(57)【要約】【課題】さまざまな応答特性に対して、二自由度制御機能でも速度協調制御を可能にする電動機用ドライブ装置を提供する。【解決手段】実施形態は、速度指令値と負荷を模擬した数式モデルが出力する第１速度測定値との偏差にもとづいて第１操作量を生成する第１制御器と、前記第１速度測定値を補償して前記第１制御器供給する第１補償器と、前記第１速度測定値または前記速度指令値のうちの選択された一方と前記負荷が出力する第２速度測定値との偏差にもとづいて、第２操作量を生成する第２制御器と、前記第１速度測定値または前記速度指令値のうちの一方を選択して出力する第１切替回路と、前記第２速操作量に、選択的に前記第１操作量を加算する第２切替回路と、前記補償された第１速度測定値を選択的に第１速度測定値に加算する第３切替回路と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一自由度制御と二自由度制御とを切替可能とする電動機用ドライブ装置であって、
速度指令値と電動機を含む負荷を模擬した数式モデルが出力する速度である第１速度測定値との偏差にもとづいて前記数式モデルのための第１操作量を生成する第１制御器と、
前記第１速度測定値を補償して前記第１制御器に供給する第１補償器と、
前記第１速度測定値または前記速度指令値のうちの選択された一方と前記負荷が出力する速度である第２速度測定値との偏差にもとづいて、前記負荷のための第２操作量を生成する第２制御器と、
前記第１速度測定値または前記速度指令値のうちの一方を選択して出力する第１切替回路と、
前記第２速操作量に、選択的に前記第１操作量を加算する第２切替回路と、
前記補償された第１速度測定値を選択的に第１速度測定値に加算する第３切替回路と、
を備え、
一自由度制御の場合には、
前記第１切替回路は、前記第１速度測定値の前記第２制御器への供給を遮断し、前記速度指令値を前記第２制御器に供給し、
前記第２切替回路は、前記第２操作量に前記第１操作量を加算し、
二自由度制御の場合には、
前記第１切替回路は、前記速度指令値の前記第２制御器への供給を遮断し、前記第１速度測定値を前記第２制御器に供給し、
前記第２切替回路は、前記第２操作量に対する前記第１操作量の加算を遮断する電動機用ドライブ装置。
【請求項２】
前記第１補償器は、前記第１速度測定値のオーバーシュートを補償する演算器を含む請求項１記載の電動機用ドライブ装置。
【請求項３】
前記演算器は、比例微分演算器を含む請求項２記載の電動機用ドライブ装置。
【請求項４】
前記第２速度測定値を補償して前記第２制御器の入力に供給する第２補償器と、
前記補償された第２速度測定値を選択的に前記第２制御器の入力に加算する第４切替回路と、
をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の電動機用ドライブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電動機用ドライブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼等の圧延プラントでは、圧延機は、上下に配置された円柱状の鉄のロールを、電動機によって互いに逆方向に回転させ、ロールの間隙に鉄等を噛み込ませることによって、所望の厚みに加工する。
【０００３】
このような圧延工程の中で、圧延機は複数配置されたスタンドを含み、１つの材料を連続的に加工する場合がある。
【０００４】
連続圧延工程では、隣り合うスタンド間でロールの速度の協調をとる必要がある。
【０００５】
プログラマブルロジックコントローラから速度基準を複数の電動機用ドライブ装置に分配して電動機を速度制御することによって、隣り合うロール間で速度の協調をとることが行われている。
【０００６】
速度指令値に対する応答および外乱に対する応答をそれぞれ個別に設定することができる二自由度制御機能を有する電動機用ドライブ装置がある。二自由度制御機能を有する電動機用ドライブ装置は、外乱応答を高く保ちながら、速度指令値に対する応答を、隣り合うスタンドのロールを駆動する電動機用ドライブ装置に合せることができる。このような電動機用ドライブ装置は、各スタンドのロールの速度の協調をとることができることが知られている。
【０００７】
複数のスタンドを有する圧延工程では、二自由度制御機能の電動機用ドライブ装置が、一自由度制御機能の電動機用ドライブ装置と混在して用いられることによって、揃速性を実現できる場合がある。そのような場合には、それぞれの電動機用ドライブ装置の応答性能に応じた設定が必要となることがある。
【０００８】
応答性能に応じた設定を行うために、オーバーシュート補償が用いられる。いずれかの電動機用ドライブ装置において二自由度制御機能を用いた場合に、オーバーシュート補償を行うべきときがある。二自由度制御機能を用いた場合に、適切にオーバーシュート補償を行えないときには、速度協調制御を行うことができず、揃速性を維持することが困難になる。
【０００９】
揃速性を維持しつつ、速度協調制御を行うためには、すべての電動機用ドライブ装置の応答性能を下げなければならず、圧延工程全体の制御性能が低下するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第５５１２４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の二自由度制御機能付きの電動機用ドライブ装置は、速度制御のための制御ループにオーバーシュート補償機能を有さないため、他の電動機用ドライブ装置と協調をとることができない場合がある。
【００１２】
本発明に係る実施形態は、さまざまな応答特性に対して、二自由度制御機能でも速度協調制御を可能にする電動機用ドライブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
実施形態に係る電動機用ドライブ装置は、一自由度制御と二自由度制御とを切替可能とする電動機用ドライブ装置である。この電動機用ドライブ装置は、速度指令値と電動機を含む負荷を模擬した数式モデルが出力する速度である第１速度測定値との偏差にもとづいて前記数式モデルのための第１操作量を生成する第１制御器と、前記第１速度測定値を補償して前記第１制御器供給する第１補償器と、前記第１速度測定値または前記速度指令値のうちの選択された一方と前記負荷が出力する速度である第２速度測定値との偏差にもとづいて、前記負荷のための第２操作量を生成する第２制御器と、前記第１速度測定値または前記速度指令値のうちの一方を選択して出力する第１切替回路と、前記第２速操作量に、選択的に前記第１操作量を加算する第２切替回路と、前記補償された第１速度測定値を選択的に第１速度測定値に加算する第３切替回路と、を備える。一自由度制御の場合には、前記第１切替回路は、前記第１速度測定値の前記第２制御器への供給を遮断し、前記速度指令値を前記第２制御器に供給し、前記第２切替回路は、前記第２操作量に前記第１操作量を加算する。二自由度制御の場合には、前記第１切替回路は、前記速度指令値の前記第２制御器への供給を遮断し、前記第１速度測定値を前記第２制御器に供給し、前記第２切替回路は、前記第２操作量に対する前記第１操作量の加算を遮断する。
【発明の効果】
【００１４】
本実施形態では、電動機用ドライブ装置は、第１切替回路と第２切替回路とを備えているので、一自由度制御と二自由度制御とを、適切に切替設定することができる。そして、電動機用ドライブ装置は、第３切替回路により応答性能に応じて第１補償器を制御ループに挿入したり遮断したりすることができる。そのため、揃速性を維持しつつ、さまざまな応答特性に応じた制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】プロセスラインを例示する模式図である。
【図２】実施形態の電動機用ドライブ装置を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
【００１７】
図１は、プロセスラインを例示する模式図である。
図１では、プロセスラインのうち圧延工程の一部が模式的に示されている。図１に示すように、圧延ライン１０は、加熱炉１２と、粗圧延機１４と、仕上圧延機１６と、巻取機１８と、スケール除去装置２０と、を含んでいる。この例では、圧延ライン１０は、熱間圧延を行う。なお、本発明では、熱間圧延に限らず、冷間圧延に適用することもできる。
【００１８】
加熱炉１２は、上流工程で製造された被圧延材２ａを熱間圧延に必要な温度に加熱する。加熱炉１２は、たとえば、被圧延材２ａを１２００℃前後の温度に加熱する。
【００１９】
粗圧延機１４は、被圧延材２ａを所定の板厚および板幅に圧延することにより、被圧延材２ａから中間材（粗バー）２ｂを形成する。粗圧延機１４には、たとえば、可逆式の圧延機が用いられる。この例では、被圧延材２ａや中間材２ｂの搬送方向に並ぶ２台の粗圧延機１４が圧延ライン１０に設けられている。粗圧延機１４の台数は、２台に限ることなく、１台でもよいし、３台以上でもよい。
【００２０】
仕上圧延機１６は、中間材２ｂをさらに圧延することにより、中間材２ｂから熱延鋼板２ｃを形成する。仕上圧延機１６には、たとえば、複数の仕上スタンドＦ１〜Ｆ７を搬送方向に並べたタンデム式圧延機が用いられる。この例では、７台の仕上スタンドＦ１〜Ｆ７が設けられている。仕上スタンドの数は、７台に限ることなく、適切に設定された任意の台数とすることができる。
【００２１】
巻取機１８は、仕上圧延機１６によって形成された熱延鋼板２ｃをコイル状に巻き取る。巻取機１８は、圧延コイルを形成する。
【００２２】
スケール除去装置２０は、ノズル部２２，２４と、ポンプ２６と、配管２８と、を含む。ノズル部２２，２４およびポンプ２６は、配管２８によって流体的に接続されている。配管２８には、水等の流体が流通しており、この流体は、ポンプ２６によって駆動され、ノズル部２２，２４の各ノズルから噴出される。流体は、搬送される被圧延材２ａ、中間材２ｂ等の鋼板の表面に噴出され、その表面に形成されるスケールを除去する。
【００２３】
圧延ラインには、上述のほかに図示しないが、圧延材を搬送方向に搬送するフィードローラやテーブルローラ等がパスラインに沿って設けられている。
【００２４】
圧延機のミルや、テーブルローラ等の駆動は、それぞれのドライブ装置を介して行われる。ドライブ装置は、電動機やアクチュエータを速度制御、位置制御等を行いながら駆動する。
【００２５】
電動機用ドライブ装置３０は、たとえば仕上圧延機１６のそれぞれのスタンドのローラを駆動する電動機の速度制御を行う。したがって、電動機用ドライブ装置３０は、スタンドのローラごとに設けられている。仕上圧延機１６では、上述のとおり、複数台がタンデム配置されており、各スタンドの電動機およびローラ（負荷）は、プログラマブルロジックコントローラ（Programmable Logic Controller、ＰＬＣ）から供給される速度指令値にしたがって制御されている。
【００２６】
ＰＬＣが供給する速度指令値は、ＰＬＣのプログラムによって設定されており、プログラムの設定により、異なる速度が設定され得る。
【００２７】
図２は、本実施形態に係る電動機用ドライブ装置を例示するブロック図である。
図２に示すように、電動機用ドライブ装置３０は、第１制御器３１と、数式モデル３２と、第２制御器３３と、第１補償器３５と、第１切替回路３７と、第２切替回路３９と、第３切替回路４０と、を備える。好ましくは、電動機用ドライブ装置３０は、第２補償器３６と、第４切替回路４１と、をさらに備える。
【００２８】
第１制御器３１は、加減算器４２を介して、速度指令値Ｖ＊と外乱のない場合の速度測定値Ｖ１との偏差ΔＶ０を入力し、生成された操作量Ｔ０を数式モデル３２に供給する。操作量Ｔ０は、たとえばトルク指令値である。第１制御器３１は、たとえばＰＩ制御器やＰＩＤ制御器である。第１制御器３１は、ＰＬＣから供給される速度指令値Ｖ＊を入力して、外乱のない負荷の数式モデル３２に対してフィードバック制御を行う。
【００２９】
数式モデル３２は、実負荷に応じてあらかじめ設定されている。数式モデル３２には、たとえば１次遅れ系や２次遅れ系のモデルが用いられる。
【００３０】
第１速度測定値Ｖ１のフィードバックは、加算器４３を介して加減算器４２の減算入力に供給される。
【００３１】
第１補償器３５は、数式モデル３２の出力と加算器４３との間に設けられている。第１補償器３５の出力と加算器４３との間には、第３切替回路４０が設けられている。
【００３２】
第１補償器３５は、たとえば比例微分器（ＰＤ演算器）であり、第１速度測定値Ｖ１のオーバーシュートを補償する。第１補償器３５は、第３切替回路４０によって、動作および非動作を切り替えることができる。第３切替回路４０を閉じた場合に、第１補償器３５によるオーバーシュート補償を行う。オーバーシュート補償が不要な場合には、第３切替回路４０は開放された設定とする。
【００３３】
第２制御器３３は、加減算器４４の出力に接続されている。加減算器４４には、第１切替回路３７によって２つの入力信号、すなわち第１速度測定値Ｖ１または速度指令値Ｖ＊のいずれか一方が入力される。第１切替回路３７は、２つのスイッチ３７ａ，３７ｂを含む。加減算器４４には、スイッチ３７ａを介して、第１速度測定値Ｖ１を入力することができる。加減算器４４には、スイッチ３７ｂを介して、速度指令値Ｖ＊を入力することができる。スイッチ３７ａ，３７ｂは、排他的に動作する。つまり、スイッチ３７ａが閉じている場合には、スイッチ３７ｂは開いており、スイッチ３７ａが開いている場合には、スイッチ３７ｂは閉じている。
【００３４】
加減算器４４の減算入力には、実際の負荷３４の速度の測定値を表す速度信号である第２速度測定値Ｖ２が供給される。
【００３５】
第２制御器３３と負荷３４との間には、加算器４５が設けられている。加算器４５には、第２制御器３３から出力される操作量Ｔ１および第２切替回路３９を介して、操作量Ｔ０が入力される。
【００３６】
第１切替回路３７のスイッチ３７ａが閉じている場合に、第２切替回路３９は、閉じて加算器４５に操作量Ｔ０を供給する。なお、この場合には、第１切替回路３７のスイッチ３７ｂは開いている。
【００３７】
第１切替回路３７のスイッチ３７ａおよび第２切替回路３９が開いており、かつ、第１切替回路３７のスイッチ３７ｂが閉じている場合に、第２制御器３３は、速度指令値Ｖ＊にもとづく一自由度制御を行う。
【００３８】
第１切替回路３７のスイッチ３７ａおよび第２切替回路３９が閉じており、かつ、第１切替回路３７のスイッチ３７ｂが開いている場合に、第１制御器３１および第２制御器３３は、協働して二自由度制御を行う。
【００３９】
第２補償器３６は、負荷３４の出力と加算器４６との間に設けられている。第２補償器３６の出力と加算器４６との間には、第４切替回路４１が設けられている。
【００４０】
第２補償器３５は、たとえば比例微分器（ＰＤ演算器）であり、第２速度測定値Ｖ２のオーバーシュートを補償する。第２補償器３６は、第４切替回路４１によって、動作および非動作を切り替えることができる。第４切替回路４１を閉じた場合に、第２補償器３６によるオーバーシュート補償を行う。
【００４１】
電動機用ドライブ装置３０は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプログラムをロードして、プログラムの各ステップを実行することによって動作する装置によって実現されてもよい。上述した電動機用ドライブ装置３０の各構成要素は、論理回路によるハードウェアで実現されてもよいし、各構成要素の一部または全部をプログラムによって実行することによって実現してもよい。なお、電動機用ドライブ装置３０がＣＰＵ等を含む場合には、ＣＰＵにロードされるプログラムは、図示しない記憶装置に格納される。
【００４２】
本実施形態の電動機用ドライブ装置３０の動作について説明する。
本実施形態の電動機用ドライブ装置３０では、第１切替回路３７および第２切替回路３９を切り替えることによって、一自由度制御で動作するモード（以下、一自由度制御モードともいう。）または二自由度制御で動作するモード（以下、二自由度制御モードともいう。）のうちの一方を選択して設定することができる。
【００４３】
電動機用ドライブ装置３０は、第１切替回路３７のスイッチ３７ａおよび第２切替回路３９を開いて、第１切替回路３９を閉じた場合に、第２制御器３３を速度制御器とする一自由度制御モードで動作する。
【００４４】
電動機用ドライブ装置３０は、第１切替回路３７のスイッチ３７ａおよび第２切替回路３９を閉じて、第１切替回路３９を開いた場合に、第１制御器３１を速度制御器とし、第２制御器３３を外乱に対する制御器とする二自由度制御モードで動作する。
【００４５】
一自由度制御モードか二自由度制御モードかについては、電動機用ドライブ装置３０をプラントに設置する際にあらかじめ設定される。また、いずれの自由度の制御モードにおいても第３切替回路４０および第４切替回路４１によって、第１補償器３５および第２補償器３６の適用の有無を選択することができる。これらのオーバーシュート補償のための設定についても、電動機用ドライブ装置３０をプラントに設置する際に、より適切な応答となるようにあらかじめ設定される。
【００４６】
二自由度制御モードが選択される場合について説明する。電動機用ドライブ装置３０は、図１で説明したような複数のスタンドを有する圧延機の速度協調制御に用いられる。まず、プラント設置時の設定において、それぞれの圧延機の電動機用ドライブ装置３０は、一自由度制御モードに設定される。その上で、すべての圧延機の応答性能を向上させたい場合がある。その場合において、電動機用ドライブ装置３０のゲインを同じ値に設定したときに、複数の圧延機の中に振動的になり制御不安定となるものが出現することがある。
【００４７】
制御不安定となる電動機用ドライブ装置３０について、二自由度制御モードが設定される。二自由度制御モードの設定については、上述のとおり、第１切替回路３７のスイッチ３７ａおよび第２切替回路３９を閉じて、第１切替回路３７のスイッチ３７ｂを開く。
【００４８】
二自由度制御モードに設定することによって、設定された電動機用ドライブ装置３０は、速度制御を行う制御器および外乱に対する制御を行う制御器を有することになるので、実質的にゲインを引き上げることができる。したがって、制御不安定になるまで速度制御器のゲインを引き上げなくても揃速性を維持することができる。
【００４９】
さらに、複数の圧延機の速度協調制御を行う場合には、負荷特性の相違等により、複数の圧延機の電動機用ドライブ装置が異なる応答性能を有する場合がある。速い応答性能を有する圧延機では、実際の速度応答がオーバーシュート気味に設定されている。遅い応答性能を有する圧延機では、オーバーシュートを生じないように設定されている。
【００５０】
このような応答特性の異なる圧延機が混在する場合には、オーバーシュートを抑制する必要がある。発明者は、二自由度制御モードにおいて、圧延機のオーバーシュートを効果的に抑制できる手法を見出した。すなわち、外乱に対する制御器（第２制御器３３）の制御ループにオーバーシュート補償を施すだけでなく、速度制御器（第１制御器３１）の制御ループにもオーバーシュート補償を施した場合に、その圧延機のオーバーシュートを効果的に抑制することができる。この事実にもとづいて、オーバーシュートを抑制する場合には、第３切替回路４０を閉じて、第１補償器３５を動作させ、第４切替回路４１を閉じて第２補償器３６を動作させる。
【００５１】
また、発明者は、二自由度制御モードの場合には、電動機や負荷等によって、外乱に対する制御器の制御ループおよび速度制御器の制御ループの両方に対してオーバーシュート補償を施すことによって、より効果的にオーバーシュートを抑制できる場合があることも見出した。この事実にもとづいて、二自由度制御モードに設定されている電動機用ドライブ装置のオーバーシュートを抑制する場合には、第３切替回路４０および第４切替回路４１を閉じて、第１補償器３５および第２補償器３６を接続する。補償する電動機用ドライブ装置３０の応答に応じて、第３切替回路４０または第４切替回路４１のいずれか一方を閉じるようにしてもよい。
【００５２】
一自由度制御モードに設定されている電動機用ドライブ装置のオーバーシュートを抑制する場合には、第４切替回路４１を閉じることによって、第２補償器３６を接続する。第２補償器３６はＰＤ補償器のため、電動機用ドライブ装置のオーバーシュートを抑制することができる。
【００５３】
このようにして、本実施形態の電動機用ドライブ装置３０は、複数の圧延機の速度協調制御を行いつつ、揃速性を維持することができる。
【００５４】
本実施形態の電動機用ドライブ装置３０の効果について説明する。
本実施形態の電動機用ドライブ装置３０は、第１切替回路３７と第２切替回路３９とを備えているので、一自由度制御モードまたは二自由度制御モードのうちのいずれか一方を選択して、揃速性を維持することができる。
【００５５】
本実施形態の電動機用ドライブ装置３０は、速度制御用の第１制御器３１および外乱に対する第２制御器３３のためにオーバーシュート補償を行う第１補償器３５および第２補償器３６を備えている。そのため、一自由度制御モードおよび二自由度制御モードのいずれでもオーバーシュート補償を行うことができる。つまり、複数の電動機用ドライブ装置のそれぞれに対して、オーバーシュート補償を行うか否かを選択して設定することができる。
【００５６】
以上より、本実施形態の電動機用ドライブ装置３０は、複数の圧延機の揃速性を維持しつつ、個々の圧延機の応答特性を補償することができるので、圧延ライン全体の性能を向上させることが可能になる。
【００５７】
以上説明した実施形態によれば、さまざまな応答特性に対して、二自由度制御機能でも速度協調制御を可能にする電動機用ドライブ装置を実現することができる。
【００５８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０  圧延ライン、１２  加熱炉、１４  粗圧延機、１６  仕上圧延機、１８  巻取機、２０  スケール除去装置、３０  電動機用ドライブ装置、３１  第１制御器、３２  数式モデル、３３  第２制御器、３４  負荷、３５  第１補償器、３６  第２補償器、３７  第１切替回路、３９  第２切替回路、４０  第３切替回路、４１  第４切替回路、４２，４４  加減算器、４３，４５，４６  加算器
【図１】
2018196198.tif 000003
【図２】
2018196198.tif 000004