JPH02261081A - 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〕 本発明は電力変換器により駆動される電動機の速度制御
装置に関する。

〔従来の技術〕

電力変換器により駆動される電動機は各種機器の駆動源
として用いられている。電力変換器はサイリスタ、ゲー
トターンオフサイリスタ、トランジスタ等のスイッチン
グ素子から構成されている。

ところで、このような電動機の速度制御は電力変換器か
ら電動機に供給する電流を制御することによって行われ
る。その速度制御装置は通常メジャーループに速度制御
系を有し、マイナーループとして電流制御系を備えてい
る。

一方、電動機の負荷外乱や各種摩擦トルクによるしよう
乱を小さく抑え、外乱抑圧性能を良くするには電流制御
系の代りに速度レート制御系を用いることが提案されて
いる。このことは「電気学会論文誌り分冊Ｊ　ＶＯＬ、
１０８−Ｄ、Ｎａ’７（１９８８年）第６７２〜６７７
頁に記載されている。速度レート制御系を用いる理由と
して、電動機制御系全体の加速度は電動機の発生トルク
だけでなく、負荷や摩擦トルクをも含めた総合的な駆動
によって定まるものであることを挙げている。

〔発明が解決しようとする課題〕

電動機と負荷となる機器は軸により機械的に連結されて
いる。速度レート制御系を設けることによって外乱によ
る軸振動を抑制することができる。

この軸振動抑制を効果的に行うには電流指令に対する電
動機の発生トルクの位相遅れ量を小さくする必要がある
。位相遅れ量の許容値は抑制したい軸振動周波数によっ
て異なる。電流指令に対する発生トルクの位相遅れは電
動機の電気的時定数によって定まる。電動機の電気的時
定数は例えば２０〜３０ｍ５程度と大きく、抑制できる
軸振動周波数が制限されることになる。このため、電動
機と負荷を連結する軸の軸振動抑制を効果的に行えない
という問題点を有する。

本発明の目的は速度レート制御系による軸振動抑制の機
能を効果的に実現できる電動機の速度制御装置を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の特徴とするところは速度レート制御系のマイナ
ーループに電流制御系を設けたことにある。

本発明の他の特徴とするところは速度レート制御系のマ
イナーループに電流制御系と電流レート制御系を設けた
ことにある。

〔作用〕

速度レート制御系のマイナーループに電流制御系を設け
ると、電流指令値に対する電動機電流までの応答時定数
は電流制御系の応答時定数で決定される。電流制御系の
応答時定数は電動機の電気的時定数に比べはるかに小さ
く、かつ任意に設計できる。このため、電流指令値に対
する電動機発生トルクの位相遅れを小さくでき、軸振動
抑制を効果的に行うことができる。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例を示す。

第１図において、交流電源ＰＳから供給される交流電圧
は電力変換器１により電力変換され電動機１に加えられ
る。電動機１に供給される電流は変流器（電流検出器）
１２によって検出される。

電動機１と負荷４は軸３によって連結されており、また
、電動機１にはエンコーダ５が機械的に直結されている
。速度演算器６はエンコーダ５の発生するパルスによっ
て電動機速度ωを検出する。速度制御器７は速度指令値
ω傘と速度検出値ωの偏差に応じた速度レート指令値ω
Ｒ傘を出力し、また、速度レート演算器８は速度検出値
ωを入力して速度レート検出値ωＲを出力する。メジャ
ー制御系として速度制御系を有している。速度レート指
令値ωＲ＊と速度レート検出値ωＲの偏差が速度レート
制御器９に入力される。速度レート制御器９は速度レー
ト偏差に応じて電流指令値１傘を出力する。電流制御器
１０は電流指令値工＊と変流器１２で検出した電流検出
値■の偏差に基づき点弧制御指令値をゲートパルス発生
器１１に与える。

ゲートパルス発生器１１は点弧制御指令値に応じて電力
変換器１にゲートパルスを与え、電動機２に加える電圧
を制御する。

第２図に速度レート演算器８、速度レート制御器９およ
び電流制御器１０の具体的な詳細構成を示す。なお、電
流制御器１０は比例・積分補償を行う例を示す。

第２図において、速度レート演算器８はコンデンサＣ１
と抵抗Ｒ２を直列接続した微分回路がら構成され、速度
検出値ωを微分して速度レート検出値ωＲを得る。速度
レート制御器９は入力抵抗Ｒ１、演算増幅器ＯＡ　１お
よび演算増幅器ＯＡ　ｓと並列接続されたコンデンサＣ
２と抵抗Ｒ３の帰還回路から構成されている。また、電
流制御器１゜は入力抵抗Ｒ４，Ｒ６、演算増幅器ＯＡ　
２および演算増幅器ＯＡ　２と並列接続されたコンデン
サｃ３と抵抗Ｒ６の帰還回路から構成されている。電流
制御器１ｏは比例・積分補償を行う例を示しており、ま
た、入力抵抗Ｒ４とＲ５の抵抗値は等しいものになって
いる。

次に、その動作を説明する。

速度指令値ω＊と速度検出値ωが一致している状態では
速度制御器７の出力する速度レート指令ωＲ＊が零であ
り、速度レート制御器９はその状態を維持するのに必要
な電流指令値Ｉ−を出力する。

電流制御器１０は電流指令値■＊と電流検出値Ｉの偏差
に応じて点弧制御指令値をゲートパルス発生器１１に与
える。ゲートパルス発生器１１は点弧制御指令値に基づ
き電力変換器１にゲートパルスを与え、電力変換器１の
出力電圧を制御する。

電力変換器１は電動機２が交流機の場合には可変周波・
可変電圧の交流を出力し、直流機の場合には可変電圧の
直流を出力する。電力変換器１の出力電圧が制御される
結果、電動機２の速度は速度指令値ω＊と比例するよう
に制御される。このような動作は良く知られており、詳
細説明を省略する。

電動機２が速度指令値ω＊と比例するように制御されて
いるときに、第３図（、）に示すように速度指令値ωネ
をステップ状に増加させたとする。

速度制御器７の出力する速度レート指令値ωＲ＊は一旦
急激に増加し、その後電動機速度ωの上昇に伴い所定の
変化率で減少する。この変化率は速度レート演算器８の
時定数で定まる変化率となる。

一方、速度演算器６で検出された速度検出値ωをコンデ
ンサＣ１と抵抗Ｒ２で微分した速度レート検出値ωＲが
得られる。速度レート制御器９には速度レート指令値ω
Ｒ＊と速度レート検出値ωＲの偏差が入力され、その偏
差に応じた電流指令値■申を出力する。電流指令値工＊
は速度指令値ω拳がステップ状に変化すると徐々に増加
し、電動機速度ωがある程度加速されると緩やかに減少
するような波形となる。電流指令値■傘と電流検出値工
が図示の極性で比較され、その偏差が電流制御器１０に
入力される。以後、上述の場合と同様にして電動機２の
速度制御が行われる。

このようにして制御するのであるが、速度レート制御器
９のマイナー側に電流制御器１０を設けている。電流制
御器１０を設けると、電流指令値１申に対する電電工（
電動機発生トルク）の位相遅れは後述するように電流制
御器１０の応答時定数で決定される。電動機２の電気的
時定数は電流制御器１０の応答時定数に比べはるかに大
きく、かつ負荷の大小（電流■の大小）によって変化す
るための非線形となる。電流制御器１０の応答時定数だ
けで位相遅れが決定できると、位相遅れが小さくなると
共に線形化されるので軸振動抑制制御を安定かつ効果的
に行える。

第３図に速度指令値ω−を同図（ａ）のように変化させ
た場合における電動機２の回転速度ω１と負荷４の回転
速度ω２の実測特性図を示す。

第３図は負荷４の慣性モーメントＪＲと電動機２の慣性
モーメントＪＭの比がＪＲ／ＪＭ＝２の場合の実測図で
ある。

第３図（ｂ）は本発明のように速度レート制御系のマイ
ナーループに電流制御系を設けた場合の特性図で、第３
図（ｃ）は速度レート制御系のみの場合の特性図である
。第３図（ｂ）、（ｃ）を比較すると明らかなように、
速度レート制御系のみの場合には２マス系の伝達関数に
振動要素を持っていることが分る。

次に、速度レート制御系のマイナーループに電流制御系
を設けると電流指令に対する電動機発生トルクの位相遅
れ量を小さくできることを伝達関数を用いて説明する。

第４図は第１図に示す実施例を伝達関数のブロック図で
示したものである。

第４図における各記号は次のことを意味している。

Ｇｓ　：速度制御器７の伝達関数 ＧＳＲ：速度レート制御器９の伝達関数Ｈ８Ｒ：速度レ
ート演算器８の伝達関数Ｈ８：速度演算器６の伝達関数 Ｇｃ　：電流制御器１０の伝達関数 ＫＰ　：電力変換器１　（ゲートパルス発生器１１を含
む）の伝達関数で比例ゲイン Ｈｃ　：電流検出器１２の伝達関数 Ｇｏ１：電動機２の電気系の伝達関数 ＧＯ２：電動機２の機械系の伝達関数 Ｔｏ＊：トルク外乱 まず、電流制御器１０が比例積分補償を行うものである
場合について説明する。

電流制御器１０の伝達関数Ｇｃは次式で表わされる。

Ｔｚ　＝Ｒ４Ｃ３：積分時定数 Ｔｘ　＝ＲｅＣａ？進み時定数 Ｓニラプラス演算子 一方、電動機２の電気系の伝達関数Ｇｏ１はトルク係数
に、を分離すると次式のようになる。

ＴＥ：電動機２の電気的時定数 Ｒ：電力変換器１や電動機２などの主回路抵抗 これを伝達関数のブロック図として示すと第５図のよう
になる。なお、第５図において、Ｆｃは電流検出ゲイン
で、ＦＳは速度検出ゲインである。

電力変換器１（ゲートパルス発生器１１を含む）の比例
ゲインはＫｐであり、電流指令値ニψがら電流■までの
前向き伝達関数Ｇは次式のようになる。

一１６＝ 電気的時定数ＴＥと等しくすると（６）式は次式のよう
に表わせる。

１＋ＴＥＳ また、後向き伝達関数をＨとすると電流指令値■＊から
電流までの伝達関数は次式で表わされる。

したがって、電流制御系の一巡伝達関数ＧＨは次式のよ
うになる。

Ｉｔ　　　１４ＧＨ 電流指令値ニーから電流■までのゲインが１／Ｈで決ま
ることを理解し易くするために、（４）式の分母と分子
を１／ＧＨで割算すると（４）式は次式のようになる。

Ｈ （５）式の前向き伝達関数Ｇに（３）式を代入すると次
式が得られる。

電流制御器１０の進み時定数Ｔ２を電動機２の電流指令
値■＊と電電工までの伝達関数は次式０式％ （９）式の右辺分母の項のＴ　ｓ　Ｒ／　Ｋ　ｐ　Ｆ　
ｃは電流制御系の応答時定数Ｔｃであり、電流制御器１
０の積分時定数Ｔ１により任意に設定できる。電流制御
器１０の積分時定数Ｔｚは抵抗Ｒ４とコンデンサＣ８に
よって設定できるが、数ｍｓの応答時定数にすることが
できる。時定数Ｔｒは電動機２の電気的時定数ＴＥに比
べ一桁小さくなり、かつ線形になる。したがって、電流
指令値Ｉｔに対する電電工（電動機２の発生トルク）の
位相遅れが小さくなり、軸振動（特に負荷４側の）効果
的に抑制することができる。このような関係を伝達関数
で示すと第６図のようになる。

なお、第６図において、速度レート制御器７の伝達関数
ＧＳＲと速度レート演算器８の不完全微分の伝達関数Ｈ
８Ｒはそれぞれ次式で表わされる。

４Ｓ Ｔ３　＝Ｒ３Ｃ２：進み時定数 Ｔ４　＝ＲｚＣｚ：積分時定数 １＋、Ｔｅ５ Ｔ５．＝ＲＬＣ１：進み時定数 Ｔｅ：Ｒ２Ｃ１：不完全微分の遅れ時定数次に、以上の
例は電流制御器が比例積分補償を行うものであるが、比
例補償のみ行うものであっても同様に行えることを説明
する。

電流制御器１０の比例ゲインをＫｃとすると、電流制御
系の前向き伝達関数は（６）式から次式のように表わせ
る。

電流指令値１傘と電電工までの伝達関数は次式０式％ （１３）式を整理し理解を容易にするために右辺の分母
の項において、 とすると、（１３）式は次式まように表わせる。

（１５）式のｋｙｔ／ｋｔが電流制御系の応答時定数Ｔ
ｃであり、この時定数Ｔｃは次式で表わされる。

ＴＥ Ｋ　ｃ　Ｋ　ｐ　Ｆ　ｃ ・・（１６） （１６）式に示す電流制御系の応答時定数Ｔｃには電流
制御器１０の比例ゲインＫＣが含まれており、時定数Ｔ
ｃを任意に設定できる。

また、応答時定数Ｔｃが電動機２の電気的時定数ＴＥよ
りはるかに小さくなることは次のように説明する。

（１４ａ）、　（１４ｂ）式において、る。

Ｅ １＋ （１８）式より時定数Ｔｃを時定数ＴＥより充分に小さ
くできることが分る。

第７図に本発明の他の実施例を示す。

第７図の実施例は電動機が直流電動機２Ａの場合であっ
て、電流制御系のマイナーループに電流レート制御系を
設けたものである。

第７図において第１図と同一記号のものは相等物を示し
、直流電動機２Ａの電動機電流Ｉはシャント抵抗によっ
て検出され、電流検出回路１４と電流レート演算器１５
に入力される。電流検出回路１４で検出された電流検出
回路は電流指令値■＊と比較され、その偏差が電流制御
器１０に入力される。一方、電流レート演算器１５で検
出された電流レート検出値は電流制御器１０の出力信号
と比較され、その偏差が電流レート制御器１６に入力さ
れる。電流制御器１０には通常リミッタ機能を持たせて
おり、その出力信号が電流レート指令値ＩＲ傘となる。

この構成において、電流レート制御系の動作は例えば特
公昭５７−５８８７５号公報に記載されているので詳細
説明を省略するが、要するに直流電動機２Ａに流れる電
流■の最大変化率が電流レート演算器１５の時定数によ
って制限される。

さて、このように電流レート制御系を設けた場合にも電
流制御系の応答時定数Ｔｃが電動機２の電気的時定数Ｔ
Ｅに影響されないことを説明する。

説明を簡単にするため、電流制御器１０は比例補償を行
うものとし、その比例ゲインＫｐが１であるとする。

この場合の電流レート指令値ＩＩから電流■までの前向
き伝達関数Ｇは次式のようになる。

ＴＣＲ３ｌ＋ＴＥＳ また、後向き伝達関数Ｈは次式のようになる。

Ｈ＝Ｆｃ−ＴｃｏＳ　　　　　　　　　　−（２０）Ｔ
ｃｏ：電流レート演算器１５の電流変化時定数電流レー
ト制御系の一巡伝達関数ＧＨは次式のようになる。

ＴＣＲ１＋ＴＥＳ 電流レート指令値工Ｒ＊から電流■までの伝達関数は次
式のようになる。

■　　１　　１　　　　１ ・・・（２２） ので省略し、電流制御器１０の比例ゲインＫｃを含めて
電流指令値■＊から電流■までの伝達関数を求める次式
のようになる。

ｃ ・・・（２３） （２３）式より明らかなように電流指令値■傘に対する
電流■の位相遅れは電流制御系の応答時定数Ｔｃのみで
決まることになる。時定数Ｔｃは次式％式％ したがって、電流制御系の応答時定数Ｔｃは電流制御器
１０の比例ゲインＫｃと電流レーＩ−演算器１５の電流
変化率時定数Ｔｃｏによって設定できる。

なお、電流制御器１０の比例ゲインＫｃを１にすると、
Ｔｃ：Ｔｃｏとなり制御系の調整を簡単に行える。

このように、電流制御系のマイナーループに電流レート
制御系がある場合にも電流指令値１傘に対する電流■の
位相遅れを小さくできる。その結果として軸振動抑制を
効果的に行うことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したよ、うに、本発明によれば電流指令値に対
する電動機電流つまり電動機発生トルクの位相遅れが電
流制御系の制御応答時定数のみになる。電流制御系の制
御応答時定数は電動機の電気的時定数に比べてはるかに
小さく、かつ線形化できる。その結果、速度レート制御
による軸振動抑制を安定かつ効果的に行える。

なお、上述の実施例はアナログ構成のものについて説明
したが、マイクロプロセッサを用いてディジタル制御す
るものにおいても同様に実施できることは明らかなこと
である。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流電源から供給される電力の変換を行う電力変換
   器と、該電力変換器により駆動される電動機と、該電動
   機の速度制御を行うためのメジャー制御系としての速度
   制御系と、該速度制御系のマイナー側に設けられた速度
   レート制御系と、該速度レート制御系のマイナー側に設
   けられ、前記電力変換器の出力電流を制御する電流制御
   系とを具備した電動機の速度制御装置。 ２、請求項１において、前記電流制御系は比例補償を行
   うものであることを特徴とする電動機の速度制御装置。 ３、請求項１において、前記電流制御系は比例積分補償
   を行うものであることを特徴とする電動機の速度制御装
   置。 ４、交流電源から供給される電力の変換を行う電力変換
   器と、該電力変換器により駆動される電動機と、該電動
   機の速度制御を行うためのメジャー制御系としての速度
   制御系と、該速度制御系のマイナー側に設けられた速度
   レート制御系と、該速度レート制御系の出力する電流指
   令値に基づき前記電力変換器の出力電流を制御する電流
   制御系とを具備し、前記電流制御系は前記電流指令値に
   対する前記電動機の発生トルクの位相遅れを自己の応答
   時定数にのみ依存するようにしたことを特徴とする電動
   機の速度制御装置。 ５、交流電源から供給される電力の変換を行う電力変換
   器と、該電力変換器により駆動される電動機と、該電動
   機の速度制御を行うためのメジャー制御系としての速度
   制御系と、該速度制御系のマイナー側に設けられた速度
   レート制御系と、該速度レート制御系の出力する電流指
   令値に基づき前記電力変換器の出力電流を制御するもの
   であつて、比例積分補償を行う電流制御系とを具備し、
   前記電流制御系はその進み時定数を前記電動機の電気的
   時定数と等しくなるように設定されることを特徴とする
   電動機の速度制御装置。 ６、交流電源から供給される電力の変換を行う電力変換
   器と、該電力変換器により駆動される電動機と、該電動
   機の速度制御を行うためのメジャー制御系としての速度
   制御系と、該速度制御系のマイナー側に設けられた速度
   レート制御系と、該速度レート制御系の出力する電流指
   令値に基づき前記電力変換器の出力電流を制御するもの
   であつて、比例積分補償を行う電流制御系とを具備し、
   前記電流制御系は前記電流指令値に対する前記電動機の
   発生トルクの位相遅れを積分時定数のみに依存するよう
   にしたことを特徴とする電動機の速度制御装置。 ７、交流電源から供給される電力の変換を行う電力変換
   器と、該電力変換器により駆動される電動機と、該電動
   機の速度制御を行うためのメジャー制御系としての速度
   制御系と、該速度制御系のマイナー側に設けられ、前記
   電動機の速度レート検出値を得る帰還回路を有する速度
   レート制御系と、該速度レート制御系の出力する電流指
   令値に基づき前記電力変換器の出力電流を制御する電流
   制御系とを具備した電動機の速度制御装置。 ８、交流電源から供給される電力の変換を行う電力変換
   器と、該電力変換器により駆動される電動機と、該電動
   機の速度を検出するための速度検出手段と、前記電動機
   に供給される電流を検出する電流検出手段と、速度指令
   値と前記速度検出手段で検出した速度検出値の偏差に応
   じた速度レート指令値を出力する速度制御手段と、前記
   電動機の速度レートを検出する速度レート演算手段と、
   前記速度レート指令値と前記速度レート検出値の偏差に
   応じて電流指令値を出力する速度レート制御手段と、前
   記電流指令値と前記電流検出手段で検出した電流検出値
   の偏差に応じて前記電力変換器の出力電流を制御する電
   流制御手段とを具備した電動機の速度制御装置。 ９、交流電源から供給される電力の変換を行う電力変換
   器と、該電力変換器により駆動される直流電動機と、該
   直流電動機の速度制御を行うためのメジャー制御系とし
   ての速度制御系と、該速度制御系のマイナー側に設けら
   れた速度レート制御系と、該速度レート制御系のマイナ
   ー側に設けられ、前記電力変換器の出力電流を制御する
   電流制御系と、該電流制御系のマイナー側に設けられ、
   前記電力変換器の出力電流の電流レート値を制御する電
   流レート制御系を具備した電動機の速度制御装置。 １０、交流電源から供給される電力の変換を行う電力変
   換器と、該電力変換器により駆動される直流電動機と、
   該直流電動機の速度制御を行うためのメジャー制御系と
   しての速度制御系と、該速度制御系のマイナー側に設け
   られた速度レート制御系と、該速度レート制御系のマイ
   ナー側に設けられ、前記電力変換器の出力電流を制御す
   るものであつて、比例補償を行う電流制御系と、該電流
   制御系のマイナー側に設けられ、前記電力変換器の出力
   電流の電流レート値を制御する電流レート制御系を具備
   した電動機の速度制御装置。 １１、交流電源から供給される電力の変換を行う電力変
   換器と、該電力変換器により駆動される直流電動機と、
   該直流電動機の速度を検出するための速度検出手段と、
   前記電動機に供給される電流を検出する電流検出手段と
   、速度指令値と前記速度検出手段で検出した速度検出値
   の偏差に応じた速度レート指令値を出力する速度制御手
   段と、前記直流電動機の速度レートを検出する速度レー
   ト演算手段と、前記速度レート指令値と前記速度レート
   検出値の偏差に応じて電流指令値を出力する速度レート
   制御手段と、前記電流指令値と前記電流検出手段で検出
   した電流検出値の偏差に応じた電流レート指令値を出力
   する電流制御手段と、前記電動機に供給される電流のレ
   ート値を検出する電流レート演算手段と、前記電流レー
   ト指令値と電流レート検出値に基づき前記電力変換器の
   出力電流を制御する電流レート制御手段を具備した電動
   機の速度制御装置。