JP3230571B2 - 電動機の速度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば工作機械、産
業用ロボット、鉄鋼プラントの圧延ロ−ルのような負荷
機械を駆動する電動機（直流電動機、誘導電動機、同期
電動機など）の速度制御装置に関するものである。特
に、負荷機械の慣性モ−メントが未知の場合や慣性モ−
メントが変化するような場合でも速度制御応答性が一定
に保たれるような自動調整機能を備えた電動機の速度制
御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電動機の速度制御装置を、図９を
参照しながら説明する。図９は従来の電動機の速度制御
装置を示すブロック図であり、１は直流電動機、２はト
ルク伝達機構、３は負荷機械、４は速度検出器、５は速
度制御回路、７はトルク制御回路、９は電力変換回路、
１０は速度指令信号発生回路である。次に、上述した従
来装置の動作をまず負荷トルク推定回路６を省略した場
合について説明する。トルク基準指令信号Ｔr ^＊が、速
度制御回路５によって出力される。すなわち、速度指令
信号発生回路１０から出力された速度指令信号ω
_m ^＊と、速度検出器４から出力された実速度信号ω_m と
の偏差に基づいて、トルク基準指令信号Ｔ_r ^＊が出力さ
れてトルク制御回路７に供給される。なお、通常、速度
制御回路５ではＰＩ制御演算が行われる。即ち、上記偏
差を示す信号をＰＩ（比例積分）回路を通す。つづい
て、電力変換回路９に供給される制御信号がトルク制御
回路７によって形成される。即ち、トルク制御回路７で
は直流電動機１の発生トルクがトルク基準指令信号Ｔ_r
^＊に追従するように電力変換回路９を動作させるための
制御信号が形成され、これが電力変換回路９に供給され
る。このように、直流電動機１の速度フィ−ドバック制
御を行う速度制御系によれば、高い安定性および高い応
答性を得ることができるということはよく知られてい
る。なお、直流電動機１の発生トルクは、電機子電流に
ほぼ比例するので、速度制御の応答性の向上を図るため
に、通常、トルク制御回路７の内部には電流フィ−ドバ
ックル−プ制御処理回路が設けられる。この場合は、速
度制御回路５から出力されたトルク基準指令信号Ｔ_r ^＊
を係数倍して得られる電流指令信号と、図示を省略した
電流検出器から出力された電機子電流信号との偏差に基
づいて、直流電動機１の発生トルクがトルク基準指令信
号Ｔ_r ^＊に追従するように電力変換回路９を動作させる
制御信号が形成され、電力変換回路９に供給される。こ
の電流フィ−ドバック制御系は、トルク制御ル−プとし
て動作するため、この電流フィ−ドバック制御系の応答
周波数が速度制御系の応答周波数の数倍以上となるよう
に、トルク制御回路７を設計すると、高い安定性を有す
る速度制御系を実現できることが知られている。また、
速度制御回路５の出力側にトルク制限回路を設け、前記
のトルク基準指令信号を係数倍して得られる電流指令信
号の振幅を制限すると、直流電動機１に供給される電機
子電流の最大値を制限することが可能である。

【０００３】ところで、直流電動機１に機械的なトルク
伝達機構２を介して負荷機械３を接続した場合、トルク
伝達機構２の剛性が十分高ければ、直流電動機１、トル
ク伝達機構２および負荷機械３から構成される機械系は
等価的に一つの剛体とみなせるので、前述した従来の速
度制御装置を用いても高い応答周波数の速度制御系を実
現することができ、未知の外乱要素である負荷トルクに
対する影響を低減することも可能となる。しかしなが
ら、速度制御回路５においては速度指令信号ω_m ^＊に対
する応答周波数を低く設定した場合には、無負荷駆動時
には満足する応答性が得られても前記負荷トルク入力に
対する影響は顕著になり、速度制御装置として仕様を満
足する応答周波数を有する速度制御系の実現が困難であ
った。つまり、速度指令信号ω_m ^＊に対する実速度信号
の応答特性と負荷トルクに対する実速度信号の応答特性
は、どちらも速度制御回路５の制御ゲイン設計のみによ
り決定する１自由度の速度制御系構成となっているため
である。

【０００４】そこで、この問題点を解決するための一手
段として、負荷トルク推定回路６が付加された。次に、
この負荷トルク推定回路６の動作について説明する。ま
ず、負荷トルク推定回路６の内部においてトルク伝達機
構２、負荷機械３および電動機１を一つの積分要素とし
て模擬した回路ブロックにトルク基準指令信号Ｔ_r ^＊を
入力し模擬速度信号を出力する。模擬した積分器の時定
数は電動機１、トルク伝達機構２および負荷機械３の慣
性モ−メントの総和を時定数に換算した値に設定され
る。つづいて、上記模擬速度信号と、速度検出器４から
出力された実速度信号ω_mとの偏差に基づいて、負荷ト
ルク推定信号Ｔ_LEが発生されトルク制御回路７に供給さ
れる。つづいて、トルク制御回路７において、速度制御
回路５から出力されたトルク基準指令信号Ｔ_r ^＊に、負
荷トルク推定回路６から出力された負荷トルク推定信号
Ｔ_LEを加えたトルク指令信号Ｔ_m ^＊に直流電動機１の発
生トルクＴ_m が追従するように、電力変換回路９を動作
させる制御信号が形成されて、電力変換回路９に供給さ
れる。このとき、速度制御回路５の制御ゲインは従来と
同様に設計する。つまり、速度指令信号ω_m ^＊に対する
実速度信号ω_m の応答は速度制御回路５で設計された制
御ゲインに応じた特性となり、また負荷トルクに対する
実速度信号ω_m の応答特性は速度制御回路５の制御ゲイ
ン設計によらず、負荷トルク推定回路６から出力された
トルク制御回路７に供給される高速に推定された負荷ト
ルク推定信号Ｔ_LEにより補償されるため、速度指令信号
と負荷トルクに対して独立した実速度の応答特性を有す
る２自由度の速度制御系を実現することが可能となる。

【０００５】

【発明が解決しょうとする課題】上述したような従来の
電動機の速度制御装置では、負荷機械３の慣性モ−メン
トが一定の場合は、負荷トルク推定回路６の付加によっ
て速度指令信号と負荷トルクに対して独立した実速度応
答特性を有する２自由度の速度制御系を実現することが
可能である。しかしながら、電動機単体を負荷とした場
合には速度制御回路５のゲインや負荷トルク推定回路６
の積分器時定数を予め最適値に設定することは可能であ
るが、負荷機械が接続された場合には、速度制御回路５
のゲインや負荷トルク推定回路６の積分器時定数の設定
値を再調整しなければならないという問題があった。ま
た産業用ロボットのように、負荷機械となるア−ムの慣
性モ−メントがその位置によって大きく変化するような
場合は、速度制御回路５のゲインや負荷トルク推定回路
６の積分器時定数が一定値あるため、ア−ム位置によっ
て、速度指令信号の変化に対する速度制御系の応答が変
化し仕様を満足しない結果となるという問題もあった。
この発明は、これらの課題を解決するためになされたも
ので、負荷機械の慣性モ−メントが未知の場合や運転中
に変化するような場合でも、速度制御系の応答特性を維
持することが可能となる電動機の速度制御装置を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、上記
目的を達成するための本発明は、トルクの伝達機構を介
して負荷機械を駆動する電動機と、前記電動機の回転速
度を検出する速度検出器と、前記電動機の速度指令信号
（ω_m ^*）および前記速度検出器から出力された実速度信
号（ω_m）に基づいてトルク基準指令信号（Ｔ_r ^*）を出
力する速度制御回路と、前記トルク伝達機構、負荷機械
および電動機を一つの積分要素として模擬した模擬速度
信号（ω_me）を形成し、この模擬速度信号（ω_me）と前
記実速度信号（ω_m）とに基づいて負荷トルク推定信号
（Ｔ_LE）を出力する負荷トルク推定回路と、 前記トル
ク基準指令信号（Ｔ_r ^*）と前記負荷トルク推定信号（Ｔ
_LE）に基づいてトルク指令信号（Ｔ_m ^*）を生成するトル
ク制御回路と、 前記トルク指令信号（Ｔ_m ^*）に基づい
て前記電動機のトルクを制御する制御手段と、前記トル
ク指令信号（Ｔ_m ^*）と前記実速度信号（ω_m）とに基づ
いて機械系慣性モ−メント（Ｊ）とゲイン調整値
（Ｋ_p1、Ｋ_i1）を出力する自動調整回路とを備え、前記
自動調整回路は、前記実速度信号（ω_m）を微分して加
速度信号（ω_a）を求め、前記加速度信号（ω_a）とこの
自動調整回路で作成された前記機械系慣性モ−メント
（Ｊ）とを乗算して模擬トルク信号（Ｔ_me）を求め、前
記トルク指令信号（Ｔ_m ^*）と前記模擬トルク信号
（Ｔ_me）との偏差を求め、前記偏差を積分して慣性モ−
メント補正値（Ｊｃ）を求め、機械系慣性モ−メントの
初期値（Ｊ_init）に前記慣性モ−メント補正値（Ｊｃ）
を加算して補正後の慣性モ−メント（Ｊ）を求め、前記
補正後の慣性モ−メント（Ｊ）を機械系慣性モ−メント
（Ｊ）として出力し、且つこの機械系慣性モ−メント
（Ｊ）に基づいて前記速度制御回路のゲイン調整値（Ｋ
_p1、Ｋ_i1）を演算して出力するように形成され、前記負
荷トルク推定回路は、前記トルク制御回路から供給され
たトルク指令信号（Ｔ_m ^*）と前記負荷トルク推定信号
（Ｔ_LE）との偏差の積分に基づいて前記模擬速度信号
（ω_me）を作成し、前記機械系慣性モ−メント（Ｊ）に
よって前記積分の積分時定数が修正されるように形成さ
れ、前記速度制御回路は、前記自動調整回路から得られ
た前記ゲイン調整値（Ｋ_p1、Ｋ_i1）によってゲインが修
正されるように形成されていることを特徴とする電動機
の速度制御装置に係わるものである。

【０００７】

【発明の作用及び効果】この発明における自動調整回路
は、トルク伝達機構、負荷機械および電動機を一つの微
分要素として模擬した模擬トルク信号を演算し、またト
ルク制御回路から出力されるトルク指令信号を入力し、
模擬トルク信号とトルク指令信号との偏差が０となるよ
うに、この自動調整回路の微分ゲインを修正するととも
に、負荷トルク推定回路の積分器時定数、速度制御回路
のゲインも自動調整する。従って、負荷機械の慣性モ−
メントが未知の場合や、運転中に変化するような場合で
も、速度制御系の応答特性を維持することができる。

【０００８】

【第１の実施例】以下、この発明の第１の実施例に係わ
る速度制御装置の構成を、図１〜図５を参照しながら説
明する。図１に示す第１の実施例の速度制御装置におけ
る直流電動機１、トルク伝達機構２、負荷機械３、速度
検出器４、速度制御回路５、トルク制御回路７、電力変
換回路９、速度指令信号発生回路１０は図９の従来装置
で同一符号で示すものと全く同一のものである。図１の
第１の実施例の速度制御装置は、上述した図９の従来装
置と全く同一の部分の他に、負荷トルク推定回路６と自
動調整回路８を有する。自動調整回路８は速度検出器４
に接続された入力ライン、トルク制御回路７に接続され
た入力ラインを有し、この出力ラインは速度制御回路５
及び負荷トルク推定回路６に接続されている。この実施
例における直流電動機１の発生トルクの制御手段は、ト
ルク制御回路７と、電力変換回路９とから構成されてい
る。

【０００９】図２は、上述した速度制御回路５の詳細な
構成を示すブロック図である。図２において、速度制御
回路５は、通常ＰＩ（比例積分）制御回路と呼ばれ、速
度指令信号発生回路１０に接続された入力端子２１ａ
と、速度検出器４に接続された入力端子２１ｂと、これ
ら入力端子２１ａ、２１ｂに接続された減算器２２と、
自動調整回路８に接続された入力端子２０ａと、この入
力端子２０ａ及び減算器２２に接続された乗算器２３
と、自動調整回路８に接続された入力端子２０ｂと、こ
の入力端子２０ｂ及び減算器２２に接続された乗算器２
４と、乗算器２４に接続された積分器２５と、乗算器２
３と積分器２５に接続された加算器２６と、この加算器
２６に接続された制限回路２７と、この制限回路２７に
接続された出力端子２８とから構成されている。

【００１０】図３は、上述した負荷トルク推定回路６の
詳細な構成を示すブロック図である。図３において、負
荷トルク推定回路６は、トルク制御回路７に接続された
入力端子３０ａと、速度検出器４に接続された入力端子
３０ｂと、自動調整回路８に接続された入力端子３０ｃ
と、入力端子３０ａと出力端子３６に接続された減算器
３１と、この減算器３１と入力端子３０ｃに接続された
除算器３２と、除算器３２と接続された積分器３３と、
この積分器３３と入力端子３０ｂに接続された減算器３
４と、減算器３４に接続された増幅器３５と、この増幅
器３５に接続された出力端子３６から構成されている。

【００１１】図４は、上述したトルク制御回路７の詳細
な構成を示すブロック図である。図４において、トルク
制御回路７は、速度制御回路５に接続された入力端子４
０ａと、負荷トルク推定回路６に接続された入力端子４
０ｂと、図示しない電流検出器に接続された入力端子４
０ｃと、入力端子４０ａと４０ｂに接続された加算器４
１と、この加算器４１に接続された制限回路４２と、こ
の制限回路４２に接続された演算器４３と、入力端子４
０ｄと演算器４３に接続された減算器４４と、この減算
器４４に接続された比例増幅器４５と、減算器４４に接
続された積分器４６と、比例増幅器４５と積分器４６に
接続された加算器４７と、この加算器４７に接続された
ＰＷＭ回路（パルス幅変調回路）４８と、このＰＷＭ回
路４８に接続された出力端子４９ａと、制限回路４２に
接続された出力端子４９ｂから構成されている。

【００１２】図５は、上述した自動調整回路８の詳細な
構成を示すブロック図である。図５において、自動調整
回路８は、トルク制御回路７に接続された入力端子５０
ａと、速度検出器４に接続された入力端子５０ｂと、入
力端子５０ｂに接続された微分器５１と、この微分器５
１と出力端子６０ａに接続された乗算器５２と、入力端
子５０ａと乗算器５２に接続された減算器５３と、入力
端子５０ａに接続された極性検出回路５４と、この極性
検出回路５４と減算器５３に接続された乗算器５５と、
この乗算器５５に接続された積分器５６と、積分器５６
と初期値設定器５７に接続された加算器５８と、加算器
５８に接続された係数器又は乗算器又は増幅器と呼ぶこ
ともできる演算器５９ａ、５９ｂと、加算器５８に接続
された出力端子６０ａと、演算器５９ａに接続された出
力端子６０ｂと、演算器５９ｂに接続された出力端子６
０ｃとから構成されている。

【００１３】次に、第１の実施例の装置の動作を、図１
〜図５を参照しながら説明する。まず、図２で示す速度
制御回路５において、速度偏差信号ω_e が、減算器２２
から出力される。すなわち、速度指令信号発生回路１０
から入力端子２１ａを経由して入力された速度指令信号
ω_m ^＊と速度検出器４から入力端子２１ｂを経由して入
力された実速度信号ω_m との速度偏差信号ω_e （＝ω_m
^＊−ω_m ）が求められて、乗算器２３および２４に供給
される。

【００１４】つづいて、トルク基準指令信号Ｔ_r ^＊が、
加算器２６によって形成され、制限回路２７を経由して
出力端子２８から出力される。即ち、自動調整回路８か
ら入力端子２０ａを経由して入力された比例ゲインＫ_p1
と、減算器２２から出力された速度偏差信号ω_e とが乗
算器２３に入力され乗算される。また、自動調整回路８
から入力端子２０ｂを経由して入力された積分ゲインＫ
_i1と、減算器２２から出力された速度偏差信号ω_e とが
乗算器２４に入力され、乗算され、積分器２５に供給さ
れる。さらに、積分器２５の出力と、乗算器２３の出力
との和が加算器２６により求められて制限回路２７に供
給される。この制限回路２７は、トルク基準指令信号Ｔ
_r ^＊の絶対値の最大値を制限する働きをする。

【００１５】つづいて、図３で示す負荷トルク推定回路
６において、模擬速度ω_meが積分器３３によって出力さ
れる。すなわち、トルク制御回路７から入力端子３０ａ
を経由して入力されたトルク指令信号Ｔ_m ^＊と、増幅器
３５から出力される負荷トルク推定値Ｔ_LEとの偏差が減
算器３１によって形成される。そして、この減算器３１
の出力と、自動調整回路８から入力端子３０ｃを経由し
て入力された慣性モ−メントＪとが除算器３２に入力さ
れる。さらに、除算器３２の出力が積分器３３に入力さ
れる。そして、この積分器３３において積分演算が行わ
れ模擬速度信号ω_meとして出力される。即ち、模擬速度
信号ω_meは積分時定数が慣性モ−メントＪに等しい積分
器に、トルク指令信号Ｔ_m ^＊と負荷トルク推定値Ｔ_LEと
の偏差（＝Ｔ_m ^＊−Ｔ_LE）を入力することによって得ら
れる。さらに、積分器３３から出力される模擬速度信号
ω_meと、速度検出器４から入力端子３０ｂを経由して入
力された実速度信号ω_m の偏差が減算器３４によって形
成される。そして、減算器３４により求まる模擬速度信
号ω_meと実速度信号ω_m の偏差が増幅器３５を経由し、
負荷トルク推定信号Ｔ_LEとして出力端子３６に出力され
る。なお、増幅器３５のゲインは通常、負荷トルクが高
速に推定できるように、可能な限り大きな値が予め設定
される。

【００１６】つづいて、図４で示すトルク制御回路にお
いて、トルク指令信号Ｔ_m ^＊が加算器４１によって形成
される。すなわち、速度制御回路５から入力端子４０ａ
を経由して入力されたトルク基準指令信号Ｔ_r ^＊と、負
荷トルク推定回路６から入力端子４０ｂを経由して入力
された負荷トルク推定信号Ｔ_LEとの和であるトルク指令
信号Ｔ_m ^＊（＝Ｔ_r ^＊＋Ｔ_LE）が加算器４１により求め
られて、制限回路４２に供給される。この制限回路４２
は、速度制御回路５の制限回路２７の働きと同様に、ト
ルク指令信号Ｔ_m ^＊の絶対値の最大値を予め決められた
設定値に制限する働きをする。

【００１７】つづいて、電機子電流指令信号Ｉ_a ^*が、演
算器４３から出力される。すなわち、公知のように、直
流電動機１の発生トルクＴ_m と電機子電流Ｉ_a との関係
は式（１）で示される。なお、Ｋ_T はトルク定数であ
る。 Ｔ_m ＝Ｋ_T ×Ｉ_a （１） したがって、演算係数が１／Ｋ_T の演算器４３にトルク
指令信号Ｔ_m ^*が入力されると、電機子電流指令信号Ｉ_a ^*
が求められる。つづいて、電流偏差信号Ｉ_e （＝Ｉ_a ^*−
Ｉ_a ）が減算器４４によって出力される。すなわち、演
算器４３から出力された電機子電流指令信号Ｉ_a ^*と、図
示しない電流検出器から入力端子４０ｃを経由して入力
された実際の電動機１の電機子電流Ｉ_a との差である電
流偏差信号Ｉ_e が求められ、比例増幅器４５および積分
器４６に供給される。さらに、端子電圧指令信号Ｖ
^*が、加算器４７によって出力される。すなわち、比例
増幅器４５の出力と積分器４６の出力との和である端子
電圧信号Ｖ^*が求められ、ＰＷＭ回路４８に供給され
る。このＰＷＭ回路４８は、端子電圧指令信号Ｖ^*に基
づいて、例えば、４象限チョッパ回路から構成された電
力変換回路９の、４つのスイッチング素子のオンオフ信
号を出力する。なお、ＰＷＭ回路４８の構成などは公知
であるので、詳細な説明を省略する。そして、直流電動
機１の端子電圧Ｖが端子電圧指令信号Ｖ^*に追従するよ
うに、電力変換回路９およびＰＷＭ回路４８によって制
御される。以上の説明から、直流電動機１の発生トルク
Ｔ_m が、トルク指令信号Ｔ_m ^*に追従するように、図４で
示したトルク制御回路７および電力変換回路９によって
制御されることが理解される。

【００１８】次に、速度制御回路５の比例ゲインＫ_p1お
よび積分ゲインＫ_i1の設定方法を、図６を参照しながら
説明する。通常、トルク制御系の応答特性が速度制御系
の応答特性に比べ十分高速になるようにトルク制御回路
７の電機子電流制御器である比例増幅器および積分器の
各ゲインが予め適切に設定されるため、入力を速度指令
信号ω_m ^＊とし出力を実速度信号ω_m とした場合の等価
ブロック図は図６のように示される。図６において、Ｋ
_p1およびＫ_i1はそれぞれ、上述したように、速度制御回
路５の比例ゲインおよび積分ゲインである。また、Ｊ_r
は電動機１、トルク伝達機構２および負荷機械３を等価
的に一つの剛体とみなした実際の機械系の総慣性モ−メ
ントである。図６から速度指令信号ω_m ^＊に対する実速
度信号ω_m の伝達関数は、下記の式（２）で示される。
なお、以下の式におけるｓはラプラス演算子を示す ω_m ／ω_m ^＊＝（Ｋ_p1ｓ＋Ｋ_i1）／（Ｊ_r ｓ² ＋Ｋ_p1ｓ＋Ｋ_i1） （２） ここで、負荷トルクがもたらす定常状態での速度制御誤
差への影響は、負荷トルク推定回路６により出力される
負荷トルク推定信号Ｔ_LEの補正により補償できるため、
速度制御回路５における積分ゲインＫ_i1は通常０として
設定される。この場合、式（２）は式（３）のように変
形できる。 ω_m ／ω_m ^＊＝Ｋ_p1／（Ｊ_r ｓ＋Ｋ_p1） （３） また、速度制御系の応答仕様として式（４）のように設
定する。ここで、ω_ｃは速度制御系の設計仕様上の応答
周波数である。 ω_m ／ω_m ^＊＝ω_ｃ／（ｓ＋ω_ｃ） （４） 式（４）のように速度制御系の特性を実現するには、速
度制御回路の比例ゲインＫ_p1は式（５）を用いて設定さ
れる。すなわち、電動機１、トルク伝達機構２および負
荷機械３の総慣性モ−メントＪ_r に応じた比例ゲインの
調整が必要となる。 Ｋ_p1＝Ｊ_r ω_ｃ （５）

【００１９】さて次に、負荷トルク推定回路６の積分時
定数を修正するための方法について、図７に示すトルク
偏差信号演算回路のブロック図を参照しながら説明す
る。まず、負荷トルク推定回路６の積分時定数Ｊが実際
の機械系の慣性モ−メントＪ_r と異なる場合は、速度指
令信号ω_m ^*に対する実速度信号ω_m の応答と、模擬速度
信号ω_meの応答との間に偏差が生じる。同様な考えで、
図７に示すように、電動機１、トルク伝達機構２および
負荷機械３を一つの微分要素として模擬し、実速度信号
から模擬トルク信号Ｔ_meを求める。そして、トルク指令
信号Ｔ_m ^*との偏差を検出することにより、上述の模擬ト
ルク信号Ｔ_meを求めるために設定した慣性モ−メントと
実際の機械系の慣性モ−メントの誤差に相当した物理量
を抽出する。図７のトルク偏差信号ｅ_T （＝Ｔ_m ^*−
Ｔ_me）を整理すると、式（６）のように変形できる。こ
こで、Ｊは模擬トルク信号Ｔ_mcを求めるために設定した
慣性モ−メントで、Ｊ_r は実際の機械系の慣性モ−メン
トである。 ｅ_T ＝｛１−（Ｊ／Ｊ_r ）｝・Ｔ_m ^* （６）

【００２０】トルク偏差信号ｅ_T の極性は、慣性モ−メ
ント設定誤差の極性｛１−（Ｊ／Ｊ_r ）｝とトルク指令
信号Ｔ_m ^＊の極性を乗じたものであることがわかる。す
なわち、設定した慣性モ−メントＪが実際の機械系慣性
モ−メントＪ_r よりも小さい場合のトルク偏差信号ｅ_T
の極性は、トルク指令信号Ｔ_m ^＊が正の加速中には正と
なり、トルク指令信号Ｔ_m ^＊が負の減速中には負とな
る。逆に、設定した慣性モ−メントが実際の機械系慣性
モ−メントよりも大きい場合のトルク偏差信号ｅ_T の極
性は、加速中は負で減速中は正となる。したがって、ト
ルク指令信号Ｔ_m ^＊の極性に応じてトルク偏差信号ｅ_T
の極性補正を行い、この極性補正した偏差が０となるよ
うに、模擬トルク信号Ｔ_meを求めるために設定した慣性
モ−メントＪの値を修正すればよいことがわかる。例え
ば、トルク指令信号Ｔ_m ^＊の極性が正で、トルク偏差信
号ｅ_T の極性も正である場合には、慣性モ−メント設定
値Ｊを大きくすればよく、逆にトルク指令信号Ｔ_m ^＊の
極性が正で、トルク偏差信号ｅ_T の極性が負の場合に
は、慣性モ−メント設定値Ｊを小さくすればよい。この
ようにして、模擬トルク信号の演算に用いる微分係数の
慣性モ−メントＪと、負荷トルク推定回路の模擬速度信
号の演算に用いる積分時定数の慣性モ−メントＪの値が
修正されると、式（５）を利用して速度制御回路５の比
例ゲインＫ_p1および積分ゲインＫ_i1の値も、実際の機械
系の慣性モ−メントに応じて調整することが可能であ
る。ただし、上述したように、負荷トルク推定回路６よ
り出力される負荷トルク推定信号Ｔ_LEを、速度制御回路
５により出力されるトルク基準指令信号Ｔ_m ^＊に加算補
正する構成では、速度制御回路５における積分ゲインＫ
_i1は０でもよい。

【００２１】つづいて、図５で示す自動調整回路８にお
いて、負荷トルク推定回路６の積分時定数すなわち慣性
モ−メントＪが加算器５８から出力される。すなわち、
トルク制御回路７から入力端子５０ａを経由して入力さ
れたトルク指令信号Ｔ_m ^＊が極性検出回路５４に供給さ
れ、極性信号Ｓ_Tm ^＊が出力される。ここで、極性信号Ｓ
_Tm ^＊の値は、トルク指令信号Ｔ_m ^＊の極性が正の場合は
１、負の場合は−１とする。つづいて、乗算器５２から
模擬トルク信号Ｔ_meが出力される。すなわち、速度検出
器４から入力端子５０ｂを経由して入力された実速度ω
_m が微分器５１に供給され加速度信号ω_a が求められ
る。そして、加速度信号ω_a と慣性モ−メントＪとの積
が模擬トルク信号Ｔ_meとして乗算器５２によって求めら
れ、減算器５３に供給される。そして、減算器５３で
は、トルク制御回路７から入力端子５０ａを経由して入
力されたトルク指令信号Ｔm ^＊と模擬トルク信号Ｔ_meと
の偏差が求められ、乗算器５５に供給される。つづい
て、極性検出回路５４から出力される極性信号Ｓ_Tm ^＊と
減算器５３から出力される偏差ｅ_T 即ちトルク指令信号
と模擬トルク信号の偏差（Ｔ_m ^＊−Ｔ_me）との積が乗算
器５５によって求められ、積分器５６に供給される。さ
らに、この積分器５６から出力された慣性モ−メントの
補正値Ｊｃと、初期値設定器５７から出力された慣性モ
−メントの初期設定値Ｊ_initとの和が求められ、慣性モ
−メントＪとしての出力端子６０a に出力される。この
とき、慣性モ−メントの初期設定値Ｊ_initは、例えば、
直流電動機１の慣性モ−メントの値が用いられる。

【００２２】さらに、速度制御回路５の比例ゲインＫ_p1
および積分ゲインＫ_i1が出力される。すなわち、慣性モ
−メントＪを演算器５９ａおよび５９ｂにそれぞれ入力
すると式（５）の演算により、速度制御回路５の比例ゲ
インＫ_p1が求められ、出力端子６０ｂから出力される。
なお、積分ゲインＫ_i1は上述したように０に固定した値
の設定値として出力端子６０ｃから出力される。

【００２３】以上のことから、トルク指令信号Ｔ_m ^＊と
模擬トルク信号Ｔ_meとの偏差に極性信号Ｓ_Tm ^＊を補正し
た値が減少するように、積分器５６によって慣性モ−メ
ントＪの修正値を求めるとともに、修正された慣性モ−
メントＪを用いて式（５）の演算によって速度制御回路
の比例ゲインＫ_p1および積分ゲインＫ_i1を修正すること
により、機械系の慣性モ−メントが変化しても、仕様と
して与えられた応答特性を維持するために必要なトルク
基準指令信号Ｔ_r ^＊が速度制御回路５から出力されるこ
とが理解される。

【００２４】

【第２の実施例】図１で示された第１の実施例におい
て、慣性モ−メントＪの設定値が、その実際の機械系の
慣性モ−メントに一致している状況であっても、負荷機
械３に定常的な負荷トルクが印加されている場合には、
自動調整回路８において、慣性モ−メントが間違って同
定れる場合がある。この理由を以下に説明する。設定し
た慣性モ−メントがその実際値に一致していて、かつ負
荷機械３に定常的な負荷トルクが印加されている状況下
では、直流電動機１の速度は、速度指令信号発生回路１
０から出力される速度指令信号ω_m ^＊に追従するよう
に、負荷トルク推定回路６から出力される負荷トルク推
定信号Ｔ_LEにより補償されるため、速度検出器４から出
力された実速度信号ω_m も速度指令信号ω_m ^＊に追従す
る。しかし、トルク制御回路７から出力されるトルク指
令信号Ｔ_m ^＊には、負荷トルク推定回路６から出力され
る負荷トルク推定信号Ｔ_LEが加わっている。このため、
自動調整回路８において、トルク偏差信号ｅ_T は慣性モ
−メントの設定誤差に比例した成分の信号が出力される
のではなく、負荷トルク成分信号として出力されるた
め、これが０となるように自動調整することにより、正
しく調整設定された慣性モ−メントの値から間違った慣
性モ−メントの値に修正されてしまう場合もある。

【００２５】このような場合は、加減速運転中かそうで
ないかを判別し、トルク指令信号Ｔ_m ^＊に負荷トルク推
定信号Ｔ_LEを補正してトルク偏差信号ｅ_T を求めるよう
にしてもよい。例えば、加減速中の場合には、トルク制
御回路７から出力されるトルク指令信号Ｔ_m ^＊から負荷
トルク推定回路６で出力される負荷トルク推定信号Ｔ_LE
を差し引き、この信号と模擬トルク信号Ｔ_meの偏差をト
ルク偏差信号ｅ_T として扱い、これが０となるように慣
性モ−メントＪを自動調整する。また、加減速中でない
場合には自動調整を実行しないようにする。加減速中の
判別は速度指令信号ωm ^＊に想定される速度制御応答よ
りも若干遅い応答特性を有するロ−パスフィルタを付加
し、この出力信号の変化の絶対値が予め設定した閾値よ
りも大きい場合には加減速中と判定し、閾値以下の場合
は定常中と判定するようにすればよい。通常の電動機の
速度制御装置においては、加減速期間中に負荷トルクが
急変することはまれで、定常的な負荷トルクが印加され
る場合が多い。このため、このように自動調整回路８の
構成を変えることにより、負荷機械３に負荷トルクが印
加される場合でも慣性モ−メントは正しく自動調整さ
れ、これにより速度制御回路５のゲインも正しく自動調
整される。なお、第２の実施例においては、図１で破線
で示すように負荷トルク推定信号Ｔ_LEを自動調整回路８
に送る。

【００２６】

【第３の実施例】図８はこの発明の第３の実施例の速度
制御装置の全体を示すブロック図であり、電動機の位置
制御系を構成した場合の一例である。図８において、直
流電動機１、トルク伝達機構２、負荷機械３、速度制御
回路５、負荷トルク推定回路６、トルク制御回路７、自
動調整回路８、電力変換回路９、速度指令信号発生回路
１０は上記第１の実施例を示す図１で同一符号で示すも
のと全く同一である。

【００２７】図８において、第３の実施例の装置は、上
述した第１の実施例と全く同一のものに、直流電動機１
の回転速度および回転角を検出する位置・速度検出器１
１と、位置制御回路１２と、位置指令信号発生回路１３
とを付加した構成とされている。位置制御回路１２は、
位置指令信号発生回路１３から入力された位置指令信号
θ_n ^＊と位置信号θ_m との偏差に基づいて、速度指令信
号ω_m ^＊を出力する。その他の動作は、第１の実施例と
同じである。この第３の実施例では、機械系の慣性モ−
メントの変化によらず速度指令信号ω_m ^＊の変化に対す
る直流電動機１の実速度信号ω_m の応答は一定に保たれ
るので、機械系の慣性モ−メントの変化によらす常に応
答周波数が一定の電動機の位置制御装置が得られる。

【００２８】

【第４の実施例】上述した実施例では、負荷トルク推定
回路６により出力される負荷トルク推定信号Ｔ_LEを、速
度制御回路５により出力されるトルク基準指令信号Ｔ_m
^＊に加算補正し、速度制御回路５の積分ゲインＫ_i1を０
として比例制御を行う構成で説明したが、負荷トルク推
定値Ｔ_LEをトルク基準指令信号Ｔ_m ^＊に補正しない構
成、つまり速度制御回路５の積分ゲインを０に設定しな
いＰＩ制御のみで負荷トルクによる影響も補償させる一
般的な構成の場合では、自動調整回路８により出力され
る修正した慣性モ−メントＪに応じて速度制御回路５の
比例増幅器および積分器の各ゲインと、負荷トルク推定
回路の積分時定数を自動調整してもよい。この実施例に
おいても、機械系の慣性モ−メントの変化によらず速度
指令信号ω_m ^＊の変化に対する直流電動機１の実速度信
号ω_m の応答特性を維持することが可能な速度制御装置
が得られる。

【００２９】

【第５の実施例】上述した各実施例では、直流電動機１
を用いた場合を説明したが、誘導電動機や同期電動機を
用いてもよい。すなわち公知のベクトル制御により、こ
れらの交流電動機の発生トルクを直流電動機並の高速応
答性でもって制御できるので、トルク指令信号に追従で
きるようにこれらの交流電動機の発生トルクを制御する
ことは容易であり、初期の目的を達成することは可能で
ある。

【００３０】各実施例の発明では、自動調整回路８を付
加し、この回路における慣性モ−メント設定値に基づく
模擬トルク信号と、トルク指令信号の偏差が０となるよ
うに慣性モ−メント設定値を自動調整するとともに、負
荷トルク推定回路６の積分時定数および速度制御回路５
のゲインについても自動調整するようにしたので、負荷
機械３の慣性モ−メントが未知の場合や、運転中に変化
するような場合でも、速度制御系の応答特性を維持する
ことができるという効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の速度制御装置を示すブロック図
である。

【図２】第１の実施例の速度制御回路を示すブロック図
である。

【図３】第１の実施例の負荷トルク推定回路を示すブロ
ック図である。

【図４】第１の実施例のトルク制御回路を示すブロック
図である。

【図５】第１の実施例の自動調整回路を示すブロック図
である。

【図６】第１の実施例の速度制御回路および機械系模擬
要素による速度制御系等価ブロック図である。

【図７】第１の実施例のトルク偏差信号演算回路を示す
ブロック図である。

【図８】第３の実施例を示すブロック図である。

【図９】従来の速度制御装置を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 直流電動機 ２ トルク伝達機構 ３ 負荷機械 ４ 速度検出器 ５ 速度制御回路 ６ 負荷トルク推定回路 ７ トルク制御回路 ８ 自動調整回路 ９ 電力変換回路 １０ 速度指令信号発生回路 １１ 位置・速度検出器 １２ 位置制御回路 １３ 位置指令信号発生回路

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 5/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トルクの伝達機構を介して負荷機械を駆
   動する電動機と、 前記電動機の回転速度を検出する速度検出器と、 前記電動機の速度指令信号（ω_m ^*）および前記速度検出
   器から出力された実速度信号（ω_m）に基づいてトルク
   基準指令信号（Ｔ_r ^*）を出力する速度制御回路と、 前記トルク伝達機構、負荷機械および電動機を一つの積
   分要素として模擬した模擬速度信号（ω_me）を形成し、
   この模擬速度信号（ω_me）と前記実速度信号（ω_m）と
   に基づいて負荷トルク推定信号（Ｔ_LE）を出力する負荷
   トルク推定回路と、 前記トルク基準指令信号（Ｔ_r ^*）と前記負荷トルク推定
   信号（Ｔ_LE）に基づいてトルク指令信号（Ｔ_m ^*）を生成
   するトルク制御回路と、 前記トルク指令信号（Ｔ_m ^*）に基づいて前記電動機のト
   ルクを制御する制御手段と、前記トルク指令信号 （Ｔ_m ^*）と前記実速度信号（ω_m）
   とに基づいて機械系慣性モ−メント（Ｊ）とゲイン調整
   値（Ｋ_p1、Ｋ_i1）を出力する自動調整回路とを備え、前記自動調整回路は、前記実速度信号 （ω_m）を微分し
   て加速度信号（ω_a）を求め、前記加速度信号（ω_a）と
   この自動調整回路で作成された前記機械系慣性モ−メン
   ト（Ｊ）とを乗算して模擬トルク信号（Ｔ_me）を求め、
   前記トルク指令信号（Ｔ_m ^*）と前記模擬トルク信号（Ｔ
   _me）との偏差を求め、前記偏差を積分して慣性モ−メン
   ト補正値（Ｊｃ）を求め、機械系慣性モ−メントの初期
   値（Ｊ_init）に前記慣性モ−メント補正値（Ｊｃ）を加
   算して補正後の慣性モ−メント（Ｊ）を求め、前記補正
   後の慣性モ−メント（Ｊ）を機械系慣性モ−メント
   （Ｊ）として出力し、且つこの機械系慣性モ−メント
   （Ｊ）に基づいて前記速度制御回路のゲイン調整値（Ｋ
   _p1、Ｋ_i1）を演算して出力するように形成され、前記負荷トルク推定回路は、前記トルク制御回路から供
   給されたトルク指令信号 （Ｔ_m ^*）と前記負荷トルク推定
   信号（Ｔ_LE）との偏差の積分に基づいて前記模擬速度信
   号（ω_me）を作成し、前記機械系慣性モ−メント（Ｊ）
   によって前記積 分の積分時定数が修正されるように形成
   され、 前記速度制御回路は、前記自動調整回路から得られた前
   記ゲイン調整値 （Ｋ_p1、Ｋ_i1）によってゲインが修正さ
   れるように形成されていることを特徴とする電動機の速
   度制御装置。