JP2009519878A - エレベータ駆動装置制御方法 - Google Patents

Abstract

エレベータ駆動装置アセンブリ（３０）は、特定の条件のもとで電流を選択的に導入する電圧調整器（４０）を含む。一例では、電圧調整器（４０）は、エレベータかご（２２）の一定速度の移動に対応する条件下でモータ（３２）が動作しているときに、負の磁束電流をモータ（３２）に導入する。一例では、付加される負の磁束電流は、エレベータ走行の一定速度期間中のモータ（３２）の逆起電力電圧を実際上低減する。開示した例には、付加電流の関数になるモータのトルク定数の制御を維持するために、付加電流を制御することが含まれる。

Description

本発明は一般にエレベータ装置に関する。より詳細には、本発明はエレベータ装置内の駆動装置を制御することに関する。

エレベータ装置は一般に、エレベータかごを移動する責任を担う駆動装置アセンブリを含む。典型的な駆動装置は駆動部を含み、駆動部は、モータに供給される電力および指令信号を制御する電子機器を有する。ほとんどの装置は、駆動装置によって供給される信号および電力に応答してエレベータかごの所望の移動を引き起こすモータを含む。

所与のエレベータ装置の動作速度、動作加速度および動作負荷は、駆動装置アセンブリ（例えば、駆動部およびモータ）の電力能力に基づいて制限される。駆動部の電力は、その電圧および電流の能力によって規定される。エレベータ装置駆動部の電圧能力は一般に固定されているため、駆動部は、一般に電流能力によって定格が決まる。したがって、モータを制御するには、駆動装置の最大正弦波出力電圧を超えないことが必要である。最大電圧レベルは一般に、駆動部の直流バス電圧レベルに基づく。多くの例には、例えば直流７５０Ｖに調節されるバス電圧が含まれる。その電圧レベルは、駆動装置への整流された交流ライン入力よりも一般に１０％高い。いくつかの例では、直流バス電圧が調節されず、その結果、整流された主交流ライン入力に対応する。

モータの出力は、そのトルクおよび速度の能力によって規定される。典型的な手法は、駆動正弦波出力電圧限界に可能な限り近い定格電圧を有するようにモータを設計することである。この手法は通常、モータおよび駆動装置の定格電流を最小にするために採用される。この手法にはいくつかの欠点が伴う。直流バス検出回路の不正確さ、エレベータ走行のピーク出力動作点における間の電圧過渡現象、および交流ライン変動を含むいくつかの要因のために、モータの加重電圧は、駆動装置の最大正弦波出力よりも低く設定しなければならない。このような要因に対処するためにモータの定格電圧を低くすると、駆動装置の加速電流定格を増大させることになる。このような増大は、駆動装置のコストを増大させる。駆動装置の加速電流定格は、全負荷のエレベータかごが上り方向で移動して最高速度に近づく加速中の、駆動装置からの許容される最大電流量である。この加速電流定格は、駆動装置の予測寿命がこの定格に基づくために重要である。

増大した加速電流定格を有することはまた、対応する電力レベルに対処するためにより堅牢な、またはより大きなスイッチングデバイスを必要とする。これはエレベータ駆動装置アセンブリに付加的なコストを導入し、このコストは不利である。

駆動装置加速電流要件の削減を可能にする改善されたエレベータ駆動制御方法が必要とされている。駆動装置寿命を増大し、従来の装置と比べてより大きな動作負荷、およびより速い動作速度に対処するように所与の駆動装置の能力を向上させる制御方法を提供できれば有益であろう。本発明は、このような制御方法を提供する。

モータを有するエレベータ駆動装置アセンブリを制御する例示的な方法は、モータの起電力電圧から位相が外れた電流を選択的に付加することを含む。

一例では、付加電流は、関連エレベータかごが一定速度で移動するのにモータ動作が対応するときに供給される。いくつかの例では、エレベータかごは、電流が付加される前に最高速度および全負荷で移動している。

一例には、付加電流を制御してモータのトルク定数を制御することが含まれ、トルク定数は付加電流によって決まるようになる。

別の例示的方法は、エレベータかごが一定速度で移動しているかどうかを判定することを含む。一定速度で移動している場合には、駆動装置によって負の磁束電流が導入され、それにより、モータの逆起電力電圧が実際上低減し、電流量が増大する。いくつかの例では、こうすると、エレベータ駆動装置アセンブリの加速電流定格に悪影響を及ぼすことなくモータ速度を増大させることが可能になる。

例示的な駆動装置は電圧調整器を含み、これは、エレベータかごが一定速度で移動するのにモータ動作が対応する場合に、負のｄ軸電流をモータに選択的に導入する。

本発明の様々な特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。詳細な説明に伴う図面は、後で示すように簡単に説明することができる。

図１は、エレベータ装置２０の選択された部分を概略的に示す。エレベータかご２２およびつり合いおもり２４は、ロープ２６（例えばベルトまたはロープ）によって既知の方法で支持される。エレベータ駆動装置アセンブリ３０は、エレベータかご２２の動きを所望のように制御する責任を担う。図示の例はモータ３２を含み、モータ３２は、トラクションシーブ３４の回転を制御して対応するロープ２６の動きをもたらし、それによりエレベータかご２２の所望の動きが得られる。

駆動部３６は、所望のエレベータ装置の動作を達成するようにモータ３２を動作させる電力および指令信号を供給する責任を担う。例示的な駆動部３６は、電源から電力を受け取り、適切な電力をモータ３２に供給する既知の構成要素（図示せず）を含む。

例示的な駆動部３６の１つの特徴は、モータ３２に供給される電流を独自に制御する電圧調整器４０である。一例では、電圧調整器４０は、いくつかの利点をもたらす選択された条件下で、モータ３２の逆起電力から位相が外れた電流を選択的に付加する。

図２は、１つの例示的手法を要約する流れ図４２を含む。この例では、４４で概略的に示されるように、電圧調整器４０は、駆動部３６に関連するインバータ電圧を監視する。このインバータ電圧は、エレベータかご２２の定速移動に対応する条件下でモータ３２が動作しているかどうかを示す。図２の４６で、電圧調整器４０は、エレベータかご２２が一定速度で移動しているかどうかを判定する。一例では、比較的全負荷の条件下でエレベータが上り方向で移動しているときに一定速度であることが、モータに供給される電流を選択的に付加する１つの適切な状況である。図２の４８で、電圧調整器４０は、このような条件下で負の磁束電流を導入する。この付加電流は、モータ３２の逆起電力電圧から位相が外れている。付加電流は、負のｄ軸電流と考えることができる。

このような電圧調整によりモータに電流を付加するが、電圧調整器４０はこのような電流を、加速度が小さいとき、最高速度で、またはその付近でのみ付加するので、駆動部３６の加速電流定格は影響を受けない。このようにしてエレベータ走行の定速度期間中に電流をモータ３２に付加すれば、駆動装置アセンブリ３０の寿命に与える影響はごくわずかである。

この例示的な手法は、モータ３２の電圧定格を増大し、駆動部３６の電流定格を低減することを可能にする。駆動部３６の加速電流定格を低減することにより、より小さなスイッチングデバイス（例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））を使用することが可能になり、これにはいくつかの例において駆動装置アセンブリ３０のコストが低減するという利点がある。

一例では、電圧調整器４０は、全負荷に非常に近い運行状態中の、最高速度の上りエレベータかご移動を含むエレベータ走行中にのみ活動状態になるようにプログラムされる。かご内が全負荷の状態の最高速度のエレベータ上り走行中に、１つの例示的な電圧調整器４０は、駆動部３６のインバータ電圧を２乗した大きさが選択閾値に達するまで非活動状態のままとなる。エレベータ速度プロファイルには、それがエレベータ走行の定加速領域から定速度領域内に移行するときの識別可能な位置がある。この定速度領域は、定速度に急に入る（ｊｅｒｋ−ｉｎｔｏ−ｃｏｎｓｔａｎｔ−ｖｅｌｏｃｉｔｙ）領域と呼ばれることがある。１つの例には、その移行についての知識に基づいて電圧調整器４０を活動状態にする閾値を選択することが含まれる。

エレベータかご２２が一定速度で移動している間、加速度が減少するので必要な駆動電流は減少する。一例では、これらの条件下で、電圧調整器４０は活動状態になり、負の磁束電流を導入し、それにより駆動部３６およびモータ３２の総電流が増大する。このような付加電流が伴っても、総電流レベルは、多くの例での加速電流より低い。電圧調整器４０は、エレベータ走行の定速度期間中に活動状態のままである。いくつかの例では、電圧調整器４０によって導入された負の磁束電流は、エレベータ走行の定速度期間の全体を通して使用される。

このような手法にはいくつかの利点がある。１つの例では、所与のエレベータ動作に必要な駆動装置加速電流が低減されるので、駆動装置アセンブリ３０のコストが低減する。所与のエレベータ動作用の駆動装置加速電流要求値を低減することはまた、いくつかの例においてより長い駆動装置寿命をもたらす。加えて、所与の駆動装置アセンブリ３０では、本発明の例示的な実施例を実施すると、エレベータ動作負荷およびエレベータ動作速度を増大させることができる。

モータのインダクタンスが、モータ３２の逆起電力と、位相電流の制御を可能にする駆動部３６のスイッチングＩＧＢＴとの間の回路内に存在する。ＩＧＢＴを適正にスイッチングすることによって、ＩＧＢＴにおいて印加される電圧を制御することができる。一例では、この印加電圧は次式となる。

上式で

はインバータにおいて印加される電圧ベクトルであり、

はモータの逆起電力の電圧ベクトル（ライン−ライン実効値）であり、

はインバータ内の電流ベクトルであり、
ω_eはモータの電気周波数であり、
Ｌはモータのインダクタンス（突極性を無視）である。

典型的な手法は、モータ逆起電力から位相が外れた電流ベクトルの成分をゼロ（すなわちＩ_d＝０）に維持することによって、力率１を用いてインバータを動作させることを含む。その場合、モータ速度の制御は、モータ逆起電力と同相の電流ベクトルの成分（すなわちＩ_q）を用いることに依存する。一例では、印加電圧は次式となる。

図３は、位相外れの電流成分（Ｉ_d）をゼロに保つことによって得られる、

ベクトルを図で表す。この例での

ベクトルは、起電力成分５２およびＩ_q成分５４を有し、その結果、インバータ電圧Ｖ_inv５６になる。この

ベクトルは、次式の大きさを有する。

しかし、インバータにＩＧＢＴで印加される電圧の絶対値

は、

に制限される。その結果、使用することができ、電流制御を依然としてイネーブルにすることができる最大のモータ逆起電力電圧は次式となる。

この限界は、例えば特定の駆動装置とモータの対の最大モータ速度を規定するのに役立つ。

本発明は、ある一定速度のエレベータかご２２の移動に対応するモータ３２の定速度運転中など、選択された状況のもとでの典型的な手法から逸脱することを含む。この例には、定速度状態中のモータ逆起電力電圧から位相が外れた電流ベクトル成分に相当する電流を付加することが含まれる。言い換えると、エレベータかご２２が一定速度で移動しているときにＩ_dはゼロに保持されない。一例では、付加電流は、エレベータかご２２が、大きな負荷を受け、かつ上り方向で移動していくときにだけ供給される。

Ｉ_dがゼロではない場合、インバータ電圧の大きさは次式のように書き表すことができる。

この手法を用い、モータの逆起電力から位相が外れた電流を適正に制御することにより、モータ速度を犠牲にすることなくインバータ電圧を低減することが可能になる。いくつかの例では、インバータ電圧を低減することがモータ速度を増大することを含む。この技法は、無効電力がモータ３２に流れることを実際上可能にし、それによりモータ３２の逆起電力と同相の電圧降下を生成する。一例では、上の近似式中の最も右の項（すなわち、

）をモデル化すると、所望のモータ動作を達成する電圧調整器の基本原理が得られる。

図４は、Ｉ_dがゼロではない場合に得られるＶ_dqベクトル５６を示す。適切な条件（例えば、定速度状態中）のもとでＩ_dを制御することによって、Ｖ_invは所望の範囲に、または選択された限界未満に保持することができる。この手法は、Ｖ_invを低減させ、電流入力を増大させ、潜在的にモータ速度を増大させることを可能にする。この図で、Ｖ_inv成分６５２’は図３のＶ_inv６５２よりも小さい。付加Ｉ_dの電圧成分５８はＶ_emf５２’と同相であり、その結果、低減した電圧Ｖ_invになる。この手法はＶ_inv６５２’を低減するが、モータ３２が最高速度近くで動作しており加速度が小さいので、駆動装置アセンブリ３０の加速電流定格を増大させる必要がない。

同期基準系内で動作するように設計された電流制御装置を有する例では、電流調整器の出力から、

を次式のように求めることができる。

図５は、最大許容値

を、

が超えないようにそれを制御する例示的制御ループ６０を示す。図５に示された機能ブロックは、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせを使用して実現することができる。この説明があれば、当業者は、その特定の要求に適合するように、図５に概略的に示されたブロックの機能を実施することができよう。上記の

の近似を用いると、図５と合致する１つの例示的な制御ループでは、ループ遅延、モータの突極性、電流ループダイナミクスなどが考慮されない。しかし、制御ループの帯域幅要件が非常に低いので、比較的低い制御装置ゲインが用いられる場合には、これらの細部は無視できるものになるはずである。

図５を参照すると、開ループ伝達関数は次式となる。

ｆ_bwのクロスオーバ周波数を得るために、一例における制御装置ゲインは次式のように選択される。

逆起電力の式は以下で与えられる。

上式で、λ_mはモータ３２の逆起電力定数である。この逆起電力定数（λ_m）は、一例では永久磁石モータのトルク定数（Ｋ_t）式を用いて計算することができ、これは次式となる。

上式で、
＃ｐは機械の極の数であり、
τ_rは機械の定格トルクであり、
Ｉ_qrは機械の定格トルク電流である。

突極性を無視すると（すなわち、Ｌ_d−Ｌ_q＝０とする）、

が得られ、その結果、

となる。

一例には、駆動装置３６の制御装置の安定性のために純粋な積分制御を行う比例積分調整器が含まれる。これは、そうでない場合に何らかの量の比例ゲインによって生じるはずの安定性の問題を防止するが、その理由は、例示的手法が代数式に基づいているからである。

一例には、積分器内に設けられる限界が含まれ、それにより、出力（および積分器状態）をゼロよりも大きくなるように制限する。これは、モータ速度を増大させるために必要な電圧を低下させる必要がある場合に、無効電力が流れるようにするだけである。一例では、この限界は、エレベータかご２２が上りで移動しつつあり、かつ（例えば、かごの動作負荷で、またはその近くで）大きな負荷を受ける場合に、駆動装置３６の積分器および電圧調整器４０だけが定速度状態中に制御を行うように選択される。

例示的な電圧調整器部分４０の基準値は、出力電圧の振幅の２乗に対する所望の上限である。したがって、一例において駆動装置の能力

の９８％までに出力電圧を制限するために、基準値

は、０．９６０４に設定され、次に、フルスケール電圧

を考慮した係数で調整される。これは、一例において次式を用いて求められる。

永久磁石モータでは、モータ式は以下で与えられる。

上式で、
λ_dはｄ軸磁束であり、
λ_qはｑ軸磁束である。

磁束対電流が線形である（λ＝ＬＩ）として、モータ式は以下となる。

電流調整では、Ｌは既知であり、過度電圧

および定常電圧（ω_eＬＩ）も同様である。過度電圧Ｌ（または微分Ｌ）は、適正な電流調整についてはすでに計算される。この微分Ｌは、電圧調整器４０の積分ゲインＫ_iを計算するのに有効である。一例における積分ゲインは次式で与えられる。

上式で、
ω_bw＝調整器の所望の帯域幅、
ω_e＝定格速度でのモータの電気周波数、
λ_m＝モータの磁石によって確立された磁束鎖交、
Ｌ_d＝モータのｄ軸インダクタンス、
である。

しかし、磁束がモータ鉄を高度に飽和させる永久磁石モータでは、磁束対電流曲線は一般に線形ではない。その結果、微分Ｌは定常電圧Ｌ（またはバルクＬ）とは異なるものになる。微分ＬおよびバルクＬが様々な値の典型的な磁束曲線が図６に示されている。この図で曲線７０の傾きが微分Ｌである。ゼロと微分Ｌ曲線７０との間に延びる直線７２、７４、７６などの傾きは、バルクＬの個別の値である。図では、バルクＬの値を示す線のうちの一部だけに符号が付けられている。

一例における電圧調整器４０は、高度に飽和した永久磁石モータのｄ軸バルクインダクタンス値（Ｌ_d）を求めるためにチューニング手順を用いる。これは、一例では、ホワイトノイズを調整器内に注入し、電圧誤差信号対モータ電圧の伝達関数の周波数応答を測定することによって実施され、この測定では、既知の技法を用い、所望の磁界電圧調整器帯域幅が実際の調整器帯域幅と一致するまでバルクＬ_dの推定値を変化させる。

一例において電圧調整器４０の積分ゲイン計算のために逆起電力電圧を推定することは、突極性の影響を無視することを含む（例えば、Ｌ_q＞＞Ｌ_d）。モータのトルク定数を知ることに依存する内部速度ループ比例ゲイン計算では、適正な速度制御のために、一例においてモータの突極性の影響が考慮に入れられる。図７は、例示的速度制御部８０を概略的に示す。

この例でのＫ_tブロック８２はモータモデルの一部であり、一方、

ブロック８４は、内部速度ループ調整器の比例ゲインＫ_inである。Ｉ_dがゼロ以外のとき、モータの突極性はトルク式の一部になる。トルク定数（Ｋ_t）は次式で与えられる。

この例では、Ｋ_tはＩ_dの関数になり、ここでＩ_dは、電圧調整器４０によって選択的に付加される電流である。一例では、電圧調整器４０の出力は、（モータ３２の磁石および回転子の形状に基づいて）常に負である。Ｉ_dが負の方向に増加するにつれ、Ｋ_tは大きくなる。また、Ｉ_dが負の方向に増加するにつれ、１／Ｋ_tは小さくなる。一例では、内部速度ループの開ループ応答の帯域幅をＩ_dの関数として測定することによって１／Ｋ_tに及ぼすＩ_dの影響を記述するために、線形関係が用いられる。この関係は、次にＫ_inを修正するために用いられる。

図８は、１つの例示的モータ３２の典型的な１／Ｋ_t対Ｉ_dプロット９０を示す。この関係を用い、それに応じて内部速度ループゲインＫ_inを修正して、Ｉ_dの関数としてのＫ_tの変化を追跡することができる。これは、より安定した速度制御のために内部速度ループ調整器の帯域幅を維持するのに役立つ。言い換えると、この例には、内部速度制御ループゲインを制御することによって内部速度制御ループ帯域幅がどれだけ変化するかを制御することが含まれる。この明細書があれば、当業者は、このような制御方法に対しどんな制限が最善にその特定の要求に適合するかを理解するであろう。

以上の説明は、限定的ではなく例示的な性質のものである。本発明の本質から必ずしも逸脱しない、開示された例に対する変形および改変は、当業者には明らかになるであろう。本発明に与えられる法的保護の範囲は、添付の特許請求の範囲を検討することによってのみ確定される。

本発明の一実施例により設計された駆動装置アセンブリを含むエレベータ装置の選択された部分の概略図。 本発明の一実施例によるエレベータ駆動装置を制御する１つの例示的な手法を要約する流れ図。 例示的な制御電圧を示す図。 別の例示的な制御電圧を示す図。 １つの例示的な実施例での電圧制御に有用な制御ループの概略図。 例示的モータの磁束と電流の関係を示すグラフ。 １つの例示的な実施例での内部ループ速度制御の制御ループの概略図。 １つの例示的モータのトルク定数とｄ軸電流の関係を示すグラフ。

Claims (20)

1. 駆動部およびモータを有するエレベータ駆動装置アセンブリを制御する方法であって、
   前記モータの起電力電圧から位相が外れた電流を選択的に付加する、
   ことを含むことを特徴とする方法。
2. 前記モータの動作が、選択された閾値より低い加速度に対応する場合に、前記電流を付加することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記モータの動作が、関連エレベータかごが一定速度で移動するのに対応することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記一定速度が、関連エレベータかごが上り方向で一定の速度で移動するのに対応することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記駆動部のインバータ電圧が、対応する閾値よりも低いかどうかを判定することを含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
6. 前記インバータ電圧の２乗が、対応する閾値よりも低いかどうかを判定することを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記モータのトルク定数を所望の範囲内に維持するために、前記付加電流と前記トルク定数との関係に基づいて付加すべき前記電流の量を決定することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記電流を付加しながら前記駆動部のインバータでの電圧を比較的一定に維持することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記付加電流が負のｄ軸電流を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. エレベータ装置内のモータを制御する方法であって、
    関連エレベータかごが一定速度で移動している場合に、負の磁束電流を前記モータに供給することを含むことを特徴とする方法。
11. 前記エレベータかごが上り方向で移動し、かつ前記モータが全負荷条件のもとで動作している場合に、前記負の磁束電流を供給することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 選択された範囲内に駆動装置構成要素の電圧があるかどうかを判定することによって、前記エレベータかごが前記一定速度で移動しているかどうかを判定することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
13. 前記電圧がインバータ電圧を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 選択された閾値を前記インバータ電圧の２乗が超えるかどうかを判定することを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記負の磁束電流を供給しながら、選択された範囲内に前記インバータ電圧を維持することを含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
16. 前記負の磁束電流が、前記モータの逆起電力電圧から位相が外れていることを特徴とする請求項１０記載の方法。
17. 前記モータのトルク定数を所望の範囲内に維持するために、前記供給される電流と前記トルク定数との関係に基づいて供給すべき前記電流の量を決定することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
18. エレベータかごが一定速度で移動するのにモータ動作が対応する場合に、負のｄ軸電流を前記モータに選択的に導入する電圧調整器を備えることを特徴とするエレベータ駆動装置。
19. 前記電圧調整器が、前記モータのトルク定数を所望の範囲内に維持する量の前記負のｄ軸電流を導入することを特徴とする請求項１８記載のエレベータ駆動装置。
20. 前記エレベータ駆動装置は、少なくとも１つのインバータを備えており、前記電圧調整器が、選択された閾値を前記インバータの電圧が超える場合に前記負のｄ軸電流を導入することを特徴とする請求項１８記載のエレベータ駆動装置。

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