(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置から出力される可変電圧および可変周波数によって制御される永久磁石式同期モータ、および該永久磁石式同期モータによって駆動される機械装置における永久磁石式同期モータの制御装置において、
前記機械装置の運転時、前記永久磁石式同期モータの回転角度に従ったパルス信号を積分して得た磁極位置に基づいて、前記電力変換装置を制御し、
前記積分して得た磁極位置は、前記永久磁石式同期モータの回転時に誘起される電圧または電圧指令信号を演算して得られる磁極位相により修正されるとともに、
前記電力変換装置から前記可変電圧および前記可変周波数を出力しない状態において、前記機械装置の停止を保持するブレーキ装置を解除し、該解除に伴う前記永久磁石式同期モータの回転時に誘起される電圧に基づいて前記磁極位置の初期値を検出することを特徴とする永久磁石式同期モータの制御装置。
【請求項２】
請求項１において、前記磁極位置の前記初期値の検出は、前記検出された誘起電圧を演算して磁束を求め、該磁束の零クロス位置から求めることを特徴とする永久磁石式同期モータの制御装置。
【請求項３】
請求項１ないし請求項２のいずれか１つの請求項において、前記磁極位置の前記初期値の検出は、前記回転時の速度が所定速度に達した時に行なうことを特徴とする永久磁石式同期モータの制御装置。
【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の制御装置に係わり、特に、エレベータ等の機械装置の駆動源として利用される永久磁石式同期モータの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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、永久磁石式同期モータを利用したエレベータ装置等の各種の機械装置への適用が進みつつある。
【０００３】
通常、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、電流位相を制御するために同期モータの磁極位置（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。これをエレベータに応用したものとしては特開平１０−８０１８８号公報がある。しかし、磁極位置の検出に、磁極位置検出器を用いると、モータ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。この問題をなくすため、磁極位置センサレス駆動が研究されてきており、例えば、平成１０年電気学会全国大会「ＮＯ、８８３  永久磁石同期モータ簡易磁極位置センサレス方式の性能評価」がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の磁極位置センサレス駆動は、モータが突極型でなければ、利用できず、また、場合によってはモータからトルクリプルが出るおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、上記の種々の問題点に鑑みて、永久磁石式同期モータの形式にかかわらず、磁極位置検出器を設けることなく、磁極位置の検出を可能にした永久磁石式同期モータの制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
【０００７】
電力変換装置から出力される可変電圧および可変周波数によって制御される永久磁石式同期モータ、および該永久磁石式同期モータによって駆動される機械装置における永久磁石式同期モータの制御装置において、前記機械装置の運転時、前記永久磁石式同期モータの回転角度に従ったパルス信号を積分して得た磁極位置に基づいて、前記電力変換装置を制御し、前記積分して得た磁極位置は、前記永久磁石式同期モータの回転時に誘起される電圧または電圧指令信号を演算して得られる磁極位相により修正されるとともに、 前記電力変換装置から前記可変電圧および前記可変周波数を出力しない状態において、前記機械装置の停止を保持するブレーキ装置を解除し、該解除に伴う前記永久磁石式同期モータの回転時に誘起される電圧に基づいて前記磁極位置の初期値を検出する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１から図５を用いて説明する。
【００１５】
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図である。
【００１６】
同図において、１１は乗りかご、１２はカウンタウエイト、１３は両端に乗りかご１１とカウンタウエイト１２が吊り下げられるロープ、５１は永久磁石式同期モータ、５２，５３，５４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シーブ，ブレーキドラム，エンコーダ、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制御装置である。
【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が解放され、ブレーキが解放された状態になる。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】
なお、同図において、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、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く、このため、エンコーダ５４の設置の自由度は増す。
【００１９】
図２は、図１に示す制御装置２１の構成の概要を示すブロック図である。
【００２０】
同図において、２２は交流電源、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インバータ、２１２は速度指令、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速度制御演算部、２１４は、後に詳述するように、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によって検出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電流制御演算部、２１５は後に詳述するように、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を演算し、エンコーダ５４によって検出される磁極位置を修正する磁極位置推定部である。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。
【００２１】
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。
【００２２】
次に、磁極位置の推定の原理について説明する。
【００２３】
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における誘起電圧（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、下式の関係がある。
【００２４】
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、精度を上げるために考慮してもよい。
【００２５】
モータの磁束Φは、数式１から下式のように求められる。
【００２６】
Φ＝∫ｅ0 ｄｔ＝∫ｅt ｄｔ−Ｌｉ                          （数２）
数式２から理解されるように、端子電圧ｅt 、同期インダクタンスＬ、および電機子電流ｉを知ることにより、モータの磁束Φの磁極位置を演算によって求めることができる。
【００２７】
図３は、図２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。
【００２８】
同図において、２１５１は電圧検出器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ｅt を積分する積分器、２１５２は電流検出器２１７によって検出された電機子電流ｉに同期インダクタンスＬをかけ算するゲイン設定器、２１５３は、数式２に従って磁束Φを演算する加算器、２１５４は演算された磁束Φが零クロスする磁極位相の零点を検出する比較器、２１５５は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、２１５６は磁極位置の推定に適した回転速度に達したら、速度判定部２１５５からの指令により閉成されるスイッチ、２１５７はエンコーダ５４からの回転角度に従ったパルス信号を積分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、積分値を修正して磁極位置信号を修正する積分器である。
【００２９】
上記のごとく、速度判定部２１５５およびスイッチ２１５６を設けることによって、誘起電圧ｅ0 が十分でない低速域での修正動作を停止して精度の向上を図るようにしている。
【００３０】
なお、上記の磁極位置の修正は零点ではなく、そのときの磁束信号そのものを利用してもよい。
【００３１】
また、磁極位置推定部２１５をハード回路で構成して説明したが、無論、マイコンなどによってソフト的に行なってもよい。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。
【００３２】
次に、電源投入直後の磁極位置推定について図４に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３３】
ステップ１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２において、電源投入直後の磁極位置推定を行うモードであることを知る初期位置推定モードとする。この時の永久磁石式同期モータ５１の電機子電流ｉは零に保つ。そのため、インバータ２１１のゲート回路を停止させたり、または、電流制御演算部２１４からの電流指令を零にする。次いで、ステップ３において、図示していない指令によりブレーキ装置３１によるブレーキドラム５３のブレーキを解放する。ブレーキの解放により、乗りかご１１はその重力により自然昇降する。電源投入直後は乗りかご１１には人や荷物が載っていないことが多く、その時は、乗りかご１１の重量よりカウンタウエイト１２の重量が重いので、乗りかご１１はこの重量差により上昇する。逆に、乗りかご１１が定格荷重時は下降する。万一、乗りかご１１とカウンタウエイト１２の重量がバランスしているときは、乗りかご１１に追加の錘を載せればよい。いずれにしても、乗りかご１１とカウンタウエイト１２との重量差で自然昇降させる。次いで、ステップ４において、永久磁石式同期モータ５１が所定速度に達したかを判定する。ここで速度の判定を行うのは測定誤差を回避するためのである。通常、例えば定格回転速度の５％速度以上まで加速すれば、永久磁石式同期モータの誘起電圧ｅ0 は十分に得られる。永久磁石式同期モータ５１が所定速度に達すると、ステップ５において、その時の永久磁石式同期モータ５１の誘起電圧ｅ0 を数式１に従って測定する。なお、ここでは誘起電圧ｅ0 は端子電圧ｅt に等しい。磁誘起電圧ｅ0 は磁極位置に対応して変化するので、誘起電圧ｅ0 から磁極位相を検出することができる。例えば、正弦波状の誘起電圧波形の零クロス点を測定し、磁極位相を検出してもよい（図３を参照）。または、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。ステップ６において、誘起電圧位相は永久磁石式同期モータ５１の磁極位相と１：１に対応するので、電圧位相から磁極位置を演算する。ここで磁極位置が推定できると、直ちにこの磁極位置の値を初期値として記憶する。それ以降は、ステップ７において、この記憶された磁極位置を初期値としてエンコーダ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）してその時の磁極位置を推定し続ける。この演算は、永久磁石式同期モータ５１の回転角度に対応させた演算であるので磁極位置と等価である。次いで、ステップ８において、初期位置推定モードをオフにして、速度指令によって電流の指令が与えられる通常運転モードに設定し、ステップ７の磁極位置推定を継続し、制御装置２１の運転制御を行う。
【００３４】
なお、ステップ２の初期位置推定モードの設定は、電源の投入直後であることを認識し、自動的に行って磁極位置推定させることができる。また、これとは別に、初期位置推定モードの設定は、保守員等によりマニュアルによって行ってもよい。例えば、初期位置推定モードであることを認識させるため、釦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、釦を離すと直ちにブレーキ装置３１が動作して、かご１１を停止させてもよい。また、ステップ７の演算後は、その時の指令に従って、運転を継続してもよいし、一旦停止後、再度、指令に従って運転を行なってもよい。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、磁極位置検出器なしに、電源投入直後の永久磁石式同期モータ５１の磁極位置推定を行うことができ、またエンコーダ５４からのパルス信号の積分値と永久磁石式同期モータ５１の回転角度、即ち、磁極位置は１：１に対応するので、磁極位置は、エンコーダ５４からのパルスを積分することによって得ることができる。その結果、極低速度から定格速度まで、速度に無関係に磁極位置の演算ができる。
【００３６】
また、エレベータ装置の停止時は、これまでパルスを積分してきた値を記憶すればよい。次の起動時には、この記憶した値を磁極位相に対応させて運転を開始することができる。従って、電源投入直後の磁極位置の推定は、積分した値が保持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、主回路電源だけを遮断し、積分を行なう回路を活かしておけばよい。さらに、長期間停止するときなどは、積分した値だけを不揮発メモリに記憶しておき、次に運転するときこの値を利用すればよい。
【００３７】
次に、磁極位置の初期位置の推定後の運転中における磁極位置修正について図３を用いて説明する。
【００３８】
図４に示したフローチャートにおいて説明したように、ステップ７において磁極位置の初期位置が推定されても、磁極位置の推定後のエンコーダ５４からのパルス信号の積分演算を行なうとき、エンコーダ５４からのパルス信号にノイズなどが混入し、それを誤積分すると磁極位相演算に誤差が生じるおそれがある。
【００３９】
そこで本実施形態では、エレベータ装置の運転中は、図３の積分器２１５７において、エンコーダ５４からのパルス信号の積分値から得た磁極位置を、比較器２１５４から得られる磁束Φの磁極位相の零点で常時修正し、修正された磁極位置に基づいて運転制御を行う。
【００４０】
次に、図２に示す電流制御演算部２１４の構成および動作を図５を用いて説明する。
【００４１】
図５は電流制御演算部２１４の具体的構成の一例を示す図であり、この基本構成は周知であり、例えば、電気学会論文誌Ｄ、１１７巻、５号（１９９７年５月）、５３９頁、図５に記載されている。
【００４２】
同図において、２１４１は電流検出器２１７により検出された３相の電機子電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを磁極位置推定部２１５において推定された磁極位置に基づいて、電機子電流の磁束方向軸成分Ｉｄと磁束方向軸成分Ｉｄとの直交成分Ｉｑとを演算するＩｄ／Ｉｑ演算部、２１４２は速度制御演算部２１３から出力された電流指令成分Ｉｑ* と直交成分Ｉｑとの偏差を演算する加算器、２１４３は電流指令成分Ｉｄ* と磁束方向軸成分Ｉｄとの偏差を演算する加算器、２１４４は偏差増幅器（ＡＣＲ−ｑ）、２１４５は偏差増幅器（ＡＣＲ−ｄ）、２１４６は電流指令成分Ｉｑ* とエンコーダ５４から得られるモータの回転速度（電気的回転角周波数）ωとの掛算器、２１４７は電流指令成分Ｉｄ* とエンコーダ５４から得られるモータの回転速度（電気的回転角周波数）ωとの掛算器、２１４８および２１４９はそれぞれ同期インダクタンスＬに相当するゲインを設定するゲイン設定器、２１５０は磁束Φに相当するゲインを設定するゲイン設定器、２１５１は、電流偏差Ｉｑ* −Ｉｑと、電流偏差Ｉｑ* −Ｉｑを補償するためのゲイン設定器２１４９，２１５０からの出力とを加算し、インバータ２１１に電圧指令信号Ｅｑ* を出力する加算器、２１５２は、電流偏差Ｉｄ* −Ｉｄと、電流偏差Ｉｄ* −Ｉｄを補償するためのゲイン設定器２１４８からの出力とを加算し、インバータ２１１に電圧指令信号Ｅｄ* を出力する加算器である。
【００４３】
上記のごとく、この電流制御演算は、電機子電流をｄ、ｑ軸成分に分けて制御するのが特徴である。
【００４４】
なお、上記の電流指令成分Ｉｄ* は通常は零であるが、モータの力率制御を行なうため、所要力率が得られるようにＩｄ* を与えてもよい。
【００４５】
また、先に説明した電源投入直後の磁極位置検出時の電流が零であるモードは、電流指令Ｉｄ* 、Ｉｑ* を零とすれば、モータに電流を流さないようにできる。
【００４６】
また、インバータ２１１のＰＷＭ制御を実行する際、正弦波の瞬時値電圧指令信号が必要なときは、演算部２１４１の逆演算を行えばよい。この演算は周知なので省略する。
【００４７】
上記の電流制御演算部２１４はハード回路で説明したが、マイクロコンピュータなどを利用してソフト的に行なってもよいのは言うまでもない。
【００４８】
さらに、本発明はエレベータのみならず、ブレーキを解放したとき、負荷からの反力によりモータが自然運動する他の機器、例えば、ホイストなどの機械などにも応用できる。
【００４９】
以上説明したように、本発明によれば、磁極位置検出器を使用することなく、磁極位置を推定ができるので、エレベータ装置を円滑に運転することができる。
【００５０】
【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検出に、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となり、コストの低減も可能となる。さらに、起動時に容易に磁極位置を検出できるとともに、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検出が可能となる。
【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】図１に示す制御装置２１の構成の概要を示すブロック図である。
【図３】図２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。
【図４】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５】図２に示す電流制御演算部２１４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
２１４１  Ｉｄ／Ｉｑ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
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】
0004136104.tif 000002
【図２】
0004136104.tif 000003
【図３】
0004136104.tif 000004
【図４】
0004136104.tif 000005
【図５】
0004136104.tif 000006