JP5223470B2 - Electric motor control device - Google Patents
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Description
この発明は、電動機制御を行う負荷追従型の制御装置に関するものである。 The present invention relates to a load following control device that performs electric motor control.
一般に、電動機制御は、モータの速度を制御する速度制御機能や、モータ電流を制御する電流制御機能を備えたドライブ制御装置によって行われる。鉄鋼圧延及びプロセス設備においてストリップ圧延や通板に使用される電動機は、安定操業の観点から、このドライブ制御装置によって所望の速度に精度良く制御される必要がある。
ドライブ制御装置による従来の電動機制御では、負荷に関係なく安定した運転が可能となるように、制御ゲインが固定値で設定されていた。一方、最近では、負荷が変動しても、要求する速度応答を得ることができる速度制御技術がいくつか提案されている。
In general, motor control is performed by a drive control device having a speed control function for controlling the speed of a motor and a current control function for controlling a motor current. An electric motor used for strip rolling and threading in steel rolling and process equipment needs to be accurately controlled to a desired speed by this drive control device from the viewpoint of stable operation.
In the conventional motor control by the drive control device, the control gain is set at a fixed value so that stable operation is possible regardless of the load. On the other hand, recently, several speed control techniques that can obtain a requested speed response even when the load fluctuates have been proposed.
例えば、従来技術として、下記特許文献1に記載されたものがある。特許文献1記載のものでは、運転時の機械負荷の慣性モーメントの変化に着目し、この慣性モーメントから要求応答を得るための速度制御ゲインを逆算して求めている。そして、その求めた速度制御ゲインにより、試運転時に調整した速度制御ゲインを補正している。なお、図4は従来の電動機の制御装置を示す構成図であり、特許文献1に記載のものの具体的構成を示している。以下、図4に基づいて詳細を説明する。
For example, as a prior art, there is one described in
速度制御器(ASR:Automatic Speed Regulator)17から出力されるトルク信号τ1は、外部コントローラからの速度指令(SP_Ref)と速度検出器(SS:Speed Sensor)6から出力された電動機速度ω1との偏差に基づいて生成される。なお、ASR17では、上記入力偏差に所定のゲイン設定値を乗じ、この偏差を解消できるようにトルク信号τ1を出力する。
A torque signal τ 1 output from a speed controller (ASR: Automatic Speed Regulator) 17 includes a speed command (SP_Ref) from an external controller and a motor speed ω 1 output from a speed detector (SS: Speed Sensor) 6. It is generated based on the deviation. The
5は電動機1に流れる電流値を検出する電流検出器である。ASR17から出力されたトルク信号τ1は、電流検出器5からの電流フィードバックτIFbkが減算され、出力τTとして、電流制御器(ACR:Automatic Current Regulator)18に入力される。この出力τTは、ACR18で処理され、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の電力変換回路19に入力される。なお、上記ACR18は、速度制御応答の向上及び速度制御系の安定性を図るため、通常、電流フィードバックループを構成している。
上記ASR17においては、試運転時にゲイン調整を行い、負荷運転時に電動機1に掛かる負荷等の慣性モーメントから要求するべき応答を得るための速度制御ゲインを逆算する。そして、ASR17のゲインが、その逆算したゲインとなるように補正している。
In the
しかし、特許文献1に記載のもののように、ASR17のゲインのみを負荷等の慣性モーメントに応じて補正する場合、この速度制御系において、速度制御ゲインを一定値以上に上げることができない場合がある。この理由は、以下の通りである。
However, in the case where only the gain of the ASR 17 is corrected according to the moment of inertia such as a load, as in the case of the
一般に、電動機1と負荷機械3との速度比を可変にする目的等のため、両者を連結するトルク伝達機構4として減速機が採用されることが多い。この減速機は、通常、バックラッシュがあるため、ギアが接触している時と離れている時とでは、その機械特性が異なる。特に、ギアが離れている場合は、電動機1と負荷機械3とが絶縁されている状態になるため、速度制御系が不安定となる。また、速度制御ゲインが大き過ぎると、速度制御閉ループの応答が上がりすぎることになるため、速度制御系の不安定さが増し、ハンチング現象が発生したり、電動機1と負荷機械3とを連結する軸の剛性が低い場合にはねじり振動が発生したりする。
In general, for the purpose of making the speed ratio between the
このような問題を解決する従来技術として、例えば、下記特許文献2に記載のものが提案されている。特許文献2記載のものでは、加速及び減速電流制御系のゲインを負荷の慣性モーメントの大きさに応じて変化させている。このため、無負荷の状態、負荷がある状態、負荷が変化する状態の何れの場合においても、あらゆる負荷状態の慣性モーメントに対応して、電動機の加速及び減速時に、常に適切な加速及び減速電流を電動機に与えることが可能となる。したがって、常に、要求する応答性で電動機を制御することができるようになる。 As a conventional technique for solving such a problem, for example, a technique described in Patent Document 2 below has been proposed. In the device described in Patent Document 2, the gain of the acceleration and deceleration current control system is changed according to the magnitude of the inertia moment of the load. Therefore, in any case of no load, load, or load change, the acceleration and deceleration currents are always appropriate when accelerating and decelerating the motor, corresponding to the moment of inertia of all load conditions. Can be given to the electric motor. Therefore, the electric motor can always be controlled with the required responsiveness.
図5は従来の電動機の制御装置を示す構成図であり、特許文献2に記載のものの具体的構成を示している。即ち、図5では、図4に示す構成に、加速・減速電流演算器(FF)20が追加されており、外部コントローラからのゲイン設定値によって、加速・減速電流演算器20のゲインを補正できるように構成している。
なお、図5に示す方法の他にも、外部コントローラを用いる方法として、図6に示す構成も一般に知られている。即ち、加速及び減速に必要なトルクτaccを外部コントローラによって演算し、ASR17の出力τ1に加算する方法である。
FIG. 5 is a block diagram showing a conventional motor control device, and shows a specific configuration described in Patent Document 2. In FIG. That is, in FIG. 5, an acceleration / deceleration current calculator (FF) 20 is added to the configuration shown in FIG. 4, and the gain of the acceleration / deceleration
In addition to the method shown in FIG. 5, the configuration shown in FIG. 6 is generally known as a method using an external controller. That is, the torque τ acc required for acceleration and deceleration is calculated by an external controller and added to the output τ 1 of the
一方、下記特許文献3に記載されたものでは、上述の速度制御ゲインを上げることができない問題に対して、図7に示す構成を採用している。即ち、ドライブ制御装置23内にモデルASR21と機械系モデル22とを追加し、機械系モデル22の出力である理想速度ω0が、外部からの速度指令に追従するように制御を行う。
On the other hand, the configuration described in
具体的に、図7に示すものでは、モデルASR21から出力されるトルク信号τ0は、外部からの速度指令(SP_Ref)と上記トルク信号τ0が入力された機械系モデル22の出力である理想速度ω0との偏差に基づいて生成される。
なお、機械系モデル22は1つの積分器で構成されており、その出力である理想速度ω0は、電動機1及び負荷機械3を1つの質点とみなしたときの速度に対応する。また、モデルASR21では、P制御が行われている。この閉ループには負荷トルクがないため、速度指令と実績速度とが一致するので問題は生じない。
Specifically, in the example shown in FIG. 7, the torque signal τ 0 output from the model ASR 21 is an output of the
The
ASR17から出力されるトルク信号τ1は、速度指令SP_Refと速度検出器6から出力される電動機速度ω1との偏差に基づいて生成される。なお、このASR17では、PI制御が行われている。これは、負荷トルクがある場合の速度低下に対しては、速度指令と速度実績との偏差を積分することで補償できるためである。また、モデルASR21の出力τ0は、電動機速度ω1によって変化しないため、機械系の状態によらず速度制御の安定性が保たれる。これにより、加速及び減速時等の外部速度指令の変化による速度制御の応答性を一定に維持することができ、そのための回路を、電動機1を制御するドライブ制御装置23内だけで達成することができるようになる。
The torque signal τ 1 output from the ASR 17 is generated based on the deviation between the speed command SP_Ref and the motor speed ω 1 output from the
上述したような従来の制御装置では、機械負荷の慣性モーメントが一定の場合、速度応答は、初期に設定した速度制御が可能である。しかし、機械負荷の慣性モーメントが変化する場合においては、モデルASR21の制御ゲインを調整しない限り、電動機速度ω1の速度制御応答が変化してしまう。負荷外乱に関しては、ASR17の制御応答を上げることで対応できるが、ASR17の制御ゲインは、安定性の問題から上げることができない場合もある。
In the conventional control device as described above, when the moment of inertia of the mechanical load is constant, the speed response can be set at the initial speed. However, when the inertia moment of the mechanical load changes, the speed control response of the motor speed ω 1 changes unless the control gain of the model ASR 21 is adjusted. The load disturbance can be dealt with by increasing the control response of the
例えば、鉄鋼プロセスラインにおけるルーパキャリッジが昇降する際には、機械負荷の慣性モーメントは、ストリップを吐き出した状態の短端側に位置している場合と、ストリップを溜め込んだ状態の長端側に位置している場合とでは異なる値を示す。即ち、キャリッジの位置により速度制御系の応答が変化してしまうという問題がある。その結果、速度制御性が変化することによる張力変動の発生が問題になり、例えば、プロセス部が焼鈍炉であれば、ルーパからの張力変動が伝播して炉内張力変動を引き起こし、ストリップの蛇行やヒートバックルを発生させて生産を妨害する恐れがある。 For example, when a looper carriage moves up and down in a steel process line, the moment of inertia of the mechanical load is located on the short end side when the strip is discharged and on the long end side when the strip is accumulated. It shows a different value from the case where That is, there is a problem that the response of the speed control system changes depending on the position of the carriage. As a result, the occurrence of tension fluctuation due to changes in speed control becomes a problem. For example, if the process section is an annealing furnace, the tension fluctuation from the looper propagates to cause tension fluctuation in the furnace, causing the strip to meander. There is a risk that production may be hindered by generating heat buckles.
従来、この対策として、連続的に変化していく負荷に合わせて、外部コントローラ等からトルク指令を変化させる方式が採用されていたが、外部コントローラの制御周期とドライブ制御装置内の制御周期とは必ずしも同期しておらず、しかも外部コントローラの制御周期が遅いため、トルク補償の遅れが発生していた。
近年では、製品に対する品質の要求レベルが高くなり、また、ラインの高速化に伴いルーパ容量が大きくなっている。また、キャリッジの制御精度の要求も高くなりつつある。このため、適切な改善が必要とされている。
Conventionally, as a countermeasure, a method of changing a torque command from an external controller or the like in accordance with a continuously changing load has been adopted, but the control cycle of the external controller and the control cycle in the drive control device are Since the control period of the external controller is not always synchronized and the external controller is slow, a delay in torque compensation has occurred.
In recent years, the required level of quality for products has increased, and the looper capacity has increased with the increase in line speed. In addition, the demand for control accuracy of the carriage is increasing. For this reason, appropriate improvements are required.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、負荷機械の慣性モーメントが変化する場合でも、速度制御応答を可変にしたり、外部コントローラによりトルク補償を行ったりすることなく、速度制御系の応答を一定に保持することができ、ドライブ調整内容を簡略化できる電動機の制御装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to make the speed control response variable even when the inertial moment of the load machine changes, or to perform torque compensation by an external controller. Therefore, it is an object of the present invention to provide an electric motor control device that can keep the response of the speed control system constant and simplify the drive adjustment contents.
この発明に係る電動機の制御装置は、電動機、負荷機械、電動機及び負荷機械を機械的に連結するトルク伝達機構を1つの積分要素として近似し、理想速度を出力する機械系モデルと、電動機に流れる電流値を検出する電流検出器と、外部コントローラからの速度指令及び機械系モデルから出力された理想速度の偏差に基づいて、機械系モデルから出力された理想速度が外部コントローラからの速度指令に対して所定の応答性を有するように、トルク信号を出力する第1速度制御手段と、電動機の速度及び機械系モデルから出力された理想速度の偏差に基づいて、電動機の速度が機械系モデルから出力された理想速度に追従するように第1補償トルク信号を出力する第2速度制御手段と、負荷機械の慣性モーメントが変化した場合に、トルク信号を出力するための速度制御ゲイン及び第1補償トルク信号を出力するための速度制御ゲインを変更することなく、負荷追従するようにトルク補償を行う制御手段と、を備え、制御手段は、第1速度制御手段から出力されたトルク信号と第2速度制御手段から出力された第1補償トルク信号との合計から電流検出器からの電流フィードバックを減算した出力を電流制御器に入力し、電動機の速度と機械系モデルから出力された理想速度との速度比を電流制御器の出力に乗算するものである。
The motor control apparatus according to the present invention approximates a motor, a load machine, a torque transmission mechanism that mechanically connects the motor and the load machine as one integral element, and flows to the motor , a mechanical system model that outputs an ideal speed. Based on the current detector that detects the current value, the speed command from the external controller and the deviation of the ideal speed output from the mechanical system model, the ideal speed output from the mechanical system model is compared to the speed command from the external controller. The motor speed is output from the mechanical system model based on the first speed control means for outputting the torque signal so as to have a predetermined response and the deviation of the motor speed and the ideal speed output from the mechanical system model. The second speed control means for outputting the first compensation torque signal so as to follow the ideal speed, and the torque when the inertia moment of the load machine changes. Without changing the speed control gain to output a speed control gain and the first compensation torque signal for outputting the item, and a control means for performing torque compensated to load following, control means, first An output obtained by subtracting the current feedback from the current detector from the sum of the torque signal output from the first speed control means and the first compensation torque signal output from the second speed control means is input to the current controller. The output of the current controller is multiplied by the speed ratio between the speed and the ideal speed output from the mechanical system model .
この発明によれば、負荷機械の慣性モーメントが変化する場合でも、速度制御応答を可変にしたり、外部コントローラによりトルク補償を行ったりすることなく、速度制御系の応答を一定に保持することができ、ドライブ調整内容を簡略化できるようになる。 According to the present invention, even when the moment of inertia of the load machine changes, the speed control response can be kept constant without making the speed control response variable or performing torque compensation by an external controller. The drive adjustment contents can be simplified.
この発明をより詳細に説明するため、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。 In order to explain the present invention in more detail, it will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same or it corresponds, The duplication description is simplified or abbreviate | omitted suitably.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における電動機の制御装置を示す構成図である。図1において、1は鉄鋼圧延及びプロセス設備においてストリップ圧延や通板に使用される電動機、2はこの電動機1を駆動制御するドライブ制御装置である。3は電動機1によって駆動される負荷機械、4は電動機1と負荷機械3とを機械的に連結するトルク伝達機構である。このトルク伝達機構4は、電動機1と負荷機械3との速度比を可変にする目的等のために設置され、例えば、減速機によって構成される。
なお、電流検出器5により上記電動機1に流れる電流値が、速度検出器(SS)6により上記電動機1の速度が検出される。
FIG. 1 is a block diagram showing an electric motor control apparatus according to
The
次に、上記ドライブ制御装置2の具体的な構成について説明する。
ドライブ制御装置2は、例えば、機械系モデル7、モデルASR8、速度制御器(ASR)9、LFC(Load Following Control)10、電流制御器(ACR)11、電力変換回路12を備えている。
機械系モデル7は、電動機1と負荷機械3と減速機等のトルク伝達機構4とを1つの積分要素として近似し、理想速度ω0を出力する。即ち、上記理想速度ω0は、電動機1、負荷機械3、トルク伝達機構4を1つの質点とみなした時の速度である。
Next, a specific configuration of the drive control device 2 will be described.
The drive control device 2 includes, for example, a
モデルASR(第1速度制御手段)8は、外部コントローラ(図示せず)からの速度指令(SP_Ref)と、機械系モデル7から出力された理想速度ω0との偏差を入力として、上記理想速度ω0が外部コントローラからの速度指令SP_Refに対して所望の応答性を有するように、トルク信号τ0を出力する。なお、モデルASR8の出力であるトルク信号τ0が、上記機械系モデル7の入力となる。また、モデルASR8では、P制御が行われている。
The model ASR (first speed control means) 8 receives the deviation between the speed command (SP_Ref) from an external controller (not shown) and the ideal speed ω 0 output from the
ASR(第2速度制御手段)9は、速度検出器6によって検出された電動機速度ω1と、機械系モデル7から出力された理想速度ω0との偏差を入力として、上記電動機速度ω1が上記理想速度ω0に追従するように、補償トルク信号τ1を出力する。なお、このASR9では、PI制御が行われている。これは、負荷トルクがある場合の速度低下に対しては、速度指令と速度実績との偏差を積分することによって補償できるためである。
The ASR (second speed control means) 9 receives a deviation between the motor speed ω 1 detected by the
また、上記ドライブ制御装置2には、上記負荷機械3の慣性モーメントが変化した場合に、トルク信号τ0を出力するための速度制御ゲインと補償トルク信号τ1を出力するための速度制御ゲインとを変更することなく、負荷追従するようにトルク補償を行う機能が備えられている。
以下に、上記機能を実現するための具体的構成(制御手段)について説明する。
The drive control device 2 includes a speed control gain for outputting the torque signal τ 0 and a speed control gain for outputting the compensation torque signal τ 1 when the inertia moment of the
A specific configuration (control means) for realizing the above function will be described below.
LFC10は、速度検出器6によって検出された電動機速度ω1と機械系モデル7から出力された理想速度ω0との偏差を入力として、負荷機械3の慣性モーメントが変化した場合でも負荷追従するような補償トルク信号τ2を出力する。そして、LFC10から出力された補償トルク信号τ2は、モデルASR8から出力されたトルク信号τ0と、ASR9から出力された補償トルク信号τ1との合計に加算される。なお、上記LFC10では、P制御が行われる。
The
例えば、負荷機械3の慣性モーメントが、速度制御応答を調整した際の慣性モーメントよりも大きくなる場合、電動機速度ω1は理想速度ω0に対して遅れるため、LFC10からは正の補償トルク信号τ2が出力される。この結果、正の補償トルク信号τ2がトルク信号τ0と補償トルク信号τ1との合計に加算され、電動機速度ω1を理想速度ω0に追従させることができるようになる。なお、トルク信号τ0は、上述のように速度制御ゲインを上げることができない。このため、上記LFC10を備えていない場合には、電動機速度ω1が理想速度ω0に追従するまでに遅れが生じてしまうことになる。
For example, when the moment of inertia of the
そして、トルク信号τ0と補償トルク信号τ1との合計に補償トルク信号τ2が加算されたものから更に電流検出器5からの電流フィードバックτIFbkが減算され、その出力τTがACR11に入力される。その後、出力τTはACR11で処理され、IGBT等の電力変換回路12に入力される。
Then, the current feedback τ IFbk from the
この発明の実施の形態1によれば、負荷機械3の慣性モーメントが変化する場合でも、速度制御応答を可変にしたり、外部コントローラによりトルク補償を行ったりすることなく、速度制御系の応答を一定に保持することができ、ドライブ調整内容を簡略化できるようになる。
According to the first embodiment of the present invention, even when the inertia moment of the
実施の形態2.
図2はこの発明の実施の形態2における電動機の制御装置を示す構成図である。図2に示すドライブ制御装置2では、除算器13、乗算器14、回路切替スイッチ15を備えることにより、実施の形態1と同様の機能を確保している。
Embodiment 2. FIG.
2 is a block diagram showing an electric motor control apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the drive control device 2 shown in FIG. 2, the same function as that of the first embodiment is ensured by including the
具体的に、除算器13は、速度検出器6によって検出された電動機速度ω1と機械系モデル7から出力された理想速度ω0との速度比τ3を出力する。そして、除算器13から出力された速度比τ3は、乗算器14により、ACR16で処理された値に乗算される。なお、ACR16には、モデルASR8から出力されたトルク信号τ0とASR9から出力された補償トルク信号τ1との合計から電流フィードバックτIFbkを減算した出力τTが入力され、この出力τTがACR16で処理される。
Specifically, the
例えば、負荷機械3の慣性モーメントが、速度制御応答を調整した際の慣性モーメントよりも大きくなる場合、電動機速度ω1は理想速度ω0に対して遅れるため、除算器13から出力される速度比τ3は1よりも大きくなる。そして、この速度比τ3をACR16で処理された値に乗算することによって、電動機速度ω1を理想速度ω0に追従させることができるようになる。
For example, when the inertia moment of the
なお、除算器13において、電動機速度ω1を分母にする場合、電動機1が停止している状態では分母に0が入力されるため、ACR16で処理された値に無限大が乗算されてしまう。上記回路切替スイッチ15は、かかる不具合を解消するために備えられたものである。図3は図2に示す回路切替スイッチの動作フローを示す図であり、入力される電動機速度ω1の値によって、除算器13から出力される速度比τ3の値を調整する機能を示している。即ち、電動機速度ω1が所定速度未満の場合は速度比τ3=1とし、所定速度以上の場合は速度比τ3=ω0/ω1として出力する。かかる場合、電動機速度ω1の状態によってトルクを増幅させる制御が行われるようになる。
In the
1 電動機
2、23 ドライブ制御装置
3 負荷機械
4 トルク伝達機構
5 電流検出器
6 速度検出器(SS)
7、22 機械系モデル
8、21 モデルASR
9、17 速度制御器(ASR)
10 LFC
11、16、18 電流制御器(ACR)
12、19 電力変換回路
13 除算器
14 乗算器
15 回路切替スイッチ
20 加速・減速電流演算器(FF)
DESCRIPTION OF
7, 22
9, 17 Speed controller (ASR)
10 LFC
11, 16, 18 Current controller (ACR)
12, 19
Claims (2)
前記電動機に流れる電流値を検出する電流検出器と、
外部コントローラからの速度指令及び前記機械系モデルから出力された理想速度の偏差に基づいて、前記機械系モデルから出力された理想速度が前記外部コントローラからの速度指令に対して所定の応答性を有するように、トルク信号を出力する第1速度制御手段と、
前記電動機の速度及び前記機械系モデルから出力された理想速度の偏差に基づいて、前記電動機の速度が前記機械系モデルから出力された理想速度に追従するように第1補償トルク信号を出力する第2速度制御手段と、
前記負荷機械の慣性モーメントが変化した場合に、前記トルク信号を出力するための速度制御ゲイン及び前記第1補償トルク信号を出力するための速度制御ゲインを変更することなく、負荷追従するようにトルク補償を行う制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第1速度制御手段から出力されたトルク信号と前記第2速度制御手段から出力された第1補償トルク信号との合計から前記電流検出器からの電流フィードバックを減算した出力を電流制御器に入力し、前記電動機の速度と前記機械系モデルから出力された理想速度との速度比を前記電流制御器の出力に乗算することを特徴とする電動機の制御装置。 A mechanical system model that approximates an electric motor, a load machine, a torque transmission mechanism that mechanically connects the electric motor and the load machine as one integral element, and outputs an ideal speed;
A current detector for detecting a current value flowing through the electric motor;
Based on the speed command from the external controller and the deviation of the ideal speed output from the mechanical system model, the ideal speed output from the mechanical system model has a predetermined response to the speed command from the external controller. First speed control means for outputting a torque signal,
Based on the speed of the motor and the deviation of the ideal speed output from the mechanical system model, a first compensation torque signal is output so that the speed of the motor follows the ideal speed output from the mechanical system model. Two speed control means;
Torque to follow the load without changing the speed control gain for outputting the torque signal and the speed control gain for outputting the first compensation torque signal when the moment of inertia of the load machine changes. Control means for performing compensation;
Equipped with a,
The control means outputs an output obtained by subtracting the current feedback from the current detector from the sum of the torque signal output from the first speed control means and the first compensation torque signal output from the second speed control means. An electric motor control apparatus, wherein the electric motor controller is inputted to a current controller, and an output of the current controller is multiplied by a speed ratio between the speed of the electric motor and an ideal speed outputted from the mechanical system model .
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