(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転することにより水車の水口開度を調整するガイドリングの外周部のうち周方向に沿い離れた位置に連結されており、モータ電流がそれぞれ供給されると駆動して前記ガイドリングを同一の回転方向に沿い回転させる押し操作力または引き操作力をそれぞれ前記ガイドリングに付与してガイドリングを回転させる一対の電動サーボモータと、
開度制御指令に応じてモータ電流を前記一対の電動サーボモータにそれぞれ供給する一対のサーボモータ制御部と、
水口開度が目的開度となるような開度制御指令を前記一対のサーボモー制御部に送る制御部とを有する電動サーボモータ式調速機の制御装置において、
前記一対の電動サーボモータから前記ガイドリングに付与する操作力をそれぞれ個別に検出する一対の力センサと、
前記電動サーボモータの一方の操作力が他方の操作力よりも大きいときには、一方の電動サーボモータにモータ電流を供給する一方のサーボモータ制御部に入力する開度制御指令を減じ、他方の電動サーボモータにモータ電流を供給する他方のサーボモータ制御部に入力する開度制御指令を増すよう調整する調整部と、を備えたことを特徴とする電動サーボモータ式調速機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は電動サーボモータ式調速機の制御装置に関し、一対の電動サーボモータが発生する操作力が平衡するよう工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、調速機の駆動源が油圧方式から電動機を用いた電動サーボモータ式に代わりつつある。この電動サーボモータはブラシなし直流電動機と、この電動機の出力が供給される減速機と、この減速機の出力が供給される回転−直線運動変換部とから構成されていて、直線運動に変換された運動体に水車の水口開度調整用のガイドリングが接続されている。
【０００３】
上記電動サーボモータは油圧式に比較して保守点検が容易であるため、近年次第に多用されるようになってきた。これに伴ってサーボモータに使用されるブラシなし直流電動機（以下ＢＬＭと称す）の単機容量も増加するようになってきた。しかし、前記ＢＬＭには製作限界がある。
【０００４】
ＢＬＭを大容量にすると、ＢＬＭにモータ電流を供給するインバータ装置に使用されているパワートランジスタの容量も増加しなければならないという問題が生じる。また、パワートランジスタの容量を増加させるために、パワートランジスタを並列接続することも考えられるけれども、このような手段にすると制御がむずかしくなるとともに不経済となる。さらに、ＢＬＭ自身を大型とすると、はずみ車効果ＧＤ２が増加し、負荷しゃ断時の不動時間が大きくなって水車発電機の回転数ΔＮを増加させてしまう問題も生じるとともにＢＬＭの慣性のため等価閉鎖速度に達するまでに時間がかかりすぎる問題もある。
【０００５】
そこで本願出願人は、上記問題を解決して、電動サーボモータの容量が小さくてもガイドリングの調整が容易にできる電動モータ式調速機の制御装置を先に出願した（実願昭６２−１４２６９０号及び実願昭６２−１４２６９１号）。
【０００６】
ここで図３を参照して先に出願した実願昭６２−１４２６９０号の実施例を説明する。
【０００７】
図３において、１は水車の水口開度を調整するガイドリングで、このガイドリング１の外周部には互に１８０度離れた位置にサーボモータ取付体２，３を突設させる。サーボモータ取付体２，３には電動サーボモータ４，５を構成する回転−直線運動変換部６，７が連結される。８，９はＢＬＭで、ＢＬＭ８，９の駆動力は図示しない減速機を介して回転−直線変換部６，７に伝達される。回転−直線変換部６，７の位置は位置検出器６ａ，７ａにより検出される。
【０００８】
ＢＬＭ８，９にはインバータ装置１０，１１からモータ電流が供給される。１２，１３は電流制御装置である。インバータ装置１０，１１と電流制御装置１２，１３はサーボモータ制御部となる。１４はＰＩＤ速度制御装置で、この制御装置１４には設定速度と水車発電機の速度（水車速度）とが入力され、その速度差からＰＩＤ演算を行う。ＰＩＤ速度制御装置１４の出力であるＰＩＤ速度制御指令は開度制御装置１５に供給される。開度制御装置１５には電動サーボモータ４の回転−直線変換部６，７に設けられた位置検出器６ａ，７ａの検出位置信号が入力される。開度制御装置１５の開度制御指令は電流指令として電流制御装置１２，１３に供給される。１６，１７は変流器である。
【０００９】
水車発電機の速度が設定速度と異なってくると、ＰＩＤ速度制御装置１４からＰＩＤ速度制御指令が送出される。この速度制御指令は開度制御装置１５に入力される。この開度制御装置１５には、電動サーボモータ４，５の回転−直線運動変換部６，７の移動位置を検出する位置検出器６ａ，７ａの検出位置信号も入力され、ＰＩＤ速度制御指令と検出位置信号の差に対応した電流指令である開度制御指令が開度制御装置１５から送出される。この開度制御指令により、電流制御装置１２，１３からインバータ装置１０，１１の制御出力が送出される。インバータ装置１０，１１はその制御出力によりゲートが制御されてＢＬＭ８，９にモータ電流を供給し、回転−直線運動変換部６，７を駆動して、水車発電機が設定速度となるようにガイドリング１の水口開度を変える。
【００１０】
なお、回転−直線運動変換部６と回転−直線運動変換部７は運動方向が逆となるように構成する。すなわち、変換部６が押す方向のとき、変換部７は引く方向となるようにする。
【００１１】
上記のようにしてガイドリング１を２台の電動サーボモータ４，５で駆動すると、ガイドリング１の駆動力は電動サーボモータが１台の場合に比較してその容量が小さくても確実に制御できる。また、サーボモータ４，５が小さいため、ＢＬＭ８，９の容量も当然小さくなる。このため、はずみ車効果ＧＤ２も小さくなるので、負荷しゃ断の不動時間が小さく水車発電機の回転数には影響を与えなくなる。さらに、ＢＬＭ８，９が小型であるから等価閉鎖速度に達するまでの時間も短くてすむ。
更に、ガイドリング１を片側だけで制御する場合にして操作力損失の低減を図ることができる。
【００１２】
次に図４及び図５を参照して、先に出願した実願昭６２−１４２６９１号の実施例を説明する。なお図３に示す実願昭６２−１４２６９０号の実施例と同一機能をはたす部分には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００１３】
図４に示すようにこの従来技術では、第１の開度制御装置１５に、ＰＩＤ速度制御装置１４からのＰＩＤ速度制御指令及び位置検出器６ａで検出した検出位置信号が入力される。また第２の開度制御装置１９には、全閉指令及び位置検出器７ａで検出した検出位置信号が入力される。開度制御装置１５，１９の開度制御指令はインターフェイス部１８へ送られる。他の部分の構成は図３に示す従来技術と同一である。
【００１４】
図５はインターフェイス部１８の詳細を示す回路図で、図４と同一部分には同一符号を付して示す。図５において、図中上部の電動サーボモータ４、インバータ装置１０及び電流制御装置１２からなるシステムをＡシステムと称し、図中下部の電動サーボモータ５、インバータ装置１１及び電流制御装置１３からなるシステムをＢシステムと称す。
【００１５】
図５に示すインターフェイス部１８はＡシステムが故障したとき（故障検出器は図示省略）動作する常開設点Ａ１，Ａ２，Ａ３と常閉接点Ａ４を有し、Ｂシステムが故障したとき動作する常開接点Ｂ１，Ｂ２を有する。常開接点Ａ１とＡ２は直列接続されて第１開度制御装置１５と電流制御装置１２とを結ぶ電路に介装される。常閉接点Ａ４と常開接点Ｂ２は直列接続されて第２開度制御装置１９と電流制御装置１３とを結ぶ電路に介装される。また、常開接点Ａ３とＢ１は直列接続されて常開接点Ａ１とＡ２の共通接続点と、常閉接点Ａ４と常開接点Ｂ２の共通接続点間に接続される。
【００１６】
通常制御時は常開接点Ａ１，Ａ２，Ａ３とＢ１，Ｂ２がオンになっていて常閉接点Ａ４はオフされている。このため、第１開度制御装置１５の開度制御指令はインターフェイス部１８を介して電流制御装置１２，１３に供給されるようになっている。そしてＡシステムに故障が発生したときに、インターフェイス部１８の常開接点Ａ１，Ａ２，Ａ３がオフされ、常閉接点Ａ４がオンとなって、第２開度制御装置１９からガイドベーン全閉指令が電流制御装置１３に入力されるようになる。
【００１７】
次に図４，図５に示す従来例の動作を述べる。水車発電機の速度が設定速度と異なってくるＰＩＤ速度制御装置１４からＰＩＤ速度制御指令が送出される。このＰＩＤ速度制御指令は第１開度制御指令１５に入力される。この第１開度制御１５には電動サーボモータ４の回転−直線運動変換部６の移動位置を検出する位置検出器６ａの検出位置信号も入力され、第１開度制御装置１５から両信号の差に応じた開度制御指令が送出される。この開度制御指令により電流制御装置１２，１３からインバータ装置１０，１１の制御出力が送出される。インバータ装置１０，１１はその制御出力によりゲートが制御されてＢＬＭ８，９を制御し、回転−直線運動変換部６，７を駆動して、水車発電機が設定速度となるようにガイドリング１の水口開度を変える。
【００１８】
上記のように電動サーボモータ４，５によりガイドリング１を制御しているとき、電動サーボモータ４に故障が発生したとする。この故障発生を図示しない検出器が検出すると、インターフェイス部１８の常開接点Ａ１，Ａ２，Ａ３をオフさせ、常閉接点Ａ４をオンにする。このため、第１開度制御装置１５の開度制御指令は電流制御装置１２，１３に入力されなくなるが、電流制御装置１３には第２開度制御装置１９からガイドベーン全閉指令が常閉接点Ａ４と常開接点Ｂ２ を通って入力される。この指令によってガイドリング１はベーンを閉じる方向に駆動される。これにより、水車を自動的に停止させるため、安全な電動サーボモータ式調速機が得られる。
【００１９】
図６は更に他の従来技術を示す。この従来技術では、インバータ装置１０からＢＬＭ８へ供給するモータ電流ＩＡと、インバータ装置１１からＢＬＭ９へ供給モータ電流ＩＢとが平衡するように工夫し、電動サーボモータ４，５の力のバランスが平衡するようにしたものである。
【００２０】
つまり減算器２２は電流ＩＢから電流ＩＡを減算して差電流ＩＢ−ＩＡを求め、積分器２０は差電流ＩＢ−ＩＡを積分した積分信号ＳＡを出力する。したがってＩＡ＞ＩＢのときには積分信号ＳＡはマイナス値となり、ＩＡ＜ＩＢのときには積分信号ＳＡはプラス値となる。加算器２４では、開度制御装置１５から出力される開度制御指令に積分信号ＳＡが加えられ、加算器２４の出力が電流制御装置１２へ送られる。したがってＩＡ＞ＩＢのときには電流制御装置１２へ送られる値が小さくなり、ＩＡが減じていき、ＩＡ＜ＩＢのときには電流制御装置１２へ送られる値が大きくなり、ＩＡが増えていく。この結果ＩＡとＩＢが等しくなる。
【００２１】
同様に減算器２３は電流ＩＡから電流ＩＢを減算して差電流ＩＡ−ＩＢを求め、積分器２１は差電流ＩＡ−ＩＢを積分した積分信号ＳＢを出力する。したがってＩＢ＞ＩＡのときには積分信号ＳＢはマイナス値となり、ＩＢ＜ＩＡのときには積分信号ＳＢはプラス値となる。加算器２５では、開度制御装置１５から出力される開度制御指令に積分信号ＳＢが加えられ、加算器２５の出力が電流制御装置１３へ送られる。したがってＩＢ＞ＩＡのときには電流制御装置１３へ送られる値が小さくなり、ＩＢが減じていき、ＩＢ＜ＩＡのときには電流制御装置１３へ送られる値が大きくなり、ＩＢが増えていく。この結果ＩＢとＩＡが等しくなる。
【００２２】
図６の従来技術ではモータ電流ＩＡ，ＩＢが平衡するように工夫したので、ＢＬＭ８，９の調整ズレや経年変化による特性変化が生じても、ＢＬＭ８，９が発生する力を平衡させることができる。
【００２３】
結局、図３〜図５に示す従来技術では、同一の開度制御指令を電流制御装置１２，１３に入れることによりＢＬＭ８，９のモータ電流を平衡させるようにしており、図６に示す従来技術では、モータ電流ＩＡ，ＩＢの差に基づきモータ電流ＩＡ，ＩＢが平衡するように調整している。
【００２４】
電動サーボモータ４，５では、ＢＬＭ８，９の回転運動を減速機を介して回転−直線運動変換部６，７へ伝え、回転−直線運動変換部６，７ではボールネジ等を用いて回転運動を直線運動に変換してガイドリング１に力を伝える。
【００２５】
ところで上記従来技術では、電動サーボモータ４，５における減速機やボールネジ等のロスの不平衡や、これらメカ機構の経年変化の不平衡や、温度等の環境変化の偏り等があるため、ＢＬＭ８，９のモータ電流を平衡させたとしても、サーボモータ取付体２，３に作用する操作力（電動サーボモータ４，５の操作力）が不平衡となってしまうおそれがあり、精度よく操作力を平衡させることができなかった。
【００２６】
このような操作力の不平衡が生じると、メカ的に不要な応力が発生してしまうと共に、電気的にはモータが過負荷になるおそれがあった。
【００２７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、一対の電動サーボモータがガイドリングに伝える操作力が平衡するようにした、電動サーボモータ式調速機の制御装置を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、回転することにより水車の水口開度を調整するガイドリングの外周部のうち周方向に沿い離れた位置に連結されており、モータ電流がそれぞれ供給されると駆動して前記ガイドリングを同一の回転方向に沿い回転させる押し操作力または引き操作力をそれぞれ前記ガイドリングに付与してガイドリングを回転させる一対の電動サーボモータと、
開度制御指令に応じてモータ電流を前記一対の電動サーボモータにそれぞれ供給する一対のサーボモータ制御部と、
水口開度が目的開度となるような開度制御指令を前記一対のサーボモー制御部に送る制御部とを有する電動サーボモータ式調速機の制御装置において、
前記一対の電動サーボモータから前記ガイドリングに付与する操作力をそれぞれ個別に検出する一対の力センサと、
前記電動サーボモータの一方の操作力が他方の操作力よりも大きいときには、一方の電動サーボモータにモータ電流を供給する一方のサーボモータ制御部に入力する開度制御指令を減じ、他方の電動サーボモータにモータ電流を供給する他方のサーボモータ制御部に入力する開度制御指令を増すよう調整する調整部と、を備えたことを特徴とする。
【００２９】
【作用】
本発明では、一対の電動サーボモータが発生する操作力を力センサにより個別に求め、両操作力が平衡するようにサーボモータ制御部を調整する。このように直接的に操作力を検出して調整するため、両操作力が正確に平衡する。
【００３０】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。なお従来技術と同一部部には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３１】
図１は本発明の第１実施例を示す。第１実施例では、図３に示す従来技術に、更に、ロードセル５０，５１、減算器５２、アンプ（演算増幅器）５３、反転器５４、リミッタ付加算器５５，５６を付加した構成となっている。
【００３２】
ロードセル５０，５１は、電動サーボモータ４，５からガイドリング１へ伝える操作力を直接検出することができる部分、具体的には回転−直線運動変換部６，７とサーボモータ取付体２，３とを連結するロッドに備えられている。このロドセル５０，５１は各操作力に応じた力検出信号ＦＡ，ＦＢを出力する。
【００３３】
減算器５２は、力検出信号ＦＢから力検出信号ＦＡを減算して力偏差信号Δｆを出力し、アンプ５３は力偏差信号Δｆを増幅して力偏差信号ΔＦを出力する。反転器５４は力偏差信号ΔＦの正負を反転して正負を反転した力偏差信号ΔＦを出力する。リミッタ付加算器５５，５６は、開度制御装置１５から出力される開度制御指令Ｋに、力偏差信号ΔＦを加えて信号（開度制御指令）Ｋ＋ΔＦを出力する。ただしＢＬＭ８，９のモータ電流ＩＡ，ＩＢが定格電流以上にならないように、リミッタ付加算器５５，５６は信号Ｋ＋ΔＦの上限をリミットしている。
【００３４】
本実施例では、ＰＩＤ速度制御装置１４のＰＩＤ速度制御指令Ｖと、位置検出器６ａ，７ａの検出位置信号ＰＡ， ＰＢとの差に応じて、開度制御指令１５から開度制御指令Ｋが出力される。電動サーボモータ４，５は開度制御指令Ｋに応じた操作力を発生する。両操作力が等しいときには力偏差信号ΔＦは零となり、従来と同様に開度制御指令Ｋに応じた操作力が発生する。
【００３５】
操作力がアンバランスとなり力検出信号ＦＡが力検出信号ＦＢよりも大きくなったときには、力偏差信号ΔＦの値は負値となる。よって加算器５５の出力信号（開度制御指令）Ｋ＋ΔＦの値は小さくなり、加算器５６の出力信号（開度制御指令）Ｋ＋ΔＦの値は大きくなり、電動サーボモータ４の操作力が減じ、電動サーボモータ５の操作力が増し、両方の操作力が平衡する。
【００３６】
操作力がアンバランスとなり、前述したとのとは逆に、力検出信号ＦＢが力検出信号流ＦＡよりも大きくなったときには、力偏差信号ΔＦの値は正値となる。よって加算器５５の出力信号（開度制御信号）Ｋ＋ΔＦの値は大きくなり、加算器５６の出力信号（開度制御指令）Ｋ＋ΔＦの値は小さくなり、電動サーボモータ４の操作力が増し、電動サーボモータ５の操作力が減じ、両方の操作力が平衡する。
【００３７】
このように本実施例では電動サーボモータ４，５の操作力を検出し、両操作力が平衡するように調整をしているため、減速機やボールネジ等のロスに不平衡があっても、両操作力は等しくなる。
【００３８】
なおモータ電流ＩＡ，ＩＢ、力検出信号ＦＡ，ＦＢ、速度制御指令Ｖ、開度制御指令Ｋを監視することにより、異常（例えば水車ガイドベーン内部に流木や木の葉などの異物が混入して操作不能となった状態）の発見が容易にできる。
【００３９】
図２は本発明の第２実施例を示す。第２実施例では、図４に示す従来技術に、更に、ロードセル５０，５１、減算器５２、アンプ（演算増幅器）５３、反転器５４、リミッタ付加算器５５，５６を付加した構成となっている。
【００４０】
正常時には第１実施例と同様に、信号Ｋ＋ΔＦに応じて操作力が電動サーボモータ４，５から生じ、両方の操作力が等しくなる。
【００４１】
一方、異常時には、図４に示す従来技術と同様に、全閉指令により、電動サーボモータ５が作動してガイドリング１が閉方向に回転していく。
【００４２】
【発明の効果】
以上実施例と共に具体的に説明したように本発明によれば、２つの電動サーボモータからガイドリングに伝える操作力を個別に検出し、両操作力が等しくなるようにサーボ制御部に入力する信号を調整するようにしたので、経年変化やメカロスのちがいがあっても、両操作力を精度よく平衡させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す構成図。
【図２】  本発明の第２実施例を示す構成図。
【図３】  従来技術を示す構成図。
【図４】  従来技術を示す構成図。
【図５】  従来技術を示す構成図。
【図６】  従来技術を示す構成図。
【符号の説明】
１  ガイドリング
２，３  サーボモータ取付体
４，５  電動サーボモータ
６，７  回転−直線運動変換部
６ａ，７ａ  位置検出器
８，９  ブラシなし直流電動機（ＢＬＭ）
１０，１１  インバータ装置
１２，１３  電流制御装置
１４  ＰＩＤ速度制御装置
１５，１９  開度制御装置
１６，１７  変流器
１８  インターフェイス部
２０，２１  積分器
２２，２３  減算器
２４，２５  加算器
５０，５１  ロードセル
５２  減算器
５３  アンプ
５４  反転器
５５，５６  リミッタ付加算器
【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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