JP5962194B2 - リバース圧延用電動機の駆動システム - Google Patents

Description

この発明は、リバース圧延用電動機の駆動システムに関するものである。

リバース圧延で利用される同期電動機は、インバータ６に駆動される。インバータは、ベクトル制御される。ベクトル制御においては、同期電動機の回転角を検出する必要がある。当該検出には、レゾルバが利用される。レゾルバによる回転角の検出結果は、環境温度により変化する。

そこで、温度ドリフト補償を備えた駆動装置が提案されている。当該駆動装置によれば、環境温度が変化しても、回転角の検出を補正し得る（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−９１２６９号公報

しかしながら、特許文献１記載のものは、レゾルバの外線ケーブル等の温度変化を考慮していない。このため、補正の精度が低い。従って、特許文献１記載のものをトルク電流制限にかかるような高負荷圧延に代表されるリバース圧延用の同期電動機に適用すると、同じトルク基準に対し、一方向の回転時と他方向の回転時とで実際のトルクがアンバランスとなる。その結果、トルク不足となる。また、インバータの制御が不安定になったり、トリップが発生したりする。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、環境温度が変化しても、同期電動機を安定して制御することができるリバース圧延用電動機の駆動システムを提供することである。

この発明に係るリバース圧延用電動機の駆動システムは、リバース圧延用の同期電動機を駆動するインバータと、前記同期電動機の回転角を検出するレゾルバと、前記レゾルバが検出した回転角に基づいて、前記同期電動機の実速度を検出する速度検出器と、速度基準と前記同期電動機の実速度とに基づいて、トルク基準を演算する速度制御器と、前記トルク基準を内部相差角に変換する電流制御器と、前記同期電動機に流れる一次電流と前記レゾルバが検出した回転角とに基づいて、前記同期電動機の二次磁束に沿ったｄ軸の成分と前記ｄ軸に直交するｑ軸の成分とを演算する変換器と、前記ｄ軸の成分と前記ｑ軸の成分とに基づいて、前記同期電動機の内部相差角を演算する磁束演算器と、前記電流制御器により変換された内部相差角と前記磁束演算器により演算された内部相差角とから得られた電圧基準に基づいて、前記インバータを制御する電圧制御器と、前記同期電動機の一方向への回転及び他方向への回転の加速時における電気角に基づいて、前記変換器が前記ｄ軸の成分と前記ｑ軸の成分とを演算する際に用いる前記レゾルバからの回転角を補正する補正器と、を備えたものである。

この発明によれば、環境温度が変化しても、同期電動機を安定して制御することができる。

この発明の実施の形態１におけるリバース圧延用電動機の駆動システムが利用されるリバース圧延機の構成図である。 この発明の実施の形態１におけるリバース圧延用電動機の駆動システムのブロック図である。 この発明の実施の形態１におけるリバース圧延用電動機の駆動システムが利用されるリバース圧延機の速度基準とトルク基準のタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２におけるリバース圧延用電動機の駆動システムのブロック図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。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。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるリバース圧延用電動機の駆動システムが利用されるリバース圧延機の構成図である。

図１において、１は加熱炉である。加熱炉１の出側には、少なくとも１つの粗圧延機２が配置される。粗圧延機２は、同期電動機２ａを備える。粗圧延機２の出側には、仕上圧延機３が配置される。仕上圧延機３は、複数の仕上スタンドを備える。仕上圧延機３の出側には、巻取り機４が配置される。仕上圧延機３と巻取り機４との間には、切断機５が配置される。

当該リバース圧延機においては、加熱炉１が圧延材を抽出する。その後、粗圧延機２が圧延材を正方向に圧延する。この際、同期電動機２ａは一方向に回転する。その後、粗圧延機２が圧延材を逆方向に圧延（リバース圧延）する。この際、同期電動機２ａは一方向とは逆方向となる他方向に回転する。粗圧延機２での圧延後、仕上圧延機３が圧延材を製品板厚まで圧延する。その後、巻取り機４が圧延材をコイル状に巻き取る。この際、切断機５は、圧延材を切断する際に適宜利用される。

次に、同期電動機２ａの駆動システムを説明する。
図２はこの発明の実施の形態１におけるリバース圧延用電動機の駆動システムのブロック図である。

６はインバータ（電力変換器）である。インバータ６は、同期電動機２ａを駆動する回路である。７はレゾルバ（回転角センサ）である。レゾルバ７は、同期電動機２ａの回転角θを検出する機能を備える。８は速度検出器である。速度検出器８は、レゾルバ７検出した回転角θに基づいて、同期電動機２ａの実速度ωを検出する回路である。

９は速度制御器である。速度制御器９は、速度基準ω_ｒと同期電動機２ａの実速度ωとの差から求まる速度偏差をトルク基準Ｔに変換する回路である。１０は有効電流制御器１０である。有効電流制御器１０は、トルク基準Ｔを内部相差角Δθに変換する回路である。

１１は３相／ｄｑ軸変換器である。３相／ｄｑ軸変換器１１は、同期電動機２ａに流れる一次電流とレゾルバ７が検出した回転角θとを、同期電動機２ａの二次磁束に沿ったｄ軸の成分Ｉｄとｄ軸に直交するｑ軸の成分Ｉｑとに座標変換する回路である。１２は磁束演算器である。磁束演算器１２は、成分Ｉｄ及び成分Ｉｑを内部相差角δに変換する回路である。

１３は極／３相変換器である。極／３相変換器１３は、内部相差角Δθと内部相差角δとを３相に変換する回路である。１４は制御器（電圧制御器）である。制御器は、電圧基準を最小基準に補正して、インバータ６を制御する回路である。

１５はサンプリング回路である。サンプリング回路１５は、同期電動機２ａの一方向への回転及び他方向への回転の加速時において、トルク基準Ｔを取得する回路である。１６はメモリ回路である。メモリ回路１６は、サンプリング回路１５が取得したトルク基準Ｔを記憶する回路である。

１７はΔＴ回路である。ΔＴ回路１７は、メモリ回路１６に記憶されたトルク基準Ｔに基づいて、同期電動機２ａの一方向への回転及び他方向への回転の加速時におけるトルク基準の差ΔＴを演算する回路である。１８はΔＴリミット制限回路である。ΔＴリミット制限回路１８は、トルク基準の差ΔＴが所定範囲外の場合に、差ΔＴを０とする回路である。

１９は演算回路である。演算回路１９は、トルク基準の差ΔＴに所定のゲインｇを乗じた電気角を算出する回路である。２０はΔθ補正器である。Δθ補正器２０は、レゾルバ７が検出した回転角を演算回路１９が算出した電気角で補正して、３相／ｄｑ軸変換器１１にフィードバックする回路である。

次に、図３を用いて、レゾルバ７からの回転角の補正方法を説明する。
図３はこの発明の実施の形態１におけるリバース圧延用電動機の駆動システムが利用されるリバース圧延機の速度基準とトルク基準のタイミングチャートである。

図３の上段は、速度基準ω_ｒのタイミングチャートである。図３の下段は、トルク基準Ｔのタイミングチャートである。

図３に示すように、所定時間になると、速度基準ω_ｒは、０から一定の増加率で変化する。当該増加率に基づいて、速度制御器９は、トルク基準Ｔを演算する。この際、トルク基準Ｔは、速度基準ω_ｒの増加率に応じた一定値となる。当該トルク基準Ｔに基づいて、同期電動機２ａは、一定の加速度で一方向に回転する。この場合、同期電動機２ａの速度は、速度基準ω_ｒに追従する。その後、速度基準ω_ｒは一定値となる。この際、トルク基準Ｔは０となる。

その後、速度基準ω_ｒは、一定の増加率で変化する。当該増加率に基づいて、速度制御器９は、トルク基準Ｔを演算する。この際、トルク基準Ｔは、速度基準ω_ｒの増加率に応じた一定値となる。当該トルク基準Ｔに基づいて、同期電動機２ａは、一定の加速度で一方向に回転する。この場合、同期電動機２ａの速度は、速度基準ω_ｒに追従する。その後、速度基準ω_ｒは最高値となる。この際、トルク基準Ｔは０となる。

その後、速度基準ω_ｒは、一定の減少率で変化する。当該減少率に基づいて、速度制御器９は、トルク基準Ｔを演算する。この際、トルク基準Ｔは、速度基準ω_ｒの減少率に応じた一定値となる。当該トルク基準Ｔに基づいて、同期電動機２ａは、一定の減速度で一方向に回転する。この場合、同期電動機２ａの速度は、速度基準ω_ｒに追従する。その後、速度基準ω_ｒは一定値となる。この際、トルク基準Ｔは０となる。

その後、速度基準ω_ｒは、一定の減少率で変化する。当該減少率に基づいて、速度制御器９は、トルク基準Ｔを演算する。この際、トルク基準Ｔは、速度基準ω_ｒの減少率に応じた一定値となる。当該トルク基準Ｔに基づいて、同期電動機２ａは、一定の減速度で一方向に回転する。この場合、同期電動機２ａの速度は、速度基準ω_ｒに追従する。その後、速度基準ω_ｒは０となる。この際、トルク基準Ｔは０となる。

その後、速度基準ω_ｒは、一定の減少率で変化する。当該減少率に基づいて、速度制御器９は、トルク基準Ｔを演算する。この際、トルク基準Ｔは、速度基準ω_ｒの減少率に応じた一定値となる。当該トルク基準Ｔに基づいて、同期電動機２ａは、一定の加速度で他方向に回転する。この場合、同期電動機２ａの速度は、速度基準ω_ｒに追従する。その後、速度基準ω_ｒは一定値となる。この際、トルク基準Ｔは０となる。

その後、速度基準ω_ｒは、一定の減少率で変化する。当該減少率に基づいて、速度制御器９は、トルク基準Ｔを演算する。この際、トルク基準Ｔは、速度基準ω_ｒの減少率に応じた一定値となる。当該トルク基準Ｔに基づいて、同期電動機２ａは、一定の加速度で他方向に回転する。この場合、同期電動機２ａの速度は、速度基準ω_ｒに追従する。その後、速度基準ω_ｒは最低値となる。この際、トルク基準Ｔは０となる。

その後、速度基準ω_ｒは、一定の増加率で変化する。当該増加率に基づいて、速度制御器９は、トルク基準Ｔを演算する。この際、トルク基準Ｔは、速度基準ω_ｒの増加率に応じた一定値となる。当該トルク基準Ｔに基づいて、同期電動機２ａは、一定の減速度で他方向に回転する。この場合、同期電動機２ａの速度は、速度基準ω_ｒに追従する。その後、速度基準ω_ｒは一定値となる。この際、トルク基準Ｔは０となる。

機械構成上、理想的には、同期電動機２ａの一方向の回転時及び他方向の回転時において、速度基準ω_ｒの変化率が同一であれば、トルク基準Ｔも同一の値となる。

しかしながら、温度変化により、レゾルバ７が検出する回転角は、同期電動機の一方向の回転時と他方向の回転時とで異なる。その結果、トルク基準Ｔも異なる値となる。

そこで、本実施の形態においては、同期電動機２ａの一方向への回転及び他方向への回転の加速時におけるトルク基準Ｔに基づいて、レゾルバ７からの回転角を補正する。以下、レゾルバ７からの回転角の補正方法を具体的に説明する。

まず、サンプリング回路１５は、前パスの無負荷時にトルク基準Ｔを取得する。具体的には、サンプリング回路１５は、速度基準ω_ｒが０から一定の増加率で変化している間に、トルク基準Ｔを複数回サンプリングする。当該サンプリングのタイミングは、タイマ等で管理される。取得されたトルク基準Ｔは、メモリ回路１６に記憶される。

サンプリング回路１５は、次パスの無負荷時にトルク基準Ｔを取得する。具体的には、サンプリング回路１５は、速度基準ω_ｒが０から一定の減少率で変化している間に、トルク基準Ｔを複数回サンプリングする。当該サンプリングのタイミングは、タイマ等で管理される。取得されたトルク基準Ｔは、メモリ回路１６に記憶される。

ΔＴ回路１７は、前パスの無負荷時のトルク基準Ｔの絶対値の平均値と次パスの無負荷時のトルク基準Ｔの絶対値の平均値との差ΔＴを演算する。

ΔＴリミット制限回路１８は、差ΔＴが所定の閾値よりも大きいか否かを判定する。差ΔＴが閾値よりも大きい場合、ΔＴリミット回路は、差ΔＴを０として出力する。これに対し、差ΔＴが閾値よりも小さい場合は、ΔＴリミット回路は、差ΔＴを出力する。

演算回路１９は、ΔＴリミット回路が出力した差ΔＴと電気角の相関関係に基づいて、当該ΔＴに所定のゲインｇを乗じて、電気角を算出する。Δθ補正器２０は、レゾルバ７が算出した回転角を演算回路１９が算出した電気角で補正して、３相／ｄｑ軸変換器１１にフィードバックする。

以上で説明した実施の形態１によれば、同期電動機２ａの一方向への回転及び他方向への回転の加速時における電気角に基づいて、レゾルバ７からの回転角が補正される。具体的には、速度制御器９が演算するトルク基準Ｔの絶対値の差に所定のゲインを乗じて算出された電気角に基づいて、レゾルバ７からの回転角がパス毎に補正される。このため、環境温度が変化しても、レゾルバ７の巻き線や外線ケーブルのインピーダンス変化を補償することができる。その結果、同期電動機２ａを安定して制御することができる。すなわち、同期電動機２ａの一方向への回転及び他方向への回転のトルクアンバランスが補償される。その結果、同期電動機２ａにおいて、最大トルクの減少によるストール等の影響を受けずに、安定したトルク出力特性を得ることができる。

また、同期電動機２ａが無負荷のときに得られた電気角に基づいて、レゾルバ７からの回転角が補正される。さらに、同期電動機２ａの一方向への回転及び他方向への回転の加速度が一定のときに得られた電気角に基づいて、レゾルバ７からの回転角が補正される。このため、過渡的な状態を排除し、精度良く、レゾルバ７からの回転角を補正することができる。従って、同期電動機２ａに取り付けられたローラが圧延材を噛み込んでいない状態のトルク基準Ｔを用いれば、リバース圧延機が稼働中であっても、精度良く、レゾルバ７からの回転角を補正することができる。

また、同期電動機２ａの一方向への回転及び他方向への回転の加速時における電気角の差が所定範囲外のとき、レゾルバ７からの回転角は補正されない。このため、機械故障等により補正を行うことが好ましくない場合に、補正を行うことを防止できる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２におけるリバース圧延用電動機の駆動システムのブロック図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態１においては、サンプリング回路１５、メモリ回路１６、ΔＴ回路１７、ΔＴリミット制限回路１８、演算回路１９、Δθ補正器２０が設けられていた。一方、実施の形態２においては、サンプリング回路２１、メモリ回路２２、Δθ回路２３、Δθリミット制限回路２４、Δθ補正器２５が設けられる。

サンプリング回路２１は、同期電動機２ａの一方向への回転及び他方向への回転の加速時において、磁束演算器１２が出力した内部相差角δを取得する回路である。メモリ回路２２は、サンプリング回路２１が取得した内部相差角δを記憶する回路である。

Δθ回路２３は、メモリ回路２２に記憶された内部相差角δに基づいて、同期電動機２ａの一方向への回転及び他方向への回転の加速時における内部相差角δの平均を演算する回路である。Δθ制限回路は、内部相差角δの平均が所定範囲外の場合に、内部相差角δの平均を０とする回路である。

Δθ補正器２５は、レゾルバ７が検出した回転角をΔθリミット制限回路２４が出力した内部相差角δの平均で補正して、３相／ｄｑ軸変換器１１にフィードバックする回路である。

以上で説明した実施の形態２によれば、トルク基準Ｔと電気角との相関関係を考慮する必要がない。このため、演算回路１９を用いることなく、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

１ 加熱炉
２ 粗圧延機
２ａ 同期電動機
３ 仕上圧延機
４ 巻取り機
５ 切断機
６ インバータ
７ レゾルバ
８ 速度検出器
９ 速度制御器
１０ 有効電流制御器
１１ ３相／ｄｑ軸変換器
１２ 磁束演算器
１３ 極／３相変換器
１４ 制御器
１５ サンプリング回路
１６ メモリ回路
１７ ΔＴ回路
１８ ΔＴリミット制限回路
１９ 演算回路
２０ Δθ補正器
２１ サンプリング回路
２２ メモリ回路
２３ Δθ回路
２４ Δθリミット制限回路
２５ Δθ補正器

Claims (6)

1. リバース圧延用の同期電動機を駆動するインバータと、
   前記同期電動機の回転角を検出するレゾルバと、
   前記レゾルバが検出した回転角に基づいて、前記同期電動機の実速度を検出する速度検出器と、
   速度基準と前記同期電動機の実速度とに基づいて、トルク基準を演算する速度制御器と、
   前記トルク基準を内部相差角に変換する電流制御器と、
   前記同期電動機に流れる一次電流と前記レゾルバが検出した回転角とに基づいて、前記同期電動機の二次磁束に沿ったｄ軸の成分と前記ｄ軸に直交するｑ軸の成分とを演算する変換器と、
   前記ｄ軸の成分と前記ｑ軸の成分とに基づいて、前記同期電動機の内部相差角を演算する磁束演算器と、
   前記電流制御器により変換された内部相差角と前記磁束演算器により演算された内部相差角とから得られた電圧基準に基づいて、前記インバータを制御する電圧制御器と、
   前記同期電動機の一方向への回転及び他方向への回転の加速時における電気角に基づいて、前記変換器が前記ｄ軸の成分と前記ｑ軸の成分とを演算する際に用いる前記レゾルバからの回転角を補正する補正器と、
   を備えたことを特徴とするリバース圧延用電動機の駆動システム。
2. 前記補正器は、前記同期電動機の一方向への回転及び他方向への回転の加速時において前記速度制御器が演算するトルク基準の絶対値の差に所定のゲインを乗じて算出された電気角に基づいて、前記レゾルバからの回転角を補正することを特徴とする請求項１記載のリバース圧延用電動機の駆動システム。
3. 前記補正器は、前記同期電動機の一方向への回転及び他方向への回転の加速時において前記磁束演算器が演算する前記同期電動機の内部相差角の平均に基づいて、前記レゾルバからの回転角を補正することを特徴とする請求項１記載のリバース圧延用電動機の駆動システム。
4. 前記補正器は、前記同期電動機が無負荷のときに得られた電気角に基づいて、前記レゾルバからの回転角を補正することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のリバース圧延用電動機の駆動システム。
5. 前記補正器は、前記同期電動機の一方向への回転及び他方向への回転の加速度が一定のときに得られた電気角に基づいて、前記レゾルバからの回転角を補正することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のリバース圧延用電動機の駆動システム。
6. 前記補正器は、前記同期電動機の一方向への回転及び他方向への回転の加速時における電気角の差が所定範囲外のときに、前記レゾルバからの回転角を補正しないことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のリバース圧延用電動機の駆動システム。

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