JPWO2017154218A1 - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

本体から着脱可能な操作パネルと本体の主回路との絶縁が確保された低コストに実現可能なインバータ装置を得ることを目的とし、インバータ装置本体１と、操作パネル２とを備えるインバータ装置であって、インバータ装置本体１は、主回路電位と非絶縁である非絶縁ＣＰＵ１０を備え、操作パネル２は、信号中継ＩＣであるＩＯエキスパンダＩＣ２０と、ＩＯエキスパンダＩＣ２０に接続された入出力インターフェース２００とを備え、非絶縁ＣＰＵ１０とＩＯエキスパンダＩＣ２０とは、絶縁回路１４を介してＳＰＩ接続され、非絶縁ＣＰＵ１０は、ＩＯエキスパンダＩＣ２０を介して入出力インターフェース２００の入力状態の認識及び出力の制御を行う。

Description

本発明は、操作パネルを備えるインバータ装置に関する。

従来の安価なインバータ装置では、電流検出用のシャント抵抗の電圧及び母線電圧の抵抗分圧後の電圧が、絶縁されずにＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のＡＤ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）入力部に入力されるので、ＣＰＵがインバータ装置の主回路と非絶縁の電位となる。そのため、このようなインバータ装置の外部インターフェースの部分には、フォトカプラを有する絶縁回路を用いて、全体のコストを抑えつつ外部インターフェースと主回路とを絶縁することが一般的である。

また、操作パネルを接続コネクタ部から着脱可能なインバータ装置では、インバータ装置の本体側で主回路と接続コネクタ部との絶縁を行うことで、インバータ装置の本体の接続コネクタ部から主回路と非絶縁の電位の配線及び端子が露出しない構成とする。

従来技術である特許文献１には、端子台を交換可能なように制御装置本体から取り外し可能な構成とした制御装置が開示されている。この制御装置は、モータを駆動制御するインバータ装置であることも記載されている。

特開２００８−１０９７８９号公報

しかしながら、上記の従来技術では、外部インターフェースである端子台に接続される制御装置のＣＰＵは絶縁することを要し、主回路の電流検出のアナログ値又は母線電圧検出のアナログ値を絶縁回路で取り込む場合には高コストになる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、本体から着脱可能な操作パネルと本体の主回路との絶縁が確保された構成を低コストに実現可能なインバータ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、インバータ装置本体と、操作パネルとを備えるインバータ装置であって、前記インバータ装置本体は、主回路電位と非絶縁である非絶縁ＣＰＵを備え、前記操作パネルは、受信信号に応じた電圧を出力ポートに出力し、入力ポートに入力された電圧をデジタル信号として送信する信号中継ＩＣと、前記信号中継ＩＣに接続された前記出力ポート及び前記入力ポートを含む入出力インターフェースとを備え、前記非絶縁ＣＰＵと前記信号中継ＩＣとは、前記絶縁回路を介してＳＰＩ接続され、前記非絶縁ＣＰＵは、前記信号中継ＩＣを介して前記入出力インターフェースの入力状態の認識及び出力の制御を行うことを特徴とする。

本発明にかかるインバータ装置は、本体から着脱可能な操作パネルと本体の主回路との絶縁が確保された構成を低コストに実現することができるという効果を奏する。

実施の形態にかかるインバータ装置の構成の一例を示す図 図１に示すダイヤルとＤフリップフロップ回路の回路図の一例を示す図 図２に示すＡ信号、Ｂ信号及びＱ信号の一例を示す図 比較例であるインバータ装置の構成の一例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるインバータ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるインバータ装置の構成の一例を示す図である。図１に示すインバータ装置４は、操作パネル２と、操作パネル２を着脱可能なインバータ装置本体１と、インバータ装置本体１と操作パネル２とを接続するケーブル３とを備える。

本体１は、非絶縁ＣＰＵ１０と、主回路と絶縁されていない非絶縁電源１１と、主回路と絶縁された絶縁電源１２と、本体側コネクタ１３と、絶縁回路１４と、発振子１６及びリセット回路１７とを備える。非絶縁ＣＰＵ１０は、主回路の電位から絶縁されていないＣＰＵである。絶縁電源１２は、主回路の電位から絶縁された電源である。本体側コネクタ１３は、操作パネル２との接続部である。絶縁回路１４は、非絶縁ＣＰＵ１０と本体側コネクタ１３との間に配されている。発振子１６及びリセット回路１７は、非絶縁ＣＰＵ１０に接続されている。非絶縁ＣＰＵ１０は、信号中継ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）であるＩＯ（Ｉｎｐｕｔ Ｏｕｔｐｕｔ）エキスパンダＩＣ２０を介して入出力インターフェース２００の入力状態の認識及び出力の制御を行う。

操作パネル２は、ＩＯエキスパンダＩＣ２０と、操作パネル側コネクタ２１と、ボタンスイッチ２２と、７セグメントＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）２３と、ＬＥＤ２４と、ダイヤル２５と、Ｄフリップフロップ回路２６と、操作つまみ２７と、積分型ＡＤ変換器２８とを備える。ＩＯエキスパンダＩＣ２０は、ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）通信可能な構成である。操作パネル側コネクタ２１は、インバータ装置本体１との接続部である。ボタンスイッチ２２は、操作者によって操作される入力部である。７セグメントＬＥＤ２３は、数値データを表示して操作者に数値情報を与える出力部である。ＬＥＤ２４は、点灯状態によって操作者に情報を与える出力部である。ダイヤル２５は、操作者によって操作される入力部であり、回転させると位相信号を出力する。Ｄフリップフロップ回路２６は、ＩＯエキスパンダＩＣ２０とダイヤル２５との間に設けられている。操作つまみ２７は、操作者によって操作される入力部であり、パラメータを調整する。積分型ＡＤ変換器２８は、ＩＯエキスパンダＩＣ２０と操作つまみ２７との間に設けられている。なお、ボタンスイッチ２２、７セグメントＬＥＤ２３及びＬＥＤ２４は、ＩＯエキスパンダＩＣ２０に接続されている。ボタンスイッチ２２、７セグメントＬＥＤ２３、ＬＥＤ２４、ダイヤル２５、Ｄフリップフロップ回路２６、操作つまみ２７及び積分型ＡＤ変換器２８をまとめて入出力インターフェース２００と記載する。入出力インターフェース２００は、入力部であるボタンスイッチ２２、ダイヤル２５及び操作つまみ２７のうち少なくとも１つと、出力部である７セグメントＬＥＤ２３及びＬＥＤ２４のうち少なくとも１つとを備える。

ケーブル３は、主回路の電位と絶縁されている絶縁電源１２に接続された電源線３１，３２と、ＩＯエキスパンダＩＣ２０に接続されてＳＰＩ通信を行う通信線３３，３４，３５とを備える。すなわち、非絶縁ＣＰＵ１０とＩＯエキスパンダＩＣ２０とは、ＳＰＩ接続されている。なお、通信線３３，３４，３５は、各々、クロック信号用通信線、送信データ用通信線及び受信データ用通信線である。

図１に示すインバータ装置は、操作パネル２をインバータ装置本体１に装着した状態で使用されてもよいし、操作パネル２をインバータ装置本体１から取り外した状態で使用されてもよい。操作パネル２をインバータ装置本体１に装着する場合には、インバータ装置本体１の本体側コネクタ１３と、操作パネル２の操作パネル側コネクタ２１とを接続する。このように操作パネル２を本体１に装着する場合には、本体側コネクタ１３と操作パネル側コネクタ２１とが直接接続されるので、ケーブル３は不要である。操作パネル２をインバータ装置本体１から取り外して使用する場合には、本体側コネクタ１３と操作パネル側コネクタ２１との間をケーブル３にて有線接続した状態で使用される。操作パネル２をインバータ装置本体１から取り外して使用する場合には、操作パネル２をインバータ装置本体１から離れた位置で使用することも可能である。

なお、操作パネル２は、インバータ装置本体１側の絶縁回路１４によって通信線３３，３４，３５も主回路電位から絶縁され、絶縁電源１２を電源とする。そのため、操作パネル２の操作者は、非絶縁電源１１の主回路電位によって感電するおそれがない。

なお、絶縁回路１４は図示しない複数のフォトカプラを備え、入力側と出力側とを絶縁する。また、絶縁回路１４は、Ｉ^２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）接続のようなデータラインが双方向である通信ではなく、ＳＰＩ通信による片方向通信を行う。Ｉ^２Ｃ接続では双方向通信を行うため、入力と出力とを絶縁できないからである。ＳＰＩ通信では片方向のクロック信号を送信可能な速度で通信が可能である。また、絶縁回路１４では、フォトカプラに代えてデジタルアイソレータが設けられていてもよい。

信号中継ＩＣであるＩＯエキスパンダは、受信したデジタルデータ１，０をＨレベル又はＬレベルの電圧に変換して汎用ポートから出力し、汎用ポートに入力されたＨレベル又はＬレベルの電圧をデジタルデータ１，０に変換して送信する。図１におけるＩＯエキスパンダＩＣ２０は、デジタル値であるＳＰＩ通信の受信信号に応じてＨレベル又はＬレベルの電圧をＩＯエキスパンダＩＣ２０の汎用ポートから出力し、汎用ポートに入力されたＨレベル又はＬレベルの電圧をデジタル信号としてＳＰＩ通信で送信することで非絶縁ＣＰＵ１０と二値のデジタル信号を送受信可能な構成である。そのため、ＩＯエキスパンダＩＣ２０は、ボタンスイッチ２２からの入力信号が入力される構成とし、７セグメントＬＥＤ２３及びＬＥＤ２４への出力信号を出力可能な構成とする。そして、非絶縁ＣＰＵ１０は、ＩＯエキスパンダＩＣ２０を介して入出力インターフェース２００の入力状態の認識及び出力の制御を行う。

なお、周波数指令を操作つまみ２７で設定する場合には、操作つまみ２７からのアナログ電圧信号が積分型ＡＤ変換器２８に入力される。積分型ＡＤ変換器２８は、このアナログ電圧信号に応じたパルス幅のパルス信号を出力する。すなわちアナログ電圧信号のアナログ電圧の大きさが変換されたパルス幅のパルス信号を出力し、このパルス信号がＩＯエキスパンダＩＣ２０に入力される。非絶縁ＣＰＵ１０は、ＩＯエキスパンダＩＣ２０に入力されたパルス信号のパルス幅から操作つまみ２７から出力されたアナログ電圧の大きさを推定する。操作つまみ２７はマニュアル操作され、応答性は要求されず、パルス幅を大きくとることが可能であり、分解能は通信間隔に応じたものとなる。

入出力インターフェース２００が、ダイヤル２５及びダイヤル２５に接続されたＤフリップフロップ回路２６を含む場合には、ダイヤル２５は、エンコーダの位相信号をＤフリップフロップ回路２６に出力し、Ｄフリップフロップ回路２６は、ダイヤル２５の回転方向をＩＯエキスパンダＩＣ２０に出力し、エンコーダの位相信号の変化をＩＯエキスパンダＩＣ２０に出力し、非絶縁ＣＰＵ１０は、ＩＯエキスパンダＩＣ２０に入力されたこれらの信号からダイヤル２５の変化量を測定する。ここで、エンコーダにはロータリエンコーダを例示することができる。

図４は、図１の比較例であるインバータ装置の構成の一例を示す図である。図４に示すインバータ装置４ａは、操作パネル２ａと、操作パネル２ａを着脱可能なインバータ装置本体１ａと、インバータ装置本体１ａと操作パネル２ａとを接続するケーブル３ａとを備える。

インバータ装置本体１ａは、非絶縁ＣＰＵ１０に代えて非絶縁ＣＰＵ１０ａを備え、本体側コネクタ１３に代えて２本の電源線と２本の通信線とが接続された本体側コネクタ１３ａを備え、本体側コネクタ１３ａと絶縁回路１４との間にＲＳ−４８５トランシーバ１５ａを備える点が図１に示すインバータ装置本体１と異なる。

操作パネル２ａは、操作パネル側コネクタ２１に代えて２本の電源線と２本の通信線とが接続された操作パネル側コネクタ２１ａを備え、ＩＯエキスパンダＩＣ２０に代えて主回路から絶縁された絶縁ＣＰＵ２０ａを備え、絶縁ＣＰＵ２０ａには発振子２０１ａ及びリセット回路２０２ａが接続されており、操作パネル側コネクタ２１ａと絶縁ＣＰＵ２０ａとの間にＲＳ−４８５トランシーバ２９ａを備え、Ｄフリップフロップ回路２６及び積分型ＡＤ変換器２８を備えていない点が図１に示す操作パネル２と異なる。

ケーブル３ａは、通信線３３，３４，３５に代えて通信線３３ａ，３４ａを備える点が図１に示すケーブル３と異なる。通信線３３ａ，３４ａは、ＲＳ−４８５トランシーバ１５ａとＲＳ−４８５トランシーバ２９ａとが通信するための通信線であり、半二重通信で送受信の差動信号を用いた例である。

非絶縁ＣＰＵ１０ａは、ＲＳ−４８５トランシーバ１５ａでＵＡＲＴとＲＳ−４８５通信への信号変換を行う。ＲＳ−４８５トランシーバ１５ａは、非絶縁ＣＰＵ１０ａからの送信イネーブル信号で送信許可されるとＲＳ−４８５トランシーバ２９ａへ送信が可能となる。また、ＲＳ−４８５トランシーバ２９ａは、絶縁ＣＰＵ２０ａからの送信イネーブル信号で送信許可されるとＲＳ−４８５トランシーバ１５ａへ送信が可能となる。インバータ装置本体１ａと操作パネル２ａとの間の通信は、ＲＳ−４８５トランシーバ１５ａとＲＳ−４８５トランシーバ２９ａとの間で行う。ＲＳ−４８５トランシーバ２９ａは、ＵＡＲＴとＲＳ−４８５通信への信号変換を行う。図４の通信線３３ａ、３４ａは半二重通信の場合の例であり、全二重通信をする場合は通信線が４本になる。

このように、図４に示す構成によってもインバータ装置本体側で絶縁が確保された着脱可能な操作パネルを備えるインバータ装置を実現することは可能である。しかしながら、図４に示す構成では、操作パネル２ａに絶縁ＣＰＵ２０ａ、発振子２０１ａ及びリセット回路２０２ａを要する。すなわち、インバータ装置本体１ａのみならず操作パネル２ａにもＣＰＵ、発振子及びリセット回路を要する。また、インバータ装置本体１ａ及び操作パネル２ａの双方にＲＳ−４８５トランシーバを要する。すなわち、図４に示す構成では、絶縁ＣＰＵ２０ａ、ＲＳ−４８５トランシーバ１５ａ及びＲＳ−４８５トランシーバ２９ａが必須であるため、製造コストが高い、という問題がある。

そこで、本実施の形態によれば、本体から着脱可能な操作パネルと本体の主回路との絶縁が確保された構成を低コストに実現することができる。

図２は、図１に示すダイヤル２５とＤフリップフロップ回路２６の回路図の一例を示す図である。ダイヤル２５が、周波数指令及びパラメータの設定値をダイヤル２５に含まれる位相エンコーダが出力する位相エンコーダ信号であるＡ信号及びＢ信号によって設定値を変更する場合には、Ｄフリップフロップ回路２６にもＡ信号及びＢ信号を入力し、ダイヤル２５の方向を決める信号としてＤフリップフロップ回路２６の出力信号を用いる。

図３は、図２に示すＡ信号、Ｂ信号及びＱ信号の一例を示す図である。図２に示すダイヤル２５は、クリック安定点で回転が安定し、図３においてはＢ信号の立ち上がりエッジがクリック安定点である。Ｂ信号がＤフリップフロップ回路２６のクロック入力ＣＫに入力され、Ａ信号がＤフリップフロップ回路２６の入力Ｄに入力された場合、ダイヤル２５が時計方向に回転するとＡ信号はＨであり、反時計方向に回転するとＡ信号はＬである。そのため、Ｄフリップフロップ回路２６の出力Ｑでダイヤル２５の方向の判別が可能である。ダイヤル２５の回転数を２０パルス／１回転とする場合には、マニュアル操作によりダイヤル２５を１秒間で４回転できると仮定すると、Ａ信号のパルス１周期の周期Ｔは、Ｔ＝１／（２０×４）＝１２．５ｍｓである。従って、この周期Ｔよりも早い時間にＩＯエキスパンダＩＣ２０で信号をサンプリングすると、ダイヤル２５の変化を検出することが可能である。

本実施の形態によれば、インバータ装置の主回路電位から絶縁されていない非絶縁ＣＰＵを備えるインバータ装置本体と、インバータ装置本体の主回路電位から絶縁され、ＣＰＵ非搭載の着脱可能な操作パネルとを備えるインバータ装置を低コストで得ることができる。

本実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１ａ インバータ装置本体、２，２ａ 操作パネル、３，３ａ ケーブル、４，４ａ インバータ装置、１０，１０ａ 非絶縁ＣＰＵ、１１ 非絶縁電源、１２ 絶縁電源、１４ 絶縁回路、１３，１３ａ 本体側コネクタ、１５ａ，２９ａ ＲＳ−４８５トランシーバ、１６，２０１ａ 発振子、１７，２０２ａ リセット回路、２０ ＩＯエキスパンダＩＣ、２０ａ 絶縁ＣＰＵ、２１，２１ａ 操作パネル側コネクタ、２２ ボタンスイッチ、２３ ７セグメントＬＥＤ、２４ ＬＥＤ、２５ ダイヤル、２６ Ｄフリップフロップ回路、２７ 操作つまみ、２８ 積分型ＡＤ変換器、３１，３２ 電源線、３３，３３ａ，３４，３４ａ，３５ 通信線、２００ 入出力インターフェース。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、インバータ装置本体と、操作パネルとを備えるインバータ装置であって、前記インバータ装置本体は、主回路電位と非絶縁である非絶縁ＣＰＵを備え、前記操作パネルは、受信信号に応じた電圧を出力ポートに出力し、入力ポートに入力された電圧をデジタル信号として送信する信号中継ＩＣと、前記信号中継ＩＣに接続された前記出力ポート及び前記入力ポートを含む入出力インターフェースとを備え、前記非絶縁ＣＰＵと前記信号中継ＩＣとは、絶縁回路を介してＳＰＩ接続され、前記非絶縁ＣＰＵは、前記信号中継ＩＣを介して前記入出力インターフェースの入力状態の認識及び出力の制御を行うことを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、インバータ装置本体と、操作パネルとを備えるインバータ装置であって、前記インバータ装置本体は、主回路電位と非絶縁である非絶縁ＣＰＵと、前記操作パネルとの接続部であるインバータ装置本体側コネクタと、前記非絶縁ＣＰＵと前記インバータ装置本体側コネクタとの間に配された絶縁回路とを備え、前記操作パネルは、受信信号に応じた電圧を出力ポートに出力し、入力ポートに入力された電圧をデジタル信号として送信する信号中継ＩＣと、前記信号中継ＩＣに接続された前記出力ポート及び前記入力ポートを含む入出力インターフェースと、前記インバータ装置本体との接続部である操作パネル側コネクタとを備え、前記非絶縁ＣＰＵと前記信号中継ＩＣとは、前記インバータ装置本体側コネクタ、前記操作パネル側コネクタ及び前記絶縁回路を介してＳＰＩ接続され、前記非絶縁ＣＰＵは、前記信号中継ＩＣを介して前記入出力インターフェースの入力状態の認識及び出力の制御を行うことを特徴とする。

Claims (6)

1. インバータ装置本体と、操作パネルとを備えるインバータ装置であって、
   前記インバータ装置本体は、主回路電位と非絶縁である非絶縁ＣＰＵを備え、
   前記操作パネルは、受信信号に応じた電圧を出力ポートに出力し、入力ポートに入力された電圧をデジタル信号として送信する信号中継ＩＣと、前記信号中継ＩＣに接続された前記出力ポート及び前記入力ポートを含む入出力インターフェースとを備え、
   前記非絶縁ＣＰＵと前記信号中継ＩＣとは、前記絶縁回路を介してＳＰＩ接続され、
   前記非絶縁ＣＰＵは、前記信号中継ＩＣを介して前記入出力インターフェースの入力状態の認識及び出力の制御を行うことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記本体側コネクタと前記操作パネル側コネクタとを接続するケーブルを備えることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記絶縁回路は、フォトカプラを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記入出力インターフェースは、入力部であるボタンスイッチ、ダイヤル及び操作つまみ、並びに出力部である７セグメントＬＥＤ及びＬＥＤのいずれか１つ又は複数を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
5. 前記入出力インターフェースは、操作つまみ及び前記操作つまみに接続された積分型ＡＤ変換器を含み、
   前記操作つまみは、周波数指令を設定するアナログ電圧を出力し、
   前記積分型ＡＤ変換器は、前記アナログ電圧の大きさをパルス幅に変換して前記信号中継ＩＣに出力し、
   前記非絶縁ＣＰＵは、前記信号中継ＩＣに入力された前記パルス幅から前記アナログ電圧の大きさを推定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
6. 前記入出力インターフェースは、ダイヤル及び前記ダイヤルに接続されたＤフリップフロップ回路を含み、
   前記ダイヤルは、エンコーダの位相信号を前記Ｄフリップフロップ回路に出力し、
   前記Ｄフリップフロップ回路は、前記ダイヤルの回転方向を前記信号中継ＩＣに出力しつつ、前記位相信号の変化を前記信号中継ＩＣに出力し、
   前記非絶縁ＣＰＵは、前記信号中継ＩＣに入力された前記位相信号から前記ダイヤルの変化量を測定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のインバータ装置。

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