JP2005333746A - エレベータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁極位置がずれたままエレベータを起動してしまうことを解消し、常にエレベータを正常な状態で作動できる信頼性の高いエレベータの制御装置を得る。
【解決手段】永久磁石同期電動機１の固定子巻線電流のｄ軸成分およびｑ軸成分のそれぞれ指令値とその実際値の偏差に基づいて指令値が実際値に追従するように制御する電流制御手段１２、１３と、永久磁石同期電動機１の回転子の回転にともなう絶対位置から永久磁石同期電動機１の回転角速度を検出する角速度演算手段３と、永久磁石同期電動機１の回転角速度の指令値と回転角速度の偏差に基づいて回転角速度が指令値に追従するように制御する速度制御手段５と、電流制御手段１２からのｄ軸の電流偏差に基づく補償電圧信号に基づいて磁極位相を補正するｄ軸磁極位相補正手段１８と、を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、永久磁石同期電動機により巻上機が駆動されるエレベータの制御装置に関するものである。

近年、エレベータの省スペース化や省エネ化を目的として、巻上機に永久磁石同期電動機を採用する場合が増えてきている。
永久磁石同期電動機の電流制御においては、ｄ−ｑ軸非干渉制御方式と呼ばれる電流制御方式を用いるのが一般的である。このとき、電流制御の基準となるのがロータ磁極位置であり、制御の成否に係わる重要な信号である。

ロータ磁極位置は、電動機のロータに連結されたエンコーダからの信号に基づいて演算された位相角で表される。電動機の３相電流は、位相角に基づいてｄ−ｑ軸の２相に変換され、各軸の電流指令値との偏差に基づきフィードバック制御される。
この際、他軸からの干渉電圧の影響を受けるため、あらかじめ干渉電圧を演算してフィードフォワード補償して、非干渉化する制御方式である。また、非突極形と呼ばれるロータ形状の場合は、一般にｄ軸電流の指令値を０とすることが多い。

エレベータなど低回転大トルクが求められる用途では、磁石極数が数十にも及ぶ多極の設計が採用されることが多い。この場合、わずかな機械角のずれでも電気角に換算すると大きなずれとなるため、位相電気角位相が回転子の界磁位相を正確に示すようにするには、絶対位置検出器の取り付け精度を十分に確保する必要が生ずる。このため、センサそのものの検出精度だけでなく、巻上機の組立工程におけるセンサ基準位置とロータ磁極位置との位置合わせ精度が重要となる。

しかしながら、電気角で数度レベルの精度を確保するように取付けることは、製造コストを考慮すると非現実的なので、多極の永久磁石同期電動機に絶対位置検出器を用いる場合には、電気角位相の補正が課題となる。
そこで、位置合わせ精度を向上するために、エレベータの据付調整中に磁極位置を補正する方法がとられている（たとえば、特許文献１参照）。

特許３３３６８７０号公報

従来のエレベータの制御装置では、上記特許文献１に記載された装置の場合、一度エレベータを走行させてその時の電動機の状態から磁極位置の補正角度を求める方法を採用しているので、初めから磁極位置が大きくずれている場合には、エレベータを走行させることができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、磁極位置がずれたままエレベータを起動してしまうことを回避し、常にエレベータを正常な状態で作動できる信頼性の高いエレベータの制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係るエレベータの制御装置は、永久磁石同期電動機により巻上機が駆動されるエレベータの制御装置であって、永久磁石同期電動機の固定子巻線電流のｄ軸成分およびｑ軸成分の各指令値と各実際値との偏差に基づいて、各指令値が各実際値に追従するように制御する電流制御手段と、永久磁石同期電動機の回転子の回転にともなう絶対位置から、永久磁石同期電動機の回転角速度の実際値を検出する角速度演算手段と、永久磁石同期電動機の回転角速度の指令値と実際値との偏差に基づいて、回転角速度が指令値に追従するように制御する速度制御手段と、電流制御手段からのｄ軸の電流偏差に基づく補償電圧信号に基づいて、永久磁石同期電動機の磁極位相を補正する磁極位相補正手段と、を備えたものである。

この発明によれば、エレベータの起動時にエンコーダ取付け角度を補正することにより、簡単な構成で、磁極位置がずれたままエレベータを起動してしまうことを回避し、巻上機の組立工程で問題となるエンコーダ取付け角度の調整を不要として、製造工程の合理化を実現することができる。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１によるエレベータの制御装置を示す構成図である。
図１において、エレベータの制御装置は、永久磁石同期電動機１と、永久磁石同期電動機１の回転子の回転にともなう絶対位置を検出する絶対位置検出器２と、絶対位置検出器２の位置出力から永久磁石同期電動機１の回転角速度ωｒを検出する角速度演算手段３と、永久磁石同期電動機１の回転角速度の指令値ωｒｃｏｍと回転角速度ωｒの偏差を演算する減算器４と、その偏差に基づいて永久磁石同期電動機１が発生すべきトルクを演算し、回転角速度ωｒが指令値ωｒｃｏｍに追従するように制御する速度制御手段５と、を備えている。

３相交流電動機の制御では、一般に３相の電流、電圧を二軸に変換したものを扱うことが多く、３相のＵ相軸にα軸を合わせた静止二軸上の座標系をα−β座標系、回転子の界磁方向にｄ軸を合わせた回転二軸上の座標系をｄ−ｑ軸座標系と呼ぶ。

また、エレベータの制御装置は、絶対位置検出器２の位置出力から永久磁石同期電動機１の回転子の電気角位相θｒｅを演算する位相演算手段６を備えている。
ここで、電気角位相θｒｅは、α−β座標系から見たｄ−ｑ軸座標系の回転角度を示している。

さらに、エレベータの制御装置は、永久磁石同期電動機１の固定子巻線に流れる３相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する電流検出器７と、３相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄ−ｑ軸座標系での２相電流Ｉｄ、Ｉｑに変換する３相/２相変換器８と、ｄ−ｑ軸座標系での電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する２相/３相変換器９と、減算器１０および１１と、ｄ軸電流制御手段１２およびｑ軸電流制御手段１３と、を備えている。

減算器１０および１１は、それぞれ、永久磁石同期電動機１の固定子巻線電流のｄ軸成分の指令値Ｉｄｃｏｍおよび実際値Ｉｄと、ｑ軸成分の指令値Ｉｑｃｏｍおよび実際値Ｉｑの偏差を演算し、また、ｄ軸電流制御手段１２およびｑ軸電流制御手段１３は、各偏差に基づいて指令値が実際値に追従するように制御する。

また、エレベータの制御装置は、ｄ軸電流とｑ軸電流を独立してフィードバック制御できるように補償するための非干渉制御手段１４と、それぞれｄ軸電流制御手段１２およびｑ軸電流制御手段１３からのｄ軸およびｑ軸の制御出力Ｖｄ’、Ｖｑ’に非干渉制御手段１４の出力を加算して電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを演算するための加算器１５および１６と、２相/３相変換器９からの３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗにしたがって可変電圧可変周波数の３相交流電圧を出力する電力変換器１７を備えている。

上記構成において、速度制御手段５は永久磁石同期電動機１の回転角速度ωｒが指令値ωｒｃｏｍに追従するようなトルク指令を出力し、ｑ軸電流制御手段１３はトルク指令値に相当するｑ軸電流指令値Ｉｑｃｏｍに追従するようにｑ軸電流Ｉｑを制御する。
また、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃｏｍは通常０とする場合が多いが、高回転時の電圧を下げるために弱め界磁をする場合や、逆突極形の永久磁石同期電動機１でリラクタンストルクを利用する場合などにはｄ軸電流指令値Ｉｄｃｏｍを適当な値に制御することがある。

さらに、エレベータの制御装置は、入力側がｄ軸電流制御手段１２に接続され、ｄ軸の制御出力（Ｖｄ’）から磁極位相補正値△θを演算するｄ軸磁極位相補正手段（以下、単に「磁極位相補正手段」という）１８と、磁極位相補正手段１８の出力と位相演算手段６の出力を加算する加算器１９とを備え、加算器１９の出力側は３相/２相変換器８と２相/３相変換器９の入力側に接続される。

この発明の実施の形態１に係る制御系は、一般に永久磁石同期電動機の電流制御に用いられるｄ−ｑ軸非干渉補償制御系（図１の要素１から１７から成る回路構成）に、実質的に磁極位相補正手段１８を付加したものである。

磁極位相補正手段１８は、図２に示すように、ゲインアンプ１８１と積分器１８２から構成された極めて簡単なものである。電流のフイ−ドバック制御によって減算器１０における電流偏差がほぼ０であるとすれば、ｄ軸電流を０に制御している場合（Ｉｄｃｏｍ＝０）、定常状態ではｄ軸電流制御手段１２の出力信号は０となる。
磁極位相補正手段１８は、この特性を利用したもので、ｄ軸電流制御手段１２の出力信号が０となるまで、磁極位相補正手段１８で座標変換に用いる位相角を補正するように作用する。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、永久磁石同期電動機の電流制御方法として一般に用いられているｄ−ｑ軸非干渉制御方式において、ｄ軸の電流偏差に基づく補償電圧信号に基づいて磁極位相を補正する手段を付加することで、構成簡単にして、エレベータの起動時にエンコーダ取付け角度を補正することができる。
したがって、磁極位置がずれたままエレベータを起動してしまうことが回避され、巻上機の組立工程で問題となるエンコーダ取付け角度の調整が不要となり、製造工程の合理化を実現することができる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、特に言及しなかったが、図３に示すように、磁極位相補正手段１８および速度制御手段５を制御する補正モード設定手段２０を設けてもよい。
図３はこの発明の実施の形態２によるエレベータの制御装置を示す構成図である。
なお、図３において、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。

図３において、補正モード設定手段２０が設けられ、補正モード設定手段２０の入力側は、磁極位相補正手段１８と角速度演算手段３の出力側に接続され、その出力側は磁極位相補正手段１８と速度制御手段５の入力側に接続される。
そして、補正モード設定手段２０は、磁極位相の補正を行う場合に、ｄ軸電流指令値Ｉｄｃｏｍを０に設定するとともに、回転角速度ωｒと磁極位相補正値△θに応じて磁極位相補正手段１８のゲインと速度制御手段５のゲインを変化させる。その他の構成は、図１の場合と同様である。

図４は補正モード設定手段１９の動作を示すタイミングチャートであり、図中の各波形（ａ）〜（ｄ）は磁極位相補正運転中の磁極位相補正値の変化を示している。
図４において、（ａ）は磁極位相補正値Δθ、（ｂ）は磁極位相補正ゲインＧφ、（ｃ）は速度制御ゲインＧｖ、（ｄ）は永久磁石同期電動機１の回転速度（エレベータの速度）ωをそれぞれ示している。

図４（ｂ）に示すように、磁極位相補正ゲインＧφを起動時に大きな値に設定することで、素早く大きな位相ずれを補正し、回転し始めにトルク指令と実トルクの方向を揃えるようにしている。

また、図４（ｃ）に示すように、起動時に速度制御ゲインＧｖを小さくすることで、位相ずれが大きくてトルク指令と実トルクの方向が合っていない間は、速度フィードバックが働かないようにしている。
このようにゲインを変化させることで、対応可能な磁極ずれの範囲を大幅に拡大し、初期位相によらずに磁極位相補正を実現することが可能となる。

次に、図５のフローチャートを参照しながら、補正モード設定手段１９の動作について説明する。
図５において、まず、エレベータが停止中であるか否かを判定し（ステップＳ１）、停止中でない（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、続いて、エレベータが起動したか否かを判定する（ステップＳ２）。

ステップＳ１、Ｓ２において、エレベータが停止中である（すなわち、ＹＥＳ）と判定されるか、または、起動していない（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、エレベータ起動後の時間ｔおよび磁極位相補正実行フラグＳをそれぞれ「０」に初期設定する（ステップＳ３）。
また、磁極位相補正ゲインＧφを通常ゲイン０に設定するとともに、速度制御ゲインＧｖを通常ゲインＦ（図４（ｃ）参照）に設定し（ステップＳ４）、ステップＳ１８（後述する）に進む。

一方、ステップＳ２において、エレベータが起動している（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、起動後の時間ｔを「ｔ＋１」にインクリメントし（ステップＳ５）、永久磁石同期電動機１の回転速度が回転角速度ωｒ（図４（ｄ）参照）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ６）。

ステップＳ６において、回転速度≦ωｒ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、続いて、磁極位相補正実行フラグＳが「０」であるか否かを判定する（ステップＳ７）。
ステップＳ７において、Ｓ＝０（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、磁極位相補正ゲインＧφを磁極位相補正のための初期ゲインＡ（図４（ｂ）参照）に設定するとともに、速度制御ゲインＧｖを磁極位相補正のための初期ゲインＥ（図４（ｃ）参照）に設定して（ステップＳ８）、ステップＳ１８に進む。

一方、停止前に永久磁石同期電動機１の回転速度が回転角速度ωｒよりも低くなり、ステップＳ７において、Ｓ≠０（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、ステップＳ４に進み、磁極位相補正ゲインＧφおよび速度制御ゲインＧｖを、それぞれ、通常ゲイン０、Ｆに固定して、ステップＳ１８に進む。

つまり、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ５〜Ｓ８の処理においては、エレベータの起動を開始してから、永久磁石同期電動機１の回転速度が回転角速度ωｒに達するまでは、同様のループ動作が繰り返されることになる。

一方、ステップＳ６において、永久磁石同期電動機１の回転速度が回転角速度ωｒ（図４（ｄ）参照）よりも大きい（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、磁極位相補正実行フラグＳを「１」に設定し（ステップＳ９）、起動後の時間ｔが所定時間Ｔ（図４（ａ）参照）と等しい（所定時間Ｔに達した）か否かを判定する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０において、ｔ≠Ｔ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、磁極位相補正ゲインＧφを１単位ａ（図４（ｂ）参照）だけ低減させて（ステップＳ１１）、磁極位相補正ゲインＧφが値Ｂ（図４（ｂ）参照）よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２において、Ｇφ≧Ｂ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、速度制御ゲインＧｖを１単位ｅ（図４（ｃ）参照）だけ増大させて（ステップＳ１５）、速度制御ゲインＧｖが値Ｆ（図４（ｃ）参照）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１６）。
ステップＳ１６において、Ｇφ≧Ｆ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、ステップＳ１８に進む。

一方、エレベータの起動から所定時間Ｔが経過し、ステップＳ１０において、ｔ＝Ｔ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、磁極位相補正ゲインＧφを０に設定して（ステップＳ１３）、ステップＳ１５に進む。

また、ステップＳ１１において磁極位相補正ゲインＧφが順次低減されることにより、ステップＳ１２において、Ｇφ＜Ｂ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、磁極位相補正ゲインＧφを値Ｂに固定して（ステップＳ１４）、ステップＳ１５に進む。

また、ステップＳ１５において速度制御ゲインＧｖが順次増大されることにより、ステップＳ１６において、Ｇｖ＞Ｆ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、速度制御ゲインＧｖを値Ｆに固定して（ステップＳ１７）、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８においては、磁極位相補正手段１８に磁極位相補正ゲインＧφを出力する。
最後に、速度制御手段５に速度制御ゲインＧｖを出力して（ステップＳ１９）、図５に示した一連の動作を終了する。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、起動時に磁極位相補正ゲインを高くしておき、徐々にゲインを下げながら運転を続け、所定の速度に達して補正値の変化が所定内に納まった時に、補正値をラッチする構成としたので、磁極ずれの大きい起動時に素早く補正をすることで、大幅な磁極ずれがある場合にも磁極位相補正をしながらエレベータを起動することができ、しかも磁極位相補正値が外乱の影響を受けずに高精度の補正が可能となる。
また、起動時に速度制御ゲインを通常運転時よりも低く設定しておき、磁極の位相補正が進むにつれて速度制御ゲインを徐々に通常運転時の設定値に戻すようにしたので、磁極ずれが大きい場合の過剰なトルク指令値の変動を抑え、滑らかな起動を実現することができる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では特に言及しなかったが、図６に示すように、磁極位相の補正が未実行の場合には、自動的に磁極位相の補正運転に移行させてもよい。
図６はこの発明の実施の形態３によるエレベータの制御装置の動作を概略的に示すフローチャートであり、磁極位相補正運転に移行するか否かを判断する処理ルーチンを示している。なお、この発明の実施の形態３による回路構成については、図１および図３と同様のものを使用可能なので、ここでは図示を省略する。

この発明の実施の形態３においては、磁極位相補正手段１８の積分器１８２（図２参照）に含まれる記憶手段を、磁極位相補正の実行有無を記憶する不揮発性メモリとして用い、このメモリの内容にしたがって、磁極位相補正未実行の場合には、自動的に磁極位相補正運転に移行するように構成されている。

図６において、まず、磁極位相補正完了フラグが「１」にセットされているか否かを判定し（ステップＳ２１）、磁極位相補正完了フラグ＝０（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、磁極位相補正モードで運転を行い（ステップＳ２２）、続いて、磁極位相補正が完了しているか否かを再度判定する（ステップＳ２３）。

ステップＳ２３において、磁極位相の補正が完了している（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、磁極位相補正完了フラグを「１」にセットして（ステップＳ２４）、ステップＳ２１に戻り、上述の動作を繰り返す。

一方、ステップＳ２１において、磁極位相補正完了フラグ＝１（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、通常モードで運転を行い（ステップＳ２５）、直ちにステップＳ２１に戻る。
また、ステップＳ２３において、磁極位相の補正が完了していない（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、直ちにステップＳ２１に戻って上述の動作を繰り返す。

このように、この発明の実施の形態３においては、磁極位相補正完了フラグが「１」にセットされない限りは、常に磁極位相の補正運転が実行される。
なぜなら、磁極が大幅にずれた状態で運転を開始すると、トルクが指令通りに発生するとは限らないので、エレベータの起動ができない場合があるからである。

一方、一度でも磁極位相の補正運転が完了すれば、運転できたときの磁極位相の補正値が不揮発性メモリに書き込まれており、その後は、大幅な磁極ずれは無いと考えられるので、起動は可能となる。

ただし、磁極位相の補正精度を向上させる目的などにより、その後も、必要に応じて、据付作業者がマニュアルで磁極位相補正運転を実行できるようにする必要性もある。
また、出荷時に磁極位相補正完了フラグを「０（ＯＦＦ）」にセットして、不揮発性メモリに初期データとして書き込んでおけば、据付完了後の最初の起動時には、必ず磁極位相補正運転を実行することができるので、磁極がずれたままエレベータを起動してしまうことがなくなる。

以上のように、この発明の実施の形態３によれば、制御装置に磁極位相補正の実行有無を記憶する記憶手段を設け、その記憶手段の内容にしたがって、磁極位相補正未実行の場合には自動的に磁極位相補正運転に移行することができる。
これにより、通常、磁極位相補正値は制御装置の記憶手段として不揮発性メモリに記憶するのが一般的なので、制御装置と巻上機を組み合わせて、最低限一度の磁極位相補正が必要となるが、出荷時に必ず磁極位相補正運転を実行することができるため、磁極がずれたままエレベータを起動してしまうことがなくなり、精度の高いエレベータの制御が可能になる。

この発明の実施の形態１によるエレベータの制御装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるエレベータの制御装置の要部を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるエレベータの制御装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２によるエレベータの制御装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２によるエレベータの制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態３によるエレベータの制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 永久磁石同期電動機、３ 角速度演算手段、４、１０、１１ 減算器、５ 速度制御手段、６ 位相演算手段、１２ ｄ軸電流制御手段、１３ ｑ軸電流制御手段、１５、１６、１９ 加算器、１８ 磁極位相補正手段、２０ 補正モード設定手段。

Claims (4)

1. 永久磁石同期電動機により巻上機が駆動されるエレベータの制御装置であって、
   前記永久磁石同期電動機の固定子巻線電流のｄ軸成分およびｑ軸成分の各指令値と各実際値との偏差に基づいて、前記各指令値が前記各実際値に追従するように制御する電流制御手段と、
   前記永久磁石同期電動機の回転子の回転にともなう絶対位置から、前記永久磁石同期電動機の回転角速度の実際値を検出する角速度演算手段と、
   前記永久磁石同期電動機の回転角速度の指令値と実際値との偏差に基づいて、前記回転角速度が前記指令値に追従するように制御する速度制御手段と、
   前記電流制御手段からのｄ軸の電流偏差に基づく補償電圧信号に基づいて、前記永久磁石同期電動機の磁極位相を補正する磁極位相補正手段と、
   を備えたことを特徴とするエレベータの制御装置。
2. 前記磁極位相補正手段および前記角速度演算手段の各出力に基づいて、前記磁極位相補正手段および前記速度制御手段を制御する補正モード設定手段を備え、
   前記補正モード設定手段は、前記磁極位相が補正される場合に、ｄ軸の電流指令値を０に設定するとともに、前記永久磁石同期電動機の回転角速度および磁極位相補正値に応じて前記磁極位相補正手段および前記速度制御手段の各ゲインを変化させることを特徴とする請求項１に記載のエレベータの制御装置。
3. 前記補正モード設定手段は、起動時には前記速度制御手段のゲインを通常運転時の設定値よりも低く設定しておき、磁極位相の補正が進むにつれて、前記速度制御手段のゲインを徐々に前記通常運伝時の設定値に戻すことを特徴とする請求項２に記載のエレベータの制御装置。
4. 前記磁極位相補正手段は、前記磁極位相の補正の実行有無を記憶する記憶手段を含み、前記記憶手段の記憶内容にしたがって、前記磁極位相の補正が未実行の場合には自動的に前記磁極位相の補正運転に移行することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエレベータの制御装置。

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