(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性の大きい機械系を駆動する電動機の速度検出値を速度指令値に一致させるように閉ループ制御する電動機の速度制御装置において、
前記速度指令値と速度検出値との偏差を零にするように動作するＰＩ調節手段と、
電動機のトルク相当値と前記速度検出値とに基づいて電動機のトルクを推定するトルク推定手段と、
前記ＰＩ調節手段の出力と、前記トルク推定手段から出力されるトルク推定値を定数倍した値とを加算する加算手段と、
を備え、前記加算手段の出力を電動機のトルク指令値とすると共に、前記トルク推定手段の時定数を小さくし、この時定数及びトルク推定手段のゲイン並びに速度制御系のサンプリング時間により定まる前記トルク推定手段のパラメータを大きくし、前記サンプリング時間を前記トルク推定手段のゲインにより除したトルク推定値の遅れ時間を小さくすることにより、この遅れ時間の逆数より小さい周波数領域にわたって前記ＰＩ調節手段の出力から見た機械系の慣性モーメントを見かけ上、小さくすることを特徴とする電動機の速度制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の電動機の速度制御装置において、
見かけ上、小さくなった機械系の慣性モーメントに対して、前記ＰＩ調節手段の出力から電動機の速度検出値までのゲイン特性に基づいて前記ＰＩ調節手段の積分時間及び比例ゲインを調整することを特徴とする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、電動機トルクに比べて慣性が非常に大きい機械系を駆動する電動機の速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大慣性系に対する電動機の速度制御方法としては、主に次の二つが用いられている。
（１）第１の方法は、電動機の速度指令値と速度検出値との偏差を入力とするＰＩ調節器の出力をトルク指令値とする速度制御方法であり、図４にそのブロック図を示す。
図４において、１は伝達関数がＫｐ（１＋１／Ｔｉｓ）で示されるＰＩ調節器、２は１／Ｊｓで示される電動機・機械系、３は電動機の速度指令値と速度検出値との偏差を求める加算器である。なお、Ｋｐは比例ゲイン、Ｔｉは積分時間、Ｊは電動機と機械系の慣性モーメントの和、ｓはラプラス演算子である。
【０００３】
（２）第２の方法は、電動機の速度指令値と速度検出値との偏差を入力とするＰＩ調節器の出力と、電動機の速度指令値を入力とするＤ調節器（不完全微分器）の出力との和をトルク指令値とする速度制御方法であり、図５にそのブロック図を示す。
すなわち、図５に示すように、図４の構成に対して伝達関数がＪＤｓ／（１＋σＤｓ）で表される不完全微分器４と、その出力をトルク指令値に加算する加算器５とが追加されている。
なお、ＪＤは時定数、σＤは遅れ時間である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
機械系の慣性が非常に大きく、電動機を定格トルクで運転して所定速度にまで到達するまでの時間に換算した慣性モーメントＪが１０秒程度以上である場合、従来の第１の制御方法では、電動機駆動装置のトルク制御系の制約からＰＩ調節器１の比例ゲインＫｐを５０〜１００倍程度までしか大きくできないため、速度制御応答は非常に悪くなる。
通常、直流電動機の速度制御応答はオープンループのカットオフ周波数ωｃ＝Ｋｐ／Ｊ〜２０〔ｒａｄ／ｓ〕、交流電動機では２０〜１００〔ｒａｄ／ｓ〕であるのに対し、例えば機械系の慣性がＪ＝２０秒と非常に大きい場合には、Ｋｐ＝５０倍としてもωｃ＝２．５〔ｒａｄ／ｓ〕と非常に悪くなってしまう。
また、従来の第２の制御方法では、速度指令値に対する応答性は向上するが、外乱による速度変動に対する応答性は第１の従来技術と何ら変わりはない。
【０００５】
そこで本発明は、これらの従来技術が有する問題点を解決し、高速応答が可能な電動機の速度制御装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、慣性の大きい機械系を駆動する電動機の速度検出値を速度指令値に一致させるように閉ループ制御する電動機の速度制御装置において、前記速度指令値と速度検出値との偏差を零にするように動作するＰＩ調節手段と、電動機のトルク相当値と前記速度検出値とに基づいて電動機のトルクを推定するトルク推定手段と、前記ＰＩ調節手段の出力と、前記トルク推定手段から出力されるトルク推定値を定数倍した値とを加算する加算手段と、を備え、前記加算手段の出力を電動機のトルク指令値とすると共に、前記トルク推定手段の時定数を小さくし、この時定数及びトルク推定手段のゲイン並びに速度制御系のサンプリング時間により定まる前記トルク推定手段のパラメータを大きくし、前記サンプリング時間を前記トルク推定手段のゲインにより除したトルク推定値の遅れ時間を小さくすることにより、この遅れ時間の逆数より小さい周波数領域にわたって前記ＰＩ調節手段の出力から見た機械系の慣性モーメントを見かけ上、小さくするものである。
ここで、上述した電動機のトルク相当値は、交流電動機ではトルク指令値、直流電動機ではトルク検出値とすることができる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動機の速度制御装置において、見かけ上、小さくなった機械系の慣性モーメントに対して、前記ＰＩ調節手段の出力から電動機の速度検出値までのゲイン特性に基づいて前記ＰＩ調節手段の積分時間及び比例ゲインを調整するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１はこの実施形態を示す速度制御系のブロック図であり、図４、図５と同一の構成要素には同一番号を付してある。この実施形態は、大慣性機械系を交流電動機により駆動する場合のものである。
【０００９】
図１において、電動機の速度指令値と速度検出値との偏差が加算器３により求められる。
上記偏差を入力とするＰＩ調節器１の出力と、電動機のトルク指令値と速度検出値とを入力とするトルク推定器６の出力との和をトルク指令値とする速度制御系が、閉ループで構成されている。
【００１０】
トルク推定器６は、伝達関数１／Ｊｐｓを経た速度推定値と速度検出値との偏差を加算器７により求め、パラメータＬを介して出力されるトルク推定値を定数倍器９によりＫ倍して加算器５に入力する。
また、加算器５から出力されるトルク指令値と前記トルク推定値との偏差が加算器８により算出され、この偏差が伝達関数１／Ｊｐｓに入力される。
ここで、Ｊｐはトルク推定器時定数、ＬはＬ＝−Ｊｐ・ＧＴ／Δｔで表されるパラメータであって、ＧＴは０〜２の範囲のトルク推定器ゲイン、Δｔはサンプリング時間である。また、定数倍器９の定数Ｋはできるだけ１に近い値とする。
【００１１】
図２は、図１の速度制御系においてＰＩ調節器１の出力から速度検出値を見た場合の等価的なブロック図である。ここで、ＰＩ調節器１の出力から速度検出値を見た等価伝達関数Ｇ（ｓ）は、数式１で表すことができる。
【００１２】
【数１】
Ｇ（ｓ）＝｛（１＋σｓ）／（１＋α−１σｓ）｝（１／αＪｓ）
【００１３】
この実施形態では、トルク推定器６の時定数ＪＰをできるだけ小さくし、Ｌ（＝−ＪＰ・ＧＴ／Δｔ）をできるだけ大きく（すなわちＧＴをできるだけ大きく）することにより、数式２で示されるトルク推定値の遅れ時間σを小さくすると、ω＜σ−１の周波数領域で機械系の慣性モーメントが数式３に示すα倍だけ小さくなる。
【００１４】
【数２】
σ＝Δｔ／ＧＴ
【００１５】
【数３】
α＝１−Ｋ（１−Ｊ／Ｊｐ）
【００１６】
例えば、速度制御系のサンプリング時間Δｔが５〔ｍｓｅｃ〕で機械系の慣性モーメントがＪ＝２０〔ｓｅｃ〕のとき、トルク推定器６の各パラメータをＪｐ＝５０〔ｍｓｅｃ〕、ＧＴ＝１とし、Ｋ＝０．９としたときにα＝０．１となり、機械系の慣性モーメント２０〔ｓｅｃ〕を見かけ上、０．１倍の２〔ｓｅｃ〕にすることができる。
以上が、請求項１記載の発明の実施形態に相当する。
【００１７】
更に、請求項２記載の発明の実施形態として、α倍小さくなった機械系の慣性モーメントに対しては、次のようにＰＩ調節器１を調整する。ＰＩ調節器１の出力から速度検出値までのゲイン特性を書くと、図３のように周波数（α／σ）のところでゲイン曲線が折れ曲がっている。この周波数（α／σ）の１／２の周波数を速度制御系のオープンループのカットオフ周波数とし、かつ、１／４の周波数の逆数をＰＩ調節器１の積分時間とする。
つまり、ＰＩ調節器１の比例ゲインＫｐを数式４、積分時間Ｔｉを数式５とする。
【００１８】
【数４】
Ｋｐ＝α２Ｊ／２σ
【００１９】
【数５】
Ｔｉ＝４σ／α
【００２０】
これにより、先の数値例によれば、Ｋｐ＝２０、Ｔｉ＝２００〔ｍｓｅｃ〕となり、ＰＩ調節器１の比例ゲインＫｐをさほど大きくしなくても高速な応答を実現することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来の技術では困難であった大慣性機械系の高速応答速度制御を達成することができる。
前述の例では、従来、オープンループのカットオフ周波数が２．５〔ｒａｄ／ｓ〕程度が限界であったものが、本発明では１０〔ｒａｄ／ｓ〕まで応答が改善された。
また、本発明によれば、時間に換算したＪが３３秒の大慣性機械系を見かけ上、１０秒にまで小さくすることができ、オープンループのカットオフ周波数を５〔ｒａｄ／ｓ〕とした実績がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す速度制御系のブロック図である。
【図２】図１の等価的なブロック図である。
【図３】図２のＰＩ調節器の出力から速度検出値までのゲイン特性図である。
【図４】第１の従来技術を示すブロック図である。
【図５】第２の従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  ＰＩ調節器
２  電動機・機械系
３，５，７，８  加算器
４  不完全微分器
６  トルク推定器
９  定数倍器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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