(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械系が連結された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とを加算してトルク指令値を得る加算手段とを備え、
前記トルク推定手段は、
電動機・機械系に対応するモデルと、
前記速度検出値と前記モデルから出力される速度推定値との偏差が入力されてトルク推定値を出力すると共に、パラメータがトルク推定手段の時定数、ゲイン及びサンプリング時間によって表されるコントローラと、
前記トルク相当値と前記コントローラから出力されるトルク推定値との偏差を求めて前記モデルに入力する手段と、
を有し、
前記トルク推定手段の時定数を固定した状態で前記コントローラのパラメータを大きくすることにより、広い周波数領域で電動機・機械系の見かけ上の慣性モーメントを前記トルク推定手段の時定数と一致させてモデルマッチングを行うことを特徴とする電動機の速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械系が連結された電動機の回転速度を速度指令値に対して閉ループ制御する電動機の速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４はこの種の速度制御装置のブロック図を示している。
図示する速度制御系は、電動機の速度指令値と速度検出値との偏差を入力としてこれが零になるように調節動作するＰＩ（比例・積分）調節器の出力をトルク指令値とするものであり、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ＰＩ調節器１の比例ゲイン、Ｔｉは積分時間、Ｊは電動機・機械系２の慣性モーメントの和、ｓはラプラス演算子である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術において、所望の速度制御応答を得るためには、ＰＩ調節器１の比例ゲインＫＰや積分時間Ｔｉを現地調整する必要がある。
例えば、速度制御系のオープンループ伝達関数のカットオフ周波数ωｃを、交流電動機に対し２０〔ｒａｄ／ｓｅｃ〕程度にするためには、慣性モーメントＪの値に対して、比例ゲインＫＰ＝Ｊωｃ＝２０Ｊとする必要がある。
【０００４】
しかるに、実際の電動機・機械系２の慣性モーメントＪは設計値と異なることが多いため、現実には現地調整時に電動機と機械系とを連結して慣性モーメントＪを測定し、それに基いて比例ゲインＫＰを決定し、調整するという煩雑な手順を踏まざるを得ず、調整の手間や調整員によるばらつきも問題となっていた。
【０００５】
そこで本発明は、電動機・機械系の慣性モーメントＪが速度制御系の応答とは無関係になるようにすることにより、現地において電動機と機械系とを連結した状態での煩雑な調整作業を不要にした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、機械系が連結された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とを加算してトルク指令値を得る加算手段とを備え、
前記トルク推定手段は、電動機・機械系に対応するモデルと、前記速度検出値と前記モデルから出力される速度推定値との偏差が入力されてトルク推定値を出力すると共に、パラメータがトルク推定手段の時定数、ゲイン及びサンプリング時間によって表されるコントローラと、前記トルク相当値と前記コントローラから出力されるトルク推定値との偏差を求めて前記モデルに入力する手段と、を有し、
前記トルク推定手段の時定数を固定した状態で前記コントローラのパラメータを大きくすることにより、広い周波数領域で電動機・機械系の見かけ上の慣性モーメントを前記トルク推定手段の時定数と一致させてモデルマッチングを行うものである。
【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。なお、以下の実施形態は交流電動機を駆動する場合のものであるが、本発明は直流電動機にも同様に適用可能である。
まず、図１は本実施形態を示す速度制御系のブロック図である。
【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。この偏差は、比例ゲインＫＰのＰ（比例）調節器４に入力され、その出力と後述するトルク推定器６の出力であるトルク推定値とが加算器５により加算されてトルク指令値が求められる。このトルク指令値は、電動機・機械系２に与えられる。
トルク推定器６は、電動機のトルク指令値と速度検出値とを入力としてトルク推定値を出力するものであり、上記構成によって、Ｐ調節器４の出力とトルク推定器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る。
【００１０】
トルク推定器６は、電動機・機械系２に対応するトルク推定器モデル１０の伝達関数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、その結果をコントローラ９に入力する。コントローラ９は、パラメータＬを介して出力されるトルク推定値を前記加算器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により求められ、この偏差がトルク推定器モデル１０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。
【００１１】
この速度制御系において、Ｐ調節器４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は図２のようになる。図２における等価伝達関数Ｇ（ｓ）は、数式１によって表すことができる。
【００１２】
【数１】
Ｇ（ｓ）＝｛（１＋σａｓ）／（１＋σｂｓ）｝（１／ＪＰｓ）
【００１３】
なお、σａ，σｂは時間要素であり、ω＜１／σａ，ω＜１／σｂの周波数領域では、電動機・機械系２の見かけ上の慣性モーメントＪがトルク推定器時定数ＪＰとなる。つまり、電動機・機械系２はトルク推定器モデル１０に相当することになる。
ここで、σａ，σｂは数式２、数式３によって表され、パラメータＬで表されるコントローラ９が、電動機の速度検出値とトルク推定器モデル１０の出力との偏差をゼロにするように動作するコントローラとなる。このパラメータＬをできるだけ大きくすることにより、一層広い周波数領域でモデルマッチングを達成することができる。
【００１４】
【数２】
σａ＝ＪＰ／Ｌ
【００１５】
【数３】
σｂ＝Ｊ／Ｌ
【００１６】
この実施形態では、トルク推定器時定数ＪＰを固定とし、コントローラ９のパラメータＬ（＝−ＪＰ・ＧＴ／Δｔ）をできるだけ大きくすることによって時間要素σａ，σｂを小さくし、広い周波数領域で電動機・機械系２の見かけ上の慣性モーメントＪをトルク推定器時定数ＪＰとするモデルマッチングを行う。
【００１７】
例えば、速度制御系のサンプリング時間Δｔが５〔ｍｓｅｃ〕で電動機・機械系２の慣性モーメントＪが２〔ｓｅｃ〕のとき、ＪＰ＝５００〔ｍｓｅｃ〕，ＧＴ＝１でσａ＝５〔ｍｓｅｃ〕，σｂ＝２０〔ｍｓｅｃ〕となり、およそω＜５０〔ｒａｄ／ｓｅｃ〕の周波数領域で電動機・機械系２の見かけ上の慣性モーメントをＪＰ＝５００〔ｍｓｅｃ〕と見なすことができる。
本実施形態では、この負荷の慣性モーメントに応じてＰ調節器４の比例ゲインＫＰを設定することで速度制御系の調整が可能であるため、実際の電動機・機械系２の慣性モーメントＪが明確でなくても、所望の速度制御系の応答を得ることができる。
【００１８】
トルク推定器時定数ＪＰに対しては、以下のようにしてＰ調節器４の比例ゲインＫＰを設定する。
前述の例において、Ｐ調節器４の出力から電動機の速度検出値までのゲイン特性を描くと、図３のように１／σｂの周波数でゲイン曲線が折れ曲がっている。この周波数の１／２以下の周波数を速度制御系のオープンループ伝達関数のカットオフ周波数ωｃとする。
つまり、速度制御系の応答周波数は数式４で示され、Ｐ調節器４の比例ゲインＫＰは数式５となる。
【００１９】
【数４】
ωｃ≦１／２σｂ
【００２０】
【数５】
ＫＰ≦ＪＰ／２σｂ
【００２１】
前述の数値例では、上記数式４、数式５から、ωｃ≦２５〔ｒａｄ／ｓｅｃ〕、ＫＰ≦１２．５となる。
【００２２】
なお、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を入力とする調節器は、図４に示したようなＰＩ調節器でも良い。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、速度制御系の調整を電動機・機械系の慣性モーメントとは無関係に行えるため、実際に電動機と機械系とを連結した状態で調整することが不要になり、現地での調整作業の手間や時間を削減し、調整員によるばらつき等も解消することができる。
現に本発明では、Ｊ＝０．５〜３〔ｓｅｃ〕に対してトルク推定器、Ｐ調節器の設定値を同一にしたままオープンループ伝達関数のカットオフ周波数ωｃを２０〔ｒａｄ／ｓｅｃ〕とすることが可能であり、Ｊ＝２〔ｓｅｃ〕の電動機・機械系に対してωｃ＝２０〔ｒａｄ／ｓｅｃ〕とした実績がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における速度制御系のブロック図である。
【図２】図１におけるＰ調節器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。
【図３】図１の実施形態のゲイン特性図である。
【図４】従来技術を示す速度制御系のブロック図である。
【符号の説明】
２  電動機・機械系
３，５，７，８  加算器
４  Ｐ調節器
６  トルク推定器
９  コントローラ
１０    トルク推定器モデル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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