JP2000287478A

JP2000287478A - 永久磁石式同期モータ駆動エレベータ装置

Info

Publication number: JP2000287478A
Application number: JP11092418A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nagase; 長瀬　　博; Hideki Nihei; 秀樹二瓶; Hiromi Inaba; 博美稲葉; Takeshi Ogawa; 岳小川; Noboru Arahori; 荒堀　　昇
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-13
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP4211127B2

Abstract

(57)【要約】【課題】永久磁石式同期モータ駆動エレベータを磁極位
置検出器なしに運転させること。【解決手段】モータの回転速度を検出する検出器により
磁極位置を推定する。【効果】磁極位置検出器を使用せずに運転できるので、
モータ，マシンの設計の自由度が大きくなる。また、検
出器を使用しないので、メンテナンスが容易になる。さ
らに、ノイズに対しても強くなる。また、コスト低減も
可能になる。

Description

【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
ータを駆動源とするエレベータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】小型強力な永久磁石を界磁に利用した同
期モータは小型化が可能で、モータを含む駆動装置が小
型化でき、効率が向上するメリットがあるため、エレベ
ータへの適用が進みつつある。

【０００３】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、モータの磁極位置に対応
し、電流位相を制御するためにモータの磁極位置（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、実用的に通常、磁極位置検出器を用いる。これを
エレベータに応用した例に特開平10−80188 号公報があ
る。

【０００４】しかし、モータ端に磁極位置検出器を設け
ねばならないため、取付けのためにモータに構造上の制
約が出たり、センサ取付け時にモータ軸とセンサ軸の位
置合わせが必要になる。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いる。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。しか
し、この方法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クルリプルが出
るおそれがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記問題点に
対してなされたもので、その目的とする課題は、永久磁
石モータのような磁極位置検出が必要なモータにおい
て、モータの形式にかかわらず、磁極位置検出器なしに
エレベータを運転できる制御方法を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】エレベータは、かご位置
や速度を制御する速度検出器が設置されている。速度検
出器の信号を利用すれば永久磁石モータの回転位置は検
出できる。起動時の初期位相を確立できれば、以後、速
度検出器の信号を利用してモータの磁極位置を推定し、
モータの磁極位置（位相）検出器を用いずに運転が行え
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施例
を説明する。

【０００８】図１は、本発明の実施例を示す。

【０００９】図１において、５１は永久磁石式同期モー
タで、その回転軸には、シーブ５２，ブレーキドラム５
３，エンコーダ５４が接続されている。シーブ５２には
ロープ１３が巻かれており、ロープ１３の両端にはかご
１１とカウンタウエイト１２が接続されている。シーブ
５２が回転するとロープ１３を介してかご１１，カウン
タウエイト１２が昇降路内（図示せず）を昇降する。ブ
レーキドラム５３は、ブレーキ装置３１が作用し、ブレ
ーキ装置３１のコイルに電流を流すとブレーキドラム５
３に押し付けているブレーキシューが解放し、ブレーキ
がかからない状態になる。ブレーキ装置３１の制御は制
御装置２１から行う。エンコーダ５４は同期モータ５１
の回転角度に従ったパルスを出し、その周波数は同期モ
ータ５１の回転速度に比例する。なお、図ではエンコー
ダ５４は同期モータ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出せる構造にすれば、
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の周にそわせて装着し、シーブの回転にあわせて
信号を得たり、かご１１やカウンタウエイト１２に装着
し、その動きにあわせて信号を得ることもできる。すな
わち、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い。この
ため、エンコーダ５４の設置はシステムの要求に応じて
どこに設置してもよく、設置の自由度は増す。さらに、
同期モータ５１の回転速度検出は、エンコーダだけでな
く、レゾルバでも同様の処理が実行できる。また、回転
型の検出器を用いず、例えば、かご１１の昇降路内の位
置を測定する検出器の信号を検出してもよい。

【００１０】本発明の動作を次に説明する。図２は制御
装置２１を中心とする図１の具体構成を示す。速度指令
２１２からの信号とエンコーダ５４からの回転速度信号
が速度制御演算２１３に入力される。速度制御演算２１
３は速度指令２１２からの信号とエンコーダ５４からの
回転速度信号の偏差に応じて働き、その出力信号はトル
ク指令信号として電流制御演算２１４に入力される。磁
極位置推定２１５は後述する方法により、エンコーダ５
４，電圧検出器２１６，電流検出器２１７の信号から同
期モータ５１の磁極位置を推定する。電流制御演算２１
４は前記トルク指令信号に比例する電流指令と電流検出
器２１７からの電流検出信号により働き、磁極位置推定
２１５からのモータ磁極位置を基準に動作する。電流制
御演算２１４の出力はインバータ２１１に入力され、イ
ンバータがＰＷＭ制御される。インバータ２１１は電源
２２からの電力を、電流制御演算２１４の出力にしたが
って可変電圧，可変周波数の交流に変換し、同期モータ
５１に与える。このような磁極位置信号を基準にして速
度制御をする永久磁石式同期モータの制御方法は周知で
ある。この制御方法は同期モータのベクトル制御として
知られているので詳細な動作説明を省略する。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。以上のように、速度制御を行うには、磁極
位置を知ることが基準になる。

【００１１】次に、磁極位置を知るための磁極位置推定
２１５の動作について説明する。

【００１２】最初に、電源２２の投入後すぐの磁極位置
の推定について説明する。図３はその流れを示すフロー
である。まず電源を投入し、制御電源，主回路電源を確
立（１）させる。次に、ブレーキ装置３１によりブレー
キを解放（２）させて、重力を利用してかごを自然昇降
させる。このときの、モータの電機子電流は零に保つ。
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、電流指令を零にする。このとき、同期モー
タ５１が回転するか、すなわち、起動できるか（３）を
判定する。かご１１とカウンタウエイト１２の重量がバ
ランスしていなければ、重量差により、かごは自然昇降
し、モータは回転する。一方、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起動できな
い。このとき、モータに低周波の交流電流を流し、低周
波同期起動（４）させ、モータを回転させる。なお、低
周波同期起動は、交流電流だけでなく、直流電流により
モータを回転させてもよい。

【００１３】そして、同期モータ５１が所定速度に達成
した後、モータの誘起電圧位相を測定（５）する。通
常、例えば定格回転速度の５％速度以上まで加速すれ
ば、モータの誘起電圧は十分に出るので、誘起電圧は電
圧検出器２１６の信号から測定できる。誘起電圧の位相
は磁極位置と対応するので、例えば、次の方法で測定で
きる。一例として、正弦波状の誘起電圧波形の零クロス
点を測定し、位相を測定してもよい。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。誘起電圧位相は同期モータ５１の
磁極位相と１：１に対応するので、電圧位相と磁極位置
との関係から、磁極位置を演算（６）する。位置が推定
できれば、直ちにこの磁極位置の値を初期値として、エ
ンコーダ５４からのパルス信号を積分（７）、すなわち
回転方向によってパルスを加算、または、減算をする。
この演算は、モータ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。こうして磁極位置を推定
する。このようにすれば、電源投入直後の磁極位置が推
定でき、準備完了（８）となる。かごの運転速度を監視
しているので、安全に運転される。

【００１４】以上のようにすれば、電源投入直後でモー
タの磁極位置が分からないときの磁極位置の推定が行
え、磁極位置検出器なしに運転が行える。初期位置推定
モードに入るのは、電源の投入直後であることを認識
し、自動的に行うことができる。また、これとは別に、
初期位置推定モードに入るのは、保守員などによりマニ
ュアルによって入ってもよい。このとき、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、かご１１を停止させて
もよい。また、回転角度の演算（７）後はそのときの指
令にしたがって、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ってもよい。

【００１５】次に、上記のように初期位置を推定後の運
転中の位置検出方法について説明する。前記のようにエ
ンコーダ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、磁極位置は１：１に対応する。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。このようにすれば、極低速度か
ら定格速度まで、速度に無関係に磁極位置の演算ができ
る。停止時はこれまでパルスを積分してきた値を保持す
ればよい。次の起動には、この保持した値を磁極位相に
対応させ運転が開始できる。図３のような起動は、電源
投入直後で、積分した値が保持されなくなったときだけ
行えばよい。このため、例えば、エレベータの運転を休
止するとき、主回路電源だけを遮断し、積分を行う回路
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保持しておき、
次に運転するときこの値を利用すればよい。

【００１６】ところで、前記のパルス信号の積分演算を
行うとき、エンコーダ５４からのパルスにノイズなどが
入り、それを誤積分すると磁極位相演算に誤差が出るこ
とがある。この問題が出そうなとき、次のようにすれば
その影響を除去できる。例えば、運転中のモータの誘起
電圧位相を検出すれば、磁極位置は推定できる。すなわ
ち、誘起電圧ｅ０と端子電圧ｅｔとには、次の関係があ
る。

【００１７】ｅ０＝ｅｔ−Ｌ（ｄｉ／ｄｔ） …（数１）ここで、誘起電圧ｅ０，端子電圧ｅｔは相電圧、Ｌは同
期インダクタンス、ｉは電機子電流である。この演算で
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。モー
タの磁束φは、 φ＝∫ｅ０ｄｔ＝∫ｅｔｄｔ−Ｌｉ …（数２）から、得られる。端子電圧の相電圧ｅｔは電圧検出器２
１６から得、電機子電流ｉは電流検出器２１７から得
る。エンコーダ５４からのパルス信号の積分値から得た
磁極位置と、磁束φから得た磁極位置を比較し、パルス
信号の積分値から得た磁極位置の値を磁束φから得た値
に修正し、磁極位置の推定演算を続ける。

【００１８】図４は磁極位置推定２１５の構成例であ
る。まず、電圧検出器２１６によってモータ端子電圧の
相電圧、電流検出器２１７によって電機子電流を検出す
る。そして、積分器２１５１，ゲイン設定器２１５２，
加算器２１５３によって、（数２）の演算を行う。加算
器２１５３の出力はモータの磁束φである。これを比較
器２１５４に入力し、それが零クロスする磁極位相の零
点を検出する。一方、積分器２１５７はエンコーダ５４
からのパルス信号を積分する。積分器２１５７は比較器
２１５４からの零クロス信号が出た時に、積分した値を
修正する。こうして、モータの磁極位置の推定演算をし
続ける。なお、磁極位置の修正は零点からでなく、その
ときの磁束信号そのものを利用してもよい。磁極位相を
検出するとき、誘起電圧が十分でない低速域での積分値
の修正動作を停止する必要がある。そのため、スイッチ
２１５８があり、低速域かどうかを速度判定２１５５が
行い、スイッチ２１５８を低速域ではオフし、修正動作
を停止させる。

【００１９】このような構成とすれば、電源投入直後の
モータの磁極の初期位相の推定とその後の運転の演算を
切換なしに、両者、自動的に行うことができる。図４の
構成はハード回路で説明したが、無論、マイコンなどに
よってソフトで行ってもよい。さらに、電圧検出は主回
路の端子電圧を検出して行ったが、インバータ２１１を
制御する信号から得ることもできる。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
の信号は端子電圧に比例するので、インバータ２１１を
制御する信号から得ることもできる。

【００２０】以上のようにすれば、磁極位置の推定が、
磁極位置検出器なしに行える。また、運転中の磁極位置
推定は、ここで示した方法だけでなく、オブザーバを用
いる方法、インバータに検出のための信号を印加する方
法、あるいはインバータの運転情報などモータの駆動情
報から得ることもできる。

【００２１】図５は電流制御演算２１４の具体的構成例
を示す。本例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），５３
９頁，図５に記載されている。本願の図５の構成は、電
機子電流をｄ，ｑ軸成分に分けて制御しているのが特徴
である。ここで、ｄ軸は磁束方向軸であり、ｑ軸はそれ
と直交する軸である。Ｉｄ／Ｉｑ演算２１４１は磁極位
置推定２１５からの界磁磁極位置（電気的回転角）に応
じた正弦または余弦信号を基準に、三相の電機子電流の
瞬時値の検出値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ（電流検出器２１７は
図示せず）から電流の成分Ｉｄ，Ｉｑを検出する。ＡＣ
Ｒ−ｄ，ｑは電流指令成分Ｉｄ^*，Ｉｑ^*と実際値Ｉｄ，
Ｉｑとの偏差に応じて働く。さらに、モータの回転速度
（電気的回転角周波数）ωと、電流指令成分Ｉｄ^*，Ｉ
ｑ^*とから、図に示すようにベクトル図演算を行いｄ，
ｑ軸の電圧成分を演算し、前記のＡＣＲ−ｄ，ｑの出力
と加算する。なお、Φは同期モータ５１の磁束、Ｌは同
期インダクタンスである。またここで、電流指令成分Ｉ
ｑ^*は速度制御演算２１３の出力であり、電流指令成分
Ｉｄ^*は通常零である。しかし、モータの力率制御を行
うため、所要力率が得られるようにＩｄ^*を与えてもよ
い。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。

【００２２】電流制御演算２１４の出力はｄ，ｑ軸の電
圧指令信号Ｅｄ^*，Ｅｑ^*であり、この値に基づいてイ
ンバータ２１１は制御される。インバータ２１１のＰＷ
Ｍ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。

【００２３】なお、図３で示す低周波同期起動（３）を
行うとき、前記の界磁磁極位置は確立していない。この
ときは、低周波同期起動する低周波信号が基準になるよ
う、演算を変更するのは言うまでもない。

【００２４】以上説明した演算は、ハード回路で行って
もよいし、マイクロコンピュータなどを利用してソフト
的に行ってもよいのは言うまででもない。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。

【００２５】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せずに円滑に磁極位置が推定でき
る。

【００２６】なお、ここで述べた方法は、永久磁石モー
タについて説明したが、モータのトルク制御のためにそ
の回転位置を知らなければならない他の形式のモータ、
例えば、スイッチド・リラクタンス・モータなどにも応
用できるのは言うまでもない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、同
期モータの制御に磁極位置検出器を使用せずに磁極位置
が推定できるので、モータ，マシンの設計の自由度が大
きくなる。また、磁極位置検出器を使用しないので、メ
ンテナンスが容易になる。さらに、ノイズに対しても強
くなる。また、コスト低減も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図である。

【図２】図１に示す装置の詳細構成例である。

【図３】図２の装置の動作例。

【図４】図２の装置の詳細な構成例である。

【図５】図２の装置の詳細な構成例である。

【符号の説明】

１１…かご、１２…カウンタウエイト、１３…ロープ、
２１…制御装置、５１…同期モータ、５４…エンコー
ダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者稲葉博美茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小川岳茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者荒堀昇茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内Ｆターム(参考） 3F002 CA03 EA05 EA08 5H560 AA10 BB12 DA07 DA10 DB07 DC12 DC13 EB01 GG04 SS06 TT02 TT11 XA12 XA13 XB09

Claims

【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、前記モータによ
って乗りかごが昇降されるエレベータ装置において、前
記モータの磁極位相／磁極回転位置を推定することによ
り乗りかごを昇降させることを特徴とするエレベータ装
置。
【請求項２】請求項１において、該モータの磁極位相／
磁極回転位置の推定は、モータまたはかご速度を検出す
る検出器を使用することを特徴とするエレベータ装置。
【請求項３】請求項２において、速度を検出する検出器
はロータリーエンコーダまたはレゾルバであることを特
徴とするエレベータ装置。
【請求項４】請求項２において、速度を検出する検出器
は、昇降路内にあるかご位置を検出する検出器であるこ
とを特徴とするエレベータ装置。
【請求項５】請求項１、ないし、請求項４において、モ
ータの磁極の初期位相の推定は、かごを自然昇降させて
行うことを特徴とするエレベータ装置。
【請求項６】請求項１、ないし、請求項４において、モ
ータの磁極の初期位相の推定は、モータに交流電流を流
して行うことを特徴とするエレベータ装置。
【請求項７】請求項２、ないし、請求項４において、モ
ータの磁極位相の推定は、速度検出器からの信号により
モータの回転角度にあわせて磁極位相を演算することを
特徴とするエレベータ装置。
【請求項８】請求項７において、モータの磁極位相の推
定は、モータの運転信号により補正することを特徴とす
るエレベータ装置。
【請求項９】請求項７において、速度検出器からの信号
による磁極位相の演算は、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
することを特徴とするエレベータ装置。