(57)【要約】【課題】  制御定数の細かな設定を不要化し、かつ、制御遅れを防止して目標停止位置に停止させることのできる同期電動機の制御装置を提供する。【解決手段】  所定の角度だけ互いに位相の異なる交流電圧指令に従って電力変換手段（２８）が同期電動機（１）に交流電力を供給し、位相検出手段（８）が同期電動機の回転子の位相角を検出すると、座標変換演算手段（２７）は位相検出手段によって検出された位相角、同期電動機のトルク電圧指令及び磁束電圧指令に基づいて交流電圧指令を演算し、位相検出手段によって検出された回転子の位相角が回転子を停止させる位置に一致した時点で、電圧指令保持手段（２９）が交流電圧指令をこの時点の値に保持する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の角度だけ互いに位相の異なる交流電圧指令に従って同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、
前記同期電動機の回転子の位相角を検出する位相検出手段と、
前記位相検出手段によって検出された位相角、前記同期電動機のトルク電圧指令及び磁束電圧指令に基づいて前記交流電圧指令を演算する座標変換演算手段と、
前記位相検出手段によって検出された回転子の位相角が、前記回転子を停止させる位置に一致した時点で、前記交流電圧指令をこの時点の値に保持する電圧指令保持手段と、
を備えた同期電動機の制御装置。
【請求項２】
前記同期電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記同期電動機の回転速度の指令値と検出値との差を演算し、この差に対して所定の演算処理を実行してトルク電流指令を出力するトルク電流演算手段と、
前記回転速度の指令値に関連する値に対して所定の演算処理を実行して磁束電流指令を出力する磁束電流演算手段と、
前記同期電動機に供給される各相の電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段によって検出された各相の電流からトルク電流成分及び励磁電流成分を演算する電流変換手段と、
演算されたトルク電流指令に対するトルク電流成分の差と、磁束電流指令に対する磁束電流成分の差とを演算すると共に、これらの差に所定の演算処理を実行してトルク電圧指令及び磁束電圧指令を出力する電圧指令演算手段と、
を備えた請求項１に記載の同期電動機の制御装置。
【請求項３】
前記電圧指令保持手段は、前記位相検出手段から前記座標変換手段に加えられる位相角を、前記回転子を停止させる値に保持する停止位相出力演算手段である請求項２に記載の同期電動機の制御装置。
【請求項４】
前記停止位相出力手段が位相角を保持する動作に併せて、前記トルク電流演算手段から前記電圧指令演算手段に加えられるトルク電流指令を、それぞれ負荷に関連する大きさにて、その極性を負から正に切り換えて、正の値に保持する停止トルク電流出力手段を備えた請求項３に記載の同期電動機の制御装置。
【請求項５】
前記停止トルク電流出力手段は、トルク電流指令を、その極性を負から正に切り換えるとき、ランプ関数状に切り換える請求項４に記載の同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子を所定の位置に停止させる同期電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機を駆動源とし、駆動対象を所定の位置に停止させる装置として、例えば、図１１に示すエレベータの制御装置がある。同図において、同期電動機１がプーリ３の軸に、図示省略の減速機を介して、機械的に連結されており、この同期電動機１は電力変換部２によって制御される。プーリ３にはロープ４が巻き掛けられ、このロープ４の一端にかご５が結合され、他端に釣り合い錘６が結合されている。かご５の位置を検出するためにパルスカウンタ７が設けられ、このパルスカウンタ７の位置検出信号に基づいて電力変換部２が同期電動機１を制御することによって、かご５を停止目標位置に停止させる構成になっている。
【０００３】
図１２は位置制御及び速度制御が有効に動作するように制御定数を設定する従来の同期電動機の制御装置の概略構成図である（例えば、特許文献１参照。）。図中、図１１と同一の符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。ここで、減算器１１はかご５を停止させるべき位置指令Ｘ＊からパルスカウンタ７の位置信号θを減算してその差分を位置制御器１２に加える。位置制御器１２はその入力に対して、例えば、ＰＩ演算を実行して回転速度指令Ｖ＊として減算器１４に加える。また、微分器１３はパルスカウンタ７の位置信号θを微分して回転速度信号を出力して減算器１４に加える。減算器１４は回転速度指令Ｖ＊から微分器１３の回転速度信号を減算してその差分を速度制御器１５に加える。速度制御器１５はその入力に対して、例えば、ＰＩ演算を実行してトルク電流指令Ｉｑ＊として電力変換部２に加える。電力変換部２はトルク電流指令Ｉｑ＊と、別途に加えられる磁束電流指令Ｉｄ＊とに基づいて同期電動機１を制御する。これによって、かご５は停止目標位置で速度がゼロになるように制御される。
【特許文献１】特開２０００−１９７３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１２に示した従来の同期電動機の制御装置においては、位置制御器１２及び速度制御器１５が有効に動作するように複数の制御定数を細かく設定しなければならず、また、制御遅れ等が発生しやすいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、制御定数の細かな設定を不要化し、かつ、制御遅れを防止して目標停止位置に停止させることのできる同期電動機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、
所定の角度だけ互いに位相の異なる交流電圧指令に従って同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、
同期電動機の回転子の位相角を検出する位相検出手段と、
位相検出手段によって検出された位相角、同期電動機のトルク電圧指令及び磁束電圧指令に基づいて交流電圧指令を演算する座標変換演算手段と、
位相検出手段によって検出された回転子の位相角が、回転子を停止させる位置に一致した時点で、交流電圧指令をこの時点の値に保持する電圧指令保持手段と、
を備えた同期電動機の制御装置である。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の同期電動機の制御装置において、
同期電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
同期電動機の回転速度の指令値と検出値との差を演算し、この差に対して所定の演算処理を実行してトルク電流指令を出力するトルク電流演算手段と、
回転速度の指令値に関連する値に対して所定の演算処理を実行して磁束電流指令を出力する磁束電流演算手段と、
同期電動機に供給される各相の電流を検出する電流検出手段と、
電流検出手段によって検出された各相の電流からトルク電流成分及び励磁電流成分を演算する電流変換手段と、
演算されたトルク電流指令に対するトルク電流成分の差と、磁束電流指令に対する磁束電流成分の差とを演算すると共に、これらの差に所定の演算処理を実行してトルク電圧指令及び磁束電圧指令を出力する電圧指令演算手段と、
を備えたものである。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の同期電動機の制御装置において、電圧指令保持手段は、位相検出手段から座標変換手段に加えられる位相角を、回転子を停止させる値に保持する停止位相出力演算手段である。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の同期電動機の制御装置において、停止位相出力手段が位相角を保持する動作に併せて、トルク電流演算手段から電圧指令演算手段に加えられるトルク電流指令を、それぞれ負荷に関連する大きさにて、その極性を負から正に切り換えて、正の値に保持する停止トルク電流出力手段を備えたものである。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の同期電動機の制御装置において、停止トルク電流出力手段は、トルク電流指令を、その極性を負から正に切り換えるとき、ランプ関数状に切り換えるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は上記の構成により、制御定数の細かな設定を不要化し、かつ、制御遅れを防止して目標停止位置に停止させることのできる同期電動機の制御装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る同期電動機の制御装置の第１の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図中、同期電動機１は図１０に示したエレベータのプーリ３を回転駆動するものであり、その回転子位置を検出する位相検出器８の回転子位相角θを入力してトルク電流指令Ｉｑ＊及び磁束電流指令Ｉｄ＊を演算する上位制御部２Ａと、位相検出器８の回転子位相角θ、同期電動機１の各相電流を検出する三相交流電流検出器９の電流検出値、演算されたトルク電流指令Ｉｑ＊及び磁束電流指令Ｉｄ＊に基づいて、同期電動機１に供給する交流電流を制御する電力変換部２Ｂとで構成されている。
【００１３】
図２は上位制御部２Ａ及び電力変換部２Ｂを併せて電力変換器２０Ａとしてその詳細な構成を示したブロック図であり、図１と同一の符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。ここでは、外部からの指令に基づいて回転速度指令ωを演算する回転速度演算器２３にトルク電流演算器２４ａが接続されている。このトルク電流演算器２４ａは回転速度指令ωから、位相検出器８の回転子位相角θを微分して回転速度信号を出力する回転速度検出手段としての微分器２２の出力である速度フィードバック信号を減算し、その差分に対して例えばＰＩ演算を実行してトルク電流指令Ｉｑ＊を出力するものである。また、トルク電流指令Ｉｑ＊に関連させて、予め定められた演算処理を行って磁束電流指令Ｉｄ＊を出力する磁束電流演算器２４ｂを備えている。一方、三相交流電流検出器９で検出された三相交流電流をｄｑ座標（回転座標）のトルク電流成分Ｉｑと磁束電流成分Ｉｄとに変換する座標変換演算器２５を備えている。
【００１４】
トルク電流演算器２４ａにトルク電圧演算器２６ａが接続され、磁束電流演算器２４ｂに磁束電圧演算器２６ｂが接続されている。このうち、トルク電圧演算器２６ａはトルク電流演算器２４ａの出力であるトルク電流指令Ｉｑ＊から座標変換演算器２５の出力であるトルク電流成分Ｉｑを減算し、例えば、ＰＩ演算を実行してトルク電圧指令を出力して座標変換演算器２７に加えるものであり、磁束電圧演算器２６ｂは磁束電流演算器２４ｂの出力である磁束電流指令Ｉｄ＊から座標変換演算器２５の出力である磁束電流成分Ｉｄを減算し、例えば、ＰＩ演算を実行して磁束電圧指令を出力して座標変換演算器２７に加えるものである。
【００１５】
座標変換演算器２７はそれぞれ直流電圧として加えられるトルク電圧指令及び磁束電圧指令を合成し、切替スイッチ２９Ｘを介して加えられる回転子位相角θに従って三相電圧指令を出力してスイッチング素子群２８に加えるものである。この場合、三相電圧指令の位相を固定する電圧指令保持手段として停止位相出力演算器２９が設けられ、切替スイッチ２９Ｘを切り換えることによって、回転子位相角θの代わりに目標停止位相が座標変換演算器２７に加えられる。本発明の電力変換手段としてのスイッチング素子群２８は、それぞれ環流用ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等のスイッチング素子がブリッジ接続され、図示省略のドライバを介して、これらのスイッチング素子をオン、オフ制御することによって可変電圧可変周波数の交流電圧を同期電動機１に供給するものである。
【００１６】
上記のように構成された第１の実施形態の動作について、図３ないし図５を参照してその原理を説明した後で説明することとする。一般に同期電動機の磁束電流、回転磁束及び位相基準（トルク）は図３に示す関係にあり、その回転中は起磁力に対して回転磁束は９０度進み、この回転磁束に対してトルクはさらに９０度進んだ位相差を持っている。従って、磁束位相とトルク位相とは図４のタイムチャートに示す関係にある。本実施形態は図５（ａ）に示すようにトルク位相を停止させたい位相、例えば、１８０°に固定することによって、磁束位置がトルク位相に近づき、その差がゼロになる間に推力Ｆをゼロにして最終的に磁力の吸引力によって回転子を停止させるものである。図５（ｂ）はトルク電流指令Ｉｑ＊が負の値で実際にブレーキ力が作用している状態、すなわち、回転子を停止させやすい状態にあることを示し、時刻ｔ１にてトルク位相が１８０°に固定されると、推力Ｆは図５（ｃ）に示すように正弦関数に従って絞られ、時刻ｔ２にてゼロにされると共に、ブレーキ力もゼロになって磁束の吸引力によって回転子がその位置に固定される。
【００１７】
図１及び図２に示した実施形態は上記の原理を利用したもので、回転速度演算器２３から出力される回転速度指令ωがトルク電流演算器２４ａに入力されると、微分器２２から出力される回転速度と突き合わされ、その偏差分に対してＰＩ演算が実行され、トルク電流指令Ｉｑ＊がトルク電圧演算器２６ａに加えられる。座標変換演算器２５は三相交流電流検出器９によって検出された三相交流電流をｄｑ座標のトルク電流成分Ｉｑと磁束電流成分Ｉｄとに変換する。トルク電圧演算器２６ａはトルク電流指令Ｉｑ＊からトルク電流成分Ｉｑを減算し、その偏差分にＰＩ演算処理を施してｄｑ座標のトルク電圧指令を出力し、磁束電圧演算器２６ｂは磁束電流指令Ｉｄ＊から磁束電流成分Ｉｄを減算し、その偏差分にＰＩ演算処理を施してｄｑ座標の磁束電圧指令を出力する。
【００１８】
通常の速度制御時は切替スイッチ２９Ｘは図示した接続状態にあり、位相検出器８で検出された回転子位相角θが座標変換演算器２７に加えられる。座標変換演算器２７はこれに加えられたｄｑ座標のトルク電圧指令及び磁束電圧指令を合成して振幅の大きさを決定し、回転子位相角θの変化に応じて互いに位相が１２０°ずれた三相電圧指令を出力する。スイッチング素子群２８は三相電圧指令に応じたオン、オフ信号を生成すると共に、ブリッジ接続されたスイッチング素子を所定の順序でオン、オフ制御することによって、回転速度演算器２３の回転速度指令ωに応じた周波数と大きさを有する三相交流電圧を同期電動機１に供給する。
【００１９】
停止位相出力演算器２９は同期電動機１を停止させたい目標位相を演算するもので、この停止位相出力演算器２９で演算された目標位相と、位相検出器８で検出された回転子位相角θとが一致した時点で切替スイッチ２９Ｘを停止位相出力演算器２９側に切替接続する。これによって、座標変換演算器２７に入力される位相が固定されると共に、座標変換演算器２７が出力する三相交流電圧指令が固定され、同期電動機１は停止位相出力演算器２９で演算された位相で停止する。そのとき、ブレーキ力が発生するトルク電流指令Ｉｑ＊＜０が加えられていたとしても、回転磁束との位相差が小さくなるため、固定された位相指令と回転磁束の位相の差がゼロとなり、最終的にブレーキ力はゼロになる。また、磁力による吸引力でその位置が固定される。
【００２０】
かくして、図１ないし図５を用いて説明した第１の実施形態によれば、同期電動機を停止させる際に、制御定数の細かな設定を不要化し、かつ、制御遅れを防止して目標停止位置に停止させることができる。
【００２１】
図６は本発明に係る同期電動機の制御装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、図２に示す第１の実施形態と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここに示した電力変換器２０Ｂは第１の実施形態で目標位相に停止できない場合があり得ることを想定して、停止トルク電流出力装置３０Ａ及び切替スイッチ３０Ｘを新たに設けた点が第１の実施形態と構成を異にし、これ以外は全て第１の実施形態と同一に構成されている。
【００２２】
ここで、停止トルク電流出力装置３０Ａは、それぞれ負荷に関連する大きさにて、その極性を負から正に切り換えて、正の値に保持するようなトルク電流指令を出力するものであり、切替スイッチ３０Ｘは、停止位相出力演算器２９の目標停止位相が座標変換演算器２７に切替入力されることに併せて、トルク電流演算器２４ａから出力されるトルク電流指令Ｉｑ＊の代わりに停止トルク電流出力装置３０Ａのトルク電流指令をトルク電圧演算器２６ａに切替入力するものである。
【００２３】
上記のように構成された第２の実施形態の動作について、特に図２と構成を異にする部分について、図７及び図８をも参照して以下に説明する。同期電動機１を停止させるために、図７（ａ）に示した如く、トルク電流指令Ｉｑ＊が０に近い負の値にあるとき、回転速度指令ωは、同図（ｂ）に示した如く、比較的大きな時間変化率でゼロに降下せしめられる。このとき、磁束位相と位相基準（トルク）は、同図（ｃ）に示した如く、互いに９０°の位相差をもって時間間隔が広がるように変化する。ここで、時刻ｔ１において、検出位相θの代わりに停止位相出力演算器２９の停止目標位相、すなわち、位相基準指令が切替入力されたとする。このとき、トルクが０になっていたにも拘わらず速度が０にならない可能性もある。その際、負のトルク電流を流している状態で回転子が９０°以上回転してしまうと、図示したように転動することになる。図６に示す第２の実施形態は、このような転動を防止するために、停止位相出力演算器２９の停止目標位相を座標変換演算器２７に加えることに同期させて、切替スイッチ３０Ｘを停止トルク電流出力装置３０Ａ側に切り換える。停止トルク電流出力装置３０Ａは図８（ａ）に示すように、正のトルク電流指令を出力するもので、これによってトルク電流指令が負の値から正の値に切替えられ、回転子が９０°以上回転することが抑制されて確実な停止が行われる。
【００２４】
かくして、第２の実施形態によれば、同期電動機を停止させる際に、制御定数の細かな設定を不要化し、かつ、制御遅れを防止して目標停止位置に確実に停止させることができる。
【００２５】
図９は本発明に係る同期電動機の制御装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、図６に示す第２の実施形態と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここに示した電力変換器２０Ｃは第２の実施形態を構成する停止トルク電流出力装置３０Ａの代わりに、その極性を負から正に切り換えるとき、ランプ関数状に切り換える停止トルク電流出力装置３０Ｂを設けた点が第２の実施形態と構成を異にし、これ以外は全て第２の実施形態と同一に構成されている。
【００２６】
上記のように構成された第３の実施形態の動作について、特に、図６と構成を異にする部分について、図８及び図１０をも参照して以下に説明する。図６に示した第２の実施形態においては、図８（ａ）に示したように、トルク電流指令が負の値から正の値に切り替わったとき、加速度が０に向かう途中の過程で、嘴状に変化する大きな加速度変動が発生する。停止トルク電流出力装置３０Ｂはこの加速度変動を抑制するために、ブレーキ力を発生させるようにトルク電流指令を負の値まで低下させた段階でその大きさがランプ関数状に変化し、その後、正の一定値に保持するトルク電流指令を出力する。これによって、図１０（ａ）に示したように、トルク電流指令がランプ状に変化する間の加速度の変化率が低く抑えられ衝撃を伴う停止状況を回避することができる。
【００２７】
かくして、第３の実施形態によれば、同期電動機を停止させる際に、制御定数の細かな設定を不要化し、かつ、制御遅れを防止して目標停止位置に確実に停止させることができるという効果に加えて、停止時の加速度変動を抑制することができるという効果も得られる。
【００２８】
なお、上述した各実施形態ではエレベータを駆動する同期電動機の制御装置について説明したが、本発明はこれに適用を限定されるものではなく他の機器を駆動する同期電動機にも適用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る同期電動機の制御装置の第１の実施形態の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した第１の実施形態の詳細な構成を示すブロック図。
【図３】本発明の原理を説明するために、起磁力、磁束、位相基準の関係を示したベクトル図。
【図４】本発明の原理を説明するために、トルク位相の時間推移を示した図。
【図５】本発明の原理を説明するために、位相、トルク電流指令及び推力の関係を示したタイムチャート。
【図６】本発明に係る同期電動機の制御装置の第２の実施形態の詳細な構成を示すブロック図。
【図７】第２の実施形態の動作を説明するために、電流指令の符号切換を行わなかった場合の電流指令、加速度、速度及び位相の関係を示したタイムチャート。
【図８】第２の実施形態の動作を説明するために、電流指令の符号切換を行った場合の電流指令、加速度、速度及び位相の関係を示したタイムチャート。
【図９】本発明に係る同期電動機の制御装置の第３の実施形態の詳細な構成を示すブロック図。
【図１０】第３の実施形態の動作を説明するために、電流値をランプ関数状に切り替えた場合の電流指令、加速度、速度及び位相の関係を示したタイムチャート。
【図１１】本発明の適用対象として示したエレベータの概略構成図。
【図１２】位置制御及び速度制御が有効に動作するように制御定数を設定する従来の同期電動機の制御装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００３０】
１  同期電動機
２，２Ｂ  電力変換部
２Ａ  上位制御部
８  位相検出器
９  三相交流電流検出器
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  電力変換器
２２  微分器
２３  回転速度演算器
２４ａ  トルク電流演算器
２４ｂ  磁束電流演算器
２５  座標変換演算器
２６ａ  トルク電圧演算器
２６ｂ  磁束電圧演算器
２７  座標変換演算器
２８  スイッチング素子群
２９  停止位相出力演算器
２９Ｘ，３０Ｘ  切替スイッチ
３０Ａ，３０Ｂ  停止トルク電流出力装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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