(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電動機により負荷分担をさせながら機械システムを駆動する駆動制御装置において、
１つの電動機をクローズドループによって速度制御するマスター制御装置と、残りの電動機をクローズドループによって速度制御するスレーブ制御装置との間を光通信路によって結合し、前記マスター制御装置から所定のタイミングで前記電動機の制御情報を前記スレーブ制御装置に伝送するように構成され、
前記複数の電動機は、それぞれ前記マスター制御装置、及び前記スレーブ制御装置により３相の電圧指令によってＰＷＭ制御されるものであって、
前記マスター制御装置は、速度指令と速度検出値とに基づいて所定の周期でトルク指令を演算するマスター側自動速度調節手段を備え、前記スレーブ制御装置に対して所定の周期で演算されたトルク指令を伝送し、
前記スレーブ制御装置は、前記速度指令と速度検出値との偏差がゼロになるように動作するスレーブ側自動速度調節手段の出力を前記トルク指令に加算する加算手段を備え、
前記マスター制御装置でＰＷＭ制御のタイミングを決定するキャリア情報を前記スレーブ制御装置と共有するようにしたことを特徴とする電動機の駆動制御装置。
【請求項２】
前記電動機の制御情報には、前記マスター制御装置の磁束指令（Φ＊）、励磁電流指令（ｌｄ＊）、位相角指令（θ＊）、１次角周波数指令（ω１＊）を含むことを特徴とする請求項１記載の電動機の駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の電動機により負荷分担をさせながら機械システムを駆動する電動機の駆動制御装置に関し、特に、誘導電動機、同期電動機などを可変速制御して、複数の電動機間の負荷分担を均等に行うようにしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、機械システムを電動機により所定の速度で運転するには、機械システムに加わる負荷の変動に即応しながら電動機を速度制御する必要がある。
【０００３】
図２は、電動機をフルクローズドループによって速度制御する駆動制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置１には速度指令が与えられ、電動機２はエンコーダ３ａで検出された速度検出信号との差信号に基づく駆動指令によって駆動される。電動機２にはギア４、シャフト（軸）５を介して回転体（制御対象機械）６が接続され、エンコーダ３ａで回転体６の速度を検出して、制御装置１に対して速度検出値をフィードバックするようにしている。
【０００４】
図３は、１台の電動機によって機械系を速度制御するセミクローズドループ制御の一例を示すブロック図である。
制御装置１は、速度指令に基づいて電動機２を駆動するとき、エンコーダ３ｂで電動機２の回転速度を検出している。これにより、電動機２とギア４、シャフト（軸）５を介して接続された回転体（制御対象機械）６を速度制御している。しかし、実際にはギア４、シャフト（軸）５の剛性や偏芯など、機械系の問題によって発生する振動を抑制するには、種々の調整、制振制御が必要であり、したがって回転体６を完全に速度制御することはできなかった。
【０００５】
また、駆動容量の大きな機械、例えばトンネル掘削用のカッタ回転機構を備えたシールドマシーン（掘進機）を駆動する場合に、複数の電動機を回転機構に接続して負荷分担するようにしており、一般に大容量の電動機を１台だけ用いて駆動することはない。
【０００６】
さらに、自動車用ミッション試験機の車軸を両端から駆動する場合や、印刷機などにおける巻取り部のシャフトを両軸駆動する場合など、通常の機械システムでは、複数の電動機を配置して負荷分担させて駆動するようにしている。１台の電動機で駆動するものに比較して、ｎ台の電動機で負荷分担させた駆動制御装置では、制御装置、電動機ともに１／ｎの容量のものが使用できる。また、ｎ台の電動機で負荷分担していれば、１台の制御装置、電動機が故障しても、残りの（ｎ−１）台の電動機で機械システムの動作を継続することが可能になり、システムの利便性、システムの信頼性などを向上することができるとともに、トータルな機械システムの設置スペースが削減でき、コストダウンなども可能になるからである。
【０００７】
しかも、複数の電動機によって機械系を駆動する場合には、アクティブに制振制御を実施することができる。
図４は、２台の電動機を用いて機械系を速度制御するクローズドループ制御の一例を示すブロック図である。
【０００８】
第１制御装置１０１は、速度指令に基づいて第１電動機１０２を駆動するとき、エンコーダ１０３で第１電動機１０２の回転速度を検出している。これにより、ギア１０４、シャフト（軸）１０５を介して第１電動機１０２と接続された回転体（制御対象機械）６を速度制御している。一方、第２制御装置２０１においても、第１制御装置１０１と同じ速度指令に基づいて第２電動機２０２を駆動しており、エンコーダ２０３で第２電動機２０２の回転速度を検出している。これにより、第２電動機２０２はギア２０４、シャフト（軸）２０５を介して回転体６の一端側に接続され、第１電動機１０２と負荷分担をしながら制御対象機械６の速度制御を行うようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、機械システムを複数の電動機により所定の速度で運転する際に、負荷分担しながらそれぞれの電動機の速度を制御する方法としては、従来から（１）ドループ制御、（２）トルク制御、及び（３）パルス列制御による方法が知られていた。
【００１０】
（１）ドループ制御とは、１つの電動機をマスター制御装置によって速度制御し、その他の電動機はスレーブ制御装置によってその速度を負荷の大きさに応じて小さく垂下させ、負荷分担する方法である。汎用的な駆動装置に標準内蔵されたドループ制御機能は、高い応答性を有しておらず、調整が難しいこと、精密に速度制御を行えないことなどから、高性能な制御精度を必要としない巻取り装置などにだけ利用されている。
【００１１】
すなわち、この方法は高い速度制御精度が要求されるような印刷機の制御や、切削加工機、自動車ミッション用の試験機のように、速度応答が必要な電動機の制御には適用することができないという問題があった。
【００１２】
（２）トルク制御とは、マスター制御装置によって電動機の速度制御を行う場合に、そのトルク指令出力をスレーブ制御装置にも伝送して、複数の電動機に対して同じトルク指令を与えて、負荷分担させる方法である。この方法は、高い速度制御精度が要求される印刷機、速度応答が必要な電動機の制御にも適用することができる利点がある。
【００１３】
しかし、マスター制御装置からのトルク指令をスレーブ制御装置に伝送する場合に、アナログ信号でやりとりされているから、伝送経路におけるノイズの影響を受けやすいという問題があった。しかも、伝送経路におけるノイズ対策として、フィルタを介在させた場合には、応答性が損なわれるだけでなく、フィルタが制御の不安定要因となるなど、別の新たな問題が引き起こされる。このように、トルク制御による負荷分担では、スレーブ側への指令データが不正確になって、トルクバランスが崩れるなど、機械システムの振動要因となりやすい。
【００１４】
（３）パルス列制御とは、パルス列信号を用いて電動機を位置制御しながら駆動する方法である。
ところが、パルス列制御によって負荷分担して、１つの機械を駆動する場合には、ＰＬＣ装置を上位に配置して、パルス列信号を複数台の制御装置に伝送しなければならない。また、複数台の電動機をパルス列信号によって位置制御するようにしているために、それぞれが機械的に精密に構成されていない場合には、公平な負荷バランスを取り難いなど、一般には精密機械だけについて適用が可能にすぎないものであった。
【００１５】
この発明の目的は、複数の電動機を所定の速度で運転して機械システムを駆動する際に、機械システムの信頼性、メンテナンス性の向上が可能な電動機の駆動制御装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、複数の電動機により負荷分担をさせながら機械システムを駆動する駆動制御装置が提供される。この電動機の駆動制御装置は、１つの電動機をクローズドループによって速度制御するマスター制御装置と、残りの電動機をクローズドループによって速度制御するスレーブ制御装置との間を光通信路によって結合し、前記マスター制御装置から所定のタイミングで前記電動機の制御情報を前記スレーブ制御装置に伝送するように構成され、前記複数の電動機は、それぞれ前記マスター制御装置、及び前記スレーブ制御装置により３相の電圧指令によってＰＷＭ制御されるものであって、前記マスター制御装置は、速度指令と速度検出値とに基づいて所定の周期でトルク指令を演算するマスター側自動速度調節手段を備え、前記スレーブ制御装置に対して所定の周期で演算されたトルク指令を伝送し、前記スレーブ制御装置は、前記速度指令と速度検出値との偏差がゼロになるように動作するスレーブ側自動速度調節手段の出力を前記トルク指令に加算する加算手段を備え、前記マスター制御装置でＰＷＭ制御のタイミングを決定するキャリア情報を前記スレーブ制御装置と共有している。
【００１７】
ノイズの影響の少ない光通信路を利用したので、トルク指令、励磁電流指令、１次角周波数指令、キャリアスイッチングのタイミング情報など、電動機のベクトル制御に必要な指令データを高速周期でマスター制御装置からスレーブ制御装置に与えることにより、剛性を強めるなど、機械システム側での制振制御対策を行わないでも、振動、騒音の要因を除去して、機械系の調整を簡単化することができる。
【００１８】
また、伝送されるデータに遅れ要素があると、自励振動や持続振動が生じる場合もあったが、光通信路を介してデータ転送を行うことで、機械の応答速度に比べて十分に高速な周期でデータを伝送でき、ノイズによるエラーをなくして、通信リトライ動作を抑制して、安定した動作が可能になる。
【００１９】
さらに、ＰＷＭのスイッチグタイミングや、３相の出力電流の位相が、マスター、スレーブ装置の間で完全に一致するから、あたかもひとつの電動機だけを用いてひとつの機械を駆動しているようなシステムを構成できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、２台の電動機を可変速制御するための駆動制御装置を示すブロック図である。
【００２１】
この駆動制御装置は、マスター制御装置１００とスレーブ制御装置２００とから構成されている。マスター制御装置１００は第１電動機１０２を速度指令ωｒ＊によって駆動するものであって、第１電動機１０２の実際の回転速度を検出するために設けられたパルスジェネレータなどのエンコーダ１０３から速度検出値ωｒがフィードバックされている。スレーブ制御装置２００は第１電動機１０２と同じ容量の第２電動機２０２を駆動するものであって、第２電動機２０２の回転速度を検出するために設けられたパルスジェネレータなどのエンコーダ２０３から速度検出値ωｒがフィードバックされている。これらのマスター制御装置１００とスレーブ制御装置２００は、互いに光伝送路３００によって結合され、後に詳述する各種の情報をマスター制御装置１００からスレーブ制御装置２００に伝送している。また、第１、第２電動機１０２，２０２は、それぞれギア１０４，２０４によって回転体（制御対象機械）６の両軸と接続され、負荷分担しながら回転体６を駆動することによって、あたかもひとつの電動機だけを用いてひとつの機械を駆動しているようなシステムを構成している。
【００２２】
次に、マスター制御装置１００の構成について説明する。
図１において、１１は自動速度調節器（ＡＳＲ）であって、マスター制御装置１００に対して外部から供給される速度指令ωｒ＊とエンコーダ１０３からフィードバックされる速度検出値ωｒとに基づいて、速度調節のためのトルク指令τ＊を生成している。自動速度調節器１１は、割り算器１２を介して自動電流調節器（ＡＣＲ）１３と接続されている。自動電流調節器１３では、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊とｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とを遅延補正器１４を介してベクトル変換器（ＶＤ）１５に供給している。このベクトル変換器１５では、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊とｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とからＵ，Ｖ，Ｗ３相の電圧指令（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）を生成している。
【００２３】
１６は６個のトランジスタスイッチから構成されるトランジスタスイッチング回路であって、所定の周波数のキャリア信号を生成するキャリア信号発生器１７を備え、３相の電圧指令（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）に対して所定の搬送波（キャリア信号）によって、第１電動機１０２への１次電流に対するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行っている。１８は、第１電動機１０２への１次電流の検出値ｉｕ，ｉｗと位相角指令θ＊からトルク電流検出値ｌｑと励磁電流検出値ｌｄとを生成するためのベクトル変換器（ＶＤ）である。１９は、速度検出値ωｒから磁束指令Φ＊を演算するための磁束演算器である。ここで演算された磁束指令Φ＊に基づいて、磁束調節器（ＡΦＲ）２０では励磁電流指令ｌｄ＊を演算している。
【００２４】
２１は周波数演算器であって、磁束指令Φ＊とトルク電流検出値ｌｑとから滑り周波数指令ωｓ＊を演算している。演算された滑り周波数指令ωｓ＊は、加算器２２の一方入力となり、エンコーダ１０３からフィードバックされる速度検出値ωｒと加算される。積分器３は、加算器２２の加算結果である１次角周波数指令ω１＊から位相角指令θ＊を生成している。
【００２５】
また、マスター制御装置１００内には光信号送信器２４が備えられており、ここで、上述した各回路で生成されているトルク指令τ＊、磁束指令Φ＊、励磁電流指令ｌｄ＊、位相角指令θ＊、１次角周波数指令ω１＊の他、キャリア信号発生器１７のキャリア情報が光信号に変換され、光伝送路３００を介してスレーブ制御装置２００に送り出されている。
【００２６】
次に、スレーブ制御装置２００の構成について説明する。
光信号受信器２５は光伝送路３００と接続され、マスター制御装置１００から光信号を受信して各種の制御情報に変換した上で、スレーブ制御装置２００を構成する対応回路部分に与えるようにしている。なお、マスター制御装置１００内の構成部分と対応するスレーブ制御装置２００内の回路には同一の符号を付けてある。
【００２７】
２６は加算器であって、マスター制御装置１００から転送されてきたトルク指令τ＊とスレーブ制御装置２００内の自動速度調節器（ＡＳＲ）１１で生成されるトルク指令τ＊との差を演算している。位相角補正器２７は、マスター制御装置１００から転送されてきた位相角指令θ＊及び１次角周波数指令ω１＊に基づいて、スレーブ制御装置２００で必要な補正された位相角指令θｓ＊を演算するものである。
【００２８】
また、割り算器１２にはマスター制御装置１００から転送されてきた磁束指令Φ＊が入力され、自動電流調節器（ＡＣＲ）にもマスター制御装置１００から転送されてきた励磁電流指令ｌｄ＊が入力されている。さらに、キャリア信号発生器１７にはマスター制御装置１００と同じキャリア情報が入力され、トランジスタスイッチング回路１６でのＰＷＭ制御を同一のタイミングで行うようにしている。
【００２９】
次に、以上のように構成される駆動制御装置の動作について説明する。
マスター制御装置１００とスレーブ制御装置２００とは、それぞれ第１電動機１０２、第２電動機２０２の速度制御を行いながら、同一の回転体６を負荷分担することによって、安定した速度制御を行うことができる。マスター制御装置１００では、速度指令ωｒ＊が自動速度調節器１１に入力されると、速度検出値ωｒとの差分をゼロに収束させるように動作する。さらに、この自動速度調節器１１の出力であるトルク指令τ＊は、割り算器１２で磁束指令Φ＊によって除算されて、トルク電流指令ｌｑ＊が求められる。ベクトル変換器１８には第１電動機１０２の出力電流の検出結果と、位相角指令θ＊とが入力され、ベクトル変換によってトルク電流方向成分（ｑ軸成分）と磁束電流方向成分（ｄ軸成分）に対応するトルク電流検出値ｌｑと励磁電流検出値ｌｄが自動電流調節器１３に出力される。
【００３０】
自動電流調節器１３は、トルク電流指令ｌｑ＊とトルク電流検出値ｌｑとの差分、及び磁束調節器２０の出力である励磁電流指令ｌｄ＊と励磁電流検出値ｌｄとの差分をゼロに収束させるように動作する。自動電流調節器１３では、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊とｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を遅延補正器１４に出力し、この遅延補正器１４を介して遅延補正された電圧指令Ｖｑ、Ｖｄがベクトル変換器（ＶＤ）１５に供給される。ベクトル変換器（ＶＤ）１５では、２相／３相変換によりトランジスタスイッチング回路１６に対するＰＷＭ信号（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）を生成している。
【００３１】
トランジスタスイッチング回路１６では、Ｕ，Ｖ，Ｗ３相の電圧指令（Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊）とキャリア信号発生器１７とに基づき６つのスイッチング素子をオンオフ制御することによって、速度指令ωｒ＊に応じた駆動指令信号を第１電動機１０２に出力することができる。なお、以上のベクトル制御動作は一般的なものであって、スレーブ制御装置２００でも同様な動作が行われるが、これ以上の説明は省略する。
【００３２】
さて、図１に示すように、第１電動機１０２、第２電動機２０２ともに、減速ギア１０４，２０４を介して機械システムのシャフトや車軸などの回転体６と接続されている場合、２つの電動機の間での負荷分担と制振制御を精度良く行うことが課題となる。上述した実施の形態では、スレーブ制御装置２００に対して、マスター制御装置１００から光伝送路３００を介して高速周期でトルク指令τ＊を供給するようにしているので、２つの電動機１０２，２０２で同一の負荷分担を安定して行うことが可能になる。
【００３３】
また、マスター制御装置１００の各種制御情報、すなわち磁束指令Φ＊、励磁電流指令ｌｄ＊、位相角指令θ＊、１次角周波数指令ω１＊をスレーブ制御装置２００に高速で伝送することによって、スレーブ制御装置２００内での電流制御ループ、及びベクトル変換器１５，１８の演算動作をマスター制御装置１００側と同じ周期で行うようにしている。
【００３４】
その結果、電流制御で動作するスレーブ制御装置が速度制御されないことから振動発生に対して制御が不十分になる従来装置に比較した場合に、スレーブ制御装置２００に接続された電動機２０２をＰＧフィードバックにより速度制御し、マスター制御装置１００、スレーブ制御装置２００ともに速度制御についてはクローズドループ制御としたので、機械共振やバックラッシュによる振動を単純な速度調節器１１だけで抑制できる。したがって、インパクト負荷に対してもスレーブ制御装置２００側での負荷分担を確実に実行することができる。
【００３５】
さらに、キャリア信号発生器１７のキャリア情報をマスター制御装置１００とスレーブ制御装置２００とで共有するように構成しているので、トランジスタスイッチング回路１６でのＰＷＭ制御に起因するトルク脈動も同一のタイミングで発生することになり、回転体６に対する捻れストレスを効果的に抑制できる。
【００３６】
さらにまた、スレーブ制御装置２００に対して、マスター制御装置１００に対する速度指令ωｒ＊と同じ指令を入力することによって、スレーブ制御装置２００側ではフィードバックされる速度検出値ωｒとの差分がゼロになるように自動速度調節器１１を動作させるだけでなく、マスター制御装置１００からのトルク指令τ＊に自動速度調節器１１の出力を加算するように速度補償している。これによって、スレーブ制御装置２００をトルク指令だけで動作させた場合とは異なり、自動速度調節器１１が速度変動に伴う振動を減衰させる方向で作用することになるので、有効な制振制御を実行できる。
【００３７】
上述した実施の形態のものは、特にシールドマシーン（掘進機）など、大型機械を駆動したり、自動車用ミッション試験機の車軸を駆動したり、あるいは印刷機などにおける巻取り部のシャフトを駆動する電動機の駆動制御装置に適用して好適であって、以下のような利点がある。
【００３８】
第１に、機械システムに加わるインパクト負荷に対して、１台の電動機で運転しているのと変わらない速度制御動作が可能になるため、複数の電動機で負荷分担した場合でも、制御性能を劣化させないという利点がある。
【００３９】
第２に、ノイズの影響の少ない光通信システムを利用して、制御情報を伝送するようにしたので、伝送路がノイズフリーとなる利点がある。
第３に、マスター制御装置、スレーブ制御装置ともに、速度制御をクローズドループによって実行しているので、簡単な自動速度調節器（ＡＳＲ）によってアクティブに制振制御を行って、機械システムの振動発生に対処することができる。
【００４０】
第４に、それぞれマスター制御装置、スレーブ制御装置に光信号の送受信器を配置し、それらを光伝送路で相互に接続する光通信システムを構成しているので、パルス列信号やアナログ信号を用いる場合に比較してシールド配線が不要になるだけでなく、上位ＰＬＣなども不要となる利点がある。
【００４１】
第５に、マスター制御装置からスレーブ制御装置に対してキャリア情報を伝送するようにして、同一タイミングでのＰＷＭスイッチングを実現するように構成したので、複数の電動機を結合する機械システムに対する持続的な捻れストレスが除去できる利点がある。
【００４２】
第６に、ひとつの電動機で駆動される機械システムに比較して、機械部品点数が削減できるので、電動機を含む駆動制御装置の設置スペースが削減されるだけでなく、機械システムのコストダウン、信頼性の向上、メンテナンス性の向上が期待できる利点がある。
【００４３】
第７に、機械の調整を精密にする必要が無く、軸の剛性を高めるための調整も不要になるので、ギアの歯車等にバックラッシがあっても振動、騒音の要因にならないなど、機械系の調整が簡単になるという利点がある。
【００４４】
なお、上述した実施の形態では、スレーブ制御装置が１台だけのものについて説明したが、機械システムを３台以上の電動機によって負荷分担するものについても、マスター制御装置１００に接続されるスレーブ制御装置２００を増設することによって対処することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の電動機の駆動制御装置は、複数の電動機を所定の速度で運転して機械システムを駆動する際に、機械システムの信頼性、メンテナンス性の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電動機をフルクローズドループによって速度制御する駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】  電動機をフルクローズドループによって速度制御する駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】  １台の電動機によって機械系を速度制御するセミクローズドループ制御の一例を示すブロック図である。
【図４】  ２台の電動機を用いて機械系を速度制御するクローズドループ制御の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
６  回転体（制御対象機械）
１００  マスター制御装置
１０２  第１電動機
１０３，２０３  エンコーダ
１０４，２０４  減速ギア
２００  スレーブ制御装置
２０２  第２電動機
３００  光伝送路
１１  自動速度調節器（ＡＳＲ）
１２  割り算器
１３  自動電流調節器（ＡＣＲ）
１４  遅延補正器
１５，１８  ベクトル変換器（ＶＤ）
１６  トランジスタスイッチング回路
１７  キャリア信号発生器
１９  磁束演算器
２１  周波数演算器
２０  磁束調節器（ＡΦＲ）
２２，２６  加算器
２３  積分器
２４  光信号送信器
２５  光信号受信器
２７  位相角補正器
【図１】
0005194330.tif 000002
【図２】
0005194330.tif 000003
【図３】
0005194330.tif 000004
【図４】
0005194330.tif 000005