JP4893039B2 - 電動機制御方法およびその装置 - Google Patents
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図6は、一般的な可変速駆動装置の機構図を示すもので、機械5には電動機2により減速機6と低剛性の駆動軸4を介して回転トルクが伝達される。可変速制御装置1は、電動機2に取り付けられた速度検出器3により検出した信号を速度帰還信号として電動機2の速度を制御している。
以下、従来技術の実施例として、デジタル演算器又はアナログ演算器により構成した、速度制御装置の構成を示すブロックダイヤグラムを図7に示す。図7では、平均速度演算器23によって電動機に取り付けた速度検出器3(図6参照)の信号について一定周期ts間の平均値を演算する。この一定周期毎の平均速度の演算方法は、例えば、速度検出器がパルス信号発生器であれば、速度検出器3より出力される周期ts間のパルス信号計数値をtsで割ることによってts間の平均周波数として、ts間の平均速度を求めることができる。
アナログ式の速度検出発電機の場合は、一定周期ts間で速度検出器の信号をn回読み、これらの信号の合計値の1/n をts間の平均速度とすることができる。
この一定周期毎の電動機平均速度をNMAVGとし、まず速度制御器11の動作について説明する。
速度指令NREFと電動機平均速度NMAVGとの速度偏差を演算し、その速度偏差信号を速度制御器11に入力すると、速度制御器11が比例ゲインと積分器を持つ場合は、その偏差信号を速度制御器11により増幅した信号を加速トルク指令TRFA として出力する。
一定周期毎の電動機平均速度NMAVGが電動機部慣性加速トルク演算器24に入力されると、電動機平均速度NMAVGを微分した値に電動機部(図6の構成では電動機と減速機を合わせた慣性)の慣性時定数τM を乗じた値の信号TMAFB を出力する。この信号TMAFBは電動機部慣性加速トルク信号TMAFBとなる。
次に、加速トルク制御器25の動作について説明する。
速度制御器11の出力のトルク指令信号TRFAを加速トルク指令とし、その指令に対し電動機部慣性加速トルク演算器24の出力信号TMAFBを電動機部慣性の加速トルク信号として帰還し、その2つの信号の偏差を加速トルク制御器25に入力すると、加速トルク制御器25は、その2つの信号偏差の信号に比例ゲインGを乗じた信号と、その信号を時定数τL1にて積分して得られた信号を加えたトルク補正信号TRFLを出力し、電動機部慣性加速トルク信号TMAFBが、速度制御器11の出力のトルク指令信号TRFAに一致するようにトルク補正信号TRFLを制御する。
速度制御器11の出力のトルク指令信号TRFAと加速トルク制御器25の出力信号TRFLを加えた信号をトルク指令TRFMとして電動機のトルク制御を行うことにより電動機部慣性加速トルクの外乱となっている電動機負荷トルクTL1に対しては、加速トルク制御器25の出力の電動機トルク補償信号TRFLによって打ち消す方向に制御される結果、加速中や負荷急変時の駆動軸のねじれによって発生する電動機の外乱トルクを打ち消す方向に作用して、電動機の速度変動が抑制される。
このために、機械の速度や加速度に微弱な周期的な変動の発生も許容されない設備、例えば、エレベータのかごの加速度振動や印刷機の印刷ロールの周期的な負荷変動による速度変動などには、適用上の問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、従来の技術に採用されていた電動機の負荷トルクを推定して電動機の負荷トルクを打ち消すように電動機トルクを補償する方法に代わって多慣性系機械の負荷トルクを推定し、その負荷トルクを打ち消すように電動機トルクを補償することによって機械速度の変動を良好に抑制できる電動機制御方法およびその装置を提供することを目的とする。
前記電動機平均速度N MAVG と前記トルク補償信号T RFL を入力して機械負荷トルクを推定する機械負荷トルク推定演算器とを備え、前記機械負荷トルク推定演算器は、駆動軸に挿入された減速機の駆動方向効率のモデル値η GE0 と前記トルク補償信号T RFL 及び前記電動機平均速度N MAVG から次式、
N MAVG ×T RFL >0 のとき T L2E =T RFL ×η GE0 、
N MAVG ×T RFL <0 のとき T L2E =T RFL /η GE0
により機械負荷トルクの推定値T L2E を演算することを特徴としている。
また、請求項2記載の発明によると、多慣性系機械の周期的な負荷トルク変動により発生する機械の速度変動を抑制する制御において、信号出力制限器により電動機速度の過大な微分信号を除去することにより制御の安定性が向上でき、外乱抑制ゲインをより高く設定することができ、多慣性系機械の周期的な負荷変動により発生する機械の速度変動を更に小さく抑制制御することができる。
また、請求項3記載の発明によると、多慣性系機械の周期的な負荷トルク変動により発生する機械の速度変動を抑制する制御において、ローパスフィルタにより電動機速度の微分信号の高い周波数成分を除去し、ハイパスフィルタにより低周波領域における速度制御系との制御干渉を防ぐことにより制御の安定性が向上でき、外乱抑制ゲインをより高く設定することができ、多慣性系機械の周期的な負荷変動により発生する機械の速度変動を更に小さく抑制制御することができる。
以上については、機械負荷トルクの周期的な変動に対する機械速度変動の抑制効果例をシミュレーション結果にて示すと、図8は、従来のモータトルクと機械負荷トルクと、負荷トルクオブザーバ出力と、機械速度偏差と、の4項目で機械速度変動抑制特性を示した図であり、図4に示す本発明の同項目の機械速度変動抑制特性と比較すれば、機械速度偏差等から、本発明(請求項1〜3適用)の適用により、従来技術の適用に比して機械速度の変動が約1/5.6に縮小する効果が出ていることが実証できる。
図1は本発明の実施例1に係る電動機制御装置の制御ブロック図、図2は本発明の実施例2に係る電動機制御装置の制御ブロック図、図3は本発明の実施例3に係る電動機制御装置の制御ブロック図である。
図1の制御ブロック図において、1は可変速制御装置、17は電動機トルク制御部、12は電動機部の慣性を表すブロック、18は電動機の負荷を表すブロックである。
図1の装置が図7に示す従来装置と異なるのは、図7の電動機のみの電動機部慣性加速トルク演算器ブロック24に代えて、図1における電動機と機械の両方を合わせた全慣性加速トルク演算部29で置き換えた点である。なお、図1中の符号で図7中の符号と同じものは、図7の従来図の対向部分と同一構成を表しているので、重複説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
先ず、電動機部と機械を合わせた全慣性加速トルク演算部29の動作について説明する。
平均速度演算器23からの電動機平均速度NMAVGが全慣性加速トルク演算部29に入力されると、電動機平均速度NMAVGを電動機速度微分器30により微分した信号DNMFBと、この電動機速度微分演算器30により微分した信号DNMFBに外乱抑制制御器32の外乱抑制ゲインGFを乗じた信号DNMFBXとを加えた信号に電動機部の慣性時定数ブロック31の時定数τM を乗じて、電動機部と機械を合わせた全慣性加速トルク信号TMAFBを演算する。
次に、加速トルク制御器25を含む加速制御ブロック27では、速度制御器11の出力のトルク指令信号TRFAを加速トルク指令とし、その指令TRFAに対し、全慣性加速トルク演算器29の出力信号TMAFBを帰還し、その2つの信号の偏差を加速トルク制御器25に入力すると、加速トルク制御器25は、その2つの信号偏差の信号に比例ゲインGを乗じた信号と、その信号を時定数τL1にて積分して得られた信号を加えた電動機トルク補正信号TRFLを出力し、全慣性加速トルク信号TMAFBが、速度制御器11の出力のトルク指令信号TRFAに一致するようにトルク補正信号TRFLを制御する。
以上が従来技術と異なる実施例1について説明したが、これ以外の機械の負荷トルク変動による機械の速度変動抑制制御方法は、従来技術と全く同じであるので説明は省略する。
図2に示す本発明の実施例2が、図1に示す実施例1と異なる構成は、全慣性加速トルク演算部29の構成で、電動機速度微分器30の次段に信号出力制限器32を挿入し、外乱抑制制御器32の前段にローパスフィルターとハイパスフィルターで構成するバンドパスフィルター34を挿入し、更に、機械負荷トルクを演算推定する機械負荷トルク推定演算器35を備えた構成である。なお、その他の同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
先ず、駆動系加速トルク演算器29の動作について説明する。
電動機平均速度NMAVGが全慣性加速トルク演算部29に入力されると、この電動機平均速度NMAVGを電動機速度微分器30で微分した信号DNMFBを信号出力制限器33を介して出力した信号DNMFBLと、この信号出力制限器33の出力信号DNMFBLを電動機速度の微分信号の高い周波数成分を除去するLPFと低周波領域における速度制御系との制御干渉を防止して制御の安定を計るHPFで構成するバンドパスフィルタ34を通した後、外乱抑制制御器32の外乱抑制ゲインGFを乗じた信号DNMFBXとを加えた信号に、電動機部慣性時定数ブロック31の時定数τM を乗じると電動機部と機械を合わせた全慣性加速トルク信号TMAFBが得られる。
次に、加速トルク制御器25を有する加速トルク制御ブロック27では、速度制御器11の出力のトルク指令信号TRFAを加速トルク指令とし、その指令に対し、全慣性加速トルク演算部29の出力信号TMAFBを加速トルク信号として帰還し、その2つの信号の偏差を加速トルク制御器25に入力すると、加速トルク制御器25はその2つの信号偏差の信号に比例ゲインGを乗じた信号と、その信号を時定数τL1にて積分して得られた信号を加えて得られる電動機トルク補正信号TRFLを出力し、先の全慣性加速トルク信号演算部29より出力されたTMAFBが、速度制御器11の出力のトルク指令信号TRFAに一致するように電動機トルク補正信号TRFLをより安定に制御する。
NMAVGTRFL>0 のとき TL2E=TRFL×ηGEO、
NMAVGTRFL<0 のとき TL2E=TRFL/ηGEO、
その他のブロックの動作は実施例1と同じであり、重複する説明は省略する。
第2の実施例は、本発明の2慣性系への実施例であるのに対し、第3の実施例は、本発明の3慣性系以上の多慣性系への実施例である。実施例2と実施例3は機械系のモデルが異なるが、制御部は全く同じである。
以下機械系のモデルのブロックの部分のみを説明する。
機械部のn個の慣性体、第1慣性系i=1の慣性ブロック44、第2慣性系i=2の慣性ブロック45、第n慣性系i=nの慣性ブロック46は、慣性時定数τL1 ~τLn によって表されている。これらのn個の慣性体は、弾性体の駆動軸によって連結され、各慣性系の駆動軸の剛性を表すブロック41〜43は、駆動軸のn個のねじり剛性時定数τV1−τVn によって表される。
機械系が実施例2とは異なる多慣性系であっても多慣性機械の周期的な負荷変動によって発生する機械の速度変動を抑制制御することが可能である。
2 電動機
3 電動機速度検出器
4 駆動軸
5 負荷機械
6 減速機
10 速度指令器
11 速度制御器
12 電動機部の慣性を表すブロック
13 駆動軸の剛性を表すブロック
14 機械の慣性を表すブロック
15 機械の負荷トルクを表すブロック
16 減速機の作用効率を表すブロック
17 電動機トルク制御部
18 電動機の負荷を表すブロック
23 電動機平均速度演算器
25 加速トルク制御器
27 加速トルク制御ブロック
29 電動機部と機械を合わせた全慣性加速トルク演算部
30 電動機速度微分演算器
31 電動機部慣性時定数を表すブロック
32 外乱抑制ゲインGFを表すブロック
33 信号出力制限器
34 バンドパスフィルタ“LPFとHPFにて構成)
35 機械負荷トルク推定演算器
41〜43 多慣性系の駆動軸の剛性を表すブロック
44〜46 多慣性系の慣性を表すブロック
Claims (3)
- 速度指令N REF と電動機平均速度N MAVG から速度偏差信号を演算する手段と、
前記速度偏差信号を入力してトルク指令信号T RFA を生成する速度制御器と、
前記トルク指令信号T RFA と後記加速トルク信号T MAFB とのトルク偏差信号入力してトルク補償信号T RFL を生成し、該トルク補償信号T RFL と前記トルク指令信号T RFA とを加算した信号T RFM を電動機トルク制御部へ出力する加速トルク制御部と、
前記電動機平均速度N MAVG を微分した信号DN MFB と前記電動機平均速度N MAVG を微分した信号DN MFB に外乱抑制ゲインG F を乗じた信号DN MFBX とを加えた信号に電動機部の慣性時定数を乗じた信号を加速トルク信号T MAFB として前記加速トルク制御部へ出力する全慣性加速トルク演算部と、
前記電動機平均速度N MAVG と前記トルク補償信号T RFL を入力して機械負荷トルクを推定する機械負荷トルク推定演算器とを備え、
前記機械負荷トルク推定演算器は、駆動軸に挿入された減速機の駆動方向効率のモデル値η GE0 と前記トルク補償信号T RFL 及び前記電動機平均速度N MAVG から次式、
N MAVG ×T RFL >0 のとき T L2E =T RFL ×η GE0 、
N MAVG ×T RFL <0 のとき T L2E =T RFL /η GE0
により機械負荷トルクの推定値T L2E を演算することを特徴とする電動機制御装置。 - 前記電動機平均速度NMAVGを微分した信号DNMFB に代えて該信号DNMFBを信号出力制限器を介して出力した信号DNMFBLを用いることを特徴とする請求項1記載の電動機制御装置。
- 前記信号DNMFBL にバンドパスフィルタを介して出力した信号に外乱抑制ゲインGFを乗じることを特徴とする請求項2記載の電動機制御装置。
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