JP2009270978A - ロータリーエンコーダの断線検出装置および断線検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体が「ゼロ速度」に近い低速状態においても、エンコーダの断線を迅速、確実に検出できる。
【解決手段】 現在位置演算部３０Ａはエンコーダ２５が発生するＡ，Ｂ相パルスから回転体の現在の回転位置を求める。現在位置一定判定部３０Ｂは現在の回転位置が一定であるか否かを判定する。残距離演算部３０Ｄは目標回転位置と現在の回転位置との差分を絶対値で求める。断線検出除外範囲判定部３０Ｅは残距離が目標回転位置に近い範囲として設定された断線検出除外範囲内にあるか、範囲外にあるかを判定する。同時成立判定部３０Ｆは、「現在位置一定」の判定と、「残距離が除外範囲外」の判定の同時成立で断線の判定を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体に軸結合され、回転体の回転に対して互いに位相が９０度異なるＡ，Ｂ相パルスを発生するロータリーエンコーダに係り、特にＡ，Ｂ相パルスを基にして断線を検出する装置および方法に関する。

図４は、モータのベクトル制御装置の構成図であり、エレベータかごを駆動するモータの回転方向、回転量をロータリーエンコーダ（以下、エンコーダと呼ぶ）で検出し、モータの速度・位置をフィードバック制御する。

同図の制御系は、速度制御部１に得るトルク指令Ｔ^*から、トルク制御部２にはｄ，ｑ２軸のトルク電流指令ｉｑ^*と界磁電流指令ｉｄ^*を発生する。電流制御部３は、トルク電流指令ｉｑ^*及び界磁電流指令ｉｄ^*と、それらの電流検出値ｉｑ，ｉｄとの比較によりｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ，Ｖｑを得、これら指令は角速度検出部４からの角速度ωを使って回転→固定座標変換した二相の電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*を得る。さらに、二相／三相変換部５により三相の電圧指令Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*に変換し、これら電圧指令をＰＷＭ制御部６でＰＷＭ波形に変換し、電力変換器（インバータ）７のＰＷＭゲート制御によりモータ８の電機子電流を制御する。

三相／二相変換部９は、モータ８の各相検出電流ｉｕ，ｉｗから電流検出補正部１０によって補正した電流ｉｕ’，ｉｗ’およびモータ８のロータ位相θから、固定→回転座標変換した二相の検出電流ｉｄ，ｉｑを得、これらを電流制御部３へのフィードバック電流とする。電流検出補正部１０は、電流検出器の変換ゲインのアンバランスなどを補正する。

インクリメンタル方式のエンコーダ１１は、モータ８のロータが一定量回転する毎にＡ相とＢ相の二相のパルスを出力する。位置検出部１２は、図５に示すように、エンコーダ１１からのＡ相とＢ相のパルスのエッジを検出し、このエッジをカウントすることで回転位相（位置）θを求め、Ａ相とＢ相のパルスの発生順によってロータの回転方向を対応させる。速度検出部１３は、エンコーダ１１からのＡ相とＢ相のパルス発生時間差によってロータ回転速度ωｒを検出し、このロータ回転速度ωｒが速度制御部１へのフィードバック信号に、角速度検出部４への角速度検出に使用される。

かご位置制御部１４は、１４Ａ〜１４Ｅの演算要素で構成され、速度制御部１への速度指令ＳＰを得る。目標位置設定部１４Ａは、予め位置学習運転により記録された階床位置データが設定され、エレベータシステムの上位コントローラからの目的階指令に対応した目標位置が設定される。

エンコーダパルスカウント部１４Ｂは、位置検出部１２と同様に、エンコーダ１１からのＡ相とＢ相のパルスエッジをカウントし、モータの回転位置に対応するカウント値を得る。かご位置演算部１４Ｃは、カウント部１４Ｂに得るカウント値から現在のかご位置を求める。かご位置の演算は、巻上機の減速比、エンコーダパルスレート、シーブ径、エレベータのローピングより、下式を用いて算出する。

ここで、Ｎはエンコーダパルスのカウント値、
Ｌは減速機１回転時のかご移動距離［ｍｍ／回転］＝π×減速機シーブ径［ｍｍ］／ローピング比
Ｐは減速機１回転当たりパルス数［ｐｕｌｓｅ／回転］＝４×減速機減速比×エンコーダパルスレート［ｐｕｌｓｅ／回転］
残距離演算部１４Ｄは、図６の（ａ）に示すように、目標位置設定部１４Ａで設定する目標位置と、かご位置演算部１４Ｃで求めるかごの現在位置との差分を、目標位置までの残り距離として求める。速度指令算出部１４Ｅは、残り距離に応じた速度指令ＳＰを算出する。この速度指令算出は、目標階までの残り距離が大きい状態では加速・定速・減速パターンの速度指令を発生し、減速期間に残り距離が一定値に達したときにゼロ速度指令にする。

ここで、仮にエンコーダ１１が断線（電源用ケーブルやパルス信号用ケーブルの断線など）すると、エンコーダパルスカウント部１４Ｂのカウント値が変化しないため、図６の（ｂ）に示すように、かご位置が変化せずに残距離が一定値となり、速度指令ＳＰが発生し続ける。また、速度検出部１３では検出速度がゼロになり、位置検出部１２では位相θがある角度で停止する。

このような状況では、モータ８の制御が不能、または異常回転を起こすおそれがある。この保護対策として、エンコーダの断線を検出する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この検出方式は、エンコーダ断線検出方法として、互いに位相が９０度異なる２つの信号（Ａ相、Ｂ相信号）を用いて、一方の信号の変化するタイミングにおける他方の信号の状態で、アッブあるいはダウンさせるカウンタの単位時間あたりの変化が２未満である状態が一定時間連続したときに、エンコーダ断線を検出する。

他の断線検出方式として、速度検出パルス量の変化とトルク制御量の異常から検出する方式（特許文献２参照）、ｄ，ｑ成分の値の異常発生で検出する方式（特許文献３参照）、速度制御系の制御量の異常発生で検出する方式（特許文献４参照）がある。
特開２００１−２４９１５４号公報 特開２００４−６１３５１号公報 特開２００４−１５３９４９号公報 特開２０００−３５４３８８号公報

上記の特許文献２〜４の検出方式では、エンコーダの断線を直接に検出できるものでなく、他の制御回路の異常、故障などによってもエンコーダの断線と検出してしまう。

上記の特許文献１の検出方式では、エンコーダの断線のみを検出できるが、モータ速度がほとんどゼロである「ゼロ速度」近くで速度・位置制御している場合には、エンコーダに断線が発生していない正常状態であってもエンコーダパルスが変化しない状態が続くため、誤検出する可能性がある。

これには、エンコーダパルスの変化有無を判定する時間を長くすることが考えられるが、この時間を長く設定すると、エンコーダに断線が発生した場合にはモータ制御の停止などの保護対策が遅れてしまう。

本発明の目的は、回転体が「ゼロ速度」に近い低速状態においても、エンコーダの断線を迅速、確実に検出できるロータリーエンコーダの断線検出装置および断線検出方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、回転体の目標回転位置と現在回転位置との差が極めて小さい距離範囲を断線検出除外範囲として設定し、現在回転位置が一定状態になり、かつ現在回転位置が断線検出除外範囲外にあるときにエンコーダ断線と判定するようにしたもので、以下の検出装置および方法を特徴とする。

（１）回転体に軸結合され、回転体の回転に対して互いに位相が９０度異なるＡ，Ｂ相パルスを発生するロータリーエンコーダの断線検出装置であって、
前記Ａ，Ｂ相パルスから回転体の現在の回転位置を求める現在位置演算部と、
前記現在位置演算部が求める現在の回転位置が一定であるか否かを判定する現在位置一定判定部と、
前記回転体の目標回転位置と、前記現在位置演算部が求めた現在の回転位置との差分を絶対値で求める残距離演算部と、
前記残距離演算部が求めた残距離が、前記目標回転位置に近い範囲として設定された断線検出除外範囲内にあるか、範囲外にあるかを判定する断線検出除外範囲判定部と、
前記現在位置一定判定部が「現在位置一定」を判定し、かつ前記断線検出除外範囲判定部が「残距離が除外範囲外」を判定したときにロータリーエンコーダ断線の判定信号を得る同時成立判定部と、
を備えたことを特徴とする。

（２）回転体に軸結合され、回転体の回転に対して互いに位相が９０度異なるＡ，Ｂ相パルスを発生するロータリーエンコーダの断線検出方法であって、
断線検出用のコンピュータ処理装置は、
前記Ａ，Ｂ相パルスから回転体の現在の回転位置を求める現在位置演算ステップと、
前記現在位置演算ステップが求める現在の回転位置が一定であるか否かを判定する現在位置一定判定ステップと、
前記回転体の目標回転位置と、前記現在位置演算ステップが求めた現在の回転位置との差分を絶対値で求める残距離演算ステップと、
前記残距離演算ステップが求めた残距離が、前記目標回転位置に近い範囲として設定された断線検出除外範囲内にあるか、範囲外にあるかを判定する断線検出除外範囲判定ステップと、
前記現在位置一定判定ステップが「現在位置一定」を判定し、かつ前記断線検出除外範囲判定ステップが「残距離が除外範囲外」を判定したときにロータリーエンコーダ断線の判定信号を得る同時成立判定ステップと、
を有することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、回転体の目標回転位置と現在回転位置との差が極めて小さい距離範囲を断線検出除外範囲として設定し、現在回転位置が一定状態になり、かつ現在回転位置が断線検出除外範囲外にあるときにエンコーダ断線と判定するようにしたため、回転体が「ゼロ速度」に近い低速状態においても、エンコーダの断線を迅速、確実に検出できる。

図１は、本発明の実施形態を示すエンコーダの断線検出装置であり、モータの制御装置と一緒に示す。モータの制御装置は２１〜２７で構成され、例えば、図４に示す、エレベータかごを駆動するモータ２４のロータ回転方向、回転量をエンコーダ２５と速度検出部２６、カゴ位置制御部２７で検出し、速度制御部２１への速度指令発生とトルク・電流制御部２２の制御を行い、インバータ２３によってモータを目的階高さ位置まで駆動する。

破線ブロックで示すエンコーダの断線検出装置３０は、３０Ａ〜３０Ｆの演算要素で構成され、エンコーダ２５が発生するパルス信号（Ａ、Ｂ相）を基にした演算でエンコーダの断線を検出する。

現在位置演算部３０Ａは、図４のカウント部１４Ｂとかご位置演算部１４Ｃと同様に、エンコーダ２５が発生するパルス信号（Ａ相、Ｂ相信号）からかごの現在位置を求める。現在位置一定判定部３０Ｂは演算部３０Ａが求める現在位置が一定であるか否かを判定、すなわち現在位置が変化しているか否かを判定する。

目標位置設定部３０Ｃと残距離演算部３０Ｄは、図４の目標位置設定部１４Ａと残距離演算部１４Ｄと同様に、データとして与えられる「かごの目標位置」と、演算部３０Ａが求めた現在位置との差分（残距離）を絶対値で求める。断線検出除外範囲判定部３０Ｅは、残距離演算部３０Ｄが求めた残距離が断線検出除外範囲内にあるか、範囲外にあるかを判定する。同時成立判定部３０Ｆは、現在位置一定判定部３０Ｂが「かごの現在位置一定」を判定し、かつ断線検出除外範囲判定部３０Ｅが「残距離が除外範囲外」を判定したときにエンコーダ断線の判定信号を得る。

図２は、エンコーダ断線検出除外範囲と現在位置の関係を示す。エンコーダ断線検出除外範囲は、目標位置から一定距離、例えば、エンコーダパルスのカウント値が変化しないゼロ速度付近の動作となる距離（ドアゾーン範囲内）だけずれた位置として設定され、この範囲外で現在位置一定が判定されたときにエンコーダ断線と検出し、範囲内では現在位置一定が判定されるもエンコーダ断線と検出しない。

なお、図２ではエンコーダ断線検出除外範囲を目標位置よりも低い範囲になるように見えるが、これはエレベータかごが目標位置よりも低い位置から目標位置に向かって巻き上げられる場合であり、逆にエレベータかごが目標位置よりも高い位置から目標位置に向かって巻き下ろされる場合にはエンコーダ断線検出除外範囲が目標位置よりも高い範囲になる。このため、残距離演算部３０Ｄは、「かごの目標位置」と現在位置との差分（残距離）を絶対値で求める。

以上のことから、エンコーダの断線検出は、かごの現在位置がエンコーダ断線検出除外範囲外にあり、かつ現在位置が変化していないときの両条件が成立したときになされ、モータを「ゼロ速度」に近い低速度で速度・位置制御し、エンコーダパルスの変化が少ない状態が続く場合にも、エンコーダの断線という誤検出を防止できる。

しかも、エンコーダパルスの変化が少ない状態の判定時間、つまり現在位置一定の判定時間を短く設定しても断線を誤検出することがなくなる。このため、判定時間を短く設定しておけば、エンコーダに実際に断線が発生した場合にはそれを迅速に検出して、モータ制御の停止などの保護対策を遅れなく実行できる。

なお、かごの現在位置がエンコーダ断線検出除外範囲内にある制御状態で、エンコーダに断線が発生したとき、断線検出ができない。しかし、この除外範囲内で断線が万一発生した場合でも、モータを停止させようとする低速制御に入っているため、トルク制御量等も微小なもので、目標位置に安定して停止させることができる。そして、次回の運転開始時では現在位置と目標位置の差（残距離）が大きい状態で始まり、エンコーダの断線を直ちに検出することができる。

図３は、エンコーダの断線検出をソフトウェア構成とする場合の処理フローであり、モータ制御のための演算をＰＬＣなどのコンピュータで実行する場合に、このコンピュータに断線検出用のアプリケーションプログラムとして搭載し、コンピュータ資源を利用して断線検出ができる。

同図において、現在位置一定の判定ステップ（Ｓ１）は、図１の演算部３０Ａと判定部３０Ｂに相当するものである。また、現在位置と目標位置の偏差の絶対値が断線検出除外範囲よりも大きいか否かの判定ステップ（Ｓ２）は、図１の演算部３０Ｄと判定部３０Ｅに相当するものである。また、エンコーダ断線検出ステップ（Ｓ３）は、図１の判定部３０Ｆに相当するものである。

なお、実施形態では、エレベータかご駆動用モータの制御装置に適用した場合を示し、この場合には断線検出装置３０の各演算要素をかご位置制御部２７のものと兼用にすることもできる。

また、エンコーダ断線検出装置は、エレベータ用に限らず、モータの速度・位置をロータリーエンコーダのＡ，Ｂ相信号から検出してモータを制御する装置に適用することができる。

また、エンコーダの断線検出時の制御装置の保護方法は、適宜設計できる。例えば、断線検出で、エレベータかごを最寄りの階までフィードフォワード制御する。

本発明の実施形態を示すエンコーダの断線検出装置の構成図。 エンコーダ断線検出除外範囲と現在位置の関係図。 エンコーダの断線検出処理フロー。 モータのベクトル制御装置の構成図。 エンコーダパルスとカウント値の関係図。 かご位置と残距離の関係図。

符号の説明

２４ モータ
２５ エンコーダ
３０ エンコーダ断線検出装置
３０Ａ 現在位置演算部
３０Ｂ 現在位置一定判定部
３０Ｃ 目標位置設定部
３０Ｄ 残距離演算部
３０Ｅ 断線検出除外範囲判定部
３０Ｆ 同時成立判定部

Claims (2)

1. 回転体に軸結合され、回転体の回転に対して互いに位相が９０度異なるＡ，Ｂ相パルスを発生するロータリーエンコーダの断線検出装置であって、
   前記Ａ，Ｂ相パルスから回転体の現在の回転位置を求める現在位置演算部と、
   前記現在位置演算部が求める現在の回転位置が一定であるか否かを判定する現在位置一定判定部と、
   前記回転体の目標回転位置と、前記現在位置演算部が求めた現在の回転位置との差分を絶対値で求める残距離演算部と、
   前記残距離演算部が求めた残距離が、前記目標回転位置に近い範囲として設定された断線検出除外範囲内にあるか、範囲外にあるかを判定する断線検出除外範囲判定部と、
   前記現在位置一定判定部が「現在位置一定」を判定し、かつ前記断線検出除外範囲判定部が「残距離が除外範囲外」を判定したときにロータリーエンコーダ断線の判定信号を得る同時成立判定部と、
   を備えたことを特徴とするロータリーエンコーダの断線検出装置。
2. 回転体に軸結合され、回転体の回転に対して互いに位相が９０度異なるＡ，Ｂ相パルスを発生するロータリーエンコーダの断線検出方法であって、
   断線検出用のコンピュータ処理装置は、
   前記Ａ，Ｂ相パルスから回転体の現在の回転位置を求める現在位置演算ステップと、
   前記現在位置演算ステップが求める現在の回転位置が一定であるか否かを判定する現在位置一定判定ステップと、
   前記回転体の目標回転位置と、前記現在位置演算ステップが求めた現在の回転位置との差分を絶対値で求める残距離演算ステップと、
   前記残距離演算ステップが求めた残距離が、前記目標回転位置に近い範囲として設定された断線検出除外範囲内にあるか、範囲外にあるかを判定する断線検出除外範囲判定ステップと、
   前記現在位置一定判定ステップが「現在位置一定」を判定し、かつ前記断線検出除外範囲判定ステップが「残距離が除外範囲外」を判定したときにロータリーエンコーダ断線の判定信号を得る同時成立判定ステップと、
   を有することを特徴とするロータリーエンコーダの断線検出方法。

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