JP3758078B2 - トルク測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導モータ、ブラシレスＤＣモータ等のトルクを測定するトルク測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、３相３線結線された誘導モータのエアギャップトルクをトルクメータを使わずに、モータの巻線の電圧と電流の瞬時値から求めるトルク測定装置があった。
【０００３】
図４はこの様なトルク測定装置の従来例を示した図である。この図は測定回路の構成図である。
測定対象となるモータは、ａ相、ｂ相及びｃ相の巻線からなる３相モータである。
入力端子１にはａ相とｂ相間の電圧が入力され、入力端子２にはｃ相とｂ相間の電圧が入力される。入力端子３にはａ相の電流が入力され、入力端子４にはｂ相の電流が入力される。
【０００４】
入力端子１に入力された電圧は、電圧入力回路５で正規化され、アナログデジタル変換器（ＡＤＣとする）６でデジタル値に変換され、演算器７に入力される。
同様に、入力端子２に入力された電圧は、電圧入力回路８で正規化され、ＡＤＣ９でデジタル値に変換され、演算器７に入力される。
【０００５】
入力端子３に入力された電流は、電流入力回路１０で正規化され、ＡＤＣ１１でデジタル値に変換され、演算器７に入力される。
同様に、入力端子４に入力された電流は、電流入力回路１２で正規化され、ＡＤＣ１３でデジタル値に変換され、演算器７に入力される。
【０００６】
演算器７は、ＡＤＣ６，９，１１，１３で変換した電圧値ｕ１，ｕ２，電流値ｉａ，ｉｂをもとにモータのエアギャップトルクを算出する。
メモリ１４は、演算器７での演算器の途中結果や最終結果を保存する。
表示手段１５は、演算器７で求めたエアギャップトルクの波形を表示する。
操作部１６は、モータの極数Ｐ、モータの固定子側コイルの抵抗値Ｒ等のパラメータを入力する。
【０００７】
図４の装置では、以下の演算によりエアギャップトルクを求める。
【数式１】

【数式２】

【数式３】

【数式４】

【数式５】

上式で、ｕ１（ｋ）はＡＤＣのｋ番目のサンプリングにおけるｕ１の値を示す。他の（ｋ）がついた符号についても同様である。Ψａ（ｋ）及びΨｂ（ｋ）はそれぞれａ相及びｂ相の鎖交磁束である。τ（ｋ）はエアギャップトルクである。
【０００８】
ところで、式（３）と式（４）は積分式であるが、これを離散値で演算できるように台形公式を用いて表すと次のようになる。
【数式６】

【数式７】

ただし、ΔＴはＡＤＣ６，９，１１，１３のサンプリング周期である。
【０００９】
図５は図４のトルク測定装置における各部の波形例を示した図である。
式（６）及び式（７）の台形公式を用いてトルクτ（ｋ）を求めると、図５の一番下の波形のようになる。
【００１０】
図５に示す電圧波形と電流波形の場合は、モータのエアギャップトルクは本来は一定であるべきはずであるが、求めたトルクの波形は一定でなく波打っている。
これは、演算器に用いる初期値が正しくないため、鎖交磁束ΨａとΨｂの値がオフセットを持っていることが原因となっている。
磁束の波形のオフセットをとるために、磁束の波形にデジタルハイパスフィルタをかけると、応答時間が長くなったり、演算が複雑になるという問題点が発生する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、電圧波形または電流波形がゼロクロスした時点から次のゼロクロス時点までを１周期とし、この区間における鎖交磁束の平均値を求め、求めた平均値を鎖交磁束の瞬時値から引くことによって、トルクメータを用いなくても高精度にトルクを測定できるトルク測定装置を実現することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のとおりの構成になったトルク測定装置である。
【００１３】
（１）ａ相、ｂ相及びｃ相からなる３相モータのトルクを測定するトルク測定装置において、
ａ相とｂ相間の電圧及びｃ相とｂ相間の電圧を正規化する電圧入力回路と、
ａ相の電流とｂ相の電流を正規化する電流入力回路と、
前記電圧入力回路及び電流入力回路で正規化された電圧及び電流をアナログデジタル変換するアナログデジタル変換器と、
前記電圧入力回路及び電流入力回路に入力された電圧及び電流のいずれかについてゼロクロス時点を検出するゼロクロス検出器と、
前記アナログデジタル変換器で変換した電圧及び電流をもとに、ａ相の巻線とｂ相の巻線を鎖交する磁束を求める第１の演算手段と、
前記ゼロクロス検出器でゼロクロス時点を検出してから次のゼロクロス時点を検出するまでの期間におけるａ相の巻線とｂ相の巻線を鎖交する磁束の平均値を求める第２の演算手段と、
第１の演算手段で求めた演算値から第２の演算手段で求めた平均値を減算し、減算値からモータのエアギャップトルクを算出する第３の演算手段と、
を有することを特徴とするトルク測定装置。
【００１４】
（２）前記電圧入力回路と電流入力回路に入力された電圧と電流の波形及び前記第３の演算手段で算出したエアギャップトルクの波形を、瞬時電圧波形、瞬時電流波形、瞬時エアギャップトルク波形として画面上に同時に表示する表示手段を有することを特徴とする（１）記載のトルク測定装置。
【００１５】
（３）前記表示手段は、電圧入力回路と電流入力回路に入力された電圧と電流から求めた瞬時電力波形を前記瞬時電圧波形、瞬時電流波形、瞬時エアギャップトルク波形と同時に画面表示することを特徴とする（１）記載のトルク測定装置。
【００１６】
（４）観測期間内における瞬時エアギャップトルクの平均値を求める平均値算出手段を有することを特徴とする（１）記載のトルク測定装置。
【００１７】
（５）前記モータは、誘導モータまたは三相ブラシレスＤＣモータであることを特徴とする（１）記載のトルク測定装置。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。図１で図４と同一のものは同一符号を付ける。
図１で、ゼロクロス検出器２０，２１，２２，２３は、電圧入力回路５，８、電流入力回路１０，１２の出力のゼロクロス時点を検出し、検出信号を演算器２４に入力する。この検出信号は、入力が０以上ならば１を、０未満ならば０を示す２値信号である。
【００１９】
演算器２４で、第１の演算器手段２４１は、ＡＤＣ６，９，１１，１３で変換した電圧ｕ１，ｕ２及び電流ｉ１，ｉ２をもとに、モータのａ相の巻線とｂ相の巻線を鎖交する磁束を求める。
第２の演算手段２４２は、ゼロクロス検出器２０〜２３の出力（ゼロクロス検出信号）ｚｃｕ１，ｚｃｕ２，ｚｃｉａ，ｚｃｉｂのいずれかを用いて、ゼロクロス時点を検出してから次のゼロクロス時点を検出するまでの期間を１周期とし、この期間におけるａ相の巻線とｂ相の巻線を鎖交する磁束の平均値を求める。
第３の演算手段２４３は、第１の演算手段２４１で求めた演算値から第２の演算手段２４２で求めた平均値を減算し、減算値からモータのエアギャップトルクを算出する。
【００２０】
図１の装置では、以下の演算によりエアギャップトルクを求める。
第１の演算器手段２４１は次の演算器を行う。
【数式８】

【数式９】

【数式１０】

【数式１１】

上式によって求められたΨａｔｍｐ，Ψｂｔｍｐは鎖交磁束の瞬時値である。
【００２１】
第２の演算器手段２４２は次の演算器を行う。
【数式１２】

【数式１３】

上式で、ｍはゼロクロス検出信号ｚｃｕ１，ｚｃｕ２，ｚｃｉａ，ｚｃｉｂのいずれかの信号について、信号の立ち上がり時点（ゼロクロス時点）から次の立ち上がり時点までを１周期としてカウントした場合のｍ番目の周期である。また、Ｎ（ｍ）はｍ番目の周期内におけるサンプリングデータの個数である。
Ψａｄｃ，Ψｂｄｃはｍ番目の周期におけるΨａｔｍｐ，Ψｂｔｍｐの平均値である。この平均値は鎖交磁束の瞬時値Ψａｔｍｐ，Ψｂｔｍｐのｍ番目の周期におけるオフセットに相当する。
【００２２】
第３の演算器手段２４３は次の演算器を行う。
【数式１４】

【数式１５】

【数式１６】

ΨａとΨｂはオフセットを除去した鎖交磁束の瞬時値である。オフセット除去後の鎖交磁束ΨａとΨｂを用いて式（１６）によりエアギャップトルクτ（ｋ）を求める。
【００２３】
図２は図１のトルク測定装置における各部の波形例を示した図である。この波形は表示手段１５の画面に表示される。
図２に示す電圧、電流波形から、ゼロクロス検出信号にｚｃｉａを選択して、トルクτ（ｋ）を求めると図２の一番下にある波形ｔｒｑのようになる。
【００２４】
図３は、インバータに接続されたモータについて図１の装置でトルク測定したときの各部の波形例を示した図である。この波形は表示手段１５の画面に表示される。
このように、瞬時電圧波形、瞬時電流波形、瞬時エアギャップトルク波形を同時に表示することにより、各時刻で、どのようなトルクが発生しているのかが一目で分かる。
【００２５】
なお、瞬時電力波形（瞬時電圧×瞬時電流）を求めて、これを同時に表示することにより、消費電力とトルクとの関係を見ることもできる。
また、平均値算出手段を設け、観測期間内の瞬時トルクを平均することにより、通常のトルクメータで測定する値を近似することができる。
また、（回転子損）＝（エアギャップトルクパワー）−（シャフトパワー）の関係があるので、モータにトルクメータを取り付けシャフトパワーを測定し、それをトルク測定装置に入力すれば、回転子損も演算できる。
【００２６】
また、三相３線結線に限らず、三相４線結線でも演算することができる。この場合、ｕ１，ｕ２の代わりにｕａ，ｕｂを直接測定することになる。
本発明のトルク測定装置では、インバータ制御のモータでも、ゼロクロス検出に電流を選択することにより、トルクを測定することができる。また、ゼロクロス検出器の前にローパスフィルタを通すことにより、ゼロクロス検出にＰＷＭ波形の電圧を選択することもできる。
また、誘導モータに限らず、三相ブラシレスＤＣモータでもトルクを測定することができる。三相ブラシレスＤＣモータの場合も実施例と同様な演算によりトルクを測定できる。
また、モータの回転数が変化している場合でも、トルクを測定することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば次の効果が得られる。
【００２８】
請求項１記載の発明では、電圧波形または電流波形がゼロクロスした時点から次のゼロクロス時点までを１周期とし、この区間における鎖交磁束の平均値を求め、求めた平均値を鎖交磁束の瞬時値から引くことによって、モータのエアギャップトルクを求めている。これによって、トルクメータを用いなくても高精度にモータのトルクを測定できる。
【００２９】
請求項２記載の発明では、瞬時電圧波形、瞬時電流波形、瞬時エアギャップトルク波形を画面上に同時に表示しているため、各時刻で、どのような電圧、電流、トルクが発生しているかを一目で把握できる。
【００３０】
請求項３記載の発明では、電圧と電流から求めた瞬時電力波形を瞬時電圧波形、瞬時電流波形、瞬時エアギャップトルク波形と同時に画面表示しているため、消費電力とトルクとの関係を画面上で容易に把握できる。
【００３１】
請求項４記載の発明では、観測期間内における瞬時エアギャップトルクの平均値を求めているため、通常のトルクメータで測定する値の近似値が得られる。
【００３２】
請求項５記載の発明では、トルク測定を各種のモータに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】図１のトルク測定装置における各部の波形例を示した図である。
【図３】インバータに接続されたモータの波形例を示した図である。
【図４】トルク測定装置の従来例を示した図である。
【図５】図４のトルク測定装置における各部の波形例を示した図である。
【符号の説明】
５，８ 電圧入力回路
１０，１２ 電流入力回路
６，９，１１，１３ アナログデジタル変換器
１５ 表示手段
２０〜２３ ゼロクロス検出器
２４ 演算器
２４１ 第１の演算器手段
２４２ 第２の演算器手段
２４３ 第３の演算器手段

Claims (5)

1. ａ相、ｂ相及びｃ相からなる３相モータのトルクを測定するトルク測定装置において、
   ａ相とｂ相間の電圧及びｃ相とｂ相間の電圧を正規化する電圧入力回路と、
   ａ相の電流とｂ相の電流を正規化する電流入力回路と、
   前記電圧入力回路及び電流入力回路で正規化された電圧及び電流をアナログデジタル変換するアナログデジタル変換器と、
   前記電圧入力回路及び電流入力回路に入力された電圧及び電流のいずれかについてゼロクロス時点を検出するゼロクロス検出器と、
   前記アナログデジタル変換器で変換した電圧及び電流をもとに、ａ相の巻線とｂ相の巻線を鎖交する磁束を求める第１の演算手段と、
   前記ゼロクロス検出器でゼロクロス時点を検出してから次のゼロクロス時点を検出するまでの期間におけるａ相の巻線とｂ相の巻線を鎖交する磁束の平均値を求める第２の演算手段と、
   第１の演算手段で求めた演算値から第２の演算手段で求めた平均値を減算し、減算値からモータのエアギャップトルクを算出する第３の演算手段と、
   を有することを特徴とするトルク測定装置。
2. 前記電圧入力回路と電流入力回路に入力された電圧と電流の波形及び前記第３の演算手段で算出したエアギャップトルクの波形を、瞬時電圧波形、瞬時電流波形、瞬時エアギャップトルク波形として画面上に同時に表示する表示手段を有することを特徴とする請求項１記載のトルク測定装置。
3. 前記表示手段は、電圧入力回路と電流入力回路に入力された電圧と電流から求めた瞬時電力波形を前記瞬時電圧波形、瞬時電流波形、瞬時エアギャップトルク波形と同時に画面表示することを特徴とする請求項１記載のトルク測定装置。
4. 観測期間内における瞬時エアギャップトルクの平均値を求める平均値算出手段を有することを特徴とする請求項１記載のトルク測定装置。
5. 前記モータは、誘導モータまたは三相ブラシレスＤＣモータであることを特徴とする請求項１記載のトルク測定装置。

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