(57)【要約】【課題】交流電動機の運転状態や要求されるトルクに応じて磁束基準のパターンを変化させ、交流電動機の１次電流が交流電動機駆動用インバータの定格電流値の一定程度以上となるようにし、定常運転時における１次電流の検出精度を向上させ、トルク制御精度を上げる。【解決手段】交流電動機に対する速度指令を元に運転状態を検出する運転状態判定手段１９と、加減速中および定速運転中のそれぞれにおける磁束基準パターンを有し、交流電動機に対する速度指令から加減速中又は定速運転中を判定し、判定結果に基づいて磁束基準パターンを切換える磁束基準パターン選択回路２０とを備え、加減速中および定速運転中にかかわらず交流電動機の１次電流を交流電動機駆動用インバータ制御装置の定格に対して一定以上の割合となるように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置の巻取り・巻き戻し軸を駆動する為の交流電動機に適用される、１次電流を磁束基準と励磁電流から演算される磁束成分電流Iｑとトルク基準に応じたトルク成分電流Iｄからベクトル演算し、交流電動機のトルクを制御する交流電動機の駆動制御装置において、
交流電動機に対する速度指令を元に運転状態を検出する運転状態判定手段と、
加減速中および定速運転中のそれぞれにおける磁束基準パターンを有し、交流電動機に対する速度指令から加減速中又は定速運転中を判定し、判定結果に基づいて磁束基準パターンを切換える磁束基準パターン選択回路とを備え、
加減速中および定速運転中にかかわらず交流電動機の１次電流を交流電動機駆動用インバータ制御装置の定格に対して一定以上の割合となるように制御することを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
【請求項２】
交流電動機に付属される速度検出器からのフィードバック信号から加減速中と定速運転中を判別する速度変化検出機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の交流電動機の駆動制御装置。
【請求項３】
磁束基準パターンを紙ロール等の巻径と交流電動機の運転状況（加減速運転中・定速運転中）から要求されるトルクに応じて変化させ、交流電動機の１次電流を常に交流電動機駆動用インバータ制御装置の定格に対して一定以上の割合となるように制御することを特徴とする請求項１記載の交流電動機の駆動制御装置。
【請求項４】
磁束基準パターンを張力基準と紙ロール等の巻径と交流電動機の運転状況（加減速運転中・定速運転中）から要求されるトルクに応じて変化させ、交流電動機の１次電流を常に交流電動機駆動用インバータ制御装置の定格に対して一定以上の割合となるように制御することを特徴とする請求項１記載の交流電動機の駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置で使用される軸駆動用交流電動機の駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置はロールが大径化し、ロール加減速（特に減速時）に必要なトルクや非常停止時に要求されるトルクが増加しているのに対し、定速度運転時に必要なトルクはある一定の張力を保つ為のトルクと若干の機械摩擦トルク分が要求されるだけであり、定速運転時に必要なトルクが加減速時や非常停止に必要なトルクに対して著しく小さくなる傾向がある。
このような紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置において巻取り・巻き戻し軸を駆動するセンター駆動方式においては、ロール駆動用の交流電動機と交流電動機を駆動する為の交流電動機用ベクトルインバータ制御装置は、加減速に必要なトルクに基づいて容量が選定されている。
この為、選定された交流電動機と交流電動機を駆動する為の交流電動機用ベクトルインバータ制御装置は、定速度運転時には過大な容量を持つことになり、定速度運転時の交流電動機の１次電流が交流電動機用ベクトルインバータ制御装置の定格電流値に対して大変小さな値となってしまう。
この結果、張力変動による電流値の変化も電流検出装置の定格に比し著しく小さく、その検出精度が悪くなり、定速度運転時のトルク制御、張力制御の制御精度が悪化する問題が発生している。
【０００３】
図８は紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置において適用される、交流電動機駆動用ベクトルインバータの制御装置の制御ブロック図である
図８において１は交流誘導電動機、２はインバータ制御装置、３は交流電動機１の速度を検出する為の速度検出器、４は交流電動機１の１次電流を測定する為の電流検出器、５はＰＷＭ制御回路、６は第１座標変換器、７は第２座標変換器、８は電流制御回路、９は１次磁束成分電流基準演算回路、１０はすべり周波数演算回路、１１は積分器、１２はトルク基準切換回路、１３は張力制御回路、１４は速度制御回路、１５は磁束基準設定回路、１６は張力基準設定回路、１７は回転子位置変換器、１８は微分器、２１は巻取り・巻き戻しロール、２２は巻径センサ、２３はロール径検出回路、２４は加減速補償トルク演算回路、２５はライン速度（ＭＲＨ）設定回路である。
紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置に適用される交流電動機１では張力を一定として紙ロール等を巻き取る事が要求される。このような装置の運転では外部の張力基準設定器１６から目的の張力基準T_refが与えられ交流電動機１は目的との張力を保つように制御される。
張力制御回路１３ではこの張力基準T_refとロール径データからトルク換算の張力基準TENS_Rを算出し、これに加減速に必要なトルク基準TRQ_acc_compを補償する為に加算し、トルク基準切換回路１２において速度制御回路１４の出力結果である速度リミットSPD_LMTと比較してトルク基準TRQ_REFを決定する。
大径化したロールにおいては、このトルク換算の張力基準TENS_Rと加減速に必要なトルク補償分TRQ_acc_compの比が大きくなっている。
ベクトル制御では、磁束基準Φ2*とトルク基準TRQ_REFに応じた１次電流基準をベクトル量として演算し、１次電流の振幅I1、１次トルク成分電流基準I1q*、１次磁束分電流基準I1d*および位相θ１を出力する。
トルク成分電流基準I1q*は速度制御出力のトルク基準T_Rから、磁束成分電流基準I1d*は磁束基準Φ2*と励磁電流から１次磁束成分電流基準演算回路９によって演算される。
さらにすべり周波数ωs*は磁束基準Φ2*、１次トルク成分電流基準I1q*および交流誘導電動機１の２次時定数Tから演算し、また電流位相角θはトルク成分電流I1qと磁束成分電流I1dから演算される。
一方電流位相θ１は速度検出器３で検出された電動機回転子位置θｒ、すべり周波数θｓ、電流位相角θの和として演算される。これらの関係を示したのが図９である。
演算されたトルク成分電流基準I1q*と磁束成分電流基準I1d*は電流制御回路８において交流電動機１のU、V、W各相の電圧基準Vv*、Vu*、Vw*に変換され、ＰＷＭ制御回路５において所定の周波数に変換され、交流電動機１は所望されるトルクにおいて運転されることになる。
従来の技術においては、この磁束基準Φ2*は交流電動機１が加減速中であるか、定速度で運転中であるかによらず、基本的には速度に対して一定であり、図１０に示すように設定されている。
なお、交流電動機１の無負荷励磁電流は定格電流に比較すると充分小さい（２０〜３０％程度）為、トルク成分電流、磁束成分電流と１次電流のベクトル図は図１１に示されるような形となる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１１２２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の方法によれば、磁束基準は交流電動機の定格に基づいて図１０のように設定され、交流電動機の速度に対して一意的にパターンが決定されていた。紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置に適用される交流電動機および交流電動機駆動用制御装置は前述のとおり非常停止や加減速に必要なトルクを満足する容量で決定され、設定される磁束基準もこの要求トルクを満足するような交流電動機の容量を基に設定される。
交流電動機において定速運転時に必要なトルクを出力する際に、前述の加減速容量を元に決定された磁束基準を用いてトルク成分電流I1qを決定すると、式から理解されるようにI1qが小さな値となってしまう。
Φ＝K ・  I1d  （K;比例定数）
Ｔ＝Φ・I1q  ＝K・I1d・I1q
仮に加減速や非常停止に必要なトルクが定速運転に必要なトルクのｎ倍を要するとすると、界磁基準が不変であれば定速時におけるトルク成分電流I1q_constは加減速時に必要なトルク成分電流I1q_decの１/ｎとなる。
それぞれでの１次電流の値を考えてみる。１次電流は前述のとおりトルク成分電流と磁束成分電流のベクトル和であるから、
I1_const = √（I1q_const ^2 + I1d ^2）
I1_dec = √（I1q_dec ^2 + I1d ^2）
で求められ、その比は
√（I1q_const ^2 + I1d ^2）  /   I1_dec = √（I1q_dec ^2 + I1d ^2）
で表される。
I1qが小さくなると、図３に示されるトルク成分電流I1qと磁束成分電流I1dのベクトル和I1_constも当然小さな値となり、加減速時に必要な容量と定速運転時に必要なトルクの比が大きければ大きいほど交流電動機の１次電流I1が交流電動機の定格電流や交流電動機駆動用ベクトルインバータ制御装置の定格電流値に比し小さくなってしまう。
交流駆動電動機駆動用のインバータ制御装置では１次電流を検出するための電流検出器４が設けられているが、この電流検出器４は当然インバータ制御装置の定格容量を元に選定されている。
その為、定速運転時に１次電流が交流電動機駆動用ベクトルインバータ制御装置の定格電流に比し著しく小さくなると、その検出精度は悪くなり、また１次電流の変動に対する検出精度も悪くなってしまう。
紙ロール等の巻取り・巻き戻しを行うことを目的とした巻取り・巻き戻し装置においては、紙ロールの張力を一定に保つことが巻き姿を美しくする為に必要であり、張力の変動を抑える為に高精度のトルク制御が交流電動機の駆動において要求される。
１次電流の検出精度が悪くなれば、前述の理由からトルク制御の制度が悪くなり、結果張力変動を誘発し、製品の巻き姿に悪影響を与えてしまう問題があった。
【０００６】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、交流電動機の運転状態や要求されるトルクに応じて磁束基準のパターンを変化させ、交流電動機の１次電流が交流電動機駆動用インバータの定格電流値の一定程度以上となるようにし、定常運転時における１次電流の検出精度を向上させ、トルク制御精度を上げることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る交流電動機の駆動制御装置においては、紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置の巻取り・巻き戻し軸を駆動する為の交流電動機に適用される、１次電流を磁束基準と励磁電流から演算される磁束成分電流Iｑとトルク基準に応じたトルク成分電流Iｄからベクトル演算し、交流電動機のトルクを制御するものにおいて、交流電動機に対する速度指令を元に運転状態を検出する運転状態判定手段と、加減速中および定速運転中のそれぞれにおける磁束基準パターンを有し、交流電動機に対する速度指令から加減速中又は定速運転中を判定し、判定結果に基づいて磁束基準パターンを切換える磁束基準パターン選択回路とを備え、加減速中および定速運転中にかかわらず交流電動機の１次電流を交流電動機駆動用インバータ制御装置の定格に対して一定以上の割合となるように制御するものである。
【０００８】
この発明によれば、要求されるトルクに応じて磁束基準を変化させることで、交流電動機の１次電流を交流電動機駆動用ベクトルインバータの定格に対してある値以上の値とすることが可能となり、定速運転中の１次電流の検出精度をあげる事でトルク制御精度を向上させることができる。
【０００９】
さらに、トルク制御精度が向上する事により、製品（紙ロール等）の巻き姿を美しく保つことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１における交流電動機の駆動制御装置について、図１に基づいて説明する。
図１において、１は交流誘導電動機、２はインバータ制御装置、３は交流電動機１の速度を検出する為の速度検出器、４は交流電動機１の１次電流を測定する為の電流検出器、５はＰＷＭ制御回路、６は第１座標変換器、７は第２座標変換器、８は電流制御回路、９は１次磁束成分電流基準演算回路、１０はすべり周波数演算回路、１１は積分器、１２はトルク基準切換回路、１３は張力制御回路、１４は速度制御回路、１５は磁束基準設定回路、１６は張力基準設定回路、１７は回転子位置変換器、１８は微分器、１９は速度指令を元に運転状態を検出するための運転状態判定回路、２０は加減速中および定速運転中のそれぞれにおける磁束基準パターンを記憶し、運転状態判定回路１９の判定結果に基づいて磁束基準パターンを選択する磁束基準パターン選択回路、２１は巻取り・巻き戻しロール、２２は巻径センサ、２３はロール径検出回路、２４は加減速補償トルク演算回路、２５はライン速度（ＭＲＨ）設定回路である。
この発明による交流電動機の駆動制御装置は、図５に示す従来技術と比較して、運転状態判定回路１９と、磁束基準パターン選択回路２０を追加したものである。この追加回路以外の制御ブロックは従来技術と同じものである。
【００１１】
次に動作について説明する。紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置におけるロール駆動用の交流電動機駆動用制御装置に対しては、巻取り速度を指示する機能を有した外部のＭＲＨライン速度設定回路２５から各ロールの速度基準が指示される。この速度指令や運転シーケンスから現在ロールが加減速中であるか、定速で巻取り運転中であるかを判断することができる。
また、磁束基準パターン選択回路２０においては、図２に示すようにロールが加減速中に使用する加減速時界磁基準パターンと、ロールが定速運転中である場合に使用する定速運転時界磁基準パターンの２つを設定しておき、上記で判定された運転状態に基づいて使用する界磁基準パターンを選択する。
加減速運転中の場合に使用する加減速時界磁基準パターンは従来交流電動機の定格容量を元に決定していた界磁パターンΦ2_とし、定速運転中の場合に用いる定速運転時界磁基準パターンΦ2_cnstは、交流電動機の定格容量を元に決定された界磁基準Φ2_の１/ｎで設定する。
Φ2_cnst  =  （１/ｎ）・Φ2_
ここでｎは適当な定数であり、定速運転中における界磁電流基準I1d*とトルク成分電流基準I1q*がどちらも小さくなりすぎないように、かつI1の値がインバータ制御装置の定格電流に比しあまり小さくない値となるように決定される値である。
【００１２】
上述のｎの決定方法の一例を示す。
従来の界磁基準パターンは交流電動機の定格容量（定格トルク）を元に決定される。これを仮にΦ2_とする。定速運転中に必要なトルクが加減速中に必要なトルクの1/kである場合に、定速運転中の界磁基準をΦ2_の１/ｎとしたと仮定する。
この時、巻取り・巻き戻しロールが定速運転中に必要なトルクT_constを界磁基準(1/n)・Φ2_の界磁の元で算出した磁束電流基準I1q*_constとトルク電流成分基準I1d*_constは式より
I1d*_const  ＝  (1/n) ・ Φ2_  /  K  ＝  (1/n) ・I1d*_
I1q*_const  ＝  T_const  /（K・I1d*_const）= 1/k ・T /（K・I1d*_const）
となる。
この時上述のｎはI1d*_constとI1q*_constのベクトル和からなるI1_constの値が目標とする１次電流値の大きさI1_targetとなるようにnを決定すれば良い。
（(1/n) ・ Φ2_  /  K  ）^2 + (1/k ・T /（K・I1d*_const）)^2 = I1_target ^2
【００１３】
定速運転中における界磁電流基準I1d_constとトルク成分電流基準I1q_constがどちらも小さくなりすぎないような定速運転中に使用する界磁パターンを決定し、ロールの運転状態に応じて界磁パターンを切換えることで、定速運転中の１次電流I1が従来の技術に比べて大きな値とできることを図３のベクトル図を用いて説明する。
加減速運転中の１次電流I1については当然定格電流に近い値なので問題ない。
一方定速運転中に要求されるトルクが加減速中の１/ｋである場合、磁束基準パターンを変更しなかった場合にはトルク成分電流基準I1q_decも加減速中のトルク成分電流I1q_decの１/ｋとなることは前述した。
この時の１次電流I1_constはベクトル和として図３で表される。
一方定速運転中の界磁基準を加減速運転中の１/ｎにすると、要求されるトルクを満足する為にはトルク成分電流をｎ倍流す必要があるので、加減速運転中のトルク成分電流I1q_decのn/kとすることができる。この時の１次電流は図３においてI1’_constで表される。
磁束電流成分電流I1d*を１/ｎしても、トルク成分電流をｎ倍する事は図３から理解できるように、１次電流を大きくすることに大いに寄与する。
【００１４】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２における交流電動機の駆動制御装置について、図４に基づいて説明する。
図４において、実施の形態１の制御ブロック図と異なるのは、運転状態判定回路１９の機能のみである。この実施の形態２における運転状態判定回路１９は、ロールの運転状態をロールに対する速度指令や運転指令ではなく、交流電動機１に付属された速度検出器３からのフィードバック信号を元に運転状態を判定する機能を有している。その他は図１に示す実施の形態１と同様である。
速度検出器３からのフィードバック信号が一定時間変化なければ、ロールは定速運転をしているとみなし、速度が変化している場合には加減速中であると判断する。
【００１５】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３における交流電動機の駆動制御装置について、図５に基づいて説明する。
図５においては、実施の形態１の制御ブロック図に対して交流電動機１の負荷となる２巻取りロール・巻き戻しロール２１、およびそのロール径を測定する為の巻径センサ２２、そして巻径センサ２２からの信号を元にロール径を演算するためのロール径検出回路２３が磁束基準パターン選択回路２０に追加接続されている。
【００１６】
交流電動機に要求されるトルクが非常停止や加減速中と定速運転中では大きく異なる事は前述したが、巻取り・巻戻しロール軸を交流電動機で駆動する場合には、ロール径によっても必要なトルクが大きく変わってくる。
そこで界磁基準パターンを加減速中においてもロール径に併せて複数パターン用意し、加減速中においては、検出されたロール径によって界磁基準パターンを切り替えることで、１次電流を一定以上の値とすることが可能となり、トルク制御精度を向上させることができる。
界磁基準の設定方法は実施の形態１で説明したのと全く同様に実施することができる。
【００１７】
最大ロール径Dmaxにおける最大レートでの加減速時に必要なトルクT_maxに対し、各ロール径Dで必要な加減速トルクτを求め、このτを実施の形態１における定速運転中に必要なトルクT_constと同様に考えて、界磁基準パターンを決定すればよい。
ロール径をスプール径D_coreから満貫径D_maxまでをいくつかの範囲に分け、これら各ロール径の範囲に対してそれぞれ加減速中の界磁基準パターンを設ける事で、ロール径が小さくなった場合の加減速中においてもより高精度のトルク制御を実現することが可能となる。
【００１８】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４における交流電動機の駆動制御装置について、図６に基づいて説明する。
図６においては、実施の形態３の制御ブロック図に対してトルク基準T_Rの信号が磁束基準パターン選択回路２０に渡され、磁束基準パターン選択回路２０はロールの運転状態（加減速中・定速運転中）、ロール径に加え、紙ロール等の巻取り・巻戻し装置が巻取り・巻き戻しの際要求されるトルク基準も考慮して界磁基準パターンを切換える機能を有している。
紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置においては、巻姿を揃えるために一定の張力で紙を張りながらロールを巻いていくことが必要になる。
あるロール径Dにおいて張力TENS＿Rでロールを巻き取る・巻戻す為に必要なトルクTは
T  ＝  TENS_R・D/２
で表すことができ、張力を一定に保つためにはロール径によってトルクを変化させてやる必要がある。
そこで、ロール径検出の結果を元に加減速中の界磁基準を切換えるだけではなく、定速運転・加減速運転・非常停止中に関わらず要求されるトルクに応じて界磁基準のパターンを設定し、要求されるトルクに応じて切換える機能を磁束基準パターン選択回路２０に備えさせたものである。
【００１９】
具体的な動作について説明する。
紙ロール等の巻取り・巻き戻し装置の巻取り・巻き戻し軸を駆動する為の交流電動機に要求されるトルクを非常停止、加減速、定速運転を含めて幾つかの要求トルク範囲に分割し、この要求トルクに応じて界磁基準パターンを図７のように複数個設けておく。なおそれぞれの要求トルク範囲に設定される界磁基準パターンの設定方法は実施の形態１と同様に算出する事が可能である。
【００２０】
加減速に必要なトルクはその巻取り対象である紙の密度等からGD2が計算できるので、GD2と加減速レートから算出される必要トルクもロール径と加減速レートから算出する事が可能である。
一方張力を一定に保つために必要なトルクも同様にロール径が判れば前式で算出する事ができる。
つまり加減速レートとロール径が判明すれば、交流電動機に要求される必要トルクを算出することができる事になる。
【００２１】
検出されたロール径と、ロールの運転状態を元に予め設定された界磁基準を切換え、交流電動機の１次電流がある一定以上となるように制御する。これにより電流検出器３で検出される電流値が電流検出器の定格に対して著しく小さくなることがなくなり、常に一定以上の大きさの電流値として検出する事が可能となる。
また１次電流値が電流検出器の動作範囲として適当な範囲に収まることでその検出精度はあがり、その結果交流電動機に対するトルク制御の制御精度も向上する。
以上述べたように、要求トルクに応じて界磁基準パターンを切換えることが、交流電動機の１次電流の大きさを適当な値にまで大きくすることを可能にし、トルク制御の精度向上、製品の巻姿向上を見込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の実施の形態１における交流電動機の駆動制御装置を示す制御ブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１における交流電動機の駆動制御装置の界磁基準パターンの一例を示す特性図である。
【図３】この発明の実施の形態１における交流電動機の駆動制御装置の界磁基準パターンを変えたときの１次電流の変化を示すベクトル図である。
【図４】この発明の実施の形態２における交流電動機の駆動制御装置を示す制御ブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態３における交流電動機の駆動制御装置を示す制御ブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態４における交流電動機の駆動制御装置を示す制御ブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態４における交流電動機の駆動制御装置の界磁基準パターンの一例を示す特性図である。
【図８】従来の交流電動機の駆動制御装置を示す制御ブロック図である。
【図９】交流誘導電動機の電流位相の関係を示す特性図である。
【図１０】従来の交流電動機の界磁基準パターンの一例を示す特性図である。
【図１１】従来の交流電動機の１次電流のベクトル分解図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  交流誘導電動機
２  インバータ制御装置
３  速度検出器
４  電流検出器
５  ＰＷＭ制御回路
６  第１座標変換回路
７  第２座標変換回路
８  電流制御回路
９  １次磁束成分電流基準演算回路
１０  すべり周波数演算回路
１１  積分器
１２  トルク基準切換回路
１３  張力制御回路
１４  速度制御回路
１５  磁束基準設定回路
１６  張力基準設定器
１７  回転子位置変換器
１８  微分器
１９  運転状態判定回路
２０  磁束基準パターン選択回路
２１  巻取り・巻戻しロール
２２  巻径センサ
２３  ロール径検出回路
２４  加減速補償トルク演算回路
２５  ライン速度（MRH）設定回路 
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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