JP5062253B2 - 圧延ロール電動機の駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、圧延ロール電動機の駆動装置に係り、特に、上下圧延ロールを別々の電動機で駆動するツインドライブ方式圧延機に用いられる圧延ロール電動機の駆動装置に関するものである。

上下圧延ロールをそれぞれ上電動機及び下電動機で駆動するツインドライブ方式圧延機においては、それぞれの電動機が独立した制御系により制御されるため、上下電動機の負荷が不均一となり、電動機の熱的不平衡や上下トルクの相違に起因する圧延材の反りが発生する恐れがある。そこで上下電動機の負荷均一化及び圧延材の上反り、下反りを防止する目的で、上下電動機の負荷電流の基準値または実測値を監視し、均一化する負荷バランス制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、圧延用電動機はスピンドル、カップリング、ロール、ギア等で構成される多質点ばね系の機械負荷を有しているが、電動機を含めた圧延ロール駆動系の固有振動数と圧延用電動機速度制御装置の速度応答周波数が近づくと、両者の共振により、制御系と機械系を含めた圧延機駆動システムが不安定系となり、過大な捩じり振動現象が発生する恐れがある。

このような捩じり振動に対しては、設計段階において上及び下ロール軸系の固有振動数をそれぞれ評価し、電動機制御系の速度応答との共振を回避するよう両者を十分に離れた値に設計するのが一般的である。また、制御系に機械系のモデルを組み込み、機械系の挙動を推定し、トルク基準を補正することにより振動を抑制する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。

日本特開平０９−２９５０１６号公報 日本特開平０６−９８５８０号公報

上下圧延ロールをそれぞれ上電動機及び下電動機で駆動するツインドライブ方式圧延機では、図５にその概略構成を示すように、上圧延ロール５０と上電動機５１、及び下圧延ロール５２と下電動機５３間のそれぞれを連結するユニバーサルカップリング５４，５５，５６，５７の潤滑等の問題から、ユニバーサルカップリング５４，５５、あるいはユニバーサルカップリング５６，５７間におけるスピンドル５８，５９の傾斜角度を大きくすることができず、上電動機５１または下電動機５３のどちらかを他方より前方、即ち、圧延材６０側へ配置することによって上下電動機５１，５３間の間隔を小さくし、スピンドル５８，５９の傾斜角度を小さくしなければならない。上記を考慮し、上電動機５１を下電動機５３より前方へ配置したものをトップフォワード方式、下電動機５３を上電動機５１より前方へ配置したものをボトムフォワード方式と称している。

図５は上電動機５１を下電動機５３より前方へ配置したトップフォワード方式の圧延ロール駆動系の概略構成を表しているが、この図に示すように、ツインドライブ方式圧延機では上下の駆動軸系の機械構成が同一とならず、両者の伝達関数が異なる。このため上記特許文献１に開示された圧延ロール電動機の制御方法のように、たとえ電動機出力トルクを上下同一になるように制御しても圧延材６０の上面及び下面に伝播するトルクが過渡的に不一致となり、例えば圧延材６０の反りや損傷を引き起こす可能性がある。なお、図５の符号６１，６２は上圧延ロール５０，下圧延ロール５２のそれぞれをバックアップするバックアップロールを示し、符号６３は下電動機５３とユニバーサルカップリング５７間の連結部を示している。

また、ツインドライブ方式圧延機の上下トルクの不均一性を解消する目的で用いられてきた負荷バランス制御では、あくまで電動機における上下トルク（負荷電流）を監視して均一化させており、電動機から圧延ロールへトルクが伝播する際に生じる上下トルクの不一致については考慮されていない。

また、特許文献２に開示されている機械系モデルを制御系へ組み込む手法は、上述のように捩じり振動抑制制御等に用いられているが、上下機械軸系の挙動を監視し制御するには、モデル化誤差の影響を直接受けやすく、また上下両方の機械系モデルと制御フィードバック値も必要となり制御系が複雑化する。

この発明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、ツインドライブ方式圧延機の上下圧延ロールへの伝播トルクの不一致を補正し、上下圧延ロールへのトルク伝達の同時性を図る圧延ロール電動機の駆動装置を提供するものである。

この発明による圧延ロール電動機の駆動装置は、上下圧延ロールをそれぞれ上電動機及び下電動機で駆動し、上記上電動機または上記下電動機のどちらかを他方より圧延材側へ配置する圧延機に用いられる圧延ロール電動機の駆動装置において、上記上電動機を制御する上電動機制御部と上記下電動機を制御する下電動機制御部のいずれか一方もしくは両方に、上記上下圧延ロールへの伝播トルクの不一致を補正する上下軸系アンバランス補正部を備えたものである。

この発明によれば、制御系・機械系を含めた上下圧延ロール駆動系の伝達関数を同一にすることができ、上下圧延ロールへのトルク伝達の同時性が図れる。従って、圧延材の上面及び下面に伝播するトルクを一致させることができ、圧延材の反りや損傷を引き起こす可能性がなくなる。

この発明の実施の形態１に係る圧延ロール電動機の駆動装置を示す概略制御ブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る圧延ロール電動機の駆動装置を示す概略制御ブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る圧延ロール電動機の駆動装置を示す概略制御ブロック図である。 負荷バランス演算部の概略制御ブロック図である。 従来のツインドライブ方式圧延機の概略構成を説明する図である。 補正を行わない状態における圧延ロール伝達トルクシミュレーション波形を示す図である。 補正を行わない状態における上下ロール軸のゲイン特性を示す図である。 多質点系（質点数ｎ）として表したロール軸系を示すブロック線図である。 ２質点系として近似して表したロール軸系を示すブロック線図である。 補正を行った状態における圧延ロール伝達トルクシミュレーション波形を示す図である。 補正を行った状態における上下ロール軸のゲイン特性を示す図である。

符号の説明

１ 上電動機制御部
２ 上電動機速度制御器
３ 上電動機トルク電流リミッタ
４ 上電動機電流制御器
５，５１ 上電動機
６ 上電動機速度センサ
７ 上電動機トルク制御手段
８ 下電動機制御部
９ 下電動機速度制御器
１０ 下電動機トルク電流リミッタ
１１ 下電動機電流制御器
１２，５３ 下電動機
１３ 下電動機速度センサ
１４ 下電動機トルク制御手段
１５ 上ロール軸系
１６ 下ロール軸系
１７ 上電動機速度基準部
１８ 下電動機速度基準部
１９ 上下軸系アンバランス補正部
２０，６０ 圧延材
２１ 上ロール駆動系
２２ 下ロール駆動系
３０ 負荷バランス演算部
５０ 上圧延ロール
５２ 下圧延ロール
５８，５９ スピンドル
５４，５５，５６，５７ ユニバーサルカップリング
６１，６２ バックアップロール
６３ 連結部

以下に添付図面を参照して、この発明に係る圧延ロール電動機の駆動装置について好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係る圧延ロール電動機の駆動装置を示す概略制御ブロック図で、上電動機を下電動機より前方へ配置するトップフォワード方式の実施例を示すものである。

図１において、上電動機制御部１は、上電動機速度制御器２、上電動機トルク電流リミッタ３、及び上電動機電流制御器４から構成されている。この上電動機制御部１により上電動機５が制御され、その回転速度が上電動機速度センサ６により検出される。なお、上電動機トルク電流リミッタ３と上電動機電流制御器４は、後述するように上電動機実速度と上電動機速度基準の偏差が零になるように上電動機５のトルクを制御する上電動機トルク制御手段７を構成している。

また、下電動機制御部８は、下電動機速度制御器９、下電動機トルク電流リミッタ１０、及び下電動機電流制御器１１から構成されている。この下電動機制御部８により下電動機１２が制御され、その回転速度が下電動機速度センサ１３により検出される。なお、下電動機トルク電流リミッタ１０と下電動機電流制御器１１は、後述するように下電動機実速度と下電動機速度基準の偏差が零になるように下電動機１２のトルクを制御する下電動機トルク制御手段１４を構成している。また、符号１５は上電動機５から上圧延ロール（図示せず）まで含めた上ロール軸系、符号１６は下電動機１２から下圧延ロール（図示せず）まで含めた下ロール軸系を示している。

上電動機制御部１に対し上電動機５の速度基準を指令する上電動機速度基準部１７が設けられており、下電動機制御部８に対し下電動機１２の速度基準を指令する下電動機速度基準部１８が設けられている。そして、上電動機速度基準部１７の後段には、後述の動作を行う上下軸系アンバランス補正部１９が配置されている。

上記のように、上電動機５と下電動機１２はそれぞれ独立した電動機制御部１，８により制御され、それぞれの電動機５，１２の出力トルクは上ロール軸系１５及び下ロール軸系１６を伝播し、圧延材２０へと到達する。これにより圧延材２０が圧延される。なお、上下軸系アンバランス補正部１９、上電動機制御部１、上電動機５、上電動機速度センサ６、上ロール軸系１５により上ロール駆動系２１が構成されており、下電動機制御部８、下電動機１２、下電動機速度センサ１３、下ロール軸系１６により下ロール駆動系２２が構成されている。

実施の形態１に係る圧延ロール電動機の駆動装置は上記のように構成されており、次にその動作について説明する。
まず、上ロール駆動系２１では、上電動機速度基準部１７からの速度基準ＳＰ１を上下軸系アンバランス補正部１９に入力することにより得られる補正速度基準ＳＰ２と、上電動機速度センサ６により検出される上電動機５の実速度ＳＰ３との偏差を上電動機速度制御器２に入力することにより上電動機トルク電流基準ＴＡを得る。さらに上電動機トルク電流リミッタ３、上電動機電流制御器４を経て上電動機５へ電力が供給される。これにより上電動機５の実速度ＳＰ３と上電動機速度基準ＳＰ１との偏差が零になるように上電動機５のトルクを制御している。

一方、下ロール駆動系２２では、下電動機速度基準部１８からの速度基準ＳＰ４と、下電動機速度センサ１３により検出される下電動機１２の実速度ＳＰ５との偏差を下電動機速度制御器９に入力することにより下電動機トルク電流基準ＴＢを得る。さらに下電動機トルク電流リミッタ１０、下電動機電流制御器１１を経て下電動機１２へ電力が供給される。これにより下電動機１２の実速度ＳＰ５と下電動機速度基準ＳＰ４との偏差が零になるように下電動機１２のトルクを制御している。

上電動機５及び下電動機１２から供給されるトルクはそれぞれ上ロール軸系１５及び下ロール軸系１６を介して圧延材２０の上面及び下面に伝播される。上ロール軸系１５の伝達関数Ｇ_Ｔ（ｓ）と下ロール軸系１６の伝達関数Ｇ_Ｂ（ｓ）は、従来技術において説明したように、ツインドライブ方式圧延機の機械的制約により同一にはならず、例え上電動機５及び下電動機１２から供給されるトルクを同一になるように制御したとしても、圧延材２０の上面及び下面に伝播されるトルクは過渡的に不一致となり、例えば圧延材２０の反りや損傷を引き起こす恐れがある。これを解消するため、本実施の形態では、上下圧延ロールへのトルク伝達の同時性を図る目的で、上下軸系アンバランス補正部１９において、その伝達関数Ｃ_１（ｓ）を、Ｃ_１（ｓ）＝Ｇ_Ｂ（ｓ）／Ｇ_Ｔ（ｓ）と設定している。これにより、上下軸系アンバランス補正部１９、上電動機制御部１、上電動機５、上電動機速度センサ６、及び上ロール軸系１５から成る上ロール駆動系２１と、下電動機制御部８、下電動機１２、下電動機速度センサ１３、及び下ロール軸系１６から成る下ロール駆動系２２との伝達関数を同一とすることが出来、圧延材２０に伝達される上下トルクの不一致を解消すること事ができる。

以上のように、実施の形態１によれば、上下圧延ロールへのトルク伝達の同時性が図れ、従って、圧延材２０の上面及び下面に伝播するトルクを一致させることができ、圧延材２０の反りや損傷を引き起こす可能性がなくなる効果が得られる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では上電動機速度基準ＳＰ１の後段に上下軸系アンバランス補正部１９を配置する実施の形態を説明したが、速度制御ループ内へ当該補正部１９を設けることにより、機械側に補正部１９を近づけることが出来るため、上下圧延ロールへの伝播トルクの不一致の補正効果を一層高くすることができる。

図２は実施の形態２に係る圧延ロール電動機の駆動装置を示す概略制御ブロック図で、この図から明らかなように、上下軸系アンバランス補正部１９が上電動機速度フィードバックループ内である速度制御器２の後段に設置されている。そして、上下軸系アンバランス補正部１９の伝達関数をＣ_２（ｓ）＝Ｃ_１（ｓ）／{１＋Ｇ_Ｌ（ｓ）}{１−Ｃ_１（ｓ）}と設定している。ここで、Ｇ_Ｌ（ｓ）は実施の形態１での速度フィードバックループの一巡伝達関数である。即ち、実施の形態１では上電動機速度フィードバックループの前段に上下軸系アンバランス補正部１９を設置していたため、伝達関数Ｃ_１（ｓ）＝Ｇ_Ｂ（ｓ）／Ｇ_Ｔ（ｓ）と設定したが、実施の形態２では上電動機速度フィードバックループ内へ当該補正部１９を設置するためその伝達関数をＣ_２（ｓ）＝Ｃ_１（ｓ）／{１＋Ｇ_Ｌ（ｓ）}{１−Ｃ_１（ｓ）}と設定している。なお、その他の構成については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

この実施の形態２によれば、実施の形態１による効果を奏すると共に、機械側に上下軸系アンバランス補正部１９を近づけることが出来るため、上下ロールへの伝播トルクの不一致の補正効果を一層高くすることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３は、実施の形態２の上下軸系アンバランス補正部１９を負荷バランス制御と併用することにより、より上下圧延ロールへのトルク伝達の同時性を高めたものである。

図３は実施の形態３に係る圧延ロール電動機の駆動装置を示す概略制御ブロック図である。実施の形態３に係る圧延ロール電動機の駆動装置は、上下それぞれのトルク電流基準ＴＡ及びＴＢを負荷バランス演算部３０へ入力し、補正量を上トルク電流基準へ直接加算することにより、上電動機５及び下電動機１２のトルク電流基準のアンバランスをすばやく補正するものである。なお、その他の構成については実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

図４に負荷バランス演算部３０の概略制御ブロック図を示す。上下のトルク電流基準ＴＡ、ＴＢの偏差に負荷バランス演算リミッタ３０ａ及び負荷バランス演算レート３０ｂを掛け、比例制御３０ｃを行い上電動機５の電流基準ＴＡへ加算することにより補正を行っている。さらに、図３に示すように負荷バランス演算部３０の後段に上下軸系アンバランス補正部１９を配置することにより、上下圧延ロールへのトルク伝達の同時性を一層高めることが可能となる。

以上のように、この実施の形態３によれば、実施の形態１、あるいは実施の形態２により得られる効果を更に高めた上下圧延ロールへのトルク伝達の同時性を得ることが可能となる。
また、実施の形態４において後述する補正項を簡素化して用いる場合には、より効果的である。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４は、実施の形態１から実施の形態３における上下ロール軸系をばね・質量系で近似することにより、上下軸系アンバランス補正部１９における補正項の伝達関数を、ばね・質量系の物理パラメータで表現するようにしたものである。
図６にツインドライブ方式圧延機の電動機及び圧延ロール端に電動機定格トルクに相当する外力をステップ状に与えた場合、つまり材噛み込み時における上下圧延ロール端トルク波形と上下トルク差の波形のシミュレーション例を示す。本例では上ロール軸系を４質点、下ロール軸系を５質点のばね・質量系で近似しており、一次ねじり固有振動数はそれぞれ上ロール軸系が約１３．６Hz、下ロール軸系が約１１．８Hzである。ステップ負荷が与えられた０．２秒の時点から徐々に上及び下圧延ロールに伝達するトルクにアンバランスが生じ、最大で０．８［ＰＵ］（電動機定格トルク基準）ものトルク差が圧延材を介して生じることとなる。また、振動の主成分は上下各々の一次ねじり振動数であることが分かる。図７に上下ロール軸系のゲイン特性とその上下差（２０ｌｏｇ（Ｇ_Ｂ（ｓ）／Ｇ_Ｔ（ｓ）））を示すが、この上下ロール軸系間のゲイン差を補償するアンバランス補正項を上電動機または下電動機制御系、もしくはその両方に設けることにより上下トルクの不一致を解消することが出来る。

補正項において上下ロール軸系伝達関数として用いるばね・質量系を機械軸系により近似するためには軸系モデルの質点数を増やせばよいが、実際に制御系に補正項を適用する場合、質点数を増やすと伝達関数の次数が大きくなって非常に複雑となり、制御系にサンプリング周期の制限上実現性に乏しく、また、補正項の調整パラメータ数も多くなる。参考として、図８に質点数をｎとおいたときのロール軸系のブロック線図を示す。
ある程度のトルク差は実際の操業上問題にはならず、上下トルクの不一致を完全に解消する必要は無いため、質点数を減らすことにより補正項は簡素化を図ることが出来る。ここでは、上下ロール軸系をそれぞれ２質点系で近似することにより補正項の低次元化を図り、現状の制御系への実装を十分に可能としながら、かつ、もっとも顕著な一次ねじり振動数による上下トルクアンバランスの低減を図る。図９に２質点系で近似したロール軸系のブロック線図を示す。この図９よりロール軸系を２質点系で近似した場合の電動機からロール端へのトルク伝達関数は、

となる。

従って、数１に示す２質点系に簡素化した伝達関数から補正項の伝達関数を求めると、

となる。ここで、Ｊ_Ｔ１、Ｊ_Ｔ２は上ロール軸系の電動機側及びロール側イナーシャ、Ｋ_Ｔは上ロール軸系ばね定数、Ｃ_Ｔは上ロール軸系減衰係数、Ｊ_Ｂ１、Ｊ_Ｂ２は下ロール軸系の電動機側及びロール側イナーシャ、Ｋ_Ｂは下ロール軸系ばね定数、Ｃ_Ｂは下ロール軸系減衰係数をであり、これらの係数は全て調整可能である。また、Ａ_ｃｏｍは補正項の偏差を０とするための補正係数で、下記の式で表される。

数２を補正項として上ロール軸系に挿入した際の上下圧延ロール端トルク波形と上下トルク差の波形のシミュレーション結果を図１０に、補正項含めた上ロール軸系、下ロール軸系、及び補正項のゲイン特性を図１１に、それぞれ示す。アンバランス補正項により上ロール軸系の一次ねじり振動数を下ロール軸系とほぼ等しくすることができており、その結果、上下圧延ロールにおけるトルク差の最大値を０．３［ＰＵ］まで低減できていることが分かる。すなわち、上下ロール軸系を２質点系で近似しても十分に補正効果があることが、ここから分かる。このようにあらかじめ補正項を算出し、さらに実機据付調整時、上記各パラメータのファインチューニングを行うことにより、より高い精度の補正を期待することができる。現地での補正項調整方法としては、歪ゲージによるロール端伝達トルクの実測や伝達関数測定器による伝達関数の実測にて各パラメータを調整する手法が考えられる。

以上のように、この実施の形態４によれば、実施の形態１から実施の形態３により得られる効果を奏すると共に、シミュレーションによって補正項の伝達関数による補正効果の事前評価や検証を行うことで、上下ロールへの伝播トルクの不一致の補正効果を一層高くすることができる。

なお、実施の形態１においては、上電動機速度基準ＳＰ１の後段に上下軸系アンバランス補正部１９を配置する実施の形態を説明し、また、実施の形態２においては、上下軸系アンバランス補正部１９を、上電動機速度フィードバックループ内に配置する実施の形態を説明したが、この発明は、上下軸系アンバランス補正部１９を、下ロール駆動系２２において上記と同様箇所に配置してもよく、また、上ロール駆動系２１及び下ロール駆動系２２の両者において上記と同様箇所に配置してもよい。更にまた、上記各実施の形態においては、この発明をトップフォワード方式の圧延機における圧延ロール電動機の駆動装置に適用した実施の形態について図示説明したが、ボトムフォワード方式の圧延機における圧延ロール電動機の駆動装置に適用してもよく、諸種の設計的変更を含むものである。

この発明は、上下圧延ロールを別々の電動機で駆動するツインドライブ方式圧延機の圧延ロール電動機の駆動装置に利用できる。

Claims (6)

1. 上下圧延ロールをそれぞれ上電動機及び下電動機で駆動し、上記上電動機または上記下電動機のどちらかを他方より圧延材側へ配置する圧延機に用いられる圧延ロール電動機の駆動装置において、
   上記上電動機を制御する上電動機制御部と上記下電動機を制御する下電動機制御部のいずれか一方もしくは両方に、上記上下圧延ロールへの伝播トルクの不一致を補正する上下軸系アンバランス補正部を備えたことを特徴とする圧延ロール電動機の駆動装置。
2. 上記上電動機制御部を、上記上電動機実速度と上記上電動機速度基準の偏差を入力し、上記上電動機トルク基準を得る上電動機速度制御器と、上記上電動機実速度と上記上電動機速度基準の偏差が零になるように上記上電動機のトルクを制御する上電動機トルク制御手段と、から構成すると共に、
   上記下電動機制御部を、上記下電動機実速度と上記下電動機速度基準の偏差を入力し、上記下電動機トルク基準を得る下電動機速度制御器と、上記下電動機実速度と上記下電動機速度基準の偏差が零になるように上記下電動機のトルクを制御する下電動機トルク制御手段と、から構成し、
   上記上下軸系アンバランス補正部を、上記上電動機制御部と上記下電動機制御部のいずれか一方もしくは両方の前段に備えたことを特徴とする請求項１記載の圧延ロール電動機の駆動装置。
3. 上記上電動機制御部を、上記上電動機実速度と上記上電動機速度基準の偏差を入力し、上記上電動機トルク基準を得る上電動機速度制御器と、上記上電動機実速度と上記上電動機速度基準の偏差が零になるように上記上電動機のトルクを制御する上電動機トルク制御手段と、から構成すると共に、
   上記下電動機制御部を、上記下電動機実速度と上記下電動機速度基準の偏差を入力し、上記下電動機トルク基準を得る下電動機速度制御器と、上記下電動機実速度と上記下電動機速度基準の偏差が零になるように上記下電動機のトルクを制御する下電動機トルク制御手段と、から構成し、
   上記上下軸系アンバランス補正部を、上記上電動機制御部と上記下電動機制御部のいずれか一方もしくは両方の速度制御ループ内に備えたことを特徴とする請求項１記載の圧延ロール電動機の駆動装置。
4. 上記上電動機および上記下電動機のトルク電流基準から演算されるアンバランス補正量をトルク電流基準へ直接加算することにより、上記上下電動機の負荷アンバランスを抑制する負荷バランス演算部を備え、
   上記負荷バランス演算部を、上記上下軸系アンバランス補正部の前段に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧延ロール電動機の駆動装置。
5. 上記上下軸系アンバランス補正部は、上記上電動機から上記上圧延ロールまでからなる上ロール軸系及び上記下電動機から上記下圧延ロールまでからなる下ロール軸系を近似的に表現するばね・質量系の物理パラメータを用いて、上記上下圧延ロールへの伝播トルクの不一致を補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧延ロール電動機の駆動装置。
6. 上記上下ロール軸系を近似的に表現する上記ばね・質量系は、２質点系であることを特徴とする請求項５に記載の圧延ロール電動機の駆動装置。

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