(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器により駆動される交流電動機と、前記交流電動機の速度指令値と前記交流電動機の速度検出値との偏差を入力し、トルク電流指令値を出力する速度制御系と、前記トルク電流指令値と前記電力変換器の出力電流との偏差より前記交流電動機の電流を制御する電流制御系を有する交流電動機の速度制御装置において、
前記速度制御系は、速度制御応答を高くする内部制御定数と低くする内部制御定数の少なくとも２種類の内部制御定数を有し、
前記交流電動機の速度検出値を帰還する信号にノイズが侵入した場合、前記速度制御系に速度制御停止信号が入力されても、前記速度制御系を停止せず、前記速度制御応答を低くする内部制御定数に切り替え、前記速度制御系を継続実施し、前記電流制御系の内部状態を定常状態に維持することを特徴とする交流電動機の速度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベクトル制御を採用している交流電動機の速度制御装置に係わり、特に、交流電動機の停止状態時における交流電動機の制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電動機の駆動制御は、制御開始順序として、メジャーループの速度制御系が停止状態（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）でマイナーループである電流制御系を開始し、電流制御系の内部状態が定常状態になってから、メジャーループである速度制御を開始する。これは、電流制御系の内部状態が定常状態になる前に、速度制御系から電流制御系に電流指令が入ると、制御系全体の安定性が損なわれるという危険性があるためである。制御停止順序は、まず、メジャーループの速度制御系を停止後（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）、マイナーループの電流制御系を停止する。もしくは、メジャーループの速度制御系のみ停止状態（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）とする。
また、最近の交流電動機駆動システムは、圧延システムのニーズにより、速度制御系の制御応答向上がますます要求される。速度制御系の高応答が要求されればされるほど、速度制御系より急激な電流指令が出力されるため、速度制御系と電流制御系の開始・停止順序を前述のように実施しなければ、制御系全体の安定性が損なわれる、という前述の問題が顕著になる。具体例としては、電流（内部状態変数）のハンチングによる過電流故障があげられる。
一方、高精度・高応答を要求する交流電動機の速度・トルク制御には、ベクトル制御が採用されている。ベクトル制御は、交流電動機の回転周波数指令を交流電動機の速度（回転速度）とすべり周波数指令より作成している。このため、メジャーループの速度制御系が停止状態（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）で電流制御系のみを実施している時に、速度（回転速度）帰還量にノイズが侵入すると、回転周波数指令にもノイズが重畳され、交流電動機が予期せぬ回転をする、という問題が発生する。
以上より、速度制御系の高応答が必要な用途では、速度制御系と電流制御系の開始・停止順序を前述のように実施することが不可欠である。しかし、ベクトル制御を採用している交流電動機の制御では、速度制御系が停止状態で、速度（回転速度）帰還量にノイズが侵入すると、交流電動機が予期せぬ回転をする、という問題が回避できない。
これまでは、この問題を防止するため、交流電動機にブレーキを付けて、交流電動機が回転しないように対策している。
また、ブレーキを取り付けられない用途では、マイナーループの電流制御系まで停止状態とし、交流電動機が回転しないように対策している。この方法は、電流制御系の内部状態が停止状態から定常状態になるまで時間を要するため、交流電動機の起動遅れ等による圧延システム全体の性能を犠牲にする場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の方法では、ベクトル制御を採用している交流電動機の速度制御装置において、メジャーループの速度制御系が停止状態（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）で電流制御系のみ実施している時に、速度（回転速度）帰還量にノイズが侵入した場合、ブレーキによって本来停止している交流電動機の予期せぬ回転は防止できるが、当該交流電動機に全数ブレーキを取り付けなければならないため、その価格がアップし、また、マイナーループの電流制御系まで停止状態とした場合には、電流制御系の停止によって生ずる圧延システム全体の性能低下を改善しなければならない、という大きな課題を持っている。
【０００４】
本発明の課題は、ベクトル制御を採用している交流電動機の速度制御装置において、速度（回転速度）帰還信号にノイズが侵入しても、電流制御系の停止による制御系全体（圧延システム）の性能低下の防止を実施しながら、交流電動機の予期せぬ回転を防止し、また、ブレーキの取り付けによる価格のアップを回避することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、速度制御系は、速度制御応答を高くする内部制御定数と低くする内部制御定数の少なくとも２種類の内部制御定数を有し、交流電動機の速度検出値を帰還する信号にノイズが侵入した場合、速度制御系に速度制御停止信号が入力されても、速度制御系を停止（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）せず、速度制御応答を低くする内部制御定数に切り替え、速度制御系を継続実施し、電流制御系の内部状態を定常状態に維持する。
【０００６】
本発明は、速度（回転速度）帰還信号にノイズが侵入した場合、交流電動機の予期せぬ回転を防止するための速度制御系は、高い応答が必要ないというところに着目し、速度制御系の速度制御停止信号が入力されても、トルク電流指令Ｉｑ*＝０とせず、制御応答を低くした速度制御系を継続実施し、電流制御系の停止よる制御系全体（交流電動機の起動遅れ等による圧延システム）の性能低下の防止を実施しながら、ノイズ重畳による交流電動機の予期せぬ回転を防止・抑制する。
なお、従来は、速度制御停止信号により、速度制御系を停止状態（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）にしていた。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、ベクトル制御を採用した交流電動機の速度制御装置の構成図を示す。ベクトル制御とは、交流電動機(例えば、誘導電動機）を直流電動機の如く制御しようとするものであり、電動機電流をトルク電流成分と励磁電流成分に分けて制御するものである。これによって速度（回転数）制御、トルク制御などの電動機の制御性能を著しく向上させることができる。
以下、図１を用いて、主回路構成とベクトル制御構成を説明する。図１において、３相交流電源（Ｕ、Ｖ、Ｗ）１に接続されたコンバータ２には、平滑コンデンサ３が接続され、平滑コンデンサ３の両端電圧をインバータ４によって３相交流電圧に変換して交流電動機５に供給する。インバータ４の出力側には電流を検出する電流検出器６が設けられている。電流検出器６から出力される各相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが座標変換器１０に供給される。座標変換器１０は、入力された各相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを回転磁界座標系における励磁電流フィードバック信号Ｉｄとトルク電流フィードバック信号Ｉｑに変換する。座標変換器１０によるフィードバック信号ＩｄとＩｑの変換は、以下の（数式１）に従って行われる。
【数１】
0003716278.tif 000002
交流電動機５の速度ωrは、速度検出器７により検出され、減算器１２にフィードバックされる。この減算器１２には速度指令信号ωr*が供給され、速度指令信号ωr*と速度ωrの偏差信号が速度調節器１３に出力される。なお、１次角周波数指令ω1*と速度ωrの関係については後述する。また、*印の付与されている信号は、「指令信号」を意味する。
速度調節器１３は、速度指令信号ωr*に対する実測値の偏差を零にするためのトルク電流指令信号Ｉｑ*を求め、減算器１４に出力する。減算器１４には座標変換器１０からのトルク電流フィードバック信号Ｉｑが供給され、トルク電流指令信号Ｉｑ*とトルク電流フィードバック信号Ｉｑの偏差信号が求められてトルク電流調節器１５に出力される。
一方、減算器１４Ａには、励磁電流設定器１１からの励磁電流指令信号Ｉｄ*と座標変換器１０からの励磁電流フィードバック信号Ｉｄが供給され、その偏差を励磁電流調節器１５Ａに出力する。励磁電流調節器１５Ａ、トルク電流調節器１５は、それぞれ減算器１４Ａ、１４からの偏差信号に従って回転磁界座標系における電圧指令信号Ｖｄ*、Ｖｑ*を生成し、座標変換器９に出力する。
座標変換器９は、電圧指令信号Ｖｄ*、Ｖｑ*を交流電動機５の固定子座標系における３相交流出力電圧指令信号Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*に変換し、ＰＷＭパルス演算器１６へ出力する。ＰＷＭパルス演算器１６は、これら３相交流出力電圧指令を搬送波信号と比較してパルス幅変調信号に変換する。このパルス幅変調信号を図示していないパルス増幅器を介して点弧信号とし、インバータ４をスイッチング制御してコンデンサ３の両端の直流電圧が３相の交流電圧に変換される。
なお、三相交流電圧指令信号Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の変換は、以下の（数式２）に従って行われる。
【数２】
0003716278.tif 000003
すべり周波数演算器８は、励磁電流指令信号Ｉｄ*とトルク電流指令信号Ｉｑ*よりすべり周波数ωsを求めて加算器１８に出力する（ωs＝Ｉｑ*／Ｉｄ*×Ｋ1）。加算器１８は、すべり周波数演算器８からの出力であるすべり周波数ωsと速度検出器７からの出力である速度ωrより１次角周波数指令信号ω1*を求めて正弦波発信器１７に出力する。正弦波発信器１７は、加算器１８からの出力信号である１次角周波数指令信号ω1*が入力され、正弦波信号（ＳＩＮω1*ｔ）と余弦波信号（ＣＯＳω1*ｔ）を出力する。座標変換器１０及び９の変換には、正弦波発信器１７からの出力である正弦波信号（ＳＩＮω1*ｔ）と余弦波信号（ＣＯＳω1*ｔ）が与えられる。
【０００８】
ところで、交流電動機の制御開始順序は、速度調節器１３が停止状態（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）でマイナーループであるトルク電流調節器１５、励磁電流調節器１５Ａを実施し、トルク電流調節器１５、励磁電流調節器１５Ａの内部状態が定常状態になってから、メジャーループである速度調節器１３を実施する。これは、トルク電流調節器１５、励磁電流調節器１５Ａの内部状態が定常状態になる前に、速度調節器１３の出力であるトルク電流指令Ｉｑ*がトルク電流調節器１５に供給されると、座標変換器９の出力が正しく演算されない。このため、座標変換器９及び１０による座標変換が正しく実施されず、制御系全体の安定性が損なわれる、という危険性があるためである。
制御停止順序は、まず、メジャーループの速度調節器１３を停止後（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）、マイナーループのトルク電流調節器１５、励磁電流調節器１５Ａを停止する。もしくは、メジャーループの速度調節器１３のみ停止状態（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）とする。ただし、マイナーループのトルク電流調節器１５、励磁電流調節器１５Ａのみを実施する場合も、正弦波発信器１７と座標変換９、１０の演算は、実施しなければいけない。
正弦波発信器１７に与える１次角周波数指令信号ω1*は、速度検出器７の出力である速度ωrとすべり角周波数ωsの加算で求める（ω1*＝ωr＋ωs）。通常、速度調節器１３を停止（トルク電流指令Ｉｑ*＝０）させる時は、速度ωr＝０、すべり角周波数ωs＝０で、１次角周波数指令信号ω1*＝０となる。しかし、速度検出器７により検出される速度ωrにノイズΔωrが重畳されると、１次角周波数指令信号ω1*は、速度ωr＝０、すべり角周波数ωs＝０よりω1*＝Δωrとなる。この１次角周波数指令信号ω1*により、本来停止している交流電動機が予期せぬ回転をする。
【０００９】
ここで、図４に、従来の速度調節器１３の機能をフローチャートにより示す。まず、速度制御状態指令を判定し、”速度制御状態＝制御実施”の時は、速度調節器を実施する。また、”速度制御状態＝制御停止”の時は、速度調節器を停止し、トルク電流指令Ｉｑ*＝０とする。
【００１０】
本発明による交流電動機の速度制御装置は、このノイズ重畳による上記不具合現象を対策する速度調節器１３を備えたところにある。
図２は、本発明の一実施形態による速度調節器を示す。図２において、減算器１２には速度指令信号ωr*と速度ωrが供給され、その偏差信号が速度調節器１３に出力される。速度定数切り替え器２０には、速度制御状態指令が入力され、速度制御状態指令が制御実施の時は、第１速度制御定数を選択する。また、速度制御状態指令が制御停止の時は、第２速度制御定数を選択する。速度定数切り替え器２０は、選択した第１速度制御定数または第２速度制御定数を第１制御調節器１３１に出力する。第１速度制御定数には、通常圧延システムに必要な高い制御応答を有する定数を設定する。また、第２速度制御定数には、ノイズによる予期せぬ回転の防止・抑制に必要な低い制御応答を有する定数を設定する。この速度制御定数の特徴は、第２速度制御定数は第１速度制御定数より速度応答が低い（ゲインを小さくする）ことである。
【００１１】
図５に、本実施形態の速度調節器１３の機能をフローチャートにより示す。まず、速度制御状態指令を判定し、”速度制御状態＝制御実施”の時は、第１速度制御定数を選択し、速度調節器を実施する。また、”速度制御状態＝制御停止”の時は、第２速度制御定数を選択し、速度調節器を実施する。
本実施形態では、以上のような速度制御構成とするため、速度検出器７により検出される速度ωrにノイズΔωrが重畳されても、第２速度制御定数を用いた第１速度調節器１３１の速度応答が低いため、ノイズ重畳による交流電動機の予期せぬ回転を防止・抑制する。
すなわち、本実施形態によれば、速度制御系の制御停止信号が入力されても、トルク電流指令Ｉｑ*＝０とせず、制御応答を低くした速度制御系を継続実施し、電流制御系の内部状態が定常状態に維持するので、電流制御系の停止よる制御系全体（圧延システム）の性能低下の防止を実施しながら、ノイズ重畳による交流電動機の予期せぬ回転を防止・抑制することができる。
【００１２】
図３は、本発明の他の実施形態による速度調節器を示す。図３おいて、減算器１２には速度指令信号ωr*と速度ωrが供給され、その偏差信号が速度調節器切り替え器２１に出力される。速度調節器切り替え器２１には速度制御状態指令が入力され、速度制御状態指令が制御実施の時は、第１速度調節器１３１を選択する。また、速度制御状態指令が制御停止の時は、第２速度調節器１３２を選択する。速度調節器切り替え器２１は、減算器１２からの出力を第１速度調節器１３１または第２速度調節器１３２に出力する。第１速度調節器１３１には、通常圧延システムに必要な制御応答を設定する。また、第２速度調節器１３２には、ノイズによる予期せぬ回転の防止・抑制に必要な制御応答を設定する。この速度調節器の特徴は、第２速度調節器１３２は第１速度調節器１３１より速度応答が低いことである。
【００１３】
図６に、本実施形態の速度調節器１３の機能をフローチャートにより示す。まず、速度制御状態指令を判定し、”速度制御状態＝制御実施”の時は、第１速度調節器を実施する。また、”速度制御状態＝制御停止”の時は、第２速度調節器を実施する。
本実施形態では、以上のような速度制御構成とするため、速度検出器７により検出される速度ωrにノイズΔωrが重畳されても、第２速度調節器１３２の速度応答が低いため、ノイズ重畳による交流電動機の予期せぬ回転を防止・抑制する。
本実施形態においても、図３の実施形態と同様に、電流制御系の停止よる制御系全体（圧延システム）の性能低下の防止を実施しながら、ノイズ重畳による交流電動機の予期せぬ回転を防止・抑制することができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ベクトル制御を採用している交流電動機の速度制御装置において、速度（回転速度）帰還信号にノイズが侵入しても、制御応答を低くした速度制御系を継続実施し、電流制御系の内部状態が定常状態に維持するので、電流制御系の停止よる制御系全体（圧延システム）の性能低下の防止を実施しながら、ノイズ重畳による交流電動機の予期せぬ回転を防止・抑制することができる。
また、ノイズ重畳による交流電動機の予期せぬ回転を防止・抑制するため、ブレーキの取り付けによる価格アップを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のベクトル制御を採用した交流電動機の速度制御装置の構成図
【図２】本発明の一実施形態による速度調節器の構成図
【図３】本発明の他の実施形態による速度調節器の構成図
【図４】従来の速度調節器の機能を示すフローチャート
【図５】本発明の一実施形態による速度調節器の機能を示すフローチャート
【図６】本発明の他の実施形態による速度調節器の機能を示すフローチャート
【符号の説明】
１…電源、２…コンバータ、３…平滑コンデンサ、４…インバータ、５…交流電動機、６…電流検出器、７…速度検出器、８…すべり周波数演算器、９、１０…座標変換器、１１…励磁電流設定器、１２，１４Ａ、１４…減算器、１３…速度調節器、１５…トルク電流調節器、１５Ａ…励磁電流調節器、１６…ＰＷＭ演算器、１７…正弦波発信器、１８…加算器、２０…速度制御定数切り替え器、２１…速度調節器切り替え器、１３１…第１速度調節器、１３２…第２速度調節器
【図１】
0003716278.tif 000004
【図２】
0003716278.tif 000005
【図３】
0003716278.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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