JP2012121705A

JP2012121705A - エレベータのかご室振動低減装置

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Publication number: JP2012121705A
Application number: JP2010274789A
Authority: JP
Inventors: Osamu Onuki; 修大貫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: JP5528997B2

Abstract

【課題】エレベータのロープの弾性による固有振動系に、シーブやその駆動モータなどの加振源による外乱が加わった場合のかご枠からかご室への振動伝達を低く抑えること。
【解決手段】かご枠１４とかご室１５との間のパンタグラフジャッキ１６と、パンタグラフジャッキを駆動するモータ１９と、かご枠に対するかご室の相対位置と相対速度に基づいてモータをフィードバック制御する制御系とを備え、パンタグラフジャッキ１６に等価的なばね特性及び減衰特性をもたせるように、相対位置及び相対速度に基づいたフィードバック制御系に位置フィードバックゲイン部２２及び速度フィードバックゲイン部２３を設け、位置フィードバックゲイン部２２におけるゲインＫと、速度フィードバックゲイン部２３におけるゲインＣとを自動的に変更することによって、かご枠１４からかご室１５へのパンタグラフジャッキ１６の等価的なばね特性と減衰特性からなる振動伝達率を減らすこと。
【選択図】図２

Description

本発明は、かご室とかご枠の間にパンタグラフジャッキを取り付けたエレベータに係わり、特に、パンタグラフジャッキを駆動制御してかご室の振動を低減するエレベータのかご室振動低減装置に関する。

一般に、エレベータは、巻上機におけるモータで発生させるトルクが、巻上機におけるシーブを介して主ロープに伝達され、主ロープに吊り下げられている乗りかごを昇降させる構造になっている。したがって、シーブにおいて偏心やアンバランスが存在したり、モータでトルクリップルが発生していたりすると、その回転運動に同期した周波数の振動が外乱となって発生する。一方、エレベータの主ロープは弾性体であるため、主ロープに乗りかごなどの重量物が吊り下がっていると、特定の固有振動数を有する振動系が形成される。

上述した２つの周波数が近接した場合、共振して乗りかごに縦振動が発生し、エレベータの乗り心地を著しく悪化させる要因となる。また、近年の建築構造物の高層化に伴って、そこに設置されるエレベータの昇降行程が長くなるほど、ロープのばね定数が低下して、負荷の変動や外乱に対して敏感になり、乗りかごに低周波の不快な縦振動が発生して乗り心地を悪化させることが懸念される。

エレベータのかごの振動を低減することを目的とした従来技術として、例えば、特許文献１においては、モータで錘を上下に駆動することでかごの縦振動を抑制しようとすることが提案されている。また、パンタグラフ機構を用いてかご室を駆動する従来技術として、例えば、特許文献２においてかご室をかご枠に対して昇降させてかごの着床ずれを補正するものが提案されている。さらに、パンタグラフ機構を用いた従来技術として、例えば、特許文献３において、かご枠に設けた上下一対のかご室同士をパンタグラフ機構でつなぎ、ダブルデッキエレベータのかご室間の間隔をパンタグラフ機構で調整する際に、かご室に衝撃を与えたり大きな振動を生じさせたりすることのない技術が提案されている。

特開２００４−１６８４８５号公報国際公開番号ＷＯ２００４／０４６００７特開２００１−３２２７７１号公報

しかし、上記の特許文献１に示す振動抑制の方法では、ロープの弾性によって固有振動数付近に加振源の加振周波数が存在していて、共振してかごが大きく上下に振動するような場合に、大きい上下振動を抑制するためには重量の大きい錘が必要になったり、高出力のモータが必要になるという課題がある。

また、上記の特許文献２においては、かご室をかご枠に対して昇降させてかごの着床ずれを補正するものであって、かご室の振動を抑えることを目的としたものではない。

また、特許文献３においては、ダブルデッキエレベータのかご室間の間隔を調整する際の振動を減らすものであるが、例えば、シーブの偏芯やアンバランス、モータのトルクリップルなど定常的な外乱による振動に対して配慮していないので、定常的外乱による振動を抑制できないおそれがある。

本発明の目的は、モータ駆動されるパンタグラフジャッキと、位置フィードバック及び速度フィードバックのフィードバック制御系とを用いて、パンタグラフジャッキに等価的なばね特性と減衰特性をもたせることで、かご枠からかご室への振動伝達率を低く抑え、外乱によるかご枠の加振に対してかご室まで振動が伝達しないようにするかご室振動低減装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
エレベータのかご枠とかご室との間に介在されたパンタグラフジャッキと、前記パンタグラフジャッキを駆動するモータと、前記かご枠に対する前記かご室の相対位置と相対速度に基づいて前記モータをフィードバック制御する制御系とを備えたエレベータであって、
前記パンタグラフジャッキに等価的なばね特性をもたせるように前記相対位置に基づいたフィードバック制御系に位置フィードバックゲイン部を設け、前記パンタグラフジャッキに等価的な減衰特性をもたせるように前記相対速度に基づいたフィードバック制御系に速度フィードバックゲイン部を設け、前記位置フィードバックゲイン部におけるゲインＫと、前記速度フィードバックゲイン部におけるゲインＣとを変更することによって、前記かご枠から前記かご室へのばね特性と減衰特性からなる振動伝達率を減らす構成とする。

また、前記かご室振動低減装置において、エレベータの運行状態が停止状態、加減速状態、定常走行状態のそれぞれの状態に対応して前記ゲインＫ及び／又は前記ゲインＣを自動的に変更する構成とする。さらに、エレベータの運行状況が定常走行状態の場合に、かご室に設けた変位センサから得たかご室振動レベルがしきい値を超えないように、前記ゲインＫ及び／又は前記ゲインＣを小さくして前記振動伝達率を減らす構成とする。

また、前記かご室振動レベルがしきい値を超えないように、まず、前記ゲインＫを小さくして前記パンタグラフジャッキの等価的なばね特性を下げ、このばね特性を下げたときに前記かご室振動レベルがさらにしきい値を超えていれば、前記前記ゲインＣを小さくして前記パンタグラフジャッキの等価的な減衰特性を下げる構成とする。

本発明によれば、モータの位置フィードバックと速度フィードバックのモータ制御系を設けることで、モータで駆動されるパンタグラフジャッキに等価的なばね特性と減衰特性を与えて、外乱が加わった場合のかご枠からかご室への振動伝達を低く抑えることができる。

また、ばね特性と減衰特性、つまり、振動伝達率の特性を自動調整するため、外乱の周波数にかかわらず、かご枠からかご室への振動伝達率を下げ、かご室の振動を低減することができる。

また、パンタグラフジャッキを用いてかご室を直接制御して等価的な防振効果を持たせるようにするため、かご質量が大幅に増えることなく比較的大きな振幅のかご振動をも低減することができる。

本発明の実施形態に係るエレベータの全体構成を示す図である。本発明の実施形態に係るエレベータのかご室振動低減装置の構成と制御系を示す図である。本実施形態に係るかご室振動低減装置におけるパンタグラフジャッキとラック・ピニオン機構を用いた駆動構成を示す図である。本実施形態に係るかご室振動低減装置におけるパンタグラフジャッキの等価的なばね特性と減衰特性をリアルタイムに変化させる手順を示すフローチャートである。本実施形態に係るかご室振動低減装置におけるパンタグラフジャッキを用いた場合のかご枠からかご室への振動伝達率の特性を示す図である。本実施形態に係るかご室振動低減装置の振動周波数推定方法を説明する図である。

本発明の実施形態に係るエレベータのかご振動低減装置について、図１〜図６を参照しながら以下詳細に説明する。まず、図１を用いて、本実施形態に係るエレベータの全体構成を説明する。図１において、１は乗りかご、２は乗りかごガイド装置、３は乗りかご側ガイドレール、４は釣合い錘、５は釣合い錘ガイド装置、６は釣合い錘側ガイドレール、７は主ロープ、８はシーブ、９は巻上機、１０は乗りかご取付プーリ、１１は乗りかご側頂部プーリ、１２は釣合い錘側頂部プーリ、１３は釣合い錘取付プーリ、をそれぞれ表す。

エレベータは、巻上機モータ９の動力により巻上機シーブ８を介して主ロープ７を摩擦駆動して、主ロープに吊り下がっている乗りかご１を昇降するようになっている。巻上機シーブ８を基準として乗りかご１とは逆側においては、主ロープ７と釣合い錘取付プーリ１３に釣合い錘４が吊り下がっている。エレベータの頂部には頂部プーリ１１，１２があり、主ロープ７が巻き掛けられていて、主ロープ７の向きを変える働きをしている。

図２は本発明の実施形態に係るエレベータのかご室振動低減装置の構成と制御系を示す図である。図２において、１４はかご枠、１５はかご室、１５’はかご室ガイド装置、１６はパンタグラフジャッキ、１７はねじ軸、１８はボールねじ、１９はモータ、２０はカップリング、２１は変位センサ、をそれぞれ表す。

かごを構成しているかご枠１４にはパンタグラフジャッキ１６を設置し、モータ１９でトルクを加えてパンタグラフジャッキ１６を上下方向に駆動させることでパンタグラフジャッキ１６に取り付けられたかご室１５を上下動できるようになっている。かご室１５はかご室ガイド装置１５’に沿って上下動するようになっている。

モータ１９で与える回転方向のトルクをパンタグラフジャッキ１６に直線方向の力に変えるための機構として、ねじ軸１７とボールねじ１８を用いて摩擦を減らすことで、モータ１９の駆動力による回転運動を、高い応答性でパンタグラフジャッキ１６の上下動の直線運動に変換している。この変換だけでなく、逆に、かご室１５の振動によってパンタグラフジャッキ１６上部に加わる上下方向の直線運動を摩擦の影響を受けることなくモータ軸への回転運動に変換できるようにしている。

次に、かご室１５をかご枠１４に対して上下動させるパンタグラフジャッキ１６を駆動する制御系について説明する。変位センサ２１で検出したかご室１５のかご枠１４に対する相対変位と零位置（相対の基準位置）との偏差に対して位置フィードバックゲイン２２を掛け、さらに、微分演算器２７を介して得た相対速度と零速度との偏差に対して速度フィードバックゲイン２３を掛けて、それぞれ足し合わせる。

ここで、後述するが、定常走行状態のときのように、位置フィードバックゲインＫ２２が小さく設定されていてかご室の沈み込み量過大時であっても、位置フィードバック制御がかかっているため沈み込み量を零にしようとする力が働くが、その沈み込み量の零復帰の応答が鈍い場合には、不図示で既存のかご室荷重センサ検出値などを用いて設定できるようにあらかじめ見積もっておいた位置補正用バイアス入力２４’を加えて、力指令Ｆ^＊とする。換言すると、沈み込んだかご室が元の位置に戻り難いときには、予め設定したバイアス入力を印加しておくものである。

この力指令Ｆ^＊に対して、パンタグラフジャッキ１６の上下方向の力とねじ軸トルクとの間の力学的関係より得られた力からトルクへの変換係数２４を掛けて、トルク指令Ｔ^＊を得る。次に、このトルク指令からトルク定数を含んだトルクから電流への変換係数２５を用いて電流指令ｉ^＊に変換する。モータ１９の電流を検出して電流制御系２６により電流制御を施すことで、トルク指令に基づいてモータ１９がパンタグラフジャッキ１６に対して忠実にトルクを与えられるようにする。因みに、従来技術について触れると、かご室がかご枠に対して防振ゴムを介在されて振動低減を図った従来構造においては、防振ゴムの特性に応じた狭い範囲の外乱による振動に対してのみ有効であったのに対して、本発明の実施形態では、パンタグラフジャッキを駆動制御する制御系を備えることで、あらゆる加振周波数をもつ外乱に対しても効果的なものである。

図３は、ねじ軸１７とボールねじ１８の代わりに、ラック２８とピニオン２９を用いて直線運動と回転運動の間の変換を行った機構の図である。モータトルクを与えることでピニオン２９を回転させて、それと噛み合わされたラック２８を水平方向に運動させることでパンタグラフジャッキを上下動させる。ボールねじの場合と同様に、この場合でも、摩擦による影響を取り除くことでかご室１５の振動によってパンタグラフジャッキ１６の上部に加わる上下方向の直線運動を高い応答性でモータ軸への回転運動に変換できるような機構としている。

図４は、かご室の振動の周波数と振動レベルとによって、パンタグラフジャッキのばね特性と減衰特性をどのように変化させるかについてのフローチャートを示す図である。始めに、現在のエレベータの状態が停止状態にあるか、加減速状態にあるか、定常走行状態にあるかでフローが分かれる。

Ｓ１で停止状態にある場合の乗客乗り込み時には、位置フィードバックゲインＫ（図２の制御系を参照）を予め設定された所定値だけ大きくしてばね特性を上げて（ばねの剛性を大きくする（ばねを強くする））、乗客乗り込み時のかご室１６の床の沈み込みを防止する（Ｓ５）。また、Ｓ２で加減速状態にある場合は、位置フィードバックゲインＫとともに速度フィードバックゲインＣも予め設定された所定値だけ大きくして着床時のオーバーシュートを小さくして、かつ、振動減衰性能が良好になるようにする（Ｓ６）。Ｓ３で定常走行状態にある場合は、変位センサ２１によって検出したかご室変位信号から振動周波数を推定する（Ｓ３）（後述する図６の説明を参照）。

次に、定常走行状態にある場合に、かご室振動レベルがあらかじめ決めておいたしきい値を超えているかどうかの判定（Ｓ４）を行い、超えている場合は、推定したかご室振動周波数で振動伝達率が下がるように位置フィードバックゲインＫを変えて（具体的にはゲインＫを小さくして）適切なパンタグラフジャッキの等価的なばね定数（ばね特性）にする（Ｓ７）。

ここで、変位センサ２１による変位センサ検出値から判断して（Ｓ７’）、パンタグラフジャッキ１６の沈み込み量が許容範囲内にない場合は位置補正用バイアス入力２４’（図２の制御系を参照）を加える（Ｓ７’’）。沈み込み量が許容範囲内にある場合で、さらに振動レベルを低減する必要が生じた場合は（Ｓ８）、推定したかご室振動周波数で振動伝達率が下がるように速度フィードバックゲインＣを変えて適切なパンタグラフジャッキの等価減衰係数にする（Ｓ９）。それでもまだ振動レベルが大きい場合は、フローチャートにおいて、位置フィードバックゲインＫによる等価ばね定数の調整（Ｓ７）まで戻って再設定する。

図４に示すフローチャートから分かるように、エレベータの運行状況が、停止状態にあるか、加減速状態にあるか、定常走行状態にあるかに応じて、自動的にゲインＫ及び／又はゲインＣを変更するのものである。ただし、定常走行状態ではかご室振動レベルの値を付加条件としている。

図５は、パンタグラフジャッキのばね特性（位置フィードバックゲインＫ２２に対応）と減衰特性（速度フィードバックゲインＣ２３に対応）を変化させた場合のかご枠１４からかご室１５への振動伝達率の変化を表した図である。

定常走行時にかご室１５で振動が生じているときにパンタグラフジャッキ１６が特性３０の振動伝達率の特性を持っているとする。このときに、振動伝達率が下がるようにパンタグラフジャッキの等価的なばね特性を下げて（パンタグラフジャッキ１６を制御する制御器の位置フィードバックゲインＫ２２を小さくすることによって、パンタグラフジャッキの等価的なばね特性を下げる）、特性３１のようにする。さらに、振動伝達率を下げて振動レベルを下げるためには、減衰特性（ゲインＣ２３に対応）を下げて特性３２のようにする（前述した図４のＳ８とＳ９のフローに対応する特性の変更）。

さらに繰り返して説明すると、特性３０に対してばね定数を小さくすると特性３０がその傾斜の特性を変えずに左側にシフトして特性３１となるのであり、さらに、この特性３１に対して減衰特性を小さくすると特性３１がその傾斜の特性を変更して急峻となり特性３２を形成するのである。図５で縦の破線は、定常走行時においてかご枠１４を加振する外乱（外乱周波数を以て）を表すものであり、この縦の破線と、特性３０、特性３１、特性３２のそれぞれとの交点における振動伝達率は、特性３０→特性３１→特性３２の順に下がっている。すなわち、定常走行時にかご室が振動しているとき振動伝達率が下がるようにゲインＫとゲインＣを小とするのである。ここで、ゲインＫとゲインＣの値をどの程度変更するかは、変更した結果、かご室振動レベルがしきい値以下になるかどうかで決まる。さらに、図５に示す縦の破線が示すかご枠に加わった外乱周波数の数値に対応して振動伝達率が変わることになるので、振動伝達率を下げる際の判断材料として、振動レベルの外に振動周波数が考えられる。

一方、加減速時には、特性３３のようにばね特性（ばね剛性）（ゲインＫに対応）とともに減衰特性（ゲインＣに対応）を上げて、加速状態から定常走行状態、あるいは、減速状態から停止状態に移るときのかご枠に対するかご室のオーバーシュートを減らし、自由振動に対する減衰性能も良好となるようにする。

このように、定常走行時にはゲインＫを小にしゲインＣを小にしてかご室振動レベルをしきい値以下にし、加減速時にはゲインＫを大にするとともにゲインＣを大にしてオーバーシュートを減らし、停止時にはゲインＫを大にしてばね剛性を高くして（ばねを堅くする）沈み込み量を少なくする。

図６はパンタグラフジャッキの特性を自動調整する際に必要となるかご室の振動周波数推定方法を示す図である。変位センサ２１からのかご室変位の信号を制御器（図２の制御系を参照）に取り込んだ際に、振動成分の周期を自動的に読み取って周波数の概算値を得ることを概略的に示している。図示するように、かご室相対変位の符号が＋の時間領域の中点とかご室相対変位の符号が−の時間領域の中点との時間間隔を周期Ｔの１／２としてかご室振動数を求めている。

以上説明したように、本発明の特徴を概説すると、かご室１５の振動を低減するために、かご室１５のかご枠１４に対する相対変位を検出する変位センサ２１からの信号に基づいて、パンタグラフジャッキ１６をモータ１９でフィードバック制御し、フィードバック制御系のゲイン（位置と速度）とバイアス入力によって、パンタグラフジャッキに等価的にばね特性と減衰特性を持たせ、かご枠１４からかご室１５への振動伝達率を自動調整する構成である。この構成の採用によって、エレベータのロープの弾性による固有振動数を有する振動系と、シーブやその駆動モータなどの何らかの加振源による振動系が共振してかごが大きく上下に振動するような場合でも、かごの重量を大幅に増やすことなく簡易な構造体を採用することで、かご室の振動を低減することができるものである。

１乗りかご
２乗りかごガイド装置
３乗りかご側ガイドレール
４釣合い錘
５釣合い錘ガイド装置
６釣合い錘側ガイドレール
７主ロープ
８シーブ
９巻上機
１０乗りかご取付プーリ
１１乗りかご側頂部プーリ
１２釣合い錘側頂部プーリ
１３釣合い錘取付プーリ
１４かご枠
１５かご室
１５’ かご室ガイド装置
１６パンタグラフジャッキ
１７ねじ軸
１８ボールねじ
１９モータ
２０カップリング
２１変位センサ
２２位置フィードバックゲイン
２３速度フィードバックゲイン
２４力からトルクへの変換係数
２４’ かご室沈み込み量過大時位置補正用バイアス入力
２５トルクから電流への変換係数
２６電流制御系
２７微分演算器
２８ラック
２９ピニオン
３０自動調整前のかご枠からかご室への振動伝達率の特性
３１等価的なばね定数を自動調整した後のかご枠からかご室への振動伝達率の特性
３２等価的な減衰特性を自動調整した後のかご枠からかご室への振動伝達率の特性
３３加減速時において減衰特性を高めるように自動調整した後のかご枠からかご室への振動伝達率の特性

Claims

エレベータのかご枠とかご室との間に介在されたパンタグラフジャッキと、前記パンタグラフジャッキを駆動するモータと、前記かご枠に対する前記かご室の相対位置と相対速度に基づいて前記モータをフィードバック制御する制御系とを備えたエレベータであって、
前記パンタグラフジャッキに等価的なばね特性をもたせるように前記相対位置に基づいたフィードバック制御系に位置フィードバックゲイン部を設け、
前記パンタグラフジャッキに等価的な減衰特性をもたせるように前記相対速度に基づいたフィードバック制御系に速度フィードバックゲイン部を設け、
前記位置フィードバックゲイン部におけるゲインＫと、前記速度フィードバックゲイン部におけるゲインＣとを変更することによって、前記かご枠から前記かご室へのばね特性と減衰特性からなる振動伝達率を減らす
ことを特徴とするエレベータのかご室振動低減装置。
請求項１において、
前記モータと前記パンタグラフジャッキとの間には、ボールねじ及びねじ軸、又はラック・ピニオン機構を介在させ、回転運動から直線運動に加えて、直線運動から回転運動にも変換できる
ことを特徴とするエレベータのかご室振動低減装置。
請求項１または２において、
エレベータの運行状態が停止状態、加減速状態、定常走行状態のそれぞれの状態に対応して前記ゲインＫ及び／又は前記ゲインＣを自動的に変更する
ことを特徴とするエレベータのかご室振動低減装置。
請求項１、２または３において、
エレベータの運行状況が定常走行状態の場合に、かご室に設けた変位センサから得たかご室振動レベルがしきい値を超えないように、前記ゲインＫ及び／又は前記ゲインＣを小さくして前記振動伝達率を減らす
ことを特徴とするエレベータのかご室振動低減装置。
請求項４において、
前記かご室振動レベルがしきい値を超えないように、まず、前記ゲインＫを小さくして前記パンタグラフジャッキの等価的なばね特性を下げ、このばね特性を下げたときに前記かご室振動レベルがさらにしきい値を超えていれば、前記前記ゲインＣを小さくして前記パンタグラフジャッキの等価的な減衰特性を下げる
ことを特徴とするエレベータのかご室振動低減装置。
請求項５において、
前記等価的なばね特性を下げたときに、前記変位センサから得たかご室の沈み込み量が許容範囲内でない場合に予め設定した位置補正用のバイアス入力を印加する
ことを特徴とするエレベータのかご室振動低減装置。