JPWO2008072315A1 - エレベータ装置 - Google Patents

Abstract

エレベータ装置においては、かごの横振動に対する制振力を発生するアクチュエータが、かごの横振動を防振する弾性体に対して並列に設けられている。アクチュエータは、制振制御部により制御される。制振制御部は、かごの横振動の固有振動数を推定し、推定された固有振動数と弾性体の剛性値とに基づいてゲイン値を求め、求められたゲイン値を乗算した指令信号によりアクチュエータを駆動する。

Description

この発明は、走行中のかごに発生する横振動を低減するためのアクチュエータを有するエレベータ装置に関するものである。

近年、ビルの高層化に伴うエレベータの高速化により、かごの振動低減技術の重要性が高まっている。これに対し、従来のエレベータの振動低減装置では、かご枠の振動が加速度センサにより検知され、ガイド部のばねと並列に設けられたアクチュエータにより振動と逆向きの力がかごに加えられる。この振動低減装置では、比例ゲインの値として、様々なかごの仕様に対して制御的に安定で、比較的良好な制振効果が得られる値が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のエレベータアクティブサスペンション用電磁アクチュエータの制御装置では、アクチュエータの電磁吸引力のエアギャップと電流値とに対する非線形性を補正する自動ゲイン制御装置が用いられている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、従来のエレベータの走行案内装置では、加速度帰還ループをかご位置及び負荷重量に応じて補正するフィードバック特性補正手段が用いられている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−１２２５５５号公報 特開２０００−６３０４９号公報 特開平７−２４５６号公報

上記のような特許文献１に示された従来の振動低減装置では、比例ゲインの値が固定されているため、多種多様なかごに対して、必ずしも最良の制振効果を得ることができない。
また、特許文献２に示された従来の電磁アクチュエータの制御装置における自動ゲイン調整機能は、アクチュエータの電磁吸引力の非線形性を補正するものであり、かごの特性の違いに応じてゲインを最適に調整するものではない。従って、多種多様なかごに対して、必ずしも最良の制振効果を得ることができない。
さらに、特許文献３には、初期のフィードバック特性をどのように決めるのか、及びフィードバック特性をどのように補正するのかが具体的に示されていない。また、かご位置（ロープ長さ）は、上下方向の振動特性には大きな影響を与えるが、横方向の振動特性には殆ど影響を与えない。このため、かご位置に応じて横振動制御のためのフィードバック特性を補正することは、効果が小さいだけでなく、制御に悪影響を及ぼす可能性もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、多種多様なかごに対して、より適正に横振動を低減することができるエレベータ装置を得ることを目的とする。

この発明によるエレベータ装置は、かご、かごの横振動を防振する弾性体、かごの横振動を検出するセンサ、弾性体に対して並列に設けられ、かごの横振動に対する制振力を発生するアクチュエータ、及びセンサからの情報に基づいて、アクチュエータに発生させる制振力を求め上記アクチュエータを制御する制振制御部を備え、制振制御部は、かごの横振動の固有振動数を推定し、推定された固有振動数と弾性体の剛性値とに基づいてゲイン値を求め、求められたゲイン値を乗算した指令信号によりアクチュエータを駆動する。

この発明の実施の形態１によるエレベータ装置の要部を示す正面図である。 図１のガイド装置を示す側面図である。 図１の制振制御部を示すブロック図である。 図１のかごの簡易的な横振動二慣性モデルを示す説明図である。 図１のアクチュエータ、加速度センサ及び制振制御部で構成されるフィードバックループの開ループゲイン特性を示すグラフである。 ボイスコイル式アクチュエータの原理を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による振動低減装置の制振制御部を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３によるエレベータ装置の要部を示す正面図である。 図８のアクチュエータ、加速度センサ及び制振制御部で構成されるフィードバックループの開ループゲイン特性を示すグラフである。

以下、この発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるエレベータ装置の要部を示す正面図である。図において、昇降路内には、一対のガイドレール１が設置されている。かご２は、ガイドレール１に案内されて昇降路内を昇降される。また、かご２は、かご枠３と、かご枠３の内側に支持されたかご室４とを有している。かご室４とかご枠３の下梁との間には、防振体（弾性体）である複数の防振ゴム５が介在されている。また、かご室４の側面とかご枠３の左右の縦柱との間には、かご室４の倒れを防止する防振体（弾性体）としての複数の振れ止めゴム６が介在されている。

かご枠３の上下端部の幅方向両端部には、ガイドレール１に係合してかご２の昇降を案内するローラガイド装置７がそれぞれ搭載されている。下梁に搭載されたローラガイド装置７には、かご２に発生した横振動を低減する制振力を発生するアクチュエータ１７が設けられている。下梁には、かご枠３の水平方向加速度（横振動）を検出するための信号を発生する加速度センサ８が取り付けられている。

また、下梁には、アクチュエータ１７の制振力を制御する制振制御部９が設置されている。制振制御部９は、加速度センサ８からの信号に基づいて、アクチュエータ１７で発生させる制振力を求める。具体的には、加速度センサ８から制振制御部９に加速度信号が送信され、この加速度信号に基づいて制振制御部９で制振力が計算される。そして、計算結果が制振制御部９で電流信号に変換されてアクチュエータ１７に送信される。制振制御部９は、例えばマイクロコンピュータ等の演算処理部を有している。

かご枠３の上梁には、かご２を昇降路内に吊り下げる複数本の主索１０が接続されている。かご２は、主索１０を介して駆動装置（図示せず）の駆動力により昇降路内を昇降される。

図２は図１のローラガイド装置７を示す側面図である。下梁には、ガイドベース１１が固定されている。ガイドベース１１には、ガイドレバー１２が揺動軸１３を中心として揺動可能に取り付けられている。ガイドレバー１２には、かご２の昇降に伴ってガイドレール１上を転動されるガイド部材としてのガイドローラ１４が回転軸１５を中心として回転可能に取り付けられている。ガイドレバー１２は、弾性体であるばね１６により、ガイドローラ１４がガイドレール１に当接する方向へ付勢されている。

アクチュエータ１７は、ガイドベース１１とガイドレバー１２との間に、ばね１６と並列になるように設けられ、ガイドローラ１４のガイドレール１への付勢力を制御する。また、アクチュエータ１７としては、例えば電磁アクチュエータが用いられている。アクチュエータ１７には、制振制御部９からの制御信号が入力される。

図３は図１の制振制御部９を示すブロック図である。制振制御部９は、フィルタ（バンドパスフィルタ）２１、積分器２２、乗算器２３、駆動回路２４、かご特性補正部２５、メモリ２６、固有振動数推定部２７、発振器２８及び出力切替部２９を有している。

フィルタ２１は、加速度センサ８から入力された加速度検出信号から制御に不要な周波数成分を除去する。フィルタ２１の通過周波数帯域（制御帯域）は、乗客の体感に影響する周波数（例えば０．５〜３０Ｈｚ）であり、この制御帯域の振動に対してアクティブ制御が実行される。

積分器２２は、フィルタ２１を通過した加速度検出信号を速度信号に変換する。乗算器２３は、積分器２２からの速度信号に対して適当なゲインを乗算する。駆動回路２４は、乗算器２３からの指令信号に基づいてアクチュエータ１７を駆動する。これにより、アクチュエータ１７には、かご２の振動を低減させるための力が発生される。

かご特性補正部２５は、乗算器２３で用いるゲイン値をかご２の特性に応じて補正する。メモリ２６には、ばね１６のばね定数が予め記憶されている。固有振動数推定部２７は、発振器２８からの信号と加速度センサ８からの信号とに基づいて、かご２の横振動の固有振動数を推定（同定）する。かご特性補正部２５は、メモリ２６に記憶されたばね１６のばね定数と固有振動数推定部２７により推定された固有振動数とに基づいてゲイン値を補正する。

制振制御部９は、通常の制御時には出力切替部２９により乗算器２３の出力信号を駆動回路２４に入力する。しかし、エレベータ据付終了後の固有振動数推定時には、出力切替部２９により、発振器２８の出力信号を駆動回路２４に入力する。また、固有振動数推定部２７は、通常運転中、かご２の積載量を検出する積載量検出部３０からの情報に基づいて、固有振動数の推定値を変更する。実施の形態１の振動低減装置は、アクチュエータ１７、加速度センサ８及び制振制御部９を有している。

次に、実施の形態１の振動低減装置によるゲイン値の具体的な決定方法について説明する。図４は図１のかご２の簡易的な横振動二慣性モデルを示す説明図である。図において、かご室４は、防振ゴム５と振れ止めゴム６との総剛性を示す第１の等価ばね３１を介して、かご枠３に支持されている。かご枠３とガイドローラ１４との間には、ばね１６の総剛性を示す第２の等価ばね３２がアクチュエータ１７と並列に配置されている。

ここで、かご室４の質量をｍ１、かご枠３の質量をｍ２、第１の等価ばね３１のばね定数（剛性値）をｋ１、第２の等価ばね３２のばね定数（剛性値）をｋ２とする。また、かご室４の変位をｘ１、かご枠３の変位をｘ２、ガイドレール１の変位をｄとする。

このとき、アクチュエータ１７、加速度センサ８及び制振制御部９で構成されるフィードバックループの開ループゲイン特性は、図５のようになる。但し、フィルタ２１の特性は無視している。

開ループゲイン特性は、周波数ｗｐ１、ｗｐ２に共振ピークを持ち、それらの間の周波数ｗｎで反共振となる。また、ｗｐ１よりも低い周波数域での特性は、乗算器２３のゲイン値をＫｐ、ラプラス演算子をｓとすると、Ｋｐ・ｓ／ｋ２で表される。

ここで、ｗｐ１での共振レベルとｗｎでの反共振レベルとの間に開ループゲイン特性の０ｄＢレベルを設定することで、１次固有振動数ｗｐ１での共振モード減衰比が適切な値となることがシミュレーションによって確かめられている。そのための乗算器２３におけるゲイン値Ｋｐの設計方法の１つとして、開ループゲイン特性の０ｄＢレベルを１次固有振動数ｗｐ１でのピークの根元に設定する方法が考えられる。即ち、Ｋｐ・ｗｐ１／ｋ２＝１であり、このときのゲイン値Ｋｐの設計値はｋ２／ｗｐ１である。

上記のように、乗算器２３のゲイン値Ｋｐを第２の等価ばね３２のばね定数ｋ２と、１次固有振動数ｗｐ１とから決定することで、共振モード減衰比が大きくなり、振動低減性能が改善される。従って、図３のかご特性補正部２５は、ばね１６のばね定数と１次固有振動数とを入力とし、ゲイン値を決定している。

また、ばね１６は、コイルばねであることが多いため、そのばね定数は比較的正確な値が事前に入手可能である。従って、ばね定数ｋ２は、メモリ２６に予め記憶させておくことが可能である。

逆に、１次固有振動数ｗｐ１については、かご室４及びかご枠３の質量が現場で調整されることが多いことなどから、正確な値を事前に把握することが難しい。そこで、１次固有振動数ｗｐ１は、固有振動数推定部２７によりエレベータ据付後に自動計算させる。

エレベータ据付後に駆動回路２４への入力が発振器２８に切り替えられると、かご２の１次固有振動数近辺の複数の周波数を含む信号として、例えば１〜５Ｈｚの周波数を含む掃引波が発振器２８から駆動回路２４に入力される。但し、発振器２８の出力信号は、掃引波に限定されるものではない。

発振器２８からの信号によりアクチュエータ１７が駆動されると、かご枠３及びかご室４に振動が生じる。この振動は、加速度センサ８により検出され、加速度検出信号が固有振動数推定部２７に入力される。固有振動数推定部２７は、発振器２８からの信号と、加速度センサ８からの信号とから、１次固有振動数の初期値を推定し、推定結果をかご特性補正部２５に入力する。以上の動作により、通常運転前に、乗算器２３のゲイン値Ｋｐの初期値（基準値）が決定される。

通常運転中には、かご室４への乗客の乗降により１次固有振動数が変動する。このため、固有振動数推定部２７は、積載量検出部３０からの情報に基づいて、１次固有振動数を補正する。そして、かご特性補正部２５は、固有振動数推定部２７からの情報に基づいて、乗算器２３のゲイン値Ｋｐを補正する。

なお、ここではかご２の左右方向の構成についてのみ示したが、前後方向（図１の紙面に垂直な方向）についても同様の構成を有している。

このようなエレベータ装置では、かご２の横振動の固有振動数を推定し、推定された固有振動数とばね１６のばね定数とに基づいてゲイン値を求め、求められたゲイン値を乗算した指令信号によりアクチュエータ１７を駆動するので、多種多様なかご２に対して、仕様毎に適したフィードバック制御特性を得ることができ、より適正に横振動を低減して常に快適な乗り心地を提供することができる。

また、ばね１６のばね定数を予めメモリ２６に記憶させておくことにより、ゲイン値を容易に求めることができる。
さらに、制振制御部９は、アクチュエータ１７によりかご２に横振動を発生させることができ、また、そのときの加振信号と加速度センサ８からの信号とに基づいてかご２の固有振動数を推定することができるので、据付前に知ることが難しいかご２の固有振動数の初期値を簡単かつ正確に知ることができる。

さらにまた、制振制御部９は、通常運転中に、積載量検出部３０からの情報に基づいてかご２の固有振動数の基準値を補正するので、実際の積載量に応じて、より適正なゲイン値をリアルタイムで得ることができる。これにより、より繊細な制御が可能となり、さらに良好な乗り心地を実現できる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、アクチュエータ１７として、ボイスコイル式アクチュエータが用いられている。図６はボイスコイル式アクチュエータの原理を示す説明図である。図において、コイル３３は、矢印３４で示される磁気回路中に位置している。コイル３３に矢印３５で示すように電流を流すと、フレミングの左手の法則により、磁界の強さと電流値とに比例したローレンツ力が図６の紙面裏から表向きに生じる。このローレンツ力を利用したアクチュエータがボイスコイル式アクチュエータである。

一方、コイル３３が磁界中を移動すると、コイル３３には逆起電力が発生する。例えば、コイル３３が図６の紙面表から裏向きに移動されると、矢印３５とは逆の方向に電流を流すような逆起電力が、コイル３３の速度と磁界の強さとに比例して発生する。

図７はこの発明の実施の形態２による振動低減装置の制振制御部９を示すブロック図である。実施の形態２の制振制御部９は、フィルタ２１、積分器２２、乗算器２３、駆動回路２４、かご特性補正部２５、メモリ２６、固有振動数推定部２７及び電流検出部３６を有している。

電流検出部３６は、アクチュエータ１７のコイル３３の電流を検出する。固有振動数推定部２７は、乗算器２３の出力である電圧指令値と、電流検出部３６で検出された電流値とから逆起電力を検出し、逆起電力から１次固有振動数を推定する。

ここで、かご２の１次固有振動モードは、一般にばね１６がモードの腹（最も相対的な振動が生じ易い部位）となるため、コイル３３の速度に比例する逆起電力から１次固有振動数を推定することが可能である。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このようなエレベータ装置では、アクチュエータ１７に流れる電流を検出し、アクチュエータ１７への指令電圧値とアクチュエータ１７の電流値とに基づいて求められる逆起電力からかご２の固有振動数を推定するので、通常運転中に１次固有振動数をリアルタイムで測定できる。これにより、フィードバック制御特性を常に最適に保つことができ、良好な乗り心地を提供できる。

実施の形態３．
次に、図８はこの発明の実施の形態３によるエレベータ装置の要部を示す正面図である。図において、かご枠３の下梁とかご室４の下部との間には、かご室４に発生した横振動を低減する制振力を発生するアクチュエータ３７が設けられている。加速度センサ８及び制振制御部９は、かご室４に搭載されている。また、ローラガイド装置７には、アクチュエータ１７は設けられていない。他の構成は、実施の形態１と同様である。

図９は図８のアクチュエータ３７、加速度センサ８及び制振制御部９で構成されるフィードバックループの開ループゲイン特性を示すグラフである。１次固有振動数ｗｐ１よりも低い周波数域での特性は、乗算器２３のゲイン値をＫｐ、ラプラス演算子をｓとすると、Ｋｐ・ｓ／ｋ１で表される。

また、実施の形態１で示した理由と同様の理由により、乗算器２３におけるゲイン値Ｋｐの設計方法の１つとして、開ループゲイン特性の０ｄＢレベルを１次固有振動数ｗｐ１でのピークの根元に設定する方法が考えられる。従って、ゲイン値Ｋｐの設計値はｋ１／ｗｐ１となる。

このように、かご枠３とかご室４との間にアクチュエータ３７を設ける場合であっても、かご２の固有振動数と、防振ゴム５と振れ止めゴム６との総剛性を示す第１の等価ばね３１のばね定数とに基づいてゲイン値を求めることにより、多種多様なかご２に対して、より適正に横振動を低減して常に快適な乗り心地を提供することができる。

なお、上記の例では、電磁アクチュエータを示したが、アクチュエータはこれに限定されるものではなく、例えばエアアクチュエータ、油圧アクチュエータ、又はリニアモータ等を用いてもよい。
また、上記の例では、センサとして加速度センサ８を示したが、これに限定されるものではなく、例えばかご室の水平方向への変位を検出する変位センサ、又はかご室の水平方向への速度を検出する速度センサ等であってもよい。
さらに、上記の例では、かごの固有振動数の初期値を制振制御部により自動計算させたが、初期値は人手により入力してもよい。

Claims (6)

1. かご、
   上記かごの横振動を防振する弾性体、
   上記かごの横振動を検出するセンサ、
   上記弾性体に対して並列に設けられ、上記かごの横振動に対する制振力を発生するアクチュエータ、及び
   上記センサからの情報に基づいて、上記アクチュエータに発生させる制振力を求め上記アクチュエータを制御する制振制御部
   を備え、
   上記制振制御部は、上記かごの横振動の固有振動数を推定し、推定された固有振動数と上記弾性体の剛性値とに基づいてゲイン値を求め、求められたゲイン値を乗算した指令信号により上記アクチュエータを駆動するエレベータ装置。
2. 上記かごの昇降を案内するガイドレール、及び
   上記ガイドレールに係合するガイド部材と、上記ガイドレールに当接する方向へ上記ガイド部材を付勢する上記弾性体としてのばねとを有し、上記かごに搭載されたガイド装置
   をさらに備え、
   上記アクチュエータは、上記ガイド装置の上記ばねに並列に設けられ、
   上記制振制御部は、上記ばねのばね定数と上記かごの固有振動数とに基づいて、ゲイン値を求める請求項１記載のエレベータ装置。
3. 上記制振制御部は、上記アクチュエータにより上記かごに横振動を発生させるとともに、そのときの加振信号と上記センサからの信号とに基づいて上記かごの固有振動数を推定する請求項１記載のエレベータ装置。
4. 上記かごの積載量を検出する積載量検出部をさらに備え、
   上記制振制御部は、通常運転中に、上記積載量検出部からの情報に基づいて上記かごの固有振動数の基準値を補正することにより、固有振動数を推定する請求項１記載のエレベータ装置。
5. 上記制振制御部は、上記アクチュエータに流れる電流を検出し、上記アクチュエータへの指令電圧値と上記アクチュエータの電流値とに基づいて求められる逆起電力から上記かごの固有振動数を推定する請求項１記載のエレベータ装置。
6. 上記かごは、かご枠と、上記かご枠に支持されたかご室とを有し、
   上記弾性体は、上記かご枠と上記かご室との間に介在された防振体を有し、
   上記アクチュエータは、上記防振体に並列に設けられており、
   上記制振制御部は、上記防振体の剛性値と上記かごの固有振動数とに基づいて、ゲイン値を求める請求項１記載のエレベータ装置。

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