JP2011041338A - エレベーターの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転位置センサレスの電動機制御を用いたエレベーターの制御装置において、回転位置・速度を推定する部分に異常が生じた場合や、電力変換器が停止している場合においても電動機の回転速度を検出する。
【解決手段】永久磁石同期電動機の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段によって検出された電圧値の周波数に基づいて前記電動機の回転速度を推定する速度推定手段を設け、速度推定手段によりエレベーターの走行速度を監視するようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、回転位置センサレスの電動機制御装置に係り、特に電動機の速度検出方法に関するものである。

永久磁石を界磁に利用した永久磁石同期電動機（以下ではＰＭ電動機と呼ぶ）は界磁のための電流が必要なく、小型で高効率であるため、近年、エレベーターへの適用が増加している。ＰＭ電動機の制御では永久磁石の磁極位置を検出する必要があり、これはレゾルバやエンコーダなどの回転センサを用いて検出することが一般的である。しかし、回転センサを用いるためにモータに構造上の制約が必要となったり、回転センサ取り付けのための加工や回転センサ自体のコストがかかるという問題がある。このため、上記の回転センサを用いる代わりに、ＰＭ電動機の特性を数式モデルとして制御装置内部に有し、ＰＭ電動機に印加する電圧やＰＭ電動機の電流値などの信号を用いてＰＭ電動機の回転状態を推定することにより、回転センサを用いることなくＰＭ電動機の駆動が可能であるセンサレス駆動方式が開発されている(例えば特許文献１参照)。

特表２００４−５１４３９２号公報（第６〜７ページ、図１〜２）

エレベーターでは走行速度が過大となった場合には調速機が作動し、ブレーキ等の制動装置により非常制動をかけるが、多くのエレベーターでは制御装置による安全機能として、調速機が作動するよりも前に、ＰＭ電動機の回転速度によって速度が増速していることを検知し、非常制動をかけることが行われている。また、このときのＰＭ電動機の回転速度の検出にはエンコーダ等の回転センサが用いられている。しかしながら、前述した従来技術では、ＰＭ電動機の制御装置の制御信号をもとにＰＭ電動機の回転速度を推定しているため、ＰＭ電動機の制御装置の異常時、およびＰＭ電動機の制御装置の停止時にはＰＭ電動機の回転速度が推定できず、したがってエレベーターの異常な増速等の速度異常を検出できないという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ＰＭ電動機の制御装置の異常時、およびＰＭ電動機の制御装置の停止時にも回転センサを用いることなくＰＭ電動機の回転速度を得ることができるエレベーターの制御装置を得ることを目的としている。

本発明のエレベーターの制御装置は、シーブを駆動する永久磁石同期電動機の磁極回転位置と速度を前記永久磁石同期電動機に加える電圧信号と前記永久磁石同期電動機に流れる電流信号から推定する磁極位置および回転速度推定手段を有するエレベーターの制御装置において、前記永久磁石同期電動機の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された電圧値の周波数に基づいて前記電動機の回転速度を推定する速度推定手段を設け、前記速度推定手段によりエレベーターの走行速度を監視するようにした。

ＰＭ電動機の端子電圧を検出し、ＰＭ電動機の速度を推定することにより、従来のセンサレス制御で用いる速度推定値とは別系統で速度を検出することが可能であり、ＰＭ電動機の制御装置の異常時、およびＰＭ電動機の制御装置の停止時にもＰＭ電動機の回転速度を得ることができ、速度異常を検出できる。

本発明の実施の形態１に係る、エレベーターの制御装置の構成を示した構成図である。 実施の形態１に係る、速度推定器の内部構成図である。 実施の形態１に係る、電圧検出手段の検出電圧波形とフィルタ手段により平滑化された電動機の端子間電圧波形の一例である。 実施の形態２に係る、エレベーターの制御装置の構成を示した構成図である。 実施の形態２に係る、速度推定器の内部構成図である。 実施の形態２に係る、回転方向判定手段に入力されるＰＭ電動機の端子間電圧波形の一例である。 実施の形態２に係る、３系統の速度推定を行う速度推定器の内部構成図である。

実施の形態１．
図１に本発明の実施の形態１に係るエレベーターの制御装置の構成図を示す。エレベーターの制御装置は、シーブ１、ブレーキ２、３相入力のＰＭ電動機３、ロープ４、かご５、釣合錘６、電流検出器７、速度制御装置８、電流制御装置９、電力変換器１０、磁極位置・回転速度推定器(「磁極位置および回転速度推定器」と同義。以下同様)１１、速度推定器１２、非常制動手段１３により構成される。

エレベーターはロープ式であり、ロープ４の端部にかご５と釣合錘６がそれぞれ接続されており、ロープ４はシーブ１に巻き掛けられている。シーブ１は、ＰＭ電動機３に軸が直接、或いはギアを介して接続されており、前記ＰＭ電動機３を回転制御することによりかごが昇降される。
ＰＭ電動機３は電力変換器１０よって駆動されるが、これは電流制御装置９と速度制御装置８によって制御される。速度制御装置８は電動機の回転速度が速度指令値に一致するような電流指令（トルク指令）を電流制御装置９に出力し、電流制御装置９は入力された前記電流指令に電動機電流が一致するように電力変換器１０を制御する。電流制御にはベクトル制御が用いられることが多く、磁極位置・回転速度推定器１１によって推定されたＰＭ電動機の速度と磁極位置、そして電流検出器７によって検出されるＰＭ電動機の電流を用いて行われる。電力変換器１０には電圧指令が出力される。
電力変換器１０はインバータやマトリクスコンバータなどが用いられ、入力された電圧指令に一致する電圧をＰＭ電動機３に印加する。
磁極位置・回転速度推定器１１はＰＭ電動機の特性を数式モデルとして内部に有し、ＰＭ電動機に印加する電圧指令値と検出されたＰＭ電動機の電流値を用いてＰＭ電動機の回転位置、回転速度を推定する推定器であり、公知の技術を用いて実現できる。また、回転位置、回転速度の推定はマイクロコンピュータに実装されたプログラムにより行われる。
速度推定器１２は本発明で新規に設けたＰＭ電動機３の回転速度を推定する装置であり、その動作について以下に説明する。

図２は速度推定器１２の内部構成を示した構成図である。２１は電圧検出手段であり、ＰＭ電動機３の端子間の電圧を検出する。図２ではＵ相とＶ相の間の電圧を検出する例を示しているが、この例に限らず３相のうちの任意の２相間の電圧を検出する構成とできる。

２２はフィルタ手段であり、前記電圧検出手段２１で検出した電圧値を平滑化するフィルタであり、一般的なローパスフィルタで実現できる。

一般的に、電力変換器１０はＰＷＭ変調を用いた直流電圧のスイッチングにより、ＰＭ電動機の端子間に交流電圧を印加するため、ＰＭ電動機の端子間の電圧は図３（ａ）のような波形となる。フィルタ手段２２は図３（ａ）の波形を平滑化する機能を有し、図３（ｂ）のような滑らかな交流波形を出力する。
なお、フィルタ手段２２は、ＲＣフィルタやＬＣフィルタのようなアナログ回路で実現してもよいし、図３（ａ）の波形を直接マクロコンピュータ等に取り込み、デジタルフィルタ等の演算処理により実現してもよい。

周波数演算手段２３はフィルタ手段２２によって平滑化された電圧値を入力とし、この電圧値を用いてＰＭ電動機の回転速度を演算する。周波数演算手段２３は例えばマイクロコンピューターに実装されたプログラムとして実現できる。
ＰＭ電動機の電気角周波数はフィルタ手段２２に入力されるＰＭ電動機の端子間電圧の周波数に等しいため、端子間電圧の周波数を演算することによりＰＭ電動機の電気角周波数が演算できる。この電気角周波数の演算は例えば、図３(ｂ)の波形において単位時間あたりのゼロクロス点をカウントすることにより求めることができる。そして、ＰＭ電動機の回転速度は、ＰＭ電動機の電気角周波数をＰＭ電動機の極対数で割った値に等しいことから、前記除算によりＰＭ電動機の回転速度を求め、非常制動手段１３に出力する。

非常制動手段１３は磁極位置・回転速度推定器１１、および速度推定器１２によって推定されたＰＭ電動機３の速度に基づいてかごの速度異常を判定し、異常時にはかごを静止させるため、電力変換器の出力を停止させ、シーブ１に搭載されたブレーキ２を動作させる。

ここで速度異常とは以下のケースが該当する。
ケース１：磁極位置・回転速度推定器１１で推定した電動機の回転速度、および速度推定器１２で推定したＰＭ電動機の回転速度が過大であるとき。
ケース２：磁極位置・回転速度推定器１１で推定した電動機の回転速度と速度推定器１２で推定したＰＭ電動機の回転速度の大きさが一致しないとき。

ケース１はＰＭ電動機の速度が予め想定されている速度を超えた場合であり、速度制御装置や電流制御装置等の制御装置の異常時が考えられる。
ケース２は磁極位置・回転速度推定器１１または速度推定器１２の異常時が考えられる。さらに、走行中の電力変換器1０の出力停止や、電力変換器１０が、停止時のブレーキ開放等、何らかの理由で電力変換器１０の停止時にＰＭ電動機が回転している場合が考えられる。

ケース１、２のいずれの場合においても、ブレーキによる制動を行い、かごを静止することが必要となる。なお、ケース1の場合は磁極位置・回転速度推定器１１は正常に動作しているため、磁極位置・回転速度推定器１１と速度推定器１２は同じ回転速度を出力している。

しかしケース２で電力変換器１０が停止している場合は、ＰＭ電動機に電圧が印加されないため磁極位置・回転速度推定器１１は正常に動作せず、正しいＰＭ電動機の回転速度を得ることはできない。このため、速度推定器１２を持たない従来のエレベーターの制御装置では、正しいＰＭ電動機の回転速度を検出することができなかった。

一方、本発明では電力変換器１０が停止し、ＰＭ電動機に電圧が印加されない場合においても、速度推定器１２により、ＰＭ電動機の回転によってＰＭ電動機の端子間に生じる誘起電圧を用いてＰＭ電動機の回転速度を推定できる。これは電圧検出手段２１によって検出した誘起電圧を用いて前記で述べた方法と同様にして、その周波数を演算し、それをＰＭ電動機の極対数で割ることにより求めることができる。

以上のように本発明では、ＰＭ電動機の端子電圧をもとに電動機速度を推定する速度推定器１２を設けたことにより、従来のセンサレス制御で用いる磁極位置・回転速度推定器１１とは別系統で速度を検出することが可能である。これにより、ＰＭ電動機の制御装置の異常時、および電力変換器１０の停止時においてもＰＭ電動機の回転速度を得ることができ、必要に応じて非常制動をかけることができる。

また、それぞれの速度推定器での速度推定結果との比較により、一方の速度推定器が故障した場合においても、その故障が分かるため、信頼性が向上する。なお、速度推定器1２の演算と、磁極位置・回転速度推定器１１の演算は別々のマイクロコンピュータで行うことで、より信頼性を向上することができる。

さらに、本発明の速度推定器１２はＰＭ電動機の電圧検出手段２１、フィルタ手段２２と簡易な演算を行う周波数演算手段２３により実現することができるため、エンコーダ等の回転センサを用いることなく安価に実施することができる。

また、本実施の形態では非常制動時の制動手段としてシーブに搭載されたブレーキを設けた例を示したが、これに限らず、ロープを制動するロープブレーキや、かごを直接制動するかごブレーキ等を用いることができる。

実施の形態２.
図４は本発明の実施の形態２におけるエレベーターの制御装置の構成を示した構成図である。図中で図１と同じ符号を記した要素は実施の形態１と同様の動作を行う。
本実施の形態では速度推定器４１２と非常制動手段４１３の構造と動作が実施の形態１とは異なっており、以下にそれらの違いについて説明する。

速度推定器４１２の内部構成を図５に示す。図５において、電圧検出手段２１ａ、２１ｂ、フィルタ手段２２ａ、２２ｂ、周波数演算手段２３ａ、２３ｂは、それぞれ図２の電圧検出手段２１、フィルタ手段２２、周波数演算手段２３と同一の動作をする。つまり本実施の形態では破線部で囲まれた回転速度推定部を２系統有し、２系統の速度推定を行う。そしてさらに、回転方向判定手段５１を有する。電圧検出手段２１ａ、２１ｂへはそれぞれＰＭ電動機の異なる端子間の電圧が入力される。

図５では電圧検出手段２１へはＵ−Ｖ相間、電圧検出手段２１ｂへはＵ−Ｗ相間の電圧が入力される例を記しているが、この組み合わせに限らず、例えば電圧検出手段２１ｂへはＶ−Ｗ相間の電圧を入力してもよい。

回転方向判定手段５１はフィルタ手段２２ａ、２２ｂから出力された電圧波形に基づいてＰＭ電動機の回転方向を判定する。

図６を用いて以下にその方法を示す。図６は入力された端子間電圧の時間波形を示しており、実線はＵ−Ｖ相間電圧、破線はＵ−Ｗ相間電圧を示している。二つの電圧は位相差をもっているため、この位相差を求めることによりＰＭ電動機の回転方向を判定できる。図６ではＵ−Ｖ相間の電圧の方がＵ−Ｗ相間の電圧より６０［ｄｅｇ］進んでいるが、ＰＭ電動機の回転方向が図６の波形が得られる回転方向に対して逆回転方向であった場合には、位相差が逆転し、Ｕ−Ｗ相間の電圧の方がＵ−Ｖ相間の電圧より６０[deg]進んだ波形となる。このような位相差と回転方向の関係は予め知ることができるため、二つの電圧の位相差を求めることにより回転方向が判定できる。

なお、図６の例では位相差は６０［ｄｅｇ］であるが、検出する電圧の組み合わせをＵ−Ｖ相間、Ｖ−Ｗ相間とした場合は１２０［ｄｅｇ］となる。いずれにせよ、位相差と回転方向の関係は予め知ることができるため、その関係を用いて回転方向を判定する。なお、位相差の演算は電圧の連続的な時系列データから演算できる。

また、位相差を直接計算する替わりに二つの電圧値のゼロクロス点を通過する時間差に基づいて判定してもよい。具体的には例えば図６の波形では負側から正側になるゼロクロス点で考えた場合、Ｕ−Ｖ相間電圧がゼロクロスを通過してからＵ−Ｗ相間電圧がゼロクロスを通過するまでの時間ｔ１と、Ｕ−Ｗ相間電圧がゼロクロスを通過してからＵ−Ｖ相間電圧がゼロクロスを通過するまでの時間ｔ２を比較した場合、時間ｔ１の方が時間ｔ２よりも短い。回転方向が逆である場合には両者の時間差が逆転し、時間ｔ１の方が時間ｔ２よりも長くなるため両者の時間差を判定することにより回転方向を判別することができる。

非常制動手段４１３は速度推定器４１２および、磁極位置・回転速度推定器１１によって推定されたＰＭ電動機３の速度に基づいてかごの速度異常を判定し、異常時にはかごを静止させるため、電力変換器の出力を停止させ、シーブ１に搭載されたブレーキ２を動作させる。速度推定器４１２からは２系統の速度推定値とＰＭ電動機の回転方向が非常制動手段４１３に入力される。速度異常の判定については実施の形態１で説明した状態に加えて以下のケースが追加される。

ケース３：磁極位置・回転速度推定器１１で推定したＰＭ電動機の回転速度と速度推定器４１２で推定したＰＭ電動機の回転速度の大きさ、または回転方向が一致しないとき。
ケース４：速度推定器４１２から入力された2系統の速度推定値の値が異なるとき。

ケース３はＰＭ電動機の回転方向がそれぞれの速度推定器で異なる場合に対する異常検出が可能である。また、ケース４は速度推定器４１２内部での２系統の速度推定値の整合性を監視していることになるため、速度推定器４１２の異常を検出することが可能である。このため、実施の形態１の構成よりも信頼性を向上させることができる。このため、高い信頼性の要求される電子安全装置の速度検出機能等に利用することができる。

なお、速度推定器４１２の演算と、磁極位置・回転速度推定器１１の演算は別々のマイクロコンピュータで行うことで、より信頼性を向上することができる。さらには速度推定器４１２内部の２系統の速度推定演算を別々のマイクロコンピュータで行うようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態では速度推定器４１２に２系統の速度推定を行う構成としたため、速度推定器４１２のみで２重系の速度検出器を構成でき、信頼性を向上させることができる。さらに、ＰＭ電動機の異なる端子間電圧を用いて、２重系の速度推定器を構成したため、安価に実現できる。なお、回転方向の判定が必要ない場合は、回転方向判定手段５１を省略することができる。

また、本実施の形態では、速度推定器４１２に２系統の速度推定を行う構成としたが、図７に示すように、図５の構成に対してさらにＶ−Ｗ相間の電圧を入力とした３系統の速度推定器とすることもでき、より信頼性を向上させることもできる。なお、図７において、電圧検出手段２１ｃ、フィルタ手段２２ｃ、周波数演算手段２３ｃはそれぞれ図２の電圧検出手段２１、フィルタ手段２２、周波数演算手段２３と同一の動作をし、回転方向判定手段５１ａ、５１ｂは図５の回転方向判定手段５１と同一の動作をする。

２ ブレーキ、３ 永久磁石同期電動機、１０ 電力変換器、１１ 磁極位置・回転速度推定器、１２ 速度推定器、１３ 非常制動手段。

Claims (5)

1. シーブを駆動する永久磁石同期電動機の磁極回転位置と速度を前記永久磁石同期電動機に加える電圧信号と前記永久磁石同期電動機に流れる電流信号から推定する磁極位置および回転速度推定手段を有するエレベーターの制御装置において、前記永久磁石同期電動機の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された電圧値の周波数に基づいて前記電動機の回転速度を推定する速度推定手段を設け、前記速度推定手段によりエレベーターの走行速度を監視することを特徴とするエレベーターの制御装置。
2. 前記速度推定手段は前記永久磁石同期電動機の異なる複数の端子間電圧に基づいて、前記永久磁石同期電動機の回転速度を複数個独立して推定することを特徴とする請求項１に記載のエレベーターの制御装置。
3. 前記磁極位置・回転速度推定手段による回転速度推定と前記速度推定手段内の独立した複数個の回転速度推定部のうち、少なくとも2つ以上の速度推定部は互いに独立した演算装置を用いることを特徴とする請求項２に記載のエレベーターの制御装置。
4. エレベーターの制動装置と該制動装置を動作させる非常制動手段を有し、前記非常制動手段は前記速度推定手段によって推定された前記永久磁石同期電動機の回転速度に基づいて制動装置を動作させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエレベーターの制御装置。
5. 前記非常制動手段は前記速度推定手段と前記磁極位置および回転速度推定手段によって推定された前記永久磁石同期電動機の回転速度を比較し、一致しない場合には制動装置を動作させることを特徴とする請求項４に記載のエレベーターの制御装置。

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