン補償部から算出されたトルク電流指令と電動機角速度検出を前記外乱オブザーバ補償部に入力して外乱オブザーバ補償出力を算出し、この外乱オブザーバ補償出力に対する重み係数を付与する重み係数補償部を設け、トルク電流指令及び外乱オブザーバ補償出力に対する各補償部の出力信号を加算してトルク電流指令として前記電流制御部に入力するよう構成したことを特徴とする電動機の速度制御装置。