JPH0472476B2 - - Google Patents

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並の
高性能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
なつた。

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、工業用ロボツト、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ユータ演算によるフイード
フオワード方式（すべり周波数制御方式）が主流
となつていた。

しかし、この間接制御方法は電機子バー抵抗で
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イードバツク制
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、上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上できな
いため誘導電動機はその制御性に難点があるとい
う問題点があつた。

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＝I2×Φ2）
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アスを磁心とするも
ので従来のパーマロイあるいはフエライトを磁心
とするものに比較して感度、分解能、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、図面によつて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次磁速（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次磁速センサは、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本質的な
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、アモルフアス磁心を用いずに
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℃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＝I2×Φ2）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電圧を掛算器に入
力し、その積を出力することにより電気的トルク
（Te＝I2×Φ2）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
零磁歪アモルフア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、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１、電機子２、
固定子歯１に巻回された励磁コイル３、シヤフト
４、フイン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ア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
よつてセンサ部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７
ａ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分を除去し、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Tr１のコレ
クタ、エミツ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、エミツ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はスイツチ
イング作用を行うものである。

コイル７ａとトランジスタTr１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Tr１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Tr１のエミツタと平滑回
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、トランジスタTr２のエミツタと平滑
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Tr１のエミツタと平滑
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のエミツタと平滑回路
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。

上述のコンデンサＣ１，Ｃ２、抵抗Ｒ１，Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ４、可変抵抗VRおよびトランジス
タTr１，Tr２によつ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
る零磁歪アモルフアス磁性合金ワイヤから成る磁
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１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（Φ2）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Ｓ２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１０に入力される。

一方、固定子歯１の２次磁束（Φ2）信号Ｓ１
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１
９の出力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。

上述の第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Ｓ１
１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４によりトルク信号Ｓ
１５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。

また、無安定マルチバイブレータ回路の中に、
零磁歪アモルフアスセンサを一つの素子として組
み込んだものであるため、単に耐高温性といつた
アモルフアスセンサ独自の長所のみでなく、この
組合せによつて初めて以下の効果を奏する。

(1) 高透磁率の特性は高感度を可能とし、センサ
ヘツドを小型にでき、しかも回路の部品数が少
ないので回路も小型・安価にできる。

(2) 周波数が高い範囲にまで良い特性を示し、従
来例の１〜10kHzから本発明の10〜40kHzとい
う高周波側への周波数範囲拡大よる高速応答性
が達成される。

(3) 電気的特性が高温まで安定しており、耐高温
性に優れたものとなる。

(4) 自励振のため直流電源を直接使用できる。

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、工業用ロボツト、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
の実施例の模式的、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
Eout−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。 １……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、
８，１８……無安定マルチバイブレータ、９，１
９……平滑回路、１０……掛算器。

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
   零磁歪アモルフア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、零磁歪アモルフアス磁性
   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。