JP4022281B2 - エレベータシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、能動的サスペンション制御をもつシステム、主に、エレベータ昇降路内でガイドレールとの関係におけるエレベーターボックスの水平運動を制御するための能動的水平サスペンション制御をもつエレベータシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
エレベータにはより速い動機が要求されていることから、乗客にとって平滑で静寂な乗り心地を提供するべく、側方サスペンションの改善に対するニーズが高まってきている。現在行なわれているのは、エレベーターボックスのコーナーにバネ及びダンパーと共に取りつけられたローラーから成る受動的サスペンションを用いることである。エレベータシステムに対し作用する外部力を打ち消すための、サスペンション内に能動的力の発生装置として電磁石を利用する先進のエレベータサスペンションの概念が提案され開発されている。例えば、能動ローラーガイド(ARG)エレベータシステム及び能動磁気誘導(AMG)エレベータシステムが、このような先進的な2つのサスペンションシステムである。ARG及びAMGの両方のエレベータシステムに使用されている力発生機構は、2〜10ミリメートルの範囲内の比較的大きなエアギャップの存在下で制御された磁力を発生することが要求される電磁石対である。
【0003】
図3は、磁石励磁機のための既知の磁束及び電流フィードバック補償制御装置を示している。一般に、図3においては、既知の磁束及び電流フィードバック補償制御装置は、電磁石電流を調節するため磁束及び電流をフィードバックする。磁束及び電流フィードバックシステムは、未知のギャップの存在下での磁石のための指令電流を調節するべく、外部力制御フィードバックループ(ホール効果センサーを用いた磁束フィードバック)を利用する。(図3は、磁石を1つだけ示すことによって単純化されているということに留意されたい。)
具体的には、エレベータシステムのエレベータサスペンション制御装置(図3には示さず)が、磁束及び電流フィードバック補償制御装置50に対して力指令信号Fdを提供する。力指令信号Fdは、エレベータ昇降路内のガイドレールとの関係においてエレベーターボックスを移動させるのに望まれる力を表わしている。ホール効果センサー52が磁束密度FDを測定し、ガイドレール(図示せず)に対して磁石54によって及ぼされる磁力を表わす検知された磁束密度信号FFDを提供する。方形波回路56が、検知された磁束密度信号FFDを方形波成形し、検知された磁束密度信号FFD に正比 例する方形波成形された磁束密度信号FFD 2を提供する。第1の比較器58が力指令信号Fdから、方形波成形された検知磁束密度信号FFD 2を減算し、力誤差信号FFEを提供する。力フィードバック補償プロセッサ60は力誤差信号FFEに応答して、所望の力補償電流指令信号ICを提供する。
【0004】
電流測定回路62が、磁石励磁機電流IMDCを測定し、励磁機64から磁石54対して測定された電流を表わす測定電流信号Imeasを提供する。第2の比較器66が、所望の力補償電流指令信号IC から測定電流信号Imeasを減算し、電流誤差信号IEを提供する。電流フィードバック補償プロセッサ68は、電流誤差信号IEに応答して、励磁機64に対し励磁機 フィードバック電流信号IDFC を提供する。励磁機64は、励磁機フィード バック電流信号IDFC に応答し、励磁機電流信号IMDC を磁石54に対して提供する。
【0005】
AMGエレベータシステムならびにARGエレベータシステムのための磁束及び電流フィードバック補償制御装置50は、両方共、磁力を制御するための一次フィードバック要素の1つとしてホール効果センサ52を用いている。(米国特許第5,294,757号、5,304,751号及び5,308,938号参照)。ホール効果センサー52は、磁石54の磁極面で磁界内にとりつけられ、局所的磁束密度を測定する。AMG及びARGエレベータシステム内では、磁石54により生成される力は、おおまかに言って、磁束密度の2乗に比例する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、AMGエレベータシステム内でホール効果センサー52を使用することには、4つの主要な欠点がある;すなわち、まず第1に、ホール効果センサー52は、磁石54の磁極面とエレベータガイドレール(図示せず)の反発表面の間に位置づけされなくてはならない。この位置設定は、特に反発表面がエレベータガイドレールであるAMGエレベータシステム上では、厳しい信頼性及び耐久性の問題を生み出す。反発表面は、ホール効果センサー52と相対で1秒あたり10メートル(m/s)以上の速度で移動している可能性がある。第2に、ホール効果センサ52を使用する場合、偶発的な衝撃からホール効果センサー52を保護するため、ギャップ内にホール効果センサー52より厚みの大きいスペーサーを設置しなければならない。スペーサが厚くなればなるほどサスペンションの有効行程は減少し、かつ/又は磁石54がより大きいエアギャップを横切って磁力を生成することが必要となる。このことは、磁石の力がエアギャップ長さの2乗の関数として減少することから、特に不利である。第3に、ホール効果センサー52は、付加的な配線及び接続を必要とし、コストは増大しかつサスペンション制御システムの全体的信頼性は低下する。第4に、磁石54の磁極面上のホール効果センサー52の存在は、電磁石が達成できる力発生能力を制限する。ホール効果センサー52は、能動的電磁石54に対し近いところ、つまりARGエレベータシステムの場合には、リアクションプレート(電機子)上そしてAMGエレベータシステムの場合には磁極面上に直接とりつけられなくてはならない。ホール効果センサー52のもつ制限された温度範囲は、磁石に許容される温度上昇を制限し、従って最大磁石励磁を制限する。ARGエレベータシステムも同様の問題を有している。
【0007】
上述の点は、ARGエレベータシステム内の問題点であるが、AMGエレベータシステムを実現する上での重大な制約条件であることが立証されている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ホール効果センサー及びその付随するフィードバックループを使用することなく大きいギャップの利用分野において電磁石によって発生される力を制御するための新しく独特の方法を提供する。
【0009】
特に、本発明は、力推定又は位置予定式電流指令制御装置及び磁石励磁機回路をもつ、エレベータ昇降路内でガイドレールとの関係においてエレベーターボックスの水平運動を制御するためのエレベータシステムに関する。力推定又は位置予定式電流指令制御装置は、力推定又は位置予定式電流指令制御装置信号を提供するため、力指令信号に応答し、更に検知されたギャップ信号に応答する。磁石励磁機回路は、エレベータ昇降路内でガイドレールとの関係においてエレベーターボックスの水平運動を制御するべく磁石励磁機回路信号を提供するため、力推定又は位置予定式電流指令制御装置信号に応答する。
【0010】
1つの実施形態においては、本発明は、エレベータ昇降路内でガイドレールとの関係におけるエレベーターボックスの水平運動を制御するために使用される推定された力を表わす力推定プロセッサ信号を提供するため、検知されたギャップ信号及び検知された磁石励磁機電流信号に応答する力推定プロセッサを含んで成る。この力推定プロセッサは、ハードウエア又はソフトウエアにて実現できる。
【0011】
もう1つの実施形態においては、本発明は磁石励磁機回路に対し電流指令として位置予定式電流指令制御装置信号を提供するため、力指令信号及び検知されたギャップ信号に応答する位置予定式電流指令制御装置を含んで成る。位置予定式電流指令制御装置は、エレベータ昇降路内でガイドレールとの関係におけるエレベーターボックスの運動を制御するべく、ハードウエア又はソフトウエアにて実現できる。
【0012】
本発明の1つの利点は、それがホール効果センサの必要性を無くするという点にある。
【0013】
従って、本発明は、以下に記す構成の中で例示されている構成上の特徴、要素の組合せ及び部品の配置を含んで成り、本発明の範囲は、クレーム中に示されている。
【0014】
本発明の内容をさらによく理解するために、添付図面(スケールは実物とは必ずしも一致しない)と合わせて以下の詳細な説明を参照すべきである。
【0015】
【発明の実施の形態】
AMGエレベータシステム全般:
図1は、本書に参考として内含されている1994年8月18日出願の米国特許出願第08/292,660号の中で図示され記述されているAMGエレベータシステム用のエレベーターボックス12を示す。このエレベーターボックス12は、この例では磁気ガイドヘッドとして示されている4つのガイドヘッド10、20、30、40を伴うボックスフレーム13を有する。一般に、エレベーターボックス12は、建物(図示せず)のエレベータシャフト又は昇降路(図示せず)の対向する側に取りつけられた垂直ガイドレール(図示せず)上で作動するボックスフレーム13を内含している。4つのガイドヘッド10、20、30、及び40は、レールに沿ってエレベーターボックスを誘導し、エレベーターボックスに伝達される振動を低減させるように、ボックスフレーム13上に取りつけられている。
【0016】
図示されている通り、エレベーターボックス12の剛体動作は、X軸に沿った側方並進運動、Y軸に沿った前後並進運動、X軸を中心にした縦揺れ回転、Y軸を中心にした横揺れ回転、そしてZ軸を中心とした片揺れ回転により、X、Y、Z軸をもつ大域座標系(GCS)の5つの自由度にて、運動学的に定義づけされる。GCSの原点は、エレベーターボックス12の幾何学的(又は質量)中心にあってもよいし或いは又その他の適切なあらゆる原点にあってもよい。座標系の選択は、任意ではないにせよ、矩形である必要はないが、これが最も論理的かつ適切であるということを理解すべきである。
【0017】
側方直線並進運動Xcは、GCS内でX軸に沿って測定され、力FYはX軸に沿って規定される。縦揺れ回転θxはGCS中のX軸を中心にして回転的に測定され、モーメントMxはX軸を中心にして規定される。横揺れ回転θyはGCS内でY軸を中心にして測定され、モーメントMYはY軸を中心にして 規定される。片揺れ回転θZはGCS中でZ軸を中心にして測定され、モーメントMzはZ軸を中心にして規定される。図2に示されている3つの矢印の各々は、それぞれの軸を中心にした正のモーメントを表わしている。(本論述ではエレベーターボックス12の測定及び動きは、Z軸に沿った並進運動に関してAMGシステムにより制御されていない、ということに留意されたい。)
さらに、各々のガイドヘッド10、20、30、40は、xi、yi、zi軸をもつそれぞれの局所的座標系LCS10、LCS20、LCS30、LCS40を有する。例えば、ガイドヘッド10は、x1軸とy1軸を有する 局所座標系LCS10を有し、図示されている通り、力FX1及び力Fy1はそれぞれこれらの軸に沿って規定されている。ガイドヘッド20は、x2軸とy2 軸をもつ局所座標系LCS20を有し、図示されている通り、力Fx2及びFy2はそれぞれこれらの軸に沿って規定される。ガイドヘッド30は、x3軸及びy3軸をもつ局所座標系LCS30を有し、図示されている通り、力Fx3及びFY3はそれぞれこれらの軸に沿って規定される。ガイドヘッド40は、x4軸及びy4軸をもつ局所座標系LCS40を有し、図示されている通り、力Fx4及びFy4はそれぞれこれらの軸に沿って規定されている。
【0018】
4つのガイドへッド10、20、30、40の各々について、その3つのそれぞれの電磁石は、それぞれの局所xi軸及びyi軸に沿って力Fx1、Fy1、Fx2、Fy2、Fx3、Fy3、Fx4及びFy4を生成する。xi軸及びyi軸に沿った局所的力が、そのそれぞれの局所座標系LCSiの原点を通って作用するという仮定がなされる。この運動学的特徴づけにおいては付加的な長さパラメータを追加することによって、磁石の位置づけによる局所的力の間の局所zi軸内のあらゆるオフセットを容易に説明することがてきるということを理解すべきである。
【0019】
局所座標系LCS10、LCS20、LCS30、LCS40は、図1に示されているような5つの長さa、b、c、d及びeに基づいてGCSに関係づけされる。長さa及びbは、X軸を中心とする縦揺れ回転θx 及びY軸を中心とする横揺れ回転θyのためのレバーアームを規定している。長さc 、d及びeは、Z軸を中心とした片揺θzのためのレバーアームを規定している。標準的なケースについては、a=b、d=e及びc=0と仮定する。
【0020】
米国出願第08/292,660号に記載されている1実施形態では、エレベーターボックス12の位置は、4つの局所座標系のうちの3つLCS10、LCS20、LCS30において測定され、協調する局所的力Fx1、Fx2、Fy1、Fy2、Fy3が同じ3つの局所座標系LCS10、LCS20、LCS30内で付加される。測定値は、GCS内の1つの所望の位置からのエレベーターボックス12の偏差及びエレベーターボックス12をGCS内の所望の位置に戻すのに必要な力を決定するのに用いられる。
【0021】
図2は、AMGエレベータシステム内で図1に示されたエレベーターボックス12の動きを制御するための、米国出願第08/292,660号に記載された協調制御装置100の1例を示す。図2では、協調制御装置100には、位置センサー110及び加速度センサー120、位置及び加速度フィードバック制御装置130、高圧電源140、磁石励磁機(マグネットドライバ:magnet driver)150及び電磁石160が含まれている。位置センサー110は、当該技術分野において既知のものであり、その一例は、本書に参考として内含されている米国特許第5,294,757号の中で図示され記述されている。位置及び加速度フィードバック制御装置130は、ガイドレールの間に心出しされた状態にボックスフレーム13を保ち、側方振動を最小限にし、これについては米国出願第08/292,660号の中で図示され記載されている。その他の位置及び加速度フィードバック制御装置も、同様に本書に参考として内含されている米国特許第5,294,757号、5,304,751号及び5,308,938号の中で図示され記載されている。
【0022】
以上で詳述した通り、図3は、図2に示されている磁石励磁機150のための既知の磁束及び電流フィードバック補償制御装置を示す。
【0023】
力推定又は位置予定式電流指令制御装置:
図4は、最も広義での本発明のブロック図を示す。図示されている通り、本発明は、AMGエレベータシステム内の力発生装置として働く電磁石160に対する電流を調節するための電流指令制御装置200を提供する。
【0024】
図4に示されている通り、電流指令制御装置200は、力推定又は位置予定式電流指令制御装置210と磁石励磁機回路(マグネットドライバ回路:magnet driver circuit)220を有する。力推定又は位置予定式電流指令制御装置210は、電流指令信号Icを提供するため、力指令信号Fdに応答し、さらに検知されたギャップ信号Gmに応答する。以下で記述するように、電流指令信号Icは、力推定式電流指令制御装置信号又は位置予定式電流指令制御装置信号のいずれかの形をとり、エレベータ昇降路(図示せず)内のガイドレール205との関係においてエレベーターボックス12(図1)を制御するべく電磁石を励磁するための磁石励磁機回路に対する電流指令を表わす。図2の位置及び加速度フィードバック制御装置130は、エレベータ昇降路(図示せず)の中でガイドレール205との関係においてエレベーターボックス(図1)を移動させるための水平力を表わす力指令信号Fdを提供する。図2の位置センサ110の1つは、エレベータ昇降路(図示せず)中のガイドレールとの関係におけるエレベーターボックス12(図1)の実際のギャップを表わす図4の測定ギャップ信号Gmを提供する。磁石励磁機回路220は、エレベータ昇降路(図示せず)の中のガイドレール(図示せず)との関係におけるエレベーターボックス12の動きを制御するべく図4内の磁石160に対して磁石励磁機回路信号を提供するため、電流指令信号Icに応答する。
【0025】
実際には、本発明は、ホール効果センサーを必要とすることなく比較的大きいエアギャップ全体にわたり作動する電磁石160により生成された双方向の力を調節するために2つの異なる制御システムを独創的な形で提供している。図5(a)、5(b)、及び6〜9は、力発生装置として働く電磁石160に対する電流を調節するべく電流指令制御装置200が磁力推定式電流指令制御装置210/300を有している実施形態を示す。図6〜8及び10〜11は、電流指令制御装置200が位置予定式電流指令制御装置210/400を有する1つの実施形態を示す。これらの実施形態は、磁石と反発表面(例えばエレベータガイドレール)の間のエアギャップがわかっている状態で発生した磁力と磁石用の指令電流の間の理想化された関係を使用する。力推定方法は、ARG及びAMGエレベータシステムにおいての既存の電流及び位置検知要素を使用することができる。しかしながら、本発明は同様に能動ローラーガイド、能動スライドガイドなどを含むあらゆるタイプの複数の能動ガイドをもつエレベータシステムに対しても応用できるということを認識すべきである。さらに、エレベータ昇降路(図示せず)の中でガイドレール205との関係においてエレベーターボックス12(図1)を制御するために電圧指令を使用することのできる実施形態が構想されていることから、本発明の範囲は、電流指令に制限されることを意図しているわけではない。
【0026】
図5:力推定式電流指令制御装置
図5aは、電流指令制御装置200が、力推定プロセッサ310、力比較器320及び力フィードバック補償プロセッサ330を含む力推定式電流指令制御装置210/300を有している本発明の一実施形態を示している。
【0027】
力推定プロセッサ310は、エレベータ昇降路内でガイドレールとの関係においてエレベーターボックス12を制御するべく水平力の推定値を表わす力推定プロセッサ信号を提供するため、ギャップセンサ110からの検知されたギャップ信号Gmに応答し、さらに、磁気電流センサ228からの検知 された又は測定された磁石励磁機電流信号Imeasに応答する。力比較器320は、当該技術分野において既知のものであり、エレベータ昇降路(図示せず)内のガイドレールとの関係においてエレベーターボックス12を制御するべく力指令信号Fdと力推定プロセッサ信号Festの比較値を表わす力誤差信号FEを提供するため、図2の位置及び加速度フィードバック制 御装置130によって提供された力指令信号Fdから力推定プロセッサ信号Festを減算する。力フィードバック補償プロセッサ330は、磁石励磁機回路220に対して電流指令Icとして力フィードバック補償プロセッサ信号を提供するため、力誤差信号FEに応答する。
【0028】
力推定プロセッサ310は、ハードウエア又はソフトウエアの形で実現できる、ソフトウエアの形で実現された場合、図6に一般的に示すような標準的なマイクロプロセッサアーキテクチャが使用される。例えば、力推定プロセッサ310は、マイクロプロセッサ(CPU)340、ランダムアクセスメモリ(RAM)342、読出し専用メモリー(ROM)344、入出力制御装置(I/O)346、そしてマイクロプロセッサ(CPU)340、ランダムアクセスメモリー(RAM)342、読出し専用メモリ(ROM)344及び入出力制御装置(I/O)346を接続するためのアドレス、データ及び制御母線(BUS)348を内含することができる。ソフトウエアの形で力推定プロセッサ310を実現することの1つの利点は、ソフトウエアプログラムを単に調節するだけで経時的に容易に更新及び適合化できるということにある。ハードウエアを用いた力推定プロセッサ310の実現については、以下で図9に関連して記述する。
【0029】
力フィードバック補償プロセッサ330は、同様に、図6に示されているような同じ又は別々のマイクロプロセッサを伴ってソフトウエアの形で実現できる。本発明の範囲は、力推定プロセッサ310又は力フィードバック補償プロセッサ330、又はそれがハードウエア又はソフトウエアのいずれで実現されるにせよその組合せの特定の何らかの実施形態に制限されるべく意図されているわけではない。
【0030】
磁石励磁機回路220は、エレベータシステム分野で既知のものであり、電流誤差比較器222、電流フィードバック補償プロセッサ224、励磁機226及び磁石電流センサー228を内含する。電流誤差比較器222は、電流誤差信号IE を提供するため、電流指令信号IC から、電磁石160に印加された測定磁石励磁機電流を表わす測定磁石励磁機電流信号Imeasを減算する。電流フィードバック補償プロセッサ224は、電流フィードバック補償プロセッサ信号IFCを提供するため、電流誤差信号IEに応答 する。励磁機226は、エレベータ昇降路内でガイドレールとの関係においてエレベーターボックス12(図1)の動きを制御するべく磁力を提供する磁石160に対し励磁機信号を提供するため、電流フィードバック補償プロセッサ信号IFCに応答する。磁気電流センサー228は、電流誤差比較器222に対して検知された又は測定された磁石励磁機電流信号Imeasを提供するため、磁石励磁機電流に応答する。図示されている通り、図5内で「使用せず」という表示は、もはや必要とされなくなった図3に示されたホール効果センサー52及び方形波成形回路54の代りに力推定式電流指令制御装置210/300が使用されることを表わしている。
【0031】
作動中、力推定プロセッサ310は、検知されたギャップ信号Gm 及び測 定された磁石励磁電流信号Imeasをとり、以下の通りの導出された等式1.0を用いて力推定プロセッサ信号を計算する。
【0032】
力=Kmag*(Ic/Gmag)2 (等式1)
なお式中、力は、ニュートン単位でスケーリングされた力を表わし、Kmag は、図12に関して以下で論述する通り一定の与えられた磁石構成についての比例定数(小さい方の前−後軸AMG磁石については100、大きい方の側方軸AMG磁石については425)を表わし、Icはアンペア単位で スケーリングされた電流指令信号を表わし、Gmagは、検知されたギャッ プ信号Gmから決定される、磁石の磁極面とガイドレールの反発表面の間のミリメートル単位でスケーリングされた実際の磁石ギャップ信号を表わす。
【0033】
図5bで示された実施形態においては、帯域幅が、検知された又は測定された磁石励磁機電流信号Imeasが電流指令信号Icに追従するように充 分高い場合、電流指令信号Icは、磁気電流センサ228からの検知された 又は測定された磁石励磁機電流信号Imeasの代りに力推定プロセッサ310 に供給される。作動中、力推定プロセッサ310 は、エレベータ昇降路中でガイドレールとの関係においてエレベーターボックス12を制御するべく水平力の推定値を表わす力推定プロセッサ信号を提供するため、フィードバック電流指令信号Ic及び検知されたギャップ信号Gmに対し応答する。その他の点では、この実施形態は設計上、図5aに関して以上で図示し記述したものに類似している。
【0034】
図7及び8:ギャップセンサー処理アルゴリズム:
図7及び8は、磁石、反発表面及び位置センサの間の標準的な物理的関係を示す。上述のとおり、AMG及びARG電磁石によって生成される力を推定するためには、各々の磁石についての磁石電流及びエアギャップ長がわかっていなければならない。磁石電流は、磁石励磁機電子部品から直ちに入手できる情報である。励磁機を実現する上では、電流制御装置の応答性を改善するべく電流フィードバックを使用することができる。電流フィードバックを使用しないシステムの場合、電流はなお、それが安全なレベルにとどまっており従って力推定技術のために利用可能であることを確実にするため、監視されなくてはならない。
【0035】
側方AMGアクチュエータギャップ:
実際の磁気ギャップ信号Gmagには、右側磁石ギャップGrs及び左側 ギャップGlsが含まれる。
【0036】
図7は、側方軸のための物理的システムの構成を示す。2つの位置センサー110a及び110bは、図2の位置センサー110の例であり、「ガイドレール間距離(DBG)」が変化する場合でさえ左右両側の磁石のためのギャップがわかっていなくてはならないことから、使用されているものである。磁石ギャップと各々の位置センサー110a及び110bの間のオフセットは、物理的に測定されなくてはならない。これは、図7に示され、左側磁石についてはLoffset、右側磁石についてはRoffsetと指定されている。測定されたオフセットLoffset及びRoffsetは、磁石及び位置センサーの取付け構成の結果であり、システムの作動に従って変化するものではない。測定された左側ギャップはGmlsである。
【0037】
左側ギャップGlsは、以下に示す等式2を用いて決定される:
Gls=Gmls −Loffset(等式2)
右側磁石ギャップGrsは、以下に示す等式3を用いて決定される。
【0038】
Grs=Gmrs −Roffset(等式3)
側方構成については、ギャップ処理アルゴリズムはいずれの側についても同一である。
【0039】
前−後AMGアクチュエータギャップ:
実際の磁気ギャップ信号Gmagは、決定すべき前方磁石ギャップGfと後方ギャップGbを内含する。
【0040】
図8は、前−後軸のための物理的システム構成を示す。前−後軸及び2つの磁石の中には1基のセンサー110cのみがあるということに留意されたい。等式1を用いた力推定には、各磁石についてのギャップ情報が必要である。ガイドレールは、本発明の範囲がいずれかの特定のタイプのガイドレールに制限することを意図されているわけではないものの、きわめて均等な3/4インチ(1.9センチメートル)の幅をもつ従来の3/4Tレールであってよい。前方及び後方磁石の間隔どりは、ガイドヘッドハードウエアによって決定される。かくして前方磁石ギャップGfと後方磁石ギャップGbの 和は、一定の合計Gtである。従って、測定上の前−後ギャップGmfbが ひとたび測定され、前方磁石ギャップGfが決定された時点で、定合計ギャップGtがわかっているため、後方磁石ギャップGbも同様に決定できる。
【0041】
側方磁石の場合と同様に、前方磁石ギャップと位置センサーギャップの間には、オフセットが存在する。このオフセットは同様に物理的に測定され、「offset」として記録されなくてはならない。位置センサー110Cは、測定上の前−後ギャップGmfbを測定し、これを示す。前方磁石ギャップのための位置センサー処理アルゴリズムは、上述の各側方磁石についてと同じである。
【0042】
前方磁石ギャップGfは、以下に示す等式4を用いて決定される:
Gf=Gmfb−offset(等式4)
前方ギャップGf及び定合計ギャップGtがわかっていることから、後方ギャップGbは以下に示すような等式5を用いて決定される:
Gb=Gt−Gf(等式5)
図9:力推定プロセッサ310のハードウエア実現
図9は、一対の磁石を駆動するための力推定値を計算するため図5の力推定プロセッサ310のハードウエア実現の詳細な回路図を示している。回路は、図示されている通り、側方についてはS/S又は前後についてはF/Bのいずれかに図9Aに示したジャンパを設定することによって前後又は側方動作のいずれに向けてでも容易に構成できるよう設計されている。
【0043】
側方ギャップ:
ジャンパは、側方位置のためにS/Sに設定される。
【0044】
左側磁石ギャップGls:
演算増幅器U1−A及びU1−Bは、等式3を用いて図7の左側磁石150aのためのギャップ情報を処理する。
【0045】
ギャップ1は、測定上の左側ギャップ信号Gmlsを表わし、図7の左側 位置センサ110aから直接提供される電圧出力である。測定上の左側ギャップ信号Gmlsは、0〜10ミリメートルのギャップに比例する0〜10 ボルトの信号を得るべくスケーリングされる。演算増幅器U1−Aは、テストポイント節点TP1における電圧が位置センサーと磁石ギャップの間の測定上のオフセットの負に等しくなるように、測定済み左側ギャップ信号Gmlsを較正するべく調整される電位差計P1を有している。演算増幅器U1 −Aからの出力は、実際の左側磁石ギャップの負−Glsを表わす。
【0046】
演算増幅器U1−Aは
−1・(Gmls+ -Loffset)
を計算する(なお式中、左オフセット電圧Loffsetは負である)総和分岐点として構成されている。さらに演算増幅器U1−Aは、ノイズを減少させるため区切り点が30Hzに設定された抵抗器R2及びコンデンサC20をもつ単極遅れフィルタを提供する。演算増幅器U1−Bは、単位利得符号変換器である。演算増幅器U1−Bの出力は、実際の左側磁石ギャップGlsを表わす。
【0047】
右側磁石ギャップGrs:
演算増幅器U1−C及びU1−Dは、等式4を用いて、図7に示されている右側磁石150bのためのギャップ情報を処理する。ギャップ2は、測定上の右側ギャップ信号Gmrsを表わし、直接右側位置センサー110bからの電圧出力である。以上で論述した較正と同様に、演算増幅器U1−Cは、テストポイント節点TP2における電圧が位置センサーと磁石ギャップの間の測定上のオフセットの負に等しくなるように、測定上の右側ギャップで信号Gmrsを較正するよう調整されている電位差計P2を有する。演算増幅器U1−Dからの出力は、実際の右側磁石ギャップGrsを表わす。
【0048】
前−後ギャップ:
前後位置については、ジャンパはF/Bに設定される。
【0049】
前方磁石ギャップ信号Gf:
演算増幅器U1−A及びU1−Bは、等式5を用いて図8に示されている前方磁石150cのためのギャップ情報を処理する。ギャップ1は、測定上の前後ギャップ信号Gmfbを表わし、位置センサー110cからの直接電圧出力である。P1の調整による較正は、上述のとおり、左側磁石150aに関して(図7)と同じである。演算増幅器U1−Bからの出力は、実際の前方磁石ギャップGfである。
【0050】
後方磁石ギャップ信号Gb :
演算増幅器U1−C及びU1−Dは、以下に示す等式5と等式6の組合せを用いて後方磁石150dのためのギャップ情報を処理する。図9の回路は、以下のとおりの等式4及び5を用いて実際の後方磁石ギャップGbを処理する:
Gf=Gmfb−offset (等式4)
及び
Gb=Gt−Gf(等式5)
等式4からの実際の前方磁石ギャップGfを等式5に代入すると、次の式が得られる:
Gt−Gb=Gmfb−offset
実際の後方磁石ギャップGbについて解を求めると、次のようになる:
Gb=−Gmfb+offset+Gt(等式6)
センサーは1台しかないことから、ギャップ2入力端は、ギャップ1入力端に接続され、これは図8の単独の前後位置センサ110Cから直接の電圧出力である。センサー出力は0〜10ミリメートルのギャップに等しい0〜10ボルトの信号を得るようにスケーリングされる。位置処理を較正するためには、節点TP2における電圧が位置センサー110Cと磁石ギャップの間の測定上の前後オフセットGmfb と定合計ギャップGtの和のマイナスに等しくなるように電位差計P2を調整する。かくして、演算増幅器U1−Cの出力は後方ギャップGbとなる。
【0051】
演算増幅器U1−Cは、等式6の実際の後方磁石ギャップGbを計算する総和分岐点として構成されている。
【0052】
さらに、演算増幅器U1−Cは、ノイズを低減させるため区切り点が30Hzに設定された抵抗器R1及びコンデンサC21をもつ単極遅れフィルタを提供する。演算増幅器U1−Dは、前後構成のために、ジャンパ離脱される(すなわち無効化される)。
【0053】
力推定回路網:
ギャップが正しく処理された時点で、AD534倍率器U2、U3、U4及びU5を用いることによって力推定値を生成する磁石について、対応する検知済み又は指令電流で、結果として得られた信号を処理しなければならない。
【0054】
上述の比例定数Kmagの一定の与えられた値については、電流検知信号 は1アンペアあたり1ボルトにスケーリングされなくてはならない。利用可能な電流検知済み信号が異なる形でスケーリングされている場合、一定の与えられたデータについて等式1を再度計算することによって比例定数Kmagをそれ相応に調整することになる。
【0055】
測定上の電流Imeasを実際の磁石ギャップGmagで除するために、 以下の伝達関数をもつAD534倍率器U2、U3、U4及びU5を用いる:
(X1−X2)*(Y1−Y2)=10*(Z1−Z2) (等式7)
なお式中、X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2は、AD534倍率器U2、U3、U4、U5のための入力を表わしている。
【0056】
X2、Y1及びZ2入力をゼロに設定することにより、等式7は次のようになる:
Y2=−10*Z1/X1 (等式8)
図9Aに示されているように、測定上の電流信号ImeasはZ1入力端へと供給され、実際の磁石ギャップ信号GmagはX1入力端へと供給され 、出力信号は次のようになる;
−10・ Imeas/Gmag
AD534倍率器U2からの出力信号は、方形波成形機能を実行するべくAD534倍率器U4へと供給される。
【0057】
(X1−X2)*(Y1−Y2)=10*(Z1−Z2) (等式7)
X2、Y2及びZ2入力をゼロに設定し信号10*I/GをX1及びY1の両方の入力端に送ると、次のものが得られる:
Z1=10* Imeas 2/Gmag 2(等式1に対するスケーリングと同等)。
【0058】
AD534倍率器U2及びU3は電流をギャップ信号で除する。AD534倍率器U4及びU5はそれらの入力信号を方形波成形するように構成されている。演算増幅器U6−Aは、チャンネル1に対する力推定値を逆転させ、演算増幅器U6−Bは、正の信号が前方(又は左側)磁石の力を表わし、負の信号が後方(又は右側)磁石の力を表わすような形で、2本のチャンネルを加算する。演算増幅器U6−Bは同様に、30Hzでの著しい位相損失なくノイズを低減させるべく区切り点が300Hzに設定された抵抗器R23及びコンデンサC22をもつ一次遅れフィルターとして構成されている。演算増幅器U6−Bは同様に、以下で説明するように出力をスケーリングする。
【0059】
等式1は、図2に示されている2つの異なるAMG磁石160についての100又は425という比例定数Kmagに対するニュートン単位の力を決定する。力フィードバックループのためには、ニュートン単位の力を妥当な所定の電圧範囲にスケーリングしなければならない。前−後磁石は約650ニュートンを生成することから、妥当な出力電圧は6.5ボルトであると考えられる。この場合、比例定数Kmagは1となり、演算増幅器U6−Bは1という利得に設定されることになる。側方磁石は1300ニュートンを生成する。出力が6.5ボルトにスケーリングされると、そのとき側方磁石のための比例定数Kmagは425/200又は2.125となる。この場合 、演算増幅器U6−Bは、2.125の利得に設定されることになる。演算増幅器U6−Cはこの信号を反転させ、それを図5の力推定プロセッサ310からの力推定プロセッサ信号として提供する。
【0060】
図10−11:位置予定式電流指令制御装置400
図10は、電流指令制御装置200が、ハードウエア又はソフトウエアの形で実現されうる位置予定式電流指令制御装置210/400を有する本発明の1つの実施形態を示している。本発明の範囲は、位置予定式電流指令制御装置400のいずれかの特定の実施形態又はそれがハードウエア又はソフトウエア又はその組合せのいずれで実現されるかということに制限されるよう意図されてはいない。
【0061】
図10に示されている実施形態においては、位置予定式電流指令制御装置400は図6に示されているものに類似したマイクロプロセッサアーキテクチャを用いてソフトウエアの形で実現されている。
【0062】
図10では、位置予定式電流制御装置210/400は、最高レベル制御装置(すなわち外部位置及び/又は加速度ループ)からの力指令信号Fd及び対象の磁石対のギャップセンサー110からフィードバックされた検知ギャップ信号Gmに応答し、磁石励磁機回路220に対する電流指令Icとして位置予定式電流制御装置信号を決定し且つ提供するべく等式1を使用する。位置予定式電流制御装置210/400は、上述のように、検知ギャップ信号Gmから実際の磁石ギャップ信号Gmagを決定しなければならない。
【0063】
同様に上述のとおり、磁石励磁機回路220はエレベータシステムの技術分野において既知のものであり、図5に関して上述したものと類似している。
【0064】
作動中、位置予定式電流指令制御装置210/400は、力指令信号Fd及び検知ギャップ信号Gmを受信し、磁石励磁機回路220の電流出力が磁石指令信号Icを精確に追従することを必要とする1つの技術を用いて、磁石励磁機回路200に対する電流指令Icとして位置予定式電流指令制御を生成する。制御方法には、以下の段階が含まれる:
ステップ1:付勢すべき磁石を決定する。所望の力の要請の合図に基づいて、付勢すべき適切な電磁石を決定することができる。例えば、正の力は前方又は右側の磁石を付勢することを指示し、一方負の力は、後方又は左側磁石を付勢することを指示する。
【0065】
ステップ2:実際の磁石ギャップGmagを決定する。
【0066】
測定ギャップセンサーから、ステップ1で識別された特定の磁石のための実際の磁石ギャップGmagが何かを決定する。この位置センサの処理は、ギャップセンサー処理アルゴリズムの図6及び7に関する以上の論述中で概略的に記したものと同じ手順に従う。
【0067】
ステップ3:磁石のための指令電流を決定する。
【0068】
ステップ(1)及び(2)に基づいて、等式1の理想化されたモデル及び経験的に導出された磁石比例定数Kmagを用いて全ての磁石についての指令電流を決定する。すなわち、
IC =平方根(Fd/Kmag)*Gmag
なお、この位置予定式電流指令制御装置210/400のためのソフトウエアコードは、参照として本願とともに提出されている。
【0069】
図11は、図2の参照番号130に対応する位置及び加速度フィードバック制御装置300、図8の磁石150c、150d、図8の位置センサー110C及び図10中の磁石励磁機回路200に類似した磁石励磁機500と組合わされた位置予定式電流指令制御装置210/400を示している。図示されている通り、磁石励磁回路500は、位置予定式電流指令を表わす電流指令信号ICに応答し、エレベーターボックス(図示せず)の前後制御の ため、磁石150c、150dに対し磁石励磁機信号を提供する。磁石励磁機回路500は、一対のダイオード502、504、同時にバイアスされる2つの比較器508、510、遅れフィルター512、514、増幅器516、518及び、遅れフィルター512、514に対して左側の前後信号Ifbをフィードバックするための節点520、522を内含する。
【0070】
図12:
図12は、等式1を導出するのに使用された側方AMG磁石のグラフを示す。
【0071】
一般に、図7と図8の2つの異なる磁石構成は、磁石をエレベータガイドレール(反発表面)から固定した距離のところに静的関係で保持するテスト用リグの中でテストされた。磁石が直流電流で付勢されている間にホール効果センサーを用いて磁界を又精密ロードセルを用いて生成された力を測定するため取付け具が装備された。2ミリメートルの増分で2〜10ミリメートルのギャップについて、及び2アンペアの増分で0〜20アンペアの電流について実験を行なった。データを分析し、曲線のあてはめによって力と電流及びギャップの関係の経験的モデルを導出した。図12は導出された等式1すなわち
力=Kmag*(Ic/Gmag)2
のモデルを用いた1組のデータのグラフを提供している。なおこの式中、力はニュートン単位でスケーリングされた力信号を表わし、Kmagは一定の 与えられた磁石構成についての比例定数を表わし(小さい方の前後軸AMG磁石については100、大きい方の側方軸AMG磁石については425)、ICは、アンペア単位でスケーリングされた所望の力補償済み電流指令信号を表わし、Gmag(前述でGmeasとしても記されている)は、ミリメートル単位でスケーリングされた磁極面と反発表面の間の実際の磁石ギャップを表わす。
【0072】
電磁石の定格力限界内で、2〜10ミリメートルのギャップ範囲及び0〜20アンペアの間の磁石電流範囲について、等式1は、ロードセルで測定された力から10%未満の範囲内の生成された力をモデリングしている。図12中のプロットは、6ミリメートルのエアギャップで作動する1300ニュートンの側方AMG磁石についてのものである。図12の星印「*」は、電流測定が行なわれた場所を示す。これらのケースは両方共、システムの通常の作動範囲の外にある。電流及びギャップを用いたこの推定誤差は、ホール効果センサーで導出された力の推定に付随する誤差と比較可能なものである。これらの力誤差は、この内部力ループのまわりに閉じられた(ギャップ検知及び/又は加速信号に基づく)外部フィードバックループをもつ能動的エレベータサスペンションシステムにおいては、ほんのわずかなものである。
【0073】
発明の範囲
かくして、上述の目的及び記述から明らかなごとく目的が効率良く達成され、発明の範囲から逸脱することなく上述の構成に変更を加えることができることから、上記記述の中に含まれている本項及び添付図面に示されている全ての事項はこれらに制限されるものではなく例示的なものとして解釈すべきことが理解できるであろう。
【0074】
それぞれ図2及び11の位置及びフィードバック制御装置130、300が例えば米国出願第08/292,660号に示された「学習済みレール(learned-rail) 」アプローチ、又は米国特許第5,294,757:5,30 4,751及び5,308,938号に開示されているものに従って、ここで示されたもの以外の形をとることもできる、ということを認識すべきである。
【0075】
その他の応用分野としては、大きいエアギャップを横断しての力を生成するために電磁石を使用するあらゆるシステムが含まれる。電磁石の力は引力であっても斤力であってもよい。磁気浮揚式列車又はシャトルの分野及び磁気軸受の分野で、特定的な応用分野が構想されている。
【0076】
同様に、冒頭の請求項は、本書で記述された本発明の包括的及び特定的な特徴の全て及び言葉上本発明の範囲内に入る可能性のあるこの範囲に関する全ての供述を網羅することを意図されたものである、ということも理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】AMGエレベータシステム内でガイドレールとの関係において移動するエレベーターボックスの概略図。
【図2】ガイドレールとの関係における図1のエレベーターボックスの動きを制御するための回路のブロック図。
【図3】既知の磁石励磁機におけるの既知の磁束及び電流フィードバック補償制御装置のブロック図。
【図4】本発明の電流指令制御装置200のブロック図。
【図5】図4内の電流指令制御装置200の1つの実施形態である力推定式電流指令制御装置210/300の実施形態のブロック図。
【図6】図5の力推定式電流指令制御装置210/300のためのマイクロプロセッサアーキテクチャーのブロック図。
【図7】AMGエレベータシステムのための側方構成の概略図。
【図8】AMGエレベータシステムのための前後構成の概略図。
【図9】図5中の力推定プロセッサ310のハードウエア実施形態の概略図。
【図10】図5中の力推定プロセッサ310のハードウエア実施形態の概略図。
【図11】図4中の電流指令制御装置200のもう1つの実施形態である位置予定式電流指令制御装置210/400のブロック図。
【図12】図10に示されている位置予定式電流指令制御装置210/400と図2に示されている協調された制御装置100のブロック図。
【図13】側方AMG磁石の性能グラフ。
Claims (11)
- エレベータ昇降路内のガイドレールに対するエレベーターボックスの水平の動きをエレベーターボックスの電磁石によって制御するためのエレベータシステムにおいて、
所望の力指令信号に応答し、さらには検知したギャップ信号に応答して、力推定又は位置予定式電流指令制御装置信号を提供する、力推定又は位置予定式電流指令制御装置であって、前記力指令信号は、前記電磁石の磁極面とガイドレールとの間の磁束を検知することなく検知した位置フィードバック制御情報を含むとともに、検知した加速フィードバック制御情報を含み、前記ギャップ信号は、エレベーターボックスの電磁石とガイドレールとの間の実際のギャップに関する情報を含む、力推定又は位置予定式電流指令制御装置と、
エレベータ昇降路内のガイドレールに対するエレベーターボックスの水平の動きを制御するべく磁石励磁機回路信号を提供するための、前記力推定又は位置予定式電流指令制御装置信号に応答する磁石励磁機回路と、
を含み、
前記力推定又は位置予定式電流指令制御装置は、
前記の検知されたギャップ信号に応答し、更には検知された磁石励磁機電流信号に応答して、力推定プロセッサ信号を提供する、力推定プロセッサと、
前記力推定プロセッサ信号に応答し、更には力制御信号に応答して、力比較器信号を提供する、力比較器と、
前記力比較器信号に応答し、前記磁石励磁機回路に対し電流指令として力フィードバック補償プロセッサ信号を提供する、力フィードバック補償プロセッサと、
を含む、エレベータシステム。 - 前記力推定プロセッサがハードウエアと共に実現され、さらに、
演算的に増幅されたギャップ信号を提供するための、検知されたギャップ信号に応答する第1の演算増幅器と、
倍率器回路信号を提供するための、演算的に増幅されたギャップ信号に応答し、更には検知された磁石励磁機電流信号に応答する倍率器回路と、
力比較器に対して第2の演算的に増幅され増倍された信号を提供するための、倍率器回路信号に応答する第2の演算増幅器と、
を含む請求項1に記載のエレベータシステム。 - 前記力推定又は位置予定式電流指令制御装置は、磁石励磁機回路に対して電流指令として位置予定式電流指令制御信号を提供するための、力指令信号応答し、更には検出されたギャップ信号に応答する位置予定電流指令制御装置である請求項1に記載のエレベータシステム。
- 前記磁石励磁機回路はさらに、
電流誤差信号を提供するための、電流指令を表わす力推定又は位置予定式電流制御信号に応答し、更には検知された磁石励磁機電流信号に応答する電流誤差比較器と、
電流フィードバック補償プロセッサ信号を提供するための、電流誤差信号に応答する電流フィードバック補償プロセッサと、
エレベータ昇降路内のガイドレールとの関係においてエレベーターボックスの前記水平運動を制御するべく磁力を提供する磁石に対し励磁機回路信号を提供するための、電流フィードバック補償プロセッサ信号に応答する励磁機回路と、
電流誤差比較器に対して検知磁石励磁機電流信号を提供するための、励磁機回路信号に応答する電流センサーと、
が含まれている請求項1に記載のエレベータシステム。 - 前記力指令信号が、エレベータ昇降路内のガイドレールとの関係におけるエレベーターボックスの指令された水平運動を表わしている請求項1に記載のエレベータシステム。
- 前記検知されたギャップ信号が、エレベータ昇降路内のガイドレールとの関係におけるエレベーターボックスの実際のギャップを表わしている請求項1に記載のエレベータシステム。
- 前記力推定又は位置予定式電流指令制御装置信号が、エレベータ昇降路内のガイドレールとの関係におけるエレベーターボックスの前記水平運動を制御するための力推定又は位置予定式電流指令を表わしている、請求項1に記載のエレベータシステム。
- 前記磁石励磁機回路信号が、エレベータ昇降路内のガイドレールとの関係におけるエレベーターボックスの水平運動を制御するべく磁力を生成するように磁石を励磁するための電流を表わしている請求項1に記載のエレベータシステム。
- エレベータ昇降路内のガイドレールに対するエレベーターボックスの水平の動きを制御するためのエレベータシステムにおいて、
力指令信号に応答し、さらには検知したギャップ信号に対して応答して、力推定又は位置予定式電流指令制御装置信号を提供する、力推定又は位置予定式電流指令制御装置と、
エレベータ昇降路内のガイドレールに対するエレベーターボックスの水平の動きを制御するべく磁石励磁機回路信号を提供するための、力推定又は位置予定式電流指令制御装置信号に応答する磁石励磁機回路と、
を含み、
前記力推定又は位置予定式電流指令制御装置は、
前記の検知されたギャップ信号に応答し、更には検知された磁石励磁機電流信号に応答して、力推定プロセッサ信号を提供する、力推定プロセッサと、
前記力推定プロセッサ信号に応答し、更には力制御信号に応答して、力比較器信号を提供する、力比較器と、
前記力比較器信号に応答し、前記磁石励磁機回路に対し電流指令として力フィードバック補償プロセッサ信号を提供する、力フィードバック補償プロセッサと、
を含む、エレベータシステム。 - ガイド部材に沿って垂直に動くように構成されたエレベータボックスの前記ガイド部材に対する水平の動きを制御するためのシステムにおいて、
所望の力指令信号に応答し、さらには検知したギャップ信号に応答して、力推定又は位置予定式電流指令制御装置信号を提供する、力推定又は位置予定式電流指令制御装置であって、前記力指令信号は、位置および加速のフィードバック制御情報を含み、前記ギャップ信号は、前記エレベータボックスと前記ガイド部材との間の実際のギャップに関する情報を含む、力推定又は位置予定式電流指令制御装置と、
前記力推定又は位置予定式電流指令制御装置信号に応答し、前記ガイド部材に対する前記エレベータボックスの水平の動きを制御するべく磁石励磁機回路信号を提供する磁石励磁機回路と、
を含み、
前記力推定又は位置予定式電流指令制御装置は、
前記の検知されたギャップ信号に応答し、更には検知された磁石励磁機電流信号に応答して、力推定プロセッサ信号を提供する、力推定プロセッサと、
前記力推定プロセッサ信号に応答し、更には所望の力制御信号に応答して、力比較器信号を提供する、力比較器と、
前記力比較器信号に応答し、前記磁石励磁機回路に対し電流指令として力フィードバック補償プロセッサ信号を提供する、力フィードバック補償プロセッサと、
を含み、
これにより、電磁石の磁束を検出することなく前記エレベータボックスの水平方向の動きを制御するシステム。 - 前記力推定又は位置予定式電流指令制御装置が、磁石励磁機回路に対して電流指令として位置予定式電流指令制御信号を提供するための、力指令信号に応答し、更には検知されたギャップ信号に応答する位置予定式電流指令制御装置である請求項10に記載のシステム。
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