JP2016097413A - 圧延機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの振動を抑制することができる圧延機の制御装置を提供する。
【解決手段】圧延機の制御装置は、金属材料を圧延するロールを駆動するモータの回転速度を制御する制御部と、前記モータの回転速度に対応した値と前記ロールの回転速度に対応した値との差に基づいて前記制御部による前記モータの回転速度の制御を補償する補償部と、を備えた。当該構成によれば、モータの回転速度の制御は、モータの回転速度に対応した値とロールの回転速度に対応した値との差に基づいて補償される。このため、モータの振動を抑制することができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、圧延機の制御装置に関する。

特許文献１は、圧延機の制御装置を開示する。当該制御装置は、二質点系のモデルの応答値と実際の応答値との比較結果に基づいてモータの振動の抑制を試みる。

特開２０１１−１１５８２５号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものにおいては、モデルの誤差が含まれる。このため、モータの振動の抑制を適切に行うことができない。

この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、モータの振動を抑制することができる圧延機の制御装置を提供することである。

この発明に係る圧延機の制御装置は、金属材料を圧延するロールを駆動するモータの回転速度を制御する制御部と、前記モータの回転速度に対応した値と前記ロールの回転速度に対応した値との差に基づいて前記制御部による前記モータの回転速度の制御を補償する補償部と、を備えた。

この発明によれば、モータの回転速度の制御は、モータの回転速度に対応した値とロールの回転速度に対応した値との差に基づいて補償される。このため、モータの振動を抑制することができる。

この発明の実施の形態１における圧延機の制御装置が適用された圧延機の構成図である。 この発明の実施の形態１における圧延機の制御装置が適用された圧延機の軸ねじれ振動を説明するための斜視図である。 この発明の実施の形態１における圧延機の制御装置が適用された圧延機を多質点系でモデル化した図である。 この発明の実施の形態１における圧延機の制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態１における圧延機の制御装置が適用されない圧延機の速度制御のシミュレーション結果を示す図である。 この発明の実施の形態１における圧延機の制御装置が適用された圧延機の速度制御のシミュレーション結果を示す図である。 この発明の実施の形態２における圧延機の制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態２における圧延機の制御装置が適用された圧延機の速度制御のシミュレーション結果を示す図である。 この発明の実施の形態２における圧延機の制御装置が適用された圧延機の負荷応答のシミュレーション結果を示す図である。 この発明の実施の形態３における圧延機の制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態４における圧延機の制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態５における圧延機の制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態６における圧延機の制御装置のブロック図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号が付される。当該部分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における圧延機の制御装置が適用された圧延機の構成図である。

図１に示すように、圧延機は、上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとを備える。上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとは、鉛直方向に並ぶ。上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとは、図示しない金属材料（圧延材）を挟み込む。上側バックアップロール２ａは、上側ワークロール１ａの上方に設けられる。下側バックアップロール２ｂは、下側ワークロール１ｂの下方に設けられる。

モータ３は、上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとの一側に設けられる。トルク伝達機械４の入力側は、モータ３の回転軸に接続される。トルク伝達機械４の出力側は、上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとに接続される。例えば、トルク伝達機械４は、カップリング５とピニオンギヤ６と上側スピンドル７と下側スピンドル８とを備える。

モータ速度センサ９は、モータ３に設けられる。ワークロール速度センサ１０は、上側ワークロール１ａに設けられる。ワークロール速度センサ１０は、非接触式または接触式のセンサからなる。

制御装置１１の入力側は、モータ速度センサ９の出力側とワークロール速度センサ１０の出力側とに接続される。制御装置１１の出力側は、モータ３の入力側に接続される。

モータ速度センサ９は、モータ３の回転速度を検出する。モータ速度センサ９は、検出結果に基づいて応答値ω_ｍ ^ｒｅｓ（ｒａｄ／ｓ）を出力する。ワークロール速度センサ１０は、上側ワークロール１ａの回転速度を検出する。ワークロール速度センサ１０は、検出結果に基づいて応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓ（ｒａｄ／ｓ）を出力する。

制御装置１１は、モータ３の回転速度の指令値ω_ｍ ^ｃｍｄ（ｒａｄ／ｓ）の入力を外部から受け付ける。制御装置１１は、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓの入力をモータ速度センサ９から受け付ける。制御装置１１は、上側ワークロール１ａの回転速度の応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓの入力をワークロール速度センサ１０から受け付ける。

制御装置１１は、指令値ω_ｍ ^ｃｍｄと応答値ω_ｍ ^ｒｅｓと応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとに基づいてモータ３のトルク基準値Ｔ_Ｒ（Ｎ・ｍ）を出力する。モータ３は、トルク基準値Ｔ_Ｒに基づいて動作する。その結果、モータ３は、トルクＴ_ｍ（Ｎ・ｍ）をトルク伝達機械４に与える。上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとは、トルクＴ_ｍに基づいてほぼ同じ速度で回転する。その結果、金属材料は所望の厚さに圧延される。

次に、図２を用いて、圧延機の軸ねじれ振動を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における圧延機の制御装置が適用された圧延機の軸ねじれ振動を説明するための斜視図である。

トルク伝達機械４（図２においては図示せず）においては、各構成がねじり弾性を有する軸で結合される。その結果、トルク伝達機械４は、多慣性共振系となる。このため、モータ３の回転速度と上側ワークロール１ａの回転速度とを常に一致させることはできない。図示しないが、モータ３の回転速度と下側ワークロール１ｂの回転速度とを常に一致させることもできない。

モータ３の回転速度を速くすると、当該回転速度に対応した周波数がモータ３から上側ワークロール１ａおよび下側ワークロール１ｂまでの機械系の共振周波数に接近する。この場合、軸ねじれ振動が発生し得る。

次に、図３を用いて、圧延機のモデルを説明する。
図３はこの発明の実施の形態１における圧延機の制御装置が適用された圧延機を多質点系でモデル化した図である。

図３に示すように、モータ３から上側ワークロール１ａおよび下側ワークロール１ｂまでの機械系は、ねじりばねで連結された多質点系でモデル化される。

図３において、モータ３の慣性モーメント１２は、Ｊ_１（ｋｇ・ｍ^２）で表される。カップリング５の慣性モーメント１３は、Ｊ_２（ｋｇ・ｍ^２）で表される。ピニオンギヤ６の慣性モーメント１４は、Ｊ_３（ｋｇ・ｍ^２）で表される。上側スピンドル７の慣性モーメント１５と下側スピンドル８の慣性モーメント１６とは、Ｊ₄（ｋｇ・ｍ^２）で表される。上側ワークロール１ａの慣性モーメント１７と下側ワークロール１ｂの慣性モーメント１８とは、Ｊ_５（ｋｇ・ｍ^２）で表される。

次に、図４を用いて、制御装置１１を説明する。
図４はこの発明の実施の形態１における圧延機の制御装置のブロック図である。

制御装置１１は、制御部１９と補償部２０とを備える。

制御部１９は、速度制御器１９ａと電流制御器１９ｂとを備える。速度制御器１９ａは、指令値ω_ｍ ^ｃｍｄと応答値ω_ｍ ^ｒｅｓとの差に基づいてトルク基準値Ｔ_Ｒを算出する。電流制御器１９ｂは、トルク基準値Ｔ_Ｒに基づいてＱ軸フィードバック電流値Ｉ_ｑ ^ＦＢＫ（Ａ）を算出する。電流制御器１９ｂは、Ｑ軸フィードバック電流値Ｉ_ｑ ^ＦＢＫに基づいてモータ３の電流を制御する。

モータ３のｄ軸磁束φ_ｄ（Ｗｂ）は、Ｑ軸フィードバック電流値Ｉ_ｑ ^ＦＢＫに基づいて決まる。モータ３のトルクＴ_ｍは、モータ３のｄ軸磁束φ_ｄに基づいて決まる。モータ３のトルクＴ_ｍは、トルク伝達機械４の各質点とねじりばねとを介して上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとまでに伝達される。この際、モータ３は、トルクＴ_ｍの反力としてねじりトルクＴ_{ｔｗｉｓｔ}（Ｎ・ｍ）を受ける。

補償部２０は、ＰＩＤ制御器２０ａを備える。ＰＩＤ制御器２０ａは、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓと応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとの差に基づいて速度次元の補償値ω_ｃｍｐを算出する。ＰＩＤ制御器２０ａは、速度制御器１９ａの入力に補償値ω_ｃｍｐを正帰還させる。具体的には、ＰＩＤ制御器２０ａは、速度制御器１９ａの入力側において指令値ω_ｍ ^ｃｍｄと応答値ω_ｍ ^ｒｅｓとの差に補償値ω_ｃｍｐを加算する。

次に、図５を用いて、補償部２０による補償を行わない場合のモータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓを説明する。
図５はこの発明の実施の形態１における圧延機の制御装置が適用されない圧延機の速度制御のシミュレーション結果を示す図である。シミュレーション結果を示す図では、１３３（ｒｐｍ）（＝１４（ｒａｄ／ｓ））は１［ｐｕ］と記載される。

時刻Ｔが１（ｓ）になると、指令値ω_ｍ ^ｃｍｄの１３３（ｒｐｍ）（＝１４（ｒａｄ／ｓ））がステップ入力される。この場合、圧延機の機械系において、ねじり振動が発生する。その結果、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓが振動する。この際の振動は収束しない。

次に、図６を用いて、補償部２０による補償を行う場合のモータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓを説明する。
図６はこの発明の実施の形態１における圧延機の制御装置が適用された圧延機の速度制御のシミュレーション結果を示す図である。

時刻Ｔが１（ｓ）になると、指令値ω_ｍ ^ｃｍｄの１３３（ｒｐｍ）（＝１４（ｒａｄ／ｓ））がステップ入力される。この場合、圧延機の機械系において、ねじり振動が発生する。その結果、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓが振動する。この際の振動は収束する。

以上で説明した実施の形態１によれば、補償部２０は、モータ３の回転速度に対応した値と上側ワークロール１ａの回転速度に対応した値との差に基づいてモータ３の回転速度の制御を補償する。具体的には、補償部２０は、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓと上側ワークロール１ａの回転速度の応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとの差に基づいて補償値ω_ｃｍｐを算出し、モータ３の回転速度の制御を補償する。補償値ω_ｃｍｐは、圧延機からモータ３へ与えられる軸ねじり負荷トルクを相殺するフィードフォワード補償となる。このため、軸ねじり負荷トルクによるモータ３の振動を抑制することができる。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２における圧延機の制御装置のブロック図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付される。当該部分の説明は省略される。

実施の形態２の補償部２０は、実施の形態１の補償部２０に縮小スケーリング２０ｂを付加したものである。縮小スケーリング２０ｂは、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに定数αを乗じる。定数αは、０よりも大きくて１よりも小さい値に設定される。

ＰＩＤ制御器２０ａは、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに定数αを乗じた値と上側ワークロール１ａの回転速度の応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとの差に基づいて補償値ω_ｃｍｐを算出する。

次に、図８を用いて、補償部２０による補償を行う場合のモータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓを説明する。
図８はこの発明の実施の形態２における圧延機の制御装置が適用された圧延機の速度制御のシミュレーション結果を示す図である。

時刻Ｔが１（ｓ）になると、指令値ω_ｍ ^ｃｍｄの１３３（ｒｐｍ）（＝１４（ｒａｄ／ｓ））がステップ入力される。この場合、圧延機の機械系において、ねじり振動が発生する。その結果、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓが振動する。実施の形態１のシミュレーション結果である図６と比較すると、図８においては、オーバーシュートが抑制される。その結果、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓの振動は、より早く収束する。

次に、図９を用いて、インパクトドロップ（負荷応答）におけるモータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓを説明する。
図９はこの発明の実施の形態２における圧延機の制御装置が適用された圧延機の負荷応答のシミュレーション結果を示す図である。

時刻Ｔが１（ｓ）になると、指令値ω_ｍ ^ｃｍｄの１３３（ｒｐｍ）（＝１４（ｒａｄ／ｓ））がステップ入力される。その後、時刻Ｔが２（ｓ）になると、定格に対して１００％の負荷トルクが上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとにステップ入力される。この場合、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓは、一旦小さくなる。負荷トルクが入力された後に約０．５（ｓ）が経過すると、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓは、指令値ω_ｍ ^ｃｍｄに戻る。

以上で説明した実施の形態２によれば、補償部２０は、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに定数αを乗じた値と上側ワークロール１ａの回転速度の応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとの差に基づいて補償値ω_ｃｍｐを算出する。このため、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓにおいて、モータ３の回転開始直後のオーバーシュートを抑制することができる。

なお、負荷トルクが入力された後に約０．５（ｓ）が経過すると、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓは、指令値ω_ｍ ^ｃｍｄに戻る。このため、上側ワークロール１ａおよび下側ワークロール１ｂが金属材料を噛み込む際の衝撃にも確実に耐えることができる。

実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３における圧延機の制御装置のブロック図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付される。当該部分の説明は省略される。

実施の形態３の補償部２０は、実施の形態１の補償部２０に特低周波数帯域通過フィルタ２０ｃを付加したものである。特低周波数帯域通過フィルタ２０ｃは、モータ３から上側ワークロール１ａおよび下側ワークロール１ｂまでの機械系の共振周波数に対応した周波数帯域のみに対して補償値ω_ｃｍｐを通過させる。

以上で説明した実施の形態３によれば、機械系の共振周波数に対応した周波数帯域については、補償値ω_ｃｍｐによる補償が行われる。機械系の共振周波数に対応していない周波数帯域については、補償値ω_ｃｍｐによる補償が行われない。このため、モータ３の応答性を損なうことなく、モータ３の振動を抑制することができる。

実施の形態４．
図１１はこの発明の実施の形態４における圧延機の制御装置のブロック図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付される。当該部分の説明は省略される。

実施の形態１のＰＩＤ制御器２０ａは、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓと応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとの差に基づいて速度次元の補償値ω_ｃｍｐを算出する。これに対し、実施の形態４のＰＩＤ制御器２０ｄは、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓと応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとの差に基づいてトルク次元の補償値Ｔ_ｃｍｐを算出する。

ＰＩＤ制御器２０ｄは、電流制御器１９ｂの入力に補償値Ｔ_ｃｍｐを正帰還させる。具体的には、ＰＩＤ制御器２０ｄは、電流制御器１９ｂの入力側においてトルク基準値Ｔ_Ｒに補償値Ｔ_ｃｍｐを加算する。

以上で説明した実施の形態４によれば、補償部２０は、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓと上側ワークロール１ａの回転速度の応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとの差に基づいて補償値Ｔ_ｃｍｐを算出し、補償値Ｔ_ｃｍｐに基づいてモータ３の回転速度の制御を補償する。補償値Ｔ_ｃｍｐは、圧延機からモータ３へ与えられる軸ねじり負荷トルクを相殺するフィードフォワード補償となる。このため、軸ねじり負荷トルクによるモータ３の振動を抑制することができる。

実施の形態５．
図１２はこの発明の実施の形態５における圧延機の制御装置のブロック図である。なお、実施の形態４と同一又は相当部分には同一符号を付される。当該部分の説明は省略される。

実施の形態５の補償部２０は、実施の形態４の補償部２０に縮小スケーリング２０ｅを付加したものである。縮小スケーリング２０ｅは、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに定数αを乗じる。定数αは、０よりも大きくて１よりも小さい値に設定される。

ＰＩＤ制御器２０ｄは、応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに定数αを乗じた値と上側ワークロール１ａの回転速度の値との応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓに基づいて補償値Ｔ_ｃｍｐを算出する。

以上で説明した実施の形態５によれば、補償部２０は、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに定数αを乗じた値と上側ワークロール１ａの回転速度の応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとの差に基づいて補償値Ｔ_ｃｍｐを算出する。このため、実施の形態２と同様に、モータ３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓにおいて、モータ３の回転開始直後のオーバーシュートを抑制することができる。

実施の形態６．
図１３はこの発明の実施の形態６における圧延機の制御装置のブロック図である。なお、実施の形態４と同一又は相当部分には同一符号を付される。当該部分の説明は省略される。

実施の形態６の補償部２０は、実施の形態４の補償部２０に特低周波数帯域通過フィルタ２０ｆを付加したものである。特低周波数帯域通過フィルタ２０ｆは、モータ３から上側ワークロール１ａおよび下側ワークロール１ｂまでの機械系の共振周波数に対応した周波数帯域のみに対して補償値を通過させる。

以上で説明した実施の形態６によれば、機械系の共振周波数に対応した周波数帯域については、補償値Ｔ_ｃｍｐによる補償が行われる。機械系の共振周波数に対応していない周波数帯域については、補償値Ｔ_ｃｍｐによる補償が行われない。このため、実施の形態３と同様に、モータ３の応答性を損なうことなく、モータ３の振動を抑制することができる。

なお、モータ３の回転速度に対応した値と下側ワークロール１ｂの回転速度に対応した値との差に基づいてモータ３の回転速度の制御を補償してもよい。この場合も、モータ３の振動を抑制することができる。

また、モータ３の回転速度に対応した値と上側ワークロール１ａの回転速度および下側ワークロール１ｂの回転速度の平均値との差に基づいてモータ３の回転速度の制御を補償してもよい。この場合も、モータ３の振動を抑制することができる。

また、上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとを別々のモータ３で駆動するツインドライブ方式が適用されている場合は、それぞれのモータ３に対して同様の制御を行えばよい。この場合も、それぞれのモータ３の振動を抑制することができる。

１ａ 上側ワークロール、 １ｂ 下側ワークロール、 ２ａ 上側バックアップロール、 ２ｂ 下側バックアップロール、 ３ モータ、 ４ トルク伝達機械、 ５ カップリング、 ６ ピニオンギヤ、 ７ 上側スピンドル、 ８ 下側スピンドル、 ９ モータ速度センサ、 １０ ワークロール速度センサ、 １１ 制御装置、 １２〜１８ 慣性モーメント、 １９ 制御部、 １９ａ 速度制御器、 １９ｂ 電流制御器、 ２０ 補償部、 ２０ａ ＰＩＤ制御器、 ２０ｂ 縮小スケーリング、 ２０ｃ 特低周波数帯域通過フィルタ、 ２０ｄ ＰＩＤ制御器、 ２０ｅ 縮小スケーリング、 ２０ｆ 特低周波数帯域通過フィルタ

Claims (7)

1. 金属材料を圧延するロールを駆動するモータの回転速度を制御する制御部と、
   前記モータの回転速度に対応した値と前記ロールの回転速度に対応した値との差に基づいて前記制御部による前記モータの回転速度の制御を補償する補償部と、
   を備えた圧延機の制御装置。
2. 前記補償部は、前記モータの回転速度の値と前記ロールの回転速度の値との差に基づいて補償値を算出し、当該補償値に基づいて前記制御部による前記モータの回転速度の制御を補償する請求項１に記載の圧延機の制御装置。
3. 前記補償部は、前記モータの回転速度の値に０よりも大きくて１よりも小さい定数を乗じた値と前記ロールの回転速度の値との差に基づいて補償値を算出し、当該補償値に基づいて前記制御部による前記モータの回転速度の制御を補償する請求項１に記載の圧延機の制御装置。
4. 前記補償部は、前記モータの回転速度の値と前記ロールの回転速度の値との差に基づいて補償値を算出し、前記モータから前記ロールまでの機械系の共振周波数に対応した周波数帯域については当該補償値に基づいて前記制御部による前記モータの回転速度の制御を補償し、前記機械系の共振周波数に対応していない周波数帯域については前記制御部による前記モータの回転速度の制御を補償しない請求項１に記載の圧延機の制御装置。
5. 前記制御部は、
   外部からの指令値と前記モータの回転速度の値との差に基づいて前記モータのトルク基準値を算出する速度制御器と、
   前記トルク基準値に基づいて前記モータの電流を制御する電流制御器と、
   を備え、
   前記補償部は、前記速度制御器の入力側において速度指令値と前記モータの回転速度の値との差に前記補償値を加算する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の圧延機の制御装置。
6. 前記制御部は、
   外部からの指令値と前記モータの回転速度の値との差に基づいて前記モータのトルク基準値を算出する速度制御器と、
   前記トルク基準値に基づいて前記モータの電流を制御する電流制御器と、
   を備え、
   前記補償部は、前記電流制御器の入力側において前記モータのトルク基準値に前記補償値を加算する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の圧延機の制御装置。
7. 前記補償部は、前記ロールの回転速度の値として上側のロールの回転速度と下側のロールの回転速度との平均値を用いる請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の圧延機の制御装置。

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