JPH0630574A

JPH0630574A - モータの制御システム

Info

Publication number: JPH0630574A
Application number: JP3276830A
Authority: JP
Inventors: Malcolm E Greenway; マルコム、アーネスト、グリーンウェイ; Winfried E Schmitt; ウインフリート、エー、シュミット; Rodney S Hamilton; ロドニー、ステファン、ハミルトン
Original assignee: Anglo American Corp of South Africa Ltd
Current assignee: Anglo American Corp of South Africa Ltd
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1994-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】正常動作および緊急制動について長手方向の
振動を低下させるための制御システム。【構成】本発明はロープにより支持される運搬装置を
含みそして振動系を形成する坑内巻上げ装置のロープド
ラムを駆動するようになったモータ用の制御システムを
提供する。この制御システムはロープの負荷をモニタす
る負荷センサとドラムからくり出されたロープの長さを
モニタするロープ長センサを含む。モータ制御ユニット
はこのセンサからの信号を受けて振動系の速度、加速度
およびジャークについての設定点を計算する。この制御
ユニットはシステム内の振動の発生を防止するようにこ
の振動系の固有振動モードに関係した制御信号を発生し
そしてそれにもとづきモータ駆動装置を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は坑内巻取装置あるいは同
様のホイストシステムのロープドラムを駆動するための
電動モータ用の制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ホイス
トは一般に少くとも１個であって通常は２個であるロー
プドラムに接続されたモータを用いている。ケージまた
は運搬装置がそのドラムに巻かれたロープの先端に装着
され、このドラムが回転すると堅坑内の運搬装置が上下
する。一般に、この巻取構成は１つの運搬装置が上昇す
るとき他方の運搬装置が下降するようになっている。

【０００３】金鉱山におけるような深い堅坑には長いロ
ープが必要である。そのようなシステムでは運搬装置、
ロープ、モータと巻取ドラムの慣性およびこのシステム
内の他の移動する質量に振動が生じる。そのような振動
は特に通常の巻取り中および緊急制動時に生じる巻取ド
ラムの加速により励起される。その結果、ロープの先端
のケージの長手方向の大きい振幅の動的なずれが生じ、
それによりロープにかかる張力負荷が増大する。これに
耐えるには通常の動作に必要なロープより丈夫なロープ
を使用しなくてはならず、ロープの質量とコストが増加
し、達成可能な杭の深さが制限される。本発明の目的は
長手方向の振動を減少させるようになった、通常動作お
よび緊急制動用の制御システムを提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれ
ば、ロープにより支持される運搬装置を含みそして振動
系を形成する坑内巻取装置またはホイストシステムのロ
ープドラムを駆動するように配置された電動モータ用の
制御システムはロープの負荷をモニタしそれに対応する
負荷信号を与える負荷センサと、ロープドラムからくり
出されたロープの長さをモニタしてそれに対応するロー
プ長さ信号を出すロープ長さセンサと、この負荷信号と
ロープ長さ信号に応答して振動系の速度、加速度および
急激な変化すなわちジャークについての設定点を計算
し、振動系の固有振動特性またはその一部に関係した、
その系の振動励起を防止するための制御信号を発生する
モータ制御ユニットと、この制御信号に従ってモータに
供給される電流を制御するためのモータ駆動手段と、を
備えている。

【０００５】この振動系は運搬装置、ロープ、モータ、
綱車、ドラム、および関連する任意の移動質量を含む。
好適には、この振動系またはその一部の固有振動特性は
その基本振動周波数である。モータ制御ユニットは振動
系のジャーク周期がこの振動系またはその一部の固有振
動モードの周期に関係づけうるように制御信号を発生す
る。ジャークの設定点で決定される補助速度の設定点を
ジャーク周期中に速度設定点に適用してもよい。好適に
はこの補助速度設定点は、ジャークの設定点を振動系ま
たはその一部の固有振動モードの角周波数の二乗で割っ
たもので表わされる。あるいは、この補助速度設定点は
ジャーク設定点とその時間についての２次微分との重み
づけされた和でもよい。重みづけ因子は振動系またはそ
の一部の二つの任意の固有振動モードの角周波数で決定
される。モータ制御ユニットはロープ長さセンサと負荷
センサに応答してロープの長さと運搬装置の負荷の大き
さから振動系またはその一部の固有振動モードの周期を
計算すると共にそれらの設定点を計算する。ロープドラ
ムとモータの慣性モーメントも考慮される。

【０００６】このシステムはモータ制御ユニットと関連
して制動中の振動系における共振を防止するように動作
しうる安全制動制御ユニットを含む。モータ制御ユニッ
トは通信リンクを介して制動制御ユニットに接続し、こ
のリンクを介して振動系の固有振動モードの角周波数が
制動制御ユニットに連続的に移される。制動制御ユニッ
トはロープドラムの速度を連続的に測定するタコメータ
と、ジャーク制限速度設定点の入力用のランプ関数発生
器と、ブレーキの制御弁を制御するための２次制動力調
整器を備えた速度コントローラと、緊急制動開始用のス
イッチと、を有する。

【０００７】

【実施例】図１において、モータ５は２出力軸を有しこ
れらがロープドラム６と６′に夫々接続される。負荷８
と８′（一般に坑内エレベータまたは運搬装置）がドラ
ム６と６′に置かれたロープ７と７′に接続される。ド
ラム６と６′は、負荷８が下降するとき負荷８′が上昇
しあるいはその逆となるようにモータ５に接続される。
２出力軸をもつモータの代りに、適当な伝達系を有する
１軸モータを用いてもよい。ロープ長測定ユニット９と
９′は各ドラムからくり出されたロープの長さをモニタ
して制御ユニット１に送られるべきロープ長信号１と
１′を発生するようになっており、この制御ユニット１
はプログラム可能ロジックコントローラ（ＰＬＣ）を含
む。ロープ長測定ユニット９と９′はドラム６と６′に
結合した回転型エンコーダ１３，１３′の回転とその方
向を検出することによりロープ７，７′の長さを測定す
る。測定ユニット９，９′の代りに、モータ５に接続さ
れた絶対位置変換器を用いてロープの長さを測定しても
よい。

【０００８】タコメータ１０はモータ５の回転速度を測
定して速度信号を発生し、この信号も制御ユニット１に
送られる。同様に、モータ電流が電流変換器４により測
定され、そしてその電流の大きさに対応する信号Ｉが変
換器４から制御ユニット１に送られる。負荷測定ユニッ
ト１１，１１′がロープ７，７′の張力の瞬時値を測定
しそしてそれに対応する出力信号Ｚ，Ｚ′を制御ユニッ
ト１に出力する。制御ユニット１は、変換ユニット３を
介してモータ５への電流を制御するＡＣコントローラ２
を制御する。モータ５は任意の型式（ＡＣまたはＤＣ）
のものでよく、任意の可変速度駆動を形成する。モータ
電流は便宜上変換ユニット３から供給されるものとして
示してあるが、ＡＣの場合には界磁回路、電機子回路お
よび多相回路が含まれることになる。要するに、ＡＣコ
ントローラは、発生されるトルクが制御ユニット１によ
り効率よく制御されるようにモータに供給される電流を
調整する。ＡＣ駆動システムの場合にはＡＣコントロー
ラ２が変換器３を介してそれら電流の周波数を制御す
る。

【０００９】負荷測定ユニット１１，１１′は巻取シス
テムのヘッドギヤ（headgear）綱車（図示せず）の負荷
を測定することによりロープの張力を測定する。負荷
８，８′の質量に対応する値Ｍ，Ｍ′がロープの単位長
さの質量ρ，ρ′と計算されたロープ長ｌ，ｌ′とを考
慮して負荷測定ユニットの出力信号Ｚ，Ｚ′から計算さ
れる。ロープ７，７′に結合された負荷８，８′、ロー
プドラム６，６′およびモータ５は振動系を形成する。
駆動モータ５が静止しているとき、ロープドラム６，
６′も静止する。ロープ７，７′に結合された負荷８，
８′は分離した弾性／質量系を含む。モータ５が動作す
るとこれが変化する。まず、夫々負荷およびロープを含
むこれら弾性／質量系はモータ５を介して結合される。
ロープ７，７′の長さｌ，ｌ′は連続的に変化し、従っ
てこれら二つの弾性／質量系の固有振動周波数が変化す
る。モータ５とロープドラム６，６′の総合慣性モーメ
ントは、負荷８が上昇すれば負荷８′が下降し、または
その逆となるから、ほぼ一定である。すなわち、ロープ
の巻き上げにより生じるドラム６の慣性モーメントの増
加がそれと同時に生じるロープドラム６′の慣性モーメ
ントの減少にほぼ等しい。しかしながら、このシステム
の振動特性は弾性／質量系の結合のために変化しうる。
一般に、モータ５の電気的制御はモータが走行中であっ
てもこれら弾性／質量系が切離されたと考えることが出
来る程度に硬直したものである。

【００１０】モータ５が静止している状態をここで考え
てみる。実際には、振動が加速または減速により生じる
のはモータの始動および停止時であるからこれも最も重
要な状態の一つである。上記の切離し状態では弾性／質
量系の固有振動の角周波数ω_iは次式で得られる。ｚ_iｔａｎ（ｚ_i）＝ρｌ／Ｍ（１）但し、ｚ_i＝ω_iｌ（ρ／ＥＡ）^1/2であり、Ｅは有効
ヤング率、Ａはロープ７の断面積、ω_iは次式で与えら
れる。 ω_i＝２π／Ｔ_i （２）但し、Ｔ_iはこのシステムの固有振動モードの周期、ｉ
は０，１，２，…である。このシステムの基本固有振動
周波数は式（１）を最小値ω_oまたは最大値Ｔ_oを用い
て解くことにより得られる。調波は他の解から得られ
る。同様の式が負荷８′とロープ７′を含む第２の系に
ついても適用される。

【００１１】ロープ７，７′の負荷値ＺとＺ′は負荷測
定ユニット１１，１１′から制御ユニット１に、ロープ
長測定ユニット９，９′からの計算された実際のロープ
長さｌ，ｌ′と共に送られる。制御ユニット１は負荷
８，８′の質量Ｍ，Ｍ′を計算し、そして既知のヤング
率Ｅ，Ｅ′とロープ断面積Ａ，Ａ′とロープ７，７′の
単位長当りの質量ρ，ρ′とを用いて分離された系の自
然周波数ω_i，ω_i′を計算する。制御ユニット１は角
周波数ω_i，ω_i′を連続的に計算する。速度変化が必
要なときには、オペレータからの手動的なコマンドまた
は記憶されたプログラムにより制御ユニット１は振動が
二つの振動系内に生じないようにモータ５の速度、角加
速度およびジャークについての設定点ｎ^*，α^*および
ｒ^*を計算する。ジャークｒは速度の時間についての２
次微分であり、すなわちｒ＝ｄ²ｎ／ｄｔ² （３）である。

【００１２】振動の回避は例えばジャーク周期（ジャー
クｒが０でない期間）をシステムの固有振動周期に等し
くすることで行うことが出来る。二つの分離された系の
最低周波数（ω_oとする）での基本モードは結果として
生じる振動の振幅が小さいから励起されないことは重要
である。あるいは、またはそれに加えて、補助速度設定
点Δｎ^*が速度設定点ｎ^*に付加されてこのシステムの
他方のモードにおける振動を抑圧しあるいはそのモード
での振動を更に抑圧することが出来る。この補助速度設
定点はジャーク設定点ｒ^*を選ばれたモードの角周波数
の二乗で割ったものに等しい。ジャーク周期を設定する
ために選ばれなかった方の分離された系の基本モードは
一般に補助設定点の計算のために選ばれる。すなわち、 Δｎ^*＝ｒ^*／ω_ｏ′² （４）である。ジャークに依存する補助速度設定点の使用をこ
こでは「補償」と呼ぶことにする。そのような補償が用
いられるときには通常行われることではあるが上述のよ
うにジャーク周期を固有振動モードの周期に合わせるこ
とが重要である。

【００１３】図２は図１の自動制御ユニット１の概略的
ブロック図である。このユニットは演算ユニット１４を
含み、この演算ユニットは外部からあるいは制御ユニッ
ト１のメモリに記憶されたプログラムから例えば負荷８
についての位置設定点ｓ^*を受ける。ユニット１４は負
荷８の位置設定点ｓ^*および実際の位置ｓの差にもとづ
きモータ５を制御するために制御設定点ｓ^*，α^*，ｒ
^*を計算する。演算ユニット１４は設定点ｎ^*，α^*，
ｒ^*および位置設定点ｓ^*を出力する。設定点ｎ^*，α
^*，ｒ^*並びに制御ユニットにより発生される補助速度
設定点Δｎ^*を図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。負
荷８の位置設定点ｓ^*と位置ｓの差は加算ブロック１５
で計算される。この差は位置コントローラ１６に入力信
号として加えられ、このコントローラの出力が速度設定
点となる。この制御システムの手動操作については、こ
の設定点がオペレータによりセットしうる。この速度設
定点の大きさは値ｎ^*＋ｒ^*／ω_ｏ′²に制限され、そ
して、このようにして得られる速度設定点と速度ｎの差
が他の加算ブロック１５′で計算される。このブロック
の出力は速度コントローラ１６′への入力信号となり、
電流設定点であるこのコントローラの出力は第３の加算
ブロック１５″でモータ５の電流Ｉとその値との差が計
算される前に角加速度設定点α^*によりアナログ形で制
限される。この差の値は他の電流コントローラ１６″の
入力信号となり、コントローラ１６″の出力信号がＡＣ
コントローラ２を制御する。

【００１４】「補償」はこのシステムの二つのモードに
おける振動を同時に抑圧するためにも使用しうる。この
場合、補助速度設定点Δｎ^*はジャーク設定点ｒ^*とそ
の時間についての２次微分ｄ²ｒ^*／ｄｔ²の重みづけ
した和である。固有周波数ω_xとω_yが補償されるべき
ときには、補助速度設定点は次式で与えられる。

【数１】

【００１５】二つのモードの補償を行うべきであれば、
有限４次微分ｄ⁴ｎ^*／ｄｔ⁴を含む速度基準関数ｎ^*
を用いなくてはならない。この目安を満足する二つの関
数は次の通りである。１．一定４次微分

【数２】２．サイクロイドフロント加速基準関数α^*

【数３】但しα_m ^*は最大加速度設定点でありＴ_oはジャーク周
期である。

【００１６】制御ユニット１は位置制御および２次速度
および電流制御によりモータ５を制御する。この場合、
電流制御は加速度制御に等価である。モータ５は一般に
０．１秒未満の遅れをもって設定点ｎ^*，α^*，ｒ^*を
通して高速でこの制御に追従する。ロープ７，７′の望
ましくない振動を防止することにより、ロープの負荷の
ピークが下がり、そしてそれによりより断面積の小さい
ロープを使用することが可能となり、あるいはより深い
ところからのより重い負荷を持ち上げることが出来るよ
うになる。

【００１７】結合した弾性／質量系のこの条件は駆動モ
ータ５の動作パラメータが動作中に変化する場合、例え
ば、分離された系の速度ｎと条件が考えられない場合に
も考慮されねばならない。その場合には系の固有振動は
システムシミュレーションの結果を用い、あるいは計算
による解が複雑すぎるか不可能である場合には試行によ
り決定される。このシステムの利点は、ロープの望まし
くない振動がすべての条件下で、すなわち、巻取装置が
機械的に緊急停止したときにでも緩和されるなら完全に
実現される。このように、通常ロープドラム６，６′に
固定されている機械的な安全ブレーキも上記のように制
御されればこれは利点である。

【００１８】図３はロープドラム６に関連した機械的な
安全ブレーキ１７についての閉ループ制御回路のブロッ
ク図である。一般に、ロープドラム６，６′の夫々は少
くとも２個の機械的安全ブレーキを有する。しかしなが
ら、便宜上、１個の安全ブレーキを示している。ドラム
６の速度Ｖはタコメータ１９により連続的にモニタさ
れ、その出力が、通常は閉じているスイッチ２０を介し
てランプ関数発生器２１に入力として送られる。ランプ
関数発生器２１は角周波数ω_oとω_o′および制御ユニ
ット１で計算される他の角周波数に対応する信号を連続
的に受ける。移送される角周波数ω_oとω_o′を考慮
し、ランプ関数発生器２１はロープドラム６のホイスト
速度についての設定点ｖ^*を計算する。速度設定点ｖ^*
と速度ｖの差が加算ブロック２２で計算される。ジャー
クに依存する補助設定点Δｖ^*が必要であればこの差に
適用される。巻取装置が正常に動作しているときには、
速度コントローラ２３の入力として用いられるこのよう
に計算されたこの差は速度ランプ関数発生器２１の制御
の演算ユニット１４の速度設定点ｎ^*への調整により零
である。その結果、制動力設定点Ｆ^*に比例する速度コ
ントローラ２３の出力も零となる。このように、正常動
作では安全ブレーキ１７は作動しない。

【００１９】例えばこの閉ループ駆動制御が故障したた
め緊急制動を行わねばならないときにスイッチ２０が開
かれる。このとき、ランプ関数発生器２１の入力には信
号が生じない。ランプ関数発生器２１は最後に移された
角周波数ω_oとω_o′を考慮して速度設定点ｖ^*を零に
調整し、それ故、ロープドラム６そして負荷８は停止す
る。速度コントローラ２３に加えられる入力信号および
その出力は制動中は零にならない。制動力設定点Ｆ^*と
制動力Ｆ（測定ユニット３０から）との差は加算ブロッ
ク２４で計算されそして弁２６の作動信号がこの差にも
とづき制動力調整回路２５により発生される。好適には
釣合弁である制御弁２６は制動力発生器２７の圧力、従
って安全ブレーキ１７の制動力Ｆを制御する。上述のよ
うに速度設定点ｖ^*の時間特性が系の振動特性に適用さ
れるとき、系の振動は緊急制動中にも防止される。

【００２０】他の例として、速度コントローラ２３の出
力を安全ブレーキ１７の制動機構の位置に比例させるこ
とも出来る。この場合、ブロック２５は制動位置調整器
を示し、ブロック３０はブレーキ１７の位置を測定す
る。制動制御ユニットの回路は冗長度をもたせるとよ
い。固有周波数ω_oとω_o′は標準的インターフェース
でよい通信リンク２８を介して制御コントローラに入れ
られる。本発明は従来の閉ループモータ制御回路に最適
の設定点信号を入れてその動的動作特性、特に長いロー
プを用いるホイストシステムにおけるそれを改善する。
図５は本発明の制御システムを入れたとき（図５
（ｂ））の従来のホイストシステム（図５（ａ））に対
する改善を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の坑内巻取装置の概略図。

【図２】図１の装置についての閉ループモータ制御回路
のブロック図。

【図３】図１のシステムについての閉ループ制動制御回
路のブロック図。

【図４】このシステムにより発生される設定点を示す
図。

【図５】従来のシステムと本発明のシステムの性能比較
図。

【符号の説明】

５モータ６，６′ ロープドラム７，７′ ロープ８，８′ 負荷９，９′ ロープ長さ測定ユニット１０タコメータ１１，１１′ 負荷測定ユニット１７安全ブレーキ２１ランプ関数発生器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウインフリート、エー、シュミットドイツ連邦共和国エルランゲン、アホルンベーク24 (72)発明者ロドニー、ステファン、ハミルトン南アフリカ共和国トランスバール、ベッドフォード、ビュー、エセックスウォルド、ロザーフィールド、アベニュ、エセックス、ガーデンズ、５

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロープにより支持される運搬装置を含み、
振動系を形成する坑内巻上げ装置またはホイストシステ
ムのロープドラムを駆動するモータの制御システムにお
いて、前記ロープの負荷をモニタしそれに対応する負荷信号を
与える負荷センサと、前記ロープドラムからくり出されたロープの長さをモニ
タし、それに対応するロープ長信号を与えるロープ長セ
ンサと、前記負荷信号をロープ長信号に応答して振動系の速度、
加速度、およびジャークについての設定点を計算し、振
動系の固有振動特性またはその一部に関係したその系の
振動を防止するための制御信号を発生するモータ制御ユ
ニットと、この制御信号によりモータに供給される電流を制御する
ためのモータ駆動手段と、を備えていることを特徴とするモータの制御システム。
【請求項２】前記振動系は運搬装置、ロープ、綱車、ロ
ープドラムおよびモータを有していることを特徴とする
請求項１記載の制御システム。
【請求項３】前記振動系は夫々ロープ、綱車およびロー
プドラムを備えた一対の運搬装置を有することを特徴と
する請求項２記載の制御システム。
【請求項４】前記振動系またはその一部の固有振動特性
はその基本振動周波数であることを特徴とする請求項１
乃至３のいずれかに記載の制御システム。
【請求項５】前記モータ制御ユニットは前記振動系のジ
ャーク周期がその振動系またはその一部の固有振動モー
ドの周期に関係づけられるように前記制御信号を発生す
ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の
制御システム。
【請求項６】前記モータ制御ユニットはジャーク周期中
に前記速度設定点に対して前記ジャーク設定点によりき
まる補助速度設定点を与えることを特徴とする請求項１
乃至５のいずれかに記載する制御システム。
【請求項７】前記補助速度設定点は前記ジャーク設定点
を前記振動系またはその一部の固有振動モードの角周波
数の二乗で割ったもので表わされることを特徴とする請
求項６記載の制御システム。
【請求項８】前記補助速度設定点は前記ジャーク設定点
とその時間に関する２次微分との重みづけした和である
ことを特徴とする請求項６記載の制御システム。
【請求項９】重みづけ因子が前記振動系またはその一部
の選ばれた固有振動モードの角周波数により決定される
ことを特徴とする請求項８記載の制御システム。
【請求項１０】前記モータ制御ユニットは前記ロープ長
センサと負荷センサに応答してロープ長さおよび前記運
搬装置により支持される負荷から前記振動系またはその
一部の前記固有振動モードの周期を計算すると共に、そ
れらの設定点を計算することを特徴とする請求項１乃至
９のいずれかに記載の制御システム。
【請求項１１】前記制御ユニットは更に前記ロープドラ
ムとモータの慣性モーメントの設定点を計算することを
特徴とする請求項１０記載の制御システム。
【請求項１２】前記ロープ長センサは夫々のロープドラ
ムに関連した回転エンコーダを有することを特徴とする
請求項１０または１１記載の制御システム。
【請求項１３】前記ロープ長センサは前記モータに関連
した絶対位置変換器を有することを特徴とする請求項１
０または１１記載の制御システム。
【請求項１４】前記ロープ長センサは関連するロープの
ずれおよびそのずれの方向を検知することを特徴とする
請求項１０乃至１３のいずれかに記載の制御システム。
【請求項１５】前記負荷センサはそれに関連するロープ
を支持する綱車の負荷を測定することを特徴とする請求
項１０乃至１４のいずれかに記載の制御システム。
【請求項１６】前記モータ制御ユニットは前記運搬装置
の質量およびそれに関連するロープの質量を含む負荷値
を計算することを特徴とする請求項１０乃至１５のいず
れかに記載の制御システム。
【請求項１７】前記モータ制御ユニットは前記夫々のロ
ープ長センサの出力から各ロープの質量をそしてロープ
の単位長さ当りの質量を計算することを特徴とする請求
項１６記載の制御システム。
【請求項１８】前記モータ制御回路に関連して動作する
制動制御ユニットと、制動中に前記振動系の振動を防止
するブレーキとを更に有することを特徴とする請求項１
乃至１７のいずかれに記載の制御システム。
【請求項１９】前記モータ制御ユニットは、前記振動系
の固有振動モードの角周波数を前記制動制御ユニットに
連続的に移す通信リンクにより前記制動制御ユニットに
接続されることを特徴とする請求項１８記載の制御シス
テム。
【請求項２０】前記制動制御ユニットは前記ロープドラ
ムの速度を連続的に測定するタコメータと、ジャーク制
限速度設定点の入力用のランプ関数発生器と、前記ブレ
ーキの制御弁を制御する２次制動力調整器を備えた速度
コントローラと、緊急制動を開始するためのスイッチ
と、を備えていることを特徴とする請求項１９記載の制
御システム。