JP2015177739A - 電動機速度検出装置 - Google Patents
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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(incremental encoder)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。
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(differential amplifier)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。
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
40 A/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
10 増幅部
20 波形変換部
30 パルスカウンター部
40 A/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 (4)
- 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。
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