JP2024038802A - 電動機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上下ロールの駆動装置間の負荷バランスをとりながら、圧延機全体の制御応答を向上した電動機駆動装置を提供する。【解決手段】実施形態の電動機駆動装置は、マスター側制御部と、フォロワー側制御部と、を備える。前記マスター側制御部は、マスター側の電動機を速度制御する。前記フォロワー側制御部は、マスター側のトルク基準に対するフォロワー側のトルク基準の比を計算し、前記比が所定範囲以内の場合に前記比を記憶して、記憶した比の値にマスター側のトルク基準に乗じて出力してフォロワー側の電動機を速度制御する。前記フォロワー側制御部は、前記比が所定範囲外の場合にフォロワー側の電動機を速度制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、上下別駆動圧延機の電動機駆動装置に関する。

上下別駆動圧延機では材料の噛み込み前、および材料抜け後において上下ロール間は機械的に結合されていないため、一方（マスター）を速度制御、他方（フォロワー）をトルク制御としたマスター・フォロワー制御を適用することができない。このため、一般的に上ロールと下ロールはそれぞれ個別に速度制御を行う。

一方、材料の噛み込み中では、上下ロールは、材料を介して機械的に結合される。そのため、上下ロールそれぞれを速度制御のみで制御すると、一方の駆動装置に負荷が偏る場合がある。負荷の偏りが著しい場合には、一方の駆動装置が力行状態となり、もう一方が回生状態となり、圧延機全体として圧延に使用できるトルクが不足する。このような場合には、上下別駆動圧延機では負荷バランス制御が必要となる。

従来、上下別駆動圧延機の負荷バランス制御には、ロードバランス制御やドルーピング制御が採用される。ロードバランス制御では、上下２台の駆動装置の負荷バランスの目標値をあらかじめロードバランスゲインとして設定して２台のロールの負荷を制御する。たとえば、形鋼を圧延する上下別駆動圧延機の場合には、上下ロールの形状が異なることがあり、負荷分担が１：１となるようにすることが必ずしも最適ではないため、適切なゲインの設定が難しい。

ドルーピング制御は、１台のドライブで複数の電動機を駆動する場合に、各モータの負荷を分散させるための制御である。負荷の高い電動機の速度基準に対して、マイナスの補正量を与えて速度基準を下げるよう制御する。高負荷の電動機の速度を下げることで、もう一方の電動機により多くの負荷を分担させることができる。

特開平９－２９５０１６号公報

ロードバランス制御やドルーピング制御など、従来の負荷バランス制御では、２台の駆動装置のうち、フォロワー側の速度基準を補正することで負荷バランスを実現する。この方法では、速度制御系の制御応答を下げる要因となり、材噛み込み中の加減速圧延時の応答遅れや他の圧延機との間で実施するスタンド間無張力制御（Free Tension Control、ＦＴＣ）の精度が下がるなどの問題がある。

本発明の実施形態は、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、上下ロールの駆動装置間の負荷バランスをとりながら、圧延機全体の制御応答を向上した電動機駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態は、２つのロールの一方を駆動する第１電動機を制御するマスター側制御部と、前記２つのロールの他方を駆動する第２電動機を制御するフォロワー側制御部と、を備える。前記マスター側制御部は、前記第１電動機の速度が、あらかじめ設定された第１速度基準に追従するように第１トルク基準を出力して前記第１電動機を制御する。前記フォロワー側制御部は、前記第２電動機の速度が、あらかじめ設定された第２速度基準に追従するように第２トルク基準を生成する。前記フォロワー側制御部は、前記第２トルク基準を前記第１トルク基準にもとづいて補正する負荷バランス制御機能と、前記第１トルク基準に対する前記第２トルク基準の比を演算し、前記比があらかじめ設定された範囲内であるか否かを監視し、前記比が前記範囲内となったタイミングで前記比を定数として記憶して前記定数に前記第１トルク基準を乗じて第３トルク基準として出力するトルク補正部と、前記第２トルク基準および前記第３トルク基準を選択的に出力する切替器と、を有する。前記切替器は、前記比が前記範囲外のときに、前記第２トルク基準を出力して前記第２電動機を制御し、前記比が前記範囲以内のときに、前記第３トルク基準を出力して前記第２電動機を制御する。

実施形態によれば、上下ロールの駆動装置間の負荷バランスをとりながら、圧延機全体の制御応答を向上した電動機駆動装置が提供される。

実施形態に係る電動機駆動装置を例示する模式的なブロック線図である。 実施形態に係る電動機駆動装置の動作を説明するための模式的なグラフ図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電動機駆動装置を例示する模式的なブロック線図である。
図１に示すように、電動機駆動装置１０は、マスター側制御部１０ａと、フォロワー側制御部１０ｂと、を備える。図示しないが、マスター側制御部１０ａおよびフォロワー側制御部１０ｂは、それぞれが駆動する電動機のトルク制御部にトルク基準を出力する。マスター側の電動機およびフォロワー側の電動機は、それぞれのトルク基準に応じて圧延ロールを駆動する。マスター側制御部１０ａおよびフォロワー側制御部１０ｂは、それぞれが駆動する電動機の速度フィードバックを入力し、速度フィードバックが、マスター側制御部１０ａおよびフォロワー側制御部１０ｂのそれぞれに入力される速度基準に追従するようにフィードバック制御を行う。

マスター側制御部１０ａの構成について説明する。
マスター側制御部１０ａは、マスター側ＰＩ制御器２６ａを有している。マスター側速度基準入力２２ａには、たとえば、この例のように、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）に設定されたマスター側の電動機（第１電動機）のための速度基準（第１速度基準）が入力される。マスター側速度フィードバック入力２４ａには、マスター側の電動機に設けられた速度検出器によって検出された速度フィードバックの検出値が入力される。

マスター側ＰＩ制御器２６ａには、速度基準と速度フィードバックとの差分が入力される。マスター側トルク基準出力２８ａは、速度基準と速度フィードバックとの差分を比例積分演算して算出されたマスター側トルク基準（第１トルク基準）を出力する。

フォロワー側制御部１０ｂの構成について説明する。
フォロワー側制御部１０ｂは、フォロワー側ＰＩ制御器２６ｂと、トルク補正部３０ｂと、切替器２７ｂと、を有している。フォロワー側速度基準入力２２ｂには、たとえば、この例のように、ＰＬＣに設定されたフォロワー側の電動機（第２電動機）のための速度基準（第２速度基準）が入力される。フォロワー側の電動機のための速度基準は、上下ロールのそれぞれの形状に応じて設定される。上下ロールのそれぞれの形状によっては、フォロワー側の電動機のための速度基準は、マスター側の電動機のための速度基準と同じ値とされる場合もあり、異なる値とされる場合もある。マスター側の電動機のための速度基準およびフォロワー側の電動機のための速度基準は、時間経過により一定である場合に限らず、圧延工程の進度等により再計算等されて、時間的に変化する速度パターンとして設定される場合もある。

フォロワー側速度フィードバック入力２４ｂには、フォロワー側の電動機に設けられた速度検出器によって検出された速度フィードバックの検出値が入力される。マスター側制御部１０ａと同様に、フォロワー側ＰＩ制御器２６ｂは、速度基準と速度フィードバックとの差分を入力して、比例積分演算してフォロワー側トルク基準（第２トルク基準）を生成し出力する。

この例では、フォロワー側制御部１０ｂには、ドルーピング補正が追加されている。ドルーピング補正入力２３ｂには、ドルーピング補正のための補正値が入力される。ドルーピング補正のための補正値は、フォロワー側の速度基準に加算される。この補正値は、マスター側のトルク基準にもとづいて算出され、マスター側のトルク基準の一部をフォロワー側に分配するように設定される。補正値は、たとえば、マスター側のトルク基準にあらかじめ設定された定数を乗じることによって算出される。つまり、マスター側のトルク基準が大きいほど、ドルーピング補正の補正値は大きくなり、フォロワー側の速度基準は、マスター側のトルク基準に応じて大きい値となる。

トルク補正部３０ｂは、トルク比演算部３４ｂとメモリー３６ｂと切替指令部３８ｂとを有する。トルク比演算部３４ｂには、フォロワー側ＰＩ制御器２６ｂが生成したフォロワー側のトルク基準（Ａ）を入力し、マスター側ＰＩ制御器２６ａが生成したマスター側のトルク基準（第１トルク基準、Ｂ）を入力する。トルク比演算部３４ｂは、フォロワー側のトルク基準をマスター側のトルク基準で除して、トルク比（Ａ／Ｂ）を計算し、算出したトルク比が所定の範囲と判定された場合には、算出したトルク比をメモリー３６ｂに出力する。トルク補正部３０ｂは、メモリー３６ｂに記憶されたトルク比に、マスター側のトルク基準を乗じて切替器２７ｂに出力する。トルク比が所定の範囲内であるか否かの判定では、たとえば、あらかじめ設定された一定期間内にトルク比が所定の範囲内であるか否かにより行われる。

切替指令部３８ｂは、トルク比演算部３４ｂが一定値であると判定したトルク比をメモリー３６ｂに出力したタイミングで、トルク比一定制御切替指令を切替器２７ｂに出力する。切替器２７ｂの一方の入力には、フォロワー側ＰＩ制御器２６ｂの出力が接続され、切替器２７ｂの他方の入力には、トルク補正部３０ｂの出力が接続されている。切替器２７ｂは、切替指令部３８ｂから切替指令の出力がない場合には、フォロワー側ＰＩ制御器２６ｂが生成したトルク基準（第２トルク基準、Ａ）を出力する。切替器２７ｂは、切替指令が出力された場合には、トルク補正部３０ｂが出力する補正されたトルク基準（第３トルク基準、Ｃ）を出力する。

トルク比演算部３４ｂは、切替器２７ｂがトルク補正部３０ｂの出力をフォロワー側のトルク基準として出力している期間中もトルク比を継続して計算している。トルク比演算部３４ｂは、算出したトルク比が所定の範囲からはずれた場合には、被圧延材がロールを抜けたものと判断して、切替器２７ｂに対して独立制御切替指令を出力する。切替器２７ｂは、フォロワー側ＰＩ制御器２６ｂの出力をフォロワー側のトルク基準として出力する。

実施形態に係る電動機駆動装置１０は、被圧延材のロールへの噛み込みおよびロールからの抜けをトルク基準の比により判定する。被圧延材のロールへの噛み込み後には、フォロワー側制御部１０ｂは、トルク比一定を行い、被圧延材のロールへの噛み込み前およびロールからの抜け後には、独立速度制御を行う。これにより、被圧延材の噛み込みの有無にかかわらず、安定して上下別駆動圧延機の電動機駆動装置を実現することができる。

実施形態に係る電動機駆動装置１０の動作について説明する。
図２は、実施形態に係る電動機駆動装置の動作を説明するための模式的なグラフ図である。
図２は、上側ロールの速度Ｎ（ｕ）、上側ロールのトルク基準Ｔｑ（ｕ）、トルク比Ｔｑ（ｕ）／Ｔｑ（Ｌ）、下側ロールの速度Ｎ（Ｌ）および下側ロールのトルク基準Ｔｑ（Ｌ）の時間変化を表している。上側ロールの速度Ｎ（ｕ）、上側ロールのトルク基準Ｔｑ（Ｕ）、トルク比Ｔｑ（Ｕ）／Ｔｑ（Ｌ）、下側ロールの速度Ｎ（Ｌ）および下側ロールのトルク基準Ｔｑ（Ｌ）は、上からこの順に描かれている。図２のグラフ図は、各特性の時間変化の傾向を示すものである。グラフ図の縦軸は任意スケールであり、特性ごとの絶対的な大きさや特性間の相対的な大きさの関係を表すものではない。

図２の例では、時刻ｔ０において、被圧延材が上下のロールに噛み込まれるものとする。また、図２の例では、上下ロールのうち、下ロールがマスター側制御部１０ａにより速度制御され、上ロールがフォロワー側制御部１０ｂにより制御されるものとする。時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間は、ドルーピング補正による制御が開始されるまでの制御遅れである。時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間では、ドルーピング補正による負荷バランス制御が行われ、時刻ｔ２以降では、トルク比一定制御による負荷バランス制御が行われるものとする。

図２に示すように、時刻ｔ０で、被圧延材が上下のロールに噛み込まれると、マスター側制御部１０ａにより、下ロールの速度は、マスター側の速度基準に追従するように制御され、マスター側制御部１０ａは、マスター側の電動機のための速度基準と速度フィードバックとの差分に応じたトルク基準を生成して出力する。時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間では、上側ロールの速度Ｎ（Ｌ）は、たとえばほぼ一定となる。

時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間では、ドルーピング補正による制御が有効となっていないため、上ロールの電動機は、マスター側制御部１０ａとは独立にフォロワー側制御部１０ｂで速度制御される。この期間では、上ロールの速度Ｎ（ｕ）は、速度基準に追従するように制御される。

時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間では、マスター側のトルク基準およびフォロワー側のトルク基準ともそれぞれの制御部による速度の差分に応じて生成されるが、被圧延材の噛み込みにより相互のトルク配分が時間とともに変動し得る。そのため、この期間では、トルク基準は、一定値となるとは限らず、たとえばこの例のように、トルク比Ｔｑ（Ｕ）／Ｔｑ（Ｌ）は、時間に応じて変動する。

ドルーピング制御が開始されると、たとえば下ロールの負荷が大きい場合には、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間では、フォロワー側制御部１０ｂによって制御される上ロールの速度Ｎ（ｕ）は、時間とともに低下し、トルク基準Ｔｑ（Ｕ）も時間とともに低下する。

ドルーピング補正により、マスター側のトルクがフォロワー側に分配されることによって、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間では、トルク比Ｔｑ（Ｕ）／Ｔｑ（Ｌ）の時間的な変動は、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間での変動よりも小さくなる。

トルク補正部３０ｂのトルク比演算部３４ｂは、時刻ｔ０以降、継続的にトルク比Ｔｑ（Ｕ）／Ｔｑ（Ｌ）の値を算出し、所定の範囲内であるか否かを監視している。時刻ｔ２において、トルク比演算部３４ｂは、トルク比Ｔｑ（Ｕ）／Ｔｑ（Ｌ）が所定の範囲内であると判定し、その値Ｋをメモリー３６ｂに格納する。同時に、トルク比演算部３４ｂは、トルク比一定制御切替指令を切替器２７ｂに出力する。トルク補正部３０ｂは、トルク比の一定の値Ｋを、マスター側のトルク基準Ｔｑ（Ｌ）に乗じて切替器２７ｂに出力する。フォロワー側制御部１０ｂは、Ｋ×Ｔｑ（Ｌ）をフォロワー側のトルク基準として出力する。

以上の処理により、時刻ｔ２以降では、マスター側の速度Ｎ（Ｌ）は、設定された速度基準に追従するように制御され、たとえばほぼ一定速度に制御される。マスター側およびフォロワー側のトルク比が一定の値Ｋとなるように、制御されるので、マスター側のトルク基準Ｔｑ（Ｌ）、フォロワー側のトルク基準Ｔｑ（Ｕ）およびフォロワー側の速度Ｎ（ｕ）は、トルク比Ｋおよび被圧延材の噛み込みによるトルク分配により、たとえば時間的に変動しながら推移する。

時刻ｔ２以降のトルク比一定制御では、たとえば、マスター側のトルク基準Ｔｑ（Ｌ）が大きくなるように変化した場合には、フォロワー側のトルク基準Ｔｑ（Ｕ）もマスター側のトルク基準Ｔｑ（Ｌ）の変化に応じて大きくなる。逆に、マスター側のトルク基準Ｔｑ（Ｌ）が小さくなるように変化した場合には、フォロワー側のトルク基準Ｔｑ（Ｕ）もマスター側のトルク基準Ｔｑ（Ｌ）の変化に応じて小さくなる。マスター側のトルク基準に対するフォロワー側のトルク基準の応答は、線形式の演算によるものなので、制御応答は十分に高くなる。

なお、図示しないが、被圧延材がロールから抜けた場合には、トルク比Ｔｑ（Ｕ）／Ｔｑ（Ｌ）が所定範囲からはずれるので、マスター側制御部１０ａおよびフォロワー側制御部１０ｂは、それぞれの独立した速度制御が行われるようになる。

実施形態に係る電動機駆動装置１０の効果について説明する。
実施形態に係る電動機駆動装置１０は、トルク補正部３０ｂを備えている。トルク補正部３０ｂでは、上下ロールのそれぞれ対応する制御部が生成して出力するトルク基準の比をトルク比として監視し、トルク比が一定値に達して安定すると、フォロワー側制御部１０ｂは、マスター側制御部１０ａが出力するトルク基準にトルク比を乗じてフォロワー側制御部１０ｂのトルク基準として出力する。そのため、上下ロールの形状が異なっている場合であっても、適切な負荷分担とすることができる。

たとえば、特許文献１に記載された技術では、上下ロールの速度制御をそれぞれの速度差にもとづいて、速さを調整する。ロールの速度制御は、ＰＩ制御等の一次あるいは二次遅れの制御系を介して行われるので、応答遅れを生じやすいとの問題がある。

これに対して、実施形態に係る電動機駆動装置１０では、マスター側およびフォロワー側の双方がトルク基準を生成して出力した後には、フォロワー側の制御は、マスター側とフォロワー側のトルク基準の比にもとづいて行われる。そのため、負荷変動に対する応答に速度制御系を含めないので、高速な応答を実現することが可能になる。したがって、上下別駆動圧延機において、材の噛み込み中に加減速を行う場合やＦＴＣを行う場合であっても高速応答が可能で、高い精度の圧延工程を実現することができる。

トルク比一定制御にドルーピング補正制御を組み合わせることによって、負荷分担の一部をドルーピング補正に担わせることができ、トルク比一定制御の担う制御負担を軽減することができる。したがって、より適切な負荷分担を実現することができる。

このようにして、上下ロールの駆動装置間の負荷バランスをとりながら、圧延機全体の制御応答を向上した電動機駆動装置を実現することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…電動機駆動装置、１０ａ…マスター側制御部、１０ｂ…フォロワー側制御部、２２ａ…マスター側速度基準入力、２２ｂ…フォロワー側速度基準入力、２３ｂ…ドルーピング補正入力、２４ａ…マスター側速度フィードバック入力、２４ｂ…フォロワー側速度フィードバック入力、２６ａ…マスター側ＰＩ制御器、２６ｂ…フォロワー側ＰＩ制御器、２７ｂ…切替器、２８ａ…マスター側トルク基準出力、２８ｂ…フォロワー側トルク基準出力、３０ｂ…トルク補正部、３４ｂ…トルク比演算部、３６ｂ…メモリー、３８ｂ…切替指令部

Claims (2)

1. ２つのロールの一方を駆動する第１電動機を制御するマスター側制御部と、
   前記２つのロールの他方を駆動する第２電動機を制御するフォロワー側制御部と、
   を備え、
   前記マスター側制御部は、前記第１電動機の速度が、あらかじめ設定された第１速度基準に追従するように第１トルク基準を出力して前記第１電動機を制御し、
   前記フォロワー側制御部は、前記第２電動機の速度が、あらかじめ設定された第２速度基準に追従するように第２トルク基準を生成し、
   前記フォロワー側制御部は、
   前記第２トルク基準を前記第１トルク基準にもとづいて補正する負荷バランス制御機能と、
   前記第１トルク基準に対する前記第２トルク基準の比を演算し、前記比があらかじめ設定された範囲内であるか否かを監視し、前記比が前記範囲内となったタイミングで前記比を定数として記憶して前記定数に前記第１トルク基準を乗じて第３トルク基準として出力するトルク補正部と、
   前記第２トルク基準および前記第３トルク基準を選択的に出力する切替器と、
   を有し、
   前記切替器は、
   前記比が前記範囲外のときに、前記第２トルク基準を出力して前記第２電動機を制御し、
   前記比が前記範囲以内のときに、前記第３トルク基準を出力して前記第２電動機を制御する電動機駆動装置。
2. 前記負荷バランス制御機能は、前記第１トルク基準にもとづいて設定された補正速度で前記第１速度基準を補正するドルーピング補正機能を含む請求項１記載の電動機駆動装置。

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