JP4554480B2 - モーター制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モーターの制御装置に関し、特に、負荷の慣性力による前記モーターの出力トルクの変動分を補償することが可能なモーター制御装置に関するものである。

従来の高度な張力制御機器においては、シート材を送るための送り用モーターの制御と張力発生用のモーターの制御とを、ひとつの制御システムで協調させながら実行している（例えば、特許文献１参照）。
すなわち、この張力制御機器は、例えば、起動、停止に伴ってシート材の送り速度が変化する場合に、該シート材のライン速度の変化量から求めた加速度とロールの慣性モーメントに基づいて、慣性力により発生する張力発生用モーターのトルクの変動分を求め、このトルク変動分を補償することによって上記シート材の張力を一定に保つような制御を実行する。
特開平７−１４８５１８号公報

しかしながら、このような張力制御機器では、シート材の送り速度と連携させながら慣性力による張力変化の補償を行なうため、構成が複雑かつ高価となり、しかも、シート材の送り速度の指令に対して送出しモーターの速度が追従できない場合に、張力補償が適正に実行されなくなるという問題を生じる。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、シート材の送り速度等の影響を受けることなく、負荷の慣性力に起因したモーターのトルク変動を自動的に補償することができるモーター制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、巻芯と該巻芯に巻かれたシート材とで構成された送出しロールを回転駆動するモーターの制御装置であって、前記モーターの回転量を検出する回転量検出手段と、前記回転量に基づいて前記モーターの回転角加速度を演算する回転角加速度演算手段と、前記送出しロールの径を検出するロール径検出手段と、前記検出された送出しロールの径、および該送出しロールから引張送出される前記シート材の目標張力に基づいて前記モーターの目標トルクを演算する目標トルク演算手段と、 前記検出された径を有する送出しロールの慣性モーメントを演算する慣性モーメント演算手段と、前記送出しロールの慣性モーメントと前記回転角加速度とに基づいて、前記送出しロールの慣性力による前記モーターの出力トルクの変動分を演算する変動トルク演算手段と、前記モーターの出力トルクの変動分に基づいて、この変動分が補償されるように前記モーターの目標トルクを補正する目標トルク補正手段と、を備えることによって上記目的を達成している。

前記ロール径検出手段は、例えば、前記送出しロールの初期径と、前記シート材の厚みと、前記送出しロールの回転量とに基づいて前記送出しロールの径を演算するように構成される。

前記慣性モーメント演算手段は、例えば、前記巻芯の慣性モーメント、前記シート材の密度、幅および前記送出しロールの径に基づいて該送出しロールの慣性モーメントを演算するように構成される。

本発明は、巻芯と該巻芯に巻かれたシート材とで構成された巻取りロールを回転駆動するモーターの制御装置も提供する。このモーターの制御装置は、前記モーターの回転量を検出する回転量検出手段と、前記回転量に基づいて前記モーターの回転角加速度を演算する回転角加速度演算手段と、前記巻取りロールの径を検出するロール径検出手段と、前記検出された巻取りロールの径、および該巻取りロールに巻き取られる前記シート材の目標張力に基づいて前記モーターの目標トルクを演算する目標トルク演算手段と、前記検出された径を有する巻取りロールの慣性モーメントを演算する慣性モーメント演算手段と、前記巻取りロールの慣性モーメントと前記回転角加速度とに基づいて、前記巻取りロールの慣性力による前記モーターの出力トルクの変動分を演算する変動トルク演算手段と、前記モーターの出力トルクの変動分に基づいて、この変動分が補償されるように前記モーターの目標トルクを補正する目標トルク補正手段と、を備えることによって上記目的を達成している。

前記ロール径検出手段は、例えば、前記巻取りロールの初期径と、前記シート材の厚みと、前記巻取りロールの回転量とに基づいて該巻取りロールの径を検出するように構成される。

前記慣性モーメント演算手段は、例えば、前記巻芯の慣性モーメント、前記シート材の密度、幅および前記巻取りロールの径に基づいて該巻取りロールの慣性モーメントを演算するように構成される。

巻送り・巻取り装置における巻送り側のモーターの制御に本発明を適用すれば、シート材の送り速度が変化した場合や、巻送りロールの加減速運転を行なった場合でも、負荷の慣性力に起因した送り用モーターのトルク変動を自動的に補償して、シート材の張力を一定に維持することが可能になる。したがって、シート材の送り速度と連携したトルク制御を行う専用のコントローラを設ける必要がなくなる。巻送り・巻取り装置における巻取り側のモーターの制御に適用した場合でも同様である。
また、自動扉の開閉用モーターや加圧機の加圧用モーターの制御に本発明を適用すれば、駆動機構の慣性力に起因したモーターのトルク変動を自動的に補償することができるので、低推力設定下でもスムーズな運転が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、シート材の巻送り・巻取り装置の構成例を概念的に示している。この巻送り・巻取り装置において、巻芯(芯金)１は送出しモーター２によって、送りローラ３は送りモーター４によって、また巻芯５は巻取りモーター６によって、それぞれ同一方向（時計回り方向）に回転駆動される。

送出しロール７は、上記巻芯１と該巻芯１に巻かれたシート材８とで構成され、矢印で示す方向にシート材８を送出する。送出されたシート材８は、送りローラ３で同方向に送られた後、芯金５に巻取られる。その結果、芯金５と該芯金５に巻取られたシート材８とによって巻取りロール９が形成される。
この巻送り・巻取り装置においては、送出し側におけるシート材８の張力が送出しモーター２によるブレーキトルクで与えられ、巻取り側におけるシート材８の張力が巻取りモーター６の駆動トルクによって与えられる。

図２は、上記シート材の巻送り・巻取り装置における送出しモーター２および／または巻取りモーター６のトルク制御に適用される本発明に係るモーター制御装置の構成を例示したブロック図である。
ここでは、このモーター制御装置を送出しモーター２の制御に適用した場合について説明する。
このモーター制御装置は、慣性モーメント演算部２１、変動トルク演算部２２、目標トルク補正部２３、ロール径演算部２４、モーター角速度演算部２５、モーター角加速度演算部２６、目標トルク演算部２７および目標トルク補正部２８を備えている。

ロール径演算部２４は、送出しモーター２の回転量θ（図１に示す回転量センサ１０によって検出される）を所定のサンプリング周期でサンプリングし、その回転量θと、シート材８の厚みＴ_Lとに基づいて、送出しロール７の時々刻々の径Ｄ_nを求める。
Ｄ_n＝Ｄ_n-1−ｔ_L×（θ_n−θ_n-1）／π （１）
（ｎ＝１，２，３・・・）
ここで、θ_n：現サンプリング時点でのモーター回転量（ラジアン）
θ_n-1：１つ前のサンプリング時点でのモーター回転量
Ｄ_n-1：１つ前のサンプリング時点でのロール径
なお、巻送り・巻取り装置の運転開始時には、式（１）におけるＤ_n-1として、送出しロール７の初期径が与えられる。

送出しモーター２と巻芯１との間に適宜な動力伝達機構を介在させる場合には、送出しモーター２の回転量θと送出しロール７の回転量が１対１に対応しなくなることもあり得る。そこで、この場合には、回転量センサ１０によって検出される送出しモーター２の回転量θに補正係数を乗じることによって送出しロール７の回転量を得るか、もしくは、回転量センサ１０によって送出しロール７の回転量（巻芯１の回転量）を直接検出すればよい。

目標トルク演算部２７は、ロール径演算部２４で演算される上記ロール径Ｄ_nと、予め与えられる目標張力Ｆ_Cとに基づいて、送出しモーター２の目標トルクＴ_mを求める下式（２）の演算を実行する。
Ｔ_m＝Ｆ_C×Ｄ_n／２ （２）

送出しモーター２の停止、起動操作や加減速運転を行われない場合は、該送出しモーター２の負荷となる送出しロール７（巻芯１とこれに巻かれたシート材８）の慣性力に起因するトルク変動が生じないので、上式（２）によって演算される目標トルクＴ_mを送出しモーター２に発生させることにより、シート材８の張力を目標張力Ｆ_Cに維持することができる。
一方、送出しモーター２の停止、起動操作や加減速運転が行われた場合は、上記慣性力に起因するトルク変動が発生するので、上記目標トルクＴ_mを送出しモーター２に発生させるだけでは、シート材８の張力を目標張力Ｆ_Cに維持することができない。
慣性モーメント演算部２１、変動トルク演算部２２、目標トルク補正部２３等は、上記張力の変動が抑制されるように送出しモーター２のトルクを補償する目的で設けたものである。

すなわち、慣性モーメント演算器２１は、予め与えられる慣性モーメント計算パラメータ（既知である巻芯１の慣性モーメント、径およびシート材８の密度、幅）と、上記ロール径演算部２４で演算される送出しロール７の径Ｄ_nとに基づいて、送出しモーター２の負荷である送出しロール７の慣性モーメントＪ_Lを演算する。
なお、送出しモーター２と巻芯１との間に適宜な動力伝達機構を介在させる場合には、この動力伝達機構も送出しモーター２の負荷になる。そこで、この場合には、慣性モーメント演算器２１において、上記動力伝達機構の慣性モーメントをも含む慣性モーメントを演算する。

モーター角速度演算部２５は、下式（３）に従ってモーター２の角速度ωを演算し、また、モーター角加速度演算部２６は、下式（４）に従ってモーター２の角加速度βを演算する。
ω_n＝（θ_n−θ_n-1）／△t （３）
β_n＝（ω_n−ω_n-1）／△t （４）

変動トルク演算部２２は、モーター角加速度演算部２６で演算されたモーター角加速度βと、この角加速度βが発生しているときに慣性モーメント演算部２１から出力される慣性モーメントＪ_Lとに基づいて、送出しロール７の慣性力によるモーター２の変動トルクＪ_L×βを演算する。
目標トルク補正部２３は、目標トルク演算部２７で演算される目標トルクＴ_m＝Ｆ_C×Ｄ_n／２と、変動トルク演算部２２で演算される変動トルクＪ_L×β_nとに基づいて下式（５）の演算を実行し、上記送出しロール７の慣性力による変動トルクの補償が可能な目標トルクＴ_Cを得る。
Ｔ_C＝Ｔ_m−Ｊ_L×β_n＝（Ｆ_C×Ｄ_n／２）−Ｊ_L×β_n （５）

負荷の慣性力に起因する変動トルクが生じない通常の運転状態下では、式（５）におけるＪ_L×βが０となるので、目標トルクＴ_C＝Ｔ_mがトルク制御部２８に出力される。一方、送出しモーター２の停止、起動操作や加減速運転が行われて、上記負荷の慣性力に起因する変動トルクが発生する状態下では、目標トルク演算部２７で演算された目標トルクＴ_mを変動トルクＪ_L×β_nで補正した目標トルクＴ_Cがトルク制御部２８に出力される。

トルク制御部２８は、送出しモーター２が目標トルクＴ_Cに対応するトルクを出力するように該送出しモーター２の電流を制御する。したがって、上記変動トルクが発生しない運転状態下では、トルクＴ_mをモーター２が出力するように該モーター２の電流が制御され、上記変動トルクが発生する運転状態下では、この変動トルクを補償（キャンセル）するトルクＴ_m−Ｊ_L×β_nをモーター２が出力するように該モーター２の電流が制御される。したがって、この実施形態によれば、ロール７から送出されるシート材８の張力を常に目標張力Ｆ_Cに維持することができる。

巻取りモーター６においても、上記に準じたトルク制御を実行することにより巻取り時のシート材８の張力を目標張力に維持することができる。ただし、その場合には、図１に示す回転量センサ１１によって巻取りモーター６の回転量θを検出し、その回転量θを前記式（１）に適用する。また、前記式（５）は、右辺第２項の−符号を＋符号に変更して適用する。

図３は、自動扉開閉装置や加圧機（図示せず）などに適用される本発明のモーター制御装置の他の実施形態を示している。
モーターを動力源とする自動扉開閉装置や加圧機などにおいては、可動体の推力を一定値以下に抑えるために、上記モーターの発生トルクを制限することが多い。このトルクを制限した状態では、モーターの加減速時に該モーターの負荷となる駆動系（例えば、プーリー、スクリュー、ラック・ピニオン等を用いた動力伝達機構)の慣性力の影響で上記可動体の動作が遅くなる。
そこで、この実施形態に係るモーター制御装置においては、前記巻送り・巻取り装置と同様に、運転状態と加速トルクを検出し、その検出結果に基づいて上記駆動系の慣性力による影響を自動的に補償するようにしている。

このモーター制御装置において、モーター３７の回転量θ'は、図示していない回転量センサによって検出される。モーター角速度演算部３３は、前記式（３）に対応する下式（６）に従ってモーター３７の角速度ω'を演算し、また、モーター角加速度演算部３４は、前記式（４）に対応する下式（７）に従ってモーター３７の角加速度β'を演算する。
ω_n’＝（θ_n’−θ_n-1’）／△t （６）
β_n’＝（ω_n’−ω_n-1’）／△t （７）

変動トルク演算部３２は、モーター３７の負荷となる前記駆動系の慣性モーメントＪ_L’（予め与えられる既知の慣性モーメントである）と、上記モーター角加速度β'とに基づいて、前記駆動系の慣性力によるモーター３７の変動トルクＪ_L’×β’を演算する。
目標トルク補正部３１は、予め与えられる目標トルクＴ_m’と、変動トルク演算部３２で演算される上記変動トルクＪ_L’×β’とに基づいて下式（８）の演算を実行し、上記駆動系の慣性力による変動トルクの補償が可能な目標トルクＴ_C’を得る。
Ｔ_C’＝Ｔ_m’ ±Ｊ_L’×β’ （８）
なお、上記式（８）の右辺第２項の＋符号および−符号は、それぞれ上記自動扉開閉装置の扉、あるいは上記加圧機の加圧部材が加速および減速される場合に採用される。

自動扉開閉装置の扉が物体を挟んで拘束した状態、あるいは、加圧機の加圧部材がワークを加圧して拘束した状態においては、つまり、上記駆動系の慣性力による変動トルクが発生しない状態においては、式（８）におけるＪ_L’×β’が０となるので、目標トルクＴ_C’＝Ｔ_m’がトルク制御部３６に出力される。
一方、自動扉開閉装置の扉、あるいは加圧機の加圧部材が加減速運動する状態では、つまり、上記変動トルクが発生する状態では、目標トルクＴ_m’を変動トルクＪ_L’×β_n’で補正した目標トルクＴ_C’がトルク制御部３６に出力される。

トルク制御部３６は、モーター３７が目標トルクＴ_C’に対応するトルクを出力するように該送出しモーター２の電流を制御する。したがって、上記変動トルクが発生しない運転状態下では、トルクＴ_m’をモーター２が出力するように該モーター３７の電流が制御され、上記変動トルクが発生する運転状態下では、この変動トルクを補償（キャンセル）するトルクＴ_m’ ±Ｊ_L’×β_n’をモーター３７が出力するように該モーター３７の電流が制御される。したがって、この実施形態によれば、自動扉開閉装置の扉、あるいは、加圧機の加圧部材の推力を一定に制御することができる。

なお、速度制限部３５は、加速時におけるモーター３７の実速度ω’を予め与えられる目標速度ω_O’と比較し、実速度ω’が目標速度ω_O’を超えた場合に、上記目標トルクＴ_C’を所定値だけ減少させる。これにより、モーター３７の運転速度が一定値以下に制限されるので、自動扉開閉装置の扉、あるいは加圧機の加圧部材の推力が設定値以下に抑制されて、より安全な運転が可能となる。

巻送り・巻取り装置の構成を例示した概念図である。 巻送り・巻取り装置に適用される本発明に係るモーター制御装置の実施の形態を示すブロック図である。 自動扉あるいは加圧機に適用される本発明に係るモーター制御装置の実施の形態を示すブロック図である。

符号の説明

１ 巻芯
２ 送出しモーター
３ 送りローラ
４ 送りモーター
５ 巻芯
６ 巻取りモーター
７ 送出しロール
８ シート材
９ 巻取りロール
１０，１１ 回転量センサ
２１ 慣性モーメント演算部
２２ 変動トルク演算部
２３ 目標トルク補正部
２４ ロール径演算部
２５ モーター角速度演算部
２６ モーター角加速度演算部
２７ 目標トルク演算部
２８ トルク制御部
３１ 目標トルク補正部
３２ 変動トルク演算部
３３ モーター角速度演算部
３４ モーター角加速度演算部
３５ 速度制限部
３６ トルク制御部

Claims (6)

1. 巻芯と該巻芯に巻かれたシート材とで構成された送出しロールを回転駆動するモーターの制御装置であって、
   前記モーターの回転量を検出する回転量検出手段と、
   前記回転量に基づいて前記モーターの回転角加速度を演算する回転角加速度演算手段と、
   前記送出しロールの径を検出するロール径検出手段と、
   前記検出された送出しロールの径、および該送出しロールから引張送出される前記シート材の目標張力に基づいて前記モーターの目標トルクを演算する目標トルク演算手段と、
   前記検出された径を有する送出しロールの慣性モーメントを演算する慣性モーメント演算手段と、
   前記送出しロールの慣性モーメントと前記回転角加速度とに基づいて、前記送出しロールの慣性力による前記モーターの出力トルクの変動分を演算する変動トルク演算手段と、
   前記モーターの出力トルクの変動分に基づいて、この変動分が補償されるように前記モーターの目標トルクを補正する目標トルク補正手段と、
   を備えることを特徴とするモーター制御装置。
2. 前記ロール径検出手段は、前記送出しロールの初期径と、前記シート材の厚みと、前記送出しロールの回転量とに基づいて前記送出しロールの径を演算するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のモーター制御装置。
3. 前記慣性モーメント演算手段は、前記巻芯の慣性モーメント、前記シート材の密度、幅および前記送出しロールの径に基づいて該送出しロールの慣性モーメントを演算するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のモーター制御装置。
4. 巻芯と該巻芯に巻かれたシート材とで構成された巻取りロールを回転駆動するモーターの制御装置であって、
   前記モーターの回転量を検出する回転量検出手段と、
   前記回転量に基づいて前記モーターの回転角加速度を演算する回転角加速度演算手段と、
   前記巻取りロールの径を検出するロール径検出手段と、
   前記検出された巻取りロールの径、および該巻取りロールに巻き取られる前記シート材の目標張力に基づいて前記モーターの目標トルクを演算する目標トルク演算手段と、
   前記検出された径を有する巻取りロールの慣性モーメントを演算する慣性モーメント演算手段と、
   前記巻取りロールの慣性モーメントと前記回転角加速度とに基づいて、前記巻取りロールの慣性力による前記モーターの出力トルクの変動分を演算する変動トルク演算手段と、
   前記モーターの出力トルクの変動分に基づいて、この変動分が補償されるように前記モーターの目標トルクを補正する目標トルク補正手段と、
   を備えることを特徴とするモーター制御装置。
5. 前記ロール径検出手段は、前記巻取りロールの初期径と、前記シート材の厚みと、前記巻取りロールの回転量とに基づいて該巻取りロールの径を検出するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のモーター制御装置。
6. 前記慣性モーメント演算手段は、前記巻芯の慣性モーメント、前記シート材の密度、幅および前記巻取りロールの径に基づいて該巻取りロールの慣性モーメントを演算するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のモーター制御装置。

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