DE19907757A1 - Speed controller for motor with resilient shaft connection to load - Google Patents

Abstract

The motor (1) controller combines integral and proportional (IP) action. It inputs an external speed control command (required rpm) and an actual speed value from the pulse generator (4) attached to the motor. A unit (22) combined with the speed controller (21) detects error or malfunction.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehzahlregelvorrichtung für Motoren, die in einem Walzwerk oder dergleichen verwendet werden.The invention relates to a speed control device for Motors used in a rolling mill or the like become.

Fig. 6 ist eine Darstellung des Schaltungsaufbaus einer herkömmlichen beispielhaften Drehzahlregelvorrichtung für Motoren, die in einem Walzwerk oder dergleichen verwendet werden. In Fig. 6 sind ein Motor 1, eine Last 3, eine den Motor 1 mit der Last 3 verbindende Welle 2, ein Impulsge­ nerator 4 (im folgenden mit PLG bezeichnet), der die Drehzahl des Motors 1 erfaßt, sowie eine Drehzahlregel­ vorrichtung 10 gezeigt. Die Vorrichtung 4 wird auch Inkrementalcodierer genannt. Die Drehzahlregelvorrichtung 10 enthält eine Drehzahlregeleinrichtung 11 und eine Drehmomentregelschleife 12. Die Drehzahlregeleinrichtung 11 führt anhand einer Abweichung zwischen einem Ausgangs­ wert des PLG 4 und einem Drehzahlbefehlswert, der von außerhalb eingegeben wird, eine Proportional-Integral- Regelung (PI-Regelung) aus, um die Drehzahl des Motors 1 zu regeln. Die Drehmomentregelschleife 12 besitzt eine Stromregeleinrichtung und einen Halbleiterleistungsumfor­ mer. Die Stromregeleinrichtung und der Halbleiterlei­ stungsumformer regeln das Ausgangsdrehmoment des Motors 1 anhand eines von der Drehzahlregeleinrichtung 11 ausgege­ benen Drehmomentbefehlswerts. Der Halbleiterleistungsum­ former ist durch einen Thyristorumformer, durch einen Hüllkurvenumformer oder dergleichen gebildet. Die Dreh­ zahlregelvorrichtung mit dem obigen Aufbau regelt die Drehzahl des Motors. Fig. 6 is a diagram showing the circuit construction of a conventional exemplary speed control apparatus for engines, which are used in a rolling mill or the like. In Fig. 6, a motor 1 , a load 3 , a connecting the motor 1 with the load 3 shaft 2 , a Impulsge generator 4 (hereinafter referred to as PLG), which detects the speed of the motor 1 , and a speed control device 10th shown. The device 4 is also called an incremental encoder. The speed control device 10 includes a speed control device 11 and a torque control loop 12 . The speed control device 11 uses a deviation between an output value of the PLG 4 and a speed command value that is entered from outside, a proportional-integral control (PI control) to control the speed of the engine 1 . The torque control loop 12 has a current control device and a semiconductor power converter. The current control device and the semiconductor power converter regulate the output torque of the motor 1 on the basis of a torque command value output by the speed control device 11 . The semiconductor power converter is formed by a thyristor converter, by an envelope converter or the like. The speed control device with the above structure controls the speed of the engine.

Gewöhnlich verwendet jedoch eine Vorrichtung mit großer Kapazität wie etwa ein Walzwerk eine Drehmomentregel­ schleife mit einem Thyristorumformer oder mit einem Hüllkurvenumformer, um das Drehmoment zu regeln. Die Antwortgeschwindigkeit der Drehzahlregelschleife mit dem Thyristorumformer oder mit dem Hüllkurvenumformer ist geringer als jene einer Drehmomentregelschleife, die beispielsweise einen PWM-Inverter besitzt. Wenn in der Drehmomentregelschleife ein solcher Umformer verwendet wird und nur die P-Verstärkung der Drehzahlregeleinrich­ tung 11 erhöht wird, um die Antwortgeschwindigkeit des Motors 1 zu erhöhen, entsteht eine Wellentorsionsschwin­ gung, die der Drehzahl der Welle folgt, wenn die Starr­ heit der den Motor 1 mit der Last 3 verbindenden Welle niedrig ist. Daher wird es schwierig, die Antwortge­ schwindigkeit im Fall der Regelung der Drehzahl des Motors 1 anhand des Drehzahlbefehlswerts zu erhöhen. Die Wellentorsionsschwingung kann entstehen, wenn eine Ant­ wortfrequenz des Drehmomentregelsystems nahe bei einer Antwortfrequenz des mechanischen Resonanzsystems liegt. Um daher die Vorrichtung mit großer Kapazität wie etwa ein Walzwerk stabil zu regeln, muß eine Regelvorrichtung sowohl unter Berücksichtigung der Antwortfrequenz des Drehmomentregelsystems als auch der Resonanzfrequenz des mechanischen Resonanzsystems entworfen werden.However, a large capacity device such as a mill typically uses a torque control loop with a thyristor converter or with an envelope converter to control the torque. The response speed of the speed control loop with the thyristor converter or with the envelope converter is lower than that of a torque control loop, which has, for example, a PWM inverter. If such a converter is used in the torque control loop and only the P-gain of the speed control device 11 is increased in order to increase the response speed of the motor 1 , a wave torsional oscillation arises which follows the speed of the shaft if the rigidity of the motor 1 with the load 3 connecting shaft is low. Therefore, it becomes difficult to increase the response speed in the case of controlling the speed of the engine 1 based on the speed command value. The wave torsional vibration can arise when a response frequency of the torque control system is close to a response frequency of the mechanical resonance system. Therefore, in order to stably control the large-capacity device such as a rolling mill, a control device must be designed considering both the response frequency of the torque control system and the resonance frequency of the mechanical resonance system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahl­ regelvorrichtung für Motoren zu schaffen, mit der Wellen­ torsionsschwingungen unterdrückt werden können, die auftreten, wenn ein Gleichstrommotor, der durch einen Thyristorumformer mit Leistung versorgt wird, oder ein Wechselstrommotor, der durch einen Hüllkurvenumformer mit Leistung versorgt wird, verwendet werden.The invention has for its object a speed Control device for motors to create with the shafts torsional vibrations can be suppressed occur when a DC motor driven by a Thyristor converter is powered, or a AC motor with an envelope converter Power is used.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Drehzahlregelvor­ richtung für Motoren nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 6. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This task is solved by a speed control Direction for motors according to one of claims 1, 4 or 6. Further developments of the invention are in the dependent Claims specified.  

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Drehzahlregelvor­ richtung und bei einer Wahl der Regelparameter der Dreh­ zahlregeleinrichtung und der Lastdrehmoment-Schätzeinheit wie in den Ansprüchen angegeben können die Wellentorsi­ onsschwingungen, die in einer herkömmlichen Drehzahlre­ gelvorrichtung erzeugt werden, unterdrückt werden.When using the speed control according to the invention direction and when choosing the control parameters of the rotation number control device and the load torque estimation unit as indicated in the claims, the wave torsi ons vibrations in a conventional rev Gel device are generated, suppressed.

Wie wohlbekannt ist, ist in einer Drehmomentregel­ schleife, die einen Thyristorumformer für die Versorgung des Gleichstrommotors mit Leistung oder einen Hüllkur­ venumformer für die Versorgung des Wechselstrommotors mit Leistung enthält, die Antwortgeschwindigkeit der Drehmo­ mentregelschleife niedriger als jene der Drehmomentregel­ schleife für einen Wechselstrommotor, der durch einen PWM-Inverter mit Leistung versorgt wird. Dadurch können die obengenannten Wellentorsionsschwingungen erzeugt werden. Hingegen kann in der erfindungsgemäßen Drehzahl­ regelvorrichtung für Motoren die Erzeugung von Wellentor­ sionsschwingungen durch Hinzufügen einiger weniger Schal­ tungen zu der herkömmlichen Drehzahlregelvorrichtung unterdrückt werden.As is well known, is in a torque rule loop that a thyristor converter for the supply of the DC motor with power or an envelope venumformer for the supply of the AC motor with Power contains, the response speed of the torque ment control loop lower than that of the torque control loop for an AC motor powered by a PWM inverter is supplied with power. This allows generates the above-mentioned torsional vibrations become. In contrast, in the speed of the invention Control device for motors producing wave gates vibrations by adding a few scarves to the conventional speed control device be suppressed.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:Further features and advantages of the invention will become clear Lich more useful when reading the following description Designs referring to the attached drawing takes; show it:

Fig. 1 eine Darstellung des allgemeinen Aufbaus einer Drehzahlregelvorrichtung für Motoren gemäß der Erfindung; Fig. 1 is a representation of the general structure of a speed control device for motors according to the invention;

Fig. 2-5 Blockschaltpläne zur Erläuterung der Dreh­ zahlregelvorrichtung für Motoren gemäß einer ersten bis fünften Ausführung der Erfindung; Fig. 2-5 block diagrams for explaining the speed control device for motors according to a first to fifth embodiment of the invention;

Fig. 6 die bereits erwähnte Darstellung des Schal­ tungsaufbaus einer beispielhaften herkömmli­ chen Drehzahlregelvorrichtung für Motoren; Fig. 6 is the already mentioned representation of the circuit construction of an exemplary Chen Chen speed control device for motors;

Fig. 7 Graphen, die die Ergebnisse von vergleichen­ den Experimenten in den Fällen zeigen, in de­ nen die Drehzahlregelvorrichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung bzw. eine herkömmli­ che Drehzahlregelvorrichtung verwendet wird; FIG. 7 shows graphs of comparison the experiments, the results in the cases in de the speed control device according to NEN an embodiment of the invention and a herkömmli che speed control device is used;

Fig. 8 Graphen, die die Ergebnisse von Simulationen der Stellwertantwort, die unter Verwendung einer IP-Regelung und einer P-Regelung ausge­ führt wurden, zeigen; Fig. 8 is graphs showing the results of simulations of control value response that leads were out using an IP control and a P control;

Fig. 9 Graphen, die die Ergebnisse der Simulationen der Störungsantwort, die unter Verwendung ei­ ner IP-Regelung und einer P-Regelung ausge­ führt wurden, zeigen; und Fig. 9 is graphs showing the results of the simulations were the disturbance response, the egg ner using IP control and a P control leads out, respectively; and

Fig. 10 Graphen, die weitere experimentelle Ergeb­ nisse unter Verwendung der Drehzahlregelvor­ richtung der Erfindung zeigen. Fig. 10 graphs showing further experimental results using the speed control device of the invention.

Erste AusführungFirst run

Fig. 1 ist eine Darstellung des Schaltungsaufbaus einer Drehzahlregelvorrichtung für Motoren gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung. In Fig. 1 sind Abschnitte mit den gleichen Funktionen wie jene der in Fig. 6 gezeigten herkömmlichen Schaltung mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Fig. 1 is a diagram of the circuit structure is a speed control device for engines according to a first embodiment of the invention. In Fig. 1, portions having the same functions as those of the conventional circuit shown in Fig. 6 are given the same reference numerals.

Die in Fig. 1 allgemein gezeigte Drehzahlregelvorrichtung 20 der Erfindung enthält eine Drehzahlregeleinrichtung 21, eine Lastdrehmoment-Schätzeinheit 22 (einen Minimal- Dimensional-Beobachter), eine Summationseinheit 23 sowie eine Drehmomentregelschleife 12. Der Motor 1, die Welle 2 und die Last 3, die die zu regelnden Objekte darstellen, bilden ein mechanisches System. Ein PLG 4 ist ein Sensor zum Messen der Drehzahl des Motors 1.The speed control device 20 of the invention shown generally in FIG. 1 contains a speed control device 21 , a load torque estimation unit 22 (a minimal-dimensional observer), a summation unit 23 and a torque control loop 12 . The motor 1 , the shaft 2 and the load 3 , which represent the objects to be controlled, form a mechanical system. A PLG 4 is a sensor for measuring the speed of the engine 1 .

Fig. 2 ist ein Blockschaltplan des Schaltungsaufbaus nach Fig. 1 gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung. In Fig. 2 sind eine Zeitkonstante, die auf dem Trägheitsmo­ ment des Motors 1 basiert, durch J_M [s], eine Zeitkon­ stante, die auf einer Federkonstante der Welle 2 basiert, durch K_C [s] und eine Zeitkonstante, die auf dem Träg­ heitsmoment der Last 3 basiert, durch J_L [s] definiert. Fig. 2 is a block diagram of the circuitry of Fig. 1 according to a first embodiment of the invention. In Fig. 2, a time constant based on the moment of inertia of the motor 1 by J _M [s], a time constant based on a spring constant of the shaft 2 by K _C [s], and a time constant based on based on the moment of inertia of load 3 , defined by J _L [s].

Nun wird die Anordnung von Fig. 2 im einzelnen beschrie­ ben. Die Drehzahlregeleinrichtung 21 empfängt einen Drehzahlbefehlswert und einen Drehzahlerfassungswert des Motors 1. Der Ausgang der Drehzahlregeleinrichtung 21 wird in der Summationseinheit 23 zum Drehmomentbefehls­ wert von der Lastdrehmomentschätzeinheit 22 addiert. Der Additionswert der Summationseinheit 23 wird in die Drehmomentregelschleife 12 eingegeben, die ihrerseits einen Ausgangsdrehmomentwert an den Motor und an die Lastdrehmoment-Schätzeinheit 22 ausgibt.Now the arrangement of Fig. 2 is described in detail ben. The speed control device 21 receives a speed command value and a speed detection value of the engine 1 . The output of the speed control device 21 is added in the summation unit 23 to the torque command value from the load torque estimation unit 22 . The addition value of the summation unit 23 is input to the torque control loop 12 , which in turn outputs an output torque value to the engine and to the load torque estimation unit 22 .

Die in der Erfindung verwendeten Konstanten sind folgen­ dermaßen definiert:
Das Trägheitsverhältnis R zwischen dem Motor 1 und der Last 3 über die Welle 2 ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:
The constants used in the invention are defined as follows:
The inertia ratio R between the motor 1 and the load 3 via the shaft 2 is given by the following expression:

Eine Antiresonanz-Kreisfrequenz ω_z ist durch den folgen­ den Ausdruck definiert:
An antiresonance angular frequency ω _z is defined by the following expression:

In Fig. 2 sind die Integrationszeit der Integrationsein­ heit 21a der Drehzahlregeleinrichtung 21 nach Fig. 2 durch 1/(aω_z) [s], die Proportionalverstärkung einer Proportionalregelung 21b durch bJ_mω_z, die Proportional­ verstärkung einer Proportionalregelung 22a in der Lastdrehmoment-Schätzeinheit 22 durch cJ_Mω_z und die Integrationszeit der Integrationseinheit 22b durch cJ_m/d [s] gegeben, wobei die Konstanten a, b, c und d durch die vier folgenden Ausdrücke definiert sind:
In FIG. 2, the integration time of the Integrationsein are integrated 21a of the speed control device 21 of FIG. 2 by 1 / (aω _z) [s], the proportional gain of a proportional control 21 b BJ _m ω _z, the proportional gain of a proportional control 22 a in the load torque estimation unit 22 is given by cJ _M ω _z and the integration time of the integration unit 22 b is given by cJ _m / d [s], the constants a, b, c and d being defined by the following four expressions:

Die Drehzahlregelvorrichtung der Erfindung wird erhalten durch Bestimmen dieser Konstanten a, b, c und d wie in den Ausdrücken (3) bis (6) angegeben und durch Bestimmen der jeweiligen Proportionalverstärkungen und Integrati­ onszeiten anhand dieser Werte.The speed control device of the invention is obtained by determining these constants a, b, c and d as in expressions (3) to (6) and by determining of the respective proportional gains and integrati ons times based on these values.

Die Parameter k, n_N, n_D und ζ_N, die auf die Verstärkungen der Drehzahlregeleinrichtung für die Bestimmung der Konstanten a, b, c und d bezogen sind, werden folgender­ maßen bestimmt.The parameters k, n _N , n _D and ζ _N , which relate to the gains of the speed control device for determining the constants a, b, c and d, are determined as follows.

Der Parameter k wird für die Bestimmung der Verstärkung des Drehzahlregelsystems verwendet. Der Parameter k wird in der Weise bestimmt, daß eine Kappungsfrequenz einer Übertragungsfunktion einer offenen Schleife eines Sy­ stems, das die Drehzahlregeleinrichtung, die Drehmo­ mentregelschleife und ein Zweimassensystem enthält, der Mittelwert zwischen der Antiresonanz-Kreisfrequenz ω_z und der Resonanz-Kreisfrequenz ω₀ des Zweimassensystems ist.The parameter k is used to determine the gain of the speed control system. The parameter k is determined in such a way that a capping frequency of an open loop transfer function of a system containing the speed control device, the torque control loop and a dual mass system, the mean value between the anti-resonance angular frequency ω _z and the resonance angular frequency ω ₀ des Dual mass system is.

Der Parameter n_N wird für die Bestimmung einer Integrati­ onskonstante verwendet, wobei der Parameter zweckmäßig auf ungefähr 0,2 gesetzt wird.The parameter n _N is used for the determination of an integration constant, the parameter advantageously being set to approximately 0.2.

Der Parameter ζ_N wird für die Bestimmung der Dämpfungs­ charakteristik einer Stellwertantwort verwendet, wobei der Parameter zweckmäßig auf ungefähr 0,8 gesetzt wird.The parameter ζ _N is used to determine the damping characteristic of a manipulated variable response, the parameter being expediently set to approximately 0.8.

Der Parameter n_D wird für die Bestimmung der Eigenschaf­ ten des Hochfrequenzbereichs verwendet, wobei der Parame­ ter in Abhängigkeit von R und n_τ auf einen Wert im Be­ reich von 2 bis 10 gesetzt wird.The parameter n _D is used to determine the properties of the high-frequency range, the parameter being set as a function of R and n _τ to a value in the range from 2 to 10.

Die spezifischen Werte dieser Parameter k, n_N, n_D und ω_z können anhand der folgenden Ausdrücke berechnet werden:
The specific values of these parameters k, n _N , n _D and ω _z can be calculated using the following expressions:

Diese Ausdrücke (7) bis (9) werden so eingeführt, daß die Parameter k, n_N und n_D einfach erhalten werden. Diese Ausdrücke wurden durch Computersimulationen erhalten, um eine später beschriebene Auswertungsfunktion zu minimie­ ren. Die Simulationen wurden in der folgenden Weise ausgeführt. These expressions (7) to (9) are introduced so that the parameters k, n _N and n _{D are} simply obtained. These terms were obtained by computer simulations to minimize an evaluation function described later. The simulations were carried out in the following manner.

Zunächst wurde die Auswertungsfunktion unter der Bedin­ gung bestimmt, daß die Wellentorsionsschwingungen in der kürzesten Zeitperiode gedämpft werden. Die Übertragungs­ funktion der geschlossenen Schleife stellt eine Antwort vom Motordrehzahlbefehl auf die Motordrehzahlerfassung dar und besitzt mehrere Wurzeln. Bei dieser Simulation ist der Realteil der Wurzel mit dem größten Realteil der mehreren Wurzeln der Übertragungsfunktion der geschlosse­ nen Schleife als Auswertungsfunktion definiert.First, the evaluation function under the Bedin supply determines that the wave torsional vibrations in the be damped in the shortest period of time. The transmission closed loop function provides an answer from the engine speed command to the engine speed detection and has multiple roots. In this simulation is the real part of the root with the largest real part of multiple roots of the transfer function of the closed NEN loop defined as an evaluation function.

Die Minimierung dieser Auswertungsfunktion hat die Mini­ mierung der Zeit konstante der Dämpfung der Einschwingant­ wort zur Folge. Die Computersimulation wurde in der Weise ausgeführt, daß ζ_N = 0,8 und R und n_τ unter der Bedingung n_D < n_τ gegeben sind, wobei die Parameter k, n_N und n_D, die die Auswertungsfunktion in Abhängigkeit von R und n_τ minimieren, durch das Verfahren für steilsten Abfall erhalten werden. Hierbei wird R im Bereich von 0,09 bis 5,0 gesetzt, während n_τ im Bereich von 0,9 bis 10,0 gesetzt wird. Unter Verwendung der Simulationsergebnisse für die jeweiligen Werte k, n_N und n_D für die entspre­ chenden Werte von R und n_τ, die in der obigen Weise erhalten wurden, werden die Ausdrücke (7) bis (9) durch das Verfahren der kleinsten Quadrate approximativ erhal­ ten.The minimization of this evaluation function results in the minimization of the time constant and the damping of the transient response. The computer simulation was carried out in such a way that ζ _N = 0.8 and R and n _{τ are given} under the condition n _D <n _τ , the parameters k, n _N and n _D , which the evaluation function as a function of R and Minimize n _τ by the steepest descent procedure. Here, R is set in the range from 0.09 to 5.0, while n _{τ is set} in the range from 0.9 to 10.0. Using the simulation results for the respective values k, n _N and n _D for the corresponding values of R and n _{τ obtained} in the above manner, the expressions (7) to (9) by the least squares method get approximate.

Bei Anwendung der obigen Werte auf die tatsächliche Drehzahlregelvorrichtung werden die Werte dieser Parame­ ter k, n_N, n_D und ζ_N in der Weise eingestellt, daß eine gute Antwort anhand der durch die Gleichungen (7) bis (9) berechneten Werte erhalten wird. Die Drehzahlregelvor­ richtung gemäß der Erfindung kann eine gute Antwort unter der Bedingung erhalten, daß n_D größer als n_τ ist, R im Bereich von 0,1 bis 5 liegt und n_τ im Bereich von 0,9 bis 5,0 liegt. When the above values are applied to the actual speed control device, the values of these parameters k, n _N , n _D and ζ _N are set such that a good response is obtained from the values calculated by the equations (7) to (9) . The speed control device according to the invention can get a good response on the condition that n _{D is} larger than n _τ , R is in the range of 0.1 to 5 and n _{τ is} in the range of 0.9 to 5.0.

In der Drehzahlregelvorrichtung 20 nach Fig. 2 wird ein Halbleiterleistungsumformer verwendet, der in der Drehmo­ mentregelschleife 12 enthalten ist. Falls der Motor 1 ein Gleichstrommotor ist, wird als Halbleiterleistungsumfor­ mer ein Thyristor-Leonard-Umformer verwendet. Falls der Motor 1 ein Wechselstrommotor ist, wird ein Hüllkurvenum­ former als Halbleiterleistungsumformer verwendet. Wenn der Thyristor-Leonard-Umformer verwendet wird, kann das Ausgangsdrehmoment des Motors 1 durch Multiplizieren eines Erfassungswerts des Ankerstroms mit der Stärke des Magnetfelds beim Anker berechnet werden.In the speed control device 20 of FIG. 2, a semiconductor power converter is used, which is included in the torque control loop 12 . If the motor 1 is a DC motor, a thyristor-Leonard converter is used as the semiconductor power converter. If the motor 1 is an AC motor, an envelope converter is used as the semiconductor power converter. When the thyristor Leonard converter is used, the output torque of the motor 1 can be calculated by multiplying a detection value of the armature current by the strength of the magnetic field at the armature.

Daher kann in Fig. 2 die Antwortgeschwindigkeit der Übertragungsfunktion, die die Antwort des Systems vom Ausgang der Drehzahlregeleinrichtung 21 zum Ausgang der Drehmomentregelschleife 12 darstellt, durch Setzen der Proportionalverstärkung der Proportionalregelung 22a in der Lastdrehmoment-Schätzeinheit 22 und der Integrations­ zeit der Integrationseinheit 22b auf die durch die obigen Ausdrücke erhaltenen Werte verbessert werden.Therefore, in Fig. 2, the response speed of the transfer function, which represents the response of the system from the output of the speed control device 21 to the output of the torque control loop 12 , by setting the proportional gain of the proportional control 22 a in the load torque estimation unit 22 and the integration time of the integration unit 22 b can be improved to the values obtained by the above expressions.

Folglich können sowohl die Integrationszeit der Integra­ tionseinheit 21a in der Drehzahlregeleinrichtung 21 als auch die Proportionalverstärkung der Proportionalregelung 21b auf Werte gesetzt werden, die auf den obigen Ausdrücken basieren, um so die Antwortgeschwindigkeit der Dreh­ zahl des Motors 1 zu erhöhen. Daher ist es möglich, die Erzeugung der Wellentorsionsschwingungen bei geringer Starrheit der den Motor 1 der Last 3 verbindenden Welle 2 zu unterdrücken.Consequently, both the integration time of the Integra can tion unit 21 a in the speed control device 21 and the proportional gain of the proportional control 21 b are set to values that are based on the above expressions, the more the response speed of the speed of the motor to increase. 1 Therefore, it is possible to suppress the generation of the shaft torsional vibrations with low rigidity of the shaft 2 connecting the motor 1 of the load 3 .

Zweite AusführungSecond execution

Nun wird die zweite Ausführung der Erfindung erläutert. Fig. 3 ist ein Blockschaltplan, der die Drehzahlregelvor­ richtung für Motoren gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung veranschaulicht. In Fig. 3 sind die Abschnitte, die die gleichen Funktionen wie jene der in Fig. 2 ge­ zeigten Schaltung gemäß der ersten Ausführung besitzen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.The second embodiment of the invention will now be explained. Fig. 3 is a block diagram illustrating the engine speed control device according to a second embodiment of the invention. In Fig. 3, the portions having the same functions as those of the circuit shown in Fig. 2 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

In Fig. 3 enthält eine Drehzahlregelvorrichtung 30 zu­ sätzlich zur Drehzahlregeleinrichtung 21, zur Lastdrehmo­ ment-Schätzeinheit 22, zur Summationseinheit 23 und zur Drehmomentregelschleife 12 eine Ausgangsdrehmoment-Be­ rechnungseinheit 31. Die Drehzahlregeleinrichtung 21 empfängt einen Drehzahlbefehlswert und einen Drehzahler­ fassungswert für den Motor 1. Ein Ausgang der Drehzahlre­ geleinrichtung 21 wird durch die Summationseinheit 23 zu einem Drehmomentbefehlswert von der Lastdrehmoment- Schätzeinheit 22 addiert. Der Ausgangswert der Summati­ onseinheit 23 wird in die Ausgangsdrehmoment-Berechnungs­ einheit 31 sowie in die Drehmomentregelschleife 12 einge­ geben, welche ihrerseits einen Ausgangsdrehmomentwert an den Motor 1 ausgibt.In FIG. 3, a speed control device 30 contains, in addition to the speed control device 21 , the load torque estimation unit 22 , the summation unit 23 and the torque control loop 12, an output torque calculation unit 31 . The speed control device 21 receives a speed command value and a speed detection value for the motor 1 . An output of the speed control device 21 is added by the summation unit 23 to a torque command value from the load torque estimation unit 22 . The output value of the summation unit 23 is entered into the output torque calculation unit 31 and into the torque control loop 12 , which in turn outputs an output torque value to the engine 1 .

Die Ausgangsdrehmoment-Berechnungseinheit 31 wird für den Fall verwendet, in dem das Ist-Motordrehmoment, das mit dem Ausgang der Drehmomentregelschleife 12 übereinstimmt, schwer erfaßt werden kann. Die Ausgangsdrehmoment-Berech­ nungseinheit 31 erhält einen Wert des Ausgangsdrehmo­ ments, das durch Simulation unter Verwendung einer Mo­ dell-Übertragungsfunktion G_T geschätzt wird, die durch Approximation der Drehmomentregelschleife 12 des Nachei­ lungselements zweiter Ordnung erhalten wird. Diese Über­ tragungsfunktion G_T ist durch den folgenden Ausdruck (11) gegeben.The output torque calculation unit 31 is used in the case where the actual engine torque that matches the output of the torque control loop 12 is difficult to detect. The output torque calculation unit 31 obtains a value of the output torque that is estimated by simulation using a model transfer function G _T obtained by approximating the torque control loop 12 of the second-order tracking element. This transfer function G _T is given by the following expression (11).

wobei ζ_τ den Dämpfungskoeffizienten der Drehmomentregel­ schleife und n_τω_z eine Eigen-Kreisfrequenz des Drehmo­ mentsystems [rad/s] darstellen. Die Modell-Übertragungs­ funktion G_T, die dieses Drehmomentsystem darstellt, stimmt mit der Übertragungsfunktion der Drehmomentregel­ schleife überein, die zu dem Zeitpunkt approximiert wird, zu dem die Drehzahlregelvorrichtung gemäß der Erfindung erhalten wird.where ζ _{τ is} the damping coefficient of the torque control loop and n _τ ω _{z is} a natural angular frequency of the torque system [rad / s]. The model transfer function G _T , which represents this torque system, coincides with the transfer function of the torque control loop, which is approximated at the time when the speed control device is obtained according to the invention.

Die Drehzahlregelvorrichtung 30 ist für den Fall geeig­ net, in dem für den die Drehmomentregelschleife 12 bil­ denden Halbleiterleistungsumformer ein Hüllkurvenumformer verwendet wird und für den Motor 1 ein Wechselstrommotor verwendet wird. In diesem Fall wird der Modellwert des Ausgangsdrehmoments, der durch Berechnung anhand des Ausdrucks (11) in der Ausgangsdrehmoment-Berechnungsein­ heit 31 als Ausgangsdrehmoment des Motors 1 erhalten wird, in die Lastdrehmoment-Schätzeinheit 22 als Aus­ gangsdrehmomentwert für den Motor 1 eingegeben.The speed control device 30 is suitable for the case in which an envelope converter is used for the semiconductor power converter forming the torque control loop 12 and an AC motor is used for the motor 1 . In this case, the model value of the output torque, the standardized by calculation of the expression (11) in the output torque Berechnungsein 31 is obtained as the output torque of the engine 1 is in the load torque estimation unit 22 as off transient torque value input to the motor. 1

Die Erfassung des Motordrehmoments ist schwierig, wenn der Hüllkurvenumformer und der Synchronmotor in dem Fall kombiniert werden, in dem der Blindwiderstand des Motors gering ist und beispielsweise kein Blindwiderstand von außen hinzugefügt ist.Detecting engine torque is difficult if the envelope converter and the synchronous motor in the case can be combined in which the reactance of the motor is low and, for example, no reactance of is added outside.

Im Hüllkurvenumformer sind Gleichrichterschaltungen vorhanden, die gleichartige Schaltungen sind und mitein­ ander in einer Wechselkopplung verbunden sind. Wenn an die Schaltungen abwechselnd eine Wechselspannung mit der Frequenz f₁ angelegt wird, kann eine Wechselspannung mit einer hiervon verschiedenen Frequenz f₂ erhalten werden, die an den Synchronmotor angelegt wird. Wenn der Blindwi­ derstand des Synchronmotors gering ist, wird eine Brumm­ komponente des elektrischen Stroms, die im Hüllkurvenum­ former erzeugt wird, im Synchronmotor-Strom groß. Im Ergebnis wird durch den Motorstrom die große Brummkompo­ nente des Motordrehmoments erzeugt. Wenn der Drehmoment­ erfassungswert mit einer derart großen Brummkomponente in der Drehzahlregelvorrichtung verwendet wird, entsteht in dem Motordrehmoment-Befehlswert, der von der Drehzahlre­ gelvorrichtung ausgegeben wird, ein großes Rauschen, so daß die Vorrichtung in der Praxis nicht verwendet werden kann. Im schlimmsten Fall fließt in den Hüllkurvenumfor­ mer ein übermäßiger Strom, weshalb die Gefahr besteht, daß in dem Umformer ein schwerer Fehler auftritt.In the envelope converter rectifier circuits are available, which are similar circuits and are interconnected in an alternating coupling. If an alternating voltage with the frequency f ₁ is alternately applied to the circuits, an alternating voltage with a frequency f ₂ different therefrom can be obtained, which is applied to the synchronous motor. If the reactive resistance of the synchronous motor is low, a hum component of the electrical current that is generated in the envelope converter former becomes large in the synchronous motor current. As a result, the large humming component of the motor torque is generated by the motor current. When the torque detection value is used with such a large hum component in the speed control device, a large noise arises in the engine torque command value output from the speed control device, so that the device cannot be used in practice. In the worst case, an excessive current flows in the envelope converter, which is why there is a risk that a serious fault will occur in the converter.

Wenn die Ausgangsdrehmoment-Berechnungseinheit 31 verwen­ det wird und eine Proportionalverstärkung der Proportio­ naloperationseinheit 22a in einer Lastdrehmoment-Schätz­ einheit 22 sowie die Integrationszeit einer Integrations­ einheit 22b auf Werte gesetzt werden, die auf den obigen Ausdrücken basieren, kann die Ansprechgeschwindigkeit der Übertragungsfunktion, die eine Beziehung zwischen dem Ausgang der Drehzahlregeleinrichtung 21 und dem Ausgang der Drehmomentregelschleife 12 repräsentiert, verbessert werden. Folglich können sowohl die Integrationszeit einer Intergrationseinheit 21a in der Drehzahlregeleinrichtung 21 als auch die Proportionalverstärkung einer Proportio­ nalregelung 21b auf Werte gesetzt werden, die auf den obigen Ausdrücken basieren, um die Ansprechgeschwindig­ keit der Drehzahl des Motors 1 zu verbessern. Daher kann die Erzeugung der Wellentorsionsschwingungen selbst dann unterdrückt werden, wenn die Starrheit der den Motor 1 mit der Last 3 verbindenden Welle 2 gering ist.If the output torque calculation unit 31 is used and a proportional gain of the proportional operation unit 22 a in a load torque estimation unit 22 and the integration time of an integration unit 22 b are set to values based on the above expressions, the response speed of the transfer function, representing a relationship between the output of the speed control device 21 and the output of the torque control loop 12 can be improved. Consequently, both the integration time of a Intergrationseinheit 21 a in the speed control device 21 as nalregelung the proportional gain of a proportio 21 b are set to values that are based on the above expressions to the Ansprechgeschwindig ness to improve the speed of the motor 1 can. Therefore, the generation of the shaft torsional vibrations can be suppressed even when the rigidity of the shaft 2 connecting the motor 1 to the load 3 is low.

Dritte AusführungThird execution

Fig. 4 ist ein Blockschaltplan, der eine Drehzahlregel­ vorrichtung für Motoren gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung zeigt. In Fig. 4 sind Abschnitte mit den gleichen Funktionen wie jene der Schaltung gemäß der ersten Ausführung nach Fig. 2 mit den gleichen Bezugszei­ chen bezeichnet. Fig. 4 is a block diagram showing a speed control device for motors according to a third embodiment of the invention. In Fig. 4, portions having the same functions as those of the circuit according to the first embodiment of Fig. 2 are designated with the same reference characters.

In dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau enthält eine Drehzahl­ regelvorrichtung 40 anstelle der Drehzahlregeleinrichtung 21 in der obigen Schaltung der ersten Ausführung eine Drehzahlregeleinrichtung 41, eine Lastdrehmoment-Schätz­ einheit 22, eine Summationseinheit 23 und eine Drehmo­ mentregelschleife 12.In the structure shown in FIG. 4, a speed control device 40 includes, instead of the speed control device 21 in the above circuit of the first embodiment, a speed control device 41 , a load torque estimation unit 22 , a summation unit 23 and a torque control loop 12 .

Während die in der ersten Ausführung beschriebene Dreh­ zahlregeleinrichtung 21 eine IP-Regelung (Integral- und Proportionalregelung) ist, ist die Drehzahlregeleinrich­ tung 41 eine P-Regelung (Proportionalregelung). Wenn die P-Regelung anstelle der IP-Regelung als Drehzahlregelein­ richtung 21 verwendet wird, kann ein ebenso gutes Ergeb­ nis wie in der ersten Ausführung erhalten werden.While the speed control device 21 described in the first embodiment is an IP control (integral and proportional control), the speed control device 41 is a P control (proportional control). If the P control is used instead of the IP control as the speed control device 21 , a result as good as that of the first embodiment can be obtained.

Wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, unterscheiden sich die Schritt-Antworteigenschaften der IP-Regelung und der P-Regelung voneinander jeweils durch eine Stellwertant­ wort, wo der Drehzahlbefehlswert geändert wird, und durch eine Störungsantwort, wo das Laststörungsdrehmoment geändert wird. Die in den Fig. 8 und 9 gezeigten Signal­ formen werden in Simulationen berechnet, die durch Ändern der experimentellen Bedingungen in verschiedener Weise ausgeführt werden, wie im folgenden erläutert wird.As shown in Figs. 8 and 9, the step response characteristics of the IP control and the P control differ from each other by a manipulated response where the speed command value is changed and a fault response where the load disturbance torque is changed. The waveforms shown in Figs. 8 and 9 are calculated in simulations which are carried out by changing the experimental conditions in various ways, as will be explained below.

Fig. 8 zeigt eine Stellwertantwort für einen 10%- Schritt-Drehzahlbefehlswert, während Fig. 9 eine Stö­ rungsantwort für ein 100%-Schritt-Laststörungsdrehmoment zeigt, wobei die zeitlichen Änderungen des Motordrehzahl- Erfassungswerts und des Motordrehmoment-Befehlswerts berechnet werden. FIG. 8 shows a manipulated variable response for a 10% step speed command value, while FIG. 9 shows a fault response for a 100% step load disturbance torque, the temporal changes of the motor speed detection value and the motor torque command value being calculated.

In bezug auf die Stellwertantwort wie in Fig. 8 gezeigt treten in einer Kombination der IP-Regelung und des Störungsbeobachters wie etwa der Lastdrehmoment-Schätz­ einheit oder dergleichen weder Schwingungen noch ein Überschwingen auf. Sowohl die Schwingungen als auch das Überschwingen tritt jedoch in einer Kombination aus der P-Regelung und dem Störungsbeobachter auf.With regard to the manipulated variable response as shown in FIG. 8, in a combination of the IP control and the fault observer such as the load torque estimation unit or the like, neither vibrations nor overshoot occur. However, both the vibrations and the overshoot occur in a combination of the P control and the fault observer.

Im Gegensatz dazu ist in bezug auf die Störungsantwort wie in Fig. 9 gezeigt das Überschwingen des Drehzahler­ fassungswerts in der Kombination aus der IP-Regelung und dem Störungsbeobachter größer als in der Kombination der P-Regelung und dem Störungsbeobachter. In diesem Fall entstehen die Schwingungen in beiden Kombinationen, wobei ihre Ausmaße angenähert gleich.In contrast, with respect to the fault response as shown in Fig. 9, the overshoot of the speed detection value is larger in the combination of the IP control and the fault observer than in the combination of the P control and the fault observer. In this case, the vibrations occur in both combinations, their dimensions being approximately the same.

In dem Fall, in dem die Drehzahlregelvorrichtung gemäß dieser Ausführung tatsächlich verwendet wird, kann eine Vorrichtung mit wünschenswerten Antwortcharakteristiken aus den obigen Kombinationen in Abhängigkeit von den Verwendungsbedingungen unter Berücksichtigung der unter­ schiedlichen Antworten der obigen Kombinationen gewählt werden. Beispielsweise kann im Fall einer räumlichen Einstellung unter Druck eines Walzwerks oder einer räum­ lichen Einstellung einer Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung, wo ein Überschwingen der Motordrehzahl in bezug auf die Änderung des Motordrehzahlbefehlswerts nicht wünschenswert ist, die Kombination aus der IP- Regelung und dem Störungsbeobachter verwendet werden.In the case where the speed control device according to This version can actually be used Device with desirable response characteristics from the above combinations depending on the Conditions of use taking into account the different answers of the above combinations selected become. For example, in the case of a spatial Adjustment under pressure of a rolling mill or a room setting a machine tool with numerical Control where an overshoot in engine speed related to the change in the engine speed command value is not desirable the combination of the IP Regulation and the observer can be used.

Hingegen kann in dem Fall eines Walzwerks, bei dem das Überschwingen der Motordrehzahl in bezug auf die Stö­ rungsantwort nicht wünschenswert ist, die Kombination aus der P-Regelung und dem Störungsbeobachter verwendet werden.On the other hand, in the case of a rolling mill in which the Overspeed of the engine speed in relation to the disturbances response is not desirable, the combination of the P control and the fault observer become.

Wie oben beschrieben worden ist, ist es dann, wenn die Proportionalverstärkung der Drehzahlregeleinrichtung 41 auf einen Wert gesetzt wird, der auf den obigen Ausdrücken für die obige Drehzahlregeleinrichtung 21 gesetzt wird, möglich, die Erzeugung der Wellentorsionsschwingun­ gen bei geringer Starrheit der den Motor 1 mit der Last 3 verbindenden Welle 2 zu unterdrücken.As described above, if the proportional gain of the speed controller 41 is set to a value set on the above expressions for the above speed controller 21 , it is possible to generate the shaft torsional vibrations with low rigidity of the engine 1 with to suppress the load 3 connecting shaft 2 .

Vierte AusführungFourth execution

Fig. 5 ist ein Blockschaltplan, der eine Drehzahlregel­ vorrichtung für Motoren gemäß einer vierten Ausführung der Erfindung zeigt. In Fig. 5 sind Abschnitte mit den gleichen Funktionen wie jene der Schaltung gemäß der zweiten Ausführung von Fig. 3 mit den gleichen Bezugszei­ chen bezeichnet. Fig. 5 is a block diagram showing a speed control device for motors according to a fourth embodiment of the invention. In Fig. 5, portions having the same functions as those of the circuit according to the second embodiment of Fig. 3 are designated with the same reference numerals.

In Fig. 5 enthält eine Drehzahlregelvorrichtung 50 an­ stelle der Drehzahlregeleinrichtung 21 in der obigen Schaltung der zweiten Ausführung eine Drehzahlregelein­ richtung 41 und ferner eine Lastdrehmoment-Schätzeinheit 22, eine Summationseinheit 23, eine Drehmomentregel­ schleife 12 und eine Ausgangsdrehmoment-Berechnungsein­ heit 31.In Fig. 5 is a speed control device 50 includes, instead of the speed control device 21 in the above circuit of the second embodiment, a Drehzahlregelein direction 41 and further comprises a load torque estimating unit 22, a summation unit 23, a torque control loop 12 and an output torque Berechnungsein integrated 31st

Wenn in dieser Ausführung die Proportionalverstärkungen der Drehzahlregeleinrichtung 41 auf Werte gesetzt werden, die auf den obigen Ausdrücken wie für die Drehzahlregel­ einrichtung 21 basieren, ist es möglich, die Erzeugung der Wellentorsionsschwingungen bei geringer Starrheit der den Motor 1 mit der Last 3 verbindenden Welle 2 zu unter­ drücken.In this embodiment, if the proportional gains of the speed control device 41 are set to values based on the above expressions as for the speed control device 21 , it is possible to generate the shaft torsional vibrations with low rigidity of the shaft 2 connecting the motor 1 to the load 3 suppress.

Wie wohlbekannt ist, ist in der Drehmomentregelschleife, die einen Thyristorumformer für die Versorgung eines Gleichstrommotors mit Leistung oder einen Hüllkurvenum­ former für die Versorgung eines Wechselstrommotors mit Leistung enthält, die Antwortgeschwindigkeit der Drehmo­ mentregelschleife niedriger als jene der Drehmomentregel­ schleife eines Wechselstrommotors, der mit Leistung von einem PWM-Inverter versorgt wird, so daß die obigen Wellentorsionsschwingungen erzeugt werden können.As is well known, in the torque control loop, which a thyristor converter for the supply of a DC motor with power or an envelope former for the supply of an AC motor with Power contains, the response speed of the torque ment control loop lower than that of the torque control  loop of an AC motor that with power of a PWM inverter is supplied so that the above Wave torsional vibrations can be generated.

Bei der Drehzahlregelvorrichtung der Erfindung kann die Erzeugung der Wellentorsionsschwingungen durch Hinzufügen einer kleinen Schaltungsanordnung zur herkömmlichen Drehzahlregelvorrichtung unterdrückt werden.In the speed control device of the invention, the Generation of the shaft torsional vibrations by adding a small circuit arrangement to the conventional Speed control device can be suppressed.

Experimentelle ErgebnisseExperimental results

Im folgenden wird das Operationsergebnis für den Fall angegeben, daß die Drehzahlregelvorrichtung der Erfindung tatsächlich auf ein Motor-Wellen-Last-System angewendet wird.The following is the surgical outcome for the case indicated that the speed control device of the invention actually applied to a motor shaft load system becomes.

Ein Gleichstrommotor und ein als Last arbeitender Induk­ tionsmotor wurden über die Welle mit geringer Starrheit verbunden, um ein motor-mechanisches System zu bilden. Das Trägheitsmoment des Gleichstrommotors betrug GD² = 0,92 (kgm²), während die Ausgangsleistung 22 kW betrug. Das Trägheitsmoment des Induktionsmotors betrug GD² = 0,35 (kgm²), während die Ausgangsleistung 3,7 kW betrug. Die Federkonstante der Welle betrug 46 (kgm/rad). Der Gleichstrommotor wurde durch die Thyristor-Leonard- Vorrichtung angetrieben, in der die Regelvorrichtung der Erfindung eingebaut war, während der Induktionsmotor durch einen PWM-Inverter angetrieben wurde. In dem Sy­ stem, in dem das Experiment ausgeführt wurde, betrug das Trägheitsverhältnis R = 0,379, die Resonanzfrequenz betrug 13,5 Hz, die Antiresonanzfrequenz betrug 11,5 Hz und das Motorträgheitsmoment betrug J_M = 0,35 s. In dem Drehmomentsystem war ζ_τ = 0,7, während n_τω_z = 118 rad/s war und n_τ = 1,63 war. A DC motor and an induction motor operating as a load were connected via the shaft with low rigidity to form a motor-mechanical system. The moment of inertia of the DC motor was GD ² = 0.92 (kgm ² ), while the output was 22 kW. The moment of inertia of the induction motor was GD ² = 0.35 (kgm ² ), while the output was 3.7 kW. The spring constant of the shaft was 46 (kgm / rad). The DC motor was driven by the Thyristor-Leonard device in which the control device of the invention was installed, while the induction motor was driven by a PWM inverter. In the system in which the experiment was carried out, the inertia ratio was R = 0.379, the resonance frequency was 13.5 Hz, the anti-resonance frequency was 11.5 Hz and the motor moment of inertia was J _M = 0.35 s. In the torque system, ζ _τ = 0.7, while n _τ ω _z = 118 rad / s and n _τ = 1.63.

Für ein solches regelbares Objekt wurde die Drehzahlre­ gelvorrichtung durch eine IP-Regelung mit einer Abtastpe­ riode von 5 ms und durch einen Störungsbeobachter gebil­ det. Die Parameter der Drehzahlregelvorrichtung wurden in der Weise gesetzt, daß k = 1,11, n_D = 3,49, n_N = 0,2 und ζ_N = 0,8. Diese Werte waren aufgrund der bilinearen Transformation diskret. Die Werte von k, n_D, n_N wurden anhand der Werte k = 1,48, n_D = 5,55 bzw. n_N = 0,25 eingestellt, die unter Verwendung der Ausdrücke (7) bis (9) erhalten wurden, wodurch eine gute Antwort erhalten werden kann.For such a controllable object, the speed control device was formed by an IP control with a sampling period of 5 ms and by a fault observer. The parameters of the speed control device were set in such a way that k = 1.11, n _D = 3.49, n _N = 0.2 and ζ _N = 0.8. These values were discrete due to the bilinear transformation. The values of k, n _D , n _N were set based on the values k = 1.48, n _D = 5.55 and n _N = 0.25, respectively, which were obtained using expressions (7) to (9) which can give a good answer.

Fig. 7 zeigt das experimentelle Ergebnis der Störungsant­ wort, wenn ein schrittähnliches Drehmoment als Last angelegt wird, wobei die zeitliche Änderung des Motor­ drehzahlerfassungswerts und des Motordrehmomentbefehls­ werts sowohl für die Antworten der Regelvorrichtungen der Erfindung als auch für die Antwort der herkömmlichen IP- Regelung gemessen wurden. Die herkömmliche IP-Regelung wurde durch Entfernen des Störungsbeobachters aus der Regelvorrichtung der Erfindung gebildet. Entsprechend den Ergebnissen der Experimente traten bei Verwendung der Regelvorrichtung der Erfindung keine Schwingungen auf, während in der herkömmlichen IP-Regelung ununterbrochen Schwingungen mit einer Frequenz von 13,5 Hz auftraten. Fig. 7 shows the experimental result of the fault response when a step-like torque is applied as a load, and the time change of the motor speed detection value and the motor torque command value are measured for both the responses of the control devices of the invention and the response of the conventional IP control were. The conventional IP control was formed by removing the observer from the control device of the invention. According to the results of the experiments, no vibrations occurred when using the control device of the invention, while vibrations with a frequency of 13.5 Hz occurred continuously in the conventional IP control.

In ähnlicher Weise zeigt Fig. 10 die Ergebnisse eines weiteren Experiments für das Motor-Welle-Last-System mit dem Trägheitsverhältnis R = 0,534 und einer Antiresonanz- Kreisfrequenz ω_z = 1,24 rad/s, auf das die Drehzahlregel­ vorrichtung der Erfindung angewendet wurde. Wie aus den experimentellen Ergebnissen hervorgeht, traten keine Wellentorsionsschwingungen auf.Similarly, Fig. 10 shows the results of another experiment for the motor-shaft-load system with the inertia ratio R = 0.534 and an anti-resonance angular frequency ω _z = 1.24 rad / s, to which the speed control device of the invention is applied has been. As can be seen from the experimental results, no wave torsional vibrations occurred.

Somit können die Wellentorsionsschwingungen unter Verwen­ dung der Drehzahlregelvorrichtung der Erfindung selbst dann unterdrückt werden, wenn eine Ansprechverzögerung des Drehmomentregelsystems vorliegt.Thus, the shaft torsional vibrations can be used extension of the speed control device of the invention itself  then be suppressed when there is a response delay of the torque control system.

Claims (16)

1. Drehzahlregelvorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors (1), der über eine Welle (2) eine Last (3) antreibt, gekennzeichnet durch
eine Drehzahlregeleinrichtung (21) mit einem IP- Element, die einen von außen eingegebenen Drehzahlbe­ fehlswert und einen Ist-Drehzahlwert des Motors (1) empfängt, und
eine Störungsbeobachtungseinrichtung (22), die mit der Drehzahlregeleinrichtung (21) kombiniert ist.1. Speed control device for controlling the speed of a motor ( 1 ) which drives a load ( 3 ) via a shaft ( 2 ), characterized by
a speed control device ( 21 ) with an IP element, which receives a speed value from outside and an actual speed value of the motor ( 1 ), and
a fault monitoring device ( 22 ) which is combined with the speed control device ( 21 ). 2. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlbeobachtungseinrichtung eine Last­ drehmoment-Schätzeinrichtung (22) ist, die ein Ausgangs­ signal eines Drehmomentregelsystems (12) rückkoppelt.2. Speed control device according to claim 1, characterized in that the speed monitoring device is a load torque estimation device ( 22 ) which feeds back an output signal of a torque control system ( 12 ). 3. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Drehzahlregeleinrichtung (21) eine Integra­ tion der Abweichung zwischen dem von außen eingegebenen Drehzahlbefehlswert und der Ist-Drehzahl des Motors (1) ausführt,
die Ist-Drehzahl von einem durch die Integration erhaltenen Wert subtrahiert wird und
ein zu dem durch die Subtraktion erhaltenen Wert proportionaler Wert ausgegeben wird.3. Speed control device according to claim 1 or 2, characterized in that
the speed control device ( 21 ) integrates the deviation between the speed command value entered from the outside and the actual speed of the motor ( 1 ),
the actual speed is subtracted from a value obtained by the integration and
a value proportional to the value obtained by the subtraction is output. 4. Drehzahlregelvorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors (1), der über eine Welle (2) eine Last (3) antreibt, gekennzeichnet durch
eine Drehzahlregeleinrichtung (21), die einen von außen eingegebenen Drehzahlbefehlswert und einen Ist- Drehzahlwert des Motors (1) empfängt,
eine Lastdrehmoment-Schätzeinrichtung (22), die einen Lastdrehmoment-Schätzwert des Motors (1) anhand des Ist-Drehzahlwerts des Motors (1) und des Erfassungswerts für ein Ausgangsdrehmoment des Motors (1) berechnet, und
eine Drehmomentregelschleife (12), die das Aus­ gangsdrehmoment des Motors (1) anhand des Drehmomentbe­ fehlswerts regelt, der durch Summieren des Ausgangswerts der Drehzahlregeleinrichtung (21) und des Lastdrehmoment- Schätzwerts erhalten wird.4. Speed control device for controlling the speed of a motor ( 1 ) which drives a load ( 3 ) via a shaft ( 2 ), characterized by
a speed control device ( 21 ) which receives an externally entered speed command value and an actual speed value of the motor ( 1 ),
a load torque estimating means (22) having a load torque estimated value of the motor (1) based on the actual speed value of the motor (1), and calculates the detection value of an output torque of the engine (1), and
a torque control loop ( 12 ) which regulates the output torque of the engine ( 1 ) based on the torque value obtained by summing the output value of the speed control device ( 21 ) and the load torque estimate. 5. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregeleinrichtung (21) durch ein IP- Element oder durch ein P-Element gebildet ist.5. Speed control device according to claim 4, characterized in that the speed control device ( 21 ) is formed by an IP element or by a P element. 6. Drehzahlregelvorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors (1), der über eine Welle (2) eine Last (3) antreibt, gekennzeichnet durch
eine Drehzahlregeleinrichtung (21), die einen von außen eingegebenen Drehzahlbefehlswert und einen Ist- Drehzahlwert des Motors (1) empfängt,
eine Ausgangsdrehmoment-Berechnungseinrichtung (31), die einen Modellwert eines Ausgangsdrehmoments des Motors (1) anhand eines Drehmomentbefehlswerts des Motors (1) berechnet,
eine Lastdrehmoment-Schätzeinheit (22), die einen Lastdrehmoment-Schätzwert des Motors (1) anhand des Erfassungswerts der Drehzahl des Motors (1) und des Modellwerts, der durch die Ausgangsdrehmoment-Berech­ nungseinrichtung (31) berechnet wird, berechnet, und
eine Drehmomentregelschleife (12), die das Aus­ gangsdrehmoment des Motors (1) anhand des Drehmomentbe­ fehlswerts regelt, der durch Summieren des Ausgangswerts der Drehzahlregeleinrichtung (21) und des Lastdrehmoment- Schätzwerts erhalten wird.6. Speed control device for controlling the speed of a motor ( 1 ) which drives a load ( 3 ) via a shaft ( 2 ), characterized by
a speed control device ( 21 ) which receives an externally entered speed command value and an actual speed value of the motor ( 1 ),
an output torque calculator ( 31 ) that calculates a model value of an output torque of the engine ( 1 ) based on a torque command value of the engine ( 1 ),
a load torque estimation unit ( 22 ) that calculates a load torque estimate of the engine ( 1 ) based on the detection value of the engine speed ( 1 ) and the model value calculated by the output torque calculator ( 31 ), and
a torque control loop ( 12 ) which regulates the output torque of the engine ( 1 ) based on the torque value obtained by summing the output value of the speed control device ( 21 ) and the load torque estimate. 7. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregeleinrichtung (21) durch ein IP- Element oder durch ein P-Element gebildet ist.7. Speed control device according to claim 6, characterized in that the speed control device ( 21 ) is formed by an IP element or by a P element. 8. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Integrationszeit eines Integrationsabschnitts der Drehzahlregeleinrichtung (21) auf 1/aω_z gesetzt ist,
die Proportionalverstärkung einer Proportionalre­ gelung der Drehzahlregeleinrichtung (21) auf bJ_Mω_z ge­ setzt ist,
die Proportionalverstärkung einer Proportionalre­ gelung der Lastdrehmoment-Schätzeinheit (22) auf cJ_mω_z gesetzt ist und
die Integrationszeit einer Integrationseinheit der Lastdrehmoment-Schätzeinheit auf cJ_m/d gesetzt ist,
wobei J_m eine Zeitkonstante darstellt, die auf einem Trägheitsmoment des Motors (1) basiert,
K_C eine Zeitkonstante ist, die auf einer Feder­ konstante der Welle (2) basiert,
J_L eine Zeitkonstante repräsentiert, die auf einem Trägheitsmoment der Last (3) basiert,
ω_z eine Antiresonanz-Kreisfrequenz repräsentiert, die auf K_C und J_L basiert, wobei die Faktoren a, b, c und d folgendermaßen definiert sind:
wobei
k der Parameter ist, der auf die Verstärkung des Drehzahlregelsystems bezogen ist,
ζ_N der Parameter ist, der auf den Integrations­ koeffizienten bezogen ist,
n_D der Parameter ist, der auf die Dämpfungscha­ rakteristik einer Stellantwort bezogen ist,
n_N der Parameter ist, der auf die Charakteristik in einem Hochfrequenzbereich bezogen ist,
ζ_τ der Dämpfungskoeffizient der Drehmomentregel­ schleife ist, und
n_τ der Koeffizient für eine Eigen-Kreisfrequenz der Antiresonanz-Kreisfrequenz ω_z der Drehmomentregel­ schleife ist.8. Speed control device according to claim 4, 5, 6 and 7, characterized in that
the integration time of an integration section of the speed control device ( 21 ) is set to 1 / aω _z ,
the proportional gain of a proportional control of the speed control device ( 21 ) is set to bJ _M ω _z ge,
the proportional gain of a proportional control of the load torque estimation unit ( 22 ) is set to cJ _m ω _z and
the integration time of an integration unit of the load torque estimation unit is set to cJ _m / d,
where J _{m represents} a time constant based on an moment of inertia of the motor ( 1 ),
K _{C is} a time constant based on a spring constant of the shaft ( 2 ),
J _{L represents} a time constant based on a moment of inertia of the load ( 3 ),
ω _{z represents} an anti-resonance angular frequency based on K _C and J _L , where the factors a, b, c and d are defined as follows:
in which
k is the parameter related to the gain of the speed control system,
ζ _{N is} the parameter related to the integration coefficient,
n _{D is} the parameter that relates to the damping characteristic of an actuating response,
n _{N is} the parameter related to the characteristic in a high frequency range,
ζ _{τ is} the damping coefficient of the torque control loop, and
n _{τ is} the coefficient for a natural angular frequency of the anti-resonant angular frequency ω _{z of} the torque control loop. 9. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter k, n_D und n_N anhand von Schätzwer­ ten hiervon eingestellt werden, die anhand von Funktionen erhalten werden, die durch R und n_τ repräsentiert werden, wobei der Parameter R durch J_L/J_M gegeben ist.9. Speed control device according to claim 8, characterized in that the parameters k, n _D and n _{N are set} on the basis of estimated values thereof, which are obtained on the basis of functions represented by R and n _τ , the parameter R being represented by J _L / J _{M is} given. 10. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzwert des Parameters k angenähert durch eine Funktion k = α + βR + γR/n_τ gegeben ist, wobei α, β und γ Konstanten sind.10. Speed control device according to claim 9, characterized in that the estimated value of the parameter k is approximately given by a function k = α + βR + γR / n _τ , where α, β and γ are constants. 11. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzwert des Parameters n_D angenähert durch die Funktion n_D = δ + εR + ζ/n_τ gegeben ist, wobei δ, ε und ζ Konstanten sind. 11. Speed control device according to claim 9, characterized in that the estimated value of the parameter n _{D is given} approximately by the function n _D = δ + εR + ζ / n _τ , where δ, ε and ζ are constants. 12. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzwert des Parameters n_N angenähert durch die Funktion n_N = η + θR + ℩/n_τ gegeben ist, wobei η, θ und ℩ Konstanten sind.12. Speed control device according to claim 9, characterized in that the estimated value of the parameter n _{N is given} approximately by the function n _N = η + θR + ℩ / n _τ , where η, θ and ℩ are constants. 13. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzwert des Parameters k angenähert durch k = 1,09 + 0,754R - 0,465R/n_τ gegeben ist.13. Speed control device according to claim 9 and 10, characterized in that the estimated value of the parameter k is approximately given by k = 1.09 + 0.754R - 0.465R / n _τ . 14. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzwert des Parameters n_D angenähert durch n_D = -3,50 + 8,70R + 9,23/n_τ gegeben ist.14. Speed control device according to claim 9 and 11, characterized in that the estimated value of the parameter n _{D is} approximately given by n _D = -3.50 + 8.70R + 9.23 / n _τ . 15. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzwert des Parameters n_N angenähert durch n_N = 0,299 - 0,0247R - 0,0693/n_τ gegeben ist.15. Speed control device according to claim 9 and 12, characterized in that the estimated value of the parameter n _{N is} approximately given by n _N = 0.299 - 0.0247R - 0.0693 / n _τ . 16. Drehzahlregelvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter ζ_N ungefähr 0,800 ist.16. Speed control device according to claim 9, characterized in that the parameter ζ _{N is} approximately 0.800.