JP5055042B2 - 回転角度検出装置及びこれを用いた電動機駆動装置 - Google Patents

Description

電動機の制御には速度や回転子の角度を検出する必要があり、回転角度の検出器として一般的にレゾルバが知られている。レゾルバの出力信号に異常が生じた場合、電動機の制御が適正に行われなくなる事態が発生する。高い信頼性を必要とするような電動機駆動装置では、これを回避するために電動機回転子の軸に複数台のレゾルバを組み込んだ回転角度検出装置を取り付ける。このようにすれば、１台のレゾルバの出力信号に異常が生じた場合にも、他のレゾルバで検出した回転角度に基づいて電動機を適正に制御し続けることが可能となる。

ところで、レゾルバは通常電動機回転子と同一軸上に取り付けられるため、複数台のレゾルバを組み込んだ回転角度検出器は、電動機回転子の軸方向に長い構造となってしまいがちである。しかるに、回転角度検出器の設置上の制約や振動の防止等の理由により、回転角度検出器はそのフレームを一体化するなどして各レゾルバをコンパクトに組み込んだ構造とすることが望まれる。

このように、電動機回転子の軸に複数台のレゾルバを組み込むと、１台のレゾルバの励磁漏れ磁束が他のレゾルバに磁気的干渉を与え、誤動作を生じる恐れがあった。これを解決する手段として、複数台のレゾルバに対して励磁回路を切換える切換手段を設け、複数台のレゾルバが同時に励磁されることを防止する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２７１２８４号公報（第３−９頁、図１）

しかしながら、特許文献１に示された手法による磁気的干渉の防止方法を採用すると、制御の切換を行うときに励磁電流を切換える遅れ時間と励磁電流が定格に立ち上がるまでの遅れ時間が生じる。この遅れ時間は、精密な速度制御や位置制御を行う用途では致命的欠陥となる恐れがある。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、励磁電流の切換を行なわずに磁気的干渉の防止が可能な回転角度検出装置及びこれを用いた電動機駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の発明である回転角度検出装置は、９０度の位相差を有する２つの交流の励磁信号を与えると共通の回転軸の回転角度情報を含む出力信号を出力するレゾルバと、前記レゾルバに前記励磁信号を与え、且つ前記出力信号から前記回転軸の回転角度を検出する制御手段とで構成される回転角度検出ユニットを２組備え、一方の前記回転角度検出ユニットの前記励磁信号の相順を、他方の前記回転角度検出ユニットの前記励磁信号の相順とは逆となるようにしたことを特徴としている。

以上が課題を解決する第１の手段である。

また、本発明の第２の発明である電動機駆動装置は、電動機と、前記電動機の回転速度及び回転位置の少なくとも一方を制御する制御部を有し、前記電動機を駆動する電力変換装置と、前記電動機の回転角度を検出する回転角度検出装置とで構成される電動機駆動装置であって、前記回転角度検出装置は、９０度の位相差を有する２つの交流の励磁信号を与えると前記電動機と共通の回転軸の回転角度情報を含む出力信号を出力するレゾルバと、前記レゾルバに前記励磁信号を与え、且つ前記出力信号から前記回転軸の回転角度を検出する制御手段とで構成される回転角度検出ユニットを２組備え、一方の前記回転角度検出ユニットの前記励磁信号の相順を、他方の前記回転角度検出ユニットの前記励磁信号の相順とは逆となるようにし、何れかの前記回転角度検出ユニットの検出信号を前記制御部に与えて前記電力変換装置を制御するようにしたことを特徴としている。

以上が課題を解決する第２の手段である。

以下、本発明に係る実施例について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る回転角度検出装置及びこれを用いた電動機駆動装置のブロック構成図である。

交流電源からの交流電圧を入力とする電力変換装置１は、その出力で電動機２を駆動している。ここで電力変換装置１がインバータ装置の場合は電動機２が交流電動機であり、電力変換装置１がコンバータ装置またはチョッパ装置の場合は電動機２が直流電動機となる。また電力変換装置１は直流電源を入力とするものであっても良い。

電動機２の回転子軸３には、カップリングを介して回転角度検出器４の回転軸５が連結されている。回転角度検出器４は回転軸５を共通の回転軸とした回転電機であるレゾルバ１１とレゾルバ１２から構成されている。レゾルバ１１とレゾルバ１２は一体フレームを有しており、遮蔽部材６により両者の励磁磁束が干渉しない構造となっている。尚、この遮蔽部材６は省略することも可能である。

レゾルバ１１、１２は夫々２つの励磁端子と２つの出力端子を有している。レゾルバ１１の２つの励磁端子に対して制御装置２１の励磁信号回路から制御信号線３１を介して９０度の位相差を持つ正弦波の励磁信号５１及び６１を与えると、レゾルバ１１の２つの出力端子には電動機２の回転角に応じて変化する正弦、余弦の出力信号７１及び８１が夫々得られ、この出力信号を制御信号線３１を介して制御装置２１の出力信号回路に与えることによって回転軸即ち電動機２の回転角度検出が可能となる。レゾルバ１１、制御信号線３１及び制御装置２１によって回転角度検出ユニット４１が構成され、この回転角度検出ユニット４１は制御装置２１内の回転角度検出回路によって上述したように電動機２の回転角度を検出する。そしてこの検出された回転角度は図示しない電力変換装置１の制御部に与えられ、電力変換装置１の制御部はこの回転角度、あるいはこの回転角度を積分した回転速度が所望の値になるように電力変換装置１の出力を制御する。

レゾルバ１２の２つの励磁端子に対しても同様に制御装置２２の励磁信号回路から制御信号線３２を介して９０度の位相差を持つ正弦波の励磁信号５２及び６２を与えると、レゾルバ１２の２つの出力端子には電動機２の回転角に応じて変化する正弦、余弦の出力信号７２及び８２が夫々得られ、この出力信号を制御信号線３２を介して制御装置２２の出力信号回路に与えることによって回転角度検出が可能となる。レゾルバ１２、制御信号線３２及び制御装置２２によって回転角度検出ユニット４２が構成され、この回転角度検出ユニット４２は制御装置２２内の回転角度検出回路によって電動機２の回転角度を検出する。そしてこの検出された回転角度は図示しない電力変換装置１の制御部に与えられ、上記の回転角度検出ユニット４１が故障するなどしたとき、制御装置２１の出力に代えてその役割を果たす。

そして、図示したように、回転角度検出ユニット４２の制御信号線３２は、励磁信号５２と励磁信号６２の制御信号線並びに出力信号７２と出力信号８２の制御信号線がクロスするように配線されている。このように配線すると回転角度検出ユニット４１と回転角度検出ユニット４２との間で励磁信号及び出力信号の相順が逆となる。

以下図１に示した本発明の実施例１に係る回転角度検出装置の動作について説明する。

制御装置２１からレゾルバ１１へ印加する励磁信号５１をＥｉｎ１１、励磁信号５２をＥｉｎ１２として、
Ｅｉｎ１１＝ｃｏｓω１ｔ （１）
Ｅｉｎ１２＝ｓｉｎω１ｔ （２）
が成立しているものとする。このときのレゾルバ１１の出力信号７１、８１を夫々Ｅｏｕｔ１１、Ｅｏｕｔ１２とし、電動機２の回転速度をＮとすると、
Ｅｏｕｔ１１＝−Ｋｓｉｎ（ω１＋Ｎ）ｔ （３）
Ｅｏｕｔ１２＝Ｋｃｏｓ（ω１＋Ｎ）ｔ （４）
となる。但しここで、励磁信号をＥｉｎ１、Ｅｉｎ２、出力信号をＥｏｕｔ１、Ｅｏｕｔ２としたときのレゾルバ１１の出力電圧方程式は、以下の（５）、（６）式であるものとし、また励磁周波数ω１は回転速度ｎに対して十分大きい値であるものとする。

Ｅｏｕｔ１＝Ｋ（−Ｅｉｎ２・ｃｏｓＮｔ−Ｅｉｎ１・ｓｉｎＮｔ） （５）
Ｅｏｕｔ２＝Ｋ（Ｅｉｎ１・ｃｏｓＮｔ−Ｅｉｎ２・ｓｉｎＮｔ） （６）
（１）、（２）式に示したように、励磁信号の周波数がω１であり、（３）、（４）式に示したように出力信号の周波数がω１＋Ｎであるので、励磁信号と出力信号の位相差を検出することによって電動機２の回転角度を検出することが可能となる。尚、ここで励磁信号を２相分与えるのは回転磁界を作るために必要であり、回転角のゼロ点を検出するために２相出力としている。

次に制御装置２２からレゾルバ１２へ印加する励磁信号５２をＥｉｎ２１、励磁信号６２をＥｉｎ２２としたとき、前述したように相順を逆にしているので、
Ｅｉｎ２１＝ｓｉｎω１ｔ （７）
Ｅｉｎ２２＝ｃｏｓω１ｔ （８）
が成立する。このときのレゾルバ２２の出力信号７２、８２を夫々Ｅｏｕｔ２１、Ｅｏｕｔ２２とすると、レゾルバ２２はレゾルバ２１を同一の構成となっているので、
Ｅｏｕｔ２１＝−Ｋｃｏｓ（ω１−Ｎ）ｔ （９）
Ｅｏｕｔ２２＝Ｋｓｉｎ（ω１−Ｎ）ｔ （１０）
となる。そしてこの出力信号の相順を反転させて制御装置２２の出力信号回路に与えれば、制御装置２１と同一の制御装置２２の構成及び動作原理によって、電動機２の回転角度を検出することができる。

以上の本発明の実施例１の構成において、レゾルバ１１とレゾルバ１２の励磁信号の相順が逆になっているため、励磁周波数ω１が同一であっても、励磁磁束が互いに干渉することはない。また同一周波数で励磁した場合の特有のビート現象が発生することも無い。

次に回転角度検出ユニット４１と回転角度検出ユニット４２を用いた二重化による利点を説明する。回転角度検出ユニット４１と回転角度検出ユニット４２は同一の回転角度を検出しているが、各々が互いに関係を持たず独自に検出しているので、一方の回転角度検出ユニットで故障が発生しても、他方の回転角度検出ユニットで回転角度を検出することが可能となる。また、レゾルバ１１とレゾルバ１２は同一の出力電圧方程式であるので、一方の回転角度検出ユニットのレゾルバと他方の回転角度検出ユニットの制御装置が同時に故障発生した場合であっても、正常な制御装置の制御信号線を他方の回転角度検出ユニットのレゾルバに接続変更すれば回転角度を検出でき、電動機２の制御を継続することができる。

尚、出力電圧方程式が式（５）、（６）以外の特性を有するレゾルバを用いた場合であっても、励磁信号の相順を逆にすれば励磁磁束が互いに干渉することはないので、この実施例１の適用が可能となる。

図２は本発明の実施例２に係る回転角度検出装置及びこれを用いた電動機駆動装置のブロック構成図である。

この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る回転角度検出装置及びこれを用いた電動機駆動装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、回転角度検出ユニット４２Ａの構成を以下のようにした点である。その１つは制御装置２２Ａの励磁信号回路の励磁周波数ω２を制御装置２１の励磁信号回路の励磁周波数ω１とは異なる周波数とした点、他の１つは回転角度検出ユニット４２Ａの制御信号線３２における励磁信号５２と励磁信号６２の制御信号線並びに出力信号７２と出力信号８２の制御信号線を、回転角度検出ユニット４１の制御信号線３１における励磁信号５１と励磁信号６１の制御信号線並びに出力信号７１と出力信号８１の制御信号線と夫々同相となるように配線した点である。

以下図２に示した本発明の実施例２に係る回転角度検出装置の動作について説明する。まず、回転角度検出ユニット４１における励磁信号、出力信号及び出力電圧方程式は、実施例１の場合と同様に夫々（１）、（２）式、（３）、（４）式及び（５）、（６）式
で表すことができる。

次に回転角度検出ユニット４２Ａにおける励磁信号は、励磁周波数がω２であるので、
Ｅｉｎ２１＝ｃｏｓω２ｔ （１１）
Ｅｉｎ２２＝ｓｉｎω２ｔ （１２）
となり、レゾルバ１２の出力信号Ｅｏｕｔ２１、Ｅｏｕｔ２２は、
Ｅｏｕｔ２１＝−Ｋｓｉｎ（ω２＋Ｎ）ｔ （１３）
Ｅｏｕｔ２２＝Ｋｃｏｓ（ω２＋Ｎ）ｔ （１４）
となる。（１１）、（１２）式に示したように、励磁信号の周波数がω２であり、（１３）、（１４）式に示したように出力信号の周波数がω２＋Ｎであるので、励磁信号と出力信号の位相差を検出することによって電動機２の回転角度を検出することが可能となる。

以上の本発明の実施例２の構成において、レゾルバ１１とレゾルバ１２の励磁信号の励磁周波数が互いに異なった周波数であるので、励磁の相順に拘らず、励磁磁束が互いに干渉することはない。また同一周波数で励磁した場合の特有のビート現象が発生することも無い。但し励磁周波数ω１とω２はその逓倍周波数も含め、互いにビート現象が発生しない程度に近接させないように選定することが好ましい。

この実施例２の構成においても、レゾルバ１１とレゾルバ１２、並びに制御装置２１と制御装置２２Ａは同一のハードウエアを使用することができるので、２重化の利点は実施例１で説明した内容と同一となる。また、出力電圧方程式が式（５）、（６）以外の特性を有するレゾルバを用いた場合であっても、励磁信号の周波数を互いに変えれば励磁磁束が互いに干渉することはないので、この実施例２の適用が可能である。更に、回転角度検出ユニットを３台以上用いる３重系以上の多重系であってもこの実施例２は適用可能である。

以上の実施例１及び実施例２で説明したレゾルバは、２台共２相励磁／２相出力タイプであるが、このレゾルバの一方あるいは両方を２相励磁／１相出力タイプ等の異なるタイプとした場合であっても同様の効果を得られることは明らかである。

本発明の実施例１に係る回転角度検出装置及びこれを用いた電動機駆動装置のブロック構成図。 本発明の実施例２に係る回転角度検出装置及びこれを用いた電動機駆動装置のブロック構成図。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ 電動機
３ 回転子軸
４ 回転角度検出器
５ 回転軸
６ 遮蔽部材
１１、１２ レゾルバ
２１、２２ 制御装置
３１、３２ 制御信号線
４１、４２ 回転角度検出ユニット
５１、５２、６１、６２ 励磁信号
７１、７２、８１、８２ 出力信号

Claims (4)

1. ９０度の位相差を有する２つの交流の励磁信号を与えると共通の回転軸の回転角度情報を含む出力信号を出力するレゾルバと、
   前記レゾルバに前記励磁信号を与え、且つ前記出力信号から前記回転軸の回転角度を検出する制御手段と
   で構成される回転角度検出ユニット
   を２組備え、
   一方の前記回転角度検出ユニットの前記励磁信号の相順を、
   他方の前記回転角度検出ユニットの前記励磁信号の相順とは逆となるようにしたことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記複数台のレゾルバで構成される回転角度検出器は、
   共通のフレームによって一体構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 電動機と、
   前記電動機の回転速度及び回転位置の少なくとも一方を制御する制御部を有し、前記電動機を駆動する電力変換装置と、
   前記電動機の回転角度を検出する回転角度検出装置と
   で構成される電動機駆動装置であって、
   前記回転角度検出装置は、
   ９０度の位相差を有する２つの交流の励磁信号を与えると前記電動機と共通の回転軸の回転角度情報を含む出力信号を出力するレゾルバと、
   前記レゾルバに前記励磁信号を与え、且つ前記出力信号から前記回転軸の回転角度を検出する制御手段と
   で構成される回転角度検出ユニット
   を２組備え、
   一方の前記回転角度検出ユニットの前記励磁信号の相順を、
   他方の前記回転角度検出ユニットの前記励磁信号の相順とは逆となるようにし、
   前記制御部は、
   何れかの前記回転角度検出ユニットの検出信号を用いて前記電力変換装置を制御するようにしたことを特徴とする電動機駆動装置。
4. 前記複数台のレゾルバで構成される回転角度検出器は、
   共通のフレームによって一体構造となっていることを特徴とする請求項３に記載の電動機駆動装置。

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