JPS6268085A - 誘導電動機のトルク検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、誘導電動機のトルク検出装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、誘導電動機はブラシレス構造のためメインテナ
ンスフリーという利点を有するため、広範囲に用いられ
ている。

近年、この誘導電動機に対して直流電動機差の高性箋の
制御性能が要求されるようになり、界磁と電機子（ロー
ター）電流を各々独立に制御し、高精度の可変速制御や
高能率制御を実現するいわゆるベクトル制御が考案され
、使用されるようになった。

誘導電動機に対して直流電動機差の高性簡の制御が可能
になればモータドライブ技術の高性能化が著しく進展し
、工業用ロボット、自動車等の発展に大きく寄与する。

従来、このベクトル制御方式としては間接制御方法であ
る一次電圧法あるいは電流モデル法等のようにマイクロ
コンピュータ演算によるフィードフォワード方式（すべ
り周波数制御方式）が主流となっていた。

しかし、この間接制御方法は電機子へ−抵抗である２次
抵抗の温度変化に対する補償手段を必要とする。

そこで、この２次抵抗の温度変化に対する補償手段とし
て電機子または固定子の温度検出による補正、サーチコ
イルによる磁束の補正、端子電圧、電流による補正、低
温度係数抵抗材の採用等が提案されている。

しかし、これらの補償手段はコストが高く、この間接的
ベクトル制御方式は実用上、多くの問題を残している。

これに対し、１次抵抗等の誘導電動機のパラメータの温
度変化の影響を受けないベクトル制御方式は、２次電流
あるいはトルクを直接検出する方法であり、この方法は
原理的にフィードバック制御であるため誤差が少なく優
れている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、」−述の直接法のベクトル制御方式において、
過酷な環境の下で安定に誘導電動機の２次電流またはト
ルクを検出するセンサは従来存在せず、その結果、動作
データ（トルク、回転速度、電流、電圧など）の中でも
重要なトルクの検出が直接法のベクトル制御方式におい
て実用」二できないため誘導電動機はその制御性に難点
があるという問題点があった。

そこで本発明は上述の問題点を解決するために提案され
たもので、過酷な環境の下で安定に誘導電動機のトルク
を検出する誘導電動機のトルク検出装置を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者等は上述の２次電流あるいはトルクを直接検出
するベクトル制御方式において、磁気センサにより電機
子側の２次電流（Ｉ２）を検出し、さらに、磁束センサ
により２次磁束（Φ２）を検出することにより電気的ト
ルク（Ｔｅ＝Ｉ２ＸΦ２）のセンシングを行うという周
知な知見に着目し、思考した。

そこで、本発明者等による鋭意研究の結果、まず、第２
図に示されるような電機子側の２次電流（Ｉ２）を検出
するに好適な磁気センサを創作した。

この磁気センサはアモルファスを磁心とするもので従来
のパーマロイあるいはフェライトを磁心とするものに比
較して感度、分解源、精度、応答性、信頼性、耐雑音性
、耐振動性、耐高温性に優れ、かつ、磁心は直径１ｍｍ
以下となり小型化するという優れた特性を有するもので
ある。

これらの特性は電機子側の２次電流（Ｉ２）を検出する
磁気センサとして好適であるため、電機子側の２次電流
（Ｉ２）を検出する磁気センサとして用いることとした
。

以下１図面によって２次電流検出の原理を説明すると、
すなわち、第１図および第４図に示されるように磁気セ
ンサのセンサ部を電機子のエンドリング近傍に対設する
ことにより、第６図に示すように２次電流（Ｉ２）と磁
気センサからの出力電圧（Ｅｏｕｔ）との直線性が良く
なり、２次電流（Ｉ２）の検出精度が高くなることを知
見した。

次に、磁束センサにより２次磁束（Φ２）を検出するこ
とを考えた。

ここで、２次磁束（Φ２）とは固定子巻線（磁心）を通
じて電機子に鎖交する磁束である。

従来の２次磁束センサは、サーチコイルと積分器の組合
せたものや、ホール素子によるもの等であるが、前者は
電動機の可変速制御における超低速回転時での誤差が大
きく、後者は温度特性が悪く、また、最高使用温度が低
い等実用上木質的な欠点がある。

本発明者等の研究の結果、固定子歯を磁心とした第３図
に示されるような２磁心の磁束センサを創作した。

上述の第２図に示される２次電流（Ｉ２）検出用の磁気
センサとほぼ同様の構成であるが、センサ部の構成が異
なり、アモルファス磁心を用いずに２個の固定子歯を磁
心とするものである。

このように構成することにより、ＳＮ比が良く、抵抗等
の素子の温度変動が少なく、また、素子が飽和すること
もなく、さらに、１００°Ｃ以上の高温度下における使
用にも耐え、第７図に示されるように直線性も良くなり
、検出精度が高まることを知見した。

また、２個の固定子歯にコイルを巻回し、磁心とするこ
とにより十分な感度を得られることも知見し、２次磁束
（Φ２）検出用として採用することとした。

以上の知見と、電機子側の２次電流（Ｉ２）を検出し、
さらに、２次磁束（Φ２）を検出することにより電気的
トルク（Ｔｅ＝Ｉ２ＸΦ２）のセンシングを行うという
周知な知見とを勘案することにより、上述の両センサか
らの出力型、圧を掛算器に入力し、その積を出力するこ
とにより電気的トルク（Ｔｅ＝Ｉ２ＸΦ２）のセンシン
グを行うことを考えた。

本発明は上述の知見に基づいて成立するもので、誘導電
動機の電機子のエンドリングに対設される２個のコイル
と、該コイルに各々挿入される零磁歪アモルファス磁性
合金ワイヤから成る２個の磁心と、該コイルに接続され
自己発振し、該エンドリングの２次電流（Ｉ２）に対応
して出力する第１の無安定マルチバイブレータと、該第
１の無安定マルチバイブレータからの出力から交流分を
除去し、直流分のみを出力する第１の平滑回路と、誘導
電動機の一対の固定子歯に各々巻回された固定子歯コイ
ルと、該固定子歯コイルに接続され自己発振し、該固定
子歯の２次磁束（Φ２）に対応して出力する第２の無安
定マルチバイブレータと、該第２の無安定マルチバイブ
レータからの出力から交流分を除去し、直流分のみを出
力する第２の平滑回路と、該第１の平滑回路から出力さ
れる第１の検出電圧および該第２の平滑回路から出力さ
れる第２の検出電圧が入力され、その積を電気的トルク
信号として出力する掛算器とから成ることを特徴とする
誘導電動機のトルク検出装置である。

〔実施例〕

以下１本発明を図面を参照してその実施例に基づいて説
明する。

第１図は誘導電動機に適用された本発明の第１の実施例
の模式図である。

本実施例は第２図に示される２次電流センサ装置および
第３図に示される２次磁束センサ装置およびこれらから
の検出出力の積をトルク信号として出力する掛算器１０
とから成る。

誘導電動機は固定子の固定子歯ｌ、電機子２、固定子歯
ｌに巻回された励磁コイル３、シャフト４、フィン５、
カバー６等から成る。

まず、第２図に示される２次電流センサ装置について詳
説する。

コイル７ａおよびコイル７ｄは誘導電動機の電機子２の
エンドリング４ａ（第３図）に対設される。このコイル
７ａおよびコイル７ｄに磁心７ｂとして零磁歪アモルフ
ァス磁性合金ワイヤが各々挿入される。

このコイル７ａ、コイル７ｄおよび磁心７ｂによってセ
ンサ部７が構成される。

第１の無安定マルチバイブレータ８はコイル７ａおよび
コイル７ｄに接続され自己発振し、電機子２のエンドリ
ング４ａの２次電流（Ｉ２）に対応して出力する。

次に、平滑回路９は第１の無安定マルチバイブレータ８
からの出力から交流会を除去し、直流分のみを出力する
ものである。

さらに回路構成を詳説すると、電源＋Ｅはコイル７ａお
よびコイル７ｄに各々接続される。

コイル７ａはさらにトランジスタＴｒｉのコレクタ、エ
ミッタを介して平滑回路９の端子Ｔ１に接続される。

一方、コイル７ｄはトランジスタＴｒ２のコレクタ、エ
ミッタを介して平滑回路９の端子Ｔ２に接続される。

ここで、トランジスタＴｒ１とＴｒ２はスイッチイング
作用を行うものである。

コイル７ａとトランジスタＴｒｉのコレクタとの接続中
点はコンデンサＣ１と抵抗Ｒ１の並列回路を介してトラ
ンジスタＴｒ２のベースに接続される。

一方、コイル７ｄとトランジスタＴｒ２のコレクタとの
接続中点はコンデンサＣ２と抵抗Ｒ２の並列回路を介し
てトランジスタＴｒｉのベースに接続される。

ここで、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１，コンデンサＣ２と
抵抗Ｒ２は転流作用を行うものである。

次に、トランジスタＴｒｉのエミッタと平滑回路９の端
子Ｔ１の接続中点は抵抗Ｒ３を介して接地され、また、
零点調整用の可変抵抗ＶＲの摺動端子に接続される。

同様に、トランジスＴｒ２のエミッタと平滑回路９の端
子Ｔ２の接続中点は抵抗Ｒ４を介して接地され、また、
可変抵抗ＶＲの摺動端子に接続される。

さらに、トランジスタＴｒｉのエミッタと平滑回路９の
端子Ｔ１の接続中点は可変抵抗ＶＲを介して、トランジ
スタＴｒ２のエミッタと平滑回路９の端子Ｔ２の接続中
点に接続される。

出力端子Ｔ３　、Ｔ４は掛算器１０の入力端子に接続さ
れる。

」−述のコンデンサＣ１、Ｃ２、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３
、Ｒ４、可変抵抗ＶＲおよびトランジスタＴｒｉ、Ｔｒ
２によって無安定マルチバイブレータ８が構成される。

次に、第３図に示される２次磁束センサ装置について詳
説する。

第２の無安定マルチバイブレータ１８および第２の平滑
回路１９は第２図の２次電流センサ装置の第１の無安定
マルチバイブレータ８および第１の平滑回路９と同じ構
成で、掛算器１０に接続される。

第２図に示される２次電流センサ装置を構成する零磁歪
アモルファス磁性合金ワイヤから歳る磁心７ｂを固定子
歯１と置換した点が異なるのみであり、一対の固定子歯
ｌに固定子歯コイル７Ｃが各々巻回される。

第２の無安定マルチバイブレータ１８は固定子歯コイル
７Ｃに接続され自己発振し、固定子歯１の２次磁束（Φ
２）に対応して出力する。

次に、本実施例の動作について説明する。

電機子２のエンドリング４ａの２次電流（Ｉ２）信号Ｓ
２がセンサ部７により検出され、第１の無安定マルチバ
イブレータ８を介して平滑回路９の出力Ｓ４が得られ、
掛算器ｌＯに入力される。

一方、固定子歯１の２次磁束（φ２）信号Ｓｌを固定子
歯コイル７ｃで検出し、第２の無安定マルチバイブレー
タ１８を介して第２の平滑回路１９の１１１力Ｓ３が得
られ、掛算器１０に入力される。

掛算器１０は出力Ｓ３とＳ４の積を第８図に示されるよ
うにトルク信号Ｓ５として出力する。

第８図（ａ）は無負荷の状態、第８図（ｂ）は有負荷の
状態を示す。

次に、本発明の第２の実施例を第９図を参照して説明す
る。

−Ｌ述の第２図および第３図の一対のセンサ装置を互い
に電気角９０°（機械角４５°）移相させて、設置し、
上述のトルク信号Ｓ５の他に、信号Ｓ１１，３１２．Ｓ
１３．Ｓｉ２によりトルク信号ＳｔＳが出力される。

さらに、加算器１１で加算され信号Ｓ６として出力する
もので、第１０図に示されるように平均化したトルク信
号Ｓ６が出力される。

さらに、センサ装置を増加させてもよいことは言うまで
もなく、信号を加算することにより、より滑らかなトル
ク信号を得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上発明したように直接法のベクトル制御方式
において、過酷な環境の下で安定に誘導電動機のトルク
を検出できる。

このため制御用として用いることができ、誘導電動機に
対して直流電動機並の高性能の制御が可能となり、モー
タドライブ技術の高性能化が著しく進展し、工業用ロボ
ット、自動車等の発展に大きく寄与するという効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は誘導電動機に適用された本発明の第１の実施例
の模式図、第２図は２次電流センサ装置の説明図、第３
図は２次磁束センサ装置の説明図、第４図は第１図の実
施例が適用された誘導電動機の正面模式図、第５図は本
発明の第２の実施例が適用された誘導電動機の正面模式
図、第６図は第２図の２次電流センサ装置のＥｏｕｔ−
Ｉ２特性図、第７図は第３図の２次磁束センサ装置のＥ
ｏｕｔ−Ｖｓ特性図、第８図（ａ）は無負荷状態の２次
電流信号、２次磁束信号とトルク信号の特性図、第８図
（ｂ）は負荷状態の２次電流信号、２次磁束信号とトル
ク信号の特性図、第９図は本発明の第２の実施例の模式
図、第１０図は第９図の実施例の特性図である。 ｌ・・・固定子歯　　　　２・・・電機子４ａ・・・エ
ンドリング　７・・・センサ部７ａ、７ｄ・・・コイル
　７ｂ・・・磁心７Ｃ・・・固定子歯コイル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　誘導電動機の電機子のエンドリングに対設される２
   個のコイルと、該コイルに各々挿入される零磁歪アモル
   ファス磁性合金ワイヤから成る２個の磁心と、該コイル
   に接続され自己発振し、該エンドリングの２次電流（Ｉ
   ２）に対応して出力する第１の無安定マルチバイブレー
   タと、該第１の無安定マルチバイブレータからの出力か
   ら交流分を除去し、直流分のみを出力する第１の平滑回
   路と、 誘導電動機の一対の固定子歯に各々巻回される固定子歯
   コイルと、該固定子歯コイルに接続され自己発振し、該
   固定子歯の２次磁束（Φ２）に対応して出力する第２の
   無安定マルチバイブレータと、該第２の無安定マルチバ
   イブレータからの出力から交流分を除去し、直流分のみ
   を出力する第２の平滑回路と、 該第１の平滑回路から出力される第１の検出電圧および
   該第２の平滑回路から出力される第２の検出電圧が入力
   され、その積を電気的トルク信号として出力する掛算器
   とから成ることを特徴とする誘導電動機のトルク検出装
   置。 ２、前記２個のコイル、零磁歪アモルファス磁性合金ワ
   イヤから成る２個の磁心、固定子歯コイル、第１および
   第２の無安定マルチバイブレータ、第１および第２の平
   滑回路および掛算器とから成る一群の素子を複数群備え
   、前記複数の掛算器からの出力を入力し、加算して出力
   する加算器を備えた特許請求の範囲第１項記載の誘導電
   動機のトルク検出装置。