JPH04303371A - トルク制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウェブやストリップの
巻き取り機や巻き出し機、あるいは、ＶＴＲ装置のリー
ルモータ駆動装置や、さらに多点駆動の負荷分担装置に
おいて、弾性が介在する２点間の駆動のうちの、一点の
トルク制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トルク駆動系、例えば、ウェブ巻き取り
機の駆動系は、簡略化して示すと、図４に示すように、
駆動源１４から送りこまれるウェブ１の巻き取りロール
２と、この巻き取りロール２を駆動するモータのような
トルク発生手段３と、設定器４とを備えている。

【０００３】この巻き取り機では、駆動源１４とトルク
発生手段３との間にウェブの弾性が介在したかたちでト
ルク発生手段３が、設定器４の設定に基づいた値のトル
クで巻き取りロール２を回転駆動する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な巻き取り機では、設定器から出力される設定信号を急
激に変化させるような場合には、これに伴い、駆動源１
４を介して送り込み側のウェブ１の移送速度も急に変化
するため、これがウェブに振動を与える原因となる。こ
のようなウェブの振動を抑えるには、その振動が減衰す
るのを待つ以外になく、その間、このような駆動系は、
一旦構造が決まると、外部からの操作で、振動の抑制と
、応答性の向上とを一挙に達成することは事実上不可能
で、常に一方が犠牲になる。このことをさらに詳しく説
明すれば次のとおりである。

【０００５】従来の駆動系の動作を、ラプラス変換演算
子ｓを用いて、ブロック図で表すと図５のようになる。 なお、ウェブの移送速度は遅く、駆動源１４とトルク発
生手段３との距離が長く、かつ、ウェブの弾性が小さく
、巻き取り機の駆動源のバックラッシュが小さいことを
前提条件としている。ここで、τ０は設定器４からトル
ク発生手段３に与えられる設定値、τはトルク発生手段
３からの出力である発生トルク、ｋ１はトルク発生手段
３での変換係数である。また、τｎは、負荷側の抵抗で
ある負荷トルク、τｐは巻き取りロール２に実際に生じ
る加速トルク、Ｊは巻き取りロール２等の被駆動体全体
の慣性モーメント、ｋ２は角加速度から角速度ｖへの変
換係数である。

【０００６】言うまでもなく、ラプラス変換演算子ｓの
逆数（１／ｓ）は積分を表し、ｓの乗算は微分を表して
いる。さらに、ｋ２１はロール径や駆動系の結合比によ
り決まる変換係数で、ｖ０は巻き取りロール２の周速度
である。この周速度ｖ０には、送り込み側での駆動源１
４で移送されるウェブ１の移送速度ｖ１が外乱として加
わる。θは速度差（ｖ０−ｖ１）を積分して得られる変
動量、ｋ３はウェブ１の弾性係数で、この弾性係数ｋ３
と変動量θとから張力Ｆが得られる。前記Ｋ３の弾性係
数は、必要に応じて装置における機械の剛性やテンショ
ナの弾性を含めることがある。また、τＬはロストルク
、β（ｖ）はロストルクの伝達関数で、ロストルクτＬ
が角速度ｖに依存することを表している。τＦは張力Ｆ
が巻き取りロールの径やこのロールを駆動する系の結合
比で決定されるゲインαの反作用トルクであり、この反
作用トルクτＦとロストルクτＬとを加えたものが、前
記の負荷トルクτｎになる。

【０００７】次に、図５の中で点線で囲まれた（Ａ）の
部分を等価変換すると、図６のようなブロック図となり
、さらに、図６の（Ｂ）の部分を等価変換すると、図７
のように簡略化される。

【０００８】この図７から、周速度ｖ０について〔数１
〕が得られ、また、張力Ｆについて〔数２〕が得られ、
両式から周速度ｖ０を消去すると、張力Ｆについて総合
伝達関数である〔数３〕が得られる。すなわち、

【００
０９】

【数１】

【００１０】

【数２】

【００１１】

【数３】

【００１２】この〔数３〕を見ると、張力Ｆは、発生ト
ルクτに対する応答と、移送速度ｖ１に対する応答とが
重なり合ったものであることが分かる。また、発生トル
クτの項と、移送速度ｖ１の項との各分母は、ラプラス
変換演算子ｓの２次式になっており、これは、２次遅れ
要素の伝達関数である。

【００１３】一般に、２次遅れの伝達関数Ｇ（ｓ）は、
次のような〔数４〕に表される。

【００１４】

【数４】

【００１５】この伝達関数において、時定数Ｔと、ダン
ピングファクタζとは、 　　Ｔ＝（Ｊ０／ＫＳ）１／２　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　……〔数５〕　　ζ＝ＫＤ／｛２（ＫＳＪ０）１／
２｝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　……〔数６〕であり、時定数Ｔの値を小さ
くすれば、応答が早くなり、また、ダンピングファクタ
ζが、ζ＜１であれば、振動が発生し、ζ＞１であれば
、振動は発生しない。したがって、振動を発生させずに
応答性を高めるには、Ｔを充分に小さい値とし、ζを１
より大きい値にすればよい。そこで、〔数５〕および〔
数６〕の各係数に〔数３〕での係数を当てはめると、 　　Ｔ＝（Ｊ／ｋ２ｋ３ｋ２１α）１／２　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
…〔数７〕　　ζ＝β（ｖ）ｋ２／｛２（ｋ２ｋ３ｋ２
１αＪ）１／２｝　　　　　　　　　　　　　……〔数
８〕になる。

【００１６】ところが、〔数７〕〔数８〕に含まれるｋ
２，ｋ２１，ｋ３，α，Ｊ，β（ｖ）は、いずれも駆動
系の構造や状態で決まるものであり、稼働時に任意に調
整しうるものではない。したがって、一旦、構造が決ま
ると、時定数Ｔやダンピングファクタζを制御すること
ができない。

【００１７】本発明は、上記のような考察に基づいてな
されたものであって、伝達関数の時定数およびダンピン
グファクタに調整可能な要素が含まれるようにすること
によって、時定数およびダンピングファクタの制御を可
能にし、応答性を高めるとともに、振動の発生を有効に
抑制できるようにするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するために、弾性が介在する２点間の１点は駆動源１
４で駆動され、他点は設定器４の設定に基づいたトルク
発生手段３で駆動または制動するトルク制御装置であっ
て、第１速度検出手段５と、第２速度検出手段６と、比
較回路９と、第１演算器１０と第２演算器１１とからな
る演算器１２と、帰還演算回路１３とを備え、第１速度
検出手段５は、トルク発生手段３の出力系の速度を検出
し、第２速度検出手段６は、駆動源１４の出力系の速度
を検出し、比較回路９は、第１速度検出手段５の検出信
号と第２速度検出手段６の検出信号とにそれぞれ所要の
ゲインを掛け合わせて比較し、第１演算器１０は、比較
回路（９）の比較出力に所要のゲインを掛け合わせ、第
２演算器１１は、比較回路９の比較出力を微分演算し、
帰還演算回路１３は、設定器４からトルク発生手段３に
与えられる設定信号に演算器１２の演算出力または演算
器１２の第１演算器１０の演算出力を帰還させる構成と
した。

【００１９】

【作用】上記の構成における総合伝達関数では、張力Ｆ
は、従来と同様に、トルク発生手段３の発生トルクに対
する応答と、ウェブ等の弾性材の移送速度に対する応答
とが重なり合ったものとなるが、各応答に現れる２次遅
れ要素の時定数Ｔおよびダンピングファクタζには、演
算器１２を構成する第１演算器１０の係数や、第２演算
器１１の係数が含まれることになる。これらの係数を調
整することにより、時定数およびダンピングファクタも
しくはダンピングファクタを制御することができる。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係るトルク制御装
置を備えたウェブ巻き取り機の構成図であり、図２およ
び図３は、その制御動作をラプラス変換演算子を用いて
示したブロック図である。

【００２１】図１において、１はウェブ、２はその巻き
取りロール、３は巻き取りロール２を駆動するモータの
ようなトルク発生手段、４は設定器である。そして、こ
の実施例のトルク制御装置は、第１速度検出手段５と、
第２速度検出手段６と、加え合わせ用第１演算器７と、
加え合わせ用第２演算器８と、比較回路９と、第１演算
器１０と第２演算器１１とからなる演算器１２と、帰還
演算回路１３と、駆動源１４とを備えている。

【００２２】上記の第１速度検出手段５は、トルク発生
手段３の出力側に設けられて、その出力部の速度を検出
するものであり、トルク発生手段３の角速度、あるいは
図１の破線で示すように、センサーで巻き取りロール２
の周速度を検出する。第２速度検出手段６は、駆動源１
４の出力側に設けられるもので、ウェブ１の送り込み速
度を検出する。そして、第１速度検出手段５の検出信号
と、第２速度検出手段６の検出信号とは、それぞれ所要
の加え合わせ用ゲインｋ４，ｋ５が掛け合わされて比較
される。すなわち、第１速度検出手段５の検出信号には
、加え合わせ用第１演算器７で、所要の加え合わせ用ゲ
インｋ４が掛け合わされて、比較回路９に入力する。ま
た、第２速度検出手段６の検出信号には、加え合わせ用
第２速度演算器８で所要の加え合わせゲインｋ５が掛け
合わされて、加え合わせ用第２比較回路９に入力する。 比較回路９では、加え合わせ用第１演算器７の出力から
加え合わせ用第２演算器８の出力が減算される。

【００２３】そして、比較回路９からの比較出力は、第
１演算器１０と第２演算器１１とからなる演算器１２に
入力される。前記演算器１２を構成する第１演算器１０
は、比較回路９の比較出力に所要のゲインｋ６を掛け合
わせるものであり、そのゲインｋ６は調整可能である。 また、第２演算器１１は、比較回路９の比較出力を微分
し、ゲインｋ７を掛け合わせるものであり、この係数ｋ
７も調整可能である。そして演算器１２からの演算出力
は、帰還演算回路１３に入力する。

【００２４】この帰還演算回路１３は、トルク発生手段
３の前段にあって、設定器４からトルク発生手段３に与
えられる設定信号に演算器１２からの演算出力を帰還さ
せるものである。なお、前記設定器４は外部からの信号
を入力することもできる。

【００２５】上記構成の制御動作を、ラプラス変換演算
子を用いてブロック図に示すと、図２のようになる。こ
の図は、第１速度検出手段５でトルク発生手段３の角速
度を検出した場合を示し、巻き取りロール２の周速度を
検出すれば、加え合わせ用第１演算器７の入力は破線で
示したようになる。また、この図において、前記した図
５での要素、信号に対応するものには同一の符号を用い
ているので、詳細な説明は省略する。図５の記載と異な
る点は、角速度ｖまたは、周速度ｖ。にはゲインｋ４が
掛け合わされ、送り込み側の駆動源１４で移送されるウ
ェブの移送速度ｖ１にはゲインｋ５が掛け合わされて、
両者が比較され、その比較出力の一方に係数ｋ７が掛け
合わされて、トルク発生手段３の入力側に帰還すること
である。

【００２６】図２のブロック図は、ブロック図の変換に
際して加え合わせゲインであるｋ４，ｋ５が消去される
ようにｋ４，ｋ５を選択することにより図３のように書
き直すことができ、この図から総合伝達関数は、〔数９
〕のようになる。

【００２７】

【数９】

【００２８】この〔数９〕において、τについてもｖ１
についても、分母項は同一で、ｓの２次式となるから、
２次遅れ要素の伝達関数となっており、その時定数Ｔと
、ダンピングファクタζは、それぞれ〔数１０〕，〔数
１１〕となる。

【００２９】

【数１０】

【００３０】

【数１１】

【００３１】これら〔数１０〕，〔数１１〕から分かる
ように、時定数Ｔおよびダンピングファクタζには、い
ずれも調整可能な係数ｋ６，ｋ７が含まれているから、
これらの係数ｋ６，ｋ７を適宜設定することにより、振
動が発生しない状態で、応答性を高めることができる。

【００３２】ただし、トルク発生手段３において、その
時間的特性を決定づける周波数特性が実施例において無
視できない場合には、トルク発生手段３の周波数特性を
リニヤライズするイコライザ回路を演算器１２の演算出
力とトルク発生手段３の入力との間に挿入すればよい。 このことにより、実用上、トルク発生手段３は単なる比
例のゲイン要素とみなすことができる。

【００３３】また、ゲインＢ（Ｖ）が角速度のパラメー
タとなっているような巻き取り機において、ｋ２１、α
、Ｊは時間経過とともに変化していくので、巻き取り開
始から終了までの間にｋ２１、α、Ｊの変化を無視でき
ない場合には、これらのゲインを何等かのパラメータで
適宜変化させることが望ましい。

【００３４】この場合、ロール径で決まる変換係数ｋ２
１、慣性モーメントＪ、張力Ｆから反作用トルクγＦの
ゲインαはすべてロール径のパラメータであり、係数ｋ
４，ｋ５もロール径の変化を考慮して変更がなされる。 ここでロール径をＤとすると、係数ｋ４，ｋ５の変更と
共に係数ｋ６，ｋ７も変更がなされる。この変更にあた
って、パラメータＤ，Ｖの関数をｋ６（Ｄ），ｋ７（Ｄ
，Ｖ）として、所要の応答を得るような時定数Ｔやダン
ピングファクタζとなるように係数ｋ６，ｋ７を数１０
，数１１から計算で逐次決定してもよいし、予め計算を
行い、その計算結果を配列化して記憶しておくこともで
きる。

【００３５】なお、計算を行う代わりに、関数ｋ６（Ｄ
…），ｋ７（Ｄ，Ｖ…）を多次元的に配列化して種々の
パラメータでもって所要の応答を得るような現物調整で
係数ｋ６，ｋ７を決定し、調整を行った状態のパラメー
タでｋ６（Ｄ…），ｋ７（Ｄ，Ｖ…）として記憶してお
く。 そして、調整動作を制御におけるパラメータの取りえる
範囲内でもって繰り返し現物調整を行うことによっても
可能である。

【００３６】現物調整を行う方法は、配列要素のすべて
について行う必要はなく、隣り合う配列要素を計算でな
めらかに補間できる程度に実施すればよい。

【００３７】つぎに、２点駆動間に介在するウェブ等の
弾性係数Ｋ３が単なる比例ゲインとして扱えない著しく
非線形な系の場合の説明をすれば、変形量θに対する作
用力である張力Ｆの関係をＦ＝ｋ３（θ）・θとして調
査するか、または、張力Ｆと弾性係数ｋ３との関数をＦ
＝ｋ３（θ）・θとして調査しておけば、変形量θまた
は張力Ｆを図示していない張力検出器等で得ることによ
り、逐次弾性係数ｋ３が正確に得られ〔数１０〕，〔数
１１〕から計算で逐次ｋ６，ｋ７を決定することができ
る。更に、変形量θまたは張力Ｆを一つのパラメータと
して上記のように現物調整でもって行うこともできる。

【００３８】上記においてロール径を求める方法として
は、本実施例に図示していないが、直接測定するタッチ
センサ等で求めることができる。

【００３９】なお、上記の実施例では、本発明をウェブ
巻き取り機に適用したが、各加え合わせ点の極性に注意
すれば、ウェブの巻き出し機にも利用することができ、
さらに、巻き出し、巻き取りを問わず張力手段を付加し
て張力帰還をかける方法にも実施することができる。

【００４０】その他、ストリップの巻き出し、巻き取り
装置、ＶＴＲのリールモータの駆動および多点駆動の付
加分担装置等にも実施しうる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、第１演算器および第２
演算器の係数を適宜調整することにより、伝達関数の時
定数およびダンピングファクタを制御することができ、
既に構造が定まったトルク駆動系であっても、ウェブ等
の弾性材に振動を発生させることなく、応答性を高める
ことができ、安定したトルク制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るトルク制御装置を含む
ウェブ巻き取り機の構成図である。

【図２】上記実施例の動作を示すブロック図である。

【図３】図２のブロック線図を簡略化したブロック図で
ある。

【図４】従来のウェッブ巻き取り機の構成図である。

【図５】上記従来例の動作を示すブロック図である。

【図６】従来例の等価変換したブロック図である。

【図７】従来例の簡略化したブロック図である。

【符号の説明】

１　　　　ウェブ ２　　　　巻き取りロール ３　　　　トルク発生手段 ４　　　　設定器 ５　　　　第１速度検出手段 ６　　　　第２速度検出手段 ９　　　　比較回路 １０　　第１演算器 １１　　第２演算器 １２　　演算器 １３　　帰還演算回路 １４　　駆動源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　弾性が介在する２点間の１点は駆動源
   （１４）で駆動され、他点は設定器（４）の設定に基づ
   いたトルク発生手段（３）で駆動または制動するトルク
   制御装置であって、第１速度検出手段（５）と、第２速
   度検出手段（６）と、比較回路（９）と、第１演算器（
   １０）と第２演算器（１１）とからなる演算器（１２）
   と、帰還演算回路（１３）とを備え、第１速度検出手段
   （５）は、トルク発生手段（３）の出力系の速度を検出
   し、第２速度検出手段（６）は、駆動源（１４）の出力
   系の速度を検出し、比較回路（９）は、第１速度検出手
   段（５）の検出信号と第２速度検出手段（６）の検出信
   号とにそれぞれ所要のゲインを掛け合わせて比較し、第
   １演算器（１０）は、前記比較回路（９）の比較出力に
   所要のゲインを掛け合わせ、第２演算器（１１）は、前
   記比較回路（９）の比較出力を微分演算し、帰還演算回
   路（１３）は、設定器（４）からトルク発生手段（３）
   に与えられる設定信号に演算器（１２）の演算出力また
   は演算器（１２）の第１演算器（１０）の演算出力を帰
   還させる、ことを特徴とするトルク制御装置。