JP4121855B2

JP4121855B2 - 同期式エレベータ巻上機のための、固定子鉄心の飽和の検出による絶対位置検出方法および絶対位置検出装置

Info

Publication number: JP4121855B2
Application number: JP2002564605A
Authority: JP
Inventors: マービン，ダリル，ジェー．; シモンズ，トッド，エー．; ペトロビック，ブラダン; シェパード，マーク; ベッチオッティ，アルベルト
Original assignee: Otis Elevator Co
Current assignee: Otis Elevator Co
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: US6401875B1; DE60236288D1; ES2343676T3; TW530026B; KR100850388B1; EP1410492B1; WO2002065139A3; BR0206246A; KR20030074723A; WO2002065139A2; JP2004519189A; BR0206246B1; EP1410492A2; CN1491478A; CN1269302C

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、主に、モータのための角度位置検出方法および角度位置検出装置に関し、特に、同期モータ式エレベータ巻上機の、停止時の絶対角度位置を、固定子鉄心の飽和を検出することにより計算する技術および方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
エレベータシステムに永久磁石同期機を用いることは、従来のエレベータ用誘導機を用いるよりも、所定の仕事量（duty）を得るのに要する寸法の点で有利である。しかし、同期モータ式巻上機を用いた場合、エレベータシステムを、回転子の絶対的角度位置（すなわち、固定子巻線に対する回転子の磁束のｄ軸線の位置）を検出して最大トルクを発生させることが可能なものとする必要がある。
【０００３】
このことは、特に、停電などの状況が生じて回転子の位置が失われた場合に重要である。エレベータの電力が遮断されると、エレベータのブレーキが起動されてエレベータかごの位置が固定される。電力が復旧されると、巻上機のブレーキが解除された状態で、エレベータ巻上機にトルクが加わりかつこのトルクが制御されるようにして、荷重が不均衡な状態でエレベータかごの動作が制御されるようにしなければならない。
【０００４】
従来のエレベータ巻上機においては、１つのインデックスパルスを有する増分エンコーダによって、回転子の絶対位置が求められてきた。しかし、この場合、電力遮断後にインデックスパルスの位置合わせを行うために、エレベータ巻上機を１回転させる必要がある。大規模なエレベータシステムでは、エレベータ巻上機を１回転させると、エレベータかごが１メートルも下降し得る。
【０００５】
１９９７年１０月５〜９日にルイジアナ州ニューオーリンズで開催されたＩＥＥＥ工業利用部会恒例会議の会議記録（Conference Records of the IEEE-Industry Applications Society Annual Meeting）に収録された「非突極永久磁石同期機の回転子の初期角度の検出」という文献には、永久磁石同期モータの回転子の位置を検出するために固定子鉄心の飽和効果を用いる技術が開示されている。この文献には、適した振幅および幅を有しかつ広い周波数帯域を有する電圧パルスを固定子の各相の巻線に印加する方法が開示されている。続いて、各巻線に対して、固定子のピーク電流のサンプルが１つだけ時間領域で測定され、このサンプルからインダクタンスが計算される。このインダクタンスは、固定子鉄心の部分的な飽和と、回転子の磁石の位置による磁束と、に依存して変化するため、このアルゴリズムによって、Ｎ極とＳ極とを判別し、回転子の絶対位置を求めることができる。
【０００６】
しかし、このような技術には、本質的に、測定結果の再現性が制限されるような騒々しい環境（例えばエレベータシステム）でサンプリングする場合に問題がある。このことは、発生される電圧パルスが、本質的に広帯域の周波数からなるためである。従って、電圧パルスの周波数帯域内のノイズ（例えば、エレベータの交流電流可変周波数装置のトランジスタのスイッチング速度）やその高調波成分が、読み取り値の精度に影響する。さらに、このような技術によると、１つのインダクタンス測定値から回転子の位置が計算されるため、１つのサンプルがノイズの影響を受けて不適当なものとなった場合、インダクタンスの計算値に大きく影響し得る。前記文献の図６に示された実験結果のカーブが不規則なものであることから、このようなインダクタンス測定には本質的に誤差が存在することがわかる。予測されるカーブは、円滑な正弦波であるべきだからである。
【０００７】
さらに、この技術においてＳ／Ｎ比を適切な値にするためには、振幅が著しく大きい電圧パルスおよびピーク電流（例えば、モータの定格電流もしくはこれに近い電流）が必要となる。このことによって、望ましくないほど大きなトルクがブレーキシステムに加わる。このようなトルクを補償するためには、１つの相に電圧パルスが印加された直後に逆方向の電圧パルスを印加して、この相の電流が零に戻される。このことによって、フリーホイールの電流（free wheeling current）が零になり、トルクがモータに加わる時間が減少する。
【０００８】
従って、同期モータの固定子巻線に対する回転子の絶対角度位置を検出する改善された方法が必要とされている。
【０００９】
【発明の開示】
本発明は、電力遮断後に同期モータ式巻上機の絶対角度位置を検出する方法を提供することによって、従来技術に優る利点および従来技術に代わる技術を提供する。固定子のインダクタンスを求めるために、所定周波数の適した交流電流がモータの固定子巻線に供給される。永久磁石から生じる磁束により固定子鉄心が飽和する現象によって、このようなアルゴリズムにより回転子の磁束のｄ軸線の位置および方向を求め、続いて、同期モータの固定子に対する回転子の絶対位置を求めることが可能となる。フーリエ解析を用いて固定子のインダクタンスを求めることによって、この方法の再現性およびエレベータシステムといった騒々しい環境で頻繁に生じるランダムノイズに対する耐ノイズ性を高めることができる。さらに、この方法のＳ／Ｎ比が高いことによって、印加される電流を、モータの定格電流に対して比較的小さくすることができ、これによって、エレベータのブレーキシステムに加わるトルクを著しく減少させることができる。
【００１０】
以上の利点および他の利点は、同期モータの固定子に対する回転子の位置を求める方法を提供することによって、本発明の実施例において達成される。このような方法では、所定の単一周波数および所定の初期位相角度を有する交流電流を固定子の固定子コイルに供給し、供給された電流および発生した電圧を、この周波数の周期あたり複数回サンプリングする。続いて、この方法では、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を用いて、サンプリングされた電圧値および電流値から固定子のインダクタンスを計算する。３６０度のサイクルに亘って初期位相角度を所定の回数増大させ、各位相角度に対して電流の供給、サンプリングおよび計算を繰り返して行うことによって、このアルゴリズムにより固定子インダクタンスの計算値が所定数だけ得られる。続いて、固定子インダクタンスの計算値の最小点から、固定子に対するｄ軸線の位置が求められる。
【００１１】
本発明の他の実施例によると、固定子インダクタンスの計算が終了した後に、直流オフセット電流が固定子巻線に供給される。続いて、１つの固定子インダクタンスが再計算され、再計算された固定子インダクタンスからｄ軸線の方向が求められる。
【００１２】
本発明の他の実施例によると、直流オフセット電流が交流電流とともに固定子巻線に供給され、固定子インダクタンスの計算値の最小点からｄ軸線の方向が求められる。
【００１３】
【発明を実施するための最良の形態】
図１には、本発明のエレベータシステムの実施例の全体が１０として示されている。このエレベータシステムは、エレベータ昇降路１２を備えており、このエレベータ昇降路１２の内部には、エレベータかご１４が垂直移動を行うように配置されている。エレベータかご１４は、エレベータロープ１８の組によって、吊り下げられているとともに、つりあいおもり１６に連結されてこれに対して相対移動を行うようになっている。かご用ガイドレール２０およびつりあいおもり用ガイドレール２２によって、Ｔ字型軌道が構成されており、これによって、エレベータかご１４およびつりあいおもり１６が昇降路１２内でそれぞれ案内される。３相４極型永久磁石同期モータ２６により駆動されるエレベータ巻上機２４が、エレベータ機械室２８内に配置されており、このエレベータ巻上機２４によって、エレベータかご１４および乗員を吊り上げるための機械的動力が供給される。
【００１４】
エレベータ制御システム２９は、交流可変周波数（ＡＣＶＦ）駆動装置３０およびエレベータ制御ユニット３４を備えている。モータ２６のための電力は、ＡＣＶＦ駆動装置３０から伝送ライン３２を介して供給される。従って、同期モータ２６の速度は、ＡＣＶＦ駆動装置３０の出力周波数を変化させることにより制御される。エレベータ制御ユニット３４は、伝送ライン３６を介して、エレベータかご１４の制御に要する機能（例えば、エレベータかごの荷重、速度、昇降路における位置）を示すデータを受け取る。制御ユニット３４は、このようなデータを処理し、伝送ライン３８を介してＡＣＶＦ駆動装置３０に制御信号を送る。ＡＣＶＦ駆動装置３０は、固体電源（solid state power）および制御回路を備えているが、さらに、同期モータの固定子に対する回転子の位置を求める実行可能プログラムを保存するためのメモリ回路をこれに備えることも可能である。駆動装置３０の制御回路は、モータの印加電圧およびモータの電流検出値を厳密に求めることが可能なものである。モータ２６のシャフトに連結されたエンコーダ（図示せず）によってシャフト位置データをＡＣＶＦ駆動装置３０に伝送し、これによって、通常運転中にエレベータ制御システム２９が回転子の位置を厳密に追跡し得るようにすることも可能である。
【００１５】
全ての同期モータに対して言えるように、モータ２６の回転速度つまり機械的周波数（ω_R）は、電源の周波数（ω_S）と等しいか、もしくはその約数である。同期モータの極Ｐの数（モータ２６の場合はＰ＝４）は、機械的周波数（ω_R）に対する電気的周波数（ω_S）の比率に相関し、Ｐ＝２＊（ω_S／ω_R）である。例えば、４極の同期モータにおいて、電源の電気的周波数が６０サイクル／秒つまり３６００サイクル／分であれば、モータの実際の回転速度は１８００回転／分である。従って、このような同期モータの場合、電気角度と機械角度とが異なる。このような４極の同期モータ２６の場合、電気角度が９０°であれば、モータの回転の機械角度は４５°である。
【００１６】
図２に示されているように、同期モータ２６は、周知のように、３相Ａ，Ｂ，Ｃの固定子巻線を有する固定子４０を備えている。モータ２６は３相モータであるが、明確化のために、１つの相Ａの固定子巻線４２のみが図示されている。相Ａの巻線４２を流れる直流電流の方向は、紙面からこの図を見る人へと向かう方向に電流が流れていることを示す矢印４４の点と、この図を見る人から紙面へと向かう方向に電流が流れていることを示す矢印４６のテール（tail）と、により示されている。固定子は、さらに、固定子鉄心（stator back iron）４８を備えており、この周りに相Ａの固定子巻線４２が巻き付けられている。固定子鉄心４８は、透磁率が大きいものであるため、コイル巻線４２の相を流れる直流電流により生じる磁束５０（破線により示されている）つまり固定子電流磁束の伝達経路となる。
【００１７】
モータ２６は、さらに、固定子４０と同心状にかつその内側に取り付けられた回転子５２を備えており、固定子４０と回転子５２との間には間隙５４が存在する。回転子は、鉄製の回転子コア５６を備えており、この回転子コア５６の外側表面には、Ｓ極の永久磁石５８の対およびＮ極の永久磁石６０の対が取り付けられている。Ｎ極の磁石からも磁束が発生し、この磁束は、外側に向かう実線矢印６２により示されているように、Ｎ極から径方向外側へと伝わる。この磁束は、間隙５４を横切り、固定子鉄心４８を伝わり、内側に向かう実線矢印６４により示されるように、Ｓ極に向かって径方向内側へと伝わる。
【００１８】
対をなすＮ極６０は、それぞれ、正の方向軸線（ｄ軸線）６６を有し、対をなすＳ極５８は、それぞれ、負のｄ軸線６７を有する。負のｄ軸線は、各極からの磁束が結合した磁束の方向にそれぞれ整列しており、従って、磁気フェーザである。極５８および極６０の対は、それぞれ、直交軸線（ｑ軸線）６８を有し、ｑ軸線６８は、これらの磁石から発生する磁束が最小である方向と整列している。ｑ軸線６８を、ｄ軸線に対してちょうど９０°の電気角度を有するものと定義することができる。必ずではないが多くの場合、ｄ軸線は、これらの磁石のちょうど中央を通り、ｑ軸線は、Ｎ極の磁石とＳ極の磁石との間のスペースを通る。
【００１９】
通常運転中、ＡＣＶＦ駆動装置３０は、モータシャフトに取り付けられたエンコーダから発生するインデックスパルスを監視することによって、固定子４０に対する回転子５２の位置を厳密に追跡する。しかし、電力が遮断された後、回転子５２の位置が一時的に失われ、このとき、エレベータ１０の安全ブレーキによって、回転子５２が、関連するｄ軸線６６とともに、３６０°の回転範囲内のどの位置においても固定されるようになっている。モータ２６の最大トルク容量は、固定子４０に対する回転子５２の位置に依存するため、安全ブレーキが解除される前にこの位置を検出することが重要である。
【００２０】
エレベータ用モータ２６のトルク容量は、速度が０の状態では、最大の荷重不均衡を支持して昇降路における慣性力を増大させるのに要するトルク容量の２倍以上である。速度が０の状態では、固定子電流磁束５０と最大間隙磁束の方向（つまりｄ軸線６６，６７）との間の電気角度が９０度となり、所定の駆動電流限界に対してピークトルク容量が得られる。すなわち、固定子磁束５０がｑ軸線６８に整列し、間隙磁極磁束６２，６４がｄ軸線６７，６６にそれぞれ整列する。電気角度９０°であるピークトルク角度から位置θがずれると、最大トルク容量が減少し、このとき、減少率は、ｓｉｎ（９０−θ）＝ｃｏｓθである。ここで、θは、電気角度の絶対位置誤差である。θを±３０°の電気角度に制限することによって、最大トルク容量がｓｉｎ（６０）＝０．８６６を下回ること、つまり最大トルク容量が１３％以上減少することを回避することができる。
【００２１】
ＡＣＶＦ駆動装置３０は、モータ２６の３相巻線の相Ａ，Ｂ，Ｃの振幅および／または位相角度を変化させることによって、固定子電流ひいては固定子電流磁束を、そのサイクルの３６０°の範囲内のどの位置にも配置することができる。従って、電気角度±３０°以内の絶対位置誤差θがわかれば、システムを制御下で動作させて電力遮断後にインデックスパルスの位置合わせを行うのに十分なトルクが常に得られる。インデックスパルスの位置合わせが終了し、電力が復旧すると、制御システム２９によって回転子の厳密な位置を追跡することが可能となる。
【００２２】
図２では、電力遮断後にＮ極６０の一方が相Ａの固定子巻線４２と整列するように回転子５２が固定された状態が示されている。このＮ極の正のｄ軸線は、巻線４２の中央にほぼ整列しているため、Ｎ極の磁束６２の大部分は、巻線４２と交わり、巻線４２の領域内の固定子鉄心４８を伝わる。回転子５２がこのような位置にある状態では、Ｎ極磁石６０から生じる磁束６２は、固定子鉄心４８を磁気的に飽和させるのに十分な大きさとなる。
【００２３】
図３には、Ｎ極およびＳ極からの同じ大きさの磁束６２および磁束６４が巻線４２に交わるような位置に回転子５２が固定された状態が示されている。このような場合、ｑ軸線６８が、巻線４２のほぼ中央に位置する。従って、Ｎ極からの磁束６２およびＳ極からの磁束６４は、互いに打ち消し合い、このため、固定子鉄心４８は飽和されない。
【００２４】
図４には、Ｓ極５８の一方が巻線４２と整列するような位置に回転子５２が固定された状態が示されている。このような位置では、このＳ極の負のｄ軸線が巻線４２のほぼ中央に位置し、これによって、Ｓ極の磁束６４の大部分が巻線４２と交わる。このような場合、Ｓ極の磁石５８からの磁束６４は、固定子鉄心４８を磁気的に飽和させるのに十分な大きさとなる。固定子鉄心４８が飽和した状態では巻線４２のインダクタンスが減少するため、図２，４の位置ではコイルのインダクタンスが最小になり、図３の位置では、コイルのインダクタンスが最大になる。
【００２５】
図５には、固定子４０のインダクタンスを回転子の電気角度の関数として示すプロット７０が示されているが、このようなプロット７０は、固定子巻線に微小交流電流を流し、発生する電圧を測定することによって、得られるものである。この場合、直流電流は印加されておらず、すなわち、矢印４４，４６により示される電流は図２，３，４から取り除かれ、従って、固定子電流磁束５０は発生しない。図２，４に関連する回転子の位置は、図５の最小点７２，７４により示され、図３の回転子の位置は、これらの間の最大点７６により示される。固定子磁束５０を発生させる直流電流は存在しないため、プロット７０の最小点７２，７４の値は等しい。従って、固定子４０のインダクタンス４０（電気角度の関数として測定された）は、定数成分と、主に第２高調波周波数からなる周期的成分と、を有する。この第２高調波成分は、回転子５２の磁気的軸線と厳密に整列し、最大点７６は、正のｑ軸線および負のｑ軸線６８に対応し、最小点７２，７４は、正のｄ軸線６６および負のｄ軸線６７に対応する。固定子の電気的座標系に対するこのような第２高調波成分の角度的ずれを特定することによって、要求される、回転子のｄ軸線６６，６７の位置を求めることができる。
【００２６】
図６を参照する。永久磁石モータを適切に制御するためには、さらに、正のｄ軸線６６の方向と負のｄ軸線６７の方向とを判別することが望ましい。例えば、図５の最小点からは、巻線４２がＮ極磁石に整列しているかＳ極磁石に整列しているかを判別することができない。このことを達成するために、直流オフセット電流を巻線４２に印加するステップをさらに実行して（図２，３，４の方向矢印４４，４６により示されているように）、固定子電流磁束５０を発生させる。
【００２７】
プロット８０により示されているように、Ｎ極６０が巻線４２と整列した状態では、巻線４２を流れる直流電流により生じる磁束５０がＮ極磁石６０からの磁束６２に結合し、固定子の飽和度が増大する。このことによって、図５に示されているように固定子電流磁束５０が発生しない場合よりもインダクタンスが減少し、最小点８４が得られる。Ｓ極５８が巻線４２と整列した状態では、巻線４２からの直流電流磁束５０がＳ極磁束６４を打ち消し、これによって、固定子の飽和度が減少する。このことによって、固定子磁束５０が存在しない場合よりもインダクタンスが僅かに増大し、これによって、最小点８２の値は、最小点８４とは異なる大きさになる。巻線４２のインダクタンスは、Ｎ極６０に整列する場合とＳ極５８に整列する場合とで異なるため、巻線４２と整列している極の極性を判別することが可能であり、従って、正のｄ軸線６６の方向と負のｄ軸線の方向とを判別することが可能である。
【００２８】
代わりの実施例として、交流電流に加えて直流オフセット電流を固定子に印加してインダクタンスを測定することによって、ｄ軸線６６，６７の位置および方向の両方を１つのステップで求められるようにすることも可能である。このような直流電流により付加的に励磁されることによって、鉄心の飽和度が、磁束軸線６６，６７の方向に依存して増大するかもしくは減少し、これによって、正の磁束軸線の方向に整列する状態での、インダクタンスの最小値は、負の磁束軸線の方向に整列する状態での最小値よりも、小さくなる。
【００２９】
従って、固定子のインダクタンス（電気角度の関数として測定された）は、定数成分と、主に電気角度の第１高調波成分および第２高調波成分からなる周期的成分と、を有するものとなる。上述したように、第２高調波成分から、磁束軸線の位置を求めることができ、第１高調波成分から、正の磁束軸線の方向を求めることができる。
【００３０】
インダクタンス測定のために交流成分に加えて直流電流を印加することのもう１つの重要な利点は、インバータのむだ時間がインダクタンス測定に影響を及ぼすことを防止できることである。インダクタンス測定時に交流電流成分のみが印加されると、測定周波数でモータの相の電流が零になる。スイッチング装置のむだ時間によって、このような電流が零になる周波数で、電圧指令から付加的な電圧成分が加わる。電圧指令がインピーダンス計算に用いられる場合（このことが望ましい）、このような付加的な電圧成分がインダクタンス測定に大きく影響し得る。電流指令に直流成分を加えることによって、相の電流が零になることを回避することができ、これによって、インダクタンス測定の精度を著しく改善することができる。
【００３１】
ＡＣＶＦ駆動装置３０がＰＭ同期モータ２６に接続されていることによって、駆動用電源部分および制御用電子素子を、モータの固定子のインダクタンスを測定して回転子の磁束軸線（つまりｄ軸線６６，６７）の位置を求めるのに用いることができる。このことを実行する１つの方法（アルゴリズム）は、微小な正弦波電流を印加して、この電流を発生させるのに要する電圧を観測するものである。以下でより詳細に説明するように、高精度の測定を可能とするのに十分高いレベルの信号が得られるように、所定の単一周波数を選択することが重要である。離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を用いて、固定子の複素インピーダンスを計算することができ、この複素インピーダンスの虚部は誘導リアクタンスである。固定子のインダクタンスを電気的周期内の複数（例えば２０）の時点で測定することによって、ノイズやより高次の高調波成分が存在する場合でも、ＤＦＴ法によりインダクタンスの第２高調波の位相を正確に抽出することができる。このようなインダクタンス測定は、励磁レベルが低くオフセットバイアスが発生しない状態で、行うことができる。このような状態では、ブレーキに対して巻上げ機を動作させ得る正味トルクが発生しない。続いて、ＤＣバイアス電流を印可するステップを行い、ｄ軸線の方向を求めることができる。
【００３２】
代わりの実施例として、直流オフセット電流を交流電流に重畳してインダクタンスを測定することによって、ｄ軸線の位置および方向を１つのステップで求めることも可能である。この場合、直流成分を交流成分の振幅と等しいかこれよりも大きくして、この相の電流が零になることを回避すべきである。さらに、直流成分を比較的小さくすることによって、直流電流から生じるモータトルクによりブレーキに過負荷が加わったり回転子が移動したりすることを回避すべきである。通常、交流電流および直流電流は、それぞれ、モータの最大定格の約１０％の振幅を有し、これによって、交流電流のピーク値と直流電流のピーク値との合計値は、モータの最大定格の約２０％である。しかし、インピーダンス計算に用いるＤＦＴ方法は耐ノイズ性を有することから、励磁レベルが低い状態でインダクタンスを測定しても、正確な結果が得られる。
【００３３】
図７には、回転子の磁束軸線（ｄ軸線）を求めるアルゴリズムのフロー図が示されている。このようなアルゴリズムは、エレベータ制御システム２９（すなわちＡＣＶＦ駆動装置３０もしくは制御ユニット３４のメモリ内のプログラムとして実行することができる。ブロック１００においてプログラムを開始した後、ブロック１０２において、ＡＣＶＦ駆動装置３０から発生すべき微小正弦波電流の位相角度θが零に初期化される。位相角度θを零に設定しこれを３６０度の電気角度に亘って増大させることによって、インダクタンス測定を、固定子鉄心４８の円周に亘って掃引するように行うことができる。
【００３４】
ブロック１０４において、ＡＤＶＦ駆動装置３０が、ｄ軸線の位置および方向を２ステップで求めるために、所定の単一周波数ωおよび電気的角度θを有する微小交流電流を印加するよう命令される。ｄ軸線の位置および方向を１つのステップで求めなければならない場合に、任意により、直流オフセット電流を同時に印加することも可能である。
【００３５】
周波数ωを適切に選択する際には、あるノイズが反復的に発生し得るような周波数を考慮に入れるべきである。例えば、ＡＣＶＦ駆動装置３０のトランジスタのスイッチング周波数が反復的なノイズの発生源となり得る。トランジスタのスイッチング周波数や他のノイズの周波数によるエイリアジングや高調波成分が発生することがないように所定の周波数ωを選択すると、Ｓ／Ｎ比が高くなり、インダクタンスの測定精度を高めることができる。
【００３６】
ブロック１０６に進み、印加された電流および発生した電圧が、１周期あたりＮ回サンプリングされる。印加された周波数ωでの印加された電流の複素振幅および方向（すなわち電流フェーザＩ（ω））、および発生した電圧の複素振幅および方向（すなわち電圧フェーザＶ（ω））が、ＤＦＴといったフーリエ解析により求められる。この実施例ではＤＦＴが用いられるが、フーリエ変換や高速フーリエ変換といった他のフーリエ解析を用いることも可能である。
【００３７】
ＤＦＴは、以下の式により求められる。
【００３８】
ＤＦＴ＝Ｘ（ω）＝１／ＮΣｘ（ｎＴ）＊ｅ^-j ^ω ^nT（ｎ＝０〜Ｎ−１）＝ａ−ｊｂ、ここで、
Ｘ（ω）は、角度θでの電流フェーザＩ（ω）もしくは電圧フェーザＶ（ω）、
Ｎは、周波数ωに対して印加電流もしくは発生した電圧が１周期当たりにサンプリングされる回数、
Ｔは、サンプリング時間、
ｎは、１〜Ｎの整数、
ｘ（ｎＴ）は、時間ｎＴでの電流サンプルもしくは電圧サンプルの振幅、
ａおよびｂは、複素数Ｘ（ω）の実部デカルト座標および虚部デカルト座標である。
【００３９】
ブロック１０８に進み、位相角度θでの固定子インダクタンスが求められる。回転子が固定された状態では、複素インピーダンスが、抵抗Ｒ（θ）およびインダクタンスＬ（θ）のように動作する。つまり、
Ｖ（ω）／Ｉ（ω）＝Ｒ（θ）＋ｊωＬ（θ）であり、ωＬ（θ）は、Ｖ（ω）／Ｉ（ω）の虚部である。ここで、Ｌ（θ）＝（１／ω）（ａ_Vｂ_I−ａ_Iｂ_V）／（（ａ_I）²＋（ｂ_I）²）である。
【００４０】
ブロック１０８に進み、位相角度θでの固定子インダクタンスが求められる。回転子が固定された状態では、複素インピーダンスが、抵抗Ｒ（θ）およびインダクタンスＬ（θ）のように動作する。つまり、
Ｖ（ω）／＝Ｒ（θ）＋ｊωＬ（θ）であり、ωＬ（θ）は、Ｖ（ω）／Ｉ（ω）の虚部である。ここで、Ｌ（θ）＝（１／ω）（ａ_Vｂ_I−ａ_Iｂ_V）／（（ａ_I）²＋（ｂ_I）²）である。
【００４１】
Ｌ（θ）は、角度θに対する、鉄心のインダクタンス、
ａ_Vおよびｂ_Vは、複素数Ｖ（ω）の実部デカルト座標および虚部デカルト座標、
ａ_Iおよびｂ_Iは、複素数Ｉ（ω）の実部デカルト座標および虚部デカルト座標、である。
【００４２】
ブロック１１０において、印加電流の位相角度θが増大された後、ブロック１０４に戻り、θ＝３６０度になるまでプロセスが繰り返される。従って、インダクタンスＬ（θ）が、固定子鉄心４８の円周を掃引するように測定される。プログラムは、続いて、直流オフセットが印加されなかった場合はブロック１１２に進み、直流オフセット電流が印加された場合は、ブロック１１６に進む。
【００４３】
ステップ１１２に進んだ場合、つまり交流正弦波電流に加えて直流オフセットが印加されなかった場合は、Ｌ（θ）は、２つの等しい最小点を有し、これらは、図５に最も明確に示されているように正のｄ軸線および負のｄ軸線に位置し、１８０度だけ離れている。厳密な最小点を、時間領域の方法により計算するか、もしくは電気的周波数の第１高調波成分および第２高調波成分に対してＤＦＴを算出することにより周波数領域の方法により求めることができる。
【００４４】
これらの最小点が求められると、プログラムはブロック１１４に進み、ここで、直流オフセット電流が印加された状態で１つのインダクタンスが再度測定されることによって、ｄ軸線の方向が求められる。直流オフセット電流（例えば、図２〜４の矢印４４，４６により示されたもの）が印加された状態でインダクタンスが測定されると、直流オフセット電流磁束５０が発生し（図２〜４に最も明確に示されている）、この直流オフセット電流磁束５０が永久磁石の磁束を打ち消す場合には、インダクタンスが減少し、直流オフセット電流磁束５０が永久磁石の磁束に加わる場合には、インダクタンスが増大する。このことが既知であるため、ｄ軸線の方向を求めることができ、プログラムはブロック１１８に進んで終了する。
【００４５】
直流オフセット電流が上述した正弦波電流に重畳される場合、プログラムはブロック１１６に進み、測定されたインダクタンスＬ（θ）の最小点からｄ軸線の位置が求められる。インダクタンスＬ（θ）の最小点を、様々な技術により計算することができ、例えば、周知のように時間領域で計算したり、電気的周波数の第１高調波成分および第２高調波成分に対してＤＦＴを算出するといった周波数領域方法により求めることができる。
【００４６】
上述した実施例の同期モータは、４極の永久磁石が表面に取り付けられ、これらの磁石の極の中央部がｄ軸線に整列したものであったが、図８〜１０に示されているように、他のタイプの同期モータにも同じ方法を適用することができる。例えば、図８には、永久磁石１３２が回転子の表面に取り付けられているのではなく、回転子１３４の鉄心に埋め込まれた同期モータ１３０の実施例が示されている。他の実施例として、図９には、磁石１４２がｄ軸線１４６ではなくｑ軸線に中心付けられた同期モータ１４０が示されている。このような場合、磁束１４８（これは、ｄ軸線１４６の大きさおよび方向を規定する）がｑ軸線１４４の径方向に垂直となるように、磁石１４２が方向付けられる。
【００４７】
さらに、永久磁石ではなく電磁石を備えた回転子を用いることも可能である。例えば、図１０には、突極付回転子１５２を備えた同期モータ１５０が示されている。回転子１５２は、突極１５４を備えており、この突極１５４にワイヤコイル１５６が巻き付けられていることによって、所望により磁束を発生させることができる。
【００４８】
好適な実施例が図示および記載されたが、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、これらの実施例に様々な変更や置き換えを行うことが可能である。従って、本発明は、例示的に記載されたにすぎず、これらの実施例に制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の同期モータ式エレベータ巻上機を備えたエレベータシステムを示す斜視図。
【図２】正のｄ軸線に沿った磁束が相Ａの固定子巻線と整列および結合した状態の図１の同期モータを示す概略図。
【図３】ｑ軸線に沿った磁束が相Ａの固定子巻線と整列および結合した状態の図１の同期モータを示す概略図。
【図４】負のｄ軸線に沿った磁束が相Ａの固定子巻線と整列および結合した状態の図１の同期モータを示す概略図。
【図５】直流オフセット電流が印加されない場合の固定子のインダクタンスの変化を回転子の電気的位相角度の関数として示すプロット。
【図６】本発明に従って直流オフセット電流を印加した場合の固定子のインダクタンスの変化を回転子の電気的位相角度の関数として示すグラフ。
【図７】固定子に対する回転子の絶対角度位置を求めるための本発明のアルゴリズムを示すフロー図。
【図８】同期モータの回転子の鉄芯に磁石が埋め込まれた、本発明の他の実施例を示す斜視図。
【図９】同期モータの磁石がｄ軸線ではなくｑ軸線に中心付けられた、本発明の他の実施例を示す斜視図。
【図１０】同期モータの回転子が突極およびこれに電気的に巻き付けられた巻線を備えた、本発明の他の実施例を示す概略図。

Claims

同期モータの固定子に対する回転子の位置を求める方法であって、
所定の周波数および所定の初期位相角度を有する交流電流を前記固定子の固定子巻線に印加するステップと、
前記の印加された電流および発生した電圧を、前記周波数の周期内で複数回数、サンプリングするステップと、
フーリエ解析によって、サンプリングされた電圧および電流から、前記固定子のインダクタンスを計算するステップと、
前記初期位相角度を、３６０度のサイクルに亘って、所定の回数、増大させるステップと、
前記の交流電流を印加するステップ、前記のサンプリングするステップ、および前記の計算するステップを、増大された各位相角度に対して行い、前記固定子のインダクタンスの計算値を所定数だけ得るステップと、
前記固定子のインダクタンスの計算が終了した後で直流オフセット電流を印加し、１つの、前記固定子のインダクタンスを再計算するステップと、
再計算されたインダクタンスの計算値の最小点から、前記固定子に対する前記ｄ軸線の位置を求めるステップと、
を有することを特徴とする方法。
同期モータの固定子に対する回転子の位置を求める方法であって、
所定の周波数および所定の初期位相角度を有する交流電流とともに直流オフセット電流を前記固定子の固定子巻線に印加するステップと、
前記の印加された電流および発生した電圧を、前記周波数の周期内で複数回数、サンプリングするステップと、
フーリエ解析によって、サンプリングされた電圧および電流から、前記固定子のインダクタンスを計算するステップと、
前記初期位相角度を、３６０度のサイクルに亘って、所定の回数、増大させるステップと、
前記の電流を印加するステップ、前記のサンプリングするステップ、および前記の計算するステップを、増大された各位相角度に対して行い、前記固定子のインダクタンスの計算値を所定数だけ得るステップと、
前記のインダクタンスの計算値の最小点から、前記固定子に対する前記ｄ軸線の位置を求めるステップと、
を有することを特徴とする方法。
前記フーリエ解析は、ＤＦＴであることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
前記の所定の周波数は、所定の単一周波数であることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
同期モータの固定子に対する回転子の位置を求める方法であって、
所定の周波数および所定の初期位相角度を有する交流電流を前記固定子の固定子巻線に印加するステップと、
前記の印加された電流および発生した電圧を、前記周波数の周期内で複数回数、サンプリングするステップと、
フーリエ解析によって、サンプリングされた電圧および電流から、前記固定子のインダクタンスを計算するステップと、
前記のインダクタンスの計算値から、前記固定子に対する、前記回転子の磁束のｄ軸線の位置を求めるステップとを有し、
前記フーリエ解析を、式：ＤＦＴ＝Ｘ（ω）＝１／ＮΣｘ（ｎＴ）＊ｅ ^{-j
ω
nT} （ｎ＝０〜Ｎ−１）＝ａ−ｊｂを用いて行い、前記式において、
Ｘ（ω）は、前記の所定の周波数ωを有する前記の印加された電流の電流フェーザＩ（ω）、もしくは、前記の所定の周波数ωに対する前記の発生した電圧の電圧フェーザＶ（ ω）であり、
Ｎは、前記周波数ωの周期内で前記の印加された電流もしくは前記の発生した電圧がサンプリングされた回数であり、
Ｔは、サンプリング時間であり、
ｎは、１〜Ｎの整数であり、
ｘ（ｎＴ）は、時間ｎＴにおける電流サンプルおよび電圧サンプルの大きさであり、
ａおよびｂは、複素数Ｘ（ω）の実部デカルト座標および虚部デカルト座標であることを特徴とする方法。
前記のインダクタンスを計算するステップでは、Ｖ（ω）／Ｉ（ω）の虚部から前記固定子のインダクタンスを計算することを特徴とする請求項５記載の方法。
前記のインダクタンスの計算は、式Ｌ（θ）＝（１／ω）（ａ _V ｂ _I −ａ _I ｂ _V ）／（（ａ _I ） ² ＋（ｂ _I ） ² ）を用いて行い、前記式において、
Ｌ（θ）は、前記の所定の位相角度θに対する、前記固定子のインダクタンスであり、
ａ _V およびｂ _V は、複素数Ｖ（ω）の実部デカルト座標および虚部デカルト座標であり、
ａ _I およびｂ _I は、複素数Ｉ（ω）の実部デカルト座標および虚部デカルト座標であることを特徴とする請求項６記載の方法。
反復的にノイズを発生させる少なくとも１つのノイズ源の周波数もしくは周波数の高調波成分を含まないように、前記の所定の周波数を選択することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
前記の印加された交流電流は、前記モータの定格電流に対して比較的小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
前記の印加された交流電流および直流電流は、前記定格電流の２０％以下であることを特徴とする請求項９記載の方法。
前記同期モータは、エレベータ巻上機であることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
エレベータシステムであって、
エレベータかごと、
前記エレベータかごを昇降させるための同期機を備えたエレベータ巻上機と、
前記同期モータを駆動するための駆動システムを備えた制御システムと、を備えており、前記制御システムは、前記同期モータの固定子に対する回転子の位置を求めるための実行可能プログラムのためのメモリを含むメモリを備えており、
前記の回転子の位置の決定は、
所定の周波数および所定の初期位相角度を有する交流電流を前記固定子の固定子巻線に印加するステップと、
前記の印加された電流および発生した電圧を、前記周波数の周期内で複数回数、サンプリングするステップと、
フーリエ解析によって、サンプリングされた電圧および電流から、前記固定子のインダクタンスを計算するステップと、
前記初期位相角度を、３６０度のサイクルに亘って、所定の回数、増大させるステップと、
前記の交流電流を印加するステップ、前記のサンプリングするステップ、および前記の計算するステップを、増大された各位相角度に対して行い、前記固定子のインダクタンスの計算値を所定数だけ得るステップと、
前記固定子のインダクタンスの計算が終了した後で直流オフセット電流を印加し、１つの、前記固定子のインダクタンスを再計算するステップと、
再計算されたインダクタンスの計算値の最小点から、前記固定子に対する前記ｄ軸線の位置を求めるステップと、によって行われることを特徴とするエレベータシステム。
エレベータシステムであって、
エレベータかごと、
前記エレベータかごを昇降させるための同期機を備えたエレベータ巻上機と、
前記同期モータを駆動するための駆動システムを備えた制御システムと、を備えており、前記制御システムは、前記同期モータの固定子に対する回転子の位置を求めるための実行可能プログラムのためのメモリを含むメモリを備えており、
前記の回転子の位置の決定は、
所定の周波数および所定の初期位相角度を有する交流電流とともに直流オフセット電流を前記固定子の固定子巻線に印加するステップと、
前記の印加された電流および発生した電圧を、前記周波数の周期内で複数回数、サンプリングするステップと、
フーリエ解析によって、サンプリングされた電圧および電流から、前記固定子のインダクタンスを計算するステップと、
前記初期位相角度を、３６０度のサイクルに亘って、所定の回数、増大させるステップと、
前記の電流を印加するステップ、前記のサンプリングするステップ、および前記の計算するステップを、増大された各位相角度に対して行い、前記固定子のインダクタンスの計算値を所定数だけ得るステップと、
前記のインダクタンスの計算値の最小点から、前記固定子に対する前記ｄ軸線の位置を求めるステップと、によって行われることを特徴とするエレベータシステム。
前記フーリエ解析は、ＤＦＴであることを特徴とする請求項１２又は１３記載のエレベータシステム。
前記の所定の周波数は、所定の単一周波数であることを特徴とする請求項１２又は１３記載のエレベータシステム。
エレベータシステムであって、
エレベータかごと、
前記エレベータかごを昇降させるための同期機を備えたエレベータ巻上機と、
前記同期モータを駆動するための駆動システムを備えた制御システムと、を備えており、前記制御システムは、前記同期モータの固定子に対する回転子の位置を求めるための実行可能プログラムのためのメモリを含むメモリを備えており、
前記の回転子の位置の決定は、
所定の周波数および所定の初期位相角度を有する交流電流を前記固定子の固定子巻線に印加するステップと、
前記の印加された電流および発生した電圧を、前記周波数の周期内で複数回数、サンプリングするステップと、
フーリエ解析によって、サンプリングされた電圧および電流から、前記固定子のインダクタンスを計算するステップと、
前記のインダクタンスの計算値から、前記固定子に対する、前記回転子の磁束のｄ軸線の位置を求めるステップとを有し、
前記フーリエ解析を、式：ＤＦＴ＝Ｘ（ω）＝１／ＮΣｘ（ｎＴ）＊ｅ ^{-j
ω
nT} （ｎ＝０〜Ｎ−１）＝ａ−ｊｂを用いて行い、前記式において、
Ｘ（ω）は、前記の所定の周波数ωを有する前記の印加された電流の電流フェーザＩ（ω）、もしくは、前記の所定の周波数ωに対する前記の発生した電圧の電圧フェーザＶ（ω）であり、
Ｎは、前記周波数ωの周期内で前記の印加された電流もしくは前記の発生した電圧がサンプリングされた回数であり、
Ｔは、サンプリング時間であり、
ｎは、１〜Ｎの整数であり、
ｘ（ｎＴ）は、時間ｎＴにおける電流サンプルおよび電圧サンプルの大きさであり、
ａおよびｂは、複素数Ｘ（ω）の実部デカルト座標および虚部デカルト座標であることを特徴とするエレベータシステム。
前記のインダクタンスを計算するステップでは、Ｖ（ω）／Ｉ（ω）の虚部から前記固定子のインダクタンスを計算することを特徴とする請求項１６記載のエレベータシステム。
前記のインダクタンスの計算は、式Ｌ（θ）＝（１／ω）（ａ _V ｂ _I −ａ _I ｂ _V ）／（（ａ _I ） ² ＋（ｂ _I ） ² ）を用いて行い、前記式において、
Ｌ（θ）は、前記の所定の位相角度θに対する、前記固定子のインダクタンスであり、
ａ _V およびｂ _V は、複素数Ｖ（ω）の実部デカルト座標および虚部デカルト座標であり、
ａ _I およびｂ _I は、複素数Ｉ（ω）の実部デカルト座標および虚部デカルト座標であることを特徴とする請求項１７記載のエレベータシステム。
反復的にノイズを発生させる少なくとも１つのノイズ源の周波数もしくは周波数の高調波成分を含まないように、前記の所定の周波数を選択することを特徴とする請求項１２又は１３記載のエレベータシステム。
前記の印加された交流電流は、前記モータの定格電流に対して比較的小さいことを特徴とする請求項１２又は１３記載のエレベータシステム。
前記の印加された交流電流および直流電流は、前記定格電流の２０％以下であることを特徴とする請求項２０記載のエレベータシステム。
前記駆動システムは、ＡＣＶＦ駆動装置を備えたものであることを特徴とする請求項１２又は１３記載のエレベータシステム。