JP3006223B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents

電動機の制御装置

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JP3006223B2
JP3006223B2 JP3266583A JP26658391A JP3006223B2 JP 3006223 B2 JP3006223 B2 JP 3006223B2 JP 3266583 A JP3266583 A JP 3266583A JP 26658391 A JP26658391 A JP 26658391A JP 3006223 B2 JP3006223 B2 JP 3006223B2
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茂人 大内
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Fuji Electric Co Ltd
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  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、軸を介して負荷と結
合された電動機をマイナーループで電機子電流の制御を
行いながらメインループで電動機速度の制御を行う電動
機の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の制御装置として、状態観測器に
より軸トルク等を推定し、この推定値を速度調節ループ
の速度調節器の出力信号に加算することで電動機のねじ
り振動を抑制する制御方法が知られ、また実際に利用さ
れている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
制御方法においては、単に振動を抑制するだけで制御対
象に対する理想モデルを任意に設定できないという問題
がある。この発明の目的は、前置補償器を設けた追従制
御方式を適用して理想的な規範モデルを設定してしかも
軸ねじり振動を抑制することのできる電動機の制御装置
を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、この発明によれば、電動機速度を制御する速度調節
ループ対し電動機電流を制御する電流調節ループをマイ
ナーループとして持つ電動機の制御装置において、Kを
1に比べて十分大きな係数、βを正の値でありβ=TMS
/TM(TMS:規範モデルの時定数、TM:制御対象の電
動機の時定数)とし、前記電動機とこの電動機の負荷と
を連結する軸のトルクを推定する軸トルク推定手段、前
記速度調節ループの速度調節器の出力を(1+K)/
(1+Kβ)倍する第1の比例要素及び前記軸トルク推
定手段が推定した軸トルクに比例する信号をKβ/(1
+Kβ)倍する第2の比例要素を設け、前記第1の比例
要素の出力と第2の比例要素の出力をそれぞれ加算して
電流調節ループの電流調節器に入力してなるものとす
る。
【0005】
【作用】この発明の構成によると、制御対象の前段に前
置補償器を設けたモデル追従制御方式に基づく制御が実
現することから、軸ねじれ振動の抑制が可能となるとと
もにモデル追従制御方式の中で採用される規範モデルに
制御対象に捕らわれない理想的なモデルを設定すること
が可能になり、またモデル追従制御方式に基づく理論か
ら導出される理想的な制御特性が得られる。
【0006】
【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図1はこの発明の原理を示す制御系のブロック線図であ
る。この図において、制御対象101の伝達関数をP
(S)とし、この制御対象101に対する理想モデルとし
ての規範モデル103の伝達関数をPm (S) とする。モ
デル追従制御方式では制御対象101の出力と規範モデ
ル103の出力との偏差を加算点111でとって、伝達
関数がH(S) で表される補償器102に入力し、この補
償器102の出力を制御対象101の前に設けてある前
置補償器104の入力に加算点110を介してフィード
バックした構成である。前置補償器104の伝達関数は
図示のように補償器102の伝達関数H(S) に係数αを
掛けて1を加算した値の逆数とする。仮に係数α=0と
すれば前置補償器104の伝達関数は1になるので、前
置補償器104を設けない構成と同じになる。通常のモ
デル追従制御方式はこのような構成であり、図1の構成
は制御性能を改善するために前置補償器104を追加し
て設けたものである。
【0007】制御対象101の入力は電動機のトルクτ
M であり、その出力は回転数nM である。この制御系の
入力は図の最左に示すトルク指令値τM0である。このτ
M0を入力、回転数nM を出力とする伝達関数は次式とな
る。 ここで、 P(S) ;制御対象101の伝達関数 H(S) ;補償器102の伝達関数 Pm (S) ;規範モデル103の伝達関数 α ;前置補償器104の中で定義される定数
【0008】また、補償器102の伝達関数H(S) は、
次式で定義する。 ここで、K ;補償器のゲイン
【0009】これら(1)、(2)式から次の(3)式
が得られる。ただし、P0 (S) は(4)式で定義され
る。
【0010】更に、K→∞とすると、次の2式が導出さ
れる。
【0011】図2はこれら(5),(6)式を表したブ
ロック線図であり、この図の一点鎖線で囲んだ部分の伝
達関数がG(S) である。このG(S) が定常的に1であれ
ばτ MOとnM との関係は規範モデルPm (S) に固定さ
れ、モデル追従制御が得られる。上記G(S) はナイキス
トの安定判別法により安定であり、更に、最終値の定理
よりステップ入力に対する(6)式の定常値は、次式と
なる。 lim{G(S) }=1 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7) S→0 しかも後述のように一般に係数αは小さな値であるた
め、G(S) は近似的に1となるので前述のモデル追従制
御が成立する条件か満足され、(5)式は近似的に次式
となる。
【0012】これは、モデル追従制御により制御対象が
規範モデルPm(S) に置き代わったことを表している。
この結果、前述の図1で示した構成はモデル追従制御系
を形成していることになる。次に、図1の構成を基に、
軸ねじり振動抑制制御系を構成する。前述の(2)式の
関係式を用いて(1)式からPm (S) を消去すると次式
が得られる。
【0013】図3はこの(9)式を表したブロック線図
であり、図1のブロック線図を(2)式を考慮して別の
形で表したものであり、図1と同じ構成要素に対しては
同じ符号を付けてある。この図で101,107及び1
08はそれぞれブロックの中に比例ゲインの値を表示し
た比例要素、113,114は加算点である。この図か
ら容易に次式が得られる。 τM =(1+K)τMO−H(S) (nM +ατM ) ・・・・・・・(10)
【0014】ここで、規範モデルPm (S) を次の(1
1)式としこれを(2)式に代入すると次の(12)式
が得られる。なお、時定数Tは後述するように実際の軸
トルクτC に対する軸トルクの推定値τCSの遅れ時定数
に一致する値に設定する。 ここで、TMS ;規範モデルの時定数
【0015】また、後述する図4によりnM は次式で表
される。なお、τC は軸トルクである。
【0016】更に、係数αを次式の値とし、また係数β
を次式で定義する。 (13)、(14)式を(10)式に代入して整理する
ことにより次式が得られる。
【0017】この式におけるτC は状態観測器で推定す
るものとし、その推定遅れの時定数を前述のようにTと
すると、τC の推定値τCSは次の(16)式となるので
この式を(15)式に代入して次の(17)式が得られ
る。
【0018】図4はこの(17)式を具体的に実現した
軸ねじり振動抑制制御系を示すブロック線図である。こ
の図において、制御対象101は、電動機を模擬する積
分要素203、弾性軸を模擬する積分要素204及び負
荷を模擬する積分要素205とからなり、電動機トルク
τM から軸トルクτCを差し引いた差トルクが積分要素
203に入力されて電動機の回転数nM となり、これと
負荷の回転数との差が積分要素204に入力されて軸ト
ルクτC が出力される。軸トルクτC から負荷トルクτ
L を差し引いた差トルクが負荷を回転させるトルクにな
る、ということを表している。状態観測器206は電動
機トルクτM を入力として回転数nM の推定値nMSを出
力するもので、この状態観測器206の中で実際の回転
数nM とこの推定値nMSとの偏差値がとられ最適に調整
される比例ゲインを介してフィードバックされる。
【0019】状態観測器206によって軸トルクτC
推定値τCSを取り出し、これを第2の比例要素202を
介して加算点210で第1の比例要素201の出力に加
算する。第1の比例要素201と第2の比例要素202
とは前述の(17)式を満足するように設けたものであ
り、トルク指令値τM0に第1の比例要素201の比例ゲ
イン(1+K)/(1+Kβ)が掛け算され、軸トルク
推定値τCSに第2の比例要素202の比例ゲインKβ/
(1+Kβ)が掛け算され、これらが加算された値が電
動機トルクτM になる。
【0020】前述の(11)式を(14)式に代入する
と次式が得られるが、係数αは通常は充分小さな値にな
るように状態観測器206が設定される。
【0021】図4は結果的に図1から導出されたもので
あるから、K≫1の条件の基で前述のようにモデル追従
制御系を構成しているから、2質量系における軸ねじり
振動を充分に抑制した制御を行うことができ、安定した
制御系となる。図5はこの発明を実際の電動機の制御装
置に適用した場合の一部模式図を含むブロック図であ
り、図4と同じ構成要素に対しては共通の符号を付けて
ある。この図において、1はサイリスタレオナード速度
制御装置、2は補償器、3はサイリスタ変換器、4は電
流検出器、5は負荷、7は直流電動機、6は負荷5と電
動機7とを連結する軸、8は直流電動機7の回転速度を
検出する速度検出器である。
【0022】直流電動機7の電機子回路に給電するサイ
リスタ変換器3を制御するサイリスタレオナード速度制
御装置1において、11は速度調節器(ASR)、12
は電流調節器(ACR)、13はパルス発生器である。
電動機7の速度は速度検出器8で検出され、速度指令値
s に等しくなるように速度調節器11によって調節さ
れる。
【0023】一方、電動機7と軸6及び負荷5より形成
される軸ねじり振動系を推定する状態観測器206にお
いて、20は図4の電動機を模擬した積分要素203に
対応する電動機モデル、21,25は界磁磁束Φに対応
したゲインΦもしくは1/Φを与える界磁模擬要素とし
ての比例要素、22はサンプリング周期tを関数に持つ
電動機起動時定数要素としての比例要素、23は加算
点、24は遅延演算子、26は比例要素であり、ここで
はディジタル的に構成されている。201,202は図
4と同じ第1と第2の比例要素である。 また、τ
CS(i) は軸トルクτC の推定値、τM (i) は電動機トル
ク、iCS(i) は軸トルク推定値τCS(i) の電流換算値、
a (i) は電動機電流で電動機トルクτM (i) に比例す
る、nM (i) は電動機速度、W(i) は電動機モデルの出
力である。なお、かっこ内のiはi番目のサンプリング
を表している。
【0024】制御対象である直流電動機7の電動機速度
M (i) と電動機モデル20の出力W(i) との差に比例
要素26の比例ゲインLをかけて得られる状態推定値τ
CS(i) に界磁模擬要素25の比例ゲインを掛け得られる
電流換算値iCS(i) に第2の比例要素202の比例ゲイ
ンをかけたものと速度調節器11の出力と第1の比例要
素201の比例ゲインをかけたものとを加算し電流指令
a0として電流調節器12へ入力すると図4と等価にな
る。
【0025】
【0026】
【発明の効果】この発明は前述のように、Kを1に比べ
て十分大きな係数、βを正の値でありβ=TMS/T
M(TMS:規範モデルの時定数、TM:制御対象の電動機
の時定数)とし、前記電動機とこの電動機の負荷とを連
結する軸のトルクを推定する軸トルク推定手段、前記速
度調節ループの速度調節器の出力を(1+K)/(1+
Kβ)倍する第1の比例要素及び前記軸トルク推定手段
が推定した軸トルクに比例する信号をKβ/(1+K
β)倍する第2の比例要素を設け、前記第1の比例要素
の出力と第2の比例要素の出力をそれぞれ加算して電流
調節ループの電流調節器に入力してなる構成としたた
め、制御対象の前段に前置補償器を設けたモデル追従制
御方式に基づく制御が実現することから、軸ねじれ振動
の抑制が可能となるとともにモデル追従制御方式の中で
採用される規範モデルに制御対象に捕らわれない理想的
なモデルを設定することが可能になり、またモデル追従
制御方式に基づく理論から導出される理想的な制御特性
が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の原理を示す制御系のブロック線図
【図2】図1の特定の条件が成立したときのブロック線
【図3】図1の別表現としてのブロック線図
【図4】この発明を適用した軸ねじり振動抑制制御系を
示すブロック線図
【図5】この発明を実際の直流電動機の制御装置に適用
した場合の一部模式図を含むブロック線図
【符号の説明】
101 制御対象 102 補償器 103 規範モデル 104 前置補償器 206 状態観測器(軸トルク検出手段) 201 第1の比例要素 202 第2の比例要素 1 サイリスタレオナード速度制御装置(制御装置) 11 速度調節器 12 電流調節器 3 整流器 5 負荷 6 軸 7 直流電動機(電動機) 8 速度検出器 20 電動機モデル

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電動機速度を制御する速度調節ループ対
    し電動機電流を制御する電流調節ループをマイナールー
    プとして持つ電動機の制御装置において、Kを1に比べ
    て十分大きな係数、βを正の値でありβ=TMS/T
    M(TMS:規範モデルの時定数、TM:制御対象の電動機
    の時定数)とし、 前記電動機とこの電動機の負荷とを連結する軸のトルク
    を推定する軸トルク推定手段、前記速度調節ループの速
    度調節器の出力を(1+K)/(1+Kβ)倍する第1
    の比例要素及び前記軸トルク推定手段が推定した軸トル
    クに比例する信号をKβ/(1+Kβ)倍する第2の比
    例要素を設け、前記第1の比例要素の出力と第2の比例
    要素の出力をそれぞれ加算して電流調節ループの電流調
    節器に入力してなることを特徴とする電動機の制御装
    置。
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JPH05111274A JPH05111274A (ja) 1993-04-30
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3257873B2 (ja) * 1993-08-12 2002-02-18 東洋電機製造株式会社 電動機駆動システムの軸トルク制御方法
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KR100498287B1 (ko) * 2002-12-10 2005-07-01 엘지전자 주식회사 진화 알고리즘을 이용한 직류/직류 컨버터 최적화 장치 및방법
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