JP6042124B2 - 2-inertia speed controller - Google Patents
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Description
この発明は、改良された2慣性系の外乱オブザーバ及びこれを用いた速度制御装置に関する。 The present invention relates to an improved two-inertia disturbance observer and a speed control apparatus using the same.
鉄鋼プラントの圧延機などを駆動する産業用の電動機の速度制御装置においては、電動機の回転子と圧延機を機械的に結合する駆動軸にねじり振動が発生することが知られている。これは、電動機の回転子と圧延ロールが各々慣性モーメントを有し、駆動軸の剛性が十分でない場合に生じる2慣性系のねじり振動である。 In a speed control device for an industrial electric motor that drives a rolling mill or the like of a steel plant, it is known that torsional vibration is generated in a drive shaft that mechanically connects the rotor of the electric motor and the rolling mill. This is a torsional vibration of a two-inertia system that occurs when the rotor and rolling roll of the electric motor each have a moment of inertia and the drive shaft has insufficient rigidity.
このような2慣性系のねじり振動を抑制するためには、例えば圧延機に回転センサーを取り付け、この信号を用いて制御を行うことが考えられるが、現実には圧延ロールに回転センサーを取り付けることは構造上、またメンテナンス上極めて困難である。 In order to suppress such torsional vibration of the two-inertia system, for example, it is conceivable to attach a rotation sensor to the rolling mill and perform control using this signal, but in reality, a rotation sensor is attached to the rolling roll. Is extremely difficult in terms of structure and maintenance.
このような状況で、2慣性系のねじり振動を抑制するための一手法として、状態オブザーバを用いて2慣性系の定数及び検出可能な状態量から圧延ロールの回転速度などの状態量を推定し、この推定値を用いるものがある。この定型的なものは、制御対象と同一次元の状態オブザーバを設け、制御対象と状態オブザーバに同一の入力を与えたとき、両者の出力が同一となるようなフィードバック制御を組み込むことによって状態オブザーバから所望の状態量を推定するように構成されている。(例えば、非特許文献1参照。)。 In such a situation, as a technique for suppressing the torsional vibration of the two-inertia system, the state quantity such as the rotation speed of the rolling roll is estimated from the constant of the two-inertia system and the detectable state quantity using the state observer. Some use this estimated value. This typical one is a state observer of the same dimension as the controlled object, and incorporates feedback control so that both outputs are the same when the same input is given to the controlled object and the state observer. It is configured to estimate a desired state quantity. (For example, refer nonpatent literature 1.).
非特許文献1に示されている状態オブザーバは、外乱がない、あるいは外乱があってもその変動が少ない場合には的確に状態量を推定することが可能である。しかしながら、圧延機の圧延ロールに圧延材が噛み込むような所謂負荷外乱が発生すると、その影響で正しく状態量を推定することが困難となる。 The state observer shown in Non-Patent Document 1 can accurately estimate the state quantity when there is no disturbance or there is little fluctuation even when there is a disturbance. However, when a so-called load disturbance occurs such that the rolling material is caught in the rolling roll of the rolling mill, it is difficult to estimate the state quantity correctly due to the influence.
本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、負荷外乱があっても精度良く状態量を推定することを可能とする2慣性系の外乱オブザーバ、及びこれを用いて推定した状態量に基づいてねじり振動を抑制することが可能な2慣性系の速度制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a two-inertia disturbance observer capable of accurately estimating a state quantity even when there is a load disturbance, and a state quantity estimated using the same. It is an object of the present invention to provide a two-inertia speed control device capable of suppressing torsional vibrations.
上記目的を達成するために、本発明は以下を特徴としている。
In order to achieve the above object, the present invention is characterized by the following .
本発明の2慣性系の速度制御装置は、電力変換器と、この電力変換器によって駆動される電動機の回転子と負荷とが駆動軸で結合された制御対象を制御する制御装置から成る2慣性系の速度制御装置であって、前記制御装置は、前記制御対象を、電動機トルク及び外乱トルクを入力とし、電動機速度と負荷速度を出力とする制御ブロック図で表したものと同一の制御ブロックから成る状態オブザーバと、前記状態オブザーバに推定外乱トルクを与える外乱オブザーバと、前記推定負荷速度が速度指令に一致するようにフィードバック制御する積分制御器と、前記電動機トルク及び前記状態オブザーバから得られた状態量を重み付け加算した帰還量が前記積分制御器の出力に一致するようにフィードバック制御して電流基準を出力する比例制御器と、前記電力変換器の出力電流が前記電流基準に一致するようにフィードバック制御して前記電力変換器の電圧基準を出力する電流制御器とを具備し、前記外乱オブザーバは、前記電動機トルクに第1の伝達関数を乗算し、この乗算結果から電動機の回転速度に第2の伝達関数を乗算した値を減算し、この減算結果を3次以上のフィルタでフィルタリングして前記推定外乱トルクを求める構成とすると共に、前記第1及び第2の伝達関数は、前記電動機トルクと外乱トルクから電動機速度を求める2慣性系の伝達関数から外乱トルクを逆算して求めるようにし、前記状態量は、電動機の推定回転速度、駆動軸の推定ねじれ角、負荷の推定回転速度であり、これら状態量の重み付けゲイン、前記電動機トルクの重み付けゲイン及び前記積分速度制御器のゲインをILQ設計法によって求めるようにしたことを特徴としている。
The two-inertia speed control device according to the present invention comprises a two-inertia system comprising a power converter and a control device for controlling a controlled object in which a rotor and a load of an electric motor driven by the power converter are coupled by a drive shaft. A speed control device of the system, wherein the control device has the same control block as that represented by the control block diagram in which the motor torque and the disturbance torque are input and the motor speed and the load speed are output. A state observer, a disturbance observer for applying an estimated disturbance torque to the state observer, an integration controller for feedback control so that the estimated load speed matches a speed command, a state obtained from the motor torque and the state observer Proportional control that outputs a current reference by feedback control so that the feedback amount obtained by weighting and adding the amount matches the output of the integral controller If, comprising a current controller output current of the power converter to output a voltage reference of the power converter with a feedback control so as to coincide with said current reference, said disturbance observer, first the motor torque 1 is obtained by multiplying the result of multiplication by 1 and subtracting the value obtained by multiplying the rotational speed of the motor by the second transfer function from the multiplication result, and filtering the result of the subtraction with a third-order or higher filter to obtain the estimated disturbance torque. And the first and second transfer functions are obtained by back-calculating the disturbance torque from a transfer function of a two-inertia system that obtains the motor speed from the motor torque and the disturbance torque. An estimated rotational speed, an estimated torsion angle of the drive shaft, and an estimated rotational speed of the load. These state quantity weighting gains, motor torque weighting gains, and integral speeds It is characterized in that the gain of the controller and the seek by the ILQ design method.
この発明によれば、負荷外乱があっても精度良く状態量を推定することを可能とする2慣性系の外乱オブザーバ、及びこれを用いて推定した状態量に基づいてねじり振動を抑制することが可能な2慣性系の速度制御装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a torsional vibration based on a two-inertia disturbance observer capable of accurately estimating a state quantity even when there is a load disturbance, and a state quantity estimated using the two-inertia disturbance observer. A possible two-inertia speed control device can be provided.
以下、図1乃至図4を参照して本発明に係る2慣性系の外乱オブザーバ及び2慣性系の速度制御装置の実施例について説明する。 Hereinafter, embodiments of a two-inertia disturbance observer and a two-inertia speed controller according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は本発明に係る2慣性系の速度制御装置のブロック構成図の一例である。 FIG. 1 is an example of a block diagram of a two-inertia speed control device according to the present invention.
図1において、制御対象1は2慣性系の制御対象であり、電動機の回転子及びこれと駆動軸で機械結合する負荷とで構成される。この制御対象1は、電力変換器と電動機から成る駆動装置2から電動機トルクTMが与えられることにより回転し、電動機の回転速度ωM、負荷の回転速度ωLが得られる。電動機の回転速度ωMは、制御対象1内に設けられた図示しない速度検出器で検出される。また、負荷に対して外乱トルクTLが作用している。 In FIG. 1, a control object 1 is a control object of a two-inertia system, and includes a rotor of an electric motor and a load that is mechanically coupled with a drive shaft. The control object 1 rotates when a motor torque T M is applied from a drive device 2 including a power converter and a motor, and a motor rotation speed ω M and a load rotation speed ω L are obtained. The rotational speed ω M of the electric motor is detected by a speed detector (not shown) provided in the control target 1. Further, a disturbance torque TL acts on the load.
駆動装置2は、例えば、図示しない直流電源の直流電圧を交流に変換する電力変換器21と、電力変換器21の出力で駆動される電動機22と、電力変換器2の出力電流を検出する電流検出器23とで構成される。 The drive device 2 includes, for example, a power converter 21 that converts a DC voltage of a DC power source (not shown) into AC, an electric motor 22 that is driven by the output of the power converter 21, and a current that detects an output current of the power converter 2. And a detector 23.
駆動装置2に対して、制御装置3から電圧指令VM *が与えられ、この電圧指令VM *に応じた電圧を電力変換器21が出力することによって電動機トルクTMを電動機22が出力する。 A voltage command V M * is given to the drive device 2 from the control device 3, and the electric motor torque T M is output from the electric motor 22 when the power converter 21 outputs a voltage corresponding to the voltage command V M *. .
以下、制御装置3の内部構成を説明する。 Hereinafter, the internal configuration of the control device 3 will be described.
通常は外部から与えられる速度指令ωL *と、後述する状態オブザーバ7から得られる推定負荷速度ωL^の差分が積分速度制御器4に与えられる。積分速度制御器4はこの偏差を積分増幅し、この出力と後述する重み付け加算器9の出力である状態信号との差分を比例速度制御器5に与える。比例速度制御器5はこの差分を比例増幅し、結果として入力された差分が最小となるような電流指令IM *を出力する。この電流指令IM *と、前述した電流検出器23によるフィードバック電流IMの差分を1次遅れ特性を有する電流制御器6に与える。電流制御器6は、結果として入力された差分が最小となるような電圧指令VM *を出力して電力変換器21を制御する。ここで電流指令IM *またはフィードバック電流IMのトルク成分から電動機トルクTMの指令値が求められるので、以下の電動機トルクTMはこの指令値を用いるものとする。尚、このフィードバック電流IMのトルク成分をフィードバック電流として使用するようにしても良い。 Normally, a difference between a speed command ω L * given from the outside and an estimated load speed ω L ^ obtained from a state observer 7 to be described later is given to the integral speed controller 4. The integral speed controller 4 integrates and amplifies this deviation, and gives a difference between this output and a state signal which is an output of a weighting adder 9 described later to the proportional speed controller 5. The proportional speed controller 5 proportionally amplifies this difference, and outputs a current command I M * that minimizes the input difference as a result. The difference between the current command I M * and the feedback current I M by the current detector 23 described above is given to the current controller 6 having the first-order lag characteristic. The current controller 6 controls the power converter 21 by outputting a voltage command V M * that minimizes the difference input as a result. Here, since the command value of the current command I M * or feedback current I M motor torque T M from the torque component of is required, the following motor torque T M and those using this command value. Incidentally, it is also possible to use the torque component of the feedback current I M as a feedback current.
状態オブザーバ7は、制御対象と同一次元のオブザーバとし、後述するように、電動機トルクTMと電動機の回転速度ωMが与えられたとき、電動機の推定回転速度ωM^を電動機の回転速度ωMに一致させるようなフィードバックループを有している。また、後述する外乱オブザーバ8から得られる推定外乱トルクTL^が状態オブザーバ7に与えられている。 The state observer 7 is an observer of the same dimension as the object to be controlled. As will be described later, when the motor torque T M and the motor rotational speed ω M are given, the estimated motor rotational speed ω M ^ is converted into the motor rotational speed ω. It has a feedback loop that matches M. Further, an estimated disturbance torque T L ^ obtained from a disturbance observer 8 described later is given to the state observer 7.
状態オブザーバ7から得られる電動機の推定回転速度ωM^、駆動軸の推定ねじれ角θΔ^、負荷の推定回転速度ωL^及び状態オブザーバ7の入力である電動機トルクTMを重み付け加算器9に与える。重み付け加算器9においては、電動機の推定回転速度ωM^、駆動軸の推定ねじれ角θΔ^、負荷の推定回転速度ωL^及び電動機トルクTMに夫々最適ゲインKF1 0、KF2 0、KF3 0、KF4 0を乗じたものを加算して状態信号を得ている。これらの最適ゲインを求める手法は後述する。ここで、電動機トルクTMは、状態オブザーバ7が推定した状態量ではないが、この値も状態量としてフィードバック制御することによって、電流制御器6の制御遅れが補償されたよりロバストな制御系が達成可能となる。 The weighted adder 9 calculates the estimated rotational speed ω M ^ of the motor obtained from the state observer 7, the estimated torsion angle θ Δ ^ of the drive shaft, the estimated rotational speed ω L ^ of the load, and the motor torque T M that is input to the state observer 7. To give. In the weighted adder 9, the optimum gains K F1 0 and K F2 0 for the estimated rotational speed ω M ^ of the motor, the estimated twist angle θ Δ ^ of the drive shaft, the estimated rotational speed ω L ^ of the load, and the motor torque T M , respectively. , K F3 0 and K F4 0 are added to obtain a status signal. A method for obtaining these optimum gains will be described later. Here, the motor torque T M, but not the state quantity state observer 7 is estimated by the value also feedback controlled as the quantity of state, robust control system is achieved than the response delay of the current controller 6 has been compensated It becomes possible.
図2に制御対象1、状態オブザーバ7及び外乱オブザーバ8の内部構成を示す。ここで、各ブロック内に使用されている符号は次の意味を有する。 FIG. 2 shows the internal configuration of the control target 1, the state observer 7, and the disturbance observer 8. Here, the codes used in each block have the following meanings.
JM:電動機回転子の慣性モーメント
JM0:電動機回転子の慣性モーメントのノミナル(公称)値
JL:負荷の慣性モーメント
JL0:負荷の慣性モーメントのノミナル値
KSP:駆動軸のバネ定数
KSP0:駆動軸のバネ定数のノミナル値
ωc:カットオフ周波数
K:状態オブザーバ内のフィードバックゲイン
まず、制御対象1の内部構成を説明する。負荷の外乱トルクTLを積分器11で積分すると、運動方程式により負荷の回転速度ωLが得られる。同様に、電動機トルクTMを積分器12で積分すると、運動方程式により電動機の回転速度ωMが得られる。電動機の回転速度ωMと負荷の回転速度ωLの差分を積分器13で積分すると駆動軸のねじれ角θΔが得られる。この駆動軸のねじれ角θΔにバネ定数14を乗算するとバネの出力トルクが得られ、このトルクは負荷の外乱トルクTL及び電動機トルクTMに作用する。
J M : Motor rotor inertia moment J M0 : Motor rotor inertia moment nominal (nominal) value J L : Load inertia moment J L0 : Load inertia moment nominal value K SP : Drive shaft spring constant K SP0 : nominal value of the spring constant of the drive shaft ω c : cutoff frequency K: feedback gain in the state observer First, the internal configuration of the controlled object 1 will be described. When the disturbance torque T L of the load is integrated by the integrator 11, the rotation speed omega L of the load is obtained by equations of motion. Similarly, when the motor torque T M is integrated by the integrator 12, the rotation speed ω M of the motor is obtained by the equation of motion. Rotational speed of the electric motor omega M and the load torsion angle theta delta of the drive shaft a difference of the rotation speed omega L to integrated by the integrator 13 is obtained. Multiplying the spring constant 14 in helix angle theta delta of the drive shaft to obtain an output torque of the spring, the torque acting on the disturbance torque T L and the motor torque T M of the load.
上記の制御対象1をモデル化した内部構成には負荷または電動機の摩擦トルクを省略しているが、これらの摩擦トルクは、よりダンピングを強める方向に作用するので、本願の目的であるねじり振動を抑制することに対して有効に作用する。従って制御対象1にこれらの摩擦トルクを考慮しなくて十分である。 The internal structure modeling the control target 1 does not include the load or the motor friction torque. However, these friction torques act in a direction to further increase the damping, so that the torsional vibration that is the object of the present application is suppressed. It works effectively against suppression. Therefore, it is sufficient for the control target 1 not to consider these friction torques.
次に状態オブザーバ7の内部構成を説明する。後述する推定外乱トルクTL^が外乱オブザーバから与えられ、これを積分器71で積分すると、運動方程式により負荷の推定回転速度ωL^が得られる。同様に、電動機トルクTMを積分器72で積分すると、運動方程式により電動機の推定回転速度ωM^が得られる。電動機の推定回転速度ωM^と負荷の推定回転速度ωL^の差分を積分器73で積分すると駆動軸の推定ねじれ角θΔ^が得られる。この駆動軸の推定ねじれ角θΔ^にバネ定数(ノミナル値)74を乗算するとバネの推定出力トルクが得られ、このトルクは負荷の推定外乱トルクTL^及び電動機トルクTMに作用する。 Next, the internal configuration of the state observer 7 will be described. Estimated disturbance torque T L ^, which will be described later, is given from a disturbance observer, and when this is integrated by the integrator 71, an estimated rotational speed ω L ^ of the load is obtained from the equation of motion. Similarly, when the motor torque T M is integrated by the integrator 72, the estimated rotational speed ω M ^ of the motor is obtained from the equation of motion. When the difference between the estimated rotational speed ω M ^ of the electric motor and the estimated rotational speed ω L ^ of the load is integrated by the integrator 73, the estimated twist angle θ Δ ^ of the drive shaft is obtained. When the estimated torsion angle θ Δ ^ of the drive shaft is multiplied by a spring constant (nominal value) 74, an estimated output torque of the spring is obtained, and this torque acts on the estimated disturbance torque T L ^ and the motor torque T M of the load.
以上は制御対象1と基本的に同一のブロック構成である。そして、電動機の推定回転速度ωM^を実測可能な電動機の回転速度ωMに一致させるため、両者の差分に比例ゲイン75及び係数76を乗じて電動機トルクTMの部分にフィードバックする。このようなフィードバック制御を行うことによって電動機の推定回転速度ωM^を電動機の回転速度ωMに一致させことができる。尚、図2はこのフィードバック制御を比例系で行っているが、比例ゲイン75に代えて積分を取り入れた積分系を採用すればよりオフセット誤差を低減できる。 The above is basically the same block configuration as the control target 1. Then, to match the estimated rotational speed of the motor omega M ^ to the rotational speed omega M of measurable electric motor, both the difference is multiplied by a proportional gain 75 and the coefficient 76 is fed back to the part of the motor torque T M. By performing such feedback control, the estimated rotational speed ω M ^ of the electric motor can be matched with the rotational speed ω M of the electric motor. In FIG. 2, this feedback control is performed by a proportional system. However, if an integral system incorporating an integral is used instead of the proportional gain 75, the offset error can be further reduced.
次に外乱オブザーバ8の内部構成を説明する。この外乱オブザーバ8においては、電動機トルクTMに伝達関数82を乗算し、この乗算結果から電動機の回転速度ωMに伝達関数83を乗算した値を減算し、この結果を4次のベッセルフィルタ83でフィルタリングして推定外乱トルクTL^を求めている。このような演算で推定外乱トルクTL^が得られる理由について以下に説明する。 Next, the internal configuration of the disturbance observer 8 will be described. The disturbance observer 8 multiplies the motor torque T M by the transfer function 82, subtracts the value obtained by multiplying the motor rotational speed ω M by the transfer function 83 from this multiplication result, and obtains this result as a fourth-order Bessel filter 83. To estimate the estimated disturbance torque T L ^. The reason why the estimated disturbance torque T L ^ can be obtained by such calculation will be described below.
図2に示した2慣性系の伝達関数は次式のようになる。
この(1)式を外乱トルクTLについて解くと(2)式となる。
従って(2)式より、電動機トルクTMと電動機の回転速度ωMから、推定外乱トルクTL^を求めることが可能となる。即ち、伝達関数81は(3)式、伝達関数82は(4)式となる。
これらの伝達関数のうち(3)式は2次の微分系であり、(4)式は3次の微分系である。従ってノイズ等の影響を除去するには少なくとも3次以上のフィルタを通す必要がある。そして応答特性などの実用性を考えると4次のフィルタを通すことが好ましい。この4次のフィルタとして、パターワースフィルタとベッセルフィルタを比較検討した結果、応答性に優れ、且つオーバーシュートの少ない4次のベッセルフィルタ83を(2)式の出力に乗算するようにするのが好ましいことが分かった。図2の4次のベッセルフィルタ83内に示したフィルタの伝達関数内のカットオフ周波数ωcを適切に選定することにより推定外乱トルクTL^の推定精度を向上させることができる。 Of these transfer functions, equation (3) is a second-order differential system, and equation (4) is a third-order differential system. Therefore, in order to remove the influence of noise and the like, it is necessary to pass at least a third-order filter. In consideration of practicality such as response characteristics, it is preferable to pass a fourth-order filter. As a result of comparing and examining the Patterworth filter and the Bessel filter as the fourth-order filter, it is possible to multiply the output of the expression (2) by a fourth-order Bessel filter 83 having excellent responsiveness and less overshoot. It turned out to be preferable. The estimation accuracy of the estimated disturbance torque T L ^ can be improved by appropriately selecting the cutoff frequency ω c in the transfer function of the filter shown in the fourth-order Bessel filter 83 in FIG.
次に図1における重み付け加算器9の構成とILQ制御法について説明する。 Next, the configuration of the weighted adder 9 in FIG. 1 and the ILQ control method will be described.
ILQ(Inverse Linear Quadratic)設計法は、現代制御理論に基づく最適レギュレータ(LQ)問題の逆問題を用いた最適サーボ設計法であり、LQ問題の解を、重みを与えずに簡単な極配置から導出できる。このILQ制御によれば、パラメータ変動に対して低感度で且つロバストな制御を達成することができる。図1に示す速度制御系は最適制御理論に基づく典型的な1型サーボ制御系であるので、このILQ制御を用いて図1における積分速度制御器4のゲインKI 0及び重み付け加算器9の最適ゲインKF1 0、KF2 0、KF3 0、KF4 0を求めることができる。ここでは、これらのゲインを、解析的に導出可能な逆LQ設計法の求解プロセスに基づいて以下のように決定している。
但し、ここで
TC:電流制御器6の時定数
s1:ILQ制御における指定極
である。尚、(6)式は行列式表記であり、左項から順にKF1 0、KF2 0、KF3 0、KF4 0を
示している。
However, TC : Time constant s 1 of the current controller 6: Designated pole in ILQ control. Equation (6) is a determinant notation, and indicates K F1 0 , K F2 0 , K F3 0 , K F4 0 in order from the left term.
次に、外乱オブザーバ8を用いた状態量推定のシミュレーション結果について説明する。 Next, a simulation result of state quantity estimation using the disturbance observer 8 will be described.
図3(a)は、周期的な外乱トルクがある状態で時刻1secにおいて電動機トルクTMをステップ状に変化させ、時刻1.5secにおいて外乱トルクTLをステップ状に増加させたときのねじれ角θΔを示している。これを状態オブザーバ7によって推定した推定ねじれ角θΔ^を図3(b)に示す。このように両者は良く一致している。図3(c)は外乱オブザーバ8を設けない場合の推定ねじれ角θΔ^を示す。この場合は推定に位相遅れが生じて推定に大きな誤差が生じていることが分かる。 3 (a) is, at the time 1sec in the presence of periodic disturbance torque by changing the motor torque T M in steps, twist angle when the disturbance torque T L is increased stepwise at the time 1.5sec θ Δ is shown. The estimated twist angle θ Δ ^ estimated by the state observer 7 is shown in FIG. Thus, both agree well. FIG. 3C shows the estimated twist angle θ Δ ^ when the disturbance observer 8 is not provided. In this case, it can be seen that there is a phase error in the estimation and a large error in the estimation.
図4に本発明の2慣性系の速度制御装置の制御特性のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの条件は以下の通りである。 FIG. 4 shows a simulation result of the control characteristics of the two-inertia speed control device of the present invention. The simulation conditions are as follows.
JM =0.004016(kgm2)
JL =0.002921(kgm2)
KSP=39.21(Nm/rad)
ωc =2000π(rad/sec)
TC=0,0025(sec)
GΣ =1000
s1 =−120(rad/sec)
図4(a)に示すように、時刻Time=0secにおいて速度指令ωL *を、また時刻Time=0.5secにおいて外乱トルクTLをステップ的に与える。この場合の電動機の回転速度ωMと負荷の回転速度ωLの時間応答が夫々図4(a)及び図4(b)に示してある。これらの図から分かるように、当初の目的であるねじり振動が抑制され、安定した制御特性が得られている。
J M = 0.004016 (kgm 2 )
J L = 0.002921 (kgm 2 )
K SP = 39.21 (Nm / rad)
ω c = 2000π (rad / sec)
T C = 0,0025 (sec)
G Σ = 1000
s 1 = −120 (rad / sec)
As shown in FIG. 4A, the speed command ω L * is given stepwise at time Time = 0 sec, and the disturbance torque TL is given stepwise at time Time = 0.5 sec. The time responses of the motor rotational speed ω M and the load rotational speed ω L in this case are shown in FIGS. 4A and 4B, respectively. As can be seen from these figures, torsional vibration, which is the initial purpose, is suppressed, and stable control characteristics are obtained.
以上本発明の実施例を説明したが、この実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. The novel embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
例えば、図1において、ゲインKI 0及び重み付け加算器9の最適ゲインKF1 0、KF2 0、KF3 0、KF4 0は、必ずしもILQ設計法で求める必要はない。また、応答の遅い系の場合は電動機トルクTMのフィードバックを必ずしも用いる必要はなく、状態オブザーバで推定した状態量のみを使用してフィードバック制御を行っても効果を発揮する場合があるが、このILQ設計法によれば、応答の速い系であってもロバストな制御を実現可能な上、多数のゲインを同時に決定可能であり、パラメータの調整に要する時間も大幅に短縮される。 For example, in FIG. 1, the gain K I 0 and the optimum gains K F1 0 , K F2 0 , K F3 0 , K F4 0 of the weighting adder 9 do not necessarily have to be obtained by the ILQ design method. Moreover, it is not always necessary to use the feedback of the motor torque T M in the case of slow system response, there are cases where using only the state quantity estimated by the state observer be effective even if the feedback control, the According to the ILQ design method, robust control can be realized even in a fast response system, and a large number of gains can be determined simultaneously, and the time required for parameter adjustment is greatly reduced.
また、速度検出器によって速度を検出しない所謂センサレスベクトル制御の適用も可能である。この場合は、電力変換器の電圧、電流の信号から速度を推定する速度推定器を用いれば良い。 Also, so-called sensorless vector control in which the speed is not detected by the speed detector can be applied. In this case, a speed estimator that estimates the speed from the voltage and current signals of the power converter may be used.
1 制御対象
2 駆動装置
3 制御装置
4 積分速度制御器
5 比例速度制御器
6 電流制御器
7 状態オブザーバ
8 外乱オブザーバ
9 重み付け加算器
11 積分器
12 積分器
13 積分器
14 バネ定数
21 電力変換器
22 電動機
23 電流検出器
71 積分器
72 積分器
73 積分器
74 バネ定数(ノミナル値)
75 比例ゲイン
76 係数
81 伝達関数
82 伝達関数
83 4次のベッセルフィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control object 2 Drive apparatus 3 Control apparatus 4 Integral speed controller 5 Proportional speed controller 6 Current controller 7 State observer 8 Disturbance observer 9 Weighted adder 11 Integrator 12 Integrator 13 Integrator 14 Spring constant 21 Power converter 22 Electric motor 23 Current detector 71 Integrator 72 Integrator 73 Integrator 74 Spring constant (nominal value)
75 proportional gain 76 coefficient 81 transfer function 82 transfer function 83 4th order Bessel filter
Claims (3)
前記制御装置は、
前記制御対象を、電動機トルク及び外乱トルクを入力とし、電動機速度と負荷速度を出力とする制御ブロック図で表したものと同一の制御ブロックから成る状態オブザーバと、
前記状態オブザーバに推定外乱トルクを与える外乱オブザーバと、
前記推定負荷速度が速度指令に一致するようにフィードバック制御する積分制御器と、
前記電動機トルク及び前記状態オブザーバから得られた状態量を重み付け加算した帰還量が前記積分制御器の出力に一致するようにフィードバック制御して電流基準を出力する比例制御器と、
前記電力変換器の出力電流が前記電流基準に一致するようにフィードバック制御して前記電力変換器の電圧基準を出力する電流制御器と
を具備し、
前記外乱オブザーバは、
前記電動機トルクに第1の伝達関数を乗算し、この乗算結果から電動機の回転速度に第2の伝達関数を乗算した値を減算し、この減算結果を3次以上のフィルタでフィルタリングして前記推定外乱トルクを求める構成とすると共に、前記第1及び第2の伝達関数は、前記電動機トルクと外乱トルクから電動機速度を求める2慣性系の伝達関数から外乱トルクを逆算して求めるようにし、
前記状態量は、
電動機の推定回転速度、駆動軸の推定ねじれ角、負荷の推定回転速度であり、これら状態量の重み付けゲイン、前記電動機トルクの重み付けゲイン及び前記積分速度制御器のゲインをILQ設計法によって求めるようにしたことを特徴とする2慣性系の速度制御装置。 A speed control device of a two-inertia system comprising a power converter, and a control device that controls a controlled object in which a rotor and a load of an electric motor driven by the power converter are coupled by a drive shaft,
The controller is
A state observer composed of the same control block as the control block represented by the control block diagram in which the motor torque and the disturbance torque are input and the motor speed and the load speed are output;
A disturbance observer for applying an estimated disturbance torque to the state observer;
An integral controller that performs feedback control so that the estimated load speed matches a speed command;
A proportional controller that outputs a current reference by performing feedback control so that a feedback amount obtained by weighting and adding the state amount obtained from the motor torque and the state observer matches the output of the integral controller;
A current controller that performs feedback control so that an output current of the power converter matches the current reference and outputs a voltage reference of the power converter;
The disturbance observer is
The motor torque is multiplied by a first transfer function, and a value obtained by multiplying the rotation speed of the motor by a second transfer function is subtracted from the multiplication result, and the subtraction result is filtered by a third-order or higher filter to perform the estimation. The configuration is such that the disturbance torque is obtained, and the first and second transfer functions are obtained by back-calculating the disturbance torque from a transfer function of a two-inertia system that obtains the motor speed from the motor torque and the disturbance torque,
The state quantity is
The estimated rotational speed of the motor, the estimated torsion angle of the drive shaft, and the estimated rotational speed of the load. The weight gain of these state quantities, the weight gain of the motor torque, and the gain of the integral speed controller are obtained by the ILQ design method. 2-inertia system speed control apparatus, characterized in that the.
前記積分速度制御器のゲインは下記(数5)によって求められ、The gain of the integral speed controller is obtained by the following (Equation 5),
前記電動機の推定回転速度、前記駆動軸の推定ねじれ角、前記負荷の推定回転速度及び前記電動機トルクの重み付けゲインは、夫々行列式表記で左項から順に下記(数6)によって求められることを特徴とする請求項1に記載の2慣性系の速度制御装置。The estimated rotational speed of the motor, the estimated torsion angle of the drive shaft, the estimated rotational speed of the load, and the weighting gain of the motor torque are each obtained by the following (Equation 6) in order from the left term in determinant notation. The speed control device for a two-inertia system according to claim 1.
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