(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
速度指令NREFと電動機平均速度NMAVGから速度偏差信号を演算する手段と、
前記速度偏差信号を入力してトルク指令信号TRFAを生成する速度制御器と、
前記トルク指令信号TRFAと後記加速トルク信号TMAFBとのトルク偏差信号入力してトルク補償信号TRFLを生成し、該トルク補償信号TRFLと前記トルク指令信号TRFAとを加算した信号TRFMを電動機トルク制御部へ出力する加速トルク制御部と、
前記電動機平均速度NMAVGを微分した信号DNMFBと前記電動機平均速度NMAVGを微分した信号DNMFBに外乱抑制ゲインGFを乗じた信号DＮMFBXとを加えた信号に電動機部の慣性時定数を乗じた信号を加速トルク信号TMAFBとして前記加速トルク制御部へ出力する全慣性加速トルク演算部と、
前記電動機平均速度NMAVGと前記トルク補償信号TRFLを入力して機械負荷トルクを推定する機械負荷トルク推定演算器とを備え、
前記機械負荷トルク推定演算器は、駆動軸に挿入された減速機の駆動方向効率のモデル値ηGE0と前記トルク補償信号TRFL及び前記電動機平均速度NMAVGから次式、
NMAVG×TRFL>0  のとき  TL2E=TRFL×ηGE0  、
NMAVG×TRFL<0  のとき  TL2E=TRFL/ηGE0 
により機械負荷トルクの推定値ＴL2Eを演算することを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記電動機平均速度NMAVGを微分した信号DNMFBに代えて該信号DNMFBを信号出力制限器を介して出力した信号DNMFBLを用いることを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記信号DNMFBLにバンドパスフィルタを介して出力した信号に外乱抑制ゲインGFを乗じることを特徴とする請求項２記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振系を有する２慣性系又は多慣性系の駆動系における負荷外乱の影響軽減に関し、詳しくは、電動機の脈動トルクあるいは機械の負荷トルクの周期的な変動によって引き起こされる機械の運転速度の変動に対しても十分な抑制効果が得られるように改良された多慣性系の機械速度変動抑制方法と制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の負荷トルク変動による速度変動の抑制方法には、例えば、特許文献１に開示の「電動機速度制御系におけるねじり振動抑制方法」等が挙げられる。
図６は、一般的な可変速駆動装置の機構図を示すもので、機械５には電動機２により減速機６と低剛性の駆動軸４を介して回転トルクが伝達される。可変速制御装置１は、電動機２に取り付けられた速度検出器３により検出した信号を速度帰還信号として電動機２の速度を制御している。
以下、従来技術の実施例として、デジタル演算器又はアナログ演算器により構成した、速度制御装置の構成を示すブロックダイヤグラムを図７に示す。図７では、平均速度演算器２３によって電動機に取り付けた速度検出器３(図６参照)の信号について一定周期ｔs間の平均値を演算する。この一定周期毎の平均速度の演算方法は、例えば、速度検出器がパルス信号発生器であれば、速度検出器３より出力される周期ｔs間のパルス信号計数値をｔsで割ることによってｔs間の平均周波数として、ｔs間の平均速度を求めることができる。
アナログ式の速度検出発電機の場合は、一定周期ｔs間で速度検出器の信号をn回読み、これらの信号の合計値の1/n をｔs間の平均速度とすることができる。
この一定周期毎の電動機平均速度をNMAVGとし、まず速度制御器１１の動作について説明する。
速度指令NREFと電動機平均速度NMAVGとの速度偏差を演算し、その速度偏差信号を速度制御器１１に入力すると、速度制御器１１が比例ゲインと積分器を持つ場合は、その偏差信号を速度制御器１１により増幅した信号を加速トルク指令TRFA として出力する。
【０００３】
次に、電動機部慣性加速トルク演算器２４の動作について説明する。
一定周期毎の電動機平均速度NMAVGが電動機部慣性加速トルク演算器２４に入力されると、電動機平均速度NMAVGを微分した値に電動機部(図６の構成では電動機と減速機を合わせた慣性)の慣性時定数τM を乗じた値の信号TMAFB を出力する。この信号TMAFBは電動機部慣性加速トルク信号TMAFBとなる。
次に、加速トルク制御器２５の動作について説明する。
速度制御器１１の出力のトルク指令信号TRFAを加速トルク指令とし、その指令に対し電動機部慣性加速トルク演算器２４の出力信号TMAFBを電動機部慣性の加速トルク信号として帰還し、その２つの信号の偏差を加速トルク制御器２５に入力すると、加速トルク制御器２５は、その２つの信号偏差の信号に比例ゲインGを乗じた信号と、その信号を時定数τL1にて積分して得られた信号を加えたトルク補正信号TRFLを出力し、電動機部慣性加速トルク信号TMAFBが、速度制御器１１の出力のトルク指令信号TRFAに一致するようにトルク補正信号TRFLを制御する。  
速度制御器１１の出力のトルク指令信号TRFAと加速トルク制御器２５の出力信号TRFLを加えた信号をトルク指令TRFMとして電動機のトルク制御を行うことにより電動機部慣性加速トルクの外乱となっている電動機負荷トルクTL1に対しては、加速トルク制御器２５の出力の電動機トルク補償信号TRFLによって打ち消す方向に制御される結果、加速中や負荷急変時の駆動軸のねじれによって発生する電動機の外乱トルクを打ち消す方向に作用して、電動機の速度変動が抑制される。
【特許文献１】特許第３１７３００７号広報(第６〜７頁、図１、図９)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術では、電動機や制御装置によって引き起こされる駆動系の脈動トルクや電動機の負荷トルク等を外乱トルクとして推定して、それらの外乱トルクを打ち消すように電動機トルクを補償する方法を用いているので、低剛性の駆動軸を介して電動機と接続された多慣性系機械の負荷トルクが周期的に変動する場合などに発生する機械速度の微弱な変動に対しては、十分な速度変動抑制効果が得られない問題があった。
このために、機械の速度や加速度に微弱な周期的な変動の発生も許容されない設備、例えば、エレベータのかごの加速度振動や印刷機の印刷ロールの周期的な負荷変動による速度変動などには、適用上の問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、従来の技術に採用されていた電動機の負荷トルクを推定して電動機の負荷トルクを打ち消すように電動機トルクを補償する方法に代わって多慣性系機械の負荷トルクを推定し、その負荷トルクを打ち消すように電動機トルクを補償することによって機械速度の変動を良好に抑制できる電動機制御方法およびその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】
【０００５】
上記問題を解決するため、請求項１記載の電動機制御装置の発明は、速度指令NREFと電動機平均速度NMAVGから速度偏差信号を演算する手段と、前記速度偏差信号を入力してトルク指令信号TRFAを生成する速度制御器と、前記トルク指令信号TRFAと後記加速トルク信号TMAFBとのトルク偏差信号入力してトルク補償信号TRFLを生成し、該トルク補償信号TRFLと前記トルク指令信号TRFAとを加算した信号TRFMを電動機トルク制御部へ出力する加速トルク制御部と、前記電動機平均速度NMAVGを微分した信号DNMFBと前記電動機平均速度NMAVGを微分した信号DNMFBに外乱抑制ゲインGFを乗じた信号DＮMFBXとを加えた信号に電動機部の慣性時定数を乗じた信号を加速トルク信号TMAFBとして前記加速トルク制御部へ出力する全慣性加速トルク演算部と、
前記電動機平均速度NMAVGと前記トルク補償信号TRFLを入力して機械負荷トルクを推定する機械負荷トルク推定演算器とを備え、前記機械負荷トルク推定演算器は、駆動軸に挿入された減速機の駆動方向効率のモデル値ηGE0と前記トルク補償信号TRFL及び前記電動機平均速度NMAVGから次式、
NMAVG×TRFL>0  のとき  TL2E=TRFL×ηGE0  、
NMAVG×TRFL<0  のとき  TL2E=TRFL/ηGE0 
により機械負荷トルクの推定値ＴL2Eを演算することを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動機制御装置の発明において、前記電動機平均速度NMAVGを微分した信号DNMFBに代えて該信号DNMFBを信号出力制限器を介して出力した信号DNMFBLを用いることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の電動機制御装置の発明において、前記信号DNMFBLにバンドパスフィルタを介して出力した信号に外乱抑制ゲインGFを乗じることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の請求項１記載の発明によると、多慣性系機械の周期的な負荷トルク変動により発生する機械の速度変動を抑制する制御において、機械負荷トルク推定演算器により多慣性系機械の負荷トルクを演算推定することができ、各種機械のセンサレス制御に応用できる。これについては、図５に機械負荷トルクの推定特性のシミュレーション結果を示す。周期的な負荷トルク変動に対し、機械の負荷トルク推定値ＴＬ２Ｅは機械負荷トルクＴＬ２に、良好に追従している特性を示していることより実証される。
また、請求項２記載の発明によると、多慣性系機械の周期的な負荷トルク変動により発生する機械の速度変動を抑制する制御において、信号出力制限器により電動機速度の過大な微分信号を除去することにより制御の安定性が向上でき、外乱抑制ゲインをより高く設定することができ、多慣性系機械の周期的な負荷変動により発生する機械の速度変動を更に小さく抑制制御することができる。
また、請求項３記載の発明によると、多慣性系機械の周期的な負荷トルク変動により発生する機械の速度変動を抑制する制御において、ローパスフィルタにより電動機速度の微分信号の高い周波数成分を除去し、ハイパスフィルタにより低周波領域における速度制御系との制御干渉を防ぐことにより制御の安定性が向上でき、外乱抑制ゲインをより高く設定することができ、多慣性系機械の周期的な負荷変動により発生する機械の速度変動を更に小さく抑制制御することができる。
以上については、機械負荷トルクの周期的な変動に対する機械速度変動の抑制効果例をシミュレーション結果にて示すと、図８は、従来のモータトルクと機械負荷トルクと、負荷トルクオブザーバ出力と、機械速度偏差と、の４項目で機械速度変動抑制特性を示した図であり、図４に示す本発明の同項目の機械速度変動抑制特性と比較すれば、機械速度偏差等から、本発明（請求項１〜３適用）の適用により、従来技術の適用に比して機械速度の変動が約１／５．６に縮小する効果が出ていることが実証できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１に係る電動機制御装置の制御ブロック図、図２は本発明の実施例２に係る電動機制御装置の制御ブロック図、図３は本発明の実施例３に係る電動機制御装置の制御ブロック図である。
【実施例１】
【００１０】
そこで、まず、本発明の実施例１について図１を用いて説明する。
図１の制御ブロック図において、１は可変速制御装置、１７は電動機トルク制御部、１２は電動機部の慣性を表すブロック、１８は電動機の負荷を表すブロックである。
図１の装置が図７に示す従来装置と異なるのは、図７の電動機のみの電動機部慣性加速トルク演算器ブロック２４に代えて、図１における電動機と機械の両方を合わせた全慣性加速トルク演算部２９で置き換えた点である。なお、図１中の符号で図７中の符号と同じものは、図７の従来図の対向部分と同一構成を表しているので、重複説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
先ず、電動機部と機械を合わせた全慣性加速トルク演算部２９の動作について説明する。
平均速度演算器２３からの電動機平均速度NMAVGが全慣性加速トルク演算部２９に入力されると、電動機平均速度NMAVGを電動機速度微分器３０により微分した信号DNMFBと、この電動機速度微分演算器３０により微分した信号DNMFBに外乱抑制制御器３２の外乱抑制ゲインGFを乗じた信号DNMFBXとを加えた信号に電動機部の慣性時定数ブロック３１の時定数τM を乗じて、電動機部と機械を合わせた全慣性加速トルク信号TMAFBを演算する。
次に、加速トルク制御器２５を含む加速制御ブロック２７では、速度制御器１１の出力のトルク指令信号TRFAを加速トルク指令とし、その指令TRFAに対し、全慣性加速トルク演算器２９の出力信号TMAFBを帰還し、その２つの信号の偏差を加速トルク制御器２５に入力すると、加速トルク制御器２５は、その２つの信号偏差の信号に比例ゲインGを乗じた信号と、その信号を時定数τL1にて積分して得られた信号を加えた電動機トルク補正信号TRFLを出力し、全慣性加速トルク信号TMAFBが、速度制御器１１の出力のトルク指令信号TRFAに一致するようにトルク補正信号TRFLを制御する。
以上が従来技術と異なる実施例１について説明したが、これ以外の機械の負荷トルク変動による機械の速度変動抑制制御方法は、従来技術と全く同じであるので説明は省略する。
【実施例２】
【００１１】
次に、本発明の実施例２について図２を用いて説明する。
図２に示す本発明の実施例２が、図１に示す実施例１と異なる構成は、全慣性加速トルク演算部２９の構成で、電動機速度微分器３０の次段に信号出力制限器３２を挿入し、外乱抑制制御器３２の前段にローパスフィルターとハイパスフィルターで構成するバンドパスフィルター３４を挿入し、更に、機械負荷トルクを演算推定する機械負荷トルク推定演算器３５を備えた構成である。なお、その他の同一構成には同一符号を付して重複する説明は省略する。
つぎに動作について説明する。
先ず、駆動系加速トルク演算器２９の動作について説明する。
電動機平均速度NMAVGが全慣性加速トルク演算部２９に入力されると、この電動機平均速度NMAVGを電動機速度微分器３０で微分した信号DNMFBを信号出力制限器３３を介して出力した信号DNMFBLと、この信号出力制限器３３の出力信号DＮMFBLを電動機速度の微分信号の高い周波数成分を除去するＬＰＦと低周波領域における速度制御系との制御干渉を防止して制御の安定を計るＨＰＦで構成するバンドパスフィルタ３４を通した後、外乱抑制制御器３２の外乱抑制ゲインGFを乗じた信号DNMFBXとを加えた信号に、電動機部慣性時定数ブロック３１の時定数τM を乗じると電動機部と機械を合わせた全慣性加速トルク信号TMAFBが得られる。
次に、加速トルク制御器２５を有する加速トルク制御ブロック２７では、速度制御器１１の出力のトルク指令信号TRFAを加速トルク指令とし、その指令に対し、全慣性加速トルク演算部２９の出力信号TMAFBを加速トルク信号として帰還し、その２つの信号の偏差を加速トルク制御器２５に入力すると、加速トルク制御器２５はその２つの信号偏差の信号に比例ゲインGを乗じた信号と、その信号を時定数τL1にて積分して得られた信号を加えて得られる電動機トルク補正信号TRFLを出力し、先の全慣性加速トルク信号演算部２９より出力されたTMAFBが、速度制御器１１の出力のトルク指令信号TRFAに一致するように電動機トルク補正信号TRFLをより安定に制御する。
【００１２】
次に、機械負荷トルク推定演算器３５の動作については、機械負荷トルク推定演算器３５は、加速トルク制御器２５の出力信号TRFLと前記電動機平均速度NMAVG及び減速機６に関する駆動方向効率のモデル値ηGE0から次式の演算を行って、多慣性系機械の負荷トルク制御の機械の負荷トルク推定信号TL2Eを演算する。
ＮＭＡＶＧＴＲＦＬ＞０  のとき  ＴＬ２Ｅ＝ＴＲＦＬ×ηＧＥＯ、
ＮＭＡＶＧＴＲＦＬ＜０  のとき  ＴＬ２Ｅ＝ＴＲＦＬ／ηＧＥＯ、
その他のブロックの動作は実施例１と同じであり、重複する説明は省略する。
【実施例３】
【００１３】
次に、本発明の実施例３について図３を用いて説明する。
第２の実施例は、本発明の２慣性系への実施例であるのに対し、第３の実施例は、本発明の３慣性系以上の多慣性系への実施例である。実施例２と実施例３は機械系のモデルが異なるが、制御部は全く同じである。
以下機械系のモデルのブロックの部分のみを説明する。
機械部のn個の慣性体、第１慣性系ｉ＝１の慣性ブロック４４、第２慣性系ｉ＝２の慣性ブロック４５、第ｎ慣性系ｉ＝ｎの慣性ブロック４６は、慣性時定数τL1 ~τLn によって表されている。これらのn個の慣性体は、弾性体の駆動軸によって連結され、各慣性系の駆動軸の剛性を表すブロック４１〜４３は、駆動軸のn個のねじり剛性時定数τV1−τVn によって表される。
機械系が実施例２とは異なる多慣性系であっても多慣性機械の周期的な負荷変動によって発生する機械の速度変動を抑制制御することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
本発明では、機械負荷トルクの周期的な変動による機械速度の変動は、従来の場合の数分の１に縮小可能となり、クレーン設備のセンサレス振れ止め制御、輪転機の外乱抑制制御、エレベータの制振制御などへ好適な適用効果が発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係る電動機制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施例２に係る電動機制御装置のブロック図である。
【図３】本発明の実施例３に係る電動機制御装置のブロック図である。
【図４】本発明による機械速度変動抑制特性シミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明による機械負荷トルク推定特性シミュレーション結果を示す図である。
【図６】機械速度制御装置の構成図である。
【図７】従来の電動機制御装置のブロック図である。
【図８】従来の機械速度変動抑制特性シミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１  可変速制御装置
２  電動機
３  電動機速度検出器
４  駆動軸
５  負荷機械
６  減速機
１０  速度指令器
１１  速度制御器
１２  電動機部の慣性を表すブロック
１３  駆動軸の剛性を表すブロック
１４  機械の慣性を表すブロック
１５  機械の負荷トルクを表すブロック
１６  減速機の作用効率を表すブロック
１７  電動機トルク制御部
１８  電動機の負荷を表すブロック
２３  電動機平均速度演算器
２５  加速トルク制御器
２７  加速トルク制御ブロック
２９  電動機部と機械を合わせた全慣性加速トルク演算部
３０  電動機速度微分演算器
３１  電動機部慣性時定数を表すブロック
３２  外乱抑制ゲインGFを表すブロック
３３  信号出力制限器
３４  バンドパスフィルタ“LPFとHPFにて構成)
３５  機械負荷トルク推定演算器  
４１〜４３  多慣性系の駆動軸の剛性を表すブロック
４４〜４６  多慣性系の慣性を表すブロック
【図１】
0004893039.tif 000002
【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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