JPS5814158B2 - ディジタル式非線形補償方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はサイリスタ変換器で電動機を制御する装置に係
り、特に電流が断続している状態において制御系の特性
を改善する方式に関する。

サイリスタ変換器で電動機を駆動する場合の制御方式と
しては通常アナログ匍Ｊｆｆｌが用いられている。

このアナログ制御において、無負荷あるいは軽負荷にな
ると、電流が小さくなり、電流が連続せず断続する場合
が多くなる。

電流が断続すると電流の応答が劣化し、最悪の場合には
制御系が不安定となり運転不可能になることがある。

このような電流断続時はおける電流制御系の応答の劣化
は速度一トルク特性の非線形性により一巡利得が低下す
るためと考えられている。

電動機制（財）においてはこの電流断続時の制御系の非
線形性の補償が必要で、従来のアナログ制御では電流制
御系のマイナループに電流レート制御系を設けて一巡利
得を上げるか、あるいは電流が断続したことを検出し、
利得を３段に切換えて一巡利得を上げることにより非線
形性の補償を行なっている。

第１図は電流制御系の一巡利得に関係するところの制御
入力信号Ｖｐと電流Ｉｄの関係を表わしたものである。

実線は補償前、一点鎖線は補償後の特性である。

この図において電流が太きいところでは電流は連続で、
かつ制御入力信号Ｖｐに対する電流Ｉｄの変化（傾き）
は一定である。

この傾きがサイリスタ変換器の利得を表わしている。

しかし電流が小さくなり、電流断続状態になるとその傾
きは一定でなく、電流が小さくなるにしたがって傾きも
小さくなる非線形性を示している。

非線形補償後は制御入力信号に対する電流の変化（傾き
）一定の範囲が、補償前に比較して、増加していること
がわかる。

しかしながらアナログ制御は温度ドリフト、経年変化等
に対して弱く、定期的な保守点検、再調整が必要である
という欠点を持っている。

最近は電動機制御をコンピュータを用いてＤＤＣ（ダイ
レクトデイジタルコントロール）化する試みがある。

ＤＤＣ化においてはデイジタル制御を行なうため、温度
ドリフト、経年変化による定期的な再調整の必要がなく
、また高精度化、高機能化、小形化がはかれる等多くの
長所があるためである。

しかしながら、電動機制御をＤＤＣ化する場合、前述し
たような電流断続時の非線形性の問題点を解決しなけれ
ばならず、この解決方法としてアナログ制御時と同様に
電流制御系のマイナループに電流レート制御系を設ける
ことが考えられる。

しかしこの方式は電流制御系のマイナルーブにさらにル
ープを持つために高速処理が要求され、現在のマイクロ
プロセッサを用いたＤＤＣ装置ではマイクロプロセッサ
の処理速度に制限があり、アナログ制御の場合と同様な
電流レート制御を行なって非線形補償を行なうことは困
難である。

本発明の目的は上記欠点をなくシ、電流断続状態におい
ても、電流応答の劣化がなく、シたがって常に安定な制
御が可能なサイリスク変換器で駆動される電動機のデイ
ジタル式非線形補償方式を提供するにある。

このために、本発明の非線形補償方式においては、検出
電流値（または検出電流値と電動機速度信号）から簡単
な近似式にしたがってデイジタルで電流の通流角を算出
し、前記通流角および電流連続時の通流角（定数）によ
って、制御入力信号（検出電流値、電動機速度信号およ
び指令信号から求められる）から逆余弦関数を介して得
られた制御角信号をデイジタル的に補正し、補正後の制
御角信号でサイリスタを点弧することにより、サリスタ
変換器の非線形性を補償するようにしている。

第２図は本発明の１実施例である。

この図において１は交流電源、２は交流を直流に変換す
るサイリスク変換器、３は直流電動機、４は速度発電機
などの速度検出器、５は電流検出器、６は速度指令信号
端子、７は電流検出器５の電流信号Ｉｄと速度発電機４
の速度信号ＮＦさ速度指令信号Ｎ．Ｐとから速度指令に
したがって直流電動機３の速度を制御するマイクロプロ
セッサ、メモリー、入出力装置等からなるＤＤＣ（ダイ
レクト・テ゛イシタノレ コントローノレ： Ｄｉｒｅ
ｃｔＩ）ｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ）装置、８は
ＤＤＣ装置７の出力信号αによってサイリスク変換器２
のサイリスクを点弧するゲート回路である。

この場合、交流電源１の交流電圧をＥ、制御角をαとす
れば、電流連続状態における直流電動機３の端子電圧Ｖ
ｄはｕ式で与えられる。

ここで制闘入力信号Ｖｐと制御角αの間には（２）式の
関係をもたせることができるから、 前記直流電圧Ｖｄは（３）式であらわされることとなり
、制両入力信号Ｖｐに比例する。

しかしながら電流が断続する状態では、け）式は成立せ
ず直流電圧Ｖｄは制闘入力信号Ｖｐに比例しなくなる。

このため制御入力電圧と電動機に流れる電流との関係が
非線形となり、電流応答が遅れる原困となる。

本発明はこの非線形性をＤＤＣ装置７により補償しよう
とするものである。

次にＤＤＣ装置７について説明する。

第３図はＤＤＣ装置において電流断続時にデイジタル非
線形補償を行なう原理を説明するためのブロック図を示
したものである。

この図において２１は電流信号Ｉｄ，速度信号ＮＦ，速
度指令信号ＮＰを入力し、制闘角αを出力する入力装置
、点線内はＤＤＣ装置７の処理内容をブロック図で表わ
したものである。

２２は速度指令信号ＮＰ，速度信号ＮＥおよび電流信号
Ｉｄから制御入力信号Ｖｐを出力する演算部、２３は制
両入力信号ｖｐから制御角α。

を出力する逆余弦関数部、２４は電流信号Ｉｄ及び速度
信号ＮＦから電流の通流角θ，Ｘ１／２を算出する通流
角演算部、２５は制御角α。

と通流角θ１／２と定数θ。／２（θ０は電流連続時の
通流角）を加減算する加減算部である。

加減算部の出力は、補償後の制街角αとして入出力装置
２１を介して、サイリスクを点弧するゲート回路８へ供
給される。

第４図はＤＤＣ装置で電流断続時の非線形補償を行なう
フローチャートを示したものである。

すなわちステップＳ１ではプロセス入出力装置２１から
の速度指令信号ＮＰ、速度信号ＮＥ２よび電流信号Ｉｄ
より制闘入力信号Ｖｐを算出する。

制両入力信号Ｖｐと制御角α。

の間には逆余弦の関数関係があるが、この計算を実際に
行なうと計算が複雑で時間がかかるので，ＤＤＣ装置で
はあらかじめ制御入力信号Ｖｐと制闘角α。

の゛関係を関数テーブルとして、適当な記憶装置、たと
えばりードオンリメモリ（ ＲＯＭ）に記憶しておき、
ステップＳ２ではその値を読み出すことにしている。

ステップＳ３においては電流が連続かどうかを判別する
。

この判別にはたとえば電流がある一定値以上ならば連続
であるということを用いても良い。

ステップＳ４においては電流が連続であることから、ス
テップＳ２で算出した制御角α０をそのままサイリスタ
の点弧角αに置き換える。

ステップＳ５では電流が断続しているので後述する方法
により直流電流信号Ｉｄ，速度信号ＮＦから通流角θ１
を算出する。

ステップＳ６では、算出した通流角θ１、制御角α０、
および定数θ０／２より補償後の制御角αを算出する。

次にデイジタル補償方式について詳細に説明する。

サイリスタ変換器２の出力直流電圧Ｖｄは、電流連続時
においては（１）式で表わされたが、電流断続時の直流
平均電圧Ｖｄは、通流角をθ１（第５図参照）とすると
、その電圧波形から次のような演算で求められる。

前記の式において、Ｅｏは電動機逆起電圧であり、誘導
性負荷の場合は、前記直流平均電圧ｖｂは電動機逆起電
圧Ｅ。

にほぼ等しいとおくことができるので前記の式は、近似
的に（４）式で表わされる。

？御入力信号Ｖ と制餉αの関係は（２）式で表わされ
るので、（４）式一より直流電圧Ｖｄは制入力信号Ｖｐ
に対して非線形となる。

第５図は電圧電流の位相関係を示すもので、第５図ａに
おいて、ＥｕｔＥｖｔＥＷは電源の相電圧、αは制御角
である。

ｂ図は制御角αでサイリスクを点弧したときの電流通流
角を表わすもので、θ１が通流角、θ０は定数で電流連
続の場合の通流角（すなわち、π／３）である。

そこで（４）式の非線形性を補償する方法としては、第
３図で示すように制闘入力信号Ｖｐから算出した制御角
α０に対し、電流信号Ｉｄと速度信号ＮＦとから求めた
通流角θ１／２、および定数θ。

／２を加減算することにより補償後の制御角αを求め、
この補償制御角を用いてサイリスタを点弧するものであ
る。

すなわち、補償制御角αは（５）式で与えられる。

したがって（４）式のＣＯＳの項は（６）式で表わされ
ることになり、非線形性が補償される。

ここで、電流信号Ｉｄと通流角θ１の関係について考察
する。

電流断続時の直流平均電流Ｉｄは、主回路の特価回路で
成立する下記の（７ａ）式の両辺を（θ０＋α）から（
θ。

＋α＋θ１）まで積分することによって得られる。

すなわち、 このように、電流信号■ｄと通流角θ１の関係は（７）
式で表わされるように複雑であり、前記通流角θ１は容
易に求められない。

第６図は（７）式で表わされるＩｄとθ１の関係を示す
もので、速度信号に関係する量Ａをパラメータとしても
その関係が変化することがわかる。

そこで本発明では，Ｉｄとθ１の関係を近似式で近似し
、簡単に通流角θ１を求めることを可能とし、なおかつ
、速度が変化しても、補償できることをねらっている。

第７図の実線部分は第６図の曲線と同じであり、第６図
に示した電流信号Ｉｄと通流角θ１の関係が、Ｋをパラ
メータとして（８）式で近似できることをあらわしてい
る。

ここで速度に対する通流角θ１の関係が非線形であるこ
とより、第８図に示すように前記量Ａに対するＫの関係
はグラフにより求める。

マイクロコンピュータで電動機を制御するＤＤＣ装置に
おいては、第８図の関係はメモリーに記憶させておけば
良いので、容易に実現できる。

したがって電流信号Ｉｄおよび速度信号ＮＦからθ１を
求めるのも（８）式より容易に実現できる。

以上述べたように、本発明によれば、電流断続時に８け
非線形の補償は、まず速度信号ＮＦすななわち第６図の
Ａの値を用いて第８図の関係から定数Ｋを求め、つぎに
前記Ｋと電流信号Ｉｄとから（８）式のような簡単な近
似式で通流角θ１を求め、前記通流角θ１および電流連
続の場合の通流角θ。

（定数）を（５）式に適用することによって、制両入力
信号Ｖｐから逆余弦関数を介して求めた制御角α０をデ
イジタル的に補正し、前記補償された制御角αを用いて
サイリスタ変換器を駆動することによって可能となる。

本発明によれば電動機制御のＤＤＣ化に対して、電流断
続時の非線形補償をデイジタルで実現可能であるので、
無負荷、軽負荷時に電流が断続しても電流応答の劣化が
なく、制御系の安定化に効果がある。

また本発明方式はアナログ制御のように電流制御系のマ
イナループに電流レート制一系を設ける方式ではなく、
シたがって高速処理のできるマイクロプロセッサでなく
てもアナログ制御と同等以上の精度で非線形補償のでき
るＤＤＣ装置を実現することができるので電動機制御の
ＤＤＣ化が容易である。

なお、以上においては、（８）式におけるパラメータＫ
を速度信号ＮＦ（すなわち第６図のＡ）に応じてきめ細
かく補償したが、その適用個所と目的によっては、ある
特定速度に対応するＡの値（なるべくはほぼ中央値）を
代表として選び、この値を用いて第８図の関係から特定
値の定数Ｋを選出し、これを用いて前述同様の非線形補
償を行なうこともできる。

この場合には、もちろん数式にそった厳密な補償はでき
ないが、実用上はこの程度で十分なことが多く、第３図
の通流角演算部２４に速度信号ＮＦを供給する必要がな
いので前記演算部２４の構成と演算操作が簡略化される
利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は制御入力信号と電流信号との関係を示す図、第
２図は本発明の１実施例を示すブロック図、第３図は本
発明によるデイジタル非線形補償方式の機能動作を説明
するためのブロック図、第４図は本発明によるデイジタ
ル非線形補償方式のフローチャート、第５図は電流断続
時の電圧電流の位相関係を示す図、第６図は直流電流信
号と通流角との関係を示す図、第７図は第６図の近似式
の特性を示す図、第８図は速度とパラメータＫとの関係
を示す図である。 ２・・・・・・サイリスク変換器、３・・・・・・直流
電動機、４・・・・・・速度検出器、５・・・・・・電
流検出器、６・・・・・・速度指令信号端子、７・・・
・・・ＤＤＣ装置、８・・・・・・ゲート回路、．２１
・・・・・・入出力装置、２２・・・・・・制御入力演
算部、２３・・・・・・逆余弦関数部、２４・・・・・
・通流角演算部、２５・・・・・・加減算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 交流を直流に交換するサイリスタ交換器と、その電
   流を検出する電流検出器と、前記サイリスク変換器の出
   力で駆動される直流電動機と、前記直流電動機の速度を
   検知する速度検出器と、前記直流電動機を制御するデイ
   ジタル制御装置とを具備する直流電動機制御装置の電流
   断続時におけるデイジタル式非線形補償方式において、
   前記電流検出器で検出された電流信号の立方根に基づい
   て通流角を演算し、一方、前記速度検出器で検出された
   速度信号、前記電流信号および速度指令信号から得られ
   た制御入力信号の逆余弦関数に基づいて制御角を求め、
   前記制御角に、電流連続時の通流角および前記演算で求
   められた通流角を加減算することにより補償制御角を求
   め、前記補償制御角によってサイリスタの点弧角を制御
   することを特徴とするデイジタル式非線形補償方式。