JP6432698B2

JP6432698B2 - 電動機の速度制御装置

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Publication number: JP6432698B2
Application number: JP2017562394A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　敦; 敦鈴木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: KR20180021179A; TW201728073A; CN108012576B; WO2017126095A1; KR102013080B1; JPWO2017126095A1; TWI626825B; CN108012576A

Description

この発明は、電動機の速度制御装置に関する。

特許文献１は、電動機の速度制御装置を開示する。当該速度制御装置は、外乱オブザーバを用いて電動機に作用するねじりトルクの推定値を算出する。当該速度制御装置は、ねじりトルクの推定値に基づいた補償トルクを用いて電動機のトルク基準に対するフィードフォワード補償を行う。

日本特開昭６０−１７７９０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の速度制御装置において、外乱オブザーバは、不完全微分を行う。このため、電動機の回転速度の応答値に含まれるノイズの影響により、電動機に対する補償トルクの変動が激しい。

この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、電動機に対する補償トルクの変動を抑制することができる電動機の速度制御装置を提供することである。

この発明に係る電動機の速度制御装置は、電動機の回転速度の指令値と前記電動機の回転速度の応答値とに基づいて電動機のトルク基準値を出力する速度制御器と、前記電動機に作用する負荷トルクの推定値に基づいて前記速度制御器による電動機のトルク基準値の出力の周期よりも長い周期で前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償を行う外乱オブザーバと、を備え、前記外乱オブザーバは、前記電動機のトルクの変動に応じて前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償の周期を変化させる。

この発明に係る電動機の速度制御装置は、電動機の回転速度の指令値と前記電動機の回転速度の応答値とに基づいて電動機のトルク基準値を出力する速度制御器と、前記電動機のトルク基準値と前記電動機の回転速度の応答値とについての複数のサンプリング値の平均値に基づいて前記速度制御器による電動機のトルク基準値の出力の周期と同じ周期で前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償を行う外乱オブザーバと、を備え、前記外乱オブザーバは、前記電動機のトルクの変動に応じて前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償の周期を変化させる。

この発明に係る電動機の速度制御装置は、電動機の回転速度の指令値と前記電動機の回転速度の応答値とに基づいて電動機のトルク基準値を出力する速度制御器と、前記電動機のトルク基準値と前記電動機の回転速度の応答値とについての複数のサンプリング値を最小二乗法により近似した曲線または直線から得られた値に基づいて前記速度制御器による電動機のトルク基準値の出力の周期と同じ周期で前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償を行う外乱オブザーバと、を備えた。

これらの発明によれば、電動機の回転速度の応答値に含まれるノイズの影響が抑制される。このため、電動機に対する補償トルクの変動を抑制することができる。

この発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置が適用された圧延機の構成図である。この発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置が適用された電動機の軸ねじれ振動を説明するための斜視図である。この発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置が適用された電動機の軸ねじれ振動をラプラス演算子で表現した図である。この発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置による速度制御を説明するためのブロック図である。この発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置による速度制御のシミュレーション結果を説明するための図である。この発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置による速度制御のシミュレーション結果を説明するための図である。この発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置のハードウェア構成図である。この発明の実施の形態２における電動機の速度制御装置による速度制御のシミュレーション結果を説明するための図である。この発明の実施の形態３における電動機の速度制御装置による速度制御の要部を説明するためのブロック図である。この発明の実施の形態３における電動機の速度制御装置による速度制御のシミュレーション結果を説明するための図である。

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が付される。当該部分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における電動機の速度制御装置が適用された圧延機の構成図である。

図１に示すように、圧延機は、上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとを備える。上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとは、鉛直方向に並ぶ。上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとは、図示しない金属材料（圧延材）を挟み込む。上側バックアップロール２ａは、上側ワークロール１ａの上方に設けられる。下側バックアップロール２ｂは、下側ワークロール１ｂの下方に設けられる。

電動機３は、上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとの一側に設けられる。トルク伝達機械４の入力側は、電動機３の回転軸に接続される。トルク伝達機械４の出力側は、上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとに接続される。例えば、トルク伝達機械４は、カップリング５とピニオンギヤ６と上側スピンドル７と下側スピンドル８とを備える。

ドライブ装置９の出力側は、電動機３の入力側に接続される。速度センサ１０は、ドライブ装置９に設けられる。速度制御装置１１の入力側の一方は、図示しない外部の装置の出力側に接続される。速度制御装置１１の入力側の他方は、速度センサ１０の出力側に接続される。速度制御装置１１の出力側は、ドライブ装置９の入力側に接続される。

速度センサ１０は、電動機３の回転速度を検出する。速度センサ１０は、検出結果に基づいて応答値ω_ｍ ^ｒｅｓ（ｒａｄ／ｓ）を出力する。

速度制御装置１１は、電動機３の回転速度の指令値ω_ｍ ^ｃｍｄ（ｒａｄ／ｓ）の入力を外部の装置から受け付ける。速度制御装置１１は、電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓの入力を速度センサ１０から受け付ける。

速度制御装置１１は、指令値ω_ｍ ^ｃｍｄと応答値ω_ｍ ^ｒｅｓとに基づいて電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒ（Ｎ・ｍ）を出力する。ドライブ装置９は、トルク基準Ｔ_Ｒに基づいて電動機３を駆動する。その結果、電動機３は、トルクＴ_ｍ（Ｎ・ｍ）をトルク伝達機械４に与える。上側ワークロール１ａと下側ワークロール１ｂとは、トルクＴ_ｍに基づいてほぼ同じ速度で回転する。その結果、金属材料は所望の厚さに圧延される。この際、圧延機からの反作用により、負荷トルクＴ_Ｆ（Ｎ・ｍ）が電動機３に作用する。

次に、図２と図３とを用いて、電動機の軸ねじれ振動を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置が適用された電動機の軸ねじれ振動を説明するための斜視図である。図３は電動機の速度制御装置が適用された電動機の軸ねじれ振動をラプラス演算子で表現した図である。

図２と図３とは、電動機３と圧延機とをねじりばねで連結した二質点系としたモデルを表す。図２において、ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓ（ｒａｄ／ｓ）は上側ワークロール１ａの回転速度の応答値である。図３において、Ｔ_ｒｏｌｌ（Ｎ・ｍ）は、圧延材からの負荷トルクである。Ｊ_Ｍｉｌｌ（ｋｇ・ｍ^２）は、圧延機の慣性である。Ｊ_１（ｋｇ・ｍ^２）は、慣性である。ｓはラプラス演算子である。

トルク伝達機械４（図２と図３とにおいては図示せず）においては、各構成がねじり弾性を有する軸で結合される。その結果、トルク伝達機械４は、多慣性共振系となる。このため、電動機３の回転速度と上側ワークロール１ａの回転速度とを常に一致させることはできない。図示しないが、電動機３の回転速度と下側ワークロール１ｂの回転速度とを常に一致させることもできない。

上側ワークロール１ａおよび下側ワークロール１ｂは、電動機３のトルクＴ_ｍにより回転する。この際、反作用のねじりトルクが外乱として電動機３に作用する。さらに、電動機３の回転速度を速くすると、当該回転速度に対応した周波数が電動機３から上側ワークロール１ａおよび下側ワークロール１ｂまでの機械系の共振周波数に接近する。この場合、軸ねじれ振動が発生し得る。

次に、図４を用いて、速度制御装置１１による速度制御を説明する。
図４はこの発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置による速度制御を説明するためのブロック図である。図４において、ｇ_ｄｉｓ（ｒａｄ／ｓ）は、ローパスフィルタのカットオフ周波数である。Ｊｍ（ｋｇ・ｍ^２）は、電動機３の慣性である。Ｊ´ｍ（ｋｇ・ｍ^２）は、ノミナル慣性である。

図４に示すように、速度制御装置１１は、速度制御器１２と外乱オブザーバ１３とを備える。

速度制御器１２は、ＰＩ制御器である。例えば、速度制御器１２のサンプリング周期Ｔは、１ｍｓである。速度制御器１２は、電動機３の回転速度の指令値ω_ｍ ^ｃｍｄと電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓとの偏差に基づいて電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒを出力する。

外乱オブザーバ１３は、微分演算子を持たない。このため、外乱オブザーバ１３は、電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに含まれるノイズの増幅を抑制する。さらに、外乱オブザーバ１３は、デシメーションの機能を備える。具体的には、外乱オブザーバ１３は、ローパスフィルタによるフィルタリングの機能とダウンサンプリング１４の機能とを備える。このため、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´は、速度制御器１２のサンプリング周期Ｔより長くなる。例えば、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´は、１０ｍｓとなる。

外乱オブザーバ１３は、サンプリング周期Ｔ´毎に電動機３に作用する負荷トルクの推定値を算出する。外乱オブザーバ１３は、電動機３に作用する負荷トルクの推定値に基づいて補償トルクＴ´_Ｆ（Ｎ・ｍ）を算出する。外乱オブザーバ１３は、速度制御器１２による電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒに対するフィードフォワード補償を補償トルクＴ´_Ｆにより行う。

次に、図５と図６とを用いて、速度制御装置１１による速度制御のシミュレーション結果を説明する。
図５と図６とはこの発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置による速度制御のシミュレーション結果を説明するための図である。

図５の左側は時刻０．１（ｓ）において電動機３の回転速度の指令値ω_ｍ ^ｃｍｄとして２００ｒｐｍをステップ入力した際の電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓと上側ワークロール１ａの応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとを表す図である。この際の速度制御器１２のサンプリング周期Ｔは１ｍｓである。応答値ω_ｍ ^ｒｅｓは、ノイズを模擬する１０００ｒａｄ／ｓの正弦波を含む。

図５の右側は図５の左側の図において電動機３の回転速度の指令値ω_ｍ ^ｃｍｄをステップ入力した際の補償トルクＴ´_Ｆである。この際の外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´は５ｍｓである。

図６の左側は時刻０．１（ｓ）において電動機３の回転速度の指令値ω_ｍ ^ｃｍｄとして２００ｒｐｍをステップ入力した際の電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓと上側ワークロール１ａの応答値ω_ｒｏｌｌ ^ｒｅｓとを表す図である。この際の速度制御器１２のサンプリング周期Ｔは１ｍｓである。応答値ω_ｍ ^ｒｅｓは、ノイズを模擬する１０００ｒａｄ／ｓの正弦波を含む。

図６の右側は図６の左側の図において電動機３の回転速度の指令値ω_ｍ ^ｃｍｄをステップ入力した際の補償トルクＴ´_Ｆである。この際の外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´は１０ｍｓである。

図５の右側に示すように、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´が長いため、補償トルクＴ´_Ｆの変動が抑制される。また、図６の右側に示すように、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´が長くなるにつれて補償トルクＴ´_Ｆの変動がより抑制される。

以上で説明した実施の形態１によれば、速度制御器１２による電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒの出力の周期よりも長い周期で速度制御器１２による電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒに対するフィードフォワード補償が行われる。このため、電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに含まれるノイズの影響が抑制される。その結果、電動機３に対する補償トルクＴ´_Ｆの変動を抑制することができる。

次に、図７を用いて、速度制御装置１１の例を説明する。
図７はこの発明の実施の形態１における電動機の速度制御装置のハードウェア構成図である。

速度制御装置１１の各機能は、処理回路により実現し得る。例えば、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ１５ａと少なくとも１つのメモリ１５ｂとを備える。例えば、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア１６を備える。

処理回路が少なくとも１つのプロセッサ１５ａと少なくとも１つのメモリ１５ｂとを備える場合、速度制御装置１１の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、少なくとも１つのメモリ１５ｂに格納される。少なくとも１つのプロセッサ１５ａは、少なくとも１つのメモリ１５ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、速度制御装置１１の各機能を実現する。少なくとも１つのプロセッサ１５ａは、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。例えば、少なくとも１つのメモリ１５ｂは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等である。

処理回路が少なくとも１つの専用のハードウェア１６を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はこれらを組み合わせたものである。例えば、速度制御装置１１の各機能は、それぞれ処理回路で実現される。例えば、速度制御装置１１の各機能は、まとめて処理回路で実現される。

速度制御装置１１の各機能について、一部を専用のハードウェア１６で実現し、他部をソフトウェア又はファームウェアで実現してもよい。例えば、速度制御器１２の機能については専用のハードウェア１６としての処理回路で実現し、外乱オブザーバ１３の機能については少なくとも１つのプロセッサ１５ａが少なくとも１つのメモリ１５ｂに格納されたプログラムを読み出して実行することによって実現してもよい。

このように、処理回路は、ハードウェア１６、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、速度制御装置１１の各機能を実現する。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２における電動機の速度制御装置による速度制御のシミュレーション結果を説明するための図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には、同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

実施の形態１において、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´は、速度制御器１２のサンプリング周期Ｔよりも長く設定される。これに対し、実施の形態２において、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´は、速度制御器１２のサンプリング周期Ｔと同じに設定される。

実施の形態２において、外乱オブザーバ１３は、現在（ｔ＝ｋ）を含む過去の複数回（Ｎ回）におけるサンプリング値の平均値を入力値として用いる。例えば、外乱オブザーバ１３は、次の（１）の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓを入力値として用いる。

外乱オブザーバ１３は、Ｎ回のサンプリング毎に補償トルクＴ´_Ｆを出力する。

図８は、実施の形態１と同様の条件によるシミュレーションの結果である。この際、Ｎは５に設定される。その結果、補償トルクＴ´_Ｆは、５ｍｓ毎に出力される。実施の形態１に比べ、補償トルクＴ´_Ｆの変動の振幅が抑制される。

以上で説明した実施の形態２によれば、電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒと電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓとについての複数のサンプリング値の平均値に基づいて速度制御器１２による電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒに対するフィードフォワード補償が行われる。このため、電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに含まれるノイズの影響がより確実に抑制される。その結果、電動機３に対する補償トルクＴ´_Ｆの変動をより確実に抑制することができる。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３における電動機の速度制御装置による速度制御の要部を説明するため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、同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

実施の形態１において、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´は、速度制御器１２のサンプリング周期Ｔよりも長く設定される。これに対し、実施の形態３において、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´は、速度制御器１２のサンプリング周期Ｔと同じに設定される。

実施の形態３において、外乱オブザーバ１３は、現在（ｔ＝ｋ）を含む過去の複数回（Ｎ回）におけるサンプリング値の平均値を入力値として用いる。例えば、外乱オブザーバ１３は、次の（２）の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓを入力値として用いる。

外乱オブザーバ１３は、サンプリング周期Ｔ´毎に補償トルクＴ´_Ｆを出力する。

次に、図１０を用いて、速度制御装置１１による速度制御のシミュレーション結果を説明する。
図１０はこの発明の実施の形態３における電動機の速度制御装置による速度制御のシミュレーション結果を説明するための図である。

図１０は、実施の形態１と同様の条件によるシミュレーションの結果である。この際、Ｎは５に設定される。この場合でも、補償トルクＴ´_Ｆは、１ｍｓ毎に出力される。実施の形態１に比べ、補償トルクＴ´_Ｆの変動の振幅が抑制される。

以上で説明した実施の形態３によれば、電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒと電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓとについての複数のサンプリング値の平均値に基づいて速度制御器１２による電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒの出力の周期と同じ周期で速度制御器１２による電動機３のトルク基準値Ｔ_Ｒに対するフィードフォワード補償が行われる。このため、電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに含まれるノイズの影響が抑制される。その結果、電動機３に対する補償トルクＴ´_Ｆの変動を抑制することができる。

なお、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´を速度制御器１２のサンプリング周期Ｔと同じに設定し、複数のサンプリング値を最小二乗法により近似した曲線または直線から得られた値に基づいて補償トルクＴ´_Ｆを算出してもよい。例えば、次の（３）式に示すように数回（Ｎ回）におけるサンプリング値から、最小二乗誤差の合計値を最小にする曲線または直線を求めて当該曲線または直線から応答値ω_ｍ ^ｒｅｓの入力値を得てもよい。

この場合も、電動機３の回転速度の応答値ω_ｍ ^ｒｅｓに含まれるノイズの影響が抑制される。その結果、電動機３に対する補償トルクＴ´_Ｆの変動を抑制することができる。

また、外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´の初期値を速度制御器１２のサンプリング周期Ｔと同じに設定し、運転開始後に補償トルクＴ´_Ｆを含むトルクの変動に応じて外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´をリアルタイムで変化させてもよい。例えば、トルクの変動に応じて外乱オブザーバ１３のサンプリング周期Ｔ´を速度制御器１２のサンプリング周期Ｔの整数倍（２倍、３倍、・・・Ｎ倍）に変化させてもよい。

以上のように、この発明に係る電動機の速度制御装置は、電動機に対する補償トルクの変動を抑制するシステムに利用できる。

１ａ上側ワークロール、１ｂ下側ワークロール、２ａ上側バックアップロール、２ｂ下側バックアップロール、３電動機、４トルク伝達機械、５カップリング、６ピニオンギヤ、７上側スピンドル、８下側スピンドル、９ドライブ装置、１０速度センサ、１１速度制御装置、１２速度制御器、１３外乱オブザーバ、１４ダウンサンプリング、１５ａプロセッサ、１５ｂメモリ、１６ハードウェア

Claims

電動機の回転速度の指令値と前記電動機の回転速度の応答値とに基づいて電動機のトルク基準値を出力する速度制御器と、
前記電動機に作用する負荷トルクの推定値に基づいて前記速度制御器による電動機のトルク基準値の出力の周期よりも長い周期で前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償を行う外乱オブザーバと、
を備え、
前記外乱オブザーバは、前記電動機のトルクの変動に応じて前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償の周期を変化させる電動機の速度制御装置。
前記外乱オブザーバは、前記電動機のトルク基準値と前記電動機の回転速度の応答値とについての複数のサンプリング値の平均値に基づいて前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償を行う請求項１に記載の電動機の速度制御装置。
電動機の回転速度の指令値と前記電動機の回転速度の応答値とに基づいて電動機のトルク基準値を出力する速度制御器と、
前記電動機のトルク基準値と前記電動機の回転速度の応答値とについての複数のサンプリング値の平均値に基づいて前記速度制御器による電動機のトルク基準値の出力の周期と同じ周期で前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償を行う外乱オブザーバと、
を備え、
前記外乱オブザーバは、前記電動機のトルクの変動に応じて前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償の周期を変化させる電動機の速度制御装置。
電動機の回転速度の指令値と前記電動機の回転速度の応答値とに基づいて電動機のトルク基準値を出力する速度制御器と、
前記電動機のトルク基準値と前記電動機の回転速度の応答値とについての複数のサンプリング値を最小二乗法により近似した曲線または直線から得られた値に基づいて前記速度制御器による電動機のトルク基準値の出力の周期と同じ周期で前記速度制御器による電動機のトルク基準値に対するフィードフォワード補償を行う外乱オブザーバと、
を備えた電動機の速度制御装置。