JP2015177739A

JP2015177739A - 電動機速度検出装置

Info

Publication number: JP2015177739A
Application number: JP2015050749A
Authority: JP
Inventors: ミンフンチ; Min Hun Chi
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2015-10-05
Also published as: US9692341B2; EP2918977A1; CN104914268A; KR101540176B1; CN104914268B; US20150263659A1

Abstract

【課題】本発明は、正弦波エンコーダの出力信号を検出して電動機の速度を正確に検出する電動機速度検出装置を提供する。【解決手段】本発明の装置は、電動機の回転によりエンコーダから入力される２相の正弦波信号を増幅する増幅部と、前記２相の正弦波信号をデジタルデータに変換する第１変換部と、前記２相の正弦波信号を矩形波信号に変換する第２変換部と、前記矩形波信号をカウントして累積するカウンター部と、前記第１変換部から受信した前記デジタルデータと、前記カウンター部から受信する累積したカウントを受信して、前記電動機の速度を決定する速度決定部とを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、電動機速度検出装置に関するものである。

一般に、インバータによる交流電動機の可変速駆動が広く用いられ、電動機の精度よい速度制御が求められる場合、速度検出センサーを電動機に付着して電動機の速度を検出している。

このような速度検出センサーとしては、インクリメンタルエンコーダ（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｅｎｃｏｄｅｒ）が多く用いられ、インクリメンタルエンコーダは、大きく矩形波信号を出力するエンコーダと正弦波信号を出力するエンコーダに分けることができる。

この中、正弦波信号を出力するエンコーダ（以下、「正弦波エンコーダ」という）は、電動機の一回転当たり所定の個数ほど互いに９０度の位相差を有する２相の正弦波を出力して、インバータに提供される速度検出装置において一定時間毎にその正弦波を測定して電動機の速度を検出するものである。

しかし、従来正弦波エンコーダを利用して電動機の速度を検出する場合、高周波信号を使用するため、電動機速度が増加する場合、検出される速度の正確性が低くなる問題点がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、正弦波エンコーダの出力信号を検出して電動機の速度を正確に検出する電動機速度検出装置を提供することである。

前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態の電動機速度検出装置は、電動機の回転によりエンコーダから入力される２相の正弦波信号を増幅する増幅部と、前記２相の正弦波信号をデジタルデータに変換する第１変換部と、前記２相の正弦波信号を矩形波信号に変換する第２変換部と、前記矩形波信号をカウントして累積するカウンター部と、前記第１変換部から受信した前記デジタルデータと、前記カウンター部から受信する累積したカウントを受信して、前記電動機の速度を決定する速度決定部とを含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記第１変換部は、所定ビット数で前記２相の正弦波信号を前記デジタルデータに変換することができる。

本発明の一実施形態において、前記速度決定部は、前記デジタルデータを利用して、１パルス内での位置角を決定する第１決定部と、前記カウンターから受信する前記累積したカウントと、前記１パルス内での位置角を結合して、電動機１回転に対する位置角を決定する第２決定部と、電動機位置の変化量をベースに前記電動機の速度を決定する第３決定部と、を含んでもよい。

本発明の一実施形態において、前記第３決定部は、前記電動機位置の変化量を時間変化量で割って、前記電動機の速度を決定することができる。

前記のような本発明は、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号を各々一周期アークタンジェント演算した値と、矩形波信号に変換してカウントした値によって高い分解能を有する位置角を生成できて、これをベースに精度よい速度演算を可能にする効果がある。

従来の、正弦波エンコーダから出力される信号を利用して、電動機速度を検出する装置を説明するための構成図である。図１の出力信号を説明するための波形図である。本発明の一実施形態に係る電動機速度検出装置の構成図である。図３の出力信号を説明するための一例示図である。図４の速度決定部の詳細構成図である。

本発明は、種々の変更を加えることができて、様々な実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定するのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるいずれかの変更、均等物乃至代替物を含むものと理解しなければならない。

以下、添付図面を参照して、従来の電動機速度検出装置について説明した後、本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図１は、従来の、正弦波エンコーダから出力される信号を利用して、電動機速度を検出する装置を説明するための構成図であり、図２は、図１の装置から発生する信号を説明するための波形図である。

従来の速度検出装置は、電動機（図示せず）の軸に取り付けられて、電動機が１回転する場合指定された個数ほど互いに９０度位相差を有する２相の正弦波信号（ｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号）を出力するエンコーダ１００と、エンコーダ１００の出力信号を受信して、電動機回転速度を決定してこれをインバータの速度制御装置に提供する速度検出装置２００で構成される。

速度検出装置２００は、正弦波エンコーダ１００のｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号を差動して増幅する差動増幅部２１０と、差動増幅されたｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号を周波数発生部２３０が提供する高周波信号と結合する波形変換部２２０と、波形変換されたｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号をパルス信号に変換するコンバータ２４０と、パルス信号をカウントするパルスカウンター２５０と、パルスカウンター２５０から出力されたカウント（値）の変化量を一定時間毎に演算して速度を検出する速度演算部２６０で構成される。

図２を参照すると、２Ａは、電動機の１回転を意味し、２Ｂ、２Ｃは、エンコーダ１００が電動機の回転２Ａにより発生するｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を示す。ｓｉｎ信号２Ｂとｃｏｓ信号２Ｃは、９０度の位相差を有することとなる。２Ｄは、ｓｉｎ信号２Ｂとｃｏｓ信号２Ｃの周期を示し、２Ｅは、周波数発生部２３０で生成した高周波信号を示す。また、２Ｆは、波形変換部２２０がｓｉｎ信号２Ｂとｃｏｓ信号２Ｃの差動信号に周波数発生部２３０の高周波信号２Ｅを結合して生成した信号であり、２Ｇは、コンバータ２４０により変換されたパルス信号である。また、２Ｈは、パルス信号２Ｇをパルスカウンター２５０で累積した信号を示す。

図１の装置の動作を説明すると下記の通りである。

まず、電動機（図示せず）の軸に取り付けられた正弦波エンコーダ１００は、電動機の回転によって軸の位置が変化しただけ正弦波を出力する位置センサーであり、電動機の１回転当り出力信号の個数は、予め設定されているので、出力される正弦波の個数を分かると、回転位置の変化量が分かる。

正弦波エンコーダ１００の出力信号は、大きさが一定であるが、電動機が回転する速度により周波数は変更可能である。

差動増幅部２１０は、正弦波エンコーダ１００の出力信号の絶縁及びレベル調整のためのものであり、２Ｂ及び２Ｃのようにエンコーダ１００から出力される信号を差動して、予め設定されたゲインに応じて増幅する。

周波数発生部２３０は、２Ｅのように一定大きさ及び一定周波数の信号を発生して、これを波形変換部２２０に提供する。波形変換部２２０は、差動増幅された信号に高周波信号を結合して２Ｆのように出力する。この時、２つの信号を結合するのは、差動信号の分解能を高めるためである。

例えば、ｓｉｎ信号２Ｂ及びｃｏｓ信号２Ｃが１００Ｈｚである場合、１０ｋＨｚの高周波信号を結合すると、１００Ｈｚ信号一周期内に１００回の正弦波が発生することになる。即ち、本来正弦波エンコーダ１００の出力信号の個数は、電動機の１回転当り指定されているが、正弦波エンコーダ１００の出力信号に高周波を結合して、１回転時発生する出力信号の個数を数倍以上増加させることができる。

このように波形変換部２２０は、差動増幅された信号と周波数発生部２３０で発生した高周波数信号２Ｅを結合して、電動機の１回転時発生する信号の個数を増加させる。

コンバータ２４０は、波形変換部２２０で結合した正弦波信号２Ｆを矩形波信号２Ｇに変換し、パルスカウンター２５０は、矩形波信号２Ｇが低いレベルから高いレベルに、または高いレベルから低いレベルに変わる度にカウンターを累積する。

以後、速度演算部２６０は、電動機の回転によって発生によってカウントされたパルス２Ｈを利用して、一定時間毎に電動機の速度を演算する。この時、速度演算部２６０は、下記の式を利用して電動機速度を演算する。

速度＝位置変化量／時間変化量〔式１〕

しかし、前記のような従来の速度検出装置は、波形変換部２２０が処理できる周波数領域の限界によって、一定速度以上で検出した速度の変動が大きくなる問題点がある。

即ち、差動増幅された信号は、電動機の駆動速度が変化する場合、大きさは一定に維持されるが信号の周波数が変動することになる。電動機が一定速度以上で駆動されると、差動増幅された信号の周波数は増加し、波形変換部２２０で処理できる周波数領域の限界によって、周波数発生部２３０の信号と結合して変換される信号が一部発生しない問題が発生する。これは、図２の２Ｄに該当する部分で特に発生することになる。

波形変換部２２０の出力信号２Ｆが、正確でない場合、コンバータ２４０で変換されるパルス信号も正確にならず、これをパルスカウンター２５０がカウントする場合にも正確性が低下するので、結果的に速度演算部２６０が出力する電動機の速度演算が不正確となる問題点がある。

本発明は、このような問題点を解決するためのもので、電動時速度が一定速度以上の高速である場合でも、速度検出を正確にするためのものである。

図３は、本発明の一実施形態に係る電動機速度検出装置の構成図であり、図４は、図３の出力信号を説明するための一例示図である。

図面に示したように、本発明の電動機速度検出装置２は、増幅部１０、波形変換部２０、パルスカウンター部３０、アナログ−デジタル（Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ、ＡＤ）コンバータ部４０、及び速度決定部５０を含んでもよい。

本発明の速度検出装置２は、電動機（図示せず）の軸に取り付けられるエンコーダ１から、電動機が１回転する場合、指定された個数だけ互いに９０度位相差を有する２相の正弦波信号（ｓｉｎ信号、ｃｏｓ信号）を受信して、これを利用して電動機の回転速度を決定することができる。

増幅部１０は、正弦波エンコーダ１から出力されるｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号のレベルを増幅して出力することができる。増幅部１０は、例えば、差動増幅器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ）であってもよい。

波形変換部２０は、増幅されたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号のうちいずれか一つを矩形波に変換し、パルスカウンター部３０は、波形変換部２０から変換された矩形波信号をカウントすることができる。

また、ＡＤコンバータ部４０は、増幅されたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号をデジタルデータに変換することができる。ＡＤコンバータ部４０は、例えば所定ビット数でｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号をデジタルデータに変換するもので、ＡＤコンバータ部４０のビット数が大きくなるほど速度検出装置２の分解能が高くなり得る。

速度決定部５０は、ＡＤコンバータ部４０及びパルスカウンター部３０の出力を受信して、電動機の速度を決定することができる。

図４を参照すると、４Ａは、電動機が１回転する場合、エンコーダ１が出力する信号の個数を示し、４Ｂ及び４Ｃは、各々エンコーダ１の出力であるｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号を示す。また、４Ｄは、ｓｉｎ信号４Ｂ及びｃｏｓ信号４Ｃの一周期を示し、４Ｅは、ｓｉｎ信号４Ｂ及びｃｏｓ信号４Ｃをアークタンジェント（ａｒｃｔａｎ）演算して生成された矩形波一周期の位置角を示す。

また、４Ｆは、増幅部１０により増幅された信号を波形変換部２０が矩形波に変換したことを示し、４Ｇは、矩形波信号４Ｆをパルスカウンター部３０が累積したカウント(値）を示す。

また、４Ｈは、パルスカウンター部３０で累積したカウント４Ｇと矩形波一周期の位置角４Ｅの結合によって生成された電動機１回転に対する位置角を示す。

図５は、本発明の一実施形態の速度決定部が電動機の速度を決定することを説明するための、速度決定部５０の詳細構成図である。

図面に示したように、本発明の一実施形態の速度決定部５０は、アークタンジェント演算部５１、位置角演算部５２、及び速度検出部５３を含んでもよい。

アークタンジェント演算部５１は、ＡＤコンバータ部４０から受信したｓｉｎデータ及びｃｏｓデータを利用して、エンコーダ１の１パルス内での位置角を決定する。

即ち、tansθ＝sinθ／cosθであるため、アークタンジェント演算によってθを決定することができる。
この演算結果が、図４で４Ｅに該当する。

位置角演算部５２は、アークタンジェント演算部５１から受信した、１パルス内での位置角４Ｅと、パルスカウンター部３０から受信した累積信号４Ｇを結合して、電動機１回転に対する位置角４Ｈを決定することができる。

速度検出部５３は、位置角演算部５２で演算した電動機１回転に対する位置角４Ｈを基準に、一定時間毎の位置変化量と時間変化量との比を演算して、電動機の回転速度を検出することができる。

以下、全体的な図３の速度検出装置２の動作を説明する。

まず、電動機の軸に取り付けられたエンコーダ１は、電動機の回転によって軸の位置が変化しただけ正弦波を出力する位置センサーであり、電動機の１回転当り４Ａの出力信号の個数は、予め設定されているので、出力される正弦波の個数を分かると、回転位置の変化量が分かる。

本発明の一実施形態の速度検出装置２の増幅部１０は、エンコーダ１から出力されるｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号を絶縁及び増幅して、出力４Ｂ、４Ｃすることができる。増幅部１０のゲインは、ユーザの設定によって変更されてもよい。

以後、本発明によってエンコーダ１から受信されて増幅されたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号４Ｂ、４Ｃは、位置角生成のために二つの信号処理が実行される。

先に、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号４Ｂ、４Ｃをデジタルデータに変換し、アークタンジェント演算を行うと、パルス一周期内で位置角４Ｅを知ることができ、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号４Ｂ、４Ｃを矩形波４Ｆに変換して、パルスカウントを行うと、電動機１回転に対する位置角４Ｈを生成することができる。即ち、パルスカウンターで累積した位置角４Ｇにアークタンジェント演算による一周期位置角変動４Ｅを合算すれば、電動機１回転に対する位置角４Ｈを確認することができる。

以後、この位置角を基準にして、一定時間毎に電動機位置の変化量を演算して、電動機の速度を検出することができる。

このように本発明は、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号を各々一周期アークタンジェント演算した値と、矩形波信号に変換してカウントした値によって高い分解能を有する位置角を生成することができ、これをベースに精度よい速度演算が可能となる。

即ち、本発明の速度検出装置は、従来速度検出装置で発生した一定速度以上で速度検出の変動が大きくなる現象を取り除くことができ、高い分解能の位置角によって精度よい速度制御が可能となる。

以上、本発明に係る実施形態を説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当分野で通常の知識を有する者であれば、これらから多様な変形及び均等な範囲の実施形態が可能である点を理解するであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって定まらなければならない。

１，１００エンコーダ
１０増幅部
２０波形変換部
３０パルスカウンター部
４０Ａ／Ｄコンバータ部
５０速度決定部
５１アークタンジェント演算部
５２位置角演算部
５３速度検出部
２１０差動増幅部
２２０波形変換部
２３０周波数発生部
２４０コンバータ
２５０パルスカウンター
２６０速度演算部

Claims

電動機の回転によりエンコーダから入力される２相の正弦波信号を増幅する増幅部と、
前記２相の正弦波信号をデジタルデータに変換する第１変換部と、
前記２相の正弦波信号を矩形波信号に変換する第２変換部と、
前記矩形波信号をカウントして累積するカウンター部と、
前記第１変換部から受信した前記デジタルデータと、前記カウンター部から受信する累積したカウントを受信して、前記電動機の速度を決定する速度決定部と、を含むことを特徴とする、電動機速度検出装置。
前記第１変換部は、
所定ビット数で前記２相の正弦波信号を前記デジタルデータに変換する、請求項１に記載の電動機速度検出装置。
前記速度決定部は、
前記デジタルデータを利用して、１パルス内での位置角を決定する第１決定部と、
前記カウンター部から受信する前記累積したカウントと、前記１パルス内での位置角を結合して、電動機１回転に対する位置角を決定する第２決定部と、
電動機位置の変化量をベースに前記電動機の速度を決定する第３決定部と、を含む、請求項１または２に記載の電動機速度検出装置。
前記第３決定部は、
前記電動機位置の変化量を時間変化量で割って、前記電動機の速度を決定する、請求項３に記載の電動機速度検出装置。