JPS6348177A - トルク制御式回転電動機械 - 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、電動要素によって負荷要素が駆動される回転
電動機械全般に係り、特にその回転側の回転脈動を検出
してこれを低減させ、ひいては回転機械全体の振動を低
減させるに好適なトルク制御式回転電動機械に関する。

〔従来の技術〕

電動要素によって駆動される回転機械の一例として、密
閉型圧縮機を例にとって説明する。第７図および第８図
は、ロータリ圧縮機の従来構造を示すものである。これ
らの図において、符号１は容器であり、内部に電動要素
および圧縮要素を収納している。符号２は容器１に固定
されたステータ（固定子）であり、容器１内周に固定さ
れている。このステータ２の内側には、主軸４に嵌着さ
れ、主軸４と一体に回転するロータ（回転子）３が配置
されている。主軸４は、主軸受５および端部軸受６によ
り支承されている。そして、これらの軸受５，６は、シ
リンダブロック７に締結されている。シリンダブロック
７は容器に固定されており、このシリンダブロック７内
には、圧縮室１２が成形されている。この圧縮室１２内
には、主軸４と偏心して一体化されたローラ８が設けら
れ、バネ１０によってローラ８表面に押圧付勢されたベ
ーン９が配設されている。このような構成のもとて主軸
４が回転すると、冷媒ガスが容器１の外部に設けられた
吸入アキュムレータ１１から吸入され、圧縮室１２によ
り所定の圧力まで加圧され、矢印方向に沿ってケース外
に吐出される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような構造の圧縮機は、特開昭５８−１８７６３５
号公報に開示されているが、圧縮要素内のガス吸収トル
クは主軸４の１回転中に大きく変動し、これと電動要素
の電磁トルクの差、すなわち残差トルクにより、主軸４
を含む回転系には回転速度変動、容器１と防振支持材１
．３とからなる固定側には回転方向振動が誘起されると
いう問題が生じる。

に回転系の回転速度変動を検出して、これが零番こなる
ように制御すれば、前述した残差トルクも零になり結果
として回転機械の振動・騒音の発生原因である回転方向
振動を抑制できる。

ここで、回転速度変動を検出するためには、第１図、第
２図に示すように、回転主軸４に回転速度検出用歯車２
２を直結して、固定側（容器１）に取付けたギャップセ
ンサ等の外部センサ２３で回転パルス信号を検出する手
段などもとられる。

しかしながら、外部センサは容器１に固定されて取付け
られているため、容器１が回転方向振動すると外部セン
サ取付位置も振動する。その結果、歯車からのパルス時
系列検出の際に影響が出る。

この検出した回転速度変動データが受ける影響を示した
もの第９図である。すなわち１回転方向振動と回転速度
変動が逆位相にあるときは実測される回転速度変動はＷ
ｌのように真の回転速度変動Ｎｏよりも大きく測定され
、同相にあるときはＸ２のように実際より小さく測定さ
れる。

特に、ケース側の防振支持系の共振点などで過大な回転
方向振動が誘起されると、その振動角度振幅αが歯車の
１歯面の間の角度（最小分解角度θｍ）よりも大きくな
る可能性が生じる。このとき、第１０図（ａ）、（ｂ）
に示すように、センサの回転方向振幅角度αが最小分解
角度０１以上になるとセンサの「歯とび」による誤った
パルスが測定され、全く誤った回転速度変動値が得られ
るのみならず、パルス数をカウントして１周期を得る際
にずれが生じ、脈動パターンにトルク制御指令を同期化
させることができないという点でも問題である。

一方、回転主軸の回転速度変動の変動周波数成分に対し
、より高調波の成分まで検出し、この変動成分を抑制す
ることができる高精度の制御を行うためには、出来るだ
け結数もしくはパルス数を多くして最／Ｊ％分解角度を
小さくすることが望ましい。ここで、第１１図は回転速
度変動１周期に対し、パルス数を変えたときの検出デー
タを示したものである。図から明らかなように、変動１
周期に対しパルス数を多くすればするほど正確なデータ
が得られる。

本発明は上記問題点の性質に鑑みなされたものであり、
その目的は、回転電動機械の固定ケース側の回転方向振
動による外部センサの「歯とび」によって生じる誤った
検出信号に対し、回転主軸１回転中のパルス数をカウン
トするカウンタと主軸１回転を正確に測定できるタイマ
ーを用いて、これを補正して正しい回転パルス列データ
が常に得られるようにし、より信頼性が高く高精度に制
御することが可能な１−ルウ制御式回転機械を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このように本発明に係るトルク制御式回転電動機械は、
電動要素と、この電動要素に回転主軸を介して連結され
、電動要素によって駆動される負荷要素と、電動要素の
発生する電磁１ヘルクと負荷要素の発生する負荷（吸収
）トルクとの差（残差トルク）をＯにするべく電動要素
の電磁トルクを制御するトルク制御装置と、を備えてな
るトルク制御式回転電動機械であって、回転速度検出時
に、回転速度検出用の歯車またはエンコーダのパルス数
をカウントして１回転周期を求めるカウンタと、これと
は別に回転主軸１回転の周期を正確に測定できるタイマ
ーにより、パルス時系列データを補正することを特徴と
するものである。

〔作用〕

本発明によれば、回転速度変動検出時に、外部センサの
回転方向振動による「歯とび」による検出ミスが生じて
も、カウンタによってカウントされたパルス数とタイマ
ーによる回転主軸１回転周期の比較により、これを補正
して正しいパルス列時系列データを得ることができる。

したがって、誤まった検出データに基づく誤動作の恐れ
がない。

さらに、ケース側の回転方向振動の振幅の大きさに拘ら
ず、歯車の歯数もしくはエンコーダのパルス数を多くす
ることができ、トルク制御を高精度化できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は電動要素（直流モータ）により駆動される回転
機械の一種であるロータリ圧縮機をインバータ駆動させ
る場合について本発明を適用した例である。ここで、本
実施例に係る圧縮機は、第１２図、第１３図に示した従
来の圧縮機とその構成がほとんど同じであるため、異な
る部分のみを説明し、同一部は同一の符号を付すことに
より、その説明は省略する。

第１図において、電動要素２０のロータ３と圧縮要素２
１のロータ８とを直結する回転主軸４の一端が延長され
て被回転検出部材である歯車２２が固着され、この歯車
２２と主軸４とは一体に回転するようになっている。容
器１にはギャップセンサ２３が固定されており、歯車２
２の歯列を検知して主軸４の回転速度に応じたパルス信
号を出力するようになっている。

第２図は、ギャップセンサ２３より検出されたパルス信
号から回転主軸４の回転速度変動を求める一連の過程を
示したものである。

ような正弦波状の検出波形２４が現われる。これをスレ
ショルド電圧２７を基準に波形整形してパルス列に変換
したものが同図（Ｃ）である。このパルス時系列データ
の各パルス幅Ｔｉ、Ｔ２　、・・・・・・Ｔｎを測定し
、その逆数Ｎ　＋　＝　１　／　Ｔ　ｔ　から各時刻で
の回転速度変動Ｎｉ　　（２８）が求まり、この１回転
中の各回転角度の変化を示したものが同図（ｄ）である
。

センサ２３の信号は、第３図に示すように、制御回路２
８に送られ、この制御回路２８によって電動要素２０の
電磁トルクを制御するようになっている。すなわち、ギ
ャップセンサ２３で得た検出信号２４は、波形整形プリ
アンプ２９により回転速度変動に関するデジタル信号に
変換され、インタフェイス３０を介してＣＰＵ３１に送
られる。

ここで、時々刻々の速度変動量から１回転後の回転速度
変動をＯにするために必要な圧縮機の電動要素２０に与
える電流値を演算し、ＲＡＭ３２にそのデータが必要に
なる時点まで記憶させておく。

次に、ＲＡＭ３２に書き込まれたデータはＣＰＵ３１に
読み出され、制御部３４に送られてペースドライバ３５
を駆動するチョッパ信号を形成する。

同時にＣＰＵ３１は、各回転角度において所要の電流値
をインバータ３６が発生するようにインタフェイス３０
を介してペースドライバ３５にタイミング信号を送る。

そして、ペースドライバ３５によって駆動されるインバ
ータ３６は、主軸４の回転速度変動が各回転角度におい
て０になるように電動要素に与えられる電流量を増減さ
せて制御を行う。そして、主軸４の回転速度が常にある
−定の許容値以下の変動に納まるよう、絶えず制御し続
ける。また、これら一連の制御ループは、ＲＯＭ３３に
書き込まれている。

ここで、磁極位置検出回路３７は、特開昭５２−８０４
１５号公報で開示されているように、電動要素の電機子
巻線電圧よりフィルタ回路を用いてロータ位置に対応し
た位置検出信号を形成する回路であり、インバータを駆
動させるタイミングに関係している。

本実施例においては、波形整形回路２９を得て矩形波に
変換された回転パルス信号２５をカウンタ３８によりカ
ウントし、インタフェイス３０を介してＣＰＵ３１に送
る。そして前述した磁極位置検出回路３７のロータ位置
検出信号２６よりタイマー３９が回転主軸１回転に相当
する規準信号を作成し、インタフェイス３０を介してＣ
Ｐ　Ｕ３１に送られる。

次に、第４図は、このようにしてカウンタ３８及びタイ
マー３９より得た信号をもとに、パルス時系列データの
修正を行う手順をフローチャートで示したものである。

まず、ステップ１］−〇において回転パルス列検出後、
個々のパルス間隔を測定しくステップ１２０）、パルス
時系列データ１３０を作成していく　（ステップ１３０
）と共に、カウンタ３８によりパルス数をカウントする
。（ステップ１２２）ここで、同時にステップ２１０，
２２０において、タイマー３９からの信号を検出し、１
回転時において割込をかけてその時点でのカウンタのカ
ウントしたパルス数を取り込む。（ステップ２３０）そ
して、ステップ１２４において、カウントされたパルス
数ｎと１回転中の正確なパルス数（歯車の歯数）ｎ１１
を比較して、これが等しければセンサの「歯とび」によ
る余分なカウントはなかったとして、ステップ１３０は
ステップ１４０にそのまま移り、これをもとに回転速度
を算出する。

（ステップ１５０） 一方、パルス数ｎがｎＩに比べて多ければその差Δｎ＝
ｎ−ｎ傘をステップ１２６にて算出し、ステップ１２８
にてパルス時系列データ（Ｔ１゜Ｔ２・・・・・・Ｔｎ
）の中で最小のものを６１個分修正してステップ１４０
に移る。そして、この修正された時系列データよりステ
ップ１５０にて回転速度を算出する。

次に、第５図は、この検出されたパルス時系列データを
修正して真のパルス時系列データを得るための手順を示
している。

まず、ステップ３１０にてに番目の時系列データＴｋを
検出した後、ステップ３２０でそれまでの時系列データ
（Ｔ　ｔ・・・・・・Ｔｋ−１）の最小限Ｔ傘と比較し
て、Ｔｂがこれより小さければステップ４１０で’ｒ＊
＝’ｒｋとし、同時にこのときパルス番号ｋを記憶する
。これより大きいときはそのままステップ３３０に移り
、ステップ３３０でｋと１回転中に検出されたパルス数
ｎを比較する。ここで、ｋ　＜　ｎのときはステップ３
４０に移りに＝に＋１としてステップ３１０に戻りｋ　
＝　ｎのときは、ステップ４２０に移り、ステップ４１
０で保持したパルス番号にの時系列データＴｋを（Ｔ　
ｘ・・・・・・Ｔｎ）から消去し、Ｔ　ｋ＝　Ｔ　ｋａ
ｔ　　Ｔ　ｋ−ｘをステツブ４３０にて演算する。そし
てステップ４４０にてに番目以降のパルス番号を１つず
つ減るし、ステップ４５０にて修正された真の時系列デ
ータ（Ｔｘ＋　Ｔｚ・・・・・・Ｔ−）を得る。

ここで、この場合は１周期に対して歯とびが１回だけ起
こる場合の処理であるが、Δｎ回起こる場合はステップ
４１０における記憶部を複数個用意し、同一の手順をΔ
ｎ回繰り返せるようにしておく。

以上説明した一連の処理ルーチンを行うには、ある一定
の処理時間が必要であるのは当然であるが１本実施例の
ように１回転前のデータを用いて制御する場合は、パル
ス検出−制御指令の処理と並行して行うことが可能であ
るのでリアルタイムに処理する場合と異なり、問題には
ならない。

また、タイマーに１回転の規準信号を与える手段は、本
実施例のような磁極位置検出回路以外のものであっても
よい。

第６図は、本発明に係る第２の実施例であり、１回転の
基準信号作成のためにタイマー用歯車を用意した例であ
る。ここでタイマー用歯車の歯数は、センサ及び容器の
回転方向振動が問題とならない程度に十分少ない（最小
分解角度が大きい）ものである。

また、規準信号としては必ずしも主軸１回転に対応する
必要はなく、タイマー用歯車の歯数Ｎとして、一回転を
１周期として前述したパルス時系列データの修正を行っ
てもよい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電動
要素により駆動され、周期的な負荷１〜ルク変動を有し
、かつこれによって生じる回転主軸の回転速度変動を外
部センサによって検出して、これがＯになるべく制御す
るトルク制御式回転電動機械にあって、検出時のエラー
が生じてもこれを補正することができるので、検出エラ
ーによる誤動作の恐れがなく、信頼性の高い制御ができ
る。

また、外部センサの回転方向振動の大きさに拘らず、回
転速度変動検出用歯車もしくはエンコーダのパルス数を
多くとることができるので、制御の高精度化を図ること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である圧縮機の縦断面図、第
２図（ａ）、第２図（ｂ）、第２図（Ｃ）。 第２図（ｄ）は検出信号より回転速度変動を求める方法
を示す図、第３図はトルク制御装置の概要図、第４図は
検出した回転パルス列を補正するフローを示す図、第５
図はその修正方法の詳細を示す図、第６図は本発明の第
２実施例を示す図、第７図、第８図は従来の密閉形回転
電動機械の縦断面図、第９図はセンサの回転方向振動に
よる測定データの受ける影響を示した図、第１０図はセ
ンサの歯とびによるパルス列の受ける影響を示した図、
第１１図は、パルス数を変えたときの回転速度変動の検
出精度を示した図である。 ４・・・回転主軸、２０・・・電動要素、２１・・・圧
縮要素、２２・・・歯車、２３・・・ギャップセンサ、
２８・・・制御回路、３０・・・インタフェイス、３１
・・・ＣＰＵ、３６・・・インバータ、３７・・・磁極
位置検出回路、３８・・・カウンタ、３９・・・タイマ
ー、４０・・・タイマー用歯車。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電動要素と、この電動要素に回転主軸を介して連結
   され、電動要素によつて駆動される負荷要素と、電動要
   素の発生する電磁トルクと負荷要素の発生する負荷（吸
   収）トルクとの差（残差トルク）を０にするべく電動要
   素の電磁トルクを制御するトルク制御装置と、を備えて
   なるトルク制御式回転電動機械であつて、前記トルク制
   御装置は、残差トルク情報の検出手段として回転主軸の
   回転速度変動を回転主軸に直結した歯車もしくはエンコ
   ーダと、回転機械のケース側に固定されて取付けられ、
   回転時に得る回転パルス列を検出する外部センサで構成
   された回転速度変動検出器を有し、かつ回転速度検出時
   に１回転中の回転パルス列をカウントして１回転周期を
   求めるカウンタと、これらとは別に回転主軸１回転の周
   期を正確に測定できる規準信号を発生するタイマーを有
   することを特徴とするトルク制御式回転電動機械。 ２、前記トルク制御装置はタイマーにより得る１回転も
   しくは１／Ｎ回転時において、カウンタにより得る１回
   転もしくは１／Ｎ回転に対応したパルス数よりも多くカ
   ウントされた場合、そのパルス時系列データを比較して
   、パルス間隔がもつとも小さいものから順に、カウンタ
   で余分にカウントされた数だけ除去して、新しい回転パ
   ルス時系列データを作成し、これをもとに回転主軸の各
   回転角度での回転速度変動を算出するようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のトルク制御式回
   転電動機械。 ３、前記トルク制御装置は、回転主軸の回転周期を求め
   るタイマーとして、回転主軸に直結した回転速度変動測
   定用の歯車もしくはエンコーダと同軸に、それと比べて
   、回転電動機械のケース側の回転方向振動に伴う外部セ
   ンサの振動が問題にならない程度に、歯数もしくはパル
   ス数の少ない歯車もしくはエンコーダを使用することが
   できる特許請求の範囲第１項記載のトルク制御式回転電
   動機械。 ４、前記トルク制御装置は、回転主軸の回転周期を求め
   るタイマーとして、回転主軸の回転に伴い、電動要素回
   転子の磁極の通過により電動要素固定子に発生する逆起
   電圧発生位置を検出して磁極位置を検出する磁極位置検
   出回路により回転周期を求めることもできる特許請求の
   範囲第１項記載のトルク制御式回転電動機械。