(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変電圧・可変周波数の電力変換器によって駆動される永久磁石式同期モータと、前記同期モータによって駆動される機械装置と、前記同期モータの回転時の誘起電圧を検出することにより、前記同期モータの磁極位置を推定する手段を備え、前記同期モータの負荷の不平衡分を乗りかごの荷重検出器出力から検出し、不平衡負荷の場合は、前記同期モータを停止保持するブレーキを開放してフリーランに移行し、前記同期モータの回転に伴い発生する誘起電圧のゼロクロス点から磁極位相を検出し、また平衡負荷の場合は、ブレーキを開放した後に低周波電圧をモータに印加することにより起動し、モータが所定の速度に達した時点で電圧印加を停止して前記フリーランに移行し、前記同期モータの回転に伴い発生する誘起電圧のゼロクロス点から磁極位置を検出し、前記同期モータを制御することを特徴とする永久磁石式同期モータで駆動されるエレベータの起動方法。
【請求項２】
請求項１において、磁極位置検出後は、モータに低周波電圧を印加し、モータを停止することなく最寄り階へ移動することを特徴とする永久磁石式同期モータで駆動されるエレベータの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石式同期モータで駆動されるエレベータの起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型で強力な永久磁石を界磁に使用した同期モータを利用することにより、同期モータおよび同期モータを含む駆動装置の小型化および効率の向上が図られるため、永久磁石式同期モータのエレベータ装置への適用が進みつつある。
【０００３】
同期モータのトルクを制御するには、電流の大きさを制御するだけでなく、同期モータの磁極位置に対応して、電流位相を制御するために同期モータの磁極位置（磁極位相・回転角度）を把握することが必須である。磁極位置の検出には、実用的に磁極位置検出器が用いられる。
【０００４】
磁極位置の検出には、物理的に磁極位置を検出したり、同期モータの誘起電圧から実際の磁極位置を推定する手法がある。特開平１−１２９７９６号公報は後者、すなわち、誘起電圧から磁極位置を推定する方法を開示するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁極位置の検出に、物理的な磁極位置検出器を用いるには、モータ軸端に磁極位置検出器を設けなければならず、取り付けのためにモータに構造上の制約が生じたり、磁極位置検出器の取り付け時にモータ軸と検出軸の位置合わせが必要となる。
【０００６】
同期モータの誘起電圧から実際の磁極位置を推定する場合には、物理的な磁極位置検出器の取付けに伴う欠点は回避できるが、一方、同期モータが停止している時は誘起電圧が発生しないために磁極位置の検出が不可能となる。
【０００７】
本発明の目的は、物理的な磁極位置検出器を設けることなく、磁極位置（磁極位相）の推定を可能にする永久磁石式同期モータを用いたエレベータの起動方法を提案するものである。
【０００８】
さらに、本発明の目的は、エレベータの停止時、すなわち同期モータが停止している起動時においても磁極位置を検出できる永久磁石式同期モータを用いたエレベータの起動方法を提案するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、可変電圧・可変周波数の電力変換器によって駆動される永久磁石式同期モータと、前記同期モータによって駆動される機械装置と、前記同期モータの回転時の誘起電圧を検出することにより、前記同期モータの磁極位置を推定する手段を備え、前記同期モータを停止位置に保持するブレーキを開放した後に、低周波電圧を前記同期モータに印加することにより起動し、前記同期モータが所定の速度に達した時点で電圧印加を停止してフリーランに移行し、前記同期モータの回転に伴い発生する誘起電圧のゼロクロス点から磁極位置を検出し、前記同期モータを制御するものである。
【００１０】
さらに本発明は、可変電圧・可変周波数の電力変換器によって駆動される永久磁石式同期モータと、前記同期モータによって駆動される機械装置と、前記同期モータの回転時の誘起電圧を検出することにより、前記同期モータの磁極位置を推定する手段を備え、前記同期モータの負荷の不平衡分を乗りかごの荷重検出器出力から検出し、不平衡負荷の場合は、前記同期モータを停止保持するブレーキを開放してフリーランに移行し、前記同期モータの回転に伴い発生する誘起電圧のゼロクロス点から磁極位相を検出し、また平衡負荷の場合は、ブレーキを開放した後に低周波電圧をモータに印加することにより起動し、モータが所定の速度に達した時点で電圧印加を停止して前記フリーランに移行し、前記同期モータの回転に伴い発生する誘起電圧のゼロクロス点から磁極位置を検出し、前記同期モータを制御するものである。
【００１１】
さらに、本発明は可変電圧・可変周波数の電力変換器によって駆動される永久磁石式同期モータと、前記同期モータによって駆動される機械装置と、前記同期モータの回転時の誘起電圧を検出することにより、前記同期モータの磁極位置を推定する手段を備え、前記同期モータに電圧を印加することなく前記同期モータを停止保持するブレーキを開放してフリーランに移行し、開放の結果、前記同期モータが回転する場合には、前記同期モータの回転に伴い発生する誘起電圧のゼロクロス点から磁極位置を検出し、また回転しない場合には低周波電圧を印加することにより起動し、前記同期モータが所定の速度に達した時点で電圧印加を停止してフリーランに移行し、前記同期モータの回転に伴い発生する誘起電圧のゼロクロス点から磁極位置を検出し、前記同期モータを制御するものである。
【００１２】
速度検出器からの信号による回転位置の検出は、同期モータ停止時にもその値を保持させておき、次の起動はこの値を磁極位相として利用することもできる。また、磁極位相検出後は、同期モータに低周波電圧を印加し、同期モータを停止することなく最寄り階へ移動することもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１ないし図４を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係わる永久磁石式同期モータの制御装置を適用したエレベータ装置の一例を示すブロック線図である。かご１１およびカウンタウエイト１２は、ロープ１３の両端にそれぞれ吊り下げられ、ロープ１３は、永久磁石式同期モータ５１の回転軸に固定されたシーブ５２に巻きかけられている。
【００１５】
ロープ１３が巻きかけられたシーブ５２，かご１１を制動および停止させるためのブレーキドラム５３，同期モータ５１の回転を検出するエンコーダ５４は、それぞれ永久磁石式同期モータ５１の回転軸に接続される。
【００１６】
制御装置２１は、ブレーキドラム５３を制御するブレーキ装置３１にブレーキ信号を出力し、またエンコーダ５４によって永久磁石式同期モータ５１の回転角度を検出して永久磁石式同期モータ５１への速度制御信号を出力するものである。
【００１７】
このエレベータ装置は、永久磁石式同期モータ５１が駆動されると、シーブ５２が回転し、ロープ１３を介してかご１１、カウンタウエイト１２が図示されていない昇降路内を昇降する。制御装置２１からの指令によりブレーキ装置３１のコイルに電流が流れると、ブレーキドラム５３を押し付けているブレーキシュー３２が解放され、ブレーキがかからない状態になる。エンコーダ５４は、永久磁石式同期モータ５１の回転角度に従ったパルスを出力し、その周波数は永久磁石式同期モータ５１の回転速度に比例する。
【００１８】
図ではエンコーダ５４は、永久磁石式同期モータ５１の軸端に接続したが、同期モータの回転角度に比例したパルス信号を検出することができればよいので、軸端にこだわる必要はない。例えば、エンコーダ５４をシーブ５２の周りに沿わせて装着し、シーブ５２の回転に合わせて信号を得たり、かご１１やカウンタウエイト１２に装着して、その動きに合わせて信号を得てもよい。即ち、エンコーダ５４の信号は、モータの回転角度の絶対値に比例しなくとも、相対的な動きがわかればよい。このため、エンコーダ５４の設置の自由度は増す。
【００１９】
制御装置２１は、インバータ（電力変換器）２１１、速度制御演算部２１３、電流制御演算部２１４、磁極位置推定部２１５を備え、交流電源２２に接続されている。インバータ２１１は、電流制御演算部２１４からの制御信号によってＰＭＷ制御により交流電源２２からの電力を変換して永久磁石式同期モータ５１に可変電圧および可変周波数を出力する。
【００２０】
速度制御演算部２１３は、速度指令２１２による速度指令信号とエンコーダ５４からの回転速度信号との偏差に応じてトルク指令信号を出力する。電流制御演算部２１４は、後述するように、起動電流指令部２１８からの磁極位相の推定を行うための起動電流指令信号を出力するか、またはエレベータ装置の運転時、速度制御演算部２１３からの速度指令信号、エンコーダ５４からの回転速度信号、電流検出器２１７によって検出される電機子電流信号、および磁極位置推定部２１５によって推定される磁極位置信号の各信号に基づいて、インバータ２１１に所定の制御信号を出力する。起動電流指令部２１８からの磁極位相の推定を行うための起動電流指令信号を出力すると、電流制御演算部２１４はインバータ２１１に同期モータ５１へ低周波電圧を供給し、同期モータ５１を低周波で回転させるように動作する。
【００２１】
磁極位置推定部２１５は、後述するように、電流検出器２１７によって検出される電機子電流信号および電圧検出器２１６によって検出された永久磁石式同期モータ５１の端子電圧信号に基づいて磁極位置（磁極位相）を演算する。
【００２２】
起動電流指令部２１８は、エンコーダ５４によって出される磁極位置（磁極位相）を修正する起動電流指令信号を出力し、同期モータ５１を低周波で回転させる。上記のごとく、速度制御を行うには、磁極位置の推定が不可欠である。
【００２３】
なお、上記の磁極位置信号を基準にして永久磁石式同期モータの速度をベクトル制御することは、例えば、「中野道雄他著：サーボ技術とパワーエレクトロニクス（共立出版１９９４年９月発行）１３６頁〜１３７頁」や、「中野孝良著：交流モータのベクトル制御（日刊工業新聞社１９９６年３月発行）５８頁〜５９頁」に記載されているように周知であるので、詳細な動作説明を省略する。
【００２４】
次に、電源投入直後の磁極位置推定の処理手順を図２に示すフローチャートを用いて説明する。
【００２５】
ステップＳ１において、電源２２を投入し、制御電源、主回路電源を確立する。次に、ステップＳ２において、磁極位置の推定を行うモード（位相検出モード）であるか否かを判定する。磁極位置推定モードでなければ通常運転に入る。
【００２６】
磁極位置推定モードであれば、ステップＳ３で制御装置２１はブレーキ３１を解放する。その結果、同期モータ５１にかかる負荷がアンバランスであれば、自然に何れかの方向へ回転を始めるので、同期モータ５１の端子間に図３（Ａ）に示すような誘起電圧が発生する。負荷の大きさ、方向は荷重検出器３５によって検出されるが、アンバランス負荷の場合は起動電流司令部２１８は特別な動作はしない。
【００２７】
同期モータ５１の端子間の電圧、すなわち誘起電圧は、電圧検出器２１６によって検出される。一方エンコーダ５４からのパルス信号は、磁極位置推定部２１５に与えられ積算される。この積算値は、モータの回転速度と１：１に対応するので、磁極の相対位相の演算値と等価である。その結果、図３（Ｅ）に示すような磁極位相の積算値が得られる。
【００２８】
次に、誘起電圧のゼロクロス点を磁極位相の真値と見做して、積算した位相を補正する。この時、電圧検出値は、一般に観測ノイズを含むので、誘起電圧が受ける観測ノイズの影響が十分小さくなる速度敷居値を事前に与えておき、この敷居値を速度が上回った後に位相補正を行う。このようにして同期モータ５１の磁極位置の推定が継続して行われる。その後、磁極位相推定モードをオフし、通常の速度制御が行われる。
【００２９】
同期モータ５１にかかる負荷がバランスしている場合には、ブレーキを３１を解放しても同期モータ５１は回転しない。この場合には、荷重検出器３５は負荷のバランスを検出し、起動電流司令部２１８にその信号を供給する。そこで、起動電流司令部２１８は電流制御演算部２１４を介してインバータに２１１を制御し、同期モータ５１に低周波の交流電流を印加し、周波数を少しづつ増加させることによりモータを回転させる。回転速度が設定値を越えたら電流の印加を停止し、フリーランに移行させる。このフリーラン期間中に、前記の方法により磁極位相を演算する。その後は、通常の運転に入る。
【００３０】
以上のように制御すれば、電源投入直後に磁極位置検出器を用いることなくモータの磁極位置を推定することが可能であり、運転が行われる。初期位置推定モードへは、電源の投入直後であることを認識し、自動的に移行することが出来る。
【００３１】
また、初期位置推定モードへは保守員などの操作により自動で推移してもよい。手動で移行する場合には、初期位置推定モードであることを認識させるため、ボタンなどでそれを押している間だけ初期位置推定を実行させ、ボタンを押すと直ちにブレーキ３１が動作し、かご１１を停止させるようにしても良い。回転角度の演算後は、そのときの指令に従って運転を継続してもよいし、図２のステップＳ８に示すようにブレーキ３１をオンとし、一旦停止してから通常運転を行っても良い。
【００３２】
次に、初期位置を推定後運転中の位置検出方法について説明する。前記のように速度検出器５４からのパルス信号の積分値とモータの回転角度、すなわち磁極位相は１：１に対応するので、磁極位相は速度検出器５４のパルスを積算することによって得られる。停止時はパルスの積算値を記憶装置に保持する。再起動時には保持した磁極位相を用いて運転を再開する。図２のような起動は電源投入直後や事故時など、積算位相が消失したときに行う。
【００３３】
次に、運転中の磁極位置推定の原理について説明する。
【００３４】
はじめに、永久磁石式同期モータ５１の端子電圧（相電圧）をｅｔ  、永久磁石式同期モータ５１での誘起電圧（相電圧）をｅ０、同期インダクタンスをＬ、電機子電流をｉとすると、一般に、下式の関係が得られる。
【００３５】
ｅ０＝ｅｔ−Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）                                                            （数１）
なお、この式では、電機子抵抗はある速度以上では、相対的に小さいので無視しているが、精度を上げるため考慮してもよい。
【００３６】
モータの磁束Φは、数式１から下式のように求められる。
【００３７】
Φ＝∫ｅ０  ｄｔ＝∫ｅｔ  ｄｔ−Ｌｉ                                                    （数２）
数式２から明らかなように、端子電圧ｅｔ  、同期インダクタンスＬ、および電機子電流ｉを知ることができれば、モータの磁束Φの磁極位相を演算によって求めることができる。
【００３８】
図４は、図１に示す磁極位置推定部２１５の構成を示すブロック図であり、電圧検出器２１６によって検出される永久磁石式同期モータ５１の端子電圧ｅｔ  を積分する積分器２１５１、電流検出器２１７によって検出される電機子電流ｉに同期インダクタンスＬをかけ算するゲイン設定器２１５２、数式２に従って磁束Φを演算する加算器２１５３、演算された磁束Φが零クロスする磁極位相の零点を検出する比較器２１５４、永久磁石式同期モータ５１の磁極位置の推定に適した回転速度にあるかを判定する速度判定部２１５４、磁極位置の推定に適した回転速度に達した時、速度判定部２１５５からの指令により閉成されるスイッチ２１５６、上述の電源投入直後の処理の結果得られて記憶されている磁極位置の初期値に、エンコーダ５４からのパルス信号を回転方向によって積分（加算または減算）して磁極位置信号を出力するとともに、比較器２１５４からの零クロス信号が出力される毎に、積分値が修正された磁極位置信号を出力する積分器２１５７とから構成されている。
【００３９】
ここで、エレベータ装置の運転時、磁極位置推定部２１５は、電圧検出器２１６を介して端子電圧ｅｔ 、および電流検出器２１７を介して電機子電流ｉを検出する。
【００４０】
検出された端子電圧ｅｔ  は積分器２１５１で積分され、また検出された電機子電流ｉはゲイン設定器２１５２によって同期インダクタンスＬがかけ算され、それぞれの出力は、数式３に従って、加算器２１５３において加算される。
【００４１】
加算器２１５３からは磁束Φが出力され、その出力はさらに、比較器２１５４において零クロスする磁極位相の零点が検出され、零クロス信号が出力される毎に、積分器２１５７の積分値が修正された磁極位置信号が出力される。この修正により、エンコーダ５４からのパルス信号にノイズなどが入り、それを誤積分した誤った磁極位置信号の出力を出し続けるのを防止することができる。
【００４２】
上記のごとく、本実施形態では、エレベータ装置の運転中の電極位置の推定は、電源投入直後の処理によって推定された電極位置を初期値として、その初期値をエンコーダ５４からのパルス信号を回転方向によって積分（加算または減算）して得られる運転中の電極位置を、別途演算によって得られる磁束Φに基づく零クロス信号によって修正しようとするものである。
【００４３】
本実施形態によれば、極低速度から定格速度まで、速度に無関係に磁極位置の推定演算ができる。
【００４４】
なお、エレベータ装置の停止時は、これまで積分器２１５７によって積分された値を記憶すればよい。そして、次の起動時には、この記憶した値を磁極位置に対応させて運転を開始することができる。
【００４５】
従って、電源投入直後の磁極位置の推定は、積分器２１５７における積分した値が記憶されなくなった時だけ行なえばよい。このため、例えば、エレベータの運転を休止する時は、主回路電源だけを遮断し、積分器２１５７を活かしておけばよい。さらに、長期間停止する時などは、積分値だけを不揮発メモリに記憶しておき、次に運転する時にこの値を利用すればよい。
【００４６】
なお、本実施形態の、上記の磁極位置の修正は零クロス点ではなく、そのときの磁束信号そのものを利用してもよい。また、磁極位相の演算も、３相交流であることを利用し、３つの電圧の互いの大きさから位相を測定してもよい。
【００４７】
また、磁極位置推定部２１５をハード回路で構成したが、無論、マイコンなどによってソフト的で行なってもよい。さらに、端子電圧ｅｔ  の検出を主回路の端子電圧を検出して行なうようにしたが、インバータ２１１を制御する信号から得ることもできる。即ち、電流制御演算部２１４からインバータ２１１への制御信号は後述するように電圧指令信号であり、この信号は端子電圧ｅｔ  に比例するので、インバータ２１１への制御信号を用いてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
上記のごとく、本発明によれば、永久磁石式同期モータの制御に必要な磁極位置の推定に、物理的絶対磁極位置を検出するための磁極位置検出器を使用しないので、モータ、マシンの設計の自由度が大きくなり、また、磁極位置検出器を使用しないため、メンテナンスが容易でコストの低減が可能となる。
【００４９】
また、負荷がアンバランスであっても、バランスしているときでもそれぞれ適切な制御ができる。さらに、起動時には容易に磁極位置を推定できるとともに、運転中は磁極位置を修正する機能を設けたので、高精度の磁極位置の推定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる永久磁石式同期モータの制御装置を適用したエレベータ装置の一例を示す図である。
【図２】電源投入直後の磁極位置推定の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】電源投入直後の磁極位置推定を説明するための図である。
【図４】図１に示す磁極位置推定部２１５の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
２１…制御装置、２１１…インバータ、２１２…速度指令、２１３…速度制御演算部、２１４…電流制御演算部、２１５…磁極位置推定部、２１５１…積分器、２１５２…レベル設定器、２１５３…加算器、２１５４…比較器、２１５５…速度判定部、２１５７…積分器、２１８…起動電流指令部、２２…電源、３１…ブレーキ装置、５１…永久磁石式同期モータ、５３…ブレーキドラム、５４…エンコーダ。
【図１】
0003569164.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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