JPS62173950A - 誘導電動機の瞬時トルク測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は誘導電動機の瞬時トルクを直接電気的に測定す
る瞬時トルク測定装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来より、誘導電動機の瞬時トルクを／１ｌｌｌ定する
場合には、回転軸のねじり角より機械的にａｌｌｌ定す
る方法がとられてきた。しかし、この方法では誘導電動
機の発生トルクと負荷トルクとによって生ずる回転軸の
ねじり振動を検出する特殊な測定装置が必要となり、直
接電気的に瞬時トルクを正確に求めることは不可能であ
った。

又、最近では、特開昭６０−１２３０７８号公報に示す
ように、回転軸に固定された磁歪を有する非晶質磁性合
金薄帯の磁気特性がトルクにより変化することを応用し
て非接触検出し得るトルクセンサが発表されている。し
かしながら、この方法では回転軸に磁性金属が固定され
た特殊な誘導電動機が必要となり、−膜性に欠ける上、
検出ヘッドと」二記薄帯の空隙を極めて小さく保たなけ
ればならず、これが多少なりとも変化すると検出時の線
形特性に悪影響を与えるといった問題を有する。

更に、特開昭６０−２０４２８０号公報のように、誘導
電動機の電気的諸変数として一次電流及び二次電流の瞬
時値を検出し瞬時空間ベクトルの演算を行ない、それら
より直接電気的に瞬時トルクを測定し得る装置が発表さ
れている。この方法によれば、」二記二者のような特殊
な検出要素が不必要であり、この点において優れている
といえる。

しかしながら、二次電流の瞬時値を検出しなければなら
ないため測定対象となる誘導電動機はスリップリングな
る機械的接触部を有する巻線形のものに限定されるので
、−膜性に欠ける上、基本的には非接触検出が不可能で
、信頼性、保守性、耐環境性といった点で問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は
、誘導電動機の巻線形、かご形のいかんを問わず、又、
特殊な検出要素を用いずとも、機械的に非接触且つ直接
電気的に瞬時トルクを全速度領域にわたって正確に測定
し得る誘導電動機の瞬時トルク測定装置を提供するにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するために、誘導電動機の固
定子巻線に流れる一次電流の瞬時値と回転子回転角とか
らだけで瞬時トルクを演算せんとするものである。

一般に、任意の角速度θで回転する回転座標（γ−δ座
標）における誘導電動機の特性方程式及び瞬時トルクは
、瞬時空間ベクトルを用いると、Ｔ−Ｍ；　　　・（−
１１アδ）　　　　　　　　・・・・・・・・・（２）
２γδ 但し Ｒ１ニー次抵抗 Ｒ２コニ次抵抗 Ｌｌｌ　＝−次側自己インダクタンス Ｌ２□　：二次側自己インダクタンス Ｍ　ニー次、二次相互インダクタンス θｍ＝四転子角速度 Ｐ　：微分演算子（−ｄ／ｄｔ） Ｊ　：虚数単位（−ルｒ＝＝Ｔ） ・　：内積記号 υ１γδ　；γ−δ座標上の一次電圧ベクトルＬ１γＩ
５：γ−δ座標上の一次電流ベクトルし２γδ　：γ−
δ座標上の二次電流ベクトルＴ　：瞬時トルク のように表わされる。ここで、（１）弐及び（２）式を
用いて回転子座標（α−β座標）における誘導電動機の
特性方程式並びに瞬時トルクを求める。

今、固定子座標系（ｄ−）座標系）と回転子座標系（α
−β座標）と任意の回転座標系（γ−δ座標系）の空間
的相対関係が第２図に示すようになっているとする。即
ち、ｄ−４座標を基べへにとり、静１にしているものと
すると、α−β座標及びγ−δ座標は夫々時計方向に回
転角θｍ、θだけ回転した位置に存在すると考える。従
って、α−β座標上の一次電圧ベクトルυ１αＢとγ−
δ座襟上の一次電圧ベクトルυ１γδとの間には、υ１
γδ−υｌαβｅ−４（θ−θｆｆ１）　・・・・・・
（３）の回転座標変換を表わす式が成立する。同様に、
Ｌ１αδ−Ｌ１αβｅ→（θ−θ１）　・・・・・・（
４）し２γδ−＃ｍ　ｅ−’　（０”　）　−・−（５
）但し、 （１αβ　：α−β座標上の一次電流ベクトルシ２ｃ１
７１１：α−β座標上の二次電流ベクトルも成立する。

これらの（３）、（４）、（５）式を（１）式へ代入し
て一次電圧ベクトルυ１αＢ。

−次電流ベクトル　ＬｘαＢ、二次電流ベクトルＬｎＢ
について解くと、 ・・・・・・・・・（６） のようになる。従って、（６）式が回転子座標（α−β
座標）における誘導電動機の特性方稈式ということにな
る。一方、（４）、（５）式を（２）式へ代入すると、
瞬時トルクＴは、Ｔ−Ｍ　　Ｌが　・　（→　Ｌ１αＢ
）　　　・・・・・・（７）のようになる。（７）式は
二次側の変数、即ち二次電流ベクトル　し−を含んでい
るため更に変形しなければならない。そこで、（６）式
の第２行より二次電流ベクトル　Ｌ２ｃｄ３を求め（７
）式へ代入することにより、瞬時トルクＴは、α−β座
標上の一次電流ベクトル　Ｌ１αＢだけを用いて、・・
・・・・・・・（８） のように演算することができる。しかし、−次電流ベク
トル　ＬｌαＢは回転子座標における変数であるため固
定子側より直接観測することはできない。

そこで、実際に固定子巻線を流れる一次電流の瞬時値に
より演算可能なｄ　−％座標上の一次電流ベクトル　Ｌ
　ｔｄ’ｉから一次電流ベクトル　Ｌ１αＢを求める必
要がある。この場合、−次電流ベクトルＬｔｄ）と　１
１αβの間には、 し１αβ−Ｌｔａ’ｔ　ｅ−４０ｍ　　　　・・・・・
・・・・（９）の回転座標変換を表わす式が成立する。

そこで、（９）式を（８）式へ代入すると、 ・・・・・・・・・（１０） となる。（１０）式は内積形式で表現されているが、内
積と外積の間にはＸ・　（→Ｙ）−ＸＸＹ（但し、Ｘ、
Ｙ：任意の瞬時空間ベクトル、×：外積記号）なる関係
式が存在するので、（１０）式を更に変形すると、 ・・・・・・・・・（１１） が得られる。

以上より、誘導電動機の瞬時トルクは、ｄ　−’１座標
上の一次電流ベクトルを回転子座標上へ回転座標変換し
、交換後のベクトルを微分及び一次遅れの伝達関数を有
する要素へ入力するとともに、その結果と前記変換後の
一次電流ベクトルとの外積をとることにより求められる
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明に係る誘導電動機の瞬時トルク測定装置の
一実施例につき第１図に従い説明する。

電源１には三相かご形誘導電動機２が接続されており、
その誘導電動機２の回転子には回転角検出器たるインク
リメンタル形ロータリーエンコーダ３が直結されている
。インクリメンタル形ロータリーエンコーダ３の出力端
子はカウンタ４の入力端子に接続され、更にそのカウン
タ４の出力端子はＲＯＭ５ａ及び５ｂの各アドレス入力
端子に接続され、以上により回転角検出手段Ａが構成さ
れている。ＲＯＭ５　Ｈの出力端子は変換要素たるマル
チプライングＤ／Ａコンバータ６ａ及び６ｃの各入力端
子に接続されており、ＲＯＭ５ｂの出力端子は変換要素
たるマルチプライングＤ／Ａコンバータ６ｂ及び６ｄの
各入力端子に接続されている。

一方、三相かご形誘導電動機２の一次側に設置されたホ
ールＣＴ７ａ及び７ｂの各出力端子は三相／二相変換回
路８の入力端子に接続され、以て検出演算手段Ｂが構成
されている。この回路８の一方の出力端子は前記マルチ
プライングＤ／Ａコンバータ６ａ及び６ｄの各基準入力
端子に接続されており、他の出力端子は同様にマルチプ
ライングＤ／Ａコンバータ６ｂ及び６Ｃの各基準入力端
子に接続されている。マルチプライングＤ／Ａコンバー
タ６ａ及び６ｂの各出力端子は変換要素たる演算増幅器
９ａの反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）に
接続され、他のマルチプライングＤ／Ａコンバータ６ｃ
及び６ｄの出力端子は変換要素たる演算増幅器９ｂの各
非反転入力端子（＋）に接続されている。又、演算増幅
器９ａの出力端子は関数要素たるアクティブフィルタ１
０゛ａを介して乗算器１１ａの一方の入力端子（′こ接
続されていると同時に直接乗算器１１ｂの一方の入力端
子へも接続されている。同様に、演算増幅器９ｂの出力
端子も関数要素たるアクティブフィルタ１０ｂを介して
乗算器１１ｂの他方の入力端子に接続されていると同時
に直接乗算器１１ａの他方の入力端子にも接続されてい
る。そして、乗算器１１ａ、１１ｂの出力端子は演算増
幅器１２の反転入力端子（−）、非反転入力端子（＋）
に接続され、乗算器１１ａ、ｌｌｂとともに外積演算手
段Ｃを構成する演算増幅器１２より最終的な出力が得ら
れるようになっている。

次に、上記の如く構成された本実施例の作用について説
明する。

先ず、電源１より三相かご形誘導電動機２が駆動される
と、これにともなってインクリメンタル形ロータリーエ
ンコーダ３は回転速度に比例した周波数のパルス列をカ
ウンタ４へ送出する。カウンタ４では、このパルス列を
計数し、並列２進数のディジタル信号として回転子回転
角θｍを出力する。更に、ＲＯＭ５ａにはｓｉｎ関数及
びＲＯＭ５ｂにはＣＯＳ関数がデータとして記憶してあ
り、これらは前述の回転子回転角を０ｍをアドレス信号
として受けることによりその回転角θｍに応じたｓｉｎ
θｍ並びにＣＯＳθｍを並列２進数のディジタル信号と
して出力する。このような出力ｓｉｎθｍ並びにｃｏｓ
ｅＩｌｌはマルチプライングＤ／Ａコンバータ６ａ乃至
６ｄのディジタル入力となる。

一方、ホールＣＴ７ａ及び７ｂでは三相かご形誘導電動
機２のＣ相及びＣ相−次組流の瞬時値が検出され、次い
で三相／二相変換回路８にて以下のような変換が行われ
る。即ち、固定子座標（ｄ−１座標）でｄ軸を実軸、を
軸を虚軸とし、−次組流ベクトル　Ｌ　ｌｄ’ｌの各軸
成分をＬｌｄ、　　Ｌｔ％とすると、三相各ａ、ｂ、ｃ
相の一次電流の瞬時値し１ａ、　　Ｌｌｂ、　　Ｌｌｃ
とＬｔｄ、Ｌ１’１の関係は、 ・・・・・・・・・（１２） のように示される。ここで−次組流の瞬時値Ｌ１ユ、　
　しｕｂ、ｊｌｃの間には、 ｔｌ　ａ　＋Ｌｌｂ　＋Ｌｔ　ｃ　−０・・・・・・・
・・（１３） なる関係が存在するから、（１３）式より一次電流の瞬
時値を求め（１２）式へ代入すると、・・・・・・・・
・（１４） が得られる。従って、三相−次組流瞬時値のうちＣ相の
瞬時値ＬｔａとＣ相の瞬時値ｔｉｃを検出すれば、−次
組流ベクトル　Ｌｔｄ’ｌのｄ軸成分、を軸成分を求め
ることができ、三相／二相変換回路８では（１４）式に
基づく演算が実行される。

ところで、（９）式に示されたベクトル方程式を直交二
軸成分表示すると、 となる。但し、し１α、　し１Ｂは回転子座標（α−β
座標）の各軸成分である。従って、（１５）式を実行す
るためにマルチプライングＤ／Ａコンバータ６ａ乃至６
ｄ及び、演算増幅器９ａ、９ｂを用いる。即ち、マルチ
プライングＤ／Ａコンバータ６ａの出力はｔｌ（１ｓｌ
ｎθｍ１マルチプライングＤ／Ａコンバータ６ｂの出力
は　Ｌｔ’１ｃｏｓθｍとなり、これらは演算増幅器９
ａの反転入力、非反転入力として与えられるので、演算
増幅器９ａの出力は　ｔｔβとなる。同様に、マルチプ
ライングＤ／Ａコンバータ６Ｃの出力は　しｘ’１ｓｉ
ｎθｏ１マルチプライングＤ／Ａコンバータ６ｄの出力
はＬｌｄｃｏｓθｍとなり、これらは演算増幅器９ｂの
各非反転入力として与えられるので、演算増幅器９ｂの
出力はＬ１αとなる。

さて、アクティブフィルタ１０ａ及び１０ｂの伝達関数
Ｇ（ｓ）は、 のようになっており、アクティブフィルタ１０ａの出力
Ｌｔ　　−ＰＭ”　Ｌｔ　Ｂ　　／　（Ｒ２＋　Ｐ　Ｌ
２２　）、アクティブフィルタ１０ｂの出力は　−ＰＭ
マＬｌα／　（Ｒ２＋　Ｐ　Ｌ２２　）となる。一方、
ベクトルの外積を求めるため乗算器１１ａ、ｌｌｂと演
算増幅器１２とを用いる。即ち、乗算器１１ａではアク
ティブフィルタ１０ａの出力と演算増幅器９ｂの出力と
の積がとられ１、その出力の積が演算増幅器１２の反転
入力として与えられとおり、又、乗算器１１ｂではアク
ティブフィルタ１０ｂの出力と演算増幅器９ａの出力と
の積がとられ、その出力の積が演算増幅器１２の非反転
入力として与えられているため、演算増幅器１２では、
の演算が行なわれる。この（１７）式は前述の（８）式
にほかならず、結局、誘導電動機２の瞬時トルクＴは演
算増幅器１２の出力として得られる。

このように本実施例では瞬時空間ベクトルの各種演算を
直交二軸成分に分解して行なう。検出すべき変数はａ相
及びＣ相の一次電流の瞬時値と回転子回転角だけであり
、この場合、かご形誘導電動機２を測定対象としている
ため、回転子座標の基準軸を任意に選んでよいことから
回転角検出手段としては絶対位置検出手段ではなくとも
よい。

即ち、アブソリュート形エンコーダやレゾルバのように
絶対的な変位が検出できるものである必要はなく、イン
クリメンタル形エンコーダ３のように相対的な変位が検
出できるもので満足する。

尚、上記実施例ではかご形誘導電動機を測定対象とした
が、代りに巻線形誘導電動機を測定対象としてもよく、
この場合には、第１図のインクリメンタル形エンコーダ
３及びカウンタ４をアブソリュート形エンコーダに置き
かえればよい。但し、アブソリュート形エンコーダの基
準点は回転子座標の基準軸に合わせる必要がある。

その他、本発明は上記し且つ図面に示す実施例にのみ限
定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜
変形して実施し得ることは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明の誘導電動機の瞬時トルクｉｎ＋＋定装置は以−
に説明したように、誘導電動機の巻線形、かご形のいか
んを１１１１フず、又、特殊な検出要素を用いずとも、
−次電流の瞬時値と回転子回転角とだけから機械的に非
接触且つ直接電気的に瞬時トルクを全速度領域にわたっ
て測定することが可能となるという優れた効果を奏する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す電気的構成説明図、第
２図は本発明の詳細な説明するための各種座標系の空間
的相対関係を示すベクトル図である。 図面中、１は電源、２は三相かご形誘導電動機、３はイ
ンクリメンタル形エンコーダ、４はカウンタ、５ａ、５
ｂはＲＯＭ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄはマルチプライン
グＤ／Ａコンバータ（変換要素）、７ａ、７ｂはホール
ＣＴ、８は三相／二相変換回路、９ａ、９ｂは演算増幅
器（変換要素）、ｌＱａ、１０ｂはアクティブフィルタ
（関数要素）、ｌｌａ、ｌｌｂは乗算器、１２は演算増
幅器、Ａは回転角検出手段、Ｂは検出演算手段、Ｃは外
積演算手段を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、誘導電動機の固定子巻線に流れる一次電流の瞬時値
   を検出してこれから一次電流ベクトルを演算する検出演
   算手段と、前記誘導電動機の回転子回転角を検出する回
   転角検出手段と、これらの検出演算手段及び回転角検出
   手段の出力を用いて一次電流ベクトルを回転子座標上に
   回転座標変換する変換要素と、この変換要素の出力を入
   力とする微分及び一次遅れの伝達関数を有する関数要素
   と、前記変換要素が出力するベクトルと関数要素が出力
   するベクトルとの外積を演算する外積演算手段とを具備
   してなる誘導電動機の瞬時トルク測定装置。