JP2017198648A

JP2017198648A - 正弦波信号の断線検出装置

Info

Publication number: JP2017198648A
Application number: JP2016235319A
Authority: JP
Inventors: ミン−ホン・チ; Min-Hun Chi
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2017-11-02
Also published as: CN107306136B; EP3239725B1; EP3239725A1; US10312836B2; KR101773334B1; CN107306136A; JP2019053082A; JP6743110B2; US20170310250A1

Abstract

【課題】正弦波信号の断線検出装置を開示する。【解決手段】本発明の装置は、第１の正弦波と第２の正弦波をそれぞれ絶対値に変換し、第１の正弦波の値が最小値より大きい第１の比較値より小さく、第２の正弦波の値が最大値より小さい第２の比較値より小さい場合には、断線であると決定する。【選択図】図３

Description

本発明は、正弦波信号の断線検出装置に関する。

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るに伴い、電動機の高精度の速度制御が求められている分野がある。この場合、速度検出センサを電動機に取り付けて電動機の速度を検出している。

かかる速度検出センサとしては、インクリメンタルエンコーダ（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｅｎｃｏｄｅｒ）が多く用いられている。インクリメンタルエンコーダは、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とに大別できる。

正弦波信号を出力するエンコーダ（正弦波エンコーダ）は、電動機の一回転当たりに、所定の個数だけ互いに９０度の位相差を有する２相の正弦波を出力する。

通常、インバータに提供される断線検出装置では、正弦波エンコーダの出力信号が断線する場合、それを検出して電動機を停止させる。

図１は従来の断線検出装置の構成図であり、図２は図１の検出装置から出力される信号を説明するための例示図である。

従来の装置において、エンコーダ１００は、互いに９０度の位相差を有する２相の正弦波信号（ｓｉｎ、ｃｏｓ信号）を出力し、断線検出装置２００は、エンコーダ１００の出力信号を受信して信号の断線有無を検出する。

増幅部２１０はエンコーダ１００の信号を差動して増幅し、波形変換部２２０は差動増幅されたｓｉｎ、ｃｏｓ正弦波信号を矩形波信号に変換する。また、断線検出部２３０は矩形波信号を確認して断線を検出する。

図２において、２Ａは、正弦波エンコーダ１００の出力信号であるｓｉｎ、ｃｏｓ信号を差動して増幅した波形であって、増幅部２１０の出力信号を示し、２Ｂ及び２Ｃは、差動増幅部２１０の出力であるｓｉｎ、ｃｏｓ正弦波信号を矩形波信号に変換した波形であって、波形変換部２２０の出力信号である。この際、２Ｄは、ｓｉｎ正弦波が変換されたＡ相矩形波であり、２Ｅはｃｏｓ正弦波が変換されたＢ相矩形波である。

先ず、電動機（不図示）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であって、電動機の１回転当たりの出力信号の個数は予め設定されているため、出力される正弦波の個数を知っていると回転位置の変化量を知ることができる。

従来の断線検出装置２００の動作を説明する。

正弦波エンコーダ１００の出力信号はその大きさが一定であるが、電動機が回転する速度によって周波数が可変する。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って、２Ａのように、エンコーダ１００から出力される信号を差動し、予め設定されたゲインによって増幅する。

波形変換部２２０は、差動増幅部２１０により差動増幅されたｓｉｎ、ｃｏｓの正弦波信号を０より大きい値の場合はハイ（Ｈｉｇｈ）信号と、０より小さい値の場合はロー（Ｌｏｗ）信号と、それぞれ比較して２Ｂ及び２ＣのようなＡ相及びＢ相矩形波信号として出力する。

断線検出部２３０は、図２の２Ｆ領域のように、正弦波エンコーダ１００の出力信号のうちｃｏｓ信号線が断線した場合、Ａ相矩形波とＢ相矩形波を一定区間で確認し、Ａ相矩形波が変化する中にＢ相矩形波が変化しないと、それを断線として検出する。

しかし、断線検出部２０３が断線を検出するためには、一定時間の正弦波信号の変化がある際にのみ断線の検出が可能であり、断線の検出のための時間が長くなると、運転中における電動機の突入現象などの問題が発生し得る。

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からエンコーダ信号線の断線を迅速に検出する断線検出装置を提供することにある。

上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による正弦波信号の断線検出装置は、第１の正弦波と第２の正弦波をそれぞれ絶対値に変換する第１の変換部と、第１の正弦波の値が最小値より大きい第１の比較値より小さく、第２の正弦波の値が最大値より小さい第２の比較値より小さい場合には、断線であると決定する決定部と、を含むことができる。

本発明の一実施形態において、前記決定部は、第２の正弦波の値が前記第１の比較値より小さく、第１の正弦波の値が前記第２の比較値より小さい場合には、断線であると決定することができる。

本発明の一実施形態による断線検出装置は、印加される第１の正弦波信号と第２の正弦波信号を差動増幅する増幅部と、差動増幅された第１の正弦波信号と第２の正弦波信号をデジタルデータの第１の正弦波と第２の正弦波に変換する第２の変換部と、をさらに含むことができる。

本発明の一実施形態による断線検出装置は、第１の正弦波と第２の正弦波のオフセットを除去する除去部をさらに含むことができる。

本発明の一実施形態において、前記決定部は、前記第１の正弦波の値が前記第１の比較値より小さく、第２の正弦波の値が第２の比較値より大きく最大値より小さい場合には、断線ではないと決定することができる。

本発明の一実施形態において、前記決定部は、前記第２の正弦波の値が前記第１の比較値より小さく、第１の正弦波の値が第２の比較値より大きく最大値より小さい場合には、断線ではないと決定することができる。

上記のような本発明は、正弦波の一周期が進行している途中にも、短時間内に断線を検出することができる。

従来の断線検出装置の構成図である。図１の断線検出装置から出力される信号を説明するための例示図である。本発明の一実施形態による正弦波信号の断線検出装置を説明するための一例示図である。図３の第２の断線検出部の一様態の詳細構成図である。本発明の断線検出装置から出力される信号を説明するための一例示図である。図４の第２の断線検出部における出力信号を基準とした断線検出条件を説明するための一例示図である。本発明の一実施形態による断線検出方法を説明するためのフローチャートである。

本発明は、様々な変更が可能であって、様々な実施形態を有することができるため、特定実施形態を図面に例示するとともに、詳細な説明に詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に限定するためのものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むと理解するべきである。

以下、添付図面を参照して、本発明による好ましい一実施形態を詳細に説明する。

図３は本発明の一実施形態による正弦波信号の断線検出装置を説明するための一例示図である。

図面に示されたように、本発明の一実施形態による断線検出装置２０は、エンコーダ１０の正弦波信号を確認し、エンコーダ信号線の断線が発生した場合にそれを検出して上位制御部（不図示）に送信することで、電動機の運転を停止させることができる。

エンコーダ１０は、電動機が１回転する際に、指定された個数だけ、互いに９０度の位相差を有する２相の正弦波信号（ｓｉｎ、ｃｏｓ信号）を出力することができる。

本発明の一実施形態による断線検出装置２０は、増幅部２１と、波形変換部２２と、第１の断線検出部２３と、アナログ／デジタル（ａｎａｌｏｇ／ｄｉｇｉｔａｌ（Ａ／Ｄ））コンバータ部２４と、第２の断線検出部２５と、を含むことができる。

増幅部２１は、エンコーダ１０の第１の正弦波（ｓｉｎ）及び第２の正弦波（ｃｏｓ）信号を差動して増幅することができる。波形変換部２２は、差動増幅された第１の正弦波（ｓｉｎ）及び第２の正弦波（ｃｏｓ）信号を矩形波信号に変換することができる。また、第１の断線検出部２３は、波形変換部２２により変換された矩形波信号を確認し、断線を検出することができる。

Ａ／Ｄコンバータ部２４は、差動増幅された第１の正弦波（ｓｉｎ）及び第２の正弦波（ｃｏｓ）信号をデジタルデータに変換することができる。また、第２の断線検出部２５は、デジタルデータに対して断線を検出することができる。

増幅部２１、波形変換部２２、及び第１の断線検出部２３の動作は、図２を参照して説明する。

増幅部２１は、正弦波エンコーダ１０の出力信号の絶縁及びレベル調整のためのものであって、２Ａのようにエンコーダ１０から出力される信号を差動し、予め設定されたゲインによって増幅することができる。

波形変換部２２は、差動増幅部２１により差動増幅された第１及び第２の正弦波（ｓｉｎ、ｃｏｓ）信号を、０より大きい値の場合はハイ（Ｈｉｇｈ）信号と、０より小さい値の場合はロー（Ｌｏｗ）信号としてそれぞれ出力し、２Ｂ及び２ＣのようなＡ相及びＢ相矩形波信号として出力することができる。

第１の断線検出部２３は、図２の２Ｆ領域のように、正弦波エンコーダ１０の出力信号のうち第２の正弦波（ｃｏｓ）信号線が断線した場合、Ａ相矩形波とＢ相矩形波を一定区間で確認し、Ａ相矩形波が変化する中にＢ相矩形波が変化しないと、それを断線として検出し、それを上位制御部（不図示）に送信することができる。

一方、増幅部２１、Ａ／Ｄコンバータ部２４、及び第２の断線検出部２５の動作について、以下で図面を参照して説明する。

Ａ／Ｄコンバータ部２４は、増幅部２１により差動増幅されたアナログ信号の第１の正弦波及び第２の正弦波信号をデジタルデータに変換することができる。

図４は図３の第２の断線検出部の一様態の詳細構成図であり、図５は本発明の断線検出装置から出力される信号を説明するための一例示図であり、図６は図４の第２の断線検出部における出力信号を基準とした断線検出条件を説明するための一例示図である。

図に示されたように、本発明の断線検出装置２０において、第２の断線検出部２５は、オフセット除去部４０と、絶対値変換部４１と、断線決定部４２と、を含むことができる。

図５において、５Ａは、正弦波エンコーダ１０の出力信号である第１の正弦波（ｓｉｎ）及び第２の正弦波（ｃｏｓ）信号を差動して増幅した波形であって、増幅部２１の出力信号を示す。５Ｂ及び５Ｃは、５Ａの信号の絶対値を取った場合の波形を示す。この際、５Ｂは第１の正弦波（ｓｉｎ）信号の絶対値を示し、５Ｃは第２の正弦波（ｃｏｓ）信号の絶対値を示すことができる。また、図５において５Ｄは、断線が発生した領域を説明するためのものであって、この際、５Ｅは断線検出が可能な領域を、５Ｆは断線検出が不可能な領域を示す。

オフセット除去部４０は、Ａ／Ｄコンバータ部２４により変換されたデジタルデータの第１及び第２の正弦波信号のオフセットを除去することができる。

絶対値変換部４１は、オフセットが除去された第１及び第２の正弦波信号の絶対値を取って、０より小さい値を有する波形に絶対値処理を行うことができる。

断線決定部４２は、絶対値変換された第１及び第２の正弦波がそれぞれ断線条件に該当するかを判断して信号の断線を検出し、それを上位制御部（不図示）に提供して電動機の運転を停止させることができる。

図６は本発明の一実施形態による断線検出条件を説明するためのものであって、６Ａ及び６Ｂは第１の正弦波（ｓｉｎ）の最大及び最小の大きさを示したものである。また、６Ｃ及び６Ｄは第２の正弦波（ｃｏｓ）の最大及び最小の大きさを示したものである。

５Ｅは、図５で説明したように、断線検出が可能な区間を示したものであって、本発明によると、図５に示すように断線の検出が不可能な区間がない。

断線決定部４２の動作をさらに説明すると、絶対値変換部４１の出力信号のうち第１の正弦波（ｓｉｎ）に対して、第１の正弦波（ｓｉｎ）の値と所定の第１の比較値（６Ｅ）とを比較し、その値が第１の比較値（６Ｅ）より小さいと、第２の正弦波（ｃｏｓ）の値が最大値（６Ｇ）より小さく第２の比較値（６Ｆ）より大きい場合は、断線ではないと判断する。そして、第２の正弦波（ｃｏｓ）の値が第２の比較値（６Ｆ）より小さい場合は、断線であると判断することができる。これは、第１及び第２の正弦波の絶対値を取ると、同一位相における値の差が、最大値と最小値との差より小さいという条件を用いたのである。

もし、第１の正弦波（ｓｉｎ）の値が第１の比較値（６Ｅ）より大きい場合は、第１の正弦波（ｓｉｎ）は断線ではないと判断することができる。この際、第１の比較値（６Ｅ）は、第１または第２の正弦波の最小値より大きい値から決定されることができ、第２の比較値（６Ｆ）は第１または第２の正弦波の最大値（６Ｇ）より小さい値から決定されることができる。

断線決定部４２は、絶対値変換部４１の出力信号のうち第２の正弦波（ｃｏｓ）に対して、第２の正弦波（ｃｏｓ）の値と第１の比較値（６Ｅ）とを比較し、その値が第１の比較値（６Ｅ）より小さいと、第１の正弦波（ｓｉｎ）の値が最大値（６Ｇ）より小さく第２の比較値（６Ｆ）より大きい場合は、断線ではないと判断する。

第１の正弦波（ｓｉｎ）の値が第２の比較値（６Ｆ）より小さい場合は、断線であると判断することができる。もし、第２の正弦波（ｃｏｓ）の値が第１の比較値（６Ｅ）より大きい場合は、第２の正弦波（ｃｏｓ）は断線ではないと判断することができる。

図７は本発明の一実施形態による断線検出方法を説明するためのフローチャートである。

図７を参照して、図３の増幅部２１、Ａ／Ｄコンバータ部２４、及び第２の断線検出部２５の動作について説明する。

図に示されたように、本発明の一実施形態において、増幅部２１は、正弦波エンコーダ１０から第１及び第２の正弦波信号（ｓｉｎ、ｃｏｓ）を受信し（Ｓ７１）、それを差動増幅することができる（Ｓ７２）。その後、Ａ／Ｄコンバータ部２４は、差動増幅されたアナログ信号の第１及び第２の正弦波信号をデジタルデータに変換することができる（Ｓ７３）。

断線決定部４２のオフセット除去部４０は、デジタルデータに変換された第１及び第２の正弦波のオフセットを除去し（Ｓ７４）、絶対値変換部４１は、オフセットが除去された第１及び第２の正弦波に絶対値を取って０より小さい値を示す部分を絶対値に変換することができる（Ｓ７５）。

断線決定部４２は、受信されたデータが第１の正弦波（ｓｉｎ）である際に（Ｓ７６）、第１の正弦波（ｓｉｎ）の値が第１の比較値（６Ｅ）より小さい場合（Ｓ７７）、第２の正弦波（ｃｏｓ）の値が第２の比較値（６Ｆ）より小さいと（Ｓ７８）、断線であると決定することができる（Ｓ７９）。この際、第１の正弦波（ｓｉｎ）の値が第１の比較値（６Ｅ）より大きいか（Ｓ７７）、または第１の正弦波（ｓｉｎ）の値が第１の比較値（６Ｅ）より小さい場合も（Ｓ７７）、第２の正弦波（ｃｏｓ）の値が最大値（６Ｇ）より小さく第２の比較値（６Ｆ）より大きいと（Ｓ７８）、断線ではないと決定してリターンすることができる。

また、断線決定部４２は、受信されたデータが第２の正弦波（ｃｏｓ）である際に（Ｓ７６）、第２の正弦波（ｃｏｓ）の値が第１の比較値（６Ｅ）より小さい場合（Ｓ８０）、第１の正弦波（ｓｉｎ）の値が第２の比較値（６Ｆ）より小さいと（Ｓ８１）、断線であると決定することができる（Ｓ７９）。この際、第２の正弦波（ｃｏｓ）の値が第１の比較値（６Ｅ）より大きいか（Ｓ８０）、または第２の正弦波（ｃｏｓ）の値が第１の比較値（６Ｅ）より小さい場合にも（Ｓ８０）、最大値（６Ｇ）より小さく第２の比較値（６Ｆ）より大きいと（Ｓ８１）、断線ではないと決定してリターンすることができる。

このように、本発明の一実施形態は、断線が発生しても一週期が進行した後に断線が決定される従来の問題点を解決するものであって、正弦波の一周期が進行している途中にも短時間内に断線を検出することができる。

一方、本発明の説明では、例えば、電動機の速度を検出するためのエンコーダから出力される正弦波に対する断線を検出することを例として説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、様々な正弦波を出力する装置から出力される正弦波に対する断線を検出するのに用いられることができる。

以上、本発明による実施形態を説明したが、これは例示に過ぎず、当該分野において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ということを理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決められるべきである。

２４Ａ／Ｄコンバータ部
２５断線検出部
４０オフセット除去部
４１絶対値変換部
４２断線決定部

Claims

第１の正弦波と第２の正弦波をそれぞれ絶対値に変換する第１の変換部と、
第１の正弦波の値が最小値より大きい第１の比較値より小さく、第２の正弦波の値が最大値より小さい第２の比較値より小さい場合には、断線であると決定する決定部と、を含む、断線検出装置。
前記決定部は、第２の正弦波の値が前記第１の比較値より小さく、第１の正弦波の値が前記第２の比較値より小さい場合には、断線であると決定する、請求項１に記載の断線検出装置。
印加される第１の正弦波信号と第２の正弦波信号を差動増幅する増幅部と、
差動増幅された第１の正弦波信号と第２の正弦波信号をデジタルデータの第１の正弦波と第２の正弦波に変換する第２の変換部と、をさらに含む、請求項１に記載の断線検出装置。
第１の正弦波と第２の正弦波のオフセットを除去する除去部をさらに含む、請求項３に記載の断線検出装置。
前記決定部は、前記第１の正弦波の値が前記第１の比較値より小さく、第２の正弦波の値が第２の比較値より大きく最大値より小さい場合には、断線ではないと決定する、請求項１に記載の断線検出装置。
前記決定部は、前記第２の正弦波の値が前記第１の比較値より小さく、第１の正弦波の値が第２の比較値より大きく最大値より小さい場合には、断線ではないと決定する、請求項２に記載の断線検出装置。
前記第２の正弦波と前記第１の正弦波との位相差が９０度である、請求項１に記載の断線検出装置。