JPH0471381A - 電動機速度制御系の調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ この発明は、電流制御系をマイナループとし速度制御系
をメインループとする電動機制御装置の速度調節器を調
整して最適化する速度制御系の調整方法に関する。

［従来の技術］ 第３図は電動機速度制御装置の回路図である。

この図において、交流電源１００の交流が整流器１で整
流されて直流に変換されこれが直流電動機３に供給され
て駆動される。負荷３０は直流電動機３に連結されてい
て直流電動機３が回転するのに応じて負荷３０も回転す
葛。直流電動機３の回転速度ｎは速度検出器３１によっ
て計測される。

制御系は電流制御系のマイナループ２００と速度制御系
のメインループの２重の閉ループ制御系で構成されてい
て、メインループ３００は前述の速度検出器３１が検出
した直流電動機３の速度ｎがフィードバックされ、減算
器９によって速度設定値ｎ“から減算されて偏差ｅが求
められ、この偏差ｅが速度調節器８に入力される。この
速度調節器８は比例要素と積分要素とからなるいわゆる
ＰＩ調節器からなっていてそれぞれの要素の係数は最適
な値に設定されるものであり、この速度調節器８は電流
設定値１９を出力する。

マイナルーブ２００はこの電流設定値１１を入力信号と
してこれから変流器２で計測された直流電動機３の電機
子電流の実際値ｉが減算器５によって減算されて電流調
節器４に入力され、この電流調節器４の出力信号が整流
器１の制御信号となって、この制御信号によって整流器
１の出力電圧を変化がする。電流調節器４も速度調節器
８と同様にＰＩ調節器で構成されるのが普通である。な
お、電流実際値ｉは変流器２で計測されてそのまま減算
器５に入力されるように図示されているが、実際は変流
器２の出力は交流であり、これを整流して直流に変換す
ることにより直流電動機３に供給される電流に比例した
計測値が得られるのであり、図示の電流計測回路はこの
整流器を省略して単に模式的に図示しているものである
。この電流を図示のように整流器１の交流側で計測する
のではなく、整流器１と直流電動機３との間の直流回路
に分流器や直流変流器を挿入して計測する方式を採用し
てもよい。

電流設定値ｉ”は直流電動＠３が発生するトルクτに比
例する値として設定されるもので、一般に直流電動機３
は界磁極が生起する磁束Φを一定に保持することによっ
て発生トルクτは電機子電流Ｉに比例することになるこ
とから、瞬時値制御が可能になるという特長があるため
に、高精度の速度制御を必要とする装置にこの直流電動
機が多く使用されている。近年、半導体素子を使用した
インバータの進歩に伴って誘導電動機や同期電動機など
の交流電動機が直流電動機に変わってその用途を広げて
いるが、その場合もベクトル制御と呼ばれている方式に
よって直流電動機と同しように発生トルクが一次電流に
比例するように制御する方式が採用される。

速度調節器８や電流調節器４はそれぞれの制御系が最適
になるように比例要素の比例係数や積分要素の時定数な
どの係数が設定される。電流調節器４の場合は制御の対
象が電流であり、マイナループ２００の制御特性は整流
器１や直流電動機３の電気回路の諸定数によって決まる
ものなので、その中に含まれる回路定数によって決まる
時定数はｌＯミリ秒レベルの小さな値であり、しかも電
気試験によって計測から求めることが比較的容易でもあ
るので、電流調節器４の定数を最適に設定するのは容易
であり、しかも、ある程度誤差があっても全体の制御系
に対する影響の度合いは小さい。

一方、速度制御の場合は、直流電動機の慣性モーメント
などの機械系を含んでいるので、その時定数は秒レベル
もしくはそれ以上の比較的遅い応答であり、速度制御系
を最適化するためにはこの機械系の定数を正確に把握す
ることが必要である。

〔発明が解決しようとする課題］ 前述のように、電動機の速度制御装置の制御特性は主に
速度制御系、特に電動機や負荷の機械系の特性で決まる
。したがって、これら機械系を支配する定数を正確に把
握した上で制御系の最適調整を行うことが必要である。

しかし、一般に機械系の定数を把握することは困難なこ
とが多く、そのため、速度制御系の調整は最初に設計値
から求まる定数を使用して大まかな調整を行っておき、
制御装置と電動機とを絹み合わせて運転して実際に制御
特性を計測し、その結果を基にして最適条件を探索する
という試行錯誤的な方法がとられる。

したがって、最適条件を探索するのに多くの時間を要す
るために調整コストが増大するばかりでなく、このよう
な試験の多くは装置が据え付けられる現地で行われるが
、調整に多くの時間を費やすために現地における据え付
は作業の期間が長くなるという問題もある。

この発明は、速度制御系であるメインループの制御特性
を最適化するだめの速度調節器の調整を簡単かつ迅速に
行うことのできる電動機速度制御系の調整方法を提供す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するためにこの発明によれば、電流制御
系をマイナルーブとし速度制御系をメインループとする
電動機制御装置の速度制御系の調整方法において、前記
電流制御系を用いて前記電動機を一定トルクで駆動して
そのときの加速度を計測し、計測された加速度に基づい
て前記電動機の慣性モーメントを求め、この慣性モーメ
ントを用いて速度制御系の速度調節器の係数を設定する
ものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、電流制御系を用いて無負荷の
状態で前記電動機を一定トルクで起動してそのときの加
速度を計測し、計測された加速度とトルクから電動機の
慣性モーメントを求める。

この慣性モーメントの値を所定の計算式に代入すること
によって簡単に速度調節器の係数を決定することができ
る。

（実施例］ 以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の発明の実施例を示す回路図であり、第３図と共通の構
成要素については同一の参照番号を付すことにより詳細
な説明を省略する。この図はマイナループ２００のトル
クに比例する電流の制御機能を利用して速度調節器８の
調整に必要となる機械系の定数を試験によって求めよう
とするものである。この図おいて、電流設定値ｉ′Ｉは
一定値に保持されしたがって、直流電動機３は一定トル
クで駆動されることになる。タイマ７は外部から開始と
終了の信号が入力されて開始から終了までの時間を計測
するもので、信号３０１が開始時点を伝えるパルス信号
であり、この信号３０１のパルスによって設定された時
点でタイマ７の積算時間の記憶がクリアされ０から改め
て積算が開始される。比較器６は速度検出器３１によっ
て検出された直流電動機３の回転速度ｎと目標速度ｎ、
とを比較し、電動機３が一定トルクで加速されるのでラ
ンプ状に上昇する速度ｎの方が大きくなった瞬間にパル
スを出力し、このパルス信号によってタイマ７が停止す
る。このときのタイマ７の表示時間が開始時点起動から
停止時点までの時間計測値Ｔである。

直流電動機３の慣性セーメントをＭ、発生トルクをτ、
回転速度をｎとすると、これらの間には一般に次式の関
係が成立している。ただし、ｔは時間である。

ｎ τ−Ｍ−□　　　　−−−−−−−−−−−−−一−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−（
１）ｔ トルクは一定値τ”　　　ｔ＝ｏでｎ＝０とすると、ｔ
＝Ｔにおけるこれらの関係は（１）式を１＝０〜Ｔの間
積分をすることによって結果的に次式が得られる。

τ“Ｔ＝Ｍｎｆｆｌ−（２） この式をＭに関して解くと次式が得られ、この式から時
間計測値Ｔとトルク設定値τ“　も目標速度ｎ１から直
流電動機３の慣性モーメンｌ−Ｍが計算できる。

Ｍ−τ”　Ｔ／　ｎ、　　−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−（３）次
にこの慣性モーメントＭを用いて速度調節器８の係数を
求める方法について説明する。制御性を最適化する方法
には種々あり目的に応じて使い分けられる。ここでは、
−例としてジンメトリッシ工法と呼ばれている方法を基
にした計算法について説明する。

第２図は制御特性解析のために第３図を別の形で表した
ブロック線図である。この図において、第１図の構成要
素に１対１に対応する第３図のブロックに対しては同じ
参照符号を付けて対応を明らかにしである。速度調節器
８は係数がＫｐの比例要素と時定数Ｔ　Ｉ　／　Ｋ　Ｆ
の積分要素からなっている。速度調節器８を表すブロッ
クの中の式は少し式を変形して表しである。マイナルー
プ２００は１つの遅延要素として表しである。その時定
数はＴＣＲ１比例係数Ｋｃである。第１図の電流調節器
４は最適に調整されてその結果マイナループ２００は充
分小さな時定数の一次遅延要素に近似することが可能に
なっている。

直流電動機３を表すブロックは乗算要素３２、減算器３
３及び積分要素３４からなっていて、電流ｉに入力され
て界磁極が生起する磁束Φとの積がトルクτＨになる。

このトルクτ、から第２図の負荷のトルクτ１、が減算
器３３によって減算された上で直流電動機３の慣性を模
擬する積分要素３４に入力されて回転速度ｎが出力され
る。

第２図における速度設定値ｎ　１’に対する速度実際値
ｎの伝達関数は次式となる。ただし、負荷トルクτ−〇
としている。

１　＋　Ｆ　（Ｓ） ただし、 （４）式を（３）式に代入して整理すると次式が得られ
る。

”　＋Ｓ’　ＴＩ　Ｔｃ＊Ｔ＋／（ＫＰ　ＫＣ）この式
にジンメトリッシ工法を適用することによって速度調節
器８の２つの係数に、、Ｔ、は次式で求められる。

この弐に基づいてＫＰ、ＴＩを計算するにおいて、Ｔｅ
１Ｉ、に、はマイナルーブ２００の調整の結果得られる
ものであるから、この調整がすでに済んでいる現時点で
は既知の値なので、結局、時定数ＴＭが分かれば（６）
式は計算が可能になる。

ところで、積分要素３４は前述のように直流電動機３が
生起するトルクτ□に対する直流電動機の回転数ｎの関
係を表すものであり、（１）式の比較からＴＨは慣性モ
ーメントＭに比例する値になる。

つまり、慣性モーメントＭが分がればＴ４が分かり、し
たがって、（６）弐に基づいて速度調節器８の２つの最
適の係数が求められ、その結果、速度制御系であるメイ
ンループの最適化が容易に行われることになる。第２図
のブロック線図におけるｎやｉは実際の直流電動機Ｎや
電機子電流ｌに比例する値ではあるが、実際の制御回路
の中では電圧信号として扱われるから、次元を合わせる
ために直流電動機３の定格値の比率で表すのが実際であ
る。時定数ＴＨと慣性モーメントＭとの間の関係はこの
ような無次元化される際の係数が考慮されなければなら
ない。

直流電動機３の定格電流をＩ。、定格出力をＰｏ、定格
トルクをτ。、定格速度をＮｏとすると、（１）式から
結果的に次式となる。

Ｏ２ ＴＭ　＝　２πＭ　　　　−−−一−−−−−−−−面
り凹−−−−−〜面−旧−−−−−甲−（８）ｐ。

第１図による加速度を求める方式は起動時にりイマ７を
始動し所定の速度ｎ、で停止させる方式を採用している
が、このような方式の代わりにタイマ停止速度ｎ１より
も小さな適当な始動速度ｎｓを設定して、直流電動ｍ３
の速度ｎが始動速度ｎ５を越えたときにタイマ７が時間
の積算を開始するようにしてもよい。始動速度ｎ、でタ
イマ７を始動させるには比較器６と同じような別の比較
器を使用し、速度ｎが始動速度ｎ　、ｓを越えたときに
始動パルス３０１を発生させるようにすればよい。また
、始動時と終了時との速度ｎを記憶させるようにして、
一定トルクで加速されて増加過程にある速度ｎを所定の
期間の始めと終わりの値から加速度を求める方式を採用
することもできる。

いずれにしても、直流電動機３が一定加速度で速度が上
昇してゆく状態での加速度を求めることができる方式な
らばどのようなものでもよい。

第１図や第２図では整流器１と直流電動機３の組み合わ
せを実施例として示したが、前述のように一定トルクに
制御して電動機を駆動することができる方式には交流電
動機の速度制御に採用されるベクトル制御方式があり、
この方式を採用した電動機の速度制御装置に対してもこ
の発明を適用して効果をあげることができる。この場合
は、インバータと交流電動機の組み合わせになり、第２
図の電流設定値ｉ′″を求めるための演算器が設けられ
るなど、第１図の構成に比べて制御装置はより複雑な構
成であるが、それでも電流制御系のマイナルーブと速度
制御系のメインループが構成され、それぞれに調節器が
設けられるという点で基本的に第３と共通である。製作
時点での回転部の慣性モーメントの算出の精度やその困
難さと前述の実施例のように加速度を求めこれから慣性
モーメントを計算することの容易さは交流電動機でも直
流電動機でも大差はない。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、マイナループである電流制御
系を用いて電動機を一定トルクで起動してそのときの加
速度を計測し、計測された加速度とトルクから電動機の
慣性モーメントを求める。

この慣性モーメントのイ直を所定の計算式に代入するこ
とによって簡単に速度調節器の係数を決定することがで
きるという効果が得られる。その結果、従来のように、
現地において試行錯誤的に行っていたために多大の時間
を要していた速度制御系の調整作業が改善され、現地に
おける調整が不要になるか所要時間が大幅に短縮される
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す回路図、第２図は電動
機速度制御系を示すブロック線図、第３図は従来の電動
機速度制御装置を示す回路図である。 １・・・整流器、２・・・変流器、 ３・・・直流電動機（電動機）、３１・・・速度検出器
、４・・・電流調節器、５．９・・・減算器、６・・・
比較器、７・・・タイマ、８・・・速度調節器、２００
・・・マイナループ、３００・・・メインループ、３０
・・・負荷、１００・・・交流電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）電流制御系をマイナループとし速度制御系をメイン
   ループとする電動機制御装置の速度制御系の調整方法に
   おいて、前記電流制御系を用いて前記電動機を一定トル
   クで駆動してそのときの加速度を計測し、計測された加
   速度に基づいて前記電動機の慣性モーメントを求め、こ
   の慣性モーメントを用いて速度制御系の速度調節器の係
   数を設定することを特徴とする電動機速度制御系の調整
   方法。