CN101301973A - 电梯的电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的电梯的电动机控制装置，无需操作人所进行的繁杂的调整作业而能够简单且正确地将电动机的端子电压和电流调整为预定的值。通过矢量控制方式对电动机(3)进行驱动控制的电梯得电动机控制装置，其具备根据在至少两种不同的运行状态下所得到的电动机(3)的端子电压、电流以及旋转速度的实测值，按照预定的计算式对矢量控制常数进行自动调整，使得额定负荷时的端子电压以及电流成为预定值的控制常数自动调整装置(18)。

Description

电梯的电动机控制装置

技术领域

本发明涉及用于驱动控制电梯的卷扬机上所使用的感应电动机的电动机控制装置。

背景技术

一般来说，在电梯的卷扬机使用感应电动机的情况下，进行所谓的“差频型矢量控制”的情况较多。为了在该差频型矢量控制中获得良好的控制性能，在感应电动机的电常数中，互感系数和二次时间常数的值就成为必需(例如参照非专利文献1、2)。

在此，互感系数是为了确定磁通电流指令所必需的，主要影响电动机的端子电压。另外，二次时间常数是为了确定差频指令所必需的，主要影响电动机的电流。

非专利文献1：电气学会编「电气机械工学 改订版」オ一ム社 昭和60年11月20日第367页。

非专利文献：田村吉章、田中茂「エネルギ一变换応用システム」丸善  平成12年12月28日，第87页以及第142页。

在感应电动机是考虑矢量控制所设计的感应电动机的情况下，所述互感系数、二次时间常数的值作为设计值是能够容易得获知的。但是，在例如翻修设备等对旧的感应电动机进行再利用时，多数情况下这些常数是不明确的。因此，为了将电动机的端子电压和电流设定为预定的值，操作人员必须通过试错来调整在控制装置内部所使用的互感系数和二次时间常数的值，该调整作业花费大量时间和人力。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种电梯的电动机控制装置，无需由操作人员进行的繁杂的调整作业而能够简单且正确地将电动机的端子电压和电流调整为预定的值。

本发明的电梯的电动机控制，具备根据在至少两种不同的运行状态下所得到的所述电动机的端子电压、电流以及旋转速度的实测值，按照预定的计算式对矢量控制常数进行自动调整，使额定负荷时的端子电压以及电流成为预定值的控制常数自动调整装置。

另外，所述控制常数自动调整装置，包括在无负荷运行时进行针对所述电动机的端子电压的调整处理的第一调整装置，和在满负荷运行时进行针对所述电动机的电流的调整处理的第二调整装置。

进而，所述第一调整装置，根据无负荷运行时的等速(定速)区域中的电压平均值和无负荷运行时的电压目标值计算磁通电流的矢量控制常数。

所述第一调整装置，作为所述无负荷运行时的电压目标值，使用根据所述电动机的额定电压、额定电流以及绕线阻抗的标称值计算出的值。

所述第一调整装置，在所述电动机并非是无负荷状态的情况下，根据等速时的消耗电量(电能)和旋转速度计算用于将所述电动机设为无负荷状态的配重装载量。

所述第一调整装置，作为所述消耗电量以及旋转速度使用标准化的值。

所述第一调整装置，根据上行和下行的双方的值求取所述消耗电量以及旋转速度。

所述第一调整装置，在不能将所述电动机完全设为无负荷的情况下，用根据所述电动机的有效电流和绕线阻抗的标称值所计算出的值对所述电动机的端子电压的实测值进行修正。

所述第一调整装置，在不能将所述电动机完全设为无负荷的情况下，由根据两种负荷条件而运行时的端子电压的实测值通过计算推定无负荷运行时的端子电压。

另外，所述第一调整装置，将所述两种负荷条件设为在同一配重装载量下的上行运行以及下行运行。

所述第二调整装置，根据满负荷运行时的等速区域中的转矩电流平均值和转矩电流额定值计算用于获得差频的矢量控制常数。

所述第二调整装置，利用上行和下行双方的值计算满负荷运行时的等速区域中的转矩电流平均值。

所述第二调整装置，代替在整个等速区域中计算满负荷运行时的等速区域中的转矩电流平均值，通过使用极短时间的平均值，在等速运行中进行两次以上的用于获得差频的矢量控制常数的更新。

所述控制常数自动调整装置，代替所述电动机的端子电压的实测值而使用逆变器电压指令值。

根据本发明，无需操作人所进行的繁杂的调整作业而能够简单且正确地将电动机的端子电压和电流调整为预定的值

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的使用矢量控制方式的电动机控制装置的系统构成的图。

图2是表示该实施方式中的感应电动机所适用的电梯的概略构成的图。

图3是表示由该实施方式的控制常数自动调整部所进行的自动调整的顺序的流程图。

图4是表示本发明的第四实施方式所涉及的使用矢量控制方式的电动机控制装置的系统构成的图。

符号说明

1直流电源    2逆变器    3感应电动机    4速度传感器

5速度曲线生成部  6速度控制器    8坐标变换器

9磁通电流设定器    10电流控制器   11坐标变换器

12PWM曲线生成部    13除法计算部

14二次时间常数倒数设定部    15加法计算部

16积分部    17电压检测部    18控制常数自动计算部

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是表示使用本发明的第一实施方式所涉及的矢量控制方式的电动机控制装置的系统构成的图。

在该电动机控制装置中，将通过整流器等直流电源1所获得的直流电压，用逆变器2变换为频率可变电压可变的交流电，来驱动感应电动机3。如图2所示，在感应电动机3上直接连接有电动机的卷扬机21。当感应电动机3被驱动时，卷扬机21随其旋转，电梯的轿厢23和配重块24通过卷绕在该卷扬机21上的钢缆22而在升降井内吊桶式地进行升降动作。

在感应电动机3被驱动时，利用速度传感器4检测感应电动机3的旋转速度。由该速度传感器4所检测出的感应电动机3的旋转速度，与由速度曲线(模式)生成部5所生成的速度目标值一起被输入给由比例积分要素等构成的速度控制器6。该速度控制器6的输出被作为矢量控制中的转矩电流指令值使用。

另外，利用电流检测器7检测感应电动机3的电流。由该电流检测器7所检测出的感应电动机3的电流，通过座标变换器8而被分解成转矩电流分量和磁通电流分量，与作为速度控制器6的输出的转矩电流指令值和由磁通电流设定器9得到的磁通电流指令值一起，被输入给由比例积分要素等构成的电流控制器10。电流控制器10的输出，在坐标变换器11中被变换成供给逆变器2的三相电压指示值，在PWM曲线发生部12中成为逆变器2的门信号。

在此，在差频型矢量控制中，通过以下的方法求取在坐标变换器8、11中所使用的电角度信息。

首先，利用除法计算器13，将转矩电流指令值除以磁通电流指令值。将其结果与由二次时间常数倒数设定部14所得到的二次时间常数的倒数相乘，从而求得差频指令值。

接着，利用加法计算器15，将差频指令值与感应电动机3的速度信号相加，求得逆变器2的运行频率指令值。若将该运行频率指令值用积分器16中变换为电角度，就求出了在坐标变换器8、11中所使用的电角度信息。

在这样的差频型矢量控制中，为了在额定运行时得到预定的端子电压和电流，必须预先将互感系数和二次时间常数调整到恰当的值。通常，操作人员靠感觉和经验手动进行调整，但在本实施方式的电动机控制装置中，作为使该调整自动化的功能，设置有控制常数自动调整部18。

控制常数自动调整部18，输入速度传感器4、电流检测器7以及电压检测器17的各信号，根据至少在两种不同运行状态下所获得的所述感应电动机3的端子电压、电流以及旋转速度的实测值，按照预定的计算式对矢量控制常数进行自动调整，使额定负荷时的端子电压以及电流成为预定值。

以下，参照图3，详细说明由控制常数自动调整部18所进行的自动调整的方法。

图3是表示由控制常数自动调整部18所进行的自动调整的顺序的流程图。

首先，设定临时的矢量控制常数(步骤S11)。另外，调整电梯的配重装载量，使得在等速运行时感应电动机3成为无负荷状态(步骤S12)。将该状态称为平衡负载(以下简称为BL)。

使感应电动机3在BL状态下运行，根据等速时的电动机端子电压进行针对磁通电流设定器9的矢量控制常数的计算、更新。而且，以该更新的值再次进行运行，反复进行运行和矢量控制常数的更新，直到电动机端子电压相对于目标值进入预定的误差范围内(例如±5％)(步骤S13～S15)。

当针对磁通电流设定器9的调整结束后，接着，为了进行针对二次时间常数设定器14的调整，首先，通过搭载相当于额定乘梯人数的重量而设为满负荷状态(步骤S16)。将该状态称为满负荷(以下简称为FL)。

使感应电动机3在FL状态下额定负荷运行，根据等速时的电动机电流进行针对二次时间常数设定器14的矢量控制常数的计算、更新。而且，以该更新的值再次进行运行，反复进行运行、矢量控制常数的更新，直到电动机电流相对目标值进入预定的误差范围内(例如±10％)(步骤S17～S19)。

(a)BL状态下的自动调整方法

详细说明BL状态下的自动调整方法。

在能够完全设为BL状态的情况下，在等速运行时感应电动机3成为无负荷状态。此时，电动机电流全部成为磁通电流，电动机端子电压的振幅与磁通电流的振幅成比例。在在该状态下使电梯运行时，若将等速区域中的电动机端子电压平均值设为V_AVEO、将磁通电流的临时设定值设为I_drefo，则磁通电流设定值的推荐值I_dref，由(1)式表示。

式1

I_dref＝I_drefo(V_NRMO/V_AVEO)    (1)

其中，V_NRMO是无负荷时端子电压目标值

另外，求V_AVEO的平均值的区间也可以不必遍及整个等速区域，即使是其中的一部分区间也可以。

实际上，磁通电流I_dref与无负荷运行时端子电压V_NRMO并没有完全的比例关系，包含若干非线性。因此，有必要在通过上述(1)式更新磁通电流后，以该设定值再次进行运行，确认感应电动机3的端子电压相对于无负荷运行时的电压目标值进入容许误差范围内。如果在容许误差范围外，则要反复进行所述的运行、常数的更新，直到进入容许误差范围内为止。

在此，应该注意一点是，电压目标值V_NRMO并不是感应电动机3的(满负荷时)额定电压V_NRM。严密来说，电压目标值V_NRMO，是将额定负荷时的电流设为I_qNRM，将感应电动机3的绕线阻抗成分设为L_M，将电阻成分设为R_M，通过下述的(2)式求出的。

式2

$V_{\mathrm{NRMO}}=\sqrt{{V_{\mathrm{NRM}}}^2-{\left(2\mathrm{\πf}{L}_M{I}_{\mathrm{qNRM}}\right)}^2}-R_M{I}_{\mathrm{qNRM}}---\left(2\right)$

但是，在通过上述(2)式求取的情况下，阻抗L_M、电阻R_M的值不得不使用标称值，在使用旧的感应电动机3的情况下该值本身大多是不明确的。从实验判断，最好将目标值V_NRMO设定在额定电压V_NRM的85～90％左右。

(b)FL状态下的自动调整方法

接着，描述FL状态下的自动调整方法。

在FL状态下，在上行等速区域中成为额定负荷运行。若将此时的等速区域中的转矩电流平均值设为I_qAVE，将额定转矩电流设为I_qNRM，将二次时间常数初始值设为T₂₀，则二次时间常数的更新值由(3)式表示。

T_2-new＝T₂₀(I_qAVE/I_qNRM)    (3)

另外，求I_qAVE的平均值的区间并非必须是整个等速区域，也可以是其中的一部分区间。

但是，二次时间常数与转矩成分电流的关系，与磁通电流和端子电压的关系相比非线性非常强。因此，即便根据所述(3)式更新二次时间常数，电流相对于额定值也可能没有被收敛在容许误差范围内。在这样的情况下，反复进行电梯的运行、常数的更新，直到将转矩电流相对于额定值收敛在容许误差范围内。

根据以上这样的进程，能够以必要最小限度的运行次数，自动地确定用于使额定负荷时的电压、电流成为预定值的矢量控制常数。因此，能够实现调整时间的缩短化、由操作人员所进行的作业负担的减轻。

(第二实施方式)

接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。

第二实施方式的构成与图1相同，只有控制常数自动调整部18的作用不同。即，在所述第一实施方式中，必须调整配重量以作出BL状态，操作人员进行该调整。与此相对，在第二实施方式中构成为，控制常数自动调整部18自动计算用于设为BL状态的配重量，向操作人员进行指示。

具体而言，使电梯在空载的状态(无装载的状态)下以临时的矢量控制常数运行，通过控制常数自动调整部18求出在等速运行区间中的平均消耗电量P_AVE。另外，以下将轿厢23空载的状态简称为NL(No Load)状态。

平均消耗电量P_AVE，是对感应电动机3的瞬时消耗电量在等速区域取平均值而求出的，但求平均值的区间也可以不必遍及整个等速区域。另外，当在逆变器2的直流侧有电流检测器的情况下，也可以使用逆变器的直流输入电量的平均值。在该状态下，为了将感应电动机3设为无负荷的BL状态而应该搭载的配重量W，将电梯的等速区域中的速度设为v(以上行运行方向为正)，如下求得。

式4

W(kg)＝-P_AVE(W)/v(m/s)/g    (4)

其中，g为重力加速度。

在所述(4)式中，右边加负号是因为在使电梯以NL状态上行运行时，成为再生运行而平均耗电量为负。另外，在下行运行时实施本计算的情况下，变为牵引运行而P_AVE为正，但速度v为负，右边整体变为正值。

控制常数自动调整部18，向操作人员提示通过所述(4)式所求得的配重量W(kg)的值。作为提示方法，例如有使用没有图示的显示器等的方法，但是对该提示方法没有特别限定。只要操作人员向电梯中装载与该提示的值最为接近的值的配重，就能容易地得到NL状态。

此时，如果预先以感应电动机3的额定值将电压、电流标准化，消耗电量也成为与额定值相对的预定值。如果将速度也以额定值标准化，即便不进行根据重力加速度的换算，也能够以相对于FL的百分比求出应搭载的配重量，能够削减计算量。

在电梯的情况下，若以相同的装载量进行上行、下行运行，理论上两者的平均电量的绝对值应该相等而只是符号不同，但因为机械方面的摩擦损失、钢缆的长度重量等的关系，也存在两者的值不同的情况。此时，只要平均电量P_AVE使用上行运行和下行运行的绝对值的平均值，就能够提高计算的精度。具体而言，如果将上行运行时的平均电量设为P_AVE-UP，将下行运行时的平均电量设为P_AVE-DN，考虑到两者的符号不同，利用下式能够得求。

式5

P_AVE＝(P_AVE-UP-P_AVE-DN)/2    (5)

另外，调整时装载在电梯上的配重，一个一个都具有一定程度的大小，所以只能离散地进行调整。因此，即便按照上述的方法求出了用于设成BL状态的正确的配重量，实际上也只能装载或多或少偏离了该值的值的配重而进行运行。此时，没有完全成为BL状态，多少有转矩电流流过，因此有必要对磁通电流设定计算中所使用的电动机端子电压的振幅进行修正。此时的修正式，若将此时的电动机端子电压的等速区域中的振幅设为V_AVE，则如下式所示，

式6

$V_{\mathrm{AVE}0}=\sqrt{{V_{\mathrm{AVE}}}^2{\left(2\mathrm{\πf}{L}_M{I}_q\right)}^2}-R_M{I}_q---\left(6\right)$

使用通过该(6)式所求出的V_AVE0，根据下式设定磁通电流即可。

式7

I_dref-new＝I_drefo(V_NRMO/V_AVE0)    (7)

但是，如上所述，阻抗LM以及电阻RM大多情况下连标称值都不清楚。依经验可知，在流过相当于额定输出的转矩电流I_q的情况下，只要是一般的感应电动机，端子电压就上升大约15％左右。

在转矩电流比额定电流小1位左右的区域中，若视为在端子电压上升量与转矩成分电流之间基本存在比例关系，则例如在流过额定电流的一成左右的转矩成分电流的情况下，就可以认为端子电压上升量为1.5％左右而进行修正。

另外，通过以两种负荷条件进行运行，根据两者的端子电压进行外插或者内插，也能够通过计算来推定无负荷运行时的端子电压。如果在转矩成分电流为I_q1时端子电压为V_AVE1、在转矩成分电流为I_q2时端子电压为V_AVE2，则可用(8)式进行计算。

式8

V_AVE0＝V_AVE1-I_q1(V_AVE2-V_AVE1)/(I_q2-I_q1)    (8)

此时，两种负荷条件中的一种，只要使用第一步骤的重量计算时的数据，就可以节省配重块装卸的时间和精力。

另外，也可将所述两种负荷条件设为在相同配重装载量下的上行运行以及下行运行。可以认为，如果上行运行为牵引运行则下行运行为再生运行，如果取两者的电压的平均则与无负荷运行时的端子电压一致。

通过使用以上的操作，在对磁通电流设定值进行调整时，能够将用于制作BL状态的配重块的装卸次数抑制在必要最小限度。由此，能够进一步缩短调整时间，另外能进一步减轻操作人员的作业负荷。

(第三实施方式)

接着，对本发明的第三实施方式进行说明。

第二实施实施方式中的构成，与图1相同，只是控制常数自动调整部18的作用不同。即，在所述第一实施方式中，在根据FL状态下的电流值更新二次时间常数倒数设定器14的值时，转矩成分电流的平均值，从理论上说在上行运行和下行运行时应该是绝对值相等、仅仅极性相反的。但是，也存在由于机械方面的摩擦损耗、钢缆的重量等的关系，两者的绝对值不同的情况。

因此，在第三实施方式中，作为转矩电流平均值I_qAVE的绝对值，取上行运行/下行运行各自的I_qAVE的绝对值的平均，极性采用与上行运行时相同。由此，能够提高精度。

另外，在所述第一实施方式中，转矩电流平均值I_qAVE使用了等速区域中的平均值。但是，因为差频与转矩成分电流之间的关系非线性较强，所以在根据所述(3)式所进行的常数更新中，有时在收敛上需要花费时间。另一方面，已知转矩成分电流I_q响应较快，在一般的感应电动机的情况下，在更新了T₂的值之后，经过数m～数十m秒之后就稳定。因此，转矩电流平均值I_qAVE可以使用极短时间的平均值。

因此，在第三实施方式中，在一次等速运行中，进行两次以上的矢量控制常数的更新。由此，能够减少用于矢量控制常数的收敛的电梯的运行次数。此时，不根据上述(3)式的递推公式，通过例如将I_qAVE-I_qNRM输入比例积分要素，根据其输出连续地更新二次时间常数，从而能够谋求收敛的高速化。

通过使用以上的操作，即便在差频与电动机电流之间的非线性较强的区域，也能够在短时间内使矢量控制常数收敛至最合适的值，谋求调整时间的缩短。

(第四实施方式)

图4是表示本发明的第四实施方式所涉及的使用矢量控制方式的电动机控制装置的系统构成的图。另外，对与所述第一实施方式中的图1的构成相同的部分附加同样的符号，省略其详细说明。

在图4中，与图1的构成不同点在于，省略电压检测器17，取而代之，使用从坐标变换器11输出的向逆变器2输送的电压指令值。在图4中，使用通过坐标变换器11变换为三相后的值，但也可以使用变换前的磁通轴、转矩轴分量的值。其他部分的构成与图1相同。

在这样的构成中，控制常数自动调整部18，输入速度传感器4、电流检测器7以及坐标变换器11的各信号，自动调整额定负荷时的电动机端子电压和电流。此时，如果逆变器2和感应电动机3直接连接，则只要将在所述第一实施方式中利用了电动机端子电压的计算部分直接替换成逆变器电压指令值，就能够得到同样的效果。

通过使用以上的构造，能够得到与所述第一实施方式同样的效果，而且，省略了用于检测电动机端子电压的检测器，能够相应地降低成本。

另外，本发明并不直接限定于所述各实施方式，在实施阶段可以在不脱离其要旨的范围内对构成要素进行变形并具体化。另外，通过适当组合所述各实施方式所公开的多个构成要素，能够形成各种各样的方式。例如，也可以从实施方式所示的全部构成要素中省略掉几个构成要素。而且，也可以适当组合不同实施方式中的构成要素。

Claims (14)

1.一种电梯的电动机控制装置，通过矢量控制方式对电动机进行驱动控制，其特征在于，

具备根据在至少两种不同的运行状态下所得到的所述电动机的端子电压、电流以及旋转速度的实测值，按照预定的计算式对矢量控制常数进行自动调整，使得额定负荷时的端子电压以及电流成为预定值的控制常数自动调整装置。

2.根据权利要求1所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，所述控制常数自动调整装置，包括在无负荷运行时进行针对所述电动机的端子电压的调整处理的第一调整装置，和在满负荷运行时进行针对所述电动机的电流的调整处理的第二调整装置。

3.根据权利要求2所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第一调整装置，根据无负荷运行时的等速区域中的电压平均值和无负荷运行时的电压目标值计算磁通电流的矢量控制常数。

4.根据权利要求3所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第一调整装置，作为所述无负荷运行时的电压目标值，使用根据所述电动机的额定电压、额定电流以及绕线阻抗的标称值计算出的值。

5.根据权利要求3所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第一调整装置，在所述电动机并非是无负荷状态的情况下，根据等速时的消耗电量和旋转速度计算用于将所述电动机设为无负荷状态的配重装载量。

6.根据权利要求5所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第一调整装置，作为所述消耗电量以及旋转速度使用标准化的值。

7.根据权利要求5所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第一调整装置，根据上行和下行的双方的值求取所述消耗电量以及旋转速度。

8.根据权利要求3所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第一调整装置，在不能将所述电动机完全设为无负荷的情况下，用根据所述电动机的有效电流和绕线阻抗的标称值所计算出的值对所述电动机的端子电压的实测值进行修正。

9.根据权利要求3所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第一调整装置，在不能将所述电动机完全设为无负荷的情况下，由根据两种负荷条件而运行时的端子电压的实测值通过计算推定无负荷运行时的端子电压。

10.根据权利要求9所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第一调整装置，将所述两种负荷条件设为在同一配重装载量下的上行运行以及下行运行。

11.根据权利要求2所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第二调整装置，根据满负荷运行时的等速区域中的转矩电流平均值和转矩电流额定值计算用于获得差频的矢量控制常数。

12.根据权利要求11所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第二调整装置，利用上行和下行双方的值计算满负荷运行时的等速区域中的转矩电流平均值。

13.根据权利要求11所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述第二调整装置，代替在整个等速区域中计算满负荷运行时的等速区域中的转矩电流平均值，通过使用极短时间的平均值，在等速运行中进行两次以上的用于获得差频的矢量控制常数的更新。

14.根据权利要求1所述的电梯的电动机控制装置，其特征在于，

所述控制常数自动调整装置，代替所述电动机的端子电压的实测值而使用逆变器电压指令值。

Images