WO2017126095A1 - 電動機の速度制御装置 - Google Patents

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    • H02P21/0003Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control

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  • FIGS. 2 and 3 show a two-mass model in which the electric motor 3 and the rolling mill are connected by a torsion spring.
  • ⁇ roll res (rad / s) is a response value of the rotational speed of the upper work roll 1a.
  • T roll N ⁇ m
  • J Mill (kg ⁇ m 2 ) is the inertia of the rolling mill.
  • J 1 (kg ⁇ m) is inertia.
  • s is a Laplace operator.

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Abstract

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。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、を備えた。

Description

電動機の速度制御装置
 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、を備えた。
 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、を備えた。
 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 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 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 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 cmdと応答値ω resとに基づいて電動機3のトルク基準値T(N・m)を出力する。ドライブ装置9は、トルク基準T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(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(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、ωroll 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、Troll(N・m)は、圧延材からの負荷トルクである。JMill(kg・m)は、圧延機の慣性である。J(kg・m)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33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、gdis(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)は、電動機3の慣性である。J´m(kg・m)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 cmdと電動機3の回転速度の応答値ω resとの偏差に基づいて電動機3のトルク基準値T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 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´(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に対するフィードフォワード補償を補償トルクT´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 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 resと上側ワークロール1aの応答値ωroll 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 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 cmdをステップ入力した際の補償トルクT´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 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 resと上側ワークロール1aの応答値ωroll 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 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 cmdをステップ入力した際の補償トルクT´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´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´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 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´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(Central Processing Unit)、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 resを入力値として用いる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 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´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´は、5ms毎に出力される。実施の形態1に比べ、補償トルクT´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と電動機3の回転速度の応答値ω 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 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´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 resを入力値として用いる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 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´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´は、1ms毎に出力される。実施の形態1に比べ、補償トルクT´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と電動機3の回転速度の応答値ω 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 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´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´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 resの入力値を得てもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 この場合も、電動機3の回転速度の応答値ω 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´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´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。
 この場合も、電動機3の回転速度の応答値ω 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´の変動を抑制することができる。
 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 (5)

  1.  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、
    を備えた電動機の速度制御装置。
  2.  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。
  3.  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、
    を備えた電動機の速度制御装置。
  4.  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。
  5.  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請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電動機の速度制御装置。
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