JP6341544B2 - 張力制御装置および駆動システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、張力制御装置および駆動システムに関する。

シート材をロールにして搬送する製紙設備等では、シート材のロールの駆動トルクとして、加減速トルク、機械損トルク、およびロール間の張力を維持するための張力分トルクが必要となる。シート材のうち、たとえば紙の張力は紙種により適正値があり、安定に搬送され、巻き取られるように適切に張力が設定される必要がある。シート材に対する張力が変動すると、製品の品質が低下したり、シート材が途中で断裂してしまう場合もある。

張力変動を防止するためには、シート材を巻き取る巻取速度と巻き戻しを行うロールの巻戻速度との間の速度差を一定に保つ必要がある。シート材の巻取動作および巻戻動作においては、外乱が発生した場合であっても速やかに元の速度に復帰させ、シート材の張力を一定に維持する制御を行うことが必要である。

一般的な張力制御の場合には、シート材の張力を検出する張力検出器を設けて、シート材の張力をあらかじめ設定された適正な張力設定値に一致をさせるように、シート材のロールのトルクを補正する方法が用いられている。

特許第２８２３２００号公報

しかしながら、上述のような張力検出器による張力制御においては、精密な張力制御が可能である一方で、張力検出器からの応答が遅いために、高速な張力制御が要求される、外乱等に対する過渡的な張力変動に対応することは困難である。たとえば、実用化されている張力検出器は、シート材を、抱き角をもったロールに押し付けたときにかかる荷重を電気信号に変換して出力する。この荷重の検出には微小変位を許容するバネ要素を有するロール架台を用いており、張力検出器は、ロール架台への押し付けによる荷重変動のほかに、その設置環境における高周波機械振動も検出してしまう。そのため、張力による微小変位と、高周波機械振動等のノイズとを分離するために張力検出器の出力にはフィルタが設置される。このフィルタの応答時間は、実用的なノイズ除去を考慮した場合には、０．５秒〜１秒程度となる。フィルタを含めたフィードバック制御系を安定に制御するためには、一般的には、目標制御応答の１／１０以下の帰還信号応答とする必要がある。したがって、０．５秒〜１秒程度の応答時間を有するフィルタの場合には、張力制御応答時間は、５秒〜１０秒程度とかなりの長時間とならざるを得ない。

また、シート材の巻取制御においては、シート材の搬送速度を設定するための速度制御を行う必要があり、張力制御と速度制御との干渉が問題になる場合がある。一般的には、複数の制御系を有するシステムにおいては、それぞれの応答時間を３倍以上離す必要があり、応答時間の近接する制御装置を併設すると相互干渉状態となり、変動が収束せず増長するいわゆるハンチング現象を生じる。たとえば、シート材として紙を用いる製紙設備では、ドライヤ等の慣性モーメントが大きな設備を除き、機械系の剛性や駆動装置の経済性等の観点から、速度制御装置の応答時間は、１秒程度が妥当である。したがって、張力制御系と速度制御系との間の相互干渉を回避するためには、張力制御装置は、３秒以下の制御応答時間とすることができない。

本発明の実施形態は、張力の変動を抑制することができる張力制御装置および駆動システムを提供する。

実施形態によれば、電動機の速度制御を行うことによってシート材の搬送速度を制御する駆動装置と前記シート材を介して連動して動作し前記シート材の張力制御を行う張力制御装置である。実施形態の張力制御装置は、速度基準信号と前記電動機の回転速度を表わす速度信号との偏差信号を入力して偏差加速度信号を出力する第１微分器と、前記偏差加速度信号と、前記シート材が巻回された巻回体の径に基づく慣性モーメントと、を入力して第１トルク信号を出力する第１乗算器と、張力基準信号に前記巻回体の径を乗じた張力基準トルク信号に基づく第２トルク信号と、前記第１トルク信号と、を入力して第３トルク信号を出力する減算器と、備える。

本発明の実施形態によれば、張力の変動を抑制することができる張力制御装置および駆動システムが提供される。

第１の実施形態に係る張力制御装置と、この張力制御装置を備えたシート材の駆動システムの構成の一例を表すブロック図である。 第１の実施形態の張力制御装置の動作を説明するための、駆動システムの要部の動作波形を表すタイミング図である。 第２の実施形態に係る張力制御装置と、この張力制御装置を備えたシート材の駆動システムの構成の一例を表すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の張力制御装置と、この張力制御装置を備えたシート材の駆動システムの構成の一例を表すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の張力制御装置１０は、微分器１２と、乗算器１３と、減算器１４と、を備える。張力制御装置１０は、張力基準信号Ｆｒ０を出力する張力基準設定部１１を有している。微分器１２は、速度制御装置４０の速度基準設定部４１が出力する速度基準信号ωｒと、速度制御装置４０によって速度制御されている駆動装置５０の速度検出器５５によって検出された速度検出信号ωｄとの偏差を微分して出力する。つまり、微分器１２は、駆動装置５０の偏差加速度信号Δαｄを出力する。微分器１２の出力には、必要に応じてバンドパスフィルタまたはローパスフィルタが接続され、微分動作によって増長されたノイズ成分が除去される。後述する他の微分器についても出力にフィルタを接続することが好ましい。乗算器１３は、偏差加速度信号Δαｄと、シート材９２が巻戻枠２に巻回された巻回体９０の径に基づく慣性モーメントＪｕｗとを入力して、速度補償トルク信号Ｔ１を出力する。速度補償トルク信号Ｔ１は、速度制御装置４０の駆動装置５０の速度偏差に基づいて算出される補償信号である。減算器１４は、張力基準信号Ｆｒ０に基づいて生成される基準トルク信号Ｔ２'から、速度補償トルク信号Ｔ１を減じて制御トルク信号Ｔ３を出力する。制御トルク信号Ｔ３は、駆動装置３０のトルク制御部３３に入力されて、トルク制御の対象となる。

基準トルク信号Ｔ２，Ｔ２'は、以下のように生成される。
張力基準信号Ｆｒ０は、シート材９２の実際の張力を表す張力検出信号Ｆｄによって補正される。張力検出信号Ｆｄは、この例では、張力検出器８ａで検出された実際の張力信号を、増幅部８ｃでフィルタリングされ増幅された信号である。張力検出信号Ｆｄおよび張力基準信号Ｆｒ０は、加減算器１６に入力されて、これらの偏差信号が張力補正部１７に入力される。張力補正部１７は、入力された張力信号の偏差信号をＰＩ制御して出力する。張力補正部１７から出力された張力補正信号Ｆｃは、張力基準信号Ｆｒ０に加算されて新たな張力基準信号Ｆｒ１となる。

補正された張力基準信号Ｆｒ１に、巻回体９０の半径を乗算器２３によって乗じて基準トルク信号Ｔ２を生成する。したがって、基準トルク信号Ｔ２は、張力基準信号Ｆｒ１に基づいて生成されるトルク信号である。

さらに、基準トルク信号Ｔ２は、加減速トルク補償信号Ｔｃと加算器２２で加算され、加減速トルクで補償された基準トルク信号Ｔ２'となる。加減速トルク補償信号Ｔｃは、速度制御装置４０の速度基準設定部４１が出力する速度基準信号ωｒを微分した加速度信号に巻回体９０の慣性モーメントＪｕｗを乗ずることによって生成される。微分器１９は、速度基準信号ωｒを入力し、速度基準信号ωｒの微分信号である加速度信号を出力する。乗算器２０は加速度信号と慣性モーメントＪｕｗとを入力して、これらを乗算して加減速トルク補償信号Ｔｃを出力する。基準トルク信号Ｔ２を加減速トルク信号Ｔｃで補償することにより、速度制御されたロールの加速動作時および減速動作時に応答特性を良好にすることができる（特許文献１等参照）。

巻回体９０の慣性モーメントＪｕｗは、以下のようにして求めることができる。巻戻径演算部１５には、シート材９２の密度および幅があらかじめ設定値として入力されている。巻戻枠２の回転速度および巻取芯３の回転速度をそれぞれ速度検出器３５，５５で検出して、シート材９２の密度、幅および検出された速度差に基づいて巻回体９０の直径が求められる。さらに、慣性モーメント演算部２１では、シート材９２の密度、幅および径に基づいて、慣性モーメントＪｕｗが計算される。

本実施形態の張力制御装置１０は、シート材９２を介して速度制御装置４０と連動して動作する。そこで、張力制御装置１０と、速度制御装置４０とを備えるシート材９２の駆動システム１００の構成について、以下説明する。
本実施形態の駆動システム１００は、巻戻枠２に巻回されたシート材９２を巻き戻してシート材９２の張力を制御する張力制御装置１０を備える。また、駆動システム１００は、シート材９２を巻き取りながらシート材９２の搬送速度を制御する速度制御装置４０を有する。また、駆動システム１００は、張力制御装置１０によって制御される駆動装置３０と、駆動装置３０によって駆動される、シート材９２の巻回体９０が装着された巻戻枠２と、を有する。駆動システム１００は、速度制御装置４０によって制御される駆動装置５０と、駆動装置５０によって駆動される、シート材９２を巻き取る巻取芯３と、を有する。シート材９２は、たとえば紙であるが、紙に限らず、樹脂製フィルムや薄帯状の金属フィルム等であってもよい。

駆動装置３０は、電動機３１と、駆動部３２と、トルク制御部３３と、速度検出器３５と、を含む。電動機３１は、シート材９２が巻回された巻戻枠２を出力トルクＴｕｗで駆動する。電動機３１は、たとえば誘導電動機等の回転機である。駆動部３２は、トルク制御部３３からの指令にしたがって電動機３１を駆動する。駆動部３２は、たとえばインバータ装置であり、設定された交流電圧値、周波数、および電流値を設定された位相で電動機３１に印加する。トルク制御部３３は、制御トルク信号Ｔ３を基準トルク信号として入力する。トルク制御部３３は、比例制御によって、出力トルクＴｕｗが制御トルク信号Ｔ３に一致するように目標値制御を行う。速度検出器３５は、電動機３１の回転速度を検出する。速度検出器３５は、巻戻径演算部１５に接続され、検出された信号は巻回体９０の径を計算することに用いられる。速度検出器３５は、たとえばパルス発信器やエンコーダを用いた速度センサ等である。駆動装置３０は、張力制御装置１０が出力する制御トルク信号Ｔ３にしたがって巻回体９０が装着された巻戻枠２を回転駆動する。

巻戻枠２には、シート材９２が巻回された巻回体９０が装着されている。巻回体９０が装着された巻戻枠２は、張力制御装置１０および駆動装置３０によってシート材９２の張力が制御されつつ回転駆動される。巻戻枠２に装着された巻回体９０は、シート材９２が巻取芯３によって巻き取られることによって次第に径が小さくなり、重量が軽くなる。したがって、駆動装置３０によって駆動される巻回体９０の慣性モーメントＪｕｗは、巻き戻し動作が進むにつれて小さくなるので、張力制御装置１０および駆動装置３０は、慣性モーメントＪｕｗの変化に応じてトルク制御を行う。

速度制御装置４０は、速度基準設定部４１と、微分器４２と、乗算器４３と、巻取径検出部４４と、慣性モーメント演算部４５と、を有している。速度基準設定部４１は、あらかじめ設定された速度パターンを有する速度基準信号ωｒを出力する。速度基準信号ωｒの速度パターンには、たとえば、起動時および停止時の加速および減速の速度プロファイルや、シート材９２の紙質等に基づいて定められている定常時の搬送速度が規定されている。速度基準信号ωｒの速度パターンは、たとえば速度基準設定部４１に接続された記憶部４１ａにあらかじめ格納されており、必要に応じて速度基準設定部４１にロードされる。微分器４２は、速度基準設定部４１に接続されている。微分器４２は、速度基準設定部からの速度基準信号ωｒを入力して基準加速度信号α０を出力する。巻取径検出部４４では、巻回体９４の径Ｄｗが検出される。巻取径検出部４４は、たとえばライダーロール５ａの基準位置からの高さ距離計測値から巻回体９４の径を演算して出力する。慣性モーメント演算部４５は、巻取径検出部４４に接続されている。慣性モーメント演算部４５は、シート材９２の紙密度および紙幅が設定されており、これらの値と、巻取径検出部４４から入力された巻回体９４の径Ｄｗとを用いて、巻回体９４の慣性モーメントＪｗを計算する。乗算器４３は、微分器４２および慣性モーメント演算部４５に接続されている。乗算器４３は、微分器４２からの基準加速度信号α０と、慣性モーメント演算部４５からの巻回体９４の慣性モーメントＪｗの値とを入力して加減速トルク補償信号τｗを出力する。乗算器４３から出力された加減速トルク補償信号τｗは、駆動装置５０の速度制御部５４が出力するトルク基準信号に加算される。加減速トルク信号τｗは、駆動装置５０のトルク基準信号に加算されることによって、駆動軸の加減速時のトルクを補償して、トルクのオーバシュートやアンダシュートを低減する。

駆動装置５０は、電動機５１と、駆動部５２と、トルク制御部５３と、速度制御部５４と、速度検出器５５と、加算器５６と、減算器５７と、を含む。電動機５１、駆動部５２、およびトルク制御部５３は、張力制御装置１０のための駆動装置３０の電動機３１、駆動部５２、およびトルク制御部３３と駆動電力等を除き、それぞれほぼ同じなので詳細な説明を省略する。

速度制御部５４の入力は、減算器５７に接続されており、減算器５７からの速度偏差信号Δωを入力する。減算器５７は、速度基準設定部４１と、速度検出器５５の出力とに接続されており、速度基準信号ωｒと実際の回転速度を示す側検出信号ωｄとの差である速度偏差信号Δωを出力する。速度制御部５４の出力は、加算器５６を介してトルク制御部５３に接続されている。加算器５６は、速度制御部５４の出力と速度制御装置４０の乗算器４３の出力とに接続され、速度偏差信号Δωに基づいて生成されたトルク基準信号に、加減速トルク補償信号τｗを加算して、加減速トルクが補償されたトルク基準信号を出力する。速度制御部５４は、速度偏差信号Δωにもとづいてトルク基準信号を生成するためにＰＩ制御を行う。

このように、駆動装置５０は、速度制御装置４０の速度基準信号ωｒにしたがって速度制御されたシート材９２の搬送を行う。

駆動システム１００は、速度制御装置４０が出力する制御信号にしたがって巻取芯３を回転駆動してシート材９２を巻き取る。図１に示すように、シート材９２は、リアドラム４ｂおよびフロントドラム４ｃ上でシート材９２の巻回体９４が回転することによって巻取芯３に巻き取られる。リアドラム４ｂおよびフロントドラム４ｃは、ベルトドライブを介してドラム駆動軸４ａによって駆動される。図１の駆動システム１００では、シート材９２は、後述するスリッタ７によって所定の幅に裁断され、複数の巻回体９４となり、図１のような表面駆動方式で巻き取られている。なお、シート材９２は、直接巻取芯３に巻き取られるようにしてもよい。

駆動システム１００は、ライダーロール５ａと、ライダー駆動軸５ｂと、ライダーロール５ａを駆動するための駆動装置６０とを有している。ライダーロール５ａは、巻回体９４の上部表面に接するように設けられている。ライダーロール５ａは、駆動装置６０から駆動されるライダー駆動軸５ｂとたとえば駆動ベルトにより結合されている。ライダーロール５ａは、リアドラム４ｂおよびフロントドラム４ｃ上に載置されて間接的に回転駆動されているシート材９２の巻回体９４を上部から抑えて巻回体９４の位置を保持しつつ、巻回体９４の回転動作を補助する。シート材９２は、スリッタ７によって搬送方向に沿って裁断される。巻回体９４は、裁断された数だけ複数個形成される。ライダーロール５ａ、ライダー駆動軸５ｂおよび駆動装置６０は、巻き取られた巻回体９４の数にはよらず、１つのライダーロール５ａを１台のライダー駆動軸５ｂで駆動される。駆動装置６０は、片軸駆動として１台の場合と、両端駆動として２台の場合とがある。

駆動装置６０は、電動機６１と、駆動部６２と、トルク制御部６３、と速度制御部６４と、速度検出器６５と、減算器６７と、を有している。電動機６１、駆動部６２、トルク制御部６３、速度制御部６４、速度検出器６５、および減算器６７は、上述した駆動装置５０の電動機５１、駆動部５２、トルク制御部５３、速度制御部５４、速度検出器５５、および減算器５７と、取り扱う電力容量等を除いて同じであり、詳細な説明を省略する。ライダーロール５ａのための駆動装置６０は、巻回体９４の回転動作を補助することが目的であるため、加減速トルク補償を行わない。そのため、駆動装置６０は、加減速トルク補償信号を加算するための加算器を含まなくともよい。

駆動システム１００は、ペーパーロール６と、ペーパーロール６の駆動のための駆動装置７０と、スリッタ７と、スリッタ７のための駆動装置８０とを有している。
ペーパーロール６は、スリッタ７や張力検出器８ａを設置するために、巻戻枠２から巻き戻されているシート材９２の搬送角度を変えて水平に近い状態にするために設けられている。また、ペーパーロール６は、シート材９２の巻取速度を制御することを補助する。ペーパーロール６は、駆動装置７０で駆動される。駆動装置７０は、電動機７１と駆動部７２とトルク制御部７３と速度制御部７４と速度検出器７５と減算器７７とを有している。これらについては、ライダーロール５ａを駆動するための駆動装置６０と同様であり、詳細な説明を省略する。

駆動システム１００は、スリッタ７と、スリッタ７を駆動するための駆動装置８０とをさらに有している。スリッタ７は、巻戻枠２から巻き戻され、ペーパーロール６を介して搬送されているシート材９２を搬送方向に平行な方向に裁断して、複数の巻回体９４を形成することができる。駆動装置８０は、電動機８１と駆動部８２とトルク制御部８３と速度制御部８４とを有している。これらは、速度検出器および減算器がない点でライダーロール５ａおよびペーパーロール６のための駆動装置６０および７０と相違するが他の点では同じであるので、詳細な説明を省略する。スリッタ７のための駆動装置８０は、速度帰還制御を行わないオープンループの速度制御を用いた駆動装置である。

シート材９２の巻き取りのためのドラム駆動軸４ａを駆動する駆動装置５０、ライダーロール５ａを駆動する駆動装置６０、ペーパーロール６を駆動する駆動装置７０、およびスリッタ７を駆動する駆動装置８０は、速度制御装置４０の速度基準設定部４１が出力する速度基準信号ωｒにしたがって動作し、すべての駆動装置５０〜８０が同じ速度でシート材９２を搬送するように動作する。

以上説明したように、巻き戻しのための駆動装置３０と、巻き取りのための駆動装置５０〜８０は、シート材９２を介して連動して動作する。巻回体９０は、矢印ａ１の向き、すなわち時計まわりにシート材９２が巻き戻されるように回転する。巻回体９０から巻き戻されたシート材９２は、巻回体９０とペーパーロール６との間で矢印ａ２の向き、すなわち巻回体９０からペーパーロール６の向きに搬送される。ペーパーロール６は、矢印ａ３の向き、すなわち反時計まわりに回転する。ペーパーロール６と巻き取り側の巻回体９４との間では、シート材９２は矢印ａ４の方向、すなわちペーパーロール６から巻回体９４の向きに搬送される。ドラム駆動軸４ａ、リアドラム４ｂおよびフロントドラム４ｃは、反時計まわりの向きａ５〜ａ７に回転し、巻回体９４を時計まわりに回転させ、シート材９２を巻き取る。なお、ライダーロール５ａおよびライダー駆動軸５ｂは、反時計まわりの向きａ８〜ａ９で回転する。

張力制御された巻き戻しのためのシート材９２を駆動する駆動装置は、シート材９２の搬送方向とは逆方向の力である張力を加えるように動作する。シート材９２は、張力制御装置１０の張力基準設定部１１が出力する張力基準信号Ｆｒに基づいて生成される制御トルク信号Ｔ３にしたがって張力制御される。

次に、本実施形態の張力制御装置１０の動作の詳細について説明する。
図２は、本実施形態の張力制御装置の動作を説明するための、駆動システムの要部の動作波形を表すタイミング図である。
図２の最上段の波形ａは、速度制御装置４０の速度基準設定部４１から出力される速度基準信号ωｒの動作波形例である。図２の２段目の波形ｂは、速度制御装置４０によって制御されているドラムドラム駆動軸４ａの実負荷トルクτｄ０の動作波形の例である。図２の３段目の波形ｃは、ドラム駆動軸４ａに出力されるトルク制御部５３の制御トルク信号τｄの動作波形例である。図２の４段目の波形ｄは、ドラム駆動軸４ａの実際の回転速度を示す速度検出信号ωｄの動作波形の例を示している。図２の５段目の波形ｅは、ドラム駆動軸４ａの速度偏差信号（ωｒ−ωｄ）（＝Δω、以下、Δωとも表記する。）を示す。図２の６段目の波形ｆは、張力制御装置１０の微分器１２から出力される偏差加速度信号ｄ（ωｒ−ωｄ）／ｄｔ（＝Δαｄ、以下Δαｄと表記する。）の動作波形の例である。図２の７段目の波形ｇは、巻戻枠２の側の出力トルクＴｕｗの動作波形の例である。図２の８段目の波形ｈは、巻戻枠２の実際の回転速度ωｕｗの動作波形の例である。図２の最下段の波形ｋは、シート材９２の実際の張力を示す張力検出信号Ｆｄの波形を示している。図２に示すように、各時刻ｔ０〜ｔ１５については、すべての波形ａ〜ｋについて同じ時間軸として用いられる。

図２最上段の波形ａでは、速度基準信号ωｒは、あらかじめ設定され、たとえば速度制御装置４０内に設けられた記憶部４１ａに格納されている。時刻ｔ０は、駆動システム１００の動作開始時刻を表す。速度基準信号ωｒは、時刻ｔ１から上昇を開始し、時刻ｔ４で一定値に到達する。製紙設備で用いられる抄紙機械の場合、典型的には、時刻ｔ１からｔ４まで３０秒程度である。速度基準信号ωｒは、一定値を維持した後、たとえば巻き取り動作の完了により、時刻ｔ１１で下降を開始し、時刻ｔ１４で０になる。時刻ｔ１５において、駆動システム１００は停止する。時刻ｔ１１からｔ１４までの時間は、抄紙機械の場合、典型的には３０秒程度である。

図２の２段目の波形ｂに示すようにτｄ０＝Ｂ１は、シート材９２の張力により発生する張力分駆動トルクτｔｅｎに相当する。張力分駆動トルクτｔｅｎは、張力により引っ張られているシート材９２に抗する力に基づくトルクであり、正の値を示す。τｄ０＝Ｂ２−Ｂ１は、駆動装置５０等の機械損に相当する駆動トルクτｍｅｃである。電動機５１や回転機構等の摩擦等によって駆動損失が発生し、駆動損失の抗してトルクを発生させる必要があるため、Ｂ２＞Ｂ１である。τｄ０＝Ｂ３−Ｂ２は、加減速トルク補償信号τｗの大きさに相当する。

時刻ｔ０〜ｔ１において、駆動システム１００が起動して、張力制御装置１０の側でシート材９２を引っ張るように張力Ｆｄを発生させるので、速度制御装置４０の側の駆動軸には、その張力Ｆｄに相当する張力分駆動トルクτｔｅｎが発生する。波形ｃに示すように、駆動装置５０は、トルク基準信号としてτｔｅｎに相当するトルク信号が生成されている。なお、波形ｇに示すように、張力制御装置１０の側の駆動装置３０には、張力Ｆｄに相当するトルクの値として−Ｇ１が生成されている。

時刻ｔ１〜ｔ２の期間では、波形ａに示すように、速度基準信号ωｒが立ち上がる。駆動装置５０の制御トルク信号は、加減速トルク信号の作用によって、波形ｂに示すように実負荷のトルクに追従してＢ２からＢ３まで上昇する。また、波形ｈに示すように、張力制御装置１０の側の駆動装置３０もシート材９２に引かれて回転し始めるので、速度差に応じて出力トルクも−Ｇ１（＜０）からＧ２（＞０）に上昇する。

時刻ｔ２〜ｔ３の期間では、波形ａに示すように、速度基準信号ωｒは、定加速度となる。したがって、駆動装置５０の実負荷トルクおよびこれに追従する出力トルクτｄは、一定値Ｂ３となる。張力制御装置１０の側の駆動装置３０の出力トルクＴｕｗも一定値−Ｇ３となる。

時刻ｔ３〜ｔ４の期間では、波形ａに示すように、速度基準信号ωｒの変化率、すなわち加速度は次第に低下する。そのため、速度制御装置４０の側の駆動装置５０の出力トルクτｄも張力制御装置１０の側の駆動装置３０の出力トルクＴｕｗも低下する。

時刻ｔ４〜ｔ５の期間では、波形ａに示すように、速度基準信号ωｒが一定となるので、速度制御装置４０の側の駆動装置５０の出力トルクτｄはほぼ一定値となり、張力制御装置１０の側の駆動装置３０の出力トルクＴｕｗもほぼ一定の値となる（波形ｇ）。

波形ｅ，ｆに示すように、時刻ｔ０〜ｔ５の期間では、速度の時間変化が小さいので、速度制御装置４０の側では、速度検出信号ωｄが速度基準信号ωｒに追従し、速度偏差信号Δωは実質的に発生しない。張力制御装置１０の側の駆動装置３０は、速度基準信号ωｒの時間変化に基づくトルク変動を、微分器１９および乗算器２０からなる加減速トルク補償回路によって認識できる。また、張力検出器８ａによる張力の変動としても認識することが可能である。そのため、駆動装置３０の出力トルクＴｕｗは、駆動装置５０の実負荷トルクτｄ０に追従することができ、一定の張力Ｆｄを維持することができる（波形ｋ）。

時刻ｔ５〜ｔ８の期間では、波形ｂに示すように、実際の負荷には、パルス状の外乱トルクが印加された例を示している。この例では、外乱トルクは、時刻ｔ５で、振幅Ｂ４（＞０）の外乱がステップ状に印加され、時刻ｔ８でステップ状に消失するパルス状のトルク変動である。なお、すべての動作波形ａ〜ｋにおいて、時刻ｔ５〜ｔ１０の期間では、他の期間よりも時間幅が広く示されている。張力検出器８ａによる実張力を検出して張力補正を行う場合には、１０秒程度の応答時間を要することから、外乱パルスのパルス幅を７秒と設定し、時刻５ｔ〜ｔ１０の期間をパルス応答期間として１０秒に設定し、波形ｃの時間軸には、１秒ごとの目盛の時間軸を合わせて表示している。

波形ｃに示すように、時刻ｔ５〜ｔ１０の期間では、パルス状の外乱に応答して、出力トルク応答を生じている。出力トルクτｄの応答は、駆動装置５０の制御系の応答遅れに起因して、制御誤差トルクを生じている。すなわち、時刻ｔ５〜ｔ６の期間では、波形ｃ１は、ステップ変動に対してゆっくりと立上り、時刻ｔ６〜ｔ７の期間では、波形ｃ２は、オーバシュートし、ステップ変動の振幅を超えている。時刻ｔ８〜ｔ９の期間では、波形ｃ３は、ステップ変動に対してゆっくりと下降を開始し、時刻ｔ９〜ｔ１０の期間では、波形ｃ４は、張力トルクに対してアンダシュートを生じた後一定値に整定されている。

波形ｄに示すように、時刻ｔ５〜ｔ１０の期間では、パルス状の外乱に応答して、実速度ωｄに変動が生じている。すなわち、時刻ｔ５〜ｔ６の期間の波形ｄ１では、外乱によるトルクの上昇変動に応じて、実速度ωｄは低下し、時刻ｔ６〜ｔ７の期間の波形ｄ２では、速度検出信号ωｄは一定値まで上昇している。時刻ｔ８〜ｔ９の期間では、外乱トルクの低下に応じて、速度検出信号ωｄは上昇し、時刻ｔ９〜ｔ１０の期間では、速度検出信号ωｄは一定値に向かって下降している。

波形ｅに示すように、時刻ｔ０〜ｔ５の期間および時刻ｔ１０〜ｔ１５の期間では、実際の回転速度を示す速度検出信号ωｄは、速度基準信号ωｒに追従しているので、速度偏差信号(ωｒ−ωｄ）＝Δω＝０である。一方、外乱ステップに対して応答動作をしている時刻ｔ５〜ｔ１０の期間では、速度変化が生じているので、速度偏差信号Δω≠０となっている。すなわち、時刻ｔ５〜ｔ６の期間の波形ｅ１では、外乱によるトルクの上昇変動に応じて、速度偏差信号Δωは上昇し、時刻ｔ６〜ｔ７の期間の波形ｅ２では、速度偏差信号Δωは０に戻っている。時刻ｔ８〜ｔ９の期間では、外乱トルクの低下に応じて、速度偏差信号Δωは負の値に下降し、時刻ｔ９〜ｔ１０の期間では、速度偏差信号Δωは０に戻っている。

波形ｆに示すように時刻ｔ５〜ｔ１０の期間では、速度偏差信号Δω≠０なので、偏差加速度信号Δαｄ≠０であり、Δαｄは、Δωの上昇または下降に応じて波形が決定されている。すなわち、時刻ｔ５〜ｔ６の期間では、Δωの微係数が正なので、波形ｆ１は、正の値を有する。時刻ｔ６〜ｔ７の期間では、Δωの微係数は負なので、波形ｆ２は負の値を有する。時刻ｔ８〜ｔ９の期間では、Δωの微係数は負なので、波形ｆ３は負の値を有する。時刻ｔ９〜ｔ１０の期間では、Δωの微係数は正なので、波形ｆ４は正の値を有する。

波形ｇに示すように、時刻ｔ５〜ｔ１０の期間においては、外乱パルスが印加されていない期間の制御トルク信号Ｔ３の大きさとほぼ変わらないほぼ一定の大きさの制御トルク信号Ｔ３（＝−Ｇ３）を出力している。したがって、波形ｋに示すように、張力検出信号Ｆｄはほぼ一定値に保たれる。波形ｇと同時に示される破線ｇ１は、張力制御装置１０が速度補償トルク信号Ｔ１を生成する微分器１２および乗算器１３を備えていない場合のトルク基準信号の変化を示している。破線ｇ１は、時刻ｔ５〜ｔ７'の期間では、外乱パルスの印加によって速度制御装置４０側の負荷の速度が低下しているために、出力トルクの絶対値が低下し、シート材９２の張力検出信号Ｆｄが低下していることが示されている（最下段の破線で示される波形ｋ１）。ここで、時刻ｔ７'は時刻ｔ７と時刻ｔ８との間の時刻である。また、時刻ｔ８〜ｔ１０'の期間では、外乱パルスが消滅したため、負荷の速度が急に増加し出力トルクＴｕｗの絶対値が増大している。そのため張力検出信号Ｆｄが大きく変動している（最下段の破線で示される波形ｋ１）。ここで、時刻ｔ１０'は、時刻ｔ１０と時刻ｔ１１との間の時刻である。

波形ｈに示すように巻戻枠２は、シート材９２を介して巻取芯３に結合され、波形ｋに示すように実張力を示す検出信号Ｆｄがほぼ一定値に保たれているので、張力制御装置１０側の回転速度は、速度制御を行っている巻取芯３を駆動する駆動装置５０によって設定される回転速度とほぼ同じ動作波形を示す。すなわち、時刻ｔ５からｔ６の期間では、波形ｈ１は、波形ｄ１と同様に外乱に応じて低下し、時刻ｔ６〜ｔ７の期間では、波形ｈ２は、波形ｄ２と同様に一定値に復帰する。外乱消滅時においては、時刻ｔ８〜ｔ９の期間では、波形ｈ３は、波形ｄ３と同様に上昇し、時刻ｔ９〜ｔ１０の期間では、波形ｈ４は、波形ｄ４と同様に下降する。図２では、時刻ｔ５における張力検出器８ａによって検出される実際の張力検出信号Ｆｄを張力補正部１７で補正する場合の系の応答速度を示す傾きを有する直線ｈｃ１を合わせて示している。直線ｈｃ２は、張力によるトルク差に基づく速度変化の割合を示している。直線ｈｃ３，ｈｃ４は、それぞれ張力補正部１７によって補正する場合の応答速度および張力によるトルク差に基づく速度変化の割合を合わせて示している。これらの直線ｈｃ１〜ｈｃ４の傾きに基づく変化率は、実際の速度変化を表す波形ｈ１，ｈ３の変化率に比べて非常に小さく、加減速トルク補償や、張力補正によっては、速度変化に追従することができないことを示している。

なお、実際には、巻回体９０は、その中心である巻戻枠２を駆動しているので、時間とともに径が減少するため、実速度ωｕｗは増加し、出力トルクＴｕｗは減少する。図２では、その変化が小さいので一定として示されている。

時刻ｔ１１〜ｔ１５の期間の動作については、時刻ｔ０〜時刻ｔ４の期間の動作の符号または動作順が相違することを除いて同じなので、詳細な説明を省略する。

本実施形態の張力制御装置１０の作用と効果について説明する。

本実施形態の張力制御装置１０では、速度制御装置４０によって速度制御を行っている巻取芯３のための駆動装置５０の出力トルクτｄと実負荷トルクτｄ０との偏差の積分値が、速度基準信号ωｒと実際の速度を示す速度検出信号ωｄとの偏差に比例することを利用する。駆動装置５０は、ドラム駆動軸４ａを介して巻取芯３に巻回された巻回体９４を回転駆動する。駆動装置５０の出力トルクτｄ、実負荷トルクτｄ０、速度基準信号ωｒ、実際の回転速度である速度検出信号ωｄ、巻回体９４の慣性モーメントＪ、駆動装置５０の速度制御部５４の比例ゲインＫｐ、および速度制御部５４の積分ゲインＫＩとすると、以下の関係が成り立つ。

速度制御装置４０によって制御される駆動装置５０は、ＰＩ制御によって負荷の速度制御を行う。図２の波形ｃに示すように、実負荷トルクτｄ０が増加すると、トルク偏差（τｄ−τｄ０）は負の値となる。速度制御部５４は、トルク偏差（τｄ−τｄ０）を積分しながら式（１）にしたがって、実際の速度を低下させる。速度検出信号ωｄの低下によって、速度偏差信号Δωが増加するため、式（２）に示す速度制御の比例積分制御により駆動装置５０の出力トルクτｄが増加する。この出力トルクτｄが外乱負荷の実負荷トルクτｄ０に釣り合うまで速度検出信号ωｄは低下するが、積分要素を有する速度制御系では、回転速度偏差がゼロになるまで積分を継続するので出力トルクτｄは増加を続ける。そして、速度偏差信号Δωの低下とともに出力トルクτｄも外乱の実負荷トルクτｄ０に近づいて行き、一致したところで定常状態となる。

式（１）は一般的に成立し、偏差加速度信号に比例するトルク偏差の信号を、偏差加速度を生成している駆動装置５０以外の駆動装置に用いることができる。つまり、本実施形態の張力制御装置１０では、速度制御装置４０によって制御されている駆動装置５０の偏差加速度信号Δαｄを用いて、速度制御装置４０側の速度変化に追従した速度補償トルク信号Ｔ１を生成する。そして、生成された速度補償トルク信号Ｔ１は、張力制御装置１０のトルク制御のために用いられる。本実施形態の張力制御装置１０では、偏差加速度信号Δαｄに比例する速度補償トルク信号Ｔ１を用いて、張力制御装置１０が生成する基準トルク信号Ｔ２，Ｔ２'を補償する。したがって、張力制御装置１０は、速度制御装置５０側の速度変化に追従した制御トルク信号Ｔ３を生成し、この制御トルク信号Ｔ３を用いてトルク制御を行うことによって適切な張力制御を行うことができる。

本実施形態の張力制御装置１０では、外乱パルスによって、偏差加速度信号Δαｄが正の値を示した場合（波形ｆ１）には、速度補償トルク信号Ｔ１がΔαｄに比例して大きくなる。速度補償トルク信号Ｔ１は、張力基準信号Ｆｒに基づいて設定される張力基準トルク信号Ｔ２，Ｔ２'（＜０）から差し引かれるので、制御トルク信号Ｔ３の絶対値が小さくなることを妨げるように作用する。そのため、駆動装置３０に供給される制御トルク信号Ｔ３は、偏差加速度信号Δαｄが増大してもほぼ一定の値が維持される。制御トルク信号Ｔ３が一定の値を維持するように動作するので、正の外乱パルスが印加された場合には、速度検出信号ωｄの低下にともなって張力が低下するのを防止する。図２の時刻ｔ８において外乱パルスが消滅する場合については、偏差加速度信号Δαｄが負の値を示すので、速度補償トルク信号Ｔ１の絶対値は、偏差加速度信号Δαｄの大きさに比例して大きくなる。速度補償トルク信号Ｔ１は、基準トルク信号Ｔ２，Ｔ２'に実質的に加算されることになるので、制御トルク信号Ｔ３の絶対値が大きくなることを妨げるように作用する。外乱パルスの消滅によって巻取芯３の速度が増大し、巻戻枠２が負荷の慣性により直前の速度を維持しようとするため張力は急激に増大しようとする。しかし、上述のように、速度補償トルク信号Ｔ１によって制御トルク信号Ｔ３が増大することを妨げられるので、制御トルク信号Ｔ３はほぼ一定となり、張力の急激な増大を抑制することができる。これらを換言すれば、シート材９２の搬送速度が急に低下したときには、張力制御装置１０は、シート材９２を引っ張る力を強めるように動作する。シート材９２の搬送速度が急に増大したときには、張力制御装置は、シート材９２を引っ張る力を抑えるように動作する。このようにして、印加された外乱に対して張力変動を低減することができる。

本実施形態の張力制御装置１０では、速度制御装置４０の側の速度偏差信号Δωの信号を入力して偏差加速度信号Δαｄを出力する微分器１２と、巻回体９０の径に基づく慣性モーメントＪｕｗと偏差加速度信号Δαｄを乗じる乗算器１３と、を備えている。そのため、張力制御装置１０は、速度制御装置４０の側の偏差加速度信号Δαｄに比例した速度補償トルク信号Ｔ１を生成することができる。張力制御装置１０は、張力に基づいて生成された基準トルク信号Ｔ２，Ｔ２'と、生成された速度補償トルク信号Ｔ３とを入力して減算する減算器１４を備えている。そのため、張力に基づいて生成された基準トルク信号Ｔ２，Ｔ２'を、偏差加速度信号Δαｄに比例する速度補償トルク信号Ｔ３によって補償して、制御トルク信号Ｔ３を出力することができる。この制御トルク信号Ｔ３は、速度制御装置４０側の実速度ωｄの低下の時間変化が大きい場合には、その絶対値が大きくなるので、出力トルクＴｕｗが低下するのを妨げるように作用する。また、速度補償された制御トルク信号Ｔ３は、速度制御装置４０側の速度検出信号ωｄの上昇の時間変化が大きい場合には、絶対値が小さくなり、出力トルクＴｕｗが増大しようとするのを妨げる。したがって、応答遅れの少ない張力制御を行うことができる。

上述したように、本実施形態の張力制御装置１０では、外乱に対する応答を速度制御装置４０の側の回転速度の偏差を用いており、単一の制御系で張力制御を行うこととなり、乱調、ハンチング等による制御不安定等の問題は生じない。

（第２の実施形態）
第１の実施形態の張力制御装置では、速度制御を行う巻取芯３の速度偏差信号を入力して、巻戻枠２のトルク補償を行うことによって張力制御を行うこととした。しかし、張力制御装置は、速度制御装置とシート材を介して張力制御を行っていればよく、速度制御装置側がシート材の巻き取りを行い、張力制御装置側がシート材の巻き戻しを行う場合に限られない。以下説明するように、速度制御装置側がシート材を巻き戻し、張力制御装置側がシート材の巻き取りを行う場合であってもよい。
図３は、本実施形態に係る張力制御装置と、この張力制御装置を備えたシート材の駆動システムの構成の一例を表すブロック図である。
本実施形態の駆動システムでは、巻戻枠２に巻回された巻回体９０からシート材９２を、速度制御装置４０によって速度制御されたカレンダ装置２１０を介して、巻取芯３にシート材９２を巻き取る。巻戻枠２および巻取芯３ともに、カレンダ装置２１０を駆動する駆動装置の速度偏差信号Δωを入力して張力制御を行う張力制御装置である。

駆動システム２００は、第１張力制御装置１０ａと、速度制御装置４０と、第２張力制御装置１０ｂと、を備える。駆動システム２００は、第１張力制御装置１０ａによって制御される駆動装置３０ａと、駆動装置３０ａによって駆動される、シート材９２が巻回された巻戻枠２とをさらに備える。駆動システム２００は、速度制御装置４０によって制御される駆動装置５０と、駆動装置５０によって駆動されるカレンダ装置２１０と、をさらに備える。駆動システム２００は、第２張力制御装置１０ｂによって制御される駆動装置３０ｂと、駆動装置３０ｂによって駆動される巻取芯３とをさらに備える。

カレンダ装置２１０は、その中心が鉛直方向に配列された複数のロール２１２を有している。カレンダ装置２１０は、上部から投入されたシート材９２を、隣接するロール２１２間に挟んで左右に搬送しつつ下方に搬送する、そして、シート材９２は、最下段のロール２１２から巻取芯３に出力される。シート材９２は、隣接するロール２１２間を通過しながら、シート材９２である紙の光沢仕上げ等の表面加工を行う。カレンダ装置２１０の駆動軸２１４は、駆動装置５０によって回転駆動される。なお、第１張力制御装置１０ａおよび駆動装置３０ａの構成、動作は、第１の実施形態の駆動システム１００と同一であり、また、駆動装置５０および速度制御装置４０は、第１の実施形態の駆動装置５０および速度制御装置４０と同一であり詳細な説明を省略する。

第２張力制御装置１０ｂおよび駆動装置３０ｂの構成は、第１の実施形態の張力制御装置１０および駆動装置３０とそれぞれ同一である。

本実施形態の張力制御装置１０ｂにおいては、速度制御装置４０によって制御される駆動装置の速度偏差を入力して、速度補償トルク信号Ｔ１を生成する。シート材９２に図２の波形ｂの場合と同様の正の外乱トルクが印加されたときには、カレンダ装置２１０の速度が低下する。したがって、偏差加速度信号Δαｄは正となり、速度補償トルク信号Ｔ１の絶対値は増大して制御トルク信号Ｔ３を増大させるように作用する。正の外乱トルクが消滅したときには、カレンダ装置２１０の速度は増大するので、偏差加速度信号Δαｄは負の値となる。したがって、速度補償トルク信号Ｔ１は、制御トルク信号Ｔ３を減少させるように作用する。これらの結果として、第１の実施形態の駆動システムの場合と同様に、シート材９２の実際の張力を示す張力検出信号Ｆｄがほぼ一定に保たれる。このように、張力制御装置および速度制御装置が、いずれが巻き戻しを行い、巻き取りを行う場合でも、第１の実施形態の場合において詳細に説明したことと同様に、張力制御を行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、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。

２ 巻戻枠、３ 巻取芯、４ａ ドラム駆動軸、４ｂ リアドラム、４ｃ フロントドラム、５ａ ライダーロール、５ｂ ライダー駆動軸、６ペーパーロール、７ スリッタ、８ａ 張力検出器、８ｂ 支持ロール、１０ 張力制御装置、１１ 張力基準設定部、１２ 微分器、１３ 乗算器、１４ 減算器、１５ 巻戻径演算部、１６ 加減算器、１７ 張力補正部、１８ 加算器、１９ 微分器、２０ 乗算器、２１ 慣性モーメント演算部、２２ 加算器、２３ 乗算器、３０，５０，６０，７０，８０ 駆動装置、３１，５１，６１，７１，８１ 電動機、３２，５２，６２，７２，８２ 駆動部、３３，５３，６３，７３，８３ トルク制御部、５４，６４，７４，８４ 速度制御部、３５，５５，６５，７５ 速度検出器、４０ 速度制御装置、４１ 速度基準設定部、４２ 微分器、４３ 乗算器、４４ 巻取径検出部、４５ 慣性モーメント演算部

Claims (4)

1. 電動機の速度制御を行うことによってシート材の搬送速度を制御する駆動装置と前記シート材を介して連動して動作し前記シート材の張力制御を行う張力制御装置であって、
   速度基準信号と前記電動機の回転速度を表わす速度信号との偏差信号を入力して偏差加速度信号を出力する第１微分器と、
   前記偏差加速度信号と、前記シート材が巻回された巻回体の径に基づく慣性モーメントと、を入力して第１トルク信号を出力する第１乗算器と、
   張力基準信号に前記巻回体の径を乗じた張力基準トルク信号に基づく第２トルク信号と、前記第１トルク信号と、を入力して第３トルク信号を出力する減算器と、
   を備えた張力制御装置。
2. 前記シート材の張力を検出して張力検出信号を出力する張力検出器をさらに備え、
   前記張力基準信号は、前記張力検出信号に基づいて補正される請求項１記載の張力制御装置。
3. 前記速度基準信号を入力して加速度信号を出力する第２微分器と、
   前記加速度信号と前記慣性モーメントとを入力して加減速トルク補償信号を出力する第２乗算器と、
   をさらに備え、
   前記第２トルク信号は、前記加減速トルク補償信号が加算された前記張力基準トルク信号である請求項２記載の張力制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の張力制御装置を備えた駆動システム。

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