(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次回路開閉器のノッチ位置選択により２次抵抗の切替えを行うモータと、
前記モータの回転角速度を検出する角速度検出手段と、
前記角速度検出手段で検出された角速度に基づいて前記モータのスベリを算出するスベリ算出手段と、
前記モータの２次回路に接続される２次抵抗の抵抗値と前記モータの２次巻線の抵抗値に基づいて選択した前記ノッチ位置における２次抵抗値を算出する２次抵抗値算出手段と、
前記スベリ算出手段によって算出されたスベリおよび前記２次抵抗値算出手段で算出された２次抵抗値に基づいて前記モータの出力トルクの推定値である推定出力トルクを算出する推定出力トルク算出手段と、
推定反力を算出する推定反力算出手段を具備し、
かつ、該推定反力算出手段が、前記推定出力トルク算出手段で算出された推定出力トルクと該推定反力算出手段の出力である推定反力との差を前記モータが駆動する負荷の慣性モーメントで除した後積分して推定角速度を算出し、前記推定角速度推定角速度と前記角速度検出手段で検出された角速度の差にオブザーバゲインを乗算して前記推定反力とすることを特徴とする反力オブザーバ。
【請求項２】
前記２次抵抗値算出手段が、
モータ制御回路から設定されるノッチ選択指令、前記モータの１次電流の測定値、および前記２次回路開閉器のノッチ位置実績に基づいて選択したノッチ位置における２次抵抗値を算出するものである請求項１に記載の反力オブザーバ。
【請求項３】
前記推定出力トルク算出手段が、
定格出力トルクおよび定格速度で回転時のスベリ、ならびに最大出力トルクで運転時のスベリおよび最大出力トルクのパワーユニット値に基づいて決定される係数を使用して、前記スベリ算出手段によって算出されたスベリおよび前記２次抵抗値算出手段で算出された２次抵抗値に基づいて前記モータの出力トルクの推定値である推定出力トルクを算出するものである請求項１または２に記載の反力オブザーバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反力オブザーバに係り、特に、製鉄に使用するコークスを製造するコークス炉を押し出すプッシャに作用する反力を推定することの可能な反力オブザーバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は製鉄用コークスを製造するコークス炉の断面斜視図であって、高さ２０ｍ×幅０．５ｍ×長さ２０ｍの耐火れんが製の炉１０の中に石炭を投入して蒸焼きにしてコークス１１を製造する。コークス１１は、プッシャ１２によって矢印Ｘ方向に押し出されて、受骸台車に積載される。
【０００３】
プッシャ１２背後に固着されたラック１３は減速装置付誘導モータ１４によって回転駆動されるピニオン１５と嵌合しており、減速装置付誘導モータ１４を駆動することによってプッシャ１２は矢印Ｘ方向に移動する。
図２はコークス押し出し時にプッシャ１２がコークスから受ける反力の時間的変化を示すグラフであって、横軸は時間を、縦軸は反力を示す。即ち時刻ｔ0 で減速装置付誘導モータ１４が回転を開始するとプッシャ１２がコークス１１に突き当たるまでは反力は零である。時刻ｔ1 でプッシャ１２がコークス１１に突き当たるとコークス１１を圧縮し始め、時刻ｔ2 でコークス１１の圧縮は完了し、プッシャ１２には最大反力であるコークス１１の静止摩擦Ｔs が作用する。
【０００４】
時刻ｔ2 以後コークス１１は移動を開始するので、プッシャ１２に作用する反力は徐々に減少する。
図３は誘導モータの出力特性であって、横軸は回転角速度を、縦軸はモータ発生トルクを表す。なおノッチは、誘導モータ１４に接続される起動抵抗値を表すインデックスである。即ち、ノッチ０の点ａで誘導モータは回転を開始し、時刻ｔ1 以降プッシャに作用する反力が増加すると０→１→２→３と順次ノッチを切り換えて誘導モータ１４に流れる電流を抑制しつつ誘導モータ速度を増加する。ノッチ３のｄ点で静止摩擦Ｔs に対応する出力を発生した後、最後にノッチ４に投入する。
【０００５】
従来、上述のノッチ切替は、誘導モータに流れる電流を監視しつつ操作員が手動で行うか、あるいは単純なタイマを使用したシーケンス制御装置を使用して制御されていた。
しかし、コークス１１の静止摩擦Ｔs はコークスの製造量、コークスの乾留状態、コークス炉炉壁の状態等によって影響されて最大３倍程度変動するため、単純なシーケンス制御装置によっては静止摩擦Ｔs に打ち勝つ出力トルクを発生できない場合、あるいは逆にプッシャが必要以上の速度に増速され設備に損傷を与える場合もある。
【０００６】
また、高負荷時にはノッチ切替を行うが、この時に誘導モータに許容値以上の電流が流れ、保安装置が動作して誘導モータへの電源供給が遮断され、コークスの押し出しが中断される場合もある。
さらに、誘導モータの出力はコークスの押し出しに使用されるだけでなく、プッシャ１２、ラック１３、ピニオン１５およびコークスを加速するためにも使用されるため、誘導モータ電流を監視してノッチを切替えると切替タイミングが遅れ、押し止りが発生するおそれもある。また、誘導モータを流れる電流と出力とは非線形関係にあるため、電流を監視しても誘導モータの出力を正確に制御することはできない。
【０００７】
上記の課題を解決するために、ピニオン軸にストレインゲージ等を使用した荷重計を設置することによりプッシャが受ける反力を監視する方法が提案されている（特開平１−２４７４８３号公報参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、押し出し装置は粉塵等が多量に存在し、高温の環境に設置されるため、荷重計は破損しやすいだけでなく、計測値は温度の影響を受けやすいので正確な監視は困難である。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、誘導モータの負荷であるプッシャに作用する反力を正確に推定することの可能な反力オブザーバを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る反力オブザーバは、２次回路開閉器のノッチ位置選択により２次抵抗の切替えを行うモータと、モータの回転角速度を検出する角速度検出手段と、角速度検出手段で検出された角速度に基づいてモータのスベリを算出するスベリ算出手段と、モータの２次回路に接続される２次抵抗の抵抗値とモータの２次巻線の抵抗値に基づいて選択したノッチ位置を算出する２次抵抗値算出手段と、スベリ算出手段によって算出されたスベリおよび２次抵抗値算出手段で算出された２次抵抗値に基づいてモータの出力トルクの推定値である推定出力トルクを算出する推定出力トルク算出手段と、推定反力を算出する推定反力算出手段を具備し、かつ、該推定反力算出手段が、前記推定出力トルク算出手段で算出された推定出力トルクと該推定反力算出手段の出力である推定反力との差を前記モータが駆動する負荷の慣性モーメントで除した後積分して推定角速度を算出し、前記推定角速度推定角速度と前記角速度検出手段で検出された角速度の差にオブザーバゲインを乗算して前記推定反力とすることを特徴とする。
【００１０】
本発明にあっては、モータのスベリと起動抵抗のノッチ位置に基づいて算出されるモータの推定出力トルクからモータによって駆動される負荷を加速するために必要とされるトルクを減算して推定反力が算出される。
第２の発明に係る反力オブザーバは、２次抵抗値算出手段が、モータ制御回路から設定されるノッチ選択指令、モータの１次電流の測定値、および２次回路開閉器のノッチ位置実績に基づいて選択したノッチ位置における２次抵抗値を算出するものである。
【００１１】
本発明にあっては、操作ディスクのノッチおよび起動抵抗器の実際のノッチに基づいてノッチ位置が算出される。
第３の発明に係る反力オブザーバは、推定出力トルク算出手段が、定格出力トルクおよび定格速度で回転時のスベリならびに最大出力トルクで運転時のスベリおよび最大出力トルクのパワーユニット値に基づいて決定される係数を使用してスベリ算出手段によって算出されたスベリおよび２次抵抗値算出手段で算出された２次抵抗値に基づいてモータの出力トルクの推定値である推定出力トルクを算出するものである。
【００１２】
本発明にあっては、モータの特性曲線を使用して推定出力トルクを算出するための係数が決定される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、誘導モータによって駆動される回転体の角速度が〔数１〕により定まることは周知である。
【００１４】
【数１】
0003745551.tif 000002
【００１５】
ここで、ωは誘導モータの角速度、Ｊは回転体の慣性モーメントである。また、ΔＴは回転体に加わるトルク差であって、〔数２〕として定義される。
【００１６】
【数２】
0003745551.tif 000003
【００１７】
ここで、Ｔm は誘導モータの出力トルク、Ｔp はプッシャがコークスを押すときに受ける反力トルクである。
以上から誘導モータの角速度ωは〔数３〕の積分方程式の解として決定される。
【００１８】
【数３】
0003745551.tif 000004
【００１９】
図４は実機および反力オブザーバの原理を示す機能線図であって、一点鎖線の上部（実機部）は〔数３〕の機能線図である。加算部４０において誘導モータの出力トルクＴm とプッシャがコークスを押すときに受ける反力Ｔp との差ΔＴが算出され、係数部４１で差ΔＴが（１／Ｊ）倍された後、積分部４２で積分されて誘導モータの角速度ωが決定される。
【００２０】
以上に基づいて反力オブザーバの構成を考える。
まず、誘導モータの角速度ωは誘導モータに直結されるタコジェネレータ等によって実際に計測することが可能である。さらに、誘導モータの推定出力トルクＴm * はスベリｓと２次抵抗のノッチ位置Ｎの関数として〔数４〕により理論的に算出することが可能である。
【００２１】
【数４】
0003745551.tif 000005
【００２２】
なお、スベリｓは角速度ωから〔数５〕によって算出される。
【００２３】
【数５】
0003745551.tif 000006
【００２４】
ここでω0 は同期角速度である。
図４の一点鎖線の下部（反力オブザーバ部）は、本発明に係る反力オブザーバの機能線図であって、スベリ算出部４３では誘導モータの実測角速度ωを使用して〔数５〕に基づいてスベリｓが算出される。
推定出力トルク算出部４４では、スベリ算出部４３で算出されたスベリｓおよび起動抵抗のノッチ位置Ｎから〔数４〕に基づいて推定誘導モータ出力トルクＴm * が算出される。なお、推定誘導モータ出力トルクＴm * はトルク偏差算出部４５の加算入力に導かれる。
【００２５】
トルク偏差算出部４５の出力ΔＴ* によって駆動される慣性モーメントがＪの回転系の角速度ω* は、オブザーバ係数部４６で（１／Ｊ）倍されたトルク偏差算出部４５の出力ΔＴ* をオブザーバ積分部４７で積分した積分値として推定することが可能である。そして、推定角速度ω* であるオブザーバ積分部４７の出力は角速度偏差算出部４８の加算入力に導かれる。
【００２６】
角速度偏差算出部４８の減算入力には誘導モータの実測回転角速度ωが入力され、角速度偏差算出部４８の出力はオブザーバゲイン部４９を介してトルク偏差算出部４５の減算入力にフィードバックされる。
即ち、角速度偏差算出部４８においては推定角速度ω* と誘導モータの実測角速度ωとの角速度偏差Δωにオブザーバゲイン部４９の設定ゲインＬが乗算されたＬ・Δωがトルク偏差算出部４５の減算入力にフィードバックされることとなる。
【００２７】
ここで、図４の実機部と反力オブザーバ部とを比較すると、トルク偏差算出部４５は加算部４０に、オブザーバ係数部４６は係数部４１に、積分部４２はオブザーバ積分部４７に対応している。
従って反力オブザーバは、推定角速度ω* が誘導モータの実測角速度ωと等しくなり角速度偏差Δωが零となるように、Ｌ・Δωを決定する機能を有すると考えることができる。
【００２８】
そして、トルク偏差算出部４５の加算入力には推定誘導モータ出力トルクＴm * が印加されているので、図４の実機部と反力オブザーバ部との対応関係から、プッシャの受ける反力の推定値ＴP * はフィードバック量Ｌ・Δωに等しいこととなり、反力の推定が可能となる。
以下に誘導モータの出力トルクの推定方法について説明する。
【００２９】
図５は商用３相交流で駆動される誘導モータの１相あたりの等価回路であるが、この等価回路および誘導モータの定格特性曲線から誘導モータの推定定格出力トルクＴms* は〔数６〕で表される。
【００３０】
【数６】
0003745551.tif 000007
【００３１】
ここで、ＰS は誘導モータの定格出力
ｓs は定格運転時のスベリ
ωmoは同期角速度
また、誘導モータのトルク曲線から最大出力トルク時のスベリｓx 、最大トルクＰＵ値ＫX が得られたとすると、推定最大出力トルクＴmx* は〔数７〕で表される。
【００３２】
【数７】
0003745551.tif 000008
【００３３】
最大出力トルク値においては〔数８〕が成立する。
【００３４】
【数８】
0003745551.tif 000009
【００３５】
すると、２次巻線抵抗の１次換算値Ｒ２’は〔数９〕で表される。
【００３６】
【数９】
0003745551.tif 000010
【００３７】
ここで、αおよびβを〔数１０〕および〔数１１〕で定義する。
【００３８】
【数１０】
0003745551.tif 000011
【００３９】
【数１１】
0003745551.tif 000012
【００４０】
すると、〔数６〕は〔数１２〕で表される。
【００４１】
【数１２】
0003745551.tif 000013
【００４２】
従って、外部接続抵抗も含む２次抵抗値の１次換算値が、誘導モータの内部２次抵抗の１次換算値Ｒ２’のＫr 倍であるとすると、スベリが任意の値ｓ、ノッチがＫr であるときの誘導モータの推定出力トルクＴm * は〔数１３〕で表される。
【００４３】
【数１３】
0003745551.tif 000014
【００４４】
よって、〔数１２〕および〔数１３〕から誘導モータの推定出力トルクＴm * は〔数１４〕で表すことが可能となる。
【００４５】
【数１４】
0003745551.tif 000015
【００４６】
〔数１４〕においてスベリｓおよび２次抵抗比Ｋr 以外のパラメータは誘導モータの定格値および特性曲線から決定される。従って、スベリｓおよび２次抵抗比Ｋr を定めれば、〔数１４〕を使用して誘導モータの推定出力トルクＴm * を算出することが可能である。
図６は本発明に係る反力オブザーバのハードウエア構成図であって、マイクロプロセッサシステムとして構成される。
【００４７】
即ち、バス６０を中心として、ＣＰＵ６１、メモリ６２、パルス入力インターフェイス（ＰＩ／Ｆ）６３、ディジタル入力インターフェイス（ＤＩ／Ｆ）６４、アナログ入力インターフェイス（ＡＩＩ／Ｆ）６５、およびアナログ出力インターフェイス（ＡＯＩ／Ｆ）６６から構成される。
ＰＩ／Ｆ６３はタコジェネレータ６６に接続され、誘導モータの回転速度に応じた周波数のパルスを読み込む。また、ＤＩ／Ｆ６４は起動抵抗器６７および操作ディスク６８に接続され、起動抵抗器６７のノッチ位置であるノッチアンサおよび操作ディスク６８のノッチ位置である出力ノッチを読み込む。さらに、ＡＩＩ／Ｆ６５は電流検出用変圧器（ＣＴ）６９に接続され、誘導モータに流れる電流Ｉを読み込む。なお、誘導モータに流れる電流Ｉは、誘導モータの推定出力トルクＴm * を算出するために使用する２次抵抗比Ｋr を決定するために使用される。そして、推定反力はＡＯＩ／Ｆ６５から出力される。
【００４８】
図７は本発明に係る反力オブザーバの機能線図であって、実質的に図４の反力オブザーバ部と同一である。
即ち、タコジェネレータ６６で生成されるパルスは角速度算出部７０１で実角速度ωに変換される。実角速度ωは第１の係数部７０２において定角角速度ω0 で除算され、第１の加算器７０３の減算入力に入力される。なお、第１の加減算部７０３の加算入力には定数設定部７０４で設定される定数 ^１．０" が入力されるため、第１の加減算器７０３からはスベリｓが出力される。
【００４９】
起動抵抗器６７から読み込まれるノッチアンサ、操作ディスク６８から読み込まれる出力ノッチ、およびＣＴから読み込まれる誘導モータ電流Ｉは、内部ノッチ算出部７０５に導かれ、これらに基づいてノッチ位置Ｎが得られ、２次抵抗比Ｋr が算出される。
スベリｓおよびノッチＫr は推定出力トルク算出部７０６に導かれ、誘導モータの推定出力トルクＴm * が算出される。推定出力トルクＴm * は第２の加減算部７０７の加算入力に導かれる。
【００５０】
第２の加減算部７０７の出力は第２の係数部７０８で回転体の慣性モーメントの逆数倍、即ち（１／Ｊ）倍されて積分部７０９で積分される。積分部７０９の出力である推定角速度ω* は第３の加減算部７１０の加算入力に、角速度算出部７０１の出力である実角速度ωは第３の加減算部７１０の減算入力に導かれ、第３の加減算部７１０の出力は第３の係数部でオブザーバゲインＬ倍されて、第２の加減算部７０７の減算入力にフィードバックされる。
【００５１】
なお、第３の加減算部７１０の出力は推定反力ＴP * として出力される。
図８はＣＰＵ６１で実行される反力オブザーバルーチンのフローチャートであって、ステップ８１で角速度算出サブルーチンが、ステップ８２でスベリ算出サブルーチンが、ステップ８３で内部ノッチ算出サブルーチンが、ステップ８４で推定出力トルク算出サブルーチンが、さらにステップ８５で反力推定サブルーチンを実行して、このルーチンを終了するが各サブルーチンの詳細は後述する。
【００５２】
図９は反力オブザーバルーチンのステップ８１で実行される角速度算出サブルーチンのフローチャートであって、ステップ８１１でタコジェネレータ６６から出力されるパルス数Ｐを読み込む。
ステップ８１２で今回読み込んだパルス数Ｐと前回のパルス数ＰＢとのパルス差ｄＰを算出し、ステップ８１３でパルス差ｄＰに予め定められた係数Ｃ1 を乗算して角速度変化分ｄωを算出する。さらに、ステップ８１４で〔数１５〕により角速度ωを算出する。
【００５３】
【数１５】
0003745551.tif 000016
【００５４】
最後にステップ８１５で前回のパルス数ＰＢを今回のパルス数Ｐで更新して、このサブルーチンを終了する。
図１０は反力オブザーバルーチンのステップ８２で実行されるスベリ算出サブルーチンのフローチャートであって、ステップ８２１で〔数１６〕に基づいてスベリｓが算出される。
【００５５】
【数１６】
0003745551.tif 000017
【００５６】
図１１は反力オブザーバルーチンのステップ８３で実行される内部ノッチ算出サブルーチンのフローチャートであって、ステップ８３１でＣＴ６９を介して誘導モータを流れる電流Ｉを読み込む。
ステップ８３２で出力ノッチが内部ノッチに等しいかを判定し、否定判定されたときはステップ８３３でノッチアンサが出力ノッチに等しいかを判定する。
【００５７】
ステップ８３３で否定判定されたときはステップ８３４に進み、今回測定された電流Ｉと前回の測定電流ＩＢとの差の絶対値が予め定められたしきい値電流ΔＩ以上であるかを判定する。
ステップ８３２で肯定判定されたとき、即ち、出力ノッチが内部ノッチに等しいとき、および、ステップ８３４で否定判定されたとき、即ち、今回測定された電流Ｉと前回の測定電流ＩＢとの差の絶対値がしきい値電流ΔＩ以下であるときは、直接ステップ８３７に進む。
【００５８】
逆に、ステップ８３３で肯定判定されたとき、即ち、ノッチアンサと出力ノッチとが等しいとき、および、今回測定された電流Ｉと前回の測定電流ＩＢとの差の絶対値がしきい値電流ΔＩ以上であるときは、ステップ８３５において内部ノッチを出力ノッチに設定し、ステップ８３６でノッチＫr は外部抵抗ＲEXと２次内部抵抗値Ｒ2 ’との和の１次換算値と２次内部抵抗値Ｒ2 ’の１次換算値との比を算出した後、ステップ８３７に進む。
【００５９】
ステップ８３７では前回の測定電流ＩＢは今回測定された電流Ｉで更新してこのサブルーチンを終了する。
図１２は反力オブザーバルーチンのステップ８４で実行される推定出力トルク算出サブルーチンのフローチャートであって、ステップ８４１でスベリｓが例えば１０-3以下であるかを判定する。
【００６０】
ステップ８４１で否定判定されたとき、即ち、スベリｓが１０-3以上であるときはステップ８４２で〔数１７〕によってパラメータｔmpを算出する。
【００６１】
【数１７】
0003745551.tif 000018
【００６２】
次にステップ８４３で〔数１８〕によって誘導モータの推定出力トルクＴm * を算出してこのサブルーチンを終了する。
【００６３】
【数１８】
0003745551.tif 000019
【００６４】
ステップ８４１で肯定判定されたとき、即ち、スベリｓが１０-3以下であるときは、ステップ８４４で誘導モータの推定出力トルクＴm * を ^０．０" に設定してこのサブルーチンを終了する。
図１３は反力オブザーバルーチンのステップ８５で実行される反力推定サブルーチンのフローチャートであって、ステップ８５１で〔数１９〕に基づいて推定角速度ω* を更新する。
【００６５】
【数１９】
0003745551.tif 000020
【００６６】
次に、ステップ８５２で〔数２０〕に基づいて推定反力ＴP * を算出してこのサブルーチンを終了する。
【００６７】
【数２０】
0003745551.tif 000021
【００６８】
図１４は本発明に係る反力オブザーバの効果の説明図であって、異なるコークス炉で実測した反力と本発明に係る反力オブザーバを使用して算出した推定反力との比較を示す。なお、横軸は時間を、縦軸は反力を表す。本図において、実線は反力オブザーバを使用して算出した推定反力を示し、点は一時的に設置したストレインゲージにより実測した反力を示す。また、（イ）は第１のコークス炉、（ロ）は第２のコークス炉における比較である。
【００６９】
この図から本発明に係る反力オブザーバにより算出された推定反力は実測された反力にほぼ一致し、本発明に係る反力オブザーバが良好な推定精度を有することが理解される。
【００７０】
【発明の効果】
第１の発明に係る反力オブザーバによれば、実測されるモータの角速度およびノッチ位置に基づいてモータの負荷の加速に使用されるトルクを差し引いた負荷から受ける正味の反力を推定することが可能となる。
第２の発明に係る反力オブザーバによれば、モータ制御回路のノッチおよび起動抵抗の実際のノッチに基づいてノッチ位置を補正することが可能となる。
【００７１】
第３の発明に係る反力オブザーバによれば、モータの特性曲線に基づいて推定出力トルクの算出に使用する係数を決定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コークス炉の断面斜視図である。
【図２】反力の時間的変化のグラフである。
【図３】誘導モータの出力特性である。
【図４】実機と反力オブザーバの機能線図である。
【図５】誘導モータの１相あたりの等価回路である。
【図６】本発明に係る反力オブザーバのハードウエア構成図である。
【図７】本発明に係る反力オブザーバの機能線図である。
【図８】反力オブザーバルーチンのフローチャートである。
【図９】角速度算出サブルーチンのフローチャートである。
【図１０】スベリ算出サブルーチンのフローチャートである。
【図１１】内部ノッチ算出サブルーチンのフローチャートである。
【図１２】推定出力トルク算出サブルーチンのフローチャートである。
【図１３】反力推定サブルーチンのフローチャートである。
【図１４】本発明に係る反力オブザーバの効果の説明図である。
【符号の説明】
６６…タコジェネレータ
６７…起動抵抗器
６８…操作ディスク
６９…ＣＴ（電流変圧器）
７０１…角速度算出部
７０２…第１の係数部
７０３…第１の加減算部
７０４…定数設定部
７０５…内部ノッチ算出部
７０６…推定出力トルク算出部
７０７…第２の加減算部
７０８…第２の係数部
７０９…積分部
７１０…第３の加減算部
７１１…第３の係数部
【図１】
0003745551.tif 000022
【図２】
0003745551.tif 000023
【図３】
0003745551.tif 000024
【図４】
0003745551.tif 000025
【図５】
0003745551.tif 000026
【図６】
0003745551.tif 000027
【図７】
0003745551.tif 000028
【図８】
0003745551.tif 000029
【図９】
0003745551.tif 000030
【図１０】
0003745551.tif 000031
【図１１】
0003745551.tif 000032
【図１２】
0003745551.tif 000033
【図１３】
0003745551.tif 000034
【図１４】
0003745551.tif 000035