JPS6040273B2 - 電動機の速度制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電動機の速度制御方法に係り、特に負荷投入時
における速度のインパクトドロップを補償する速度制御
方法に関する。

従来の電動機の速度制御装置においては、所定の速度に
制御するために、電動機の端子電圧や界磁電流を調整し
ている。

例えば、第１図に示す様な制御装置がよく知られている
。第１図において、１は直流電動機、２はサィリスタ装
置、３はサィリスタ装置２の点孤角を制御する自動パル
ス移相器、４は電流補償回路、５は速度補償回路、６は
電流検出器、７は速度検出器、８は速度指令のｐ、９は
圧延機ロールを示している。この例の場合、速度指令の
ｐ８と速度検出器７の出力信号との差信号が速度補償回
路５に入力され、その差信号の積分値に比例した信号が
速度補償回路５から電流指令値として出力される。そし
て、この電流指令値と電流検出器６の出力信号との差信
号が電流補償回路４で積分されて電動機１の端子電圧指
令値となる。電流補償回路４の出力である端子電圧指令
値は自動パルス移相器３によってサィリスタ装置２のゲ
ート信号に変換されて、サィリスタをオンオフし、電動
機１の端子電圧を制御する。これにより電動機１の速度
は所定値のｐに制御され、圧延機ロール９が所定速度で
駆動される。しかしながら、この様な速度制御装置にお
いては、圧延負荷の急激な変化に対して制御の遅れが生
じ、電動機速度が一時ドロップすることが良く知られて
いる。

特に、圧延機等の運転に利用される電動機の速度制御装
置においては、圧延材が圧延機に啄み込んだとき、電動
機の速度は第２図に示す様に、圧延材の蟻み込みと同時
に電動機にかかる負荷が急激に増加するため速度が降下
し、その後速度補償および電流補償の各回路の働きによ
り速度は順次回復する。この様な現象は一般にインパク
トドロップとして知られているが、この現象によって速
度が相互に関連する連続圧延機の場合は圧延材に張力（
あるし、は圧縮力）が生じ、圧延材の厚み、幅等が変化
してしまう。

一般の電動機を用いるプロセスにおいてもインパクトド
ロップは製品に対して悪影響を及ぼす場合が多く、大き
な問題である。なお、上述の例では、直流電動機の場合
について説明したが、熱間粗圧延機等によく使用される
同期電動機においても同様のインパクトドロップが生じ
る。この場合の圧延材隣み込み時の速度は、第３図に示
す様に数秒間振動する。係るインパクトドロップに対し
て、予め速度を上昇しておく方法やその他種々の複雑な
制御補償を行なうこと等が提案されているが、実際ほぼ
完全にインパクトドロップをなくす有効なものは未だ提
案されていない。

本発明の目的は、上記した電動機の負荷が急激に変化す
るときに生じるインパクトドロップをほぼ完全に補償す
る有効な速度制御方法を提供することである。

本発明の特徴は、電動機に加わる負荷を予め予測してお
き、負荷投入前はその予測された負荷に応じて電動機の
電圧あるいは電流を制御し、負荷投入と同時に実負荷を
検出して取込み上記予測された負荷との差信号によって
電動機の端子電圧あるいは電流を制御する如く構成した
ことである。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。以下の説明
では圧延機におけるインパクトドロップを例にとって説
明するが、本発明はこれに限定されるものではない。ま
ず、本発明の原理を第４図を用いて説明する。第４図の
実線部分は第１図に示した直流電動機の速度制御装置を
ブロック線図で表わしたもので、Ｇｓは速度補償回路５
のゲイン、Ｇｃは電流補償回路４のゲイン、Ｇ＾は自動
パルス移相器３の変換ゲイン、ＧＲは電動機１における
電圧−電流ゲイン、き０‘ま誘起電圧係数、ＴＬは負荷
トルク、Ｊは慣性モーメント、Ｓはラプラス演算子、Ｈ
ｃは電流帰還ゲイン、Ｈｓは速度帰還ゲインである。こ
の場合、圧延が開始されるまでは、ＴＬ＝○であるが、
圧延材が圧延機ロール９に鮫み込まれると負荷ＴＬはス
テップ状に変化する。その大きさは、圧延力をＰ（ｔ）
とするとき次式の如く表わせる。ＴＬ＝Ｋ．ｐ（ｔ）
〔Ｎ−ｍ〕 ……【１｝このＴＬが電動機に加わるため
、電動機１にインパクトドロップが生じるのである。

インパクトドロップは、負荷の急激な変動があるために
生じる現象であるので、この負荷の急激な変動を押えて
やればインパクトドロップを防ぐことができる。しかし
、圧延材の咳み込み等のようにバッチ的に投入される負
荷に対して、負荷の急激な変動を押えることは一般に不
可能である。ここで、本発明では実質的に負荷の急激な
変動を防ぐ方法を考えた。つまり、本発明では、第４図
に破線で示した様に、圧延前は仮想負荷ＴＰを与えてお
いて、圧延が開始されると仮想負荷と実負荷の差信号に
よって速度制御を行なうのである。この様にすれば、あ
たかも負荷ＴＬ（ＴＬ≠ＴＰ）が加わっていたかの様に
なり、実際に圧延材が咳込まれるても負荷はほとんど変
動しない（予め設定していた予測負荷Ｔｐと実際の負荷
ＴＬとの差分）ので、インパクトドロップは防止できる
。次に、本発明の一実施例を説明する。

第５図は本発明の一実施例を示し、図の１〜９は第１図
の各機器と同様である。図の９′はバックアップロール
を示し、１０は圧延荷重ＰＡを検出するロードセルであ
る。１１は仮想負荷ＴＬを計算するための仮想圧延荷重
ＰＰを計算する計算機、１２は圧延荷重をトルクに換算
し更にパワーに換算するための変換ゲインを乗ずる変換
ゲイン乗算器、１３はパワーを電圧に換算するための変
換ゲイン乗算器、１４はパワーを電流に換算するための
変換ゲイン乗算器、１５〜１８は加算器を示す。

この第５図の動作を説明する前に、圧延における負荷検
出の方法について説明する。圧延における負荷トルクＴ
Ｌの検出は困難であるので、上記〔１｝式の関係を利用
する。例えば、 Ｔし＝Ｋ・Ｐ ＝２・入・１ｄ・Ｐ ……｛２１ただし
、入；トルクアーム係数、ｌｄ；接触投影長 Ｐ；圧延荷重 （２｝式において、入とｌｄは定数と考えられるので、
圧延荷重Ｐを検出すれば負荷トルクＴＬを求めることが
できる。

圧延開始前においてはＬ ロードセル１０の出力Ｐ＾は
零であり、変換ゲイン乗算器１２への入力△Ｐ＝（＝Ｐ
Ｐ−Ｐ＾）は計算機１１の出力である予測圧延荷重ＰＰ
となる。

このＰＰは、最近の圧延機制御においては通常予測され
ている値であり、その予測の方法は省略する。変換ゲイ
ン乗算器１２のゲインＫ，は次式で考えられる。Ｋ．＝
２‐入‐・ｄ‐講読‐のＡ ‐‐‐‐‐‐‘３’ただ
し、の＾；実際の電動機速度変換ゲイン乗算器１２の出
力は、変換ゲイン乗算器１３と１４に出力され、ここで
夫々の制御系に関する信号への変換がなされる。

変換ゲイン乗算器１３のゲインＫ２は、具体的に示すと
次式で表わすことができる。Ｋ２＝Ｋに羊；；
……‘４１ ただし、Ｋ＾；自動パルス移相器のゲインＥｍａｘ；弱
め界滋に移行する際の逆起 電力 Ｒ＾；電動機の巻線抵抗 また、変換ゲイン乗算器１ ４のゲインＫ３は、具体的
に示すと次式で表わすことができる。

Ｋ３＝Ｅ帯秘 ‐‐‐‐‐‐■ただし、Ｈｃ
；電流帰還ゲイン 次に、第５図の実施例の動作について説明する。

まず、圧延が開始される前、計算機１１は圧延材の圧延
仕様例えば圧延開始前板厚、圧延後目標板厚、圧延材鋼
種、圧延材温度等より圧延時の圧延荷重ＰＰを予測する
。この圧延荷重の予測方法については、例えば日本鉄鋼
協会編「圧延理論とその応用」（昭和４４年１２月２４
日発行）の第２章に詳細に説明される圧延荷重理論式を
用いて演算する。該演算された圧延荷重ＰＰは本願制御
装置に出力され、比例係数Ｋ．，Ｋ３ との種に比例す
る信号がモータ電流指令値として、加算器１６に加えら
れる。また、Ｋ，，Ｋ２との積に比例した信号は電圧指
令値として加算器１５に加えられる。加算器１６，１５
に加えられた電流信号、電圧信号に基づいて、モータ１
に流れる電流を電流指令値に一致する様に制御する。加
算器１５に加えられた電圧指令は電流の立上げを早める
ために加えたもので、必ずしも必要な信号ではない。電
流の制御は加算器１６に加えた電流指令値を速度制御装
置５の出力信号から差引くことによって電流制御装置４
への入力信号を４・さくし、これによって、モータ１を
流れる電流が一時的に下り、モー夕速度も一時的に降下
する。そのため、電流検出器６、速度検出器７からのフ
ィードバック信号によって、速度制御装置５はその出力
信号を増大し、同時に電流制御装置４もモータ１を流れ
る電流の回復動作を行う。ＡＳＲ５の出力信号と加算器
１６に加えられた電流指令信号とが一致した所で動作は
落着き、モータ１を流れる電流は損失電流分のみとなる
。この状態が第６図に示す０．３秒の時点の状態である
。この状態のとき、圧延機に圧延材が咳込むとロードセ
ル１０からの圧延荷重信号が加算器１８に入力され、予
想圧延荷重ＰＰとの差がゲイン乗算器１２に入力され、
ＰＰ−Ｐ＾にＫ，，Ｋ３を乗じた電流指令信号が加算機
１６に加わる。すなわち、電流指令信号はＫ，，Ｋ３，
ＰＰからＫ，Ｋ３（ＰＰ−Ｐ＾）に変化するため、電流
検出器６からのフィードバック信号とのアンバンスが生
じ電流制御系４一３一２一６−１６のル−プで高速に不
足電流が生成され、モータ１を流れる電流Ｋ，，Ｋ３，
Ｐ＾に比例した電流となる。該電流値は圧延ロールを介
してモーター‘こ印加される負荷に等しく、一方、電流
制御系の応答は速度制御系の応答の５〜２び音あること
から、電流変化は速度が変化する前に瞬時に目荷と釣合
って安定する。このため従来の様な圧延開始時のインパ
クトドロップは生じないことになる。また、圧延中も常
にロードセル１０の出力信号の変化に応じて必要電流を
制御しており、速度変化は与えない。圧延速度の加速、
減速に対しては、速度制御装置５の入力のｐを変えるこ
によって行なう。この点については従来の速度制御と同
一である。各ブロックの伝達関数は下記の如くになる。
すなわち、ゲイン乗算機１２は剛式に示す値で、モー夕
角回転速度のＡは速度検出器７より入力された値である
。ゲイン乗算器１３は■式、ゲイン乗算器１４は（５）
式に示す値が入り、いずれもモータ速度制御装置の設計
時に定まる定数である。速度制御装置５、電流制御装置
４は通常実施されている比例積分制御である。また、自
動パルス移送器３は入力電圧に比例して、交流入力（図
示していない）に対する位相遅れタイミングを作り、サ
イリスタ２のゲートをオンオフするパルス信号を出力す
る。仮想負荷ＴＰの予測精度が悪い場合、仮想負荷から
実負荷への移行の際多少の負荷変動が考えられるが、こ
の予測精度は前回の実績値を用いアダブテイブに修正す
ることによって高めることができるので実用上の問題点
はない。なお、上述の例では、仮想負荷を速度指令値と
端子電圧指令値の双方に加える形をとっているが、これ
は圧延が始まって実負荷が加わった場合に仮想負碗から
実負荷への移行を最小の遅れで実現するためである。第
５図に示す実例と従来例とのインパクトドロップのシュ
ミレーション結果を示すのが第６図である。従来例にお
いては、仮想負荷が加わらないため圧延材咳み込み前で
の速度変動はない。本発明においては、仮想負荷投入に
より速度が大きく変化している。この図では仮想負荷が
実負荷と全く変わらない場合と、２０％の過大誤差のあ
る場合とを示している。実際に圧延材の隣み込みがあっ
た場合、本発明による方法では多少の振動を伴なつた変
動はあるけれども、インパクトドロップはほぼ防止でき
る。これに対し、従来例の場合大きくインパクトドロッ
プが表われており、圧延上問題であることが判る。本発
明による方法の咳み込み時の振動は、各補償回路の積分
時間や制御ゲイン等の調節によりなくすることができ、
本発明の方法は実際の応用において更にインパクトドロ
ップを軽減することが可能である。なお、上述の各式に
ついての説明を加えると次のようになる。０１式、‘２
１式に示す圧延荷重と圧延トルクの関係は前述の「圧延
理論とその応用」２９頁に示されており、公知である。

剛式は、トルクを電力に変換する式より導かれる。

すなわち、モータの負荷電力ＫＷは圧延トルクＴとモー
タ角回転速度の＾とから次式で表わされる。Ｋｗ＝総〇
Ｔ小 上式に‘２｝式を代入すると Ｋｗ＝総〇・２・＾・ｌｄ・Ｐ他 ＝２・Ｍｄ・織岬．Ｐ ＝Ｋ．・Ｐ となり、ゲインＫ，が定まる。

【４ー式のＫ２はゲイン乗算器１２の出力である電力値
を電圧指令値に変換するゲインで、下記より求まる。

すなわち、第４図に示すブロック図よりＡＣＲ４の出力
に重畳する電圧指令Ｖと負荷トルクＴＬの関係は次式と
なる。ＶＧ＾・ＧＲ・尊？：丁し ここで界磁の強さき仇ま、逆起電力の関係からきＪ＝Ｅ
ｍａＸ／のまた、定常時において、ＧＲはモータのアマ
チュア抵抗ＲＡの逆数に等しいことからＧＲ＝１／Ｒ＾
となり、さらにＧ＾は自動パルス移相器のゲインＫ＾で
あることから次式が導かれる。

Ｒ Ｖ＝耳商寂・↑Ｌ●の ＴＬ＝器。

・Ｔでぁる力）らＲ Ｖ＝広玉流覇・ＫＷ こＫ２・ＫＷ となりＫ２＝Ｒ／Ｋ＾Ｅｍａ×となる。

つぎに、■式のＫ３については、第４図のブロック図か
ら電流指令値ＩＰは，Ｐ＝界７Ｌ ；？＝Ｅｍａｘ／のであることから ，Ｐ＝声さ〜・の したがって、 凡 Ｋ３＝Ｅ高市５ が導かれる。

上述の例では直流電動機のインパクトドロップ防止に関
して説明しているが、本発明は同様に同期電動機の場合
にも適用でき、これを示すのが第７図である。

図において、２１は同期電動機、２２はサィリスタ装置
、２３は自動パルス移相器、２４は負荷補償回路を示す
。この場合、界磁電圧ＶＦに対して同機の制御を行ない
、圧延材が隣み込む前に負荷補償回路２４の出力により
電動機２１の負荷角を予め補償しておき、圧延材が咳込
み電動機２１の負荷がステップ状に変化しても負荷角が
変化しない様にロードセル（図示せず）の出力Ｐ＾で予
測荷重ＰＰを相殺する。以上詳細に説明した様に本発明
は、仮想負荷を予め投入し、実際に負荷が投入された時
点で仮想負荷から実負荷へ移行する構成としているので
、ほぼ完全にインパクトドロップを補償することが可能
である。

また、本発明はインパクトドロップの補償を簡単な構成
で実現できる。図面の簡単な説明第１図は従来の電動機
速度制御装置を示す図、第２図および第３図はインパク
トドロップを説明するための図、第４図は電動機速度制
御装置のブロック線図、第５図は本発明の一実施例を示
す図、第６図は従来例と本発明とのインパクトドロップ
補償を比較するための図、第７図は本発明の他の実施例
を示す図である。

符号の説明、１・・・・・・直流電動機、２・・・・・
・サィリスタ装置、３・・・・・・自動パルス移相器、
４・・・・・・電流補償回路、５・・・・・・速度補償
回路、６・・・・・・電流検出器、７……速度検出器、
９……圧延機ロール、９′……バックアップロール、１
０……ロードセル、１１・・・・・・計算機、１２〜１
４・…・・変換ゲイン乗算器、１５〜１８・・・・・・
加算器、２１・・・・・・同期電動機、２２・・・・・
・サィリス夕装置、２３・・・・・・自動パルス移相器
、２４・・・・・・負荷補償回路。

希１図鰭２図 系３図 兼子図 系タ図 分６図 多７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電動機の速度を制御するものにおいて、該電動機に
   加わる負荷を予め決定し、負荷投入前においては該決定
   された仮想負荷に前記電動機の実速度から得られるゲイ
   ンを乗じた信号を電流指令の補正信号として与えて速度
   制御を行ない、負荷投入後は該仮想負荷と実際に検出し
   た負荷との差に前記電動機の実速度から得られるゲイン
   を乗じた信号を電流指令の補正信号として与えて速度制
   御を行なうことを特徴とする電動機の速度制御方法。