JP6325924B2 - エレベーター制御装置 - Google Patents

Description

本発明はエレベーターの制御装置に関する。

エレベーターのかごの上下移動は、ロープ及びロープのかかるシーブをモータにより駆動することで行われる。このとき、かごの上下移動を行うため、モータに速度を検出するためのエンコーダを設けて、位置及び速度制御することが一般的に行われている。このとき、モータの回転を検出するエンコーダと、エンコーダを取り付ける軸の間に偏心があると、エンコーダにより検出される位置及び速度情報に誤差が生じるため、正しく速度制御が行われなくなり、かごに上下振動が発生する。かごに上下振動が発生すると、乗り心地が損なわれるため、この上下振動を抑制するために取り付け精度を向上させる取り組みが行われるが、調整に時間を要すことや、作業者の技術に依存する部分があることから、制御的及び機械的に偏心の影響を小さくする取り組みが行われている。

上記のような偏心による課題を解決する方法として、たとえば特開２００３−２６９５２８号公報（特許文献１）に記載されるような方法がある。

特許文献１では、エレベーターに用いられるシーブの動的アンバランス及び偏心によってエレベーターシステム全体に生じる上下方向の加振力を相殺する発明が開示されている。この発明では、回転検出手段の出力信号を回転角変換部及び角速度変換部において回転角と角速度に変換し、第１の正弦演算部において前記回転角と位相調整部からの所定の位相角を第１の加算器で加算して得られる角度の正弦値を演算し、第１の正弦演算部の出力に所定のゲインを乗じる第１のゲイン調整部の出力と前記角速度の平方を演算する第１の乗算器の出力との積を第２の乗算器で演算するとともに、第２の正弦演算部の出力に第２のゲイン調整部で所定のゲインを乗じ、第２の乗算器及び第２のゲイン調整部のそれぞれの演算結果を第２の加算器でトルク指令演算部の出力に加える。第２の乗算器での演算結果である第１の正弦値は、シーブの動的アンバランスによって生じる加振力を相殺するために用いられる。また、第２のゲイン調整部の演算結果である第２の正弦値は、シーブの偏心によって生じる加振力を相殺するために用いられる（要約参照）。

特開２００３−２６９５２８号公報

特許文献１に記載のものは、トルク制御系に、エンコーダによる偏心とは逆相の正弦波を注入することで、シーブ等の回転体における動的アンバランス及び偏心の影響を打ち消す方法が開示されている。

しかしながら特許文献１の方法には以下の課題が存在する。エンコーダの偏心による検出誤差は、モータの機械的な回転と同期した正弦波となるが、実際には取り付けたエンコーダの取り付け精度が不明であり、かつ検出するためのスリットの位置も不明である。このため、逆相の正弦波を注入するためには、振幅成分と位相成分の同定が必要となり、この調整に時間を要するという課題がある。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、特に、作業員による調整作業を必要とすることなく、エンコーダの偏心による影響を自動で低減することにある。

上記課題を解決するため、本発明のエレベーター制御装置は、
乗りかごとおもりとをロープでつなぎ、ロープを巻き付けた綱車をモータで駆動して乗りかごを昇降させるエレベーターに用いられ、モータに取り付けられた第一のパルス発生装置から出力されモータの回転速度情報を含む第一のパルス信号を用いてモータの回転を制御するエレベーター制御装置において、
前記第一のパルス信号よりもパルス間隔が長い第二のパルス信号を発生する第二のパルス発生装置と、前記第一のパルス信号のパルス間隔からモータの回転に関する第一の速度を検出するパルス幅速度検出部と、モータの回転と同期してモータの回転に関する第二の速度を検出する同期速度検出部と、前記第一の速度と前記第二の速度とに基づいて前記第一の速度に含まれる速度誤差成分における第一の制御量である振幅成分及び第二の制御量である位相成分を同定するノイズ信号同定部と、を備え、
前記ノイズ信号同定部で同定した前記速度誤差成分に基づいて前記第一の速度を補正する。

本発明によれば、エレベーター制御装置は、エンコーダの偏心により発生する速度検出の誤差成分に対し補正を行うための第一の制御量である振幅成分と第二の制御量である位相成分とを自動で検出し補正処理を行うことができる。このため、振幅成分と位相成分を同定するための調整作業の必要がなく、エンコーダの偏心によるエレベーターの上下振動を低減することが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係るエレベーター制御装置の速度制御系を示す構成図である。 本発明に係り、パルス幅速度検出部で検出される速度ω_１（ａ）と、磁極位置検出センサ６から出力されるパルス信号（ｂ）と、エンコーダ５から出力されるパルス信号（ｃ）との関係を示す図である。 本発明に係るパルス幅速度検出部の構成を示すブロック図である。 本発明に係る回転同期速度検出部の構成を示すブロック図である。 本発明に係る振幅検出部の構成を示すブロック図である。 本発明に係る位相検出部１３の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１に、本発明に係るエレベーター制御装置の速度制御系の構成図を示す。エレベーターは、建屋に形成された昇降路内を複数の階床間に跨って移動する乗りかごがロープを介しておもりに接続されている（機械系モデル４）。乗りかごの移動は、電動機３によって綱車が駆動されることにより行われる。電動機（モータ）３は、電力変換器２によって駆動用の電力の供給が行われ、かごを停止するときに使用されるブレーキ（図示せず）によって制動される。

電動機３には、エンコーダ５と磁極位置検出センサ６とが設けられている。エンコーダ５は電動機３の回転速度に応じた時間間隔でパルス信号を出力する。磁極位置検出センサ６は電動機３の磁極位置を検出するために用いられ、電動機３の回転子が１８０度回転する毎に反転するパルス信号を出力する。

速度制御器（速度制御部）１は、電動機３の回転を検出するためのエンコーダ５により検出された速度と、速度指令ω^＊との差分ω_errorをゼロに近付けるように制御する。通常、この制御は比例積分制御が用いられる。エンコーダ５により出力されるパルス信号はパルス幅速度検出部７に入力され、パルス幅速度検出部７はこのパルス信号のパルス間隔（時間）を計測することにより、電動機３の回転速度ω_１が検出される。

エンコーダ５に偏心などが無い場合、回転速度ω_１がフィードバックされ、加算器８に入力される。加算器８で速度指令ω^＊と回転速度ω_１との差分ω_errorが演算され、速度制御部１に入力される。速度制御部１は差分ω_errorをゼロに近付けるようにトルク指令値τ^＊を演算し、電力変換器２に向けて出力する。電力変換器２はトルク指令値τ^＊を受けてトルク指令値τ^＊に応じた励磁電流τ_ｍを電動機３に供給する。

パルス幅速度検出部７で検出される回転速度ω_１は、以下の式１で表される。
ω_１＝（（π・Ｒ）／Ｅ）／Δｔ_１ （式１）
ここで、Ｒはエンコーダの直径、Ｅはエンコーダ５の分解能、Δｔ_１は１パルスの測定時間を示す。エンコーダ５の直径Ｒ及び分解能Ｅは設計情報として既知であるため、１パルスあたりの距離（π・Ｒ）／Ｅが分かっており、１パルスあたりの時間Δｔ_１を測定することで、回転速度情報ω_１を得ることができる。

図２に、パルス幅速度検出部７で検出される回転速度ω_１（ａ）と、磁極位置検出センサ６から出力されるパルス信号（ｂ）と、エンコーダ５から出力されるパルス信号（ｃ）とを示す。図２（ｃ）に示すように、電動機３の回転子が１回転する間に、エンコーダ５からはＥ個のパルスが出力される。１パルスあたりの時間Δｔ_１はパルス間隔（時間）に相当する。

図３に、パルス幅速度検出部７の構成をブロック図で示す。パルス幅速度検出部７は、計時部７Ａとパルス幅速度演算部７Ｂとを備える。計時部７Ａは、エンコーダ５から出力されるパルス信号（パルス列）に基づいて、パルス間隔（時間）Δｔ_１を検出（計測）する。パルス幅速度演算部７Ｂは、計時部７Ａで検出された時間Δｔ_１に基づいて、式１を用いて回転速度ω_１を算出する。エンコーダ５の直径Ｒ及び分解能Ｅは図示しないメモリに記憶されたデータを読み出して使用する。

しかし、エンコーダ５に偏心があった場合、パルス幅速度検出部７により検出される回転速度ω_１には、以下の式２で示す検出誤差Δωが発生する。

Δω＝Ｐ・ω・sin(ω・t＋φ) （式２）
ここで、ωはモータの回転速度、Ｐは定数、φは位相を示す。Ｐはエンコーダの偏心量によって変わる定数であり、取り付け精度が高いほど小さい。また、φは偏心成分の位相のずれを示し、これも取り付け状況によって変わるものである。

式２のΔωは速度検出誤差として速度フィードバック信号に乗ってフィードバックされるため、これを打ち消す手段として破線部１６の速度誤差キャンセル部を設けている。制御ブロック９は第１の制御量であるＡと第２の制御量であるφに基づき、正弦波を作成するブロック（正弦波生成ブロック）である。また制御ブロック９中のω_ｒｍｔは、モータの時間あたりの回転角度を表しており、パルス幅速度検出部７にて検出される回転速度ω_１を積分ブロック１５にて積分することで計算が行われる。

ノイズ信号同定部（速度誤差成分同定部）１０は、エンコーダ偏心による速度検出誤差である式２の振幅Ａ（＝Ｐ・ω）成分と位相φ成分を同定する部分である。ノイズ信号同定部１０は、パルス幅速度検出部７と回転同期速度検出部１１と振幅検出部１２と位相検出部１３とで構成されている。まず、振幅Ａ成分の同定方法について説明する。

振幅Ａの同定は、速度検出特性の異なる２つの速度検出方法を用いて行う。まず、パルス幅速度検出部７は、エンコーダ５のパルス間隔の時間を測定することで速度を検出する。この方法では、エンコーダの分解能が大きい場合は精度の良い速度情報ω_１を制御周期毎に検出することができる。一方でエンコーダ５の偏心の影響を受けやすく、式２で示す速度検出誤差Δωが生じる。なお、パルス幅速度検出部７では、エンコーダ５のパルス間隔（時間）Δｔ_１に基づいて、式１を用いて回転速度ω_１を算出する。

回転同期速度検出部１１は、エンコーダ５が一回転したときに速度を検出する。この方法では、一回転する毎に速度を検出するため、回転に起因するエンコーダの偏心の影響を受けない。しかしながら、エレベーターの電動機３の回転速度は通常１〜４Ｈｚと遅く、検出する周期（サンプリング周期）が長くなるため、速度制御にそのまま適用するには不適である。回転同期速度検出部１１により検出される速度ω_２は、以下の式３で表される。
ω_２＝（π・Ｒ）／Δｔ_２ （式３）
図４に、回転同期速度検出部１１の構成をブロック図で示す。回転同期速度検出部１１は、計時部１１Ａと回転同期速度演算部１１Ｂとを備える。計時部７Ａは、エンコーダ５から出力されるパルス信号（パルス列）に基づいて、電動機３の回転子が一回転するのに要する時間Δｔ_２（図２（ｃ）参照）を検出（計測）する。回転同期速度演算部１１Ｂは、計時部１１Ａで検出された時間Δｔ_２に基づいて、式３を用いて回転速度ω_２を算出する。エンコーダ５の直径Ｒは図示しないメモリに記憶されたデータを読み出して使用する。

ここで、パルス幅速度検出部７と回転同期速度検出部１１とのそれぞれの検出方法に誤差がない場合は、ω_１＝ω_２となる。しかし、パルス幅速度検出部７による検出方法では、検出した回転速度ω_１に、エンコーダ偏心による速度検出誤差（式２）がある。このため、式４に示すように、パルス幅速度検出部７で検出した回転速度ω_１と回転同期速度検出部１１で検出した回転速度ω_２との差分をとることで、エンコーダ偏心による速度検出誤差成分のみを抽出できる。
ω_１−ω_２＝Ｐ・ω・sin(ω・t＋φ) （式４）
速度検出誤差のない回転速度ωは回転同期検出１２により既知である。また、エンコーダ偏心を打ち消すための第１の制御量である振幅Ａ（＝Ｐ・ω）は、式４の波形データから検出することができる。

図５に、第１の制御量である振幅Ａを検出する振幅検出部１２の構成をブロック図で示す。振幅検出部１２は加算器１２ＡとPeak-to-Peak（ピーク・ツー・ピーク）検出部１２Ｂと乗算部１２Ｃとを備えている。加算器１２Ａは、パルス幅速度検出部７で検出した回転速度ω_１から回転同期速度検出部１１で検出した回転速度ω_２を減算する。Peak-to-Peak検出部１２Ｂは、加算器１２Ａから出力される波形データ（波形値）を少なくとも一周期分記憶する。さらに、記憶したデータの中から最大値と最小値とを検出して、最大値と最小値との差分（波形のピーク・ツー・ピーク値）を算出する。乗算部１２Ｃは、Peak-to-Peak検出部１２Ｂで算出された波形のピーク・ツー・ピーク値に１／２を乗算して、振幅値を算出する。

次に、第２の制御量である位相成分の同定方法について、説明する。位相φは、位相検出部１３により検出される。位相検出部１３は、電動機３に取り付けた磁極位置検出センサ６と、パルス幅速度検出部７により検出された速度情報ω_１を利用して、位相φを検出する。図２の（ａ）（ｂ）は、このパルス幅速度検出部７により検出された速度検出波形と磁極位置検出センサ６により検出された波形の関係を示している。図２中では、磁極位置検出センサ６はモータの機械的な角度が１８０度回転するたびに出力を反転するセンサとなっているが、この出力が反転する角度は任意でよい。また、機械的に固定された位相を示す信号が得られれば、磁極位置検出センサ６に限らず、その他のセンサを用いてもよい。この時の位相φは、以下の式で計算される。
φ＝arcsin(ω_180°/ω_max) （式５）
このとき、位相φは解を二つ示すので、パルス幅速度検出部７により検出される速度検出波形が上に凸であるか、下に凸であるかで位相φを決定する。

図６に、第２の制御量である位相φを検出する位相検出部１３の構成をブロック図で示す。位相検出部１３はPeak（ピーク）検出部１３Ａと固定位相波形値検出部１３Ｂと位相演算部１３Ｃとを備えている。Peak検出部１３Ａは、パルス幅速度検出部７により検出された速度検出波形から最大値（ピーク値）ω_maxを検出する。最大値ω_maxの検出は、図５のPeak-to-Peak検出部１２Ｂで説明したのと同様に、波形データを記憶し、記憶したデータの中から最大値を検出することにより、実行することができる。固定位相波形値検出部１３Ｂは、磁極位置検出センサ６の出力で決められる固定位相における波形値ω_180°を検出する。位相演算部１３Ｃは、最大値ω_maxと波形値ω_180°とに基づいて、式５を用いて位相φを算出する。

上述したように、本実施形態では、ノイズ信号同定部１０は、パルス幅速度検出部７で検出される第一の速度ω_１と回転同期速度検出部１１で検出される第二の速度ω_２とに基づいて、第一の速度ω_１に含まれる速度誤差成分の振幅Ａを検出する振幅検出部１２と、機械的に固定された位相でパルス幅速度検出部７から得られる第一の速度ω_１とパルス幅速度検出部７から得られる第一の速度ω_１の最大値とに基づいて速度誤差成分の位相φを検出する位相検出部１３とを備える。そして、ノイズ信号同定部１０において、速度誤差成分として振幅Ａと位相φとを有する正弦関数又は余弦関数を同定し、同定した正弦関数又は余弦関数に基づいて算出される誤差成分を第１の速度ω_１から減算して第一の速度を補正する。これにより、エンコーダ５の偏心によって発生する誤差成分をキャンセルすることができる。

式２及び式４では、正弦関数を用いて説明したが、位相φを補正することにより余弦関数を用いることも可能である。

再び図１に戻って説明する。振幅検出部１２で検出された振幅Ａと位相検出部１３で検出された位相φは、制御ブロック９に入力される。制御ブロック９では、式２及び式４に基づいて、エンコーダ５の偏心による速度検出誤差をキャンセルするための正弦波が生成される。制御ブロック９で生成された正弦波は加算器１４でパルス幅速度検出部７により検出された回転速度ω_１から減算される。これにより、エンコーダ５の偏心による速度検出誤差がキャンセルされた回転速度をフィードバックすることができる。

上述した実施例によれば、モータ（３）に取り付けられた第一のパルス発生装置（５）と、第一のパルス発生装置（５）より出力パルス間隔が長い第二のパルス発生装置（６）と、第一のパルス発生装置（５）のパルス幅間隔から速度を検出するパルス幅速度検出部（７）と、モータ（３）の回転と同期して速度を検出する同期速度検出部（１１）と、前記２種類の速度検出部で検出される速度情報と第二パルス発生装置（６）で出力されるパルス信号とを用いて第一の制御量である振幅及び第二の制御量である位相を決定するノイズ信号同定部（１０）と、ノイズ信号同定部（１０）の演算結果に基づいてパルス幅速度検出部（７）により検出された速度値を補正することを特徴としたエレベーター制御装置が実現される。このエレベーター制御装置は、エンコーダの偏心により発生する速度検出誤差に対して補正を行うための第一の制御量である振幅及び第二の制御量である位相を、自動で検出して補正処理を行うことができる。このため、調整作業の必要がなく、エンコーダの偏心による上下振動を低減することが可能となる。なお、括弧付きで付した符号は、上述した実施例で対応する構成を示す。

上述した速度制御器１、パルス幅速度検出部７、回転同期速度検出部１１、振幅検出部１２、位相検出部１３及び速度誤差キャンセル部１６は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路及びタイマ回路などのコンピュータシステム全体を半導体チップに集積して搭載したマイクロコンピュータを用いて、構成することができる。この場合、各処理部の機能を実行するためのプログラムやデータがメモリ或いは外部記憶装置に記憶される。

また、上述の実施例では電動機３の回転速度を用いて説明したが、電動機３の回転速度を綱車の周速やその他の速度に変換して用いてもよい。電動機３の回転速度、綱車の周速及び電動機３の回転速度から変換されるその他の速度情報を含んで、モータの回転に関する速度と呼ぶ。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…速度制御器、２…電力変換器、３…電動機（モータ）、５…エンコーダ、６…磁極位置検出センサ、７…パルス幅速度検出部、８…加算器、９…正弦波生成ブロック、１０…ノイズ信号同定部、１１…回転同期速度検出部、１２…振幅検出部、１３…位相検出部、１４…加算器、１５…積分器、１６…速度誤差キャンセル部。

Claims (3)

1. 乗りかごとおもりとをロープでつなぎ、ロープを巻き付けた綱車をモータで駆動して乗りかごを昇降させるエレベーターに用いられ、モータに取り付けられた第一のパルス発生装置から出力されモータの回転速度情報を含む第一のパルス信号を用いてモータの回転を制御するエレベーター制御装置において、
   前記第一のパルス信号よりもパルス間隔が長い第二のパルス信号を発生する第二のパルス発生装置と、前記第一のパルス信号のパルス間隔からモータの回転に関する第一の速度を検出するパルス幅速度検出部と、モータの回転と同期してモータの回転に関する第二の速度を検出する同期速度検出部と、前記第一の速度と前記第二の速度とに基づいて前記第一の速度に含まれる速度誤差成分における第一の制御量である振幅成分及び第二の制御量である位相成分を同定するノイズ信号同定部と、を備え、
   前記ノイズ信号同定部で同定した前記速度誤差成分に基づいて前記第一の速度を補正することを特徴とするエレベーター制御装置。
2. 請求項１に記載のエレベーター制御装置において、
   前記ノイズ信号同定部は、前記速度誤差成分の前記振幅成分を検出する振幅検出部と、機械的に固定された位相で前記パルス幅速度検出部から得られる前記第一の速度と前記第一の速度の最大値とに基づいて前記速度誤差成分の前記位相成分を検出する位相検出部と、を備えたことを特徴とするエレベーター制御装置。
3. 請求項２に記載のエレベーター制御装置において、
   前記第一のパルス発生装置はエンコーダであり、
   前記速度誤差成分は前記エンコーダの偏心によって発生する誤差成分であり、
   前記速度誤差成分として前記振幅成分と前記位相成分とを有する正弦関数又は余弦関数を同定し、同定した前記正弦関数又は前記余弦関数に基づいて算出される前記速度誤差成分を前記第一の速度から減算して前記第一の速度を補正することを特徴とするエレベーター制御装置。

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