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磁気演算増幅器の電動機制御への応用
Application
oftheMagneticOperationalAmpli丘ersto
MotorControl
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TosbiakiMaekawa SbigeyoshiKawano内
容
梗
概
最近演算用制御素子として開発された磁気増幅器式演算増幅器(略名MOA)はオンラインで使用できる高信 敵,高精度の装置として各種の自動制御装置に組み込まれて盛んに用いられている｡ここでほ変化率の自動詞 紫の可能な新しい指令信号発生装置と,それの好適な応用として,ワードレオナード装置の加減速制御に用い た例について述べる｡ 】.緒 口 磁気演算増幅器(MOA)ほ,アナログ演算器の増幅素子としてつ くられた高性能磁気増幅器で,これに抵抗,コンデソサ,ダイオー ドなどを付加接続することにより,加減算,微積分,関数発生などの各種の基礎演算を高精度で実施しうるものである(1〕∩
これらは有機的にまとめられ,ある日的に応じた高度の演算機能 を発揮し,オフライン計算機としてはもちろん,特にオソライン用 として制御設備の一部を構成する計算機として最適の装置である〔 この演算増幅器ほすでに実用面において定評ある磁気増幅器を主体 とするものであるから,上述のような完成した計算機能の利用以前 に,単体の基礎演算機能を制御回路に持ち込み,制御装置白身に演 算的機能を持たせるものとしても利用できる(2)｡ 本報告は上のような点に着日した応用例を紹介しようとするもの であるが,その対象は種々多様できわめて広範閃にわたるため,こ こでは直流電動機の加減速制御系に応用した例についてその方法を 述べ,この種の利用面開拓の参考に供する次第である(2.直流電動機の加減速制御方式
まずはじめに制御の対象としてとりあげた加減速制御装置は,従 来どのような方式が多く,またその問題とされる点はどこであった かなどを略述する(昌)｡ 正逆転を含む広範凶∃の速度調整が必要な設備,たとえば圧延機, 巻上機などの高級駆動装置にははとんどすべてワードレオナード方 0 0 式がとられている｡弟1,2図において電励機Mの加減速は,発電機 Gの界磁を調整して,その電圧を変化させ,さらに広範囲の速度韻 域にわたるときには,電助機の界磁電流を調整してその磁束を変化 させることにより行なわれるゥこの場合の諸変数の関係を整理する 0 と次のようになる｡Ⅴ(5)器5
ん(5'=￣￣甘●櫛
仙(5)=-㌣(ざ)-･---L
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∈￠1＋r〟Sr〃=芸諾2-(機械的時定数)
Ⅴ:発電機起電力(Ⅴ) ん:電機子電流(A) (〟:電動機の回転速度(radian/s) * 日立製作所日立研究所 工停 ** 日立製作所日立研究所 ･r(5) G(Sl｢(Y
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第1図 R｡ R…｢｢
>ノゝてく′-･-⊥‖リ▲ トレ寸十-･卜■回路 Ⅰユー rr ど￠ r￠ 負茄n βS 第2図 り･-トレすナーード回路のプロヅク線図.‥一山＼｢￣ヂ
lr♭(t)
;￠0底
1トt l ご￠｡ ;￠ ど￠｡ Ⅴ｡ 1 1 トーーーーーーーーーーー 第3図 レオナードln柑各の定電流加織速曲線 β〝:電機子回路の全抵抗(エ1) こ￠= 電動機の磁界の載さ(V和S/radian) 〃:慣性モ⊥メソト (kg一皿2) ここで,電動機の定格鼓大磁束を:如,両回転機の定格過大電托 を抗,加速電流を加｡として,界磁弱めを50%まで行なう場合の 加減速曲線を示すと第3図のようになる｡この曲線は一定の加減速 電流を使って変速する場合であるが,ここでんダ｡が回転機の許容ノ丘 大電流であるとき,もっとも速く加減速しうる制御方法であf),分 塊圧延機などの急速加減速制御の理想形とされるものである｡--･--129w【-昭和39年8月
#
｢■■ 第4図 急 速 加 減 速 装 置 2 h＼評
論
第46巻 第8号 第7図 直線指令装置ブロック線図 第8図 直線指令装置動作説明図 l t12￠(い二r￠｡----l
■ tt十t lトt ;￠｡ ;少｡ 2卜t-｢
｢ -t 第5図 レオナード回路の定加速度加減速曲線 Cトt 九l CM 第6図 直 線 加 減 速 制 御 電圧変化は図にみるとおり直線状の調整でよいが,電動機の界磁 は1/2乗曲線にそって変化させる必要がある｡通常急速加減速制御 装置は弟4図に示すような構成で,制御指令としては日原値のみが ステップ状に与えられ,所定値までの加速調啓ほ制御回路の特性に 依ffするものが多いので,速度曲線は前述のような理想曲線から, 著しくかけ排れる場合が多い｡また,もし加減速中にすでにある程 度の負荷電流をもっていた場合にほ,それが上述の加減速電流J〟｡ に加算されることになる｡したがって加速時にほ過電流の危険があ り,減速時には余裕があり過ぎることになる｡ 一方,ストリップミルや巻上機などの加減速制御は,比較的小さ い加速度であるが円滑な変化をさせる必要がある｡一例を定加速度 で界磁弱め領域まで変化する場合の動作にとると第5図に示すよう な曲線となる｡￡
MOAl MOA2￡
第9図 MOAによる直線指令装置 このような場合,葬る図に示すような装臣で,電圧あるいほ界磁 電流の指令を電動界磁抵抗器を用いて連続的に調整する方法がとら れる｡電動抵抗諸賢の制御モータの回転速度ほ主機の速度変化の時間 的な関係を与える要素であるが,回転しゅう動部分があるため高速 瞳高ひん度の操作に不適当であり,また変化率の調整が面倒であ る√､3.仙OAによる指令信号発生装置
3.1直線指令装置の構成と動作原理 舞7図に示すような比較器と積分器を組み合オっせた簡単な回路に よって,一定変化率を持つ向線状の信号電圧をつくることができ る｡すなわち,比較器Cほ二つの入力信号を比較し,その差の正負 に応じて所定の出力信号＋こまたほ-∈を出すような回路であり, 積分回路Jほ人力信号三を積分する回路である｡すなわちβ2=÷J三三dg=亡･浅
いまCに舞8図に示すような階段状電日三clを与えると,己ほ β1一β2>0のときは＋丘 ピ1-β2=0のときほ0 β1-g2<0のときは一言 となる｡この電圧言が積分器Ⅰの入力となるから,β2は弟8図に示 すように与えらjtた入力β1に等しくなるまで一定の変化率をもっ て変化してゆく｡ この桝路を磁気演算増幅講削こよって具体化したものが第9図であ る｡この場合変化率の人きさは,l口l路定数によって定まるが, MOAlのHl力電圧飽和値の変更,またほ,MOA2のRあるいほ Cの変史によって調整できる｡ 3.2 任意指令発生装置 前節の直線指令信号をうけて,これを任意の曲線指令信号に変換 する方法を弟10図に示す∩人力信一引まH標値を与えるだけでよく, これをうけて現在値から目標値までの出力信号の変化はそう入され磁
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用 1387 任意関数回路一｢⊥
E 凱 机 机 軌 一 ＋ 一 十 E飢 E 一 ＋ ーEム1 -E占2 l自二線 指令装置米
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第10国 任意指令発生装置 MOA A O M MOA￣Eい1≡≡
＋Eふ2｡J
Eo E｡ 九10A>-+ト･･･づE｡ l l ll E｡ E古｡Eふl Eム2 Eム4 J l IEo E占2 E♭l Ef Ei l l l E｡ E占1 E占2 I l l E｡ EいE. E♭2 tl EJ 第11図 任 意 関 数 回 路 の 一 例 た関数回路の形によって定まる｡任意関数回路は演算増幅附こ非直 線インピーダンスを組み合わせて容易に高精度の回路をつくること ができる｡舞11図にその回路例を示すゥ 3.3 変化率調整形指令発生装置(4) 前述の指令装置は,出力信号の変化率が回路定数によって同定さ れたものであり,これを変更するには,回路のりJ換え,もしくはサ ーボポテンショメータなどの機械的手段を必要とする｡ここに述べ る指令装置はこれを純電気的な微小入力によって速応的かつ連続的 に行ないうるものである｡ 舞12図ほその一方式で前述の弟7図において比較器Cと積分器 Ⅰの中間に乗算器Mを介在させたものである｡第12図において乗 算器Mの出力三2ほ,比較器Cの出力三1とMへの変化率指令克との 亡1 第14岡 変化率調整形指令装置 ブロック線阿 k 亡1 M 亡2=k亡】 第12図 変化率調整形指令装置ブロック 第13図 変化率調整形指令装置動作説明図 横であらわれる｡したがってβ2=ヰJ∫三ねd才=告′
々カミー定値であればこの回路の動作は前述弟7図の場合となんら変 らないが,ゐほβ2の変化中と否とにかかわらず随時変更できるから, たとえば舞13図に示すようなβ1と丘を与えると,如こ比例してβ芝 の変化率が増減して,第13図のような信号β2をうることができる｡ 乗算器Mとしてはアナログ計算器に用いられる種々のタイプのもの が利用できるが,速応性の高い静止形のものがよく,MOAを用い てつくられる｡ 乗算器は回路構成が比較的複雑であるから,これを簡単な飽和要 素で置き換えたものを次に説明する｡ 舞14図はその構成図,弟15図は飽和要素Sの特性説明図である｡ 5の入出力特性は外部より与える制限電圧亡｡によってその飽和値を 自由に調整できるものとする｡比較器Cの出力己1はβ1キg2の場合は 常に正または負の一定値こ1｡を持つものである｡そこで』三10J≧J三亡Jなる範囲では三2は三｡に比例する値か,または零の値をとる｡した
がって三｡を前述弟12図の場合の変化率指令々と同様に使うことが できる｡この回路は乗算器よりも著しく簡単な回路で実現できるう えに,正側の制限倍と負側の制限値とをまったく独立に与えること ができるから,上界時の変化率と下降時の変化率を別々に設定して おくことも可能になる｡ 弟1る図は磁気演算増幅器を用いた変化率調整形指令発生装置の 回路図である｡MOAの入力には正,負の信号用巻線が設けられて いるから,これを利用することにより,さきに述べた弟9図の直線 指令装置にわずかの回路部品を追加するのみで簡単に実現されてい る｡舞17図はその静特性を,弟18図はその動作の一例を示すオシ ログラムである｡ ご2 0 l/′十
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上昇率指令 ＋ 下界宰相令 -九10Al ひ1 MOA2 第15図 飽和要素特性説明図 第16図 変化率調整形指令装置回路図-131-昭和39年8月 (∽＼>} 蘇 ]ナ 車
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U 5 変化率設定値(Ⅴ) 第17囲 変化率調整形折合装置の特性 10 立 → 減速度設定値 ｢J 勝抹 ⊥ 卜.十′′′≠′
抹キーーーL≠ヰ声十L一抹`プヰさノーー′､イ≠ムイーーイ〝-+
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1liL も ー t l ∼､ ∼ 第18図 変化率調整形指令装置のオシログラム R/ lr ￣￣￣￣- R▲･ MAl…
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′ヽ イ 7 ス 第19因 州力変換 器 L』路 図 評 丸■lAl,4州ノJ 白描1還流⊥
論 第46巻 第8号 1ト＼1 九4んl iJ>0の域｢† 変† 几･j上＼1 九lノ1`′1 MA3 ト･tA2 i√<0の場合 第20図 出力変換署詩動作説明図 三相合装置 絹〒謁
`⊥｢1, ′ ( 第21図 定電流加減速制御装置 度 連 S(二Ⅰモ1 SCR2-､⊥､ユー)ノTJCCT
′√..＼ 1nU頭〔>-一店
十1九】叩｡王 0 才′Lる電流 † 負荷投入 ー1M仇山∫一｢----一一----速度指令 † 負荷切離し 一一t 第22図 最大電流加減速制御説明図 3.4 仙○Å出力変換器(5) MOAは元来演算機能を主とするものであるから,その信号レベ ルほきわめて小さく設計されており,電圧動作方式をとっているの でこの演算結果を制御信号として利用するには出力変換器が必要で ある｡これには同系統の技術を使った磁気増幅器式の電圧一電流変 換器や,パワートランジスタを用いたものがあるが,ここには MOA構成素子にSCRを組み合わせた独特な回路装置を紹介する｡ 策19図はその回路図,第20図ほ動作説明図である｡舞19図で 入力電流才｡=0で電源が正の場合にはMAl,3が同時に出力を出 し,負の場合にほMA2,4が同時に出力を出すようにバイアスが磁
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用 調性してある｡この状態ではSCRl,2ほ 同時にゲートされるので凸杓ろには電流 は流れない｡舞20図に示すようにg｡>0で 電源電圧が1ヒの場合にはMA3が先にr¶ 力を出し,次にMAlが出力な出す｡.し たがってるには正方向にTE流が流れる｡ すなわちこの電流はゲートのずれ期間だけ 流れる｡電源電圧が負の場合にはMA4, つぎにMA2が出力を出し,Z′にはやは り止方向の電流が音禿れる｡ 才｡<0の場合には,上述の関係が道にな り,易にはfキの電流が供給されることにな る〔出力1正流値はβ.′によって糾六1還され ているから,入力才｡と出力電流との問には 正確な対比こがあり,SCRの大きな電力変 換能力によって,演算要素の微小信一ゝゴーは-･ 挙に大電力に変換される｡4.仙○Å指令装置を用いた直流
電動機の加減速制御(6)
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lト･ノ〝′ J. 〝･-しこヤーヰーノ1一榔‥ヰL￣Jミ￣セユ'‡小〉1 変化率詔鵡整形指令発生装荷ほ,変化率信号の自動調 整が可能であるから種々の新しい使い方が考えられ る｡第2帝に述べた加減速制御系をこの指令発生装旨∼‡ のギ真入によって改良したものが舞21図である｡ コントローラによって与える命令は目標値のみであ り,指令発生装荷の出力は新しい仁1標伯に向かって直 線状に変化する｡この出￣ノJ絶対値がほぼ50%′以下の範 囲でほ調整信号はレオナード発電機の電圧制御系のふ に送られ,電動機界磁ほ不変である｡指令出ブJが50% に達し発電機電圧が定格値を越えると,電圧制御系の 1389 上宏一三溝塑号室黎整轡恕賢妻財貨線賢妹′二こ二虻アニ許をこプエ
テーんi 汁丁” -㌣”ぎ､そ 一‡一丁:･ ニり1 ム1､て′￣ミ -一斗-＼･う ▲一舶滝艶絹議己一--ヌー+･-⇒一三”Jl〈-‡-一柳･r･■手耕もぎ′ノわサ捕〟≠卜≠-･-.耶 小￣と岬t ′rルイ￣￣イ▲ て-･￣■}ム ′丁` ￣￣ナ〉r￣十￣ '｢￣ニ 〝ト† ′′一言キーて㌻ノ〈言ナ･十卜† rr十J…､㌢んト十怒淋蔓輩ま■￣三≦‡
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表出:
･≧￣て㌻ i _i}”三¶ l ￣1￣￣ 1 〉;1ヰ.′ ､､与ゴー1-そちlて‡ 皇!￡__.仙;しニ∴ しヤー㌣-ミ.叫汀で耶ごキー賢･
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第25国 定加速度制御の実験結果+
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ⅠつG 第24国 定 加速度制 御装置 基準値は不変となり,指令出力変化分はすべて電動機界磁制御系へ 送られる｡電圧制御系の基準値変化は直線状でよいが,電動機界磁 制御系へ送る信号は前述のように1/2粟†叫線による必要があるか ら,ここに関数発生器を用いる｡また界磁の方向ほ正道回転に関係 しないから,ここで絶対値回路をそう入して指令信号の方向を規正 する｡ 以上の装経で関数発生器の設定と,主回転機制御系の速応性が十 分であれば,一応所定の制御が行なわれるカブけであるが,この場合 の加速電流は系の応答特性によって規制される｡ここで電機子電流 値を検出して基準値と比較し変化率調整信号として用いると,次の ような特長が生れてくる｡すなわち,変化率調整信号は加減速時の 電機子電流を所定の基準値に合わせるように働くから,上述の関数 発生_器などの多少の誤差をカバーして一定電流による加減速曲線が 得られる｡また,いま一つの大きな特長は電動機の負荷の大小に関 係なく加減速時の電機子電流が電流基準値によってきまることであ る｡このことを図示すると舞22図のようになる｡電流基準値を最 大許解磁流に設定しておけば,常に加減速に利用しうる最大電流を 使った急速加減速が行なえるわけである｡この電流制御系は加減速 期間中のみ働く制御系であるから一定速度運転中には制御系になん らの影響も及ばさず,従来の過電流制限装躍とも独立に併用でき る｡ 弟23図はこの新制御方式による実験結果の一例である｡従来±-133-昭和39年8月 立 評 論 第46巻 第8号 かく不十分であった界磁弱め領域まで含めた加減速曲線が著しく改 善されていることがわかる｡ 変化率調整形指令装置のいま一つの応用例として,弟24図の定 加速度制御装置がある｡加速度制御を行なって,直線加速特性を得 ることをねらった装置である｡電動機界磁が固定されている場合は 簡単であるが,速度範囲を大きくとるため界磁調整を加えると,電 圧領域と界磁簡域の移り香りがむずかしくなる｡直線指令とパイロ ット発電機による速度との比較値を帰還して,関数発生器により電 圧調整と界磁調整信号とに配分する方式も一方法であるが,ここに は加速度帰還を用いて指令電圧の変化率を調整する方法を示す｡弟 25図はその実験結果の一例である｡
