JPH01186185A - 駆動電動機の速度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は駆動電動機の速度制御装置にかかり、特に負
荷トルク量の増減に応じて回転速度を調節する速度垂下
率調整機能を有する駆動電動機の速度制御装置に関する
。

（従来の技術〕 電動機の速度制御装置は、電動機の回転速度を一定不変
に保持するのが主目的であるが、過大な負荷量を検出し
た時には負荷機械装置の保護と安全のためそ−の回転速
度を定格トルク量との比率を一定に保って減少させるこ
とが要求される。

通常の電動機は一定の電機子電流が供給されており、回
転数を上昇させれば負荷トルク量が増大するように構成
されている。そして負荷量が増大すると、電動機回転数
が低下する。速度制御装置は、この回転数低下を検知し
電動機回転数を回復の方向に加速する。電動機回転数の
加速を行うと、機械負荷のトルク量をさらに増大させ、
この増加した負荷トルク量に対応して設定速度基準を保
持するためにはさらに多くの電力を供給する必要が出て
くる。

この状態を維持し保持するためには電機子コイルへ過大
電流を供給せねばならず、また機械負荷装置へ過大トル
クを発生させる等の装置安全上の観点から極めて危険な
状態が引き起こされることがある。

このため電動機の速度制御装置では、負荷トルク量の増
減に応じてその回転速度を速度制御装置外部から入力さ
れる速度基準値に対して算出した負荷トルク量と定格ト
ルク量との比に応じて一定量だけ調節する速度垂下特性
を付加している。

第２図はこの速度垂下特性を付加した速度制御装置の構
成を示すブロック図である。（４）は電動機で特にトル
クが変動する機械負荷を含む電動機回転子部分を示して
いる。また（３）はこの電動機（４）に駆動電力を供給
する駆動電源である。駆動電源（３）は電流制御回路（
２）からの電動機電流指令値に応答して所望の電力を電
動機（４）に供給する。また（１）は速度制御回路であ
って、外部からの速度基準値（１０）と回転速度検出器
（５）を介して得られる電動機（４）の回転速度実績値
（４ｏ）との偏差に基づいて１電流基準値（２０）を電
流制御回路（２）に供給している。

さらに電流制御回路（２）はこの電流基準値（２ｏ）と
電機子電流検出器（６）によって検出される電流実績値
（３０）との偏差に基づいて、前述した電動機電流指令
値を出力している。また回転速度検出器（５）により検
出される回転速度実績値（４０）と電機子電流検出器（
６）により検出される電流実績値（３０）とに基・づい
て負荷トルク推定器（８）は負荷トルク推定値（５０）
を算出しこれを速度垂下量演算器（９）に出力する。速
度垂下量検出器（９）はこの負荷トルク推定値に基づい
て速度垂下量（７０）を算出し、これを速度制御回路（
１）に補正出力として出力する。

このように電流制御回路（２）は、電流検出器（６）か
らの電流実績値（３０）と速度制御回路（１）からの電
流基準値との差に応じて駆動電源（３）を調整し、電流
値調節のフィードバック形制御を行っている。

また速度制御回路（１）は装置外部より入力される回転
速度基準値（１０）と回転速度検出器（５）により得ら
れる回転速度実績値（４０）との偏差に応じてその偏差
を解消すべく、電流基準値（２０）を決定するフィード
バック制御を行っている。

速度垂下率特性を実現するための装置として負荷トルク
推定器（８）と速度垂下量演算器（９）とが設けられて
おり、以下に示すようにその機能が実現される。負荷ト
ルク推定器（８）に於ては、第３、図に示すような電機
子部の回転速度の動的モデルに基づき負荷トルク量の推
定演算が行われている。

ここで回転速度を表わすモデル式は（１）式で表現され
る。

ここで、ｎ（ｔ）はモータ回転数 ｌう（１）はモータ電流実績値 ＴＬ（ｔ）は負荷トルク量を示している。

Ｊは回転体慣性モーメントを、Ｋｉはモータのトルク定
数を示しており、いずれも既知の定数である。

回転数検出のサンプル値（ｎ（ｋ）、　ｋ　＝１．２．
・・・）と電流値実績検出のサンプルデータ（ｉｖ（ｋ
）、ｋ　＝１．２．・・・）を２つの人力として、（１
）式における未知数である負荷トルク量の推定値ＴＬは
次のように表わされる。

・・・（２） ここで（２）式の第２項は回転速度変化の擬似微分演算
を示しており、第に番目のサンプル値と第に一１番目の
速度データとを減算し、その間の時間差量Δｔで割るこ
とにより微係数算出を行っている。（２）式全体は（１
）式の逆算を実行するものであり、２つの入力データお
よび既知の定数値を用いて未知数である負荷トルク量ｒ
、が推定演算されることが示される。

この推定された負荷トルク量Ｔ、とあらかじめ知られる
定格トルク値Ｔｎｏｒ＋ｍとの比と、別に定められた速
度垂下係数αとによって速度垂下量値ｄ（ｒｐｍ）が速
度垂下量演算器（９）により決定される。この速度垂下
量（７０）は速度制御回路（１）に導かれて負荷トルク
量増減に応じた速度調節が実行され安定な回転設備運転
が実現される。

〔発明が解決しようとする課！！り しかし上述した従来の速度制御装置は、実際の負荷トル
クの急変を推定してその結果を速度制御回路（１）の入
力側に導くものであり、その変動負荷トルク値に見合っ
た回転速度が実現されるまでに、速度制御系全体の制御
応答性に依存した過渡現象が存在する。

したがって、その制定までに一定の時間を要するという
課題があった。さらに急激な負荷変化には追随しずらい
こと、さらに新たな回転数に移行する過程での回転速度
のゆらぎが発生し、これが不安定現象や装置の安定性に
実用上の課題を与えていた。

次に負荷変化と回転速度揺動の状態を第４図に基づいて
説明する。第４図（ａ）は、モーター単独で速度制御を
いっさい実行してない場合の負荷トルクの変化に対する
回転速度の変化を示したものである。負荷トルクの変化
により回転速度が大きく偏倚する状態がわかる。

また第４図（ｂ）は、速度制御のみを実施し、垂下特性
はない場合を示しており、回転速度は一定の回復時間経
通ののちに負荷変化以前の回転数に復帰していることを
示している。しかし制定後の電流量は前述したように負
荷増大に見合って大きなものとな・る。

第４図（ｃ）は、速度制御系に従来技術による速度垂下
特性を実現したものであり、速度回復の途中に速度垂下
量算出による新たな速度目標値への移行が行われ、速度
偏差量が増加していることがわかる。また回復過程に揺
らぎ（オーバーシュート）反応が見られ速度制定に時間
を要している。

第４図（ｄ）が後に説明する本発明の速度制御装置によ
り得られる特性を示したもので、速度垂下率特性と回転
速度制御応答特性とがほぼ理想に近い状態が得られてい
ることがわかる。

このように従来の技術による特性実現を不十分なものに
する原因の１つに、速度制御回路（１）の内蔵する積分
動作手段による垂下応答特性の遅れがあげられる。積分
動作自体は、実績速度と目標速度との偏差量を常に零と
するために必須のものであるが、負荷の変化に応じて電
流量を調節する動作を遅らせるよう動作していることが
課題である。

この発明は上述した課題を解消するためになされたもの
で、負荷トルク量の変化に応答してその変化に即応して
電機子電気量を補正調整し速度垂下特性の実現途中に表
われるモーター回転速度制定に要する過渡状態を極めて
短いものにした駆動電動機の速度制御装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は負荷を駆動する電動機に電力を供給する駆動
電源と、速度基準値と前記電動機の回転速度実績値との
偏差に基づいて電流基準値を出力する速度制御回路と、
この電流基準値と前記電動機の電機子電流の実績値との
偏差に基づいて前記駆動電源に対し電動機電流指令値を
出力する電流制御回路と、前記電機子電流の実績値と前
記回転速度実績値とに基づいて前記電動機に作用してい
る負荷トルクを推定演算する負荷トルク推定器と、この
負荷トルク推定器からの推定値に基づいて前記速度制御
回路に対し回転速度を補正する速度垂下量を出力する速
度垂下量演算器とを具備した駆動電動機の速度制御装置
において、前記負荷トルク推定・値に基づいて前記電流
制御回路に対し前記電動機電流指令値を補正する電流補
正量を出力する電流補正量演算器を設けたものである。

〔作用〕

この発明で用いられる負荷トルク量推定はモーター回転
体の回転数変化の原理式（１）式に基づくものであり、
あらゆる運転状態、加速中、減速中、電流増減、負荷上
昇・下降にかかわらず成立するものである。

ここで（１）式の右辺に着目して に７・ｉＭ（ｔ）　＝　ＴＬ　（ｔ）　　　　　・・・
・・・　（３）となるように電流値調節が実施される時
には負荷量の変化にかかわらずモーター回転速度を一定
不変に保持することが可能となる。

そこでこの発明では速度検出と速度基準との偏差に応じ
て速度制御回路で決定する電流基準値の変化によること
なく、負荷トルク変化推定結果に基づいて（３）式を利
用して電流基準値を調節する。これにより負荷変化によ
る速度変化を早い時点で検知できしかも速度制御回路の
積分動作による応答遅れも一切排除することができるた
め制御応答性の早い装置を実現できる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例にかかる制御装置の構成ブロ
ック図である。

なお第２図に示す従来の装置の構成部分と同一部分には
同一符号を付しその詳細説明は省略する。この発明では
、負荷トルク推定器（８）からの出力である負荷トルク
推定値（５０）を入力し、電流補正量を演算して電流制
御回路（２）に供給する電流補正量演算器（１１）を設
けたことを特徴としている。通常負荷トルク推定器（８
）において電機子電流実績値（３０）と回転速度実績値
（４０）とを２つの入力信号として負荷トルク推定演算
がなされる。

そしてこの負荷トルク推定値（５０）を用いて速度垂下
量演算器（９）において速度垂下量決定が行われる。こ
の速度垂下量（７０）は速度制御回路（１）に導かれる
。

一方同じ負荷トルク推定値（５０）を用いて電流補正量
演算器−（１１）では推定されたトルク量変化に対応し
たモーター電流補正量が計算され、この電流補正量（６
０）は電流制御回路（２）に導かれる。

次に各制御回路と演算回路の動作を説明する。

モーターの駆動電源（３）は通常電動機（４）の端子電
圧を発生変化させる電圧電源であり、電流制御回路（２
）の出力はこの電源電圧調節の基準値として出力されて
いる。電動機端子電圧を上昇すれば電機子電流が増加し
回転数は増加する。逆に電圧を下降させれば回転数は減
少する。

電機子電流制御回路（２）は速度制御回路（１）からの
電流基準値（２０）を電流補正量演算器（１１）からの
電流補正量で補正した値を電機子電流実績値との偏差に
比例する電源電圧調節量とその偏差の時間積分値に比例
する電源電圧調節量の和として駆動電源電圧指令値を演
算する。

速度制御回路（１）は装置の外部から与えられる回転速
度基準値（１０）と速度垂下量演算器（９）からの速度
垂下量で補正した値と回転速度実績値（４０）との偏差
量に応じその偏差量に比例する電流調節量と偏差量の時
間積分値に比例する電流調節量の和として電機子電流基
準値（２０）を決定し、これを電機子電流制御回路（２
）へ出力する。

負荷トルク推定器（８）の動作については、既に説明し
たのでここでは省略する。推定負荷トルク量と定格負荷
トルク値の比に応じて速度垂下量は次のように決定され
る。運転の安全その他のために要求される垂下率特性が
第５図に示すものであるとし、モーター回転数の単位を
定格として決定している最高速度との比で表わすものと
すれば、希望する速度垂下特性はαで代表される。この
時の推定負荷トルク量としてＴＬを得れば、補正出力す
べき速度垂下量ｄ〔％〕は次のように算出される。

推定負荷トルク量に対する電機子電流補正の必要性と有
効性とはすでに述べたが、モーターのトルク定数ＫＴは
電機子電流値ｌ。とモーター発生トルク値との比として
定義される。

ここでに丁×ｉ、が常に負荷トルク値ＴＬとバランスし
ていれば、回転数の変化が起り得ないことは先に述べた
モーター電機子部分の運転方程式（１）式で明らかなこ
とである。そこでこの発明による電流補正量演算では電
流補正量をｉｃとする時、推定負荷トルク量ＴＬにより に示されるようにその補正量が決定され、電流制御回路
（２）に導かれる。トルク定数に７はあらかじめその設
計値あるいは実験値として正確な数値が得られている。

〔発明の効果〕

以上実施例に基づいて詳細に説明したようにこの発明で
は負荷トルク量の変化に応じてその変化量推定値に基づ
き速度垂下量を決定し調節している。そしてあらゆる負
荷運転状態において常に希望通りの速度垂下特性が実現
できる。さらに負荷変化状態に即応して電機子電流量を
補正調節する機能を付加しているため、速度垂下特性の
実現途中に現われるモーター回転速度制定に要する過渡
状態を短縮することができる。

ざらに回転速度変化量を極めて小さい範囲に抑制するこ
とが可能となり、回転速度の基準速度値からの誤差につ
いても極めて小さな値に改善されるという優れた効果を
有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる速度制御装置の構成
ブロック図、第２図は従来の装置の構成ブロック図、第
３図は電動機回転子部分の動的モデルを示す原理図、第
４図は負荷トルク変化時の速度制御応答波形を示す特性
図、第５図は速度垂下特性指定の一例を示す図である。 （１）は速度制御回路、（２）は電流制御回路、（３）
は駆動電源、　　　（４）は電動機、（５）は回転速度
検出器、 （６）は電機子電流検出器、 （８）は負荷トルク推定器、 （９）は速度垂下量演算器、（１０）は速度基準値、（
１１）は電流補正量演算器、（２０）は電流基準値、（
３０）は電流実績値、　　（４０）は回転速度実績値、
（５０）は負荷トルク推定値、（６０）は電流補正量、
（７０）は速度垂下量。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　負荷を駆動する電動機に電力を供給する駆動電源と、
   速度基準値と前記電動機の回転速度実績値との偏差に基
   づいて電流基準値を出力する速度制御回路と、この電流
   基準値と前記電動機の電機子電流の実績値とに基づいて
   前記駆動電源に対し電動機電流指令値を出力する電流制
   御回路と、前記電機子電流の実績値と前記回転速度実績
   値とに基づいて前記電動機に作用している負荷トルクを
   推定演算する負荷トルク推定器と、この負荷トルク推定
   器からの推定値に基づいて前記速度制御回路に対し回転
   速度を補正する速度垂下量を出力する速度垂下量演算器
   とを具備した駆動電動機の速度制御装置において、前記
   負荷トルク推定値に基づいて前記電流制御回路に対し前
   記電動機電流指令値を補正する電流補正量を出力する電
   流補正量演算器を設けたことを特徴とする駆動電動機の
   速度制御装置。