JPH0695835B2 - 電動機の速度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電動機の速度制御に係り目標を速度制御応答を
得るように制御増幅器のゲイン調整を自動的に行なう自
動調整装置を備えた電動機の速度制御装置に関する。

〔従来の技術〕

電動機を速度制御する場合一般にフィードバック制御が
行なわれる。

第５図にマイクロプロセッサを用いた直流電動機の速度
制御の概要図を示す。１は制御増幅器機能を含むマイク
ロプロセッサ、２は電流制御手段、３は直流電動機、４
は速度検出器、５は機械負荷、６はマイクロプロセッサ
に速度指令を与えるA/D変換器、７はマイクロプロセッ
サに速度検出値を与えるA/D変換器である。電流制御手
段２には制御整流器やチョッパなどが用いられ、電流指
令値i^*に従って出力電流ｉを制御する機能を具備してい
る。

速度指令値w_r ^*と速度検出値w_rはおのおのA/D変換器６と
７によりマイクロプロセッサ１に与えられマイクロプロ
セッサ１内にて、比較および制御増幅器演算されその出
力は電流指令値i^*として電流制御手段２に入力される。
電流制御手段２は電流指令値i^*に比例した電流ｉを直流
電動機３に流す。直流電動機３は電流ｉに比列したトル
クＴを発生しこのトルクに応じて速度が増減し速度偏差
（w_r ^*‐w_r）が零となるように制御される。このような
装置を実際に現場に据え付けた後、速度制御の応答時間
が所望の値になるように調整を行なわなければならな
い。

〔発明が解消しょうとする問題点〕

速度制御の応答特性の調整を行なう場合、従来は実際に
速度指令w_r ^*を発振器などでステップ状に変化させ速度
検出値w_rをオシロスコープ等で見ながら調整員が手動で
調整していた。このため調整には発振器やオシロスコー
プなどの測定器を必要としかなりの時間を要し、また調
整の結果に個人差が入ることも避けられない。

また、マイクロプロセッサ１の内部に設けられている制
御増幅器には比例増幅器の他に比列積分増幅器やアンチ
オーバシュート補償付比例積分増幅器などが使用され調
整要素が多く繁雑であり、熟練した技術者により行う必
要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので電動機速度制
御装置の調整を自動的に行ない調整用測定器を不要とし
調整時間の短縮調整個人差を無くし調整時の確実性安全
性の向上を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の電動機の速度制御装置の構成を第１図に示す。
同図において、電流制御手段２は電流基準i^*に比例した
電流ｉを電動機３に流す。速度検出器４は電動機３の回
転速度に比列して変化する速度検出信号w_rを出力する。
速度制御手段８は速度基準w_r ^*を速度検出信号w_rを比較
して速度制御を行なう増幅器で、その増幅率は自動粗調
整手段11および自動微調整手段12からの信号により可変
設定される。切換スイッチ19A,19Bは通常の速度制御運
転時はＡ側にセットされ自動調整を行なう時にＢ側に切
換えられる。

自動粗調整手段11は、所定の電流基準i_M ^*を設定する電
流設定手段14、速度検出信号w_rから定められた速度に達
した時点を検出する速度検出手段15、前記速度検出手段
15の出力により第１の速度w_r1から第２の速度w_r2に加速
するまでの時間t_accを検出する加速時間検出手段16、自
動調整しょうとする応答時間τを設定する目標応答時間
設定手段18、前記t_acc、τから前記速度制御手段８のゲ
イン定める制御ゲイン決定手段17から構成される。自動
微調整手段12は速度設定手段21の速度基準w_r ^*をΔw_rだ
けステップ状に変化させ実際の検出速度が0.65Δw_rに達
した時点で信号を出力する速度検出手段22、前記速度基
準w_r ^*の変化開始時点から速度検出手段22の信号出力ま
での時間T₁を測定する応答時間検出手段23、前記目標応
答時間設定手段18からの信号τと前記応答時間検出手段
23からの信号T₁を比較してゲイン補正が必要かどうかを
判定するゲイン補正判定手段25、前記判定手段25がゲイ
ン補正必要と判定したとき前記速度制御手段８のゲイン
を補正する制御ゲイン補正手段26、上記ゲイン補正した
後速度基準w_r ^*をΔw_rだけステップ状に変化させるΔｗ
変更手段27から構成される。

自動調整終了手段28は前記自動微調整手段12のチャック
が完了したとき通常の速度制御に切換える処置をする。

〔作用〕

上記構成において、自動調整を開始すると、まず、自動
粗調整手段11が作用して概略の制御ゲインの調整を行な
い、続いて自動微調整手段12が作用して目標の応答時間
となるように微調整を行なう。以下、その作用について
説明する。

自動調整を開始すると、まず切換スイッチ19A,19BがＢ
側に切換えられ自動粗調整手段11が作用し粗調整が開始
される。

粗調整開始とともに電流設定手段14により設定された電
流指令値i_M ^*が電流制御手段２に加えられる。電流制御
手段２は電流指令値i_M ^*に応じた電流ｉを電動機３に流
し電動機３に加速する。予め定められた電動機速度
w_r1，w_r2が速度検出手段15により検出されさらに加速時
間検出手段16により電動機速度がw_r1，w_r2に上昇するま
での加速時間t_accが測定される。

制御ゲイン決定手段17は前記加速時間t_accと目標応答時
間設定手段18で設定された応答時間τから（１）式の演
算を行い負荷の慣性に応じて調整すべき制御ゲインk_Pを
求めて速度制御手段８の制御ゲインを設定する。

このようにして自動粗調整が行なわれるが、さらに精度
良く調整するため引き続いて自動微調整手段12による調
整に移行する。自動微調整手段12に自動調整が移行する
と切換スイッチ19AがＡ側にして速度制御に切換えら
れ、ある時間所定の速度基準w_r ^*により一定速度で運転
される。速度w_rが一定になった頃にΔｗ変更手段27は速
度設定手段21の速度基準w_r ^*をΔｗだけステップ状に変
化させ、電動機速度w_rを変化させる。その変化量がΔｗ
の65％に達したことを速度検出手段22により検出し速度
基準をΔｗだけ変化させた時点から65％になるまでの応
答時間T₁を応答時間検出手段23により検出する。このよ
うにして検出した応答時間T₁と目標応答時間τをゲイン
補正判定手段25で比較し許容誤差内に入っていればすべ
ての自動調整を終了させる自動調整終了手段28に制御を
移し、切換スイッチ19BをＡ側に切換え通常の速度制御
装置として機能させる。当然のことながらこの場合の上
記目標応答時間τは65％応答に対する値で設定される。

検出した応答時間T₁が許容時間誤差より大きければゲイ
ン補正判定手段25はゲイン補正指令を出力し、制御ゲイ
ン補正手段26により（２）式のゲイン補正値k_Cを演算し
速度制御手段８のゲインをk_C・K_Pに補正する。

k_C＝T₁／τ …（２） ゲインを補正した後、Δｗ変更手段27は更に速度設定手
段21の速度基準w_r ^*をΔｗだけ階段状に変化させ、前と
同様にして応答時間T₁を検出し許容誤差に入るまで微調
整を繰り返す。この場合、Δｗの変更は増加と減少を交
互に行って調整速度が適度な範囲で運転されるようにす
る。

以上のようにして目標の応答時間となるように速度制御
手段のゲインが自動的に調整される。

以下にその原理について簡単に説明する。

第６図は速度制御系を近似した応答を求めるための伝達
関数のブロック図である。すなわち電流制御手段２の応
答は速度制御系の応答より充分に速く比例定数K_Cで近
似、速度制御手段８は通常PID制御を行っているが比例
ゲインK_Pの比例増幅器として近似している。電動機３の
トルク係数をK_M、電動機を含めた負荷の慣性モーメント
をＪとすると速度基準w_r ^*から速度w_rまでの伝達関数は
（３）式となる。

但し、Ｓはラプラス演算子 （３）式から速度基準w_r ^*をΔｗだけ階段状に変化させ
たときの速度応答は（４）式となる。

w_r＝Δｗ（１−ｅ ^−ｔ／T_O） …（４） 従って速度w_rがΔｗの63％になる時間を検出することに
よりT_Oを検出することができる。

また目標とする63％応答時間τを得るための速度制御手
段８の比例ゲインK_Pは（６）式で与えられる。

一方、実測した応答時間をT₁、このときの比例ゲインを
K_P′とすると（７）式の関係式が得られ、 目標の応答時間に修正するためゲイン補正量k_Cが前記
（２）式の如く求められる。前述した自動微調整手段は
このような原理で行われている。

また、微調整に先立って自動粗調整手段による制御ゲイ
ンの設定が次のような原理で行われる。

負荷トルクおよびフリクショントルクが無視でき、電動
機の発生トルクをT_Mとすると（８）式が成り立つ。

従って、ある一定トルクT_Mにおいてw_r1からw_r2までの加
速時間t_accの間には（９）式の関係が成り立つ。

また、第６図の伝達関数から電流基準i^*と電動機の発生
トルクT_Mには（10）式の関係がある。

T_M＝K_C・K_M・i^* …（10） （９）（10）式からT_Mを消去してＪを求め（６）式に代
入すると目標の応答時間τを得るための比例ゲインK_Pが
前記（１）式で得られる。

〔実施例〕

自動粗調整手段11をソフトウェアで実現した実施例を第
２図のフローチャートに示す。粗調整開始とともにステ
ップ14にて電流基準i^*を設定値i_M ^*とする。この動作に
より電動機３に一定の電流が流れ電動機は一定トルクに
より加速される。次にステップ15により電動機速度がw
_r1になったことをチャックしステップ16でt_accを０とす
る。ステップ17にてt_accを１だけ増加させステップ18に
て電動機速度がw_r2まで上昇しているか否かをチャック
する。上昇していない場合ステップ17、ステッフ18をく
り返す。上記動作により電動機速度がw_r1からw_r2まで増
加する時間をt_accの倍数として測定することができる。
電動機速度がw_r2を超えるとステップ19にうつり速度制
御ゲインK_Pを（１）式により決定する。速度制限ゲイン
K_Pガ決定されるとスッテプ20により切換スイッチ19Aを
Ａ側に切換えて速度制御を開始し自動粗調整を終了す
る。

第３図は自動微調整手段12をソフトウェアで実現した実
施例のフローチャートである。

ステップ21にて速度基準w_r ^*をw_r ^*＋w_rS ^*まで増加させ
る。次にステップ22にてT₁を０にする。ステップ23はT₁
を１だけ増加させステップ24にて速度がw_rS ^*の65％まで
増加したか否かをチェックする。速度がw_rS ^*の65％まで
増加していない場合には、ステップ23及びステップ24を
くり返しT₁は増加していく。

以上の動作によりの電動機の速度がw_rS ^*の65％まで増加
する時間をT₁の整数倍で測定する。ステップ24にて、電
動機速度がw_rS ^*の65％まで増加したと判断した場合ステ
ップ25にて目標の応答時間τと測定した時間T₁を比較し
両者が一致したか許容範囲に入った場合にはここで自動
微調整を終了する。許容範囲に入らず一致しない場合ス
テップ26にて式（７）により新しいゲインK_Pを決定しス
テップ27にて速度基準をw_rS ^*だけ一旦減少させる。電動
機速度がw_r ^*まで減少する充分な時間をおいてまたステ
ップ21に実行を戻し測定時間T₁と目標応答時間τが許容
誤差内になるまでステップ21からステップ28のループを
くり返す。このようにして、制御ゲインK_Pを自動的に修
正し、より正確に目標の応答時間となるように自動調整
が行なわれる。

第４図は本発明による自動微調整手段の他の実施例であ
る。第３図と共通の部分は同一番号を付した。本実施例
の新しい要素は符号31,32,33,34,35,36である。ステッ
プ31は速度設定値w_r ^*に電動機速度w_r ^*が達したか否かを
調べており達していない場合ステップ31をくり返す。電
動機速度w_rが速度設定値w_rに達するとステップ32により
速度設定値w_rをもとの値すなわちw_rS ^*を減算した速度に
もどす。ステップ33は応答時間計数のためT₁に１を加算
しステップ34へうつる。ステップ34は電動機速度が速度
減少量w_rS ^*の65％の速度が減速するまでステップ33及び
ステップ34をくり返す。

以上の動作によりT₁には速度ステップ量w_rS ^*の65％まで
電動機が加速する時間と減速する時間の合計が計数され
る。

ここで、負荷トルクおよびフリクショントルク（以下単
に負荷トルクと記す）が無視できれば減速時の応答時間
が加速時の応答時間と等しくなることは明らかではあ
る。

その場合の応答時間T₁は目標時間τの２倍となる。した
がってステップ35によりT₁と２・τが一致する場合実際
の応答時間になったと判断し自動調整を終了する。また
T₁と２・τが一致しない場合、ステップ36により新しい
ゲインを より演算し設定しステップ28により電動機速度がw_r ^*ま
で減速するのを待ち、ステップ21に制御を戻し自動微調
整をくり返す。

負荷トルクが大きい場合加速時の応答時間は長く減速時
の応答時間は短かくなる。本実施例では加速の時間と減
速の時間を合計することにより負荷のトルクが無視でき
ないとき加速時と減速時の応答時間の平均値が応答時間
となるように自動微調整を行うことができる。

実施例においては制御増幅器として比例増幅器を用いた
場合について示したが他の比例積分増幅器、アンチオー
バーシュート補償付比例積分増幅器などの場合も同様に
自動調整することができる。

なお、演算手段による比例係数K_C・K_M/Jやゲインの演算
は（１），（２），（11）式に限定されるものではなく
目的に応じて適宜近似演算としてもよい。

〔発明の効果〕

本発明の電動機の速度制御装置によれば電流指令からの
速度までの比例係数K_C・K_M/Jを自動的に演算して、目標
応答時間τに応じて制御増幅器のゲインを自動的に決め
て調整することができる。

従って、熟練した技術者による調整を必要とせず、誰で
も速度制御の応答特性の正確な調整が可能となり、調整
時間を短縮して人件費低減が可能で、調整個人差を無く
し、速度制御性能の均一化を計ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の機能構成ブロック図、第２図は自動
粗調整手段の実施例を説明する図、第３図は自動微調整
手段の実施例を説明する図、第４図は本発明による自動
微調整手段の他の実施例を説明する図、第５図はマイク
ロプロセッサを用いた電動機の速度制御を説明する図、
第６図は従来の電動機速度制御装置のブロック図であ
る。 １……マイクロプロセッサ、２……電流制御手段 ３……電動機、４……速度検出器 ５……機械負荷、6,7……A/D変換器 ８……速度制御手段 10……本発明による電動機の速度制御装置 11……自動粗調整手段、12……自動微調整手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電流基準に応じて電動機の電流を制御する
   電流制御手段と、速度基準と前記電動機の速度を比較し
   て前記電流基準を出力する速度制御手段を備えた装置に
   おいて、前記速度制御手段の比例ゲインを可変増幅率と
   し、一定の電流基準i_m ^*を設定する電流設定手段と、目
   標の応答時間τを設定する目標応答時間設定手段と、前
   記一定の電流基準を前記電流制御手段に入力し、一定の
   トルクで前記電動機を加速し、一定の速度差（ω_r1−ω
   _r2）間の加速時間t_accを検出する加速時間検出手段と、
   前記電流基準i_m ^*、応答時間τ、一定の速度差（ω_r1−
   ω_r2）、加速時間t_accから前記速度制御手段の比例ゲイ
   ンkp（＝t_acc・i_m ^*／τ・（ω_r1−ω_r2））を演算し設
   定する制御ゲイン決定手段を備えたことを特徴とする電
   動機の速度制御装置。
2. 【請求項２】電流基準に応じて電動機の電流を制御する
   電流制御手段と、速度基準と前記電動機の速度を比較し
   て前記電流基準を出力する速度制御手段を備えた装置に
   おいて、前記速度制御手段の比例ゲインを可変増幅率と
   し、一定の電流基準i_m ^*を設定する電流設定手段と、目
   標の応答時間τを設定する目標応答時間設定手段と、前
   記一定の電流基準を前記電流制御手段に入力し、一定の
   トルクで前記電動機を加速し、一定の速度差（ω_r1−ω
   _r2）間の加速時間t_accを検出する加速時間検出手段と、
   前記電流基準i_m ^*、応答時間τ、一定の速度差（ω_r1−
   ω_r2）、加速時間t_accから前記速度制御手段の比例ゲイ
   ンkp（＝t_acc・i_m ^*／τ・（ω_r1−ω_r2））を演算し設
   定する制御ゲイン決定手段を備え、さらに、速度基準を
   一定速度Δωだけ段階状に変化させた時点からΔωの一
   定割合の速度に達するまでの時間t₁を検出する応答時間
   検出手段と、この検出時間t₁と前記応答時間τから補正
   ゲインk_c（＝t₁／τ）を演算し前記速度制御手段の比例
   ゲインを補正する第２の制御ゲイン決定手段を備えたこ
   とを特徴とする電動機の速度制御装置。