JP3965934B2

JP3965934B2 - 移動体の制御装置並びに移動体システム

Info

Publication number: JP3965934B2
Application number: JP2001138078A
Authority: JP
Inventors: 大吾金子; 博美稲葉; 常博遠藤; 育男大和; 大沼　　直人
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: CN1384038A; TW593112B; CN1225077C; DE10218773A1; HK1049823A1; JP2002335690A; US20020175651A1; KR20020085849A; US7199547B2; SG102674A1; KR100554243B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は移動体の制御装置および制御方法、並びに移動体システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、機械装置の小型化および効率の向上を目的として、特に永久磁石を界磁に使用した同期電動機の各種機械装置への適用が進みつつある。
【０００３】
しかし、同期電動機の回転駆動制御には、回転子の位置すなわち磁極位置を知り、通電制御する必要がある。そのためには、磁極位置検出手段を設ける必要があり、例えば、特開平１０−８０１８８号公報に記載の技術のように、磁極位置センサを取り付けることが必要である。しかし、このような磁極位置検出器は、電動機の軸とエンコーダの軸を合わせる作業が必要であったり、保守が煩雑になるなどの問題がある。
【０００４】
このような問題をなくすために、平成１２年電気学会産業応用部門大会予稿集「Ｎo.９７軸誤差の直接推定演算による永久磁石同期モータの位置センサレス制御」のように、同期電動機の磁極位置センサレス制御技術が研究されている。
【０００５】
図１０は、磁極位置センサレス制御技術による永久磁石型同期電動機制御系の例である。本制御系は、電流検出器で検出された電動機相電流検出値Ｉu，Ｉwを入力として回転座標系の電流検出値Ｉd，Ｉqを得る第１の座標変換器３ａ、電流検出値Ｉd，Ｉqを入力として、電動機の回転子の磁極位置θm と磁極位置推定値θmcとの誤差Δθを得る軸誤差推定器３ｂ、誤差Δθを入力として電動機推定速度ωmを得る電動機速度演算器３ｃ、電動機推定速度ωmを入力として磁極位置推定値θmcを得る回転子位置推定器３ｄ、電動機推定速度ωm と電動機速度指令値ωm*を入力として電流指令値Ｉd*，Ｉq*を得る電流指令演算器３ｅ、電流指令値Ｉd*，Ｉq*を入力として出力電圧指令Ｖd*，Ｖq*を得る出力電圧指令演算器３ｆ、出力電圧指令Ｖd*，Ｖq*を入力として電動機を駆動する駆動装置の駆動指令Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*を得る第２の座標変換器３ｇで構成される。この例では、磁極位置θm として回転子位置推定器３ｄによる推定値θmcを用いることで、永久磁石型同期電動機が磁極位置センサ無しで駆動される。
【０００６】
このような技術により、同期電動機の回転駆動には、回転子の磁極位置検出器が必要ではなくなりつつある。
【０００７】
一方で、同期電動機の磁極位置センサレス制御技術を実際に移動体システムに適用した例として、例えば特開２０００−７８８７８号公報記載の技術があるが、移動体システム自体の定点停止などにおける位置制御のために、移動体の位置検出器としてエンコーダが必要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
移動体の位置検出器を使う限り、検出器取り付けの困難さや不要な占有空間，システムの信頼性等への影響は依然として残る。
【０００９】
本発明の目的は、同期電動機を駆動力源とする移動体システムについて、移動体の位置検出器を用いずに位置制御を行うことである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、同期電動機に供給される電力に関する電気的量に基づいて同期電動機の回転子の磁極位置を推定し、さらに推定した磁極位置に基づいて移動体の位置を推定することにより解決される。ここで、同期電動機に供給される電力に関する電気的量は、同期電動機に供給される電流や電圧などである。
【００１１】
本手段によれば、電気的量に基づいて同期電動機の回転子の磁極位置に基づいて移動体の位置を推定するので、移動体の位置検出器を用いずに移動体の位置制御を行うことができる。さらに、好ましくは、推定される移動体の位置を、移動体の絶対位置情報に基づいて移動体の停止前に修正することにより、高精度な位置制御が可能になる。
【００１２】
なお、移動体としては、エレベータの乗りかごまたは釣り合い錘，エレベータドア，エスカレータのステップ，鉄道車両などが有る。また、同期電動機としては、永久磁石型同期電動機，巻線型同期電動機，同期リラクタンスモータなどが有る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に第１の実施例の移動体システムを示す。図１において、１は移動体を駆動するための回転動力を発生する同期電動機、２は同期電動機１に電力を供給する駆動装置、３は駆動装置２を制御する制御装置、４は移動体、５は同期電動機１に機械的に接続され、同期電動機１の回転動力を受けて移動体４を駆動する移動体の駆動手段である。また、駆動装置２において、２０１は直流電源、２０２は直流電源２０１の直流電力を交流電力に変換する電力変換装置、２０３は同期電動機１に供給される電流を検出する電流検出器である。制御装置３において、３０１は電流検出器２０３によって検出された電流から同期電動機の回転子の磁極位置を推定する回転子位置推定器、３０２は、回転子位置推定器３０１によって推定された磁極位置θmcに基づいて同期電動機１の速度が速度指令ωm*に近づけるために駆動装置２に与える駆動指令を生成する駆動指令生成器である。さらに、６は回転子位置推定器３０１によって推定された磁極位置θmcから移動体４の位置を推定する移動体位置推定器、７は移動体４の絶対位置情報を取り込んで、絶対位置情報によって移動体位置推定器６が持つ移動体位置情報を修正する位置情報修正手段、８は移動体位置推定器６が推定した移動体４の推定位置Ｘc を移動体４の位置指令Ｘ* に近づけるような速度指令ωm*を作成して駆動指令生成器３０２へ与える電動機速度指令生成器である。９は移動体４の推定位置Ｘc から移動体４の位置情報を作成して表示する位置表示器である。
【００１４】
次に、本実施例の動作を説明する。電力変換装置２０２は、駆動指令生成器
３０２で生成された駆動指令をもとに、直流電源２０１から供給される直流電力を交流電力に変換して出力し、同期電動機１を回転駆動する。移動体４は、駆動手段５を介し同期電動機１を動力源として、その位置を変化させる。また回転子位置推定器３０１は、電流検出器２０３の出力を利用して、同期電動機１の回転子位置θm を推定し、その推定量θmcを出力する。ここで、回転子位置推定器
３０１の位置推定方法を含め、制御装置３の構成は様々であり、例えば前述の図１０のような構成が有る。
【００１５】
まず、移動体位置推定器６について述べる。ここで、同期電動機１の回転子位置θm と移動体４の位置Ｘの関係を考える。ここで、移動体の駆動手段５を駆動輪とすると、この駆動輪が一周する時の移動体４の移動距離をＬとすれば、同期電動機１の回転子が一周する時の移動体の移動距離もＬであることから、Ｘと
θm との間には、次式の関係が成り立つ。
【００１６】
【数１】

【００１７】
ここで、Ｘ0 は移動体の初期位置である。また、定常的には次式の関係が成立する。
【００１８】
【数２】
θm＝θmc （２）
従って、回転子位置推定器３０１の出力である推定位置θmcと式（１）および（２）の関係を用いれば、移動体４の位置Ｘを推定できる。具体的には、移動体位置推定器６では式（１）の代わりに位置Ｘを移動体推定位置Ｘcに置き換えた式（３）により、推定位置Ｘcを得る。
【００１９】
【数３】

【００２０】
本実施例によれば、以上のように、専用の移動体位置検出器を設けずとも、同期電動機により駆動される移動体の位置情報を得ることができる。また、同期電動機の回転子の磁極位置が移動体の移動距離と対応するので、磁極位置推定値により比較的容易または比較的正確に移動体の位置を推定することができる。
【００２１】
次に、位置情報修正手段７について述べる。前述の通り、移動体位置推定器６は移動体４の位置を推定するが、駆動手段５が滑ったり磨耗するなどの原因で式（１）の関係が崩れ、移動体位置Ｘと移動体推定位置Ｘc との間に誤差が生じる。ここで、位置情報修正手段７は、移動体４の絶対位置情報を取り込み、移動体位置推定器６内の移動体位置情報を修正するための情報を出力する。位置情報修正手段７を使って、絶対位置情報を移動体位置推定器６に入力する。移動体位置推定器６は、入力された絶対位置情報を新しい移動体推定位置Ｘc として置き換えする。これにより、移動体４の実際位置と移動体位置推定器６の推定位置とに誤差が生じても、推定位置を正しい位置に修正できる。位置情報修正手段７を用いることにより、高精度で移動体の位置を推定できる。
【００２２】
また、電動機速度指令生成器８は、移動体の位置指令Ｘ*と移動体推定位置Ｘcとを入力として、移動体推定位置Ｘc を目標位置Ｘ* に近づけるような同期電動機１の速度指令ωm*を生成する。電動機速度指令生成器８が決められた定点で電動機速度指令を零にするように動作させれば、移動体４の停止位置制御が実現できる。このような電動機速度指令生成器８により、移動体の位置検出器を用いること無く、移動体の位置を制御することができる。
【００２３】
さらに、移動体位置表示器９は、移動体推定位置Ｘc を入力として、移動体４の位置情報を生成し、表示する。このような移動体位置表示器９により、移動体の位置検出器を用いること無く、移動体の位置を表示できる。
【００２４】
また、同期電動機１として永久磁石型同期電動機を用いると、移動体システムの小型化や省エネ化が可能である。
【００２５】
なお、直流電源２０１としては交流を整流回路で整流した電源や電池等を利用すれば良い。また、回転子位置推定量θmcは、電力変換装置２０２の出力電流の他、出力電圧，入力の直流電流，直流電圧のいずれかに基づいて演算することができる。この場合、これらの電気的量を検出する検出器を、電流検出器２０３に代えて設けると共に、回転子位置推定器３０１を含め制御装置３における演算処理の仕方を変更すればよい。さらに、図１の実施例のように、位置情報修正手段を用いて、移動体の絶対位置情報によって移動体位置推定器内の移動体位置情報を修正することは、回転子の推定位置のみならず回転子の位置検出値や回転子の回転数の検出値または推定値から移動体位置を推定する場合にも適用できる。
【００２６】
図２は第２の実施例の移動体システムである。本実施例では、移動体がエレベータの乗りかご４０１および釣り合い錘４０２である。また駆動手段５がシーブ５０１であり、エレベータの乗りかご４０１および釣り合い錘４０２は、シーブ５０１を介して同期電動機１で駆動される。その他の要素の動作は第１の実施例で説明されたものと同一である。本実施例により、エレベータの乗りかご４０１または釣り合い錘４０２の位置を、同期電動機１の磁極位置検出器やエレベータのりかご４０１または釣り合い錘４０２の位置検出器を用いることなく、検出および制御できる。
【００２７】
図２の実施例のように、電動機が昇降路ピットや頂部に設けられる場合、磁極位置検出器を用いれば、磁極位置検出器の交換や取り付け調整作業が困難であるが、本実施例によれば、このような困難を解消できる。
【００２８】
図３は第３の実施例の移動体システムである。本実施例では、移動体がエレベータドア扉４０３である。また駆動手段５はドア扉駆動装置５０２であり、エレベータドア扉４０３は、ドア扉駆動装置５０２を介して同期電動機１で駆動される。その他の要素の動作は第１の実施例で説明されたものと同一である。本実施例によれば、設置空間が非常に狭いという制約のある用途に対して、機器レイアウトの自由度を増加させるほか、省空間化を実現できる。
【００２９】
なお、図３の実施例はエレベータドアの扉に限らず、同期電動機を用いて駆動される他のドア扉に適用しても、同様の効果が得られる。
【００３０】
図４は第４の実施例の移動体システムである。本実施例は車椅子対応エスカレータに適用した例であり、移動体が車椅子対応ステップ４０４である。また、駆動手段５はステップ駆動手段５０３であり、車椅子対応ステップ４０４を含むエスカレータステップはステップ駆動手段５０３を介して同期電動機１で駆動される。その他の要素の動作は第１の実施例で説明されたものと同一である。
【００３１】
車椅子対応エスカレータは、図４のようにリング状に接続されたエスカレータステップのうち、少なくとも一箇所に２乃至３枚程度の車椅子対応ステップ404が水平高さに揃って車椅子を乗せる機能を有する。例えば、車椅子利用要求ボタンが押されると、移動体システムである車椅子対応エスカレータの制御部は、移動体位置推定器６により、車椅子対応ステップ４０４の位置を推定し、エスカレータの乗り口に停止させるように動作する。本実施例では、ステップと平行方向に突出する可能性がある位置検出器を使用せずにステップ位置を検出できることから、エスカレータの設置幅を狭くすることができ、さらにエスカレータを設置するビル等の空間を有効に活用できる。
【００３２】
図５は第５の実施例の移動体システムである。本実施例では、移動体が鉄道車両４０５であり、駆動手段が駆動輪５０４である。その他の要素の動作は第１の実施例で説明されたものと同一である。従来用いられている通常の信号システムでは、ある１つの閉塞区間内に居る列車の有無は判別できるが、同閉塞区間内での列車の位置や数は把握できない。これに対し、本実施例によれば、個々の列車の位置情報を得られることから、特別に高精度な位置検出器を設けずとも、同一閉塞区間内に存在する複数の列車の位置情報が得られ、高密度運転ダイヤが実現可能となる。
【００３３】
図６は第６の実施例の移動体システムである。本実施例では、位置情報修正手段７を、移動体４の移動領域内に設けられた固定点７０１と、固定点７０１を移動体４が通過するときに得られる位置情報を絶対位置情報として提供する絶対位置情報提供手段７０２と、絶対位置情報を入力として移動体位置推定器６内の絶対位置情報を修正するための位置情報を出力する修正情報提供手段７０３で構成する。
【００３４】
図６の実施例においては、移動体位置推定器６で推定した移動体４の位置に誤差が生ずる場合、次のようにして推定位置を修正する。金属製の遮蔽板などで構成した複数の固定点７０１を、ある特定の位置、例えば移動体停止位置の前後に配置する。移動体側にはポジテクタ等で構成した絶対位置情報提供手段７０２を設ける。固定点７０１と絶対位置情報提供手段７０２が対向した時に絶対位置情報提供手段７０２は割込みを受け付け、あらかじめテーブル化した絶対位置情報を読み出して移動体位置推定器６の持つ位置情報に上書きすることにより、特定位置通過時に移動体位置推定の安定した高精度化が可能となる。本実施例により、駆動手段５の滑りや磨耗等に起因する誤差が補償され、移動体位置推定器６の推定位置が高信頼化または高精度化する。
【００３５】
図７は第７の実施例の移動体システムである。本実施例では、図６の実施例に修正動作切換手段７０４が追加される。移動体４が固定点７０１の存在領域近傍の移動体存在領域判別領域内に存在すると移動体位置推定器６が推定した時に、修正動作切換手段７０４は固定点７０１に対向した絶対位置情報提供手段７０２からの割込みを受け付けて、修正情報提供手段７０３経由の位置情報修正動作を有効とする。これにより、絶対位置情報提供手段７０２は、本来修正動作を行うべき場所の近傍でのみ動作可能となるので、ノイズなどによる誤動作を低減できる。
【００３６】
なお、図６および図７における固定点７０１の設定場所は、エレベータのかごへの適用時には各階手前位置に、ドア扉の場合には開端や閉端部に、車椅子対応エスカレータの場合はエスカレータの乗り口や降り口に対応させることで、停止位置精度が向上する。
【００３７】
図８は第８の実施例の移動体システムである。本実施例においては、位置情報修正手段７を、固定点７０１と、絶対位置情報提供手段７０２と、移動体位置推定器６が推定位置を修正するための修正位置情報を出力する修正情報提供手段
７０３と、初期状態での修正位置情報を出力する初期位置設定手段７０５とで構成する。
【００３８】
次に、図８の実施例による初期位置設定の動作について説明する。（１）式のＸ0 の値は、電源投入などのシステム起動時に初期設定される。具体的には、電源投入後に、移動体が移動範囲の端部までいったん低速で移動し、そこに設けられる初期絶対位置情報を取得したあと、初期位置設定手段７０５によって、移動体位置推定器６が持つＸ0 の値が初期化される。そして、その後に一回の固定点位置測定運転を、駆動手段が空転しないような速度で実施し、各固定点の絶対位置に対応した位置情報を獲得すれば、初期位置情報の設定が完了する。例えば、エレベータのりかごまたは釣り合い錘への適用時には、昇降路の最上または最下位置、鉄道車両への適用時にはその始発駅等に設けられた固定点と絶対位置情報提供手段７０２が対向した時を、初期位置設定動作の開始とすればよい。本実施例によれば、複数の固定点の絶対位置を事前に設計，設定する必要がなく簡便に位置情報修正システムを構築できる。
【００３９】
図９は第９の実施例の移動体システムである。本実施例においては、位置情報修正手段７を、絶対位置情報提供手段７０２と、修正情報提供手段７０３と、修正動作切換手段７０４と、人工衛星７０６とで構成する。
【００４０】
次に、図９の実施例の動作を説明する。絶対位置情報提供手段７０２は、人工衛星７０６から絶対位置情報を獲得し出力する。一方で、移動体４が移動領域内の予め決められた点に到達したと移動体位置推定器６が推定した時に、修正動作切換手段７０４は絶対位置情報提供手段７０２が出力する絶対位置情報を受け付け、修正情報提供手段７０３経由の位置情報修正動作を有効とする。本実施例によれば、移動体の移動領域内に固定点を設けずとも、移動体位置推定器６の推定位置のずれを修正できる。なお、絶対位置情報提供手段が絶対位置情報を獲得する手段として、人工衛星の替わりに、地上に設置された無線局などを利用することができる。
【００４１】
なお、上記いずれかの実施例のように、移動体の絶対位置情報に基づいて移動体位置推定器が推定する移動体の位置を修正したり移動体の位置の初期値を設定することは、回転子の推定位置のみならず回転子の位置検出値や回転子の回転数の検出値または推定値から移動体位置を推定する場合にも適用できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、移動体の位置検出器を用いなくても、移動体位置を検出できる。また、絶対位置情報を利用して移動体の推定位置を補正することで、移動体位置推定の精度または信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の移動体システムである。
【図２】本発明の第２の実施例の移動体システムである。
【図３】本発明の第３の実施例の移動体システムである。
【図４】本発明の第４の実施例の移動体システムである。
【図５】本発明の第５の実施例の移動体システムである。
【図６】本発明の第６の実施例の移動体システムである。
【図７】本発明の第７の実施例の移動体システムである。
【図８】本発明の第８の実施例の移動体システムである。
【図９】本発明の第９の実施例の移動体システムである。
【図１０】同期電動機駆動の制御系構成の例である。
【符号の説明】
１…同期電動機、２…駆動装置、３…制御装置、３ａ…第１の座標変換器、３ｂ…軸誤差推定器、３ｃ…電動機速度演算器、３ｄ…回転子位置推定器、３ｅ…電流指令演算器、３ｆ…出力電圧指令演算器、３ｇ…第２の座標変換器、４…移動体、５…駆動手段、６…移動体位置推定器、７…位置情報修正手段、８…電動機速度指令生成器、９…移動体位置表示器、２０１…直流電源、２０２…電力変換装置、２０３…電流検出器、３０１…回転子位置推定器、３０２…駆動指令生成器、４０１…乗りかご、４０２…釣り合い錘、４０３…エレベータドア扉、４０４…車椅子対応ステップ、４０５…鉄道車両、５０１…シーブ、５０２…ドア扉駆動装置、５０３…ステップ駆動装置、５０４…駆動輪、７０１…固定点、７０２…絶対位置情報提供手段、７０３…修正情報提供手段、７０４…修正動作切換手段、７０５…初期位置設定手段、７０６…人工衛星。

Claims

同期電動機で駆動される移動体の制御装置であって、
同期電動機に供給される電力に関する電気的量に基づいて前記同期電動機の回転子の磁極位置を推定する回転子位置推定器と、
前記回転子位置推定器が推定した磁極位置と前記移動体の初期位置とに基づいて前記移動体の位置を推定する移動体位置推定器と、
前記移動体の絶対位置情報に基づいて前記移動体位置推定器が推定する前記移動体の位置を、前記移動体の停止前に修正する位置情報修正手段と、
を備え、
前記絶対位置情報は、前記移動体の移動領域内に設けられた固定点を前記移動体が通過するときに得られる位置情報であり、
前記位置情報修正手段の修正動作は、前記移動体位置推定器が、前記移動体が前記固定点近傍に存在すると推定したときに有効となる移動体の制御装置。
請求項１において、さらに、位置指令と前記移動体位置推定器が推定した前記移動体の位置とに基づいて、前記同期電動機の速度を制御する電動機速度指令生成器を備える移動体の制御装置。
請求項１または請求項２において、さらに、前記移動体位置推定器が推定した前記移動
体の位置を表示する移動体位置表示器を備える移動体の制御装置。
同期電動機で駆動される移動体と、
前記移動体の位置を位置指令に近づけるように前記同期電動機の速度を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記同期電動機に供給される電力に関する電気的量に基づいて前記同期電動機の回転子の磁極位置を推定する回転子位置推定器と、
前記回転子位置推定器が推定した磁極位置と前記移動体の初期位置とに基づいて前記移動体の位置を推定する移動体位置推定器と、
前記移動体位置推定器が推定した前記移動体の位置と前記位置指令に基づいて前記同期電動機の速度を制御する電動機速度指令生成器と、
前記移動体の絶対位置情報に基づいて前記移動体位置推定器が推定する前記移動体の位置を、前記移動体の停止前に修正する位置情報修正手段と、
を備え、
前記絶対位置情報は、前記移動体の移動領域内に設けられた固定点を前記移動体が通過するときに得られる位置情報であり、
前記位置情報修正手段の修正動作は、前記移動体位置推定器が、前記移動体が前記固定点近傍に存在すると推定したときに有効となる移動体システム。