JP3667547B2 - 電動機の速度制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧延機などに使用される電動機の速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、圧延機などに使用される電動機の速度制御装置の従来例を示す回路構成図である。
【０００３】
図６には、電動機１、負荷３そして電動機１と負荷３を連結する連結軸２、電動機１の駆動軸に連結された回転速度検出器としてのパルスジェネレータ４（以下、ＰＬＧ４と称する）、そして速度制御装置１０が示されている。
【０００４】
速度制御装置１０は、速度調節器１１とトルク制御ループ１２を備えている。速度調節器１１は、ＰＬＧ４の出力値と外部から指令される速度指令値の偏差に基づき、比例積分（ＰＩ）演算を行うことにより電動機１の回転速度を調節する。また、トルク制御ループ１２は、電流調節器と半導体電力変換器から構成され、これらは速度調節器１１の出力であるトルク指令値に基づき、電動機１の出力トルクを制御する。前記半導体電力変換器は、サイリスタコンバータまたはサイクロコンバータなどから構成される。 上記のような構成を持つ速度運転制御装置によって電動機の回転速度は制御されている。
【０００５】
通常、圧延機などの大容量の装置では、サイリスタコンバータ、またはサイクロコンバータを備えたトルク制御ループがトルク制御のために用いられている。サイリスタコンバータまたはサイクロコンバータを備えたトルク制御ループの応答速度は、例えばPWMインバータを備えたトルク制御ループの応答速度より遅い。これらのコンバータを使用し、そして電動機１の回転速度の応答を速くするために速度調節器１１のＰゲインのみを上げていくと、電動機１と負荷３を連結する連結軸２の剛性が低い場合には、連結軸による軸ねじり振動が生じる。その結果、前記速度指令値に基づき電動機１の回転速度を調節する場合の応答速度を速くすることが困難になる。この軸ねじり振動は、トルク制御系の応答周波数と共振機械系の応答周波数が近い場合に発生しやすい。よって、圧延機等の大容量装置を安定に制御するためには、トルク制御系の応答周波数と機械系の共振周波数を考慮した制御器の設計が必要となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述のサイリスタコンバータで給電される直流電動機、またはサイクロコンバータで給電される交流電動機を用いた場合に発生する軸ねじり振動を抑制する電動機の速度制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴は、連結軸を介して負荷を駆動する電動機の回転速度を制御する速度制御装置において、外部から指令される速度指令値および回転速度の検出値が入力される速度調節器と、前記電動機のトルク指令値から該電動機の出力トルクのモデル値を演算する出力トルク演算器と、前記電動機の回転速度の検出値と前記出力トルクのモデル値とから該電動機の負荷トルク推定値を演算する負荷トルク推定器と、前記速度調節器の検出値と前記負荷トルク推定値とを加算演算した値のトルク指令値に基づいて、前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループとを備えたことを特徴とする電動機の速度制御装置である。
【０００８】
本発明の第２の特徴は、前記出力トルク演算器の伝達関数は、前記トルク制御ループを２次遅れ要素で近似したモデル伝達関数であることを特徴とする電動機の速度制御装置である。
【０００９】
本発明の第３の特徴は、連結軸を介して負荷を駆動する電動機の回転速度を制御する速度制御装置において、外部から指令される速度指令値と電動機の回転速度の検出値との偏差を積分時間を1/aω_Zとして積分演算し、この積分演算値から前記回転速度の検出値を減算演算し、この減算演算値を比例ゲインをbＪ_Mω_Zとして比例演算した値を出力する速度調節器と、前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループ、または前記電動機のトルク指令値から該電動機の出力トルクのモデル値を演算する出力トルク演算器、のいずれかの出力値を積分時間をｃJ_M/ｄとして積分演算し、この積分演算値から前記回転速度の検出値を減算演算し、この減算演算値を比例ゲインをｃJ_Mω_Zとして比例演算して該電動機の負荷トルク推定値を演算する負荷トルク推定器と、前記速度調節器の出力値と前記負荷トルク推定値とを加算演算した値のトルク指令値に基づいて前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループと、を備えたことを特徴とする電動機の速度制御装置である。
ここで、
J_M：前記電動機の慣性モーメントに基づく時定数
K_C：前記連結軸のバネ定数に基づく時定数
Ｊ_L：前記負荷の慣性モーメントに基づく時定数
ω_Z：前記K_CとＪ_Lに基づく***振角周波数
ａ＝ｄｎ_N／（２ｄζ_N−ｎ_N）
ｂ＝ｋｎ_N ²（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／aｄｎ_T ²
ｃ＝ｋ（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／ｎ_T ²−ｂ
ｄ＝（ｎ_D ²−ｎ_T ²）／２ζ_Tｎ_T
k ：速度制御系のゲインに係わるパラメータ
ζ_N：積分定数に係わるパラメータ
ｎ_D：設定値応答の減衰特性に係わるパラメータ
ｎ_N：高周波数領域の特性に係わるパラメータ
ζ_T：トルク制御ループの減衰係数
ｎ_T：***振角周波数ω_Zのトルク制御ループの固有角周波数に対する係数
【００１０】
本発明の第４の特徴は、連結軸を介して負荷を駆動する電動機の回転速度を制御する速度制御装置において、外部から指令される速度指令値と電動機の回転速度の検出値との偏差を比例ゲインをbＪ_Mω_Zとして比例演算した値を出力する速度調節器と、前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループ、または前記電動機のトルク指令値から該電動機の出力トルクのモデル値を演算する出力トルク演算器、のいずれかの出力値を積分時間をｃJ_M/ｄとして積分演算し、この積分演算値から前記回転速度の検出値を減算演算し、この減算演算値を比例ゲインをｃJ_Mω_Zとして比例演算して該電動機の負荷トルク推定値を演算する負荷トルク推定器と、前記速度調節器の出力値と前記負荷トルク推定値とを加算演算した値のトルク指令値に基づいて前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループと、を備えたことを特徴とする電動機の速度制御装置である。
ここで、
J_M：前記電動機の慣性モーメントに基づく時定数
K_C：前記連結軸のバネ定数に基づく時定数
Ｊ_L：前記負荷の慣性モーメントに基づく時定数
ω_Z：前記K_CとＪ_Lに基づく***振角周波数
ｂ＝ｋｎ_N ²（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／aｄｎ_T ²
ｃ＝ｋ（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／ｎ_T ²−ｂ
ｄ＝（ｎ_D ²−ｎ_T ²）／２ζ_Tｎ_T
k ：速度制御系のゲインに係わるパラメータ
ζ_N：積分定数に係わるパラメータ
ｎ_D：設定値応答の減衰特性に係わるパラメータ
ｎ_N：高周波数領域の特性に係わるパラメータ
ζ_T：トルク制御ループの減衰係数
ｎ_T：***振角周波数ω_Zのトルク制御ループの固有角周波数に対する係数
【００１１】
本発明の第５の特徴は、前記パラメータkの概算値は、
k=α+βR+γR/n_T（α、β、γ：定数、R=Ｊ_L/Ｊ_M）
の関数で表されることを特徴とする電動機の速度制御装置である。
【００１２】
本発明の第６の特徴は、前記パラメータｎ_Dの概算値は、
ｎ_D=δ+εR+ζ/ｎ_T（δ、ε、ζ：定数、R=Ｊ_L/Ｊ_M）
の関数で表されることを特徴とする電動機の速度制御装置である。
【００１３】
本発明の第７の特徴は、前記パラメータｎ_Nの概算値は、
ｎ_N=η+θR+ι/ｎ_T（η、θ、ι：定数、R=Ｊ_L/Ｊ_M）
の関数で表されることを特徴とする電動機の速度制御装置である。
【００１４】
本発明の第８の特徴は、前記パラメータkの概算値は、
k=1.09+0.754R−0.465R/ｎ_T（R=Ｊ_L/Ｊ_M）
で求められることを特徴とする電動機の速度制御装置である。
【００１５】
本発明の第９の特徴は、前記パラメータｎ_Dの概算値は、
ｎ_D=−3.50+8.70R+9.23/ｎ_T（R=Ｊ_L/Ｊ_M）
で求められることを特徴とする電動機の速度制御装置である。
【００１６】
本発明の第１０の特徴は、前記パラメータｎ_Nの概算値は、
ｎ_N=0.299−0.0247R−0.0693/ｎ_T（R=Ｊ_L/Ｊ_M）
で求められることを特徴とする電動機の速度制御装置である。
【００１７】
本発明の第１１の特徴は、前記パラメータζ_Nは、
ζ_N=0.800
程度とすることを特徴とする電動機の速度制御装置である。
【００１８】
請求項１・２の発明の速度制御装置を用いれば、電動機のトルク指令値から該電動機の出力トルクのモデル値を演算する出力トルク演算器を備えるので、電動機の出力トルク検出が困難な場合でも従来の速度制御装置で発生していた軸ねじり振動を抑制することが可能となる。
【００１９】
さらに、直流電動機に給電するサイリスタコンバータ、交流電動機に給電するサイクロコンバータを備えるトルク制御ループでは、周知の如く、その応答速度は例えばＰＷＭインバータで給電される交流電動機におけるトルク制御ループにより遅くなり、その結果、上述の軸ねじり振動が発生する恐れがある。これに対して、従来の速度制御装置に僅かな回路を付加し、請求項３〜１１の発明のごとく速度調節器及び負荷トルク調節器の制御パラメータを選定することにより、軸ねじり振動の発生を抑制することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明における実施の形態について図面を参照しながら述べる。
図１は、本発明の第１の実施例を示す電動機の速度制御装置の回路構成図である。図６に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００２１】
図１に示されている速度制御装置２０は、速度調節器２１と負荷トルク推定器（最小次元オブザーバ）２２と加算演算器２３とトルク制御ループ１２とを備えている。また、電動機１、連結軸２そして負荷３の機械系が制御対象として示されている。ＰＬＧ４は、モーターの回転数を測定するセンサーである。
【００２２】
図２は、図１の回路構成をブロック線図で表したものである。図２中では、電動機１の慣性モーメントに基づく時定数をJ_M(sec)とし、連結軸２のバネ定数に基づく時定数をK_C(sec)とし、負荷３の慣性モーメントに基づく時定数をJ_L(sec)としている。
【００２３】
図２の構成を詳細に述べる。速度調節器２１は、速度指令値と電動機１の回転速度検出値を入力とし、この速度調節器２１からの出力と負荷トルク推定器２２からのトルク指令値を加算器２３で加え合わせ、この加算量をトルク制御ループ１２に入力し、該トルク制御ループ１２からの出力トルクを電動機１および負荷トルク推定器２２に入力している。
【００２４】
次に、本発明で用いられている定数を以下で定義する。電動機１，連結軸２，負荷３における慣性比Ｒは式（１）で表される。
【００２５】
【数１】
Ｒ＝Ｊ_L／Ｊ_M ．．．（１）
また、前述の***振角周波数ω_Zは式（２）で表させる。
【００２６】
【数２】
ω_Z＝（Ｊ_LＫ_C）^-1/2〔ｒａｄ／ｓｅｃ〕 ．．．（２）
ここで、図２に示した速度調節器２１の積分演算部２１ａの積分時間を１／（ａω_Z）〔ｓｅｃ〕とし、比例演算部２１ｂの比例ゲインをｂＪ_Mω_Zとし、また負荷トルク推定器２２の比例演算部２２ａの比例ゲインをｃＪ_Mω_Zとし、積分演算部２２ｂの積分時間をｃＪ_M／ｄ〔ｓｅｃ〕とし、定数であるａ，ｂ，ｃ，ｄは以下に示す式（３）〜式（６）に基づいて選定される。
【００２７】
【数３】
ｄ＝（ｎ_D ²−ｎ_T ²）／２ζ_Tｎ_T ．．．（３）
【００２８】
【数４】
ａ＝ｄｎ_N／（２ｄζ_N−ｎ_N） ．．．（４）
【００２９】
【数５】
ｂ＝ｋｎ_N ²（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／ａｄｎ_T ² ．．．（５）
【００３０】
【数６】
ｃ＝ｋ（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／ｎ_T ²−ｂ ．．．（６）
(３)〜（６）式に示されているように、a, b, c, dの値を定め、それらの値に従って各比例ゲインと積分時間を決定することにより、本発明の速度制御器が得られる。
【００３１】
ここで、上記a, b, c, dを決定するための速度制御器のゲインに関するパラメータk,ｎ_N, n_D,ζ_Nは、次のように決められる。パラメータkは、速度制御系のゲインを決定するもので、速度制御器、トルク制御ループおよび２慣性系を含めた開ループ伝達関数のカットオフ周波数が２慣性系の***振角周波数ω_Zと共振角周波数ω₀の中間となるようにkを選ぶ。ｎ_Nは、積分定数を決定するもので0.2程度がよい。ζ_Nは、設定値応答の減衰特性を決めるもので0.8にする。 n_Dは、高周波数領域の特性を決定するものでR,ｎ_Tに依存し２〜１０とする。
【００３２】
ここで、k,ｎ_N, n_D,ζ_Nの具体的な値は、以下の（７）から（１０）式で求められる。
【００３３】
【数７】
ｋ＝１．０９＋０．７５４Ｒ−０．４６５Ｒ／ｎ_T ．．．（７）
【００３４】
【数８】
ｎ_D＝−３．５０＋８．７０Ｒ＋９．２３／ｎ_T ．．．（８）
【００３５】
【数９】
ｎ_N＝０．２９９−０．０２４７Ｒ−０．０６９３／ｎ_T ．．．（９）
【００３６】
【数１０】
ζ_N＝０．８００ ．．．（１０）
これらの式（７）〜（９）は、k,ｎ_N,ｎ_Dを簡便に求めるために導入されたものである。これらは後述する評価関数を最小にするR,ｎ_T とk,ｎ_N,ｎ_Dとの関係式を計算機シミュレーションにより求めたものである。
【００３７】
シミュレーションは以下の手順で行われる。
まず軸ねじり振動が最も速く減衰することを条件に評価関数を決定する。本シミュレーションの場合、電動機速度指令から電動機速度検出までの閉ループ伝達関数の根のうち、実数部が最大である根の実数部を評価関数とした。この評価関数を最小にすることは、過渡応答の減衰の時定数を最小にすることとなる。計算機シミュレーションはζ_N=0.8としｎ_D>ｎ_Tの条件でRとｎ_Tを与え、おのおののR,ｎ_Tに対する評価関数を最小にするk,ｎ_N,ｎ_Dを最急降下法で求めた。Rの範囲は、0.09から5.0とし、ｎ_Tの範囲は0.9〜10.0とした。これにより求められたR,ｎ_Tに対するk,ｎ_N,ｎ_Dのシミュレーション結果を用いて最小２乗法による近似式を求めたものが式（７）〜（９）である。
【００３８】
実際の速度制御装置に適用する場合には、式（７）〜（９）で得られた値を元に良好な応答が得られるようにk,ｎ_N,ｎ_D,ζ_Nの値の調整を行う。なお本速度制御装置は、ｎ_D>ｎ_Tという条件の下で、R=0.1〜5、ｎ_T=0.9〜5.0の範囲で良好な応答が得られる速度制御装置である。
【００３９】
図２に示した速度制御装置２０はトルク制御ループ１２を構成する半導体電力変換器である。電動機１が直流電動機の場合は、半導体電力変換器はサイリスタレオナードを用い、交流電動機の場合にはサイクロコンバータを用いる。サイリスタレオナードの場合、電動機１の出力トルクは電機子電流の検出値に界磁を乗算した値とすることができる。
【００４０】
すなわち、図２に示した負荷トルク推定器２２の比例演算部２２ａの比例ゲインと積分演算部２２ｂの積分時間とを上記式に基づく値に選定することにより、速度調節器２１の出力からトルク制御ループ１２の出力までの伝達関数の応答を速くすることができ、その結果、電動機１の回転速度の応答速度をより速くするべく、速度調節器２１の積分演算部２１ａの積分時間と比例演算部２１ｂの比例ゲインとを上記式に基づく値に選定できて、電動機１と負荷３とを連結させる連結軸２の剛性が低い場合の軸ねじり振動の発生を抑制することができる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。 図３は、この発明の第２の実施例を示す電動機の速度制御装置のブロック線図である。図２に示したこの発明の第１の実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を伏している。
【００４２】
図３において、この速度制御装置３０は、速度調節器２１、負荷トルク推定器２２、加算演算器２３，トルク制御ループ１２の他に出力トルク演算器３１を備えている。速度調節器２１は、速度指令値と電動機１の回転速度検出値を入力とし、この速度調節器２１からの出力と負荷トルク推定器２２からのトルク指令値を加算器２３で加え合わせ、この加算量をトルク制御ループ１２に入力するとともに、出力トルク演算器３１へも入力し、前記トルク制御ループ１２からの出力トルクを電動機１に入力している。
【００４３】
この出力トルク演算器３１はトルク制御ループ１２の出力である電動機トルクの検出が困難である場合に用いられるものである。出力トルク演算器３１はトルク制御ループ１２を２次遅れ要素で近似することにより得られたモデル伝達関数Ｇ_Tを用いて出力トルクの値をシミュレートする。この伝達関数Ｇ_Tは、式（１１）で表される。
【００４４】
【数１１】
Ｇ_T＝ｎ_T ²ω_Z ²／（ｓ²＋２ζ_Tｎ_Tω_Zｓ＋ｎ_T ²ω_Z ²）．．．（１１）
ここで、ζ_Tはトルク系の減衰係数を示し、ｎ_Tω_Zはトルク制御ループの固有角周波数〔ｒａｄ／ｓｅｃ〕である。このトルク系のモデル伝達関数Ｇ_Tは、本発明の速度制御器を求める時に近似しているトルク制御ループの伝達関数と全く同一である。この速度制御装置３０はトルク制御ループ１２を構成する半導体電力変換器をサイクロコンバータとし、電動機１を交流電動機とした場合に好適な速度制御装置であって、このとき電動機１の出力トルクとして出力トルク演算器３１での前記式（１１）に基づく演算で得られた出力トルクのモデル値を、負荷トルク推定器２２に入力するようにしている。
【００４５】
ここで、電動機トルクの検出が困難な場合とは、例えば電動機のリアクタンスが小さく、外付けのリアクタンスがない場合のサイクロコンバータと同期電動機を組み合わせた場合が考えられる。サイクロコンバータは、入力電源をスイッチングして同期電動機への印加電圧を作るが、リアクタンスが小さいと同期電動機電流のリップル成分が大きくなる。その結果、電動機電流から求めた電動機トルクに大きなリップルが生じる。リップル成分の大きなトルク検出値を速度制御器に用いると、速度制御器の出力である電動機トルク指令値に大きなノイズが生じることになり、実用的でなくなってしまう。最悪の場合、サイクロコンバータに過電流が流れ、重故障になる可能性がある。この出力トルク演算器３１を用い、そして負荷トルク推定器２２の比例演算部２２ａの比例ゲインと積分演算部２２ｂの積分時間とを上記式に基づく値に選定することにより、速度調節器２２の出力からトルク制御ループ１２の出力までの伝達関数の応答を速くすることができ、その結果、電動機１の回転速度の応答速度をより速くするべく、速度調節器２１の積分演算部２１ａの積分時間と比例演算部２１ｂの比例ゲインとを上記式に基づく値に選定できて、電動機１と負荷３とを連結させる連結軸２の剛性が低い場合の軸ねじり振動の発生を抑制することができる。図４は、この発明の第３の実施例を示す電動機の速度制御装置のブロック線図であり、図２に示したこの発明の第１の実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。すなわち図４において、この速度制御装置４０には前述した第１の実施例回路における速度調節器２１に代わる速度調節器４１と、負荷トルク推定器２２と、加算演算器２３と、トルク制御ループ１２とを備えている。
【００４６】
実施例１で述べられている速度調節器２１はＩＰ調節器であるが、この速度調節器４１は、Ｐ調節器である。このような置き換えを行った場合でも、良好な結果が得られる。ただし、速度指令値をステップ状に変化させる設定値応答と、負荷外乱トルクをステップ状に変化させる外乱応答とで図８、９に示すように応答が異なる。これらの図は、後述する実験例の構成および条件でシミュレーションを行い求めた波形であり、図８は、１０％のステップ速度指令値に対する設定値応答、図９は１００％のステップ負荷外乱トルクに対する外乱応答である。図８、９のグラフ（ａ）、（ｃ）は電動機速度検出の時間変化を求めたもの、図８、９のグラフ（ｂ）、（ｄ）は電動機トルク指令の時間変化を求めたものである。図８に示す設定値応答では、ＩＰ調節器と負荷トルク推定器などの外乱オブザーバの組み合わせ結果のグラフ（ａ）、（ｂ）では、振動もオーバーシュートも全く生じないが、Ｐ調節器と外乱オブザーバの組み合わせ結果のグラフ（ｃ）、（ｄ）では、振動、オーバーシュート共に若干発生している。
【００４７】
一方、図９に示す外乱応答では、ＩＰ調節器と外乱オブザーバの組み合わせ結果のグラフ（ａ）、（ｂ）の方が、Ｐ調節器と外乱オブザーバの組み合わせ結果のグラフ（ｃ）、（ｄ）よりも速度検出値のオーバーシュートが大きい。この場合、両者とも振動は同程度生じている。
【００４８】
実際に本制御器を使うときには、これらの応答の違いに着目し、用途により望ましい応答の制御器を選択すればよい。例えば、圧延機圧下の位置合わせやＮＣ工作機械の位置合わせなど電動機速度指令の変化に対する電動機速度のオーバーシュートが望ましくない場合には、ＩＰ調節器と外乱オブザーバの組み合わせを用い、圧延機など外乱応答に対する電動機速度のオーバーシュートが望ましくない場合は、Ｐ調節器と外乱オブザーバの組み合わせを用いるとよい。
【００４９】
以上述べたように、この速度調節器４１の比例ゲインを、前述の速度調節器２１と同様に、上記式に基づく値に選定することにより、電動機１と負荷３とを連結させる連結軸２の剛性が低い場合の軸ねじり振動の発生を抑制することができる。図５は、この発明の第４の実施例を示す電動機の速度制御装置の回路構成図であり、図３に示したこの発明の第２の実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００５０】
すなわち図５において、この速度制御装置５０には前述の第２の実施例回路の速度調節器２１に代わる速度調節器４１と、負荷トルク推定器２２と、加算演算器２３と、トルク制御ループ１２と、出力トルク演算器３１とを備えている。この速度調節器４１の比例ゲインを、前述の速度調節器２１と同様に、上記式に基づく値に選定することにより、電動機１と負荷３とを連結させる連結軸２の剛性が低い場合の軸ねじり振動の発生を抑制することができる。
【００５１】
この発明によれば、直流電動機に給電するサイリスタコンバータ、交流電動機に給電するサイクロコンバータを備えるトルク制御ループでは、周知の如く、その応答速度は例えばＰＷＭインバータで給電される交流電動機におけるトルク制御ループにより遅くなり、その結果、上述の軸ねじり振動が発生する恐れがあるのに対して、この発明の電動機の速度制御装置では従来の速度制御装置に僅かな回路を付加することにより、軸ねじり振動の発生を抑制することができる。
【００５２】
（実験例） 実際に電動機、連結軸、負荷系に対して本発明の速度制御装置を適用した結果を以下に示す。直流電動機と、負荷が接続されている誘導電動機を剛性の低い軸でつなぎ電動機−機械系を構成した。直流電動機の慣性モーメントはGD²=0.92(kgm²)、定格出力は22ｋＷのものを用いた。誘導電動機は慣性モーメントGD²=0.35(kgm²)であり、定格出力は3.7ｋＷのものを用いた。軸のバネ定数は46（kgm/rad）である。直流電動機は、本制御器を組み込んだサイリスタレオナード装置で駆動し、誘導電動機を負荷としＰＷＭインバータで駆動した。実験機は、慣性比R=0.379、共振周波数13.5(Hz)、***振周波数11.5Hz電動機慣性J_M=0.35(s)であった。トルク系は、ζ_T=0.7, n_Tω_Z=118rad/s(n_T=1.63)である。
【００５３】
このような制御対象に対し、速度制御器はサンプリング5msのＩＰ調節器と外乱オブザーバで構成した。速度制御器のパラメータはk=1.11,n_D=3.49,ｎ_N=0.2,ζ_N=0.8として、双一次変換により離散化した。なお、k, n_D,ｎ_Nは、式（７）〜（９）を用いて求めた値k=1.48,n_D=5.55,ｎ_N=0.25を元にして優れた応答が得られるように調整したものである。
【００５４】
負荷としてステップ状のトルクを加えたときの外乱応答の実験結果を図７に示す。本制御器と従来のＩＰ調節器の応答で、電動機速度検出と電動機トルク指令の時間波形を計測した。従来のＩＰ調節器は本制御器から外乱オブザーバを削除したものである。結果は、従来のＩＰ調節器は、グラフ（ｂ）で示すように13.5Hzの持続振動が生じているのに対し、本制御器の場合にはグラフ（ａ）で示すように振動は全く生じていない。
【００５５】
同様に、慣性比Ｒ＝０．５３４、***振角周波数ω_Z＝１２４〔ｒａｄ／ｓｅｃ〕の電動機、連結軸、負荷系に対して、この発明の速度制御装置を適用した結果を図１０に示す。グラフ（ａ）はｎ_T＝2.8、ｎ_D＝3.3、ｋ＝1.01の時、グラフ（ｂ）はｎ_T＝1.5、ｎ_D＝2.5、ｋ＝1.09の時、グラフ（ｃ）はｎ_T＝1.0、ｎ_D＝2.5、ｋ＝1.26の時のシミュレーション結果である。これらの結果からも明らかなように上記同様に軸ねじり振動はまったく発生しなかった。
【００５６】
このように本発明の速度制御装置を使用することにより、トルク制御系の応答遅れがある場合でも軸ねじり振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明における電動機の速度制御装置の配置図。
【図２】この発明の第１の実施例を示す電動機の速度制御装置のブロック線図。
【図３】この発明の第２の実施例を示す電動機の速度制御装置のブロック線図。
【図４】この発明の第３の実施例を示す電動機の速度制御装置のブロック線図。
【図５】この発明の第４の実施例を示す電動機の速度制御装置のブロック線図。
【図６】従来例を示す電動機の速度制御装置の回路構成図。
【図７】本発明の実施例中において、本発明の速度制御装置と従来の速度制御装置のそれぞれを用いた場合の比較実験の結果を示すグラフ。
【図８】 ＩＰ調節器とＰ調節器それぞれを用いて行った設定値応答シミュレーションの結果を示すグラフ。
【図９】ＩＰ調節器とＰ調節器それぞれを用いて行った外乱応答シミュレーションの結果を示すグラフ。
【図１０】 本発明の別の実施例における実験結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１…電動機、２…連結軸、３…負荷、４…ＰＬＧ、１０…速度制御装置、１１…速度調節器、１２…トルク制御ループ、２０…速度制御装置、２１…速度調節器、２２…負荷トルク推定器、２３…加算演算器、３０…速度制御装置、３１…出力トルク演算器、４０…速度制御装置、４１…速度調節器、５０…速度制御装置

Claims (11)

1. 連結軸を介して負荷を駆動する電動機の回転速度を制御する速度制御装置において、
   外部から指令される速度指令値および回転速度の検出値が入力される速度調節器と、
   前記電動機のトルク指令値から該電動機の出力トルクのモデル値を演算する出力トルク演算器と、
   前記電動機の回転速度の検出値と前記出力トルクのモデル値とから該電動機の負荷トルク推定値を演算する負荷トルク推定器と、
   前記速度調節器の検出値と前記負荷トルク推定値とを加算演算した値のトルク指令値に基づいて、前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループと
   を備えたことを特徴とする電動機の速度制御装置。
2. 前記出力トルク演算器の伝達関数は、前記トルク制御ループを２次遅れ要素で近似したモデル伝達関数であることを特徴とする請求項１に記載の電動機の速度制御装置。
3. 連結軸を介して負荷を駆動する電動機の回転速度を制御する速度制御装置において、
   外部から指令される速度指令値と電動機の回転速度の検出値との偏差を積分時間を1/aω_Zとして積分演算し、この積分演算値から前記回転速度の検出値を減算演算し、この減算演算値を比例ゲインをbＪ_Mω_Zとして比例演算した値を出力する速度調節器と、
   前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループ、または前記電動機のトルク指令値から該電動機の出力トルクのモデル値を演算する出力トルク演算器、のいずれかの出力値を積分時間をｃJ_M/ｄとして積分演算し、この積分演算値から前記回転速度の検出値を減算演算し、この減算演算値を比例ゲインをｃJ_Mω_Zとして比例演算して該電動機の負荷トルク推定値を演算する負荷トルク推定器と、
   前記速度調節器の出力値と前記負荷トルク推定値とを加算演算した値のトルク指令値に基づいて前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループと、
   を備えたことを特徴とする電動機の速度制御装置。
   ここで、
   J_M：前記電動機の慣性モーメントに基づく時定数
   K_C：前記連結軸のバネ定数に基づく時定数
   Ｊ_L：前記負荷の慣性モーメントに基づく時定数
   ω_Z：前記K_CとＪ_Lに基づく***振角周波数
   ａ＝ｄｎ_N／（２ｄζ_N−ｎ_N）
   ｂ＝ｋｎ_N ²（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／aｄｎ_T ²
   ｃ＝ｋ（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／ｎ_T ²−ｂ
   ｄ＝（ｎ_D ²−ｎ_T ²）／２ζ_Tｎ_T
   k ：速度制御系のゲインに係わるパラメータ
   ζ_N：積分定数に係わるパラメータ
   ｎ_D：設定値応答の減衰特性に係わるパラメータ
   ｎ_N：高周波数領域の特性に係わるパラメータ
   ζ_T：トルク制御ループの減衰係数
   ｎ_T：***振角周波数ω_Zのトルク制御ループの固有角周波数に対する係数
4. 連結軸を介して負荷を駆動する電動機の回転速度を制御する速度制御装置において、
   外部から指令される速度指令値と電動機の回転速度の検出値との偏差を比例ゲインをbＪ_Mω_Zとして比例演算した値を出力する速度調節器と、
   前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループ、または前記電動機のトルク指令値から該電動機の出力トルクのモデル値を演算する出力トルク演算器、のいずれかの出力値を積分時間をｃJ_M/ｄとして積分演算し、この積分演算値から前記回転速度の検出値を減算演算し、この減算演算値を比例ゲインをｃJ_Mω_Zとして比例演算して該電動機の負荷トルク推定値を演算する負荷トルク推定器と、
   前記速度調節器の出力値と前記負荷トルク推定値とを加算演算した値のトルク指令値に基づいて前記電動機の出力トルクを制御するトルク制御ループと、
   を備えたことを特徴とする電動機の速度制御装置。
   ここで、
   J_M：前記電動機の慣性モーメントに基づく時定数
   K_C：前記連結軸のバネ定数に基づく時定数
   Ｊ_L：前記負荷の慣性モーメントに基づく時定数
   ω_Z：前記K_CとＪ_Lに基づく***振角周波数
   ｂ＝ｋｎ_N ²（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／aｄｎ_T ²
   ｃ＝ｋ（２ｄζ_Tｎ_T＋ｎ_T ²）／ｎ_T ²−ｂ
   ｄ＝（ｎ_D ²−ｎ_T ²）／２ζ_Tｎ_T
   k ：速度制御系のゲインに係わるパラメータ
   ζ_N：積分定数に係わるパラメータ
   ｎ_D：設定値応答の減衰特性に係わるパラメータ
   ｎ_N：高周波数領域の特性に係わるパラメータ
   ζ_T：トルク制御ループの減衰係数
   ｎ_T：***振角周波数ω_Zのトルク制御ループの固有角周波数に対する係数
5. 前記パラメータkの概算値は、
   k=α+βR+γR/n_T（α、β、γ：定数、R=Ｊ_L/Ｊ_M）
   の関数で表されることを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の電動機の速度制御装置。
6. 前記パラメータｎ_Dの概算値は、
   ｎ_D=δ+εR+ζ/n_T（δ、ε、ζ：定数、R=Ｊ_L/Ｊ_M）
   の関数で表されることを特徴とする請求項５に記載の電動機の速度制御装置。
7. 前記パラメータｎ_Nの概算値は、
   ｎ_N=η+θR+ι/n_T（η、θ、ι：定数、R=Ｊ_L/Ｊ_M）
   の関数で表されることを特徴とする請求項６に記載の電動機の速度制御装置。
8. 前記パラメータkの概算値は、
   k=1.09+0.754R−0.465R/n_T（R=Ｊ_L/Ｊ_M）
   で求められることを特徴とする請求項７に記載の電動機の速度制御装置。
9. 前記パラメータｎ_Dの概算値は、
   ｎ_D=−3.50+8.70R+9.23/n_T（R=Ｊ_L/Ｊ_M）
   で求められることを特徴とする請求項８に記載の電動機の速度制御装置。
10. 前記パラメータｎ_Nの概算値は、
    ｎ_N=0.299−0.0247R−0.0693/n_T（R=Ｊ_L/Ｊ_M）
    で求められることを特徴とする請求項９に記載の電動機の速度制御装置。
11. 前記パラメータζ_Nは、
    ζ_N=0.800
    程度とすることを特徴とする請求項１０に記載の電動機の速度制御装置。

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