JPH0630577A

JPH0630577A - 電動機の速度制御装置

Info

Publication number: JPH0630577A
Application number: JP4138222A
Authority: JP
Inventors: Masato Koyama; 正人小山; Tetsuaki Nagano; 鉄明長野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1994-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】負荷機械の慣性モーメントが未知の場合や運
転中に変化するような場合でも、速度制御の応答を一定
に保つことができる電動機の速度制御装置を得ることを
目的とする。【構成】トルク伝達機構２、負荷機械３及び電動機１
ａを一つの積分要素として近似し模擬速度信号を出力す
る機械系模擬回路６と、速度指令信号と模擬速度信号に
基づいて第２のトルク信号を出力する第２の制御回路７
と、電動機１ａの実速度と模擬速度信号に基づいて第３
のトルク信号を出力する第３の制御回路８を設け、修正
回路１１は第３のトルク信号に含まれる実速度信号と模
擬速度信号との偏差に比例した信号成分の振幅の絶対値
を減少させるように機械系模擬回路６の積分時定数を修
正するとともに、この積分時定数に応じて第２の制御回
路７のゲイン修正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば鉄鋼プラント
における圧延ロール、工作機械におけるテーブル、電動
式産業用ロボットのアームのような負荷機械を駆動する
電動機（直流電動機、誘導電動機、同期電動機など）の
速度制御装置に関するものである。

【０００２】特に、電動機、トルク伝達機構及び負荷機
械からなる機械系を純粋な１つの積分要素として近似し
た＜機械系模擬回路＞を付加して、トルク伝達機構の剛
性が低い場合にも速度制御の応答周波数を高くすること
ができ、また、負荷機械の慣性モーメント（イナーシ
ャ）が変化するような場合でも速度制御の応答周波数が
一定に保たれるようなチューニング機能を備えた電動機
の速度制御装置に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来例の構成を図１２を参照しながら説
明する。図１２は従来の電動機の速度制御装置を示すブ
ロック図であり、１ａは直流電動機、２はトルク伝達機
構、３は負荷機械、４は速度検出器、５は第１の制御回
路、６ａは機械系模擬回路、７ａは第２の制御回路、８
ａは第３の制御回路、９は第４の制御回路、１０は電力
変換回路、及び１２は速度指令信号発生回路である。

【０００４】次に、上述した従来例の動作をまず機械系
模擬回路６ａ、第２の制御回路７ａ及び第３の制御回路
８ａを省略した場合について説明する。

【０００５】第１のトルク信号τ₁が、第１の制御回路
５によって出力される。すなわち、速度指令信号発生回
路１２から出力された速度指令信号ω_msと、速度検出器
４から出力された実速度信号ω_mとの偏差に基づいて、
第１のトルク信号τ₁が出力されて第４の制御回路９に
供給される。なお、通常、第１の制御回路５ではＰＩ制
御演算が行われる。

【０００６】つづいて、制御信号が第４の制御回路９に
よって出力される。すなわち、第４の制御回路９では、
直流電動機１ａの発生トルクが第１のトルク信号τ₁に
追随するように電力変換回路１０を動作させる制御信号
が発生され、電力変換回路１０に供給される。

【０００７】このように、直流電動機１ａの速度をフィ
ードバック制御する速度制御系が、高い安定性と高い応
答周波数を得ることができるということで知られてい
る。なお、直流電動機１ａの電機子電流は、発生トルク
にほぼ比例するので、速度制御の応答性の向上を図るた
めに、通常、第４の制御回路９の内部に電流フィードバ
ックループが構成される。

【０００８】この場合は、第１の制御回路５から出力さ
れた第１のトルク信号τ₁を係数倍して得られる電流指
令信号と、図示しない電流検出器から出力された電機子
電流信号との偏差に基づいて、直流電動機１ａの発生ト
ルクが第１のトルク信号τ₁に追随するように電力変換
回路１０を動作させる制御回路が発生され、電力変換回
路１０に供給される。

【０００９】この電流マイナループは、トルク制御ルー
プとして動作し、この電流マイナループの応答周波数が
速度制御ループの応答周波数の数倍以上となるように、
第４の制御回路９を設計すると、高い安定性を有する速
度制御系を実現できることが知られている。また、第１
の制御回路５の出力側に制限回路（リミッタ）を設け前
記の電流指令信号の振幅を制限すると、直流電動機１ａ
に供給される電機子電流の最大値を制限することが可能
である。

【００１０】ところで、直流電動機１ａに機械的なトル
ク伝達機構２を介して負荷機械３を接続した場合、トル
ク伝達機構２の剛性が充分高ければ、直流電動機１ａ、
トルク伝達機構２及び負荷機械３から構成される機械系
は等価的に１つの剛体とみなせるので、前述した従来の
速度制御装置を用いても高い応答周波数の速度制御が実
現できる。

【００１１】しかしながら、実際には、負荷機械３と直
流電動機１ａとの速度比を可変にする目的などのため
に、トルク伝達機構２に１段または多段のギア（歯車装
置）が設けられる場合がある。これらのギアには、通
常、ガタ（バックラッシュ）があるため、ギアが接して
いるときと、離れているときとでは、上記の機械系の特
性は大きく変化する。

【００１２】例えば、仮に負荷機械３の慣性モーメント
が直流電動機１ａの慣性モーメントの９倍であるとする
と、速度制御装置から見た機械系の慣性モーメントは、
ギアが接しているときは１０×Ｊ_m（Ｊ_mは直流電動機
１ａの慣性モーメント）となり、離れているときは１×
Ｊ_mとなる。

【００１３】ところが、従来の速度制御装置における第
１の制御回路５のゲインは、機械系のギアが接している
場合に所定の速度制御応答性が得られるように設定され
るので、何等かの原因でギアが離れると、そのときの速
度制御系の応答周波数はギアが接しているときの１０倍
となる。その結果、ギアが離れた状態では速度制御系は
応答周波数が高くなりすぎて不安定になる場合がある。

【００１４】このような状態で、負荷機械３の加減速運
転が行われると、ギアの接触、非接触が周期的に発生
し、大振幅の衝撃トルク直流電動機１ａ及びトルク伝達
機構２に印加される。このため、直流電動機１ａ及びト
ルク伝達機構２の機械的疲労が問題となる。

【００１５】また、トルク伝達機構２の剛性が低い場合
には、速度制御系の応答周波数を上げるために第１の制
御回路５のゲインを高くすると、機械共振による速度振
動が発生し安定な速度制御ができないことが知られてい
る。

【００１６】このように、トルク伝達機構２の剛性が低
い場合や、ギアが使用される場合は、第１の制御回路５
のみを有する速度制御装置を用いて仕様を満足する応答
周波数を持った速度制御の実現が困難であった。特に、
製紙プラントにおける抄紙機のように、負荷機械３の慣
性モーメントが直流電動機１ａの慣性モーメントと比較
して非常に大きい場合には、ギアが接している場合と離
れている場合とで速度制御の応答周波数が大幅に変化す
るため、安定性面から速度制御の応答周波数を高くする
ことができないという問題があった。

【００１７】そこで、この問題を解決するための１手段
として、機械系模擬回路６ａ、第２の制御回路７ａ及び
第３の制御回路８ａが付加された。次に、これらの機械
系模擬回路６ａ、第２の制御回路７ａ及び第３の制御回
路８ａの動作について説明する。

【００１８】まず、第２のトルク信号τ₂が、第２の制
御回路７ａによって発生される。すなわち、速度指令信
号発生回路１２から出力された速度指令信号ω_msと、機
械系模擬回路６ａから出力された模擬速度信号ω_aとの
偏差に基づいて、第２のトルク信号τ₂が発生され機械
系模擬回路６ａ及び第４の制御回路９に供給される。

【００１９】また、機械系模擬回路６ａは１つの積分器
で構成され、この積分器の時定数、すなわち、積分時定
数は直流電動機１ａ、トルク伝達機構２及び負荷機械３
の慣性モーメントの総和を時定数に換算した値に設定さ
れる。そこで、第２の制御回路７ａを速度指令信号ω_ms
の変化に対する模擬速度信号ω_aの応答が、仕様を満足
するように設計すると、第２のトルク信号τ₂は機械系
を剛性が無限大で１つの慣性モーメントとして近似した
場合に、直流電動機１ａが発生すべきトルクに比例した
信号となる。

【００２０】つづいて、第３のトルク信号τ₃が、第３
の制御回路８ａによって発生される。すなわち、速度検
出器４から出力された実速度信号ω_mと機械系模擬回路
６ａから出力された模擬速度信号ω_aとの偏差に基づい
て、第３のトルク信号τ₃が発生され第４の制御回路９
に供給される。

【００２１】つづいて、第４の制御回路９によって、第
１の制御回路５から出力された第１のトルク信号τ
₁と、第２の制御回路７ａから出力された第２のトルク
信号τ₂と、第３の制御回路８ａから出力された第３の
トルク信号τ₃とを合わせた最終トルク信号τ_msに直流
電動機１ａの発生トルクτ_mが追従するように、電力変
換回路１０を動作させる制御信号が発生されて、電力変
換回路１０に供給される。

【００２２】このとき、第１の制御回路５は、第２の制
御回路７ａ及び第３の制御回路８ａを省略した場合に、
ギアの接触、非接触といった機械系の状態の変化によら
ず速度制御の安定性が確保できるように、制御ゲインの
値を低くして設計する。また、第３の制御回路８ａも同
様に、第１の制御回路５及び第２の制御回路７ａを省略
した場合に速度制御の安定性が確保できるように、制御
ゲインの値を設計する。

【００２３】一方、第２の制御回路７ａは速度検出器４
から出力される実速度信号ω_mが入力されないので、仕
様を満足するように応答周波数を高くして設計しても速
度制御の安定性は損なわれない。従って、機械系の剛性
が低い場合やギアのガタがあるような場合でも、速度指
令信号ω_msの変化に対しては第２の制御回路７ａによっ
て高速応答の速度制御を実現することが可能である。ま
た、負荷機械３に印加される負荷トルクの変化に対して
は、第２のトルク信号τ₂は変化せず第２の制御回路７
ａは制御系の応答には無関係になるが、第１の制御回路
５及び第３の制御回路８ａの制御ゲインを調節すること
により、第３の制御回路８ａがない場合よりも制御系の
応答を上げることが可能である。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
電動機の速度制御装置では、負荷機械３の慣性モーメン
トが一定の場合は、機械系模擬回路６ａ及び第２の制御
回路７ａによって、機械系の剛性が低い場合やギアのガ
タがあるような場合でも速度指令信号ω_msの変化に対
し、仕様を満足するような高い応答周波数の速度制御が
可能である。

【００２５】しかしながら、電動式産業用ロボットのよ
うに、負荷機械であるアームの慣性モーメントがアーム
の位置によって大きく変化するような場合は、機械系模
擬回路６ａの積分時定数及び第２の制御回路７ａのゲイ
ンが一定であることから、アームの位置によって、速度
指令信号の変化に対する速度制御系の応答が変化してし
まうという問題があった。また、電動機単体を負荷とし
た場合は予め機械系模擬回路６ａの積分時定数や第１か
ら第３の制御回路のゲインの値を最適値に設定すること
が可能であるが、負荷機械が接続された場合にはこれら
の値を再調整しなければならないという問題もあった。

【００２６】この発明は、これらの課題を解決するため
になされたもので、負荷機械の慣性モーメントが未知の
場合や運転中に変化するような場合でも、速度制御の応
答を一定に保つことができる電動機の速度制御装置を得
ることを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る電動機の
速度制御装置は、機械系模擬回路の積分時定数及び少な
くとも第２の制御回路のゲインを修正するための修正回
路を備えたものである。

【００２８】

【作用】この発明における修正回路は、第３の制御回路
から出力される第３のトルク信号を入力し、この第３の
トルク信号に含まれる実速度信号と模擬速度信号との偏
差に比例した信号成分の振幅の絶対値を減少させるよう
に機械系模擬回路の積分時定数を修正するとともに、こ
の積分時定数に応じて少なくとも第２の制御回路のゲイ
ンを修正するように作用する。

【００２９】

【実施例】実施例１．以下、この発明の実施例１の構成
を図１〜図７を参照しながら説明する。図１は、この発
明の実施例１の全体を示すブロック図であり、直流電動
機１ａ、トルク伝達機構２、負荷機械３、速度検出器
４、第１の制御回路５、第４の制御回路９、電力変換回
路１０、速度指令信号発生回路１２は上記従来装置のも
のと全く同一である。

【００３０】図１において、この発明の実施例１は、上
述した従来装置のものと全く同一のものと、機械系模擬
回路６と、入力側が速度指令信号発生回路１２及び機械
系模擬回路６に接続されかつ出力側が機械系模擬回路６
及び第４の制御回路９に接続された第２の制御回路７
と、入力側の一方が速度検出器４に接続されかつ入力側
の他方が機械系模擬回路６に接続された第３の制御回路
８と、入力側が第２の制御回路７及び第３の制御回路８
に接続され出力側が機械系模擬回路６及び第２の制御回
路７に接続された修正回路１１とから構成されている。

【００３１】ところで、この発明における直流電動機１
ａのトルクの制御手段は、第４の制御回路９と、電力変
換回路１０とから構成されている。

【００３２】図２は、上述した第１の制御回路５の詳細
な構成を示すブロック図である。図２において、第１の
制御回路５は、通常、ＰＩ型の制御回路と呼ばれ、速度
指令信号発生回路１２に接続された入力端子２１と、速
度検出器４に接続された入力端子２２と、これら入力端
子２１，２２に接続された減算器２３と、この減算器２
３に接続された積分器２４と、減算器２３に接続された
係数器２５と、積分器２４及び係数器２５に接続された
加算器２６と、この加算器２６に接続された制限回路２
７と、この制限回路２７に接続された出力端子２８とか
ら構成されている。

【００３３】図３は、上述した機械系模擬回路６の詳細
な構成を示すブロック図である。図において、機械系模
擬回路６は、第２の制御回路７に接続された入力端子３
１と、修正回路１１に接続された入力端子３２と、これ
ら入力端子３１，３２に接続された割算器３３と、この
割算器３３に接続された積分器３４と、この積分器３４
に接続された出力端子３５から構成されている。

【００３４】図４は、上述した第２の制御回路７の詳細
な構成を示すブロック図である。図４において、第２の
制御回路７は、通常、ＰＩ型の制御回路と呼ばれ、修正
回路１１に接続された入力端子４１，４４と、速度指令
信号発生回路１２に接続された入力端子４２と、機械系
模擬回路６に接続された入力端子４３と、これら入力端
子４２，４３に接続された減算器４５と、入力端子４１
及び減算器４５に接続された乗算器４６と、入力端子４
４及び減算器４５に接続された乗算器４７と、この乗算
器４７に接続された積分器４８と、乗算器４６及び積分
器４８に接続された加算器４９と、この加算器４９に接
続された制限回路５０と、この制限回路５０に接続され
た出力端子５１とから構成されている。

【００３５】図５は、上述した第３の制御回路８の詳細
な構成を示すブロック図である。図５において、第３の
制御回路８は、通常、ＰＩ型の制御回路と呼ばれ、機械
系模擬回路６に接続された入力端子５２と、速度検出器
４に接続された入力端子５３と、これら入力端子５２，
５３に接続された減算器５４と、この減算器５４に接続
された積分器５５と、減算器５４に接続された係数器５
６と、積分器５５及び係数器５６に接続された加算器５
７と、係数器５６に接続された出力端子５８と、加算器
５７に接続された出力端子５９とから構成されている。

【００３６】図６は、上述した第４の制御回路９の詳細
な構成を示すブロック図である。図６において、第３の
制御回路９は、第１の制御回路５に接続された入力端子
６０ａと、第２の制御回路７に接続された入力端子６０
ｂと、第３の制御回路８に接続された入力端子６０ｃ
と、図示しない電流検出器に接続された入力端子６０ｄ
と、入力端子６０ａ，６０ｂ，６０ｃに接続された加算
器６１と、この加算器６１に接続された制限回路６２
と、この制限回路６２に接続された係数器６３と、入力
端子６０ｄ及び係数器６３に接続された減算器６４と、
この減算器６４に接続された積分器６５と、減算器６４
に接続された係数器６６と、積分器６５及び係数器６６
に接続された加算器６７と、この加算器６７に接続され
たＰＷＭ回路６８と、このＰＷＭ回路６８に接続された
出力端子６９とから構成されている。

【００３７】図７は、上述した修正回路１１の詳細な構
成を示すブロック図である。図７において、修正回路１
１は、第３の制御回路８に接続された入力端子７０と、
第２の制御回路７に接続された入力端子７１と、この入
力端子７１に接続された極性判別回路７２と、入力端子
７０及び極性判別回路７２に接続された乗算器７３と、
この乗算器７３に接続された積分器７４と、定数設定器
７５と、積分器７４及び定数設定器７５に接続された加
算器７６と、この加算器７６に接続された係数器７７，
７８と、加算器７６に接続された出力端子７９と、係数
器７７に接続された出力端子８０と、係数器７８に接続
された出力端子８１とから構成されている。

【００３８】つぎに、実施例１の動作を図１〜図７を参
照しながら説明する。まず、図２で示す第１の制御回路
５において、第１の速度偏差信号Δω₁が、減算器２３
によって出力される。すなわち、速度指令信号発生回路
１２から入力端子２１を経由して入力された速度指令信
号ω_msと、速度検出器４から入力端子２２を経由して入
力された実速度信号ω_mとの第１の速度指令信号Δω₁
（＝ω_ms−ω_m）が求められて、積分器２４及び係数器
２５に供給される。

【００３９】つづいて、第１のトルク信号τ₁が、加算
器２６によって出力され、制御回路２７を経て出力端子
２８から出力される。すなわち、積分器２４の出力と、
係数器２５の出力との和が求められて制御回路２７に供
給される。この制御回路２７は、第１のトルク信号τ₁
の絶対値の最大値を制限する働きをする。

【００４０】つづいて、図３で示す機械系模擬回路６に
おいて、模擬速度信号ω_aが積分器３４によって出力さ
れる。すなわち、第２の制御回路７から入力端子３１を
経由して入力された第２のトルク信号τ₂と、修正回路
１１から入力端子３２を経由して入力された慣性モーメ
ントＪとが割算器３３に入力される。さらに、この割算
器３３の出力が積分器３４に入力される。そして、積分
器３４において、第２のトルク信号τ₂の積分演算が行
われ、模擬速度信号ω_aとして出力端子３５から出力さ
れる。すなわち、模擬速度信号ω_aは積分時定数が慣性
モーメントＪに等しい積分器に第２のトルク信号τ₂を
入力することによって得られる。

【００４１】一方、図４で示す第２の制御回路７におい
て、第２の速度偏差信号Δω₂が、減算器４５によって
出力される。すなわち、速度指令信号発生回路１２から
入力端子４２を経由して入力された速度指令信号ω
_msと、機械系模擬回路６から入力端子４３を経由して入
力された模擬速度信号ω_aとの第２の速度偏差信号Δω
₂（＝ω_ms−ω_a）が求められて、乗算器４６及び４７
に供給される。

【００４２】つづいて、第２のトルク信号τ₂が、加算
器４９によって出力され、制限回路５０を経て出力端子
５１から出力される。すなわち、修正回路１１から入力
端子４１を経由して入力された比例ゲインＫ_p2と、減算
器４５から出力された第２の速度偏差信号Δω₂とが乗
算器４６に入力され乗算される。また、修正回路１１か
ら入力端子４４を経由して入力された積分ゲインＫ
_i2と、減算器４５から出力された第２の速度偏差信号Δ
ω₂とが乗算器４７に入力され乗算され、積分器４８に
供給される。さらに、乗算器４６の出力と、積分器４８
の出力との和が加算器４９により求められて制限回路５
０に供給される。この制限回路５０は、第１の制御回路
７の制限回路２７と同様に、第２のトルク信号τ₂の絶
対値の最大値を制限する働きをする。

【００４３】さて、第２の制御回路７及び機械系模擬回
路６から構成される制御系のブロック図は、図８のよう
になる。図８において、Ｋ_p2及びＫ_i2はそれぞれ、上述
したように、第２の制御回路７の比例ゲイン及び積分ゲ
インである。また、Ｊは上述したように、機械系模擬回
路６の積分時定数、すなわち慣性モーメントである。図
８から、速度指令信号ω_msに対する模擬速度信号ω_aの
伝達関数は、下記の式（１）で示される。

【００４４】

【数１】

【００４５】次に、第２の制御回路７のゲインＫ_p2及び
Ｋ_i2の設定方法を図９を参照しながら説明する。図９に
は、図８の制御系の開ループ伝達関数（Ｋ_p2＋Ｋ_i2／
ｓ）・（１／Ｊｓ）を折れ線で近似したゲイン線図が実
線で示されている。また、図９には、第２の制御回路７
の伝達関数（Ｋ_p2＋Ｋ_i2／ｓ）及び機械系模擬回路６の
伝達関数（１／Ｊｓ）のゲイン線図も示されている。図
９において、ω_scは図８の制御系の応答周波数であり、
ω_piで示された周波数は通常、ω_scの数分の１以下とな
るように設定される。このとき、ω_scとω_piとを仕様と
して設定すると、第２の制御回路７のゲインＫ_p2及びＫ
_i2はそれぞれ、下記の式（２）を用いて設定される。

【００４６】

【数２】

【００４７】なお、第１の制御回路５及び第３の制御回
路８のゲインも同様の方法で設定できる。さて次に、こ
の発明における機械系模擬回路６の積分時定数を修正す
るための方法について図１０を参照しながら説明する。
まず、機械系模擬回路６の積分時定数Ｊが実際の機械系
の慣性モーメントと異る場合は、速度指令信号ω_msに対
する実速度信号ω_mの応答と、模擬速度信号ω_aの応答
との間に偏差が生じ、第３の速度偏差信号Δω₃（＝ω
_a−ω_m）が零でなくなる。

【００４８】例えば、機械系模擬回路６の積分時定数Ｊ
が実際の機械系の慣性モーメントより小さい場合は、図
１０（ａ）に示すように速度指令信号ω_msの変化に対
し、実速度信号ω_mの応答が模擬速度信号ω_aに対して
遅れる。このとき、図１０（ａ）からわかるように、第
３の速度偏差信号Δω₃の極性は加速中は正で減速中は
負となる。反対に、機械系模擬回路６の積分時定数Ｊが
実際の機械系の慣性モーメントより大きい場合は、速度
指令信号ω_msの変化に対し、模擬速度信号ω_aの応答が
実速度信号ω_mに対して遅れるので、第３の速度偏差信
号Δω₃の極性は加速中は負で減速中は正となる。した
がって、第３の速度偏差信号Δω₃の振幅が減少するよ
うに、機械系模擬回路６の積分時定数Ｊの値を修正すれ
ばよいことがわかる。

【００４９】ここで、第３の速度偏差信号Δω₃の極性
は加減速状態に応じて変化するが、図１０（ｂ）からわ
かるように、第２の制御回路７から出力される第２のト
ルク信号τ₂の極性を判別することにより、加減速の判
定ができる。すなわち、加速中はτ₂の極性は正とな
り、減速中は負となる。例えば、加速中すなわちτ₂の
極性が正のときに第３の速度偏差信号Δω₃の極性が正
であれば、機械系模擬回路６の積分時定数Ｊを増加させ
ればよい。このようにして、機械系模擬回路６の積分時
定数Ｊの値が修正されると、式（２）を利用して第２の
制御回路７のゲインＫ_p2及びＫ_i2の値も、実際の機械系
の慣性モーメントに応じて修正することが可能である。

【００５０】さて次に、図５で示す第３の制御回路８に
おいて、第３の速度偏差信号Δω₃が、減算器５４によ
って出力される。すなわち、機械系模擬回路６から入力
端子５２を経由して入力された模擬速度信号ω_aと、速
度検出器４から入力端子５３を経由して入力された実速
度信号ω_mとの第３の速度偏差信号Δω₃（＝ω_a−ω
_m）が求められ、積分器５５及び係数器５６に供給され
る。

【００５１】つづいて、第３のトルク信号τ₃が、加算
器５７によって出力され、出力端子５９から出力され
る。すなわち、積分器５５の出力と、係数器５６の出力
との和が求められて、第３のトルク信号τ₃として出力
端子５９から出力される。また、係数器５６から出力さ
れる第３の速度偏差信号に振幅が比例したトルク信号τ
_3pが出力端子５８から出力される。

【００５２】次に、図６で示す第４の制御回路９におい
て、最終トルク信号τ_msが加算器６１によって出力され
る。すなわち、第１の制御回路５から入力端子６０ａを
経由して入力された第１のトルク信号τ₁と、第２の制
御回路７から入力端子６０ｂを経由して入力された第２
のトルク信号τ₂と、第３の制御回路８から入力端子６
０ｃを経由して入力された第３のトルク信号τ₃との和
である最終トルク信号τ_ms（＝τ₁＋τ₂＋τ₃）が求
められて、制限回路６２に供給される。この制御回路６
２は、最終トルク信号τ_msの振幅をあらかじめ決められ
た設定値以下に制限する。

【００５３】つづいて、電機子電流指令信号Ｉ_asが、係
数器６３によって出力される。すなわち、公知のよう
に、直流電動機１ａの発生トルクτ_mと電機子電流Ｉa
との関係は式（３）で示される。なお、Ｋ_Tはトルク定
数である。

【００５４】

【数３】

【００５５】したがって、係数が１／Ｋ_Tの係数器６３
に最終トルク信号τ_msが入力されると、電機子電流指令
信号Ｉ_asが求められる。

【００５６】つづいて、電流偏差信号ΔＩ（＝Ｉ_as−Ｉ
_a）が、減算器６４によって出力される。すなわち、係
数器６３から出力された電機子電流指令信号Ｉ_asと、図
示しない電流検出器から入力端子６０ｄを経由して入力
された実際の電機子電流Ｉ_aとの差である電流偏差信号
ΔＩが求められ、積分器６５及び係数器６６に供給され
る。

【００５７】さらに、端子電圧指令信号Ｖ_asが、加算器
６７によって出力される。すなわち、積分器６５の出力
と係数器６６の出力との和である端子電圧指令信号Ｖ_as
が求められ、ＰＷＭ回路６８に供給される。

【００５８】このＰＷＭ回路６８は、端子電圧指令信号
Ｖ_asに基づいて、例えば、４象限チョッパ回路から構成
された電力変換回路１０の４つのスイッチング素子のオ
ンオフ信号を出力する。なお、ＰＷＭ回路６８の構成な
どは公知であるので、詳細な説明を省略する。

【００５９】そして、直流電動機１_aの端子電圧Ｖ_aが
端子電圧指令信号Ｖ_asに追随するように、電力変換回路
１０及びＰＷＭ回路６８によって制限される。以上の説
明から、直流電動機１ａの発生トルクτ_mが、最終トル
ク信号τ_msに追随するように、図６で示した第４の制御
回路９及び電力変換回路１０によって制御されることが
理解される。

【００６０】つづいて、図７で示す修正回路１１におい
て、機械系模擬回路６の積分時定数すなわち慣性モーメ
ントＪが加算器７３によって出力される。すなわち、第
２の制御回路７から入力端子７１を経由して入力された
第２のトルク信号τ₂が極性判別回路７２に供給され、
極性信号Ｓ_gが出力される。ここで、極性信号Ｓ_gの値
は、τ₂の極性が正の場合は１、負の場合は−１とす
る。つづいて、この極性信号Ｓ_gと第３の制御回路８か
ら入力端子７０を経由して入力されたトルク信号τ_3pと
の積が乗算器７３によって求められ、積分器７４に供給
される。さらに、この積分器７４から出力された慣性モ
ーメントの補正値ΔＪと、定数設定器７５から出力され
た慣性モーメントの初期設定値Ｊ₀との和がもとめら
れ、慣性モーメントＪとして出力端子７９から出力され
る。このとき、慣性モーメントの初期設定値Ｊ₀とし
て、例えば、直流電動機１ａの慣性モーメントの値が用
いられる。

【００６１】さらに、第２の制御回路７のゲインＫ_p2及
びＫ_i2が出力される。すなわち、慣性モーメントＪを係
数器７７及び７８にそれぞれ入力すると式（２）の演算
により、第２の制御回路７のゲインＫ_p2及びＫ_i2が求め
られ、出力端子８０及び８１から出力される。

【００６２】以上のことから、第３の速度偏差信号Δω
₃に振幅が比例したトルク信号τ_3pの振幅の絶対値が減
少するように、積分器７１によって慣性モーメントの修
正値を求めるとともに、修正された慣性モーメントＪを
用いて式（２）の演算によって第２の制御回路７のゲイ
ンＫ_p2及びＫ_i2の値を修正することにより、機械系の慣
性モーメントが変化しても、応答周波数を仕様として与
えられた値すなわちω_scに保つために必要な振幅の第２
のトルク信号τ₂が第２の制御回路７から出力されるこ
とが理解される。

【００６３】実施例２．図１で示された実施例１では、
負荷機械３に負荷トルクが印加されると、直流電動機１
ａの速度が変化するため、速度検出器４から出力された
実速度信号ω_mも変化する。しかし、第２の制御回路７
にはこの実速度信号ω_mが入力されないため、第２の制
御回路７から出力された第２のトルク信号τ₂を入力す
る機械系模擬回路６から出力される模擬速度信号ω_aは
変化しない。このため、負荷機械３に負荷トルクが印加
される場合は、模擬速度信号ω_aと実速度信号ω_mとの
差である第３の速度偏差信号Δω₃の振幅が零でなくな
るため、修正回路１１において、機械系模擬回路６の慣
性モーメントすなわち積分時定数が間違って修正される
場合がある。

【００６４】このような場合は、第２のトルク信号τ₂
の振幅に応じて修正回路１１における慣性モーメントの
修正を行うかどうかの判定をおこなうようにしてもよ
い。すなわち、第２のトルク信号τ₂は速度指令信号ω
_msが変化した場合にのみ振幅が変化するので、第２のト
ルク信号τ₂の絶対値が所定の値を越えたときのみ慣性
モーメントの修正を行うようにしてもよい。この場合
は、加減速期間中においてのみ慣性モーメントの修正を
行うことになるが、通常の電動機の速度制御装置におい
ては加減速期間中に負荷トルクが急に変化することはま
れなので、このように修正回路１１の構成を変えること
により、負荷機械３に負荷トルクが印加される場合でも
慣性モーメントは正しく修正され、ひいては、第２の制
御回路７のゲインも正しく修正される。なお、定常的に
負荷トルクが印加される場合は、第１の制御回路５の積
分器２４及び第３の制御回路８における積分器５５が、
この負荷トルクに応じたトルク信号を発生するように動
作するので、修正回路１１に第３の制御回路８から入力
されるトルク信号τ_3pは、定常的な負荷トルクによって
は変化しない。そのため、定常的な負荷トルクが印加さ
れても、慣性モーメントは正しく修正される。

【００６５】実施例３．図１１にこの発明の実施例３の
全体を示すブロック図であり、電動機の位置制御系を構
成した場合の一例である。図１１において、直流電動機
１ａ、トルク伝達機構２、負荷機械３、第１の制御回路
５、機械系模擬回路６、第２の制御回路７、第３の制御
回路８、第４の制御回路９、電力変換回路１０及び修正
回路１１は上記実施例１のものと全く同一である。

【００６６】図１１において、この発明の実施例３は、
上述した実施例１のものと全く同一のものと、直流電動
機１ａの回転速度及び回転角を検出する回転検出器１３
と、位置制御回路１４と、回転角指令信号発生回路１５
とから構成されている。位置制御回路１４は、回転角指
令信号発生回路１５から入力された回転角指令信号θ_ms
と回転検出器１３から入力された直流電動機１ａの実際
の回転角信号θ_mとの偏差に基づいて、速度指令信号ω
_msを出力する。その他の動作は、実施例１と同じであ
る。この実施例３では、機械系の慣性モーメントの変化
によらず速度指令信号ω_msの変化に対する直流電動機１
ａの実速度信号ω_mの応答は一定に保たれるので、機械
系の慣性モーメントの変化によらず常に応答周波数が一
定の電動機の位置制御装置が得られる。

【００６７】実施例４．上述した実施例３では、負荷ト
ルクが印加されて直流電動機１ａの回転角θ_aが変化す
ると、位置制御回路１４から出力される速度指令信号ω
_msも変化する。このため、実施例２のように第２のトル
ク信号τ₂によって加減速運転中かそうでないかの判断
ができない。このような場合は、例えば、回転角指令信
号θ_msに応じて、加減速運転中かどうかの判定をし、慣
性モーメントの修正を行うかどうか決定すればよい。

【００６８】実施例５．なお、上述した各実施例では、
機械系模擬回路６の慣性モーメントに応じて第２の制御
回路７のゲインのみを修正する場合について説明した
が、第１あるいは第３の制御回路５，８のゲインも同時
に修正するようにしてもよい。

【００６９】実施例６．また、上述した各実施例では、
直流電動機１ａを用いた場合を説明したが、誘導電動機
や同期電動機を用いてもよい。すなわち、公知のベクト
ル制御により、これらの交流電動機の発生トルクを直流
電動機並の高速応答性でもって制御できるので、最終ト
ルク信号τ_msに追随するようにこれらの交流電動機の発
生トルクを制御することは容易であり、所期の目的を達
成し得ることはいうまでもない。

【００７０】

【発明の効果】この発明は、以上説明したとおり、修正
回路１１を付加し、第３の制御回路８から出力される第
３のトルク信号τ₃の振幅を所定値以下に減少させるよ
うに、機械系模擬回路６の積分時定数及び第２の制御回
路５のゲインを修正するようにしたので、負荷機械３の
慣性モーメントが未知の場合や、運転中に変化するよう
な場合でも、速度制御の応答周波数を一定に保つことが
できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示すブロック図である。

【図２】この発明の実施例１の第１の制御回路を示すブ
ロック図である。

【図３】この発明の実施例１の機械系模擬回路を示すブ
ロック図である。

【図４】この発明の実施例１の第２の制御回路を示すブ
ロック図である。

【図５】この発明の実施例１の第３の制御回路を示すブ
ロック図である。

【図６】この発明の実施例１の第４の制御回路を示すブ
ロック図である。

【図７】この発明の実施例１の修正回路を示すブロック
図である。

【図８】この発明の実施例１の第２の制御回路及び機械
系模擬回路とで構成される速度制御系のブロック図であ
る。

【図９】図８の速度制御系のボード線図である。

【図１０】この発明の実施例１の修正回路の動作原理の
説明図である。

【図１１】この発明の実施例３を示すブロック図であ
る。

【図１２】従来の電動機の速度制御装置を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１ａ直流電動機２トルク伝達機構３負荷機械４速度検出器５第１の制御回路６機械系模擬回路７第２の制御回路８第３の制御回路９第４の制御回路１０電力変換回路１１修正回路１２速度指令信号発生回路１３回転検出器１４位置制御回路１５回転角指令信号発生回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トルク伝達機構を介して負荷機械を駆動
する電動機と、前記電動機の回転速度を検出する速度検
出器と、前記電動機の速度指令信号及び前記速度検出器
から出力された実速度信号に基づいて第１のトルク信号
を出力する第１の制御回路と、前記トルク伝達機構、負
荷機械及び電動機を一つの積分要素として近似し模擬速
度信号を出力する機械系模擬回路と、前記速度指令信号
及び模擬速度信号に基づいて第２のトルク信号を出力す
る第２の制御回路と、前記実速度信号及び模擬速度信号
に基づいて第３のトルク信号を出力する第３の制御回路
と、前記第１のトルク信号と前記第２のトルク信号と前
記第３のトルク信号に基づいて前記電動機のトルクを制
御する制御手段と、前記第３のトルク信号を入力とする
修正回路とを備え、前記修正回路は前記第３のトルク信
号の振幅を所定値以下に減少させるように前記機械系模
擬回路の積分時定数及び少なくとも前記第２の制御回路
のゲインを修正することを特徴とする電動機の速度制御
装置。