KR950006389B1 - 엘리베이터의 진동제어방법 - Google Patents

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Description

엘리베이터의 진동제어방법

제1도는 엘리베이터의 속도제어시스템의 블럭도.

제2도는 종래 엘리베이터의 속도제어회로의 블럭도.

제3도는 본 발명 엘리베이터의 진동제어회로의 블럭도.

제4도는 제3도에 있어서, 주파수에 따른 이득의 파형도.

제5도는 제3도에 있어서, 로프길이에 따른 고유진동주파수의 파형도.

제6도는 제3도에 있어서, 노치(Notch)필터의 특성도.

제7도는 제3도에 있어서, 진동 억제에 따른 이득의 특성도.

제8도는 제3도에 있어서, 진동 억제에 따른 신호흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,11 : 비례적분기 2,12 : 노치필터(Notch Filter)

3,13 : 관성계 4,14,30 : 속도검출기

5,15 : 합산기 10 : 모터구동부

16 : 부하검출부 17 : 진동제어부

20 : 도르레(Sheave) 40 : 모터구동제어부

50 : 로프 60 : 팀블로드 스프링(Thimble Rod Spring)

70 : 케이지(Cage) M : 모터

본 발명은 엘리베이터의 속도 제어에 관한 것으로, 특히 기어리스(Gearless)형 엘리베이터에서 케이지(Cage)운행시 발생하는 진동을 제거주파수 가변형 노치필터를 통해 이득을 감소시켜 엘리베이터의 진동을 저감시키는 엘리베이터의 진동제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 엘리베이터 운행시 모터축의 회전력을 감속기를 사용하지 않고 직접 도르레(Sheave)에 전달하여 케이지(Cage)를 움직이는 기어리스(Gearless)형 엘리베이터에서 로프(Rope) 또는 팀블로드스프링(Thimble Rod Spring)등의 고유 진동에 의하여 승강 기분을 해치는 케이지의 진동이 발생하면, 이러한 진동은 속도제어계의 공진에 의하여 더욱 심해지므로 노치필터등을 이용하여 고유진동주파수에 대한 속도제어계의 이득을 감소시키므로써 케이지의 진동 발생을 억제하도록 한다.

제1도는 엘리베이터의 속도제어시스템의 블럭도로서 이에 도시한 바와 같이, 3상전원을 인가받은 모터구동부(10)가 모터를 회전시키고, 이 모터의 회전에 따라 도르레(Sheave)(20)는 케이지(Cage)(70)를 상, 하로 운전한다.

이때, 로프(Rope)(50)와 팀블 로드 스프링(Thimble Rod Spring)(60)의 고유진동에 의해 케이지(70)에 진동이 발생하고 이 진동에 의해 도르레(20)의 회전력이 변화하며, 상기 도르레(20)의 회전축에 접속된 속도검출기(30)로 상기 도르레(20)의 속도 변화를 검출하게 된다.

이에 따라, 속도검출기(30)의 출력을 입력받은 모터구동제어부(40)가 특정주파수의 이득을 낮춰 속도 편차를 보정하고 이 속도 편차를 보정함에 의한 전류지령을 모터구동부(10)에 출력하여 모터의 회전력을 제어하며, 이에 따라 케이지(70)의 진동 발생을 억제한다.

제2도는 종래 엘리베이터의 속도제어회로의 블럭도로서 이에 도시한 바와 같이, 모터의 회전속도지령을 입력받아 편차에 비례한 신호를 생성하여 적분을 통해 잔류편차를 제거하고 토오크지령을 출력하는 비례적분기(1)와, 이 비례적분기(1)의 출력을 입력받아 특정주파수를 제거하여 새로운 토오크지령(T_r)을 출력하는 노치필터(2)와, 이 노치필터(2)의 출력(T_r)에 따라 상기 모터를 실제속도(ω_r)로 구동하는 관성계(3)와, 이 관성계(3)의 실제속도(ω_r)를 검출하는 속도검출기(4)와, 이 속도 검출기(4)의 검출신호(ω_r')를 상기 모터의 회전속도지령과 합하여 그 합한 값을 비례적분기(1)에 출력하는 합산기(5)로 구성된 것으로, 상기 모터는 유도전동기(Induction Motor)이다.

이와 같이 구성된 종래 회로의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 모터에 의해 회전하는 도르레(20)가 케이지(70)를 상, 하로 운전할때 로프(Rope)(50) 및 팀블 로드 스프링(Thimble Rod Spring)(60)의 고유 진동에 의해 상기 케이지(70)에 진동이 발생하고, 이러한 진동은 상기 도르레(20)의 회전속도(ω_r)을 변화시킨다.

이때, 도르레(20)의 회전속도(ω_r)는 관성계(3)의 출력으로서 이 출력(ω_r)은 속도검출기(4)에서 모터의 실제 속도로 검출되어 진동에 의한 속도변화 검출신호(ω_r')를 합산기(5)에 출력한다.

따라서, 진동에 의한 속도변화 검출신호(ω_r')를 합산기(5)에서 모터의 회전속도지령에 합산하고, 이 합산기(5)의 출력을 입력받은 비례적분기(1)는 속도편차에 비례한 신호를 생성하여 적분을 통해 잔류편차를 제거한 후 노치필터(2)에 토오크지령을 출력한다.

이에 따라, 노치필터(2)는 비례적분기(1)의 출력에 진동 성분이 포함되어 있으므로 특정주파수를 제거하여 새로운 토오크지령(T_r)을 관성계(3)에 출력하고 상기 관성계(3)는 특정주파수의 이득을 감소시킴에 의해 케이지(70)의 진동을 억제하도록 한다.

한편, 정적 상태에서 케이지(70)에 진동을 발생시키는 로프(50) 및 팀블 로드 스프링(60)의 고유진동주파수(f₀)을 근사적인 식으로 표시하면 다음과 같다.

여기서, K는 탄성 계수이고, m은 케이지의 질량이다.

이때, 케이지(70)의 진동에 따른 탄성계수(K)는 로프(50)의 탄성계수(K_R)와 팀블로드스프링(60)의 탄성계수(K_T)로 표시되며 이를 식으로 표시하면 다음과 같다.

따라서, 로프(50)의 근사적 탄성계수(K_R)는 로프(Rope)의 단면적(A)과 영율(E ; Young's Modulus)의 곱에 비례하고 로프(Rope)의 길이에 반비례하므로 상기 식(1-2)를 상기 식(1-1)에 대입하면 고유진동주파수(f₀)는 다음과 같은 식으로 표시된다.

즉, 상기 식(1-4)에서 표시한 바와 같이 로프(50) 및 케이지(70)에 의한 역학적인 고유진동주파수(f₀)는 엘리베이터 시스템에서 상기 케이지(70)의 질량(m)과 로프(Rope)의 길이를 변수로 하여 진동한다.

또한, 상기 식(1-4)에서 표시한 고유진동주파수(f₀)에 따른 속도변화가 포함된 비례 적분기(1)의 출력을 입력받은 노치필터(2)의 전달함수(G_N(S))를 식으로 표시하면 다음과 같다.

여기서,는 제거주파수 대역폭이다.

이때, 고정된 각속도(ω₀)에 대하여 아날로그 회로로 구성되는 노치필터(2)는 비례적분기(1)의 출력중 특정주파수를 제거하여 새로운 토오크지령(T_r)을 관성계(3)에 출력한다.

따라서, 관성계(3)는 노치필터(2)의 출력(T_r)에 따라 모터의 회전력을 제어하여 도르레(20)의 속도 변화를 감소시키므로써 시스템의 공진에 의한 케이지(70)의 진동을 억제할 수 있다.

그러나, 이와 같은 종래 회로는 고유진동주파수(f₀)가 케이지의 부하 및 로프의 행정거리 변화에 의한 케이지의 질량에 따라 변화된다. 즉, 무부하 최상층, 무부하 최하층, 전부하 최상층 및 전부하 최하층의 모든 경우에 이론적으로 다른 주파수를 갖게 된다.

따라서, 종래에는 아날로그 회로로 구현된 노치필터의 전달함수에서 ω, Q₀가 상수로 고정되어 케이지의 부하에 따라 고유진동주파수(f₀)가 변할 경우 효과적으로 진동을 억제할 수 없으므로 조정자가 직접 고유진동 주파수(f₀)를 측정하여 상수를 변경해야 하는 번거로운 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 감안하여 초기 고유 진동 측정을 위한 시운전중에 엘리베이터의 속도를 적분함에 의해 위치를 판별하고 그 위치에서의 토오크 지령을 고속 푸리에 변환(F.F.T)을 통해 케이지의 진동에 따른 주파수별 이득을 구한 후 진동의 크기가 기준치를 초과한 주파수나 가장 높은 주파수를 제거 주파수로 선택하여 메모리에 저장하며, 엘리베이터 정상 운전시 메모리에 저장된 제거 주파수로 엘리베이터의 속도를 제어하므로써 엘리베이터의 진동을 억제하는 엘리베이터의 진동 제어 방법을 창안한 것으로, 이를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도는 본 발명의 엘리베이터의 진동제어회로의 블럭도로서 이에 도시한 바와 같이, 속도지령과 속도검출신호(ω_r')를 합하여 속도편차를 출력하는 합산기(15)와, 이 합산기(15)의 속도편차 출력을 비례 적분하여 토오크지령을 출력하는 비례적분기(11)와, 이 비례적분기(11)의 출력을 입력받아 특정 주파수를 제거하는 노치필터(12)와, 이 노치필터(12)의 출력(T_r)에 따라 모토의 회전속도(ω_r)를 제어하는 관성계(13)와, 이 관성계(13)의 출력(ω_r)을 점검하여 속도검출신호(ω_r')를 상기 합산기(15)에 출력하는 속도검출부(14)와, 상기 관성계(13)에 의해 운전되는 케이지(70)의 부하를 검출하는 부하검출부(16)와, 초기 시운전시 상기 관성계(13)의 출력(ω_r)을 검출하여 현재 위치를 판별한 후 상기 비례적분기(11)의 출력을 고속 푸리에 변환하여 제거 주파수를 검출함과 아울러 메모리에 저장하고 정상 운행시 상기 관성계(13)의 출력(ω_r)으로부터 현재 위치를 판별하여 상기 메모리에 저장된 현재 위치의 제거 주파수를 상기 부하 검출부(16)의 출력(m_c)에 따라 보정한 후 상기 노치 필터(12)의 전달 함수의 상수값을 가변시키므로써 그 노치 필터(12)의 출력(T_r)을 제어 하는 진동제어부(17)로 구성한다.

상기 부하검출부(16)는 케이지(70)의 하부에 접속된 것이다.

상기 진동제어부(17)는 노치필터(12)의 전달함수중 상수를 가변시킴으로써 출력(T_r)이 관성계(13)의 실제 입력토오크가 되게 하고, 상기 관성계(13)의 출력(ω_r)이 엘리베이터 시스템의 실제 속도가 되게 한다.

이와 같이 구성한 본 발명의 작용 및 효과를 제4도 주파수에 따른 이득의 파형도, 제5도 로프길이에 따른 고유진동주파수의 파형도, 제6도노치필터의 특성도, 제7도 진동 억제에 따른 이득의 특성도, 제8도 진동 억제시 신호흐름도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 엘리베이터를 설치하는 초기에 고유 진동주파수(f₀)를 측정하기 위하여 노치필터(12)를 배제한 상태에서 케이지(70)를 최하층으로부터 최고층까지 일정 속도로 운행시키는데, 엘리베이터의 실속도인 관성계(13)의 출력(ω_r)을 진동 제어부(17) 및 속도 검출부(14)에서 검출하며, 합산기(15)가 모터의 속도 지령과 상기 속도 검출부(14)의 출력을 합산하여 속도 편차를 산출하면 비례 적분기(11)는 상기 합산기(15)의 출력을 속도 편차에 비례하는 신호로 변환하여 적분함에 의해 잔여 속도 편차를 제거한 후 토오크 지령을 출력하게 된다.

이때, 엘리베이터가 최하층으로부터 최고층까지 일정속도로 운행됨에 따라 진동 발생으로 고유 진동 주파수(f₀)가 변하는데, 그 고유 진동 주파수(f₀)는 로프(50)의 탄성 계수(K_R)와 팀블 로드 스프링(60)의 탄성 계수(K_T)로 표시할 수 있으므로 아래와 같은 식(2-1)으로 표시할 수 있다.

C=A·E

여기서, A는 로프(50)의 단면적이고, E는 영률(Young's Modulus)이다.

그리고,은 상기 로프(50)의 길이고, m은 케이지(70)의 질량이다.

상기와 같이 식(2-1)로 표시되는 고유 진동 주파수(f₀)는 엘리베이터의 전 행정 거리에 대하여 n등분한 각각의 위치에서 검출하여 마이크로 컴퓨터(도면 미표시)의 메모리에 저장하는데, 그 고유 진동 주파수는 엘리베이터의 정상 운전시에 노치 필터(12)의 전달 함수의 상수값(ω₀)을 케이지(70)의 위치에 적합하게 가변시키기 위하여 이용함으로써 진동을 억제하게 된다.

즉, 엘리베이터 설치시 케이지를 상하로 운행시킴에 따라 진동 제어부(17)는 관성계(13)의 속도 지령(ω_r)을 적분함에 의해 엘리베이터의 실속도를 판별하여 케이지(70)의 현재 위치를 판별함과 동시에 비례적분기(11)의 토오크 지령을 고속 푸리에 변환(F.F.T)하여 상기 케이지(70)의 진동에 따른 주파수 별 이득을 구하고, 그 진동의 크기가 기준치를 초과하거나 크기가 최대인 주파수를 제거 주파수로 판별하여 현재의 위치 정보와 함께 마이크로 컴퓨터(도면 미표시)의 내부 메모리에 저장하게 된다.

예를 들면, 케이지(70)의 순수 질량에서 제4도와 같은 파형의 이득이 구해졌다면 진동 제어부(17)는 기준치(P₁)보다 높은 주파수(f₀)를 제거주파수로 선정하게 된다.

이때, 엘리베이터의 전 행정 거리를 n등분한 각 위치에서 진동에 따른 주파수의 검출 동작을 수행함에 있어서, 고유 진동 주파수(f₀)의 측정이 종료되지 않은 경우 다시 엘리베이터의 이동에 따른 현재의 위치를 검출한 후 제거 주파수를 검출하여 마이크로 컴퓨터(도면 미표시)에 현재의 위치 정보와 같이 저장하는 동작을 반복하게 된다.

따라서, 제5도에 도시한 바와 같이 로프(50)의 길이에 따라 고유 진동 주파수(f₀)가 변동되므로 케이지(70)의 전 행정 거리에 대해 일정 간격으로 위치및 제거 주파수의 검출과 저장 동작이 완료되면 마이크로 컴퓨터(도면 미표시)는 무부하부터 최대 부하까지를 소정 등분한 질량의 변화에 대해 메모리에 저장된 각 위치의 제거 주파수를 보정한 후 메모리에 저장하므로써 각 위치에서 각 부하에 대한 제거 주파수 테이블을 작성하게 되고, 제거 주파수 테이블의 작성이 완료되면 고유 진동 주파수 측정을 위한 엘리베이터의 시운전을 종료하게 된다.

한편, 고유 진동주파수(f₀)의 측정을 위한 시운전을 통해 케이지(70)의 위치에 따른 제거주파수의 테이블 작성이 완료된 후 엘리베이터의 정상 운전을 시작하면 모터구동부(10)가 모터를 구동함에 따라 도르레(20)는 케이지(70)를 상, 하로 운행하게 되고, 상기 모터의 회전속도인 관성계(13)의 출력(ω_r)이 진동제어부(17)와 속도검출부(14)에 입력되어진다.

이때, 로프(50)와 팀블로드 스프링(60)의 고유진동 주파수(f₀)에 의해 상기 케이지(70)의 진동이 발생하여 도르레(20)의 회전력이 변화하면 이 회전력의 변화에 따라 속도검출부(14)는 속도변화 검출신호(ω_r')를 합산기(15)에 출력하게 된다.

이에 따라, 합산기(15)가 모터의 속도지령과 속도검출부(14)의 속도변화 검출신호(ω_r')를 합산하여 속도편차를 출력하면 이 속도편차가 입력된 비례 적분기(11)는 속도편차에 따른 비례신호를 적분함에 의해 잔여 편차를 제거한 후 토오크 지령을 노치필터(12)에 출력하게 되고, 부하검출부(16)는 현재 위치에서의 케이지(70)의 질량(m_c)을 검출하여 상기 진동제어부(17)에 출력하게 된다.

이때, 진동 제어부(17)는 관성계(13)의 지령(ω_r)을 적분하여 케이지(70)의 현재 위치를 판별하고 고유 진동 주파수(f₀) 측정시 작성한 마이크로 컴퓨터(도면 미표시)의 내부 메모리에 저장된 테이블을 검색하여 엘리베이터의 현재 위치에 따른 데이타중 부하 검출부(16)의 출력(m_c)에 해당하는 제거 주파수를 노치 필터(12)에 출력하게 된다.

이에 따라, 노치필터(12)는 아래와 같은 식(2-2)로 표시되는 전달함수(G_N(S))의 상수(ω₀)를 진동 제어부(17)에서 출력된 값으로 보정함에 의해 새로운 토오크 지령(T_r)을 관성계(13)에 출력하여 모터의 회전력을 제어하므로써 로프(50) 또는 팀블로드 스프링(60)의 진동 주파수에 의한 케이지(70)의 진동을 억제하게 된다.

여기서,는 제거주파수 대역폭이고, f₀는 고유진동주파수이다.

즉, 진동 제어부(17)가 관성계(13)의 출력(ωr)으로 현재의 케이지(70)의 위치를 판별하여 마이크로 컴퓨터(도면 미표시)의 내부 메모리에 저장된 테이블에서 부하 검출부(16)의 출력(m_c)에 해당하는 값을 읽어 출력하면 노치 필터(12)는 제거 주파수에 따른 전달 함수의 특성을 변환하기 위하여 상기 식(2-2)에 아래와 같은 식(2-3)을 대입하여 Z-변환함에 의해 Bilinear Transformation 방식으로 변환하므로써 아래와 같은 식(2-4)와 같이 표시하게 된다.

△T : 디지탈 연산 시간의 주기

K : K번째 연산 시간의 주기

K-1 : K번째로부터 1주기전

K-2 : K번째로부터 2주기전

N(K) : K번째의 노치 필터의 출력

I(K) : K번째의 노치 필터의 입력

이때, 상기 식(2-4)를 정리하면 아래와 같은 식(2-5)로 표시되는데, 상수항만을 선택하면 아래와 같은 식(2-6)에서 식(2-9)와 같이 표시된다.

N(K)=(1/C1){C₂I(K-2)+2C₃I(K-1)+C₂I(K)-C₄N(K-2)-2C₃N(K-1)}…(2-5)

C₁-ω₀ ²+(ω₀/Q)(2/△T)+(2/△T)²…(2-6)

이에 따라, 노치 필터(12)는 진동 제어부(17)에서 입력된 제거 주파수를 상기 식(2-6)~식(2-9)에 대입하여 상수값을 결정한 후 그 값을 상기 식(2-5)에 대입하여 상기 식(2-4)(2-3)의 순서로 역변환하므로써 상기 식(2-2)와 같이 표시되는 전달 함수의 상수(ω₀), (Q)값을 가변시키게 된다.

이때, 제6도에 도시한 바와 같은 특성을 갖는 노치필터(12)는 제7도에 도시한 바와 같이 합성특성을 생성하여 비례 적분기(11)의 출력을 보정하므로써 새로운 토오크지령(T_r)을 관성계(13)에 출력하게 된다.

따라서, 노치 필터(12)의 출력(Tr)을 입력받은 관성계(13)가 모터의 회전력을 제어함으로써 로프(50)나 팀블로드스프링(60)의 고유진동주파수에 의한 케이지(70)의 진동을 억제하게 된다.

한편, 진동 제어부(17)는 상기 식(2-1)과 같이 케이지(70)의 무게(m)를 제곱근한 값에 반비례하는 고유 진동 주파수(f₀)를 현재 위치에서 검출한 케이지(70)의 질량(m₀)으로 보정 연산하여 마이크로 컴퓨터(도면 미표시)의 내부 메모리에 작성된 제거 주파수 테이블의 해당 내용을 보정하므로써 다음 운행시 동일한 위치에서 엘리베이터의 진동 억제 효과를 극대화하게 된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예로서 진동제어부(17)에서 케이지(70)의 위치를 연산하기 위한 엘리베이터의 실속도(ω_r)를 승강로 상에 설치한 센서를 통해 위치신호로서 검출하고 이에 따라, 마이크로 컴퓨터(도면 미표시)의 메모리에 저장된 해당 위치의 제거 주파수를 읽어 노치 필터(12)의 전달함수의 상수값을 결정함에 의해 관성계(13)를 제어하므로써 케이지(70)의 진동발생을 억제할 수 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명 엘리베이터의 진동제어방법은 엘리베이터 설치시 운행 속도를 적분하여 위치를 연산하고 위치별 진동주파수를 제거하기 위한 값을 저장한 후 엘리베이터의 정상운전시 케이지의 부하를 검출하여 메모리에 저장된 해당 제거 주파수로 고유진동 주파수를 자동적으로 가변함으로써 케이지의 질량 및 로프의 길이 변동에 따른 진동 발생의 억제를 극대화시키는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 케이지(cage)를 시운전하면서 각 위치에 따른 고유 진동 주파수(f₀)를 검출하여 제거 주파수 테이블을 작성하는 제1단계와, 엘리베이터의 정상 운전을 시작하면 케이지의 현재 위치 및 부하를 검출하여 그 현재 위치 및 부하에 해당하는 제거 주파수를 상기의 제거 주파수 테이블에서 검색하는 제2단계와, 제2단계에서 검색한 제거 주파수로 노치 필터(Notch Filter)의 전달 함수(G_N[S])의 상수값을 가변시킴에 의해 새로운 토오크지령(Tr)으로 상기 케이지의 속도를 제어하는 제3단계와, 제3단계가 종료된 후 현재 위치에서의 케이지의 질량(m_c)으로 상기의 제거 주파수 테이블에서 해당 제거 주파수를 보정하는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 엘리베이터의 진동 제어방법.

   여기서,는 제거주파수 대역폭이고, f₀는 고유진동주파수이다.
2. 제1항에 있어서, 제1단계는 속도 지령(ωr)을 적분하여 케이지의 현재 위치를 검출하고 동시에 토오크 지령을 고속 푸리에 변환(F.F.T)하여 현재 위치의 제거주파수를 검출하는 과정과, 상기에서 검출한 제거 주파수를 무부하에서 최대 부하까지 소정 등분한 질량으로 보정연산하는 과정과, 상기 과정을 전 행정 거리에 대하여 소정 간격으로 반복하여 제거 주파수 테이블을 작성하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 엘리베이터의 진동 제어방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전 행정거리에 대해 소정 간격마다 검출한 진동 주파수중 기준치(P1)를 초과한 주파수 또는 가장 높은 주파수를 제거 주파수로 선택하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터의 진동 제어방법.