WO2019049424A1 - エレベーターのドア制御装置ならびにエレベーターのドア駆動システム - Google Patents

エレベーターのドア制御装置ならびにエレベーターのドア駆動システム Download PDF

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door
control
elevator
control device
command
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真輔 井上
智明 照沼
大沼 直人
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66BELEVATORS; ESCALATORS OR MOVING WALKWAYS
    • B66B13/00Doors, gates, or other apparatus controlling access to, or exit from, cages or lift well landings
    • B66B13/02Door or gate operation
    • B66B13/14Control systems or devices
    • B66B13/143Control systems or devices electrical

Definitions

  • the present invention relates to an elevator door control device and an elevator door drive system using the same.
  • the elevator door control device is mounted on the car side and controls the opening and closing operation of the door by sliding the door panel by the power of the motor.
  • the door panel is connected to an endless belt (V-belt, toothed belt, etc.) or steel wire rope wound around a pulley.
  • V-belt, toothed belt, etc. endless belt
  • steel wire rope wound around a pulley.
  • the door panel is suspended on a door rail provided at the top of the car entrance.
  • a door shoe provided at the lower part of the door panel slidably engages with a sill groove in the car floor. The door panel is guided by the groove of the door rail and the sill, and slides in a certain direction without deviation from the entrance.
  • the present invention provides an elevator door control device capable of achieving a plurality of performances, and an elevator door drive system using the same.
  • a door control device for an elevator outputs a control command for driving a door mechanism provided in a car according to a target command of a door operation state, According to the control input, the control unit that generates the control command and the evaluation index that evaluates the door operation state and the control input together, calculates the control input that calculates the control input that optimizes the evaluation index, And an optimal control unit for outputting to the control unit.
  • a door drive system for an elevator includes a motor, a door opened and closed by the motor, and an inverter device for driving the motor, and a door mechanism provided in a car And a door control device for outputting a control command given to the inverter device to drive the door mechanism in accordance with a target command of the door operation state, the door control device responding to the control input ,
  • a control unit that creates a control command, and an evaluation index that evaluates the door operation state and control input together, calculates a control input that optimizes the evaluation index, and outputs the calculated control input to the control unit And an optimal control unit.
  • a plurality of performances relating to the door operation state can be made compatible.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a door control device of an elevator according to a first embodiment.
  • An example of a velocity pattern is shown.
  • An example of the velocity waveform of the door by model predictive control in Example 1 is shown.
  • the example of the speed waveform by normal proportional integral control is shown.
  • the acceleration waveform example by model predictive control and proportional integral control in Example 1 is shown.
  • It is a whole block diagram which shows the door control apparatus of the elevator which is Example 2.
  • FIG. The speed command and speed waveform of the door by model predictive control in Example 2 are shown.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an elevator door drive system including a door control device (door control controller) according to a first embodiment of the present invention.
  • reference numeral 103 denotes a car of an elevator that moves up and down between floors, and the components 101, 102, 104 to 107 constitute a door mechanism of the car 103.
  • Reference numeral 101 denotes a DC power supply
  • 102 denotes a DC capacitor charged by the DC power supply 101
  • 104 denotes a door motor for opening and closing the door of the car 103
  • 105 denotes an inverter device for driving the door motor 104
  • 106 denotes a motor for detecting current flowing in the door motor 104
  • a current detector 107 represents a rotary encoder for detecting the number of rotations of the door motor 104 and the position of the rotor.
  • a permanent magnet synchronous motor is applied as the door motor 104.
  • door mechanism Other components of the door mechanism include an endless belt and the like in which a door panel is coupled and driven by the door motor 104, but the door mechanism itself is based on a known technique, and the detailed description will be given. Is omitted.
  • reference numerals 108 to 117 denote components of a door control controller that controls the inverter device 105. Each component will be described later.
  • the control command output from the door controller is a PWM (Pulse Width Modulation) command for controlling on / off of the power conversion semiconductor switching element that constitutes the main circuit of the inverter device 105.
  • IGBTs Insulated gate bipolar transistors
  • junction type bipolar transistors and the like can be applied as the power conversion semiconductor switching elements.
  • the door controller according to the first embodiment is a control command for driving the door mechanism according to the speed command and the acceleration command which are target commands of the door operation state, that is, the above-mentioned PWM command Output
  • the PWM command is output from the current control unit 108.
  • the current command (command value of the motor current) which is a control input to the current control unit 108 is created by applying so-called optimum control. .
  • the value of the motor current detected by the motor current detector 106 is taken into the door control controller and input to the current control unit 108.
  • the current control unit 108 generates a dq-axis voltage command so that the detected motor current has a desired current value given by the current command, by vector control for controlling the permanent magnet synchronous motor.
  • the current control unit 108 converts the dq axis voltage command into a three-phase voltage command by two-phase to three-phase coordinate conversion, and converts the PWM command created based on the three-phase voltage command into power conversion semiconductor switching in the inverter device 105. Output to the element.
  • the rotary encoder 107 outputs a pulse signal in synchronization with the rotation of the door motor 104.
  • the pulse signal is input to the speed detection unit 109.
  • the speed detection unit 109 detects the speed of the door motor 104 from the interval of the input pulse signal, the number of pulses per unit time, and the like, and outputs the speed information to the optimum control unit 113 as a speed feedback value.
  • the acceleration sensor 116 detects the acceleration of the door which indicates the vibration state of the door.
  • the detected acceleration is input to the acceleration detection unit 117.
  • the acceleration detection unit 117 converts the analog signal of the input acceleration into D / A conversion to obtain acceleration information, and outputs the acceleration information to the optimum control unit 113 as an acceleration feedback value.
  • the acceleration sensor 116 for example, a three-axis acceleration sensor using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) is applied.
  • the acceleration information may be calculated by differentiating the velocity information, or the velocity and the acceleration may be estimated using an observer or a Kalman filter. You may
  • the acceleration command generation unit 110 generates a command value for the vibration acceleration of the door, and outputs the command value to the optimum control unit 113. In addition, normally, in order to suppress the vibration of a door, a command value is zero.
  • the speed command generation unit 111 generates a speed command, that is, a speed pattern of the door, and outputs the generated speed command to the optimum control unit 113.
  • a speed command that is, a speed pattern of the door
  • An example of the velocity pattern is shown in FIG. Note that FIG. 2 also shows the corresponding acceleration pattern, that is, the acceleration in the door traveling direction.
  • the speed pattern when opening and closing the door is low at the start of door travel and at the stop of the door, that is, at the open / close end of the door, and reaches the maximum speed near the frontage, ie, the center of the door travel range.
  • This speed pattern is a so-called hat-shaped speed pattern, as shown in FIG.
  • the optimal control unit 113 (FIG. 1) includes a door model 114 represented by an equation of motion related to a mechanical part of the door, and an optimizer 115 which is a solver for solving the optimal control problem.
  • the optimal control unit 113 is configured such that the speed feedback value detected by the speed detection unit 109 is a speed based on the acceleration command input from the acceleration command generation unit 110 and the speed pattern (speed command) input from the speed command generation unit 111.
  • the current command is created by solving the optimal control problem so that the acceleration feedback value detected by the acceleration detection unit 117 follows the acceleration command so as to follow the command and the vibration of the door is suppressed, Output to current control unit 108.
  • the equation of motion in the door model 114 is represented by a so-called equation of state including velocity and acceleration as state quantities. Furthermore, the equation of motion includes the door driving force.
  • the driving force is given by the torque of the door motor 104 and thus depends on the motor current flowing through the door motor 104. Therefore, in the first embodiment, the door driving force is represented by the current command output from the optimum control unit 113 to the current control unit 108, and the equation of motion includes the current command.
  • the optimum control unit 113 calculates a current command for optimizing the evaluation index, and supplies the calculated current command as a control input to the current control unit.
  • the evaluation index is represented by a predetermined function (evaluation function).
  • the speed and acceleration to be evaluated are the velocity response and acceleration response of the door mechanism calculated by the door model 114, respectively.
  • the difference between the speed command and the speed response, and the difference between the acceleration command and the acceleration response are used as evaluation values.
  • the kinetic energy of the door according to the speed response and the acceleration response is evaluated to ensure safety. Therefore, the kinetic energy of the door is also the evaluation value in the evaluation index.
  • the evaluation index in the optimal control is represented by a predetermined function (evaluation function) using the above-described evaluation values as variables.
  • the optimum control unit 113 uses the door model 114 as an initial value at an acceleration feedback value and a velocity feedback value respectively output from the acceleration detection unit 117 and the velocity detection unit 109 at the current time
  • a velocity response and an acceleration response in the future (hereinafter referred to as a “prediction period”) for a predetermined time are calculated.
  • the optimum control unit 113 calculates an evaluation value for each calculated response, and using the optimizer 115, for the evaluation function including each evaluation value including the current command, an integral value for a predetermined time in the prediction period is obtained.
  • the current command in the case of optimum (for example, minimum or maximum) is calculated. The specific calculation means will be described later.
  • the constraint condition storage unit 112 stores constraint conditions for the optimal control unit 113 to solve the optimal control problem. Therefore, the optimum control unit 113 reads the constraint conditions from the constraint condition storage unit 112, and executes the optimum control under the read-out constraint conditions.
  • Constraint conditions are, for example, "maximum value and minimum value of detected speed value”, “maximum value and minimum value of current command”, “maximum value and minimum value of gradient of current command”, “maximum value of kinetic energy of door” And the minimum value. These are, so to speak, maximum / minimum values of input / output of the optimum control unit 113 and maximum / minimum values of inclination of the input / output.
  • the state quantity (state equation) in the door model 114 can also be set as a constraint condition.
  • the output of the equation of motion of the door mechanism includes the velocity at the end of the door
  • the state quantity relating to the velocity at the end of the door can be a constraint.
  • the constraint is obtained by adding kinetic energy to the output part of the equation of motion and adding kinetic energy to the door model 114 as a new state quantity. You may deform and use.
  • the optimal control unit 113 determines an output (current command) by solving an optimal control problem in which determination of a state feedback control rule is set as a problem within a finite time range (prediction period). Such control is generally referred to as "Model Predictive Control (abbreviated as MPC)" or “receding horizon control (abbreviated as RH control).” Here, the state of the door. Equation (1) defines the equation as time-invariant.
  • X (t) is a state vector, and the speed, acceleration, kinetic energy, etc. of the door are used as state quantities.
  • u (t) is a control input vector, which corresponds to a current command or a torque command.
  • a door model represented by Formula (1) there is, for example, a model in which a motor and a door panel are included to form one inertia, and a model in which a belt connected to the motor is a spring and a damper.
  • the model to be applied is appropriately selected according to the required control performance (such as the vibration control performance and the follow-up performance).
  • higher-order models have high control performance but high calculation cost, so it is preferable to select a model in consideration of calculation costs.
  • the kinetic energy of the door is set as the constraint. This makes it possible to open and close the door without the kinetic energy becoming too large or too small. Furthermore, the time integral of the evaluation value (the difference between the door speed and the door acceleration and the command value) or the time integration of the evaluation function including these evaluation values is minimized within the range of the constraint condition. By setting t), it is possible to improve both the speed followability and the vibration suppression performance while satisfying the constraint conditions.
  • Equation (2) For optimal control problems in model predictive control, it is known that an evaluation function J such as equation (2) is minimized in order to optimize the response of the system.
  • equation (2) the first term on the right side and L to be integrated are scalar value functions.
  • t indicates the current time to control
  • T indicates the evaluation interval length which is the time to be evaluated in the future
  • the control input vector u (t) that minimizes J is calculated. This makes it possible to find an optimal control input up to a finite future time.
  • is the adjoint variable vector
  • is the Lagrange multiplier vector for the terminal state fixed condition.
  • MPC model predictive control
  • the optimal control input u opt for minimizing the evaluation function J is obtained by solving the above equation numerically by using the state quantity x 0 as an initial value at each time.
  • a Newton method or a steepest descent method which is a gradient method
  • a direct method there is known a method of converting into a non-linear programming problem and using an effective constraint method or an interior point method.
  • v d is a velocity response
  • v ref is a velocity command value
  • a d is an acceleration response
  • a ref is an acceleration command value
  • u is a magnitude of a current command
  • V is kinetic energy.
  • w 1 to w 4 are weighting factors, and the balance of each weight is adjusted by analysis and testing.
  • Equation (9) shows the maximum value / minimum value of the current command.
  • the constraint of equation (9) suppresses abrupt changes in the output.
  • Equation (10) shows the maximum value and the minimum value of kinetic energy. By the constraint of equation (10), the kinetic energy at the time of movement of the door is controlled so as not to be excessive or excessive.
  • equation (8) the first term indicates the tracking error of velocity, and the second term indicates the tracking error of acceleration.
  • the optimum control input u opt (current command) that minimizes the evaluation function J of equation (8) can be determined numerically by using equations (3) to (7).
  • the operation for the above-mentioned prediction period is repeated at predetermined time intervals, and u opt is set sequentially by the operation at each time point.
  • FIG. 3 shows an example of the velocity waveform of the door according to model predictive control in the first embodiment.
  • the speed command (speed pattern) is also described.
  • Example 1 exhibits good speed tracking performance.
  • FIG. 4 shows, as a comparative example, an example of a velocity waveform according to normal proportional integral control.
  • the waveform example of FIG. 4 differs from the first embodiment (FIG. 3) in that there is a deviation from the velocity pattern, for example, in the vicinity of the velocity peak.
  • FIG. 5 shows an example of an acceleration waveform of a door by model predictive control (MPC) and proportional integral control (PI control) in the first embodiment.
  • MPC model predictive control
  • PI control proportional integral control
  • the current command is set by the optimal control that evaluates the door speed and acceleration together, it is possible to achieve both the speed followability and the vibration suppression performance. .
  • the kinetic energy of the door is evaluated under constraints, safety is ensured even when a passenger comes in contact with the door, and energy saving is improved.
  • the current control pattern is obtained in advance by solving the optimal control problem with respect to the predetermined speed pattern as shown in FIG. It is also possible to control the inverter device 105.
  • FIG. 6 is an overall configuration diagram showing a door drive system of an elevator including a door control device (door control controller) according to a second embodiment of the present invention. The differences from the first embodiment will be mainly described below.
  • the position pattern (position command) generated by the position command generation unit 201 is input to the optimum control unit 113. Further, the position detection unit 203 integrates the speed information output from the speed detection unit 109 to calculate the position (moving distance) of the door (or motor). The position information to be calculated is input to the optimum control unit 113 as a position feedback value.
  • the optimum control unit 113 Based on the position command and the acceleration command generated by the acceleration command generation unit 110, the optimum control unit 113 causes the position feedback value to follow the position command, and the acceleration as the state quantity in the door model 114 is acceleration.
  • a velocity command is generated by solving the optimal control problem so as to suppress the vibration of the door following the command, and is output to the velocity control unit 202.
  • a control unit that generates a PWM command includes the current control unit 108 and the speed control unit 202.
  • the speed control unit 202 performs proportional integral control so that the speed information feedback value follows the speed command based on the speed command input from the optimum control unit 113 and the speed information feedback value fed back from the speed detection unit 109. And the like to create a current command and output it to the current control unit 108.
  • the current control unit 108 generates a PWM command so that the detected motor current has a desired current value given by the current command, as in the first embodiment.
  • the optimum control unit 113 evaluates the position, the acceleration, the speed command, and the kinetic energy of the door by the evaluation index.
  • the position and acceleration to be evaluated are the position response of the door mechanism and the acceleration which is the state quantity, which are calculated by the door model 114, respectively.
  • the optimum control unit 113 calculates a speed command which minimizes the evaluation function J as shown in equation (11) as an evaluation index. As a result, it is possible to obtain a speed pattern that can be opened and closed at the highest speed within the constraint condition while suppressing the vibration of the door.
  • p d is a position response
  • p ref is a position command value
  • a d is a value of acceleration which is a state quantity
  • a ref is an acceleration command value
  • u is from the optimum control unit 113 to the speed control unit 202
  • V is the kinetic energy of the door.
  • w 1 to w 4 are weighting factors, and the balance of each weight is adjusted by analysis and testing.
  • Equation (9) indicates the maximum value / minimum value of the speed command.
  • the first term indicates the tracking error of the position
  • the second term indicates the tracking error of the acceleration.
  • FIG. 7 shows the velocity command (velocity pattern) and velocity waveform of the door by model predictive control in the second embodiment.
  • the position pattern (position command) generated by the position command generation unit 201 is also described.
  • FIG. 7 shows velocity patterns and velocity waveforms when the door is opened.
  • the position A where the engaging elements of the car side door and the landing side door contact each other is set as a position command, and then the open end position B of the door is set as a position command.
  • the velocity pattern generated in the second embodiment differs in shape from the velocity pattern shown in FIG. 2 in order to minimize the door open / close time.
  • the opening and closing of the door is often controlled by a speed control system, and a speed pattern as shown in FIG. 2 is applied.
  • the velocity pattern of FIG. 2 has a low speed zone near the open and closed ends and a high speed zone at the center between the two ends.
  • the low speed region is provided in consideration of noise reduction at the start of opening and closing, and reduction of impact force received by the door.
  • the shape of the velocity pattern as shown in FIG. 2 is obtained empirically.
  • the open / close time is not necessarily the shortest.
  • the second embodiment by solving the optimal control problem, it is possible to obtain the shape of the speed pattern which minimizes the switching speed.
  • the speed command is set by the optimal control that evaluates the position and the acceleration of the door together, so the door can be the fastest while achieving both the position following ability and the vibration suppression performance. Can be opened and closed.
  • the kinetic energy of the door is evaluated under constraints, safety is ensured even when a passenger comes in contact with the door, and energy saving is improved.
  • the speed command pattern is obtained in advance by solving the optimal control problem for the position pattern as shown in FIG. 7 without sequentially calculating the inverter device according to the obtained speed command pattern. It is also possible to control 105.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, but includes various modifications.
  • the embodiments described above are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • the door may be either single-sided or double-sided.
  • the number of door panels to be opened and closed may be arbitrary.
  • the driving force of the door motor may be transmitted to the door through the link mechanism.
  • the model of the door mechanism may be represented not only by the state equation but also by a differential equation or the like.

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Abstract

速度追従性能と振動抑制性能を両立させるとともに、安全性を確保できるエレベーターのドア制御装置ならびにそれを用いるエレベーターのドア駆動システムを提供する。エレベーターのドア制御装置は、乗りかご(103)に設けられるドア機構を駆動するための制御指令を、ドア動作状態の目標指令に応じて出力するものであって、制御入力に応じて、制御指令を作成する制御部(108)と、ドア動作状態および制御入力を併せて評価する評価指標を有し、評価指標を最適化する制御入力を演算し、演算される制御入力を制御部へ出力する最適制御部(113)と、を備える。

Description

エレベーターのドア制御装置ならびにエレベーターのドア駆動システム
 本発明はエレベーターのドア制御装置、ならびにそれを用いるエレベーターのドア駆動システムに関する。
 エレベーターのドア制御装置は、かご側に取り付けられており、モータの動力によってドアパネルをスライドさせることにより、ドアの開閉動作を制御する。
 ドアパネルは、プーリに巻き掛けられる無端状のベルト(Vベルト、歯付ベルトなど)または鋼線ロープに結合される。モータの動力によってベルトまたは鋼線ロープが駆動されると、ドアパネルがともに動いて左右にスライドする。
 ドアパネルは、かご出入口の上部に設けられるドアレールに懸架される。また、ドアパネルの下部に設けられるドアシューが、かご床部における敷居(シル)の溝に、摺動可能に係合する。ドアパネルは、ドアレールおよび敷居の溝に案内されて、出入口からずれることなく一定方向にスライドする。
 かごが着床している時、乗場側ドアとかご側ドアは、各ドアに設けられる係合子によって互いに係合される。これにより、かご側のドアが駆動されると乗場側ドアも駆動されるので、両ドアは同時に開閉する。
 上述のような機構を備えるドアの開閉制御においては、速度追従性能と振動抑制性能の両立が要求される。速度追従性能が低いと、速度誤差に伴って位置誤差が生じるため、ドアが、速度指令に応じた所望の距離を正確に移動できなくなる。これにより、ドアの減速開始位置が所定位置からずれるため、ドアが開端部あるいは閉端部に衝突したり、ドアが開端部あるいは閉端部まで移動する時間が長くなったりする。また、振動抑制性能が低いと、ドアが振動して騒音が発生したり、低周波数で共振して機構部が破損したりする。
 速度追従性能と振動抑制性能は、通常の比例積分制御(PI制御)ではトレードオフの関係にあるので、所望の性能を得るために、ドア機構やその動作状態に応じて制御ゲインや制御指令の調整が必要となる。
 たとえば、ドアの重量やドア開閉時の制御データの履歴に基づいて、制御ゲインを変更したり(特許文献1および特許文献2参照)、速度指令のパターンを変更したりする(特許文献3参照)。
 また、ドアの開閉制御においては、安全性も要求される。これに対し、ドアが閉じる時の運動エネルギーが基準値を満たすように速度指令値を設定することにより、乗客がドアに挟まれた場合の衝撃が緩和される(特許文献4参照)。
特開平4-243791号公報 特開2000-159461号公報 特開2011-152973号公報 特開2009-155086号公報
 しかしながら、制御ゲインを変更すると、速度追従性は向上するものの、制御器の応答周波数が変化するため、ドア機構の共振周波数と制御器の応答帯域が重なると、振動や騒音が発生する。従って、振動抑制性能を満足できるとは限らない。
 また、速度指令のパターンを変更すると、ドアの運動エネルギーが変わるため、変更後のパターンによっては、ドアの運動エネルギーが大きくなる。従って、十分な安全性を確保することが難しくなる。
 また、運動エネルギーが基準値を満たすように速度指令値を設定するだけでは、十分な安全性を確保できても、速度追従性能および振動抑制性能の両立は難しい。
 そこで、本発明は、複数の性能を両立させることができるエレベーターのドア制御装置ならびにそれを用いるエレベーターのドア駆動システムを提供する。
 上記課題を解決するために、本発明によるエレベーターのドア制御装置は、乗りかごに設けられるドア機構を駆動するための制御指令を、ドア動作状態の目標指令に応じて出力するものであって、制御入力に応じて、制御指令を作成する制御部と、ドア動作状態および制御入力を併せて評価する評価指標を有し、評価指標を最適化する制御入力を演算し、演算される制御入力を制御部へ出力する最適制御部と、を備える。
 また、上記課題を解決するために、本発明によるエレベーターのドア駆動システムは、モータと、モータによって開閉駆動されるドアと、モータを駆動するインバータ装置とを備え、乗りかごに設けられるドア機構と、ドア機構を駆動するためにインバータ装置に与えられる制御指令を、ドア動作状態の目標指令に応じて出力するドア制御装置と、を備えるものであって、ドア制御装置は、制御入力に応じて、制御指令を作成する制御部と、ドア動作状態および制御入力を併せて評価する評価指標を有し、評価指標を最適化する制御入力を演算し、演算される制御入力を制御部へ出力する最適制御部と、を備える。
 本発明によれば、ドア動作状態に関する複数の性能を両立させることができる。
 上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例1であるエレベーターのドア制御装置を示す全体構成図である。 速度パターンの一例を示す。 実施例1におけるモデル予測制御によるドアの速度波形の一例を示す。 通常の比例積分制御による速度波形例を示す。 実施例1におけるモデル予測制御と比例積分制御とによる加速度波形例を示す。 実施例2であるエレベーターのドア制御装置を示す全体構成図である。 実施例2におけるモデル予測制御によるドアの速度指令および速度波形を示す。
 以下、本発明の実施形態について、下記の実施例1~2により、図面を用いながら説明する。なお、各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
 図1は、本発明の実施例1である、ドア制御装置(ドア制御コントローラ)を含む、エレベーターのドア駆動システムを示す全体構成図である。
 図1中、103は階床間を昇降するエレベーターの乗りかごであり、構成要素101,102,104~107によって乗りかご103のドア機構が構成される。101は直流電源、102は直流電源101によって充電される直流コンデンサ、104は乗りかご103のドアを開閉するドアモータ、105はドアモータ104を駆動するインバータ装置、106はドアモータ104に流れる電流を検出するモータ電流検出器、107はドアモータ104の回転数や回転子位置を検出するロータリーエンコーダを示す。本実施例1においては、ドアモータ104として、永久磁石同期モータが適用される。
 なお、ドア機構の構成要素としては、他に、ドアパネルが結合されて、ドアモータ104によって駆動される無端状のベルトなどがあるが、ドア機構自体は、公知の技術によるものであり、詳細な説明は省略する。
 図1中、108~117はインバータ装置105を制御するドア制御コントローラの構成要素を示す。なお、各構成要素については後述する。
 直流電源101の直流電力を直流コンデンサ102に充電することで、インバータ装置105への電圧一定の直流入力電力を得る。この直流入力電力は、ドア制御コントローラが出力する制御指令に応じてインバータ装置105を制御することで、交流電力に変換される。インバータ装置105から出力されるこの交流電力によってドアモータ104が回転されて、ドアの開閉が制御される。なお、本実施例1において、ドア制御コントローラが出力する制御指令は、インバータ装置105の主回路を構成する電力変換用半導体スイッチング素子のオン・オフを制御するPWM(Pulse Width Modulation)指令である。電力変換用半導体スイッチング素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)や接合形バイポーラトランジスタなどが適用できる。
 次に、ドア制御コントローラについて説明する。
 以下に詳述するように、本実施例1におけるドア制御コントローラは、ドア動作状態の目標指令である速度指令および加速度指令に応じて、ドア機構を駆動するための制御指令、すなわち前述のPWM指令を出力する。ここで、PWM指令は電流制御部108から出力されるが、この時、電流制御部108への制御入力である電流指令(モータ電流の指令値)は、いわゆる最適制御を適用して作成される。
 モータ電流検出器106で検出されるモータ電流の値がドア制御コントローラに取り込まれ、電流制御部108に入力される。電流制御部108は、永久磁石同期モータを制御するためのベクトル制御により、検出されるモータ電流が電流指令によって与えられる所望の電流値となるようにdq軸電圧指令を作成する。さらに、電流制御部108は、dq軸電圧指令を2相3相座標変換により三相電圧指令に変換し、この三相電圧指令に基づいて作成するPWM指令をインバータ装置105における電力変換用半導体スイッチング素子へ出力する。
 また、ロータリーエンコーダ107は、ドアモータ104の回転に同期してパルス信号を出力する。このパルス信号は、速度検出部109に入力される。速度検出部109は、入力されるパルス信号の間隔や単位時間あたりのパルス数などから、ドアモータ104の速度を検出し、その速度情報を速度帰還値として、最適制御部113へ出力する。
 加速度センサ116は、ドアの振動状態を示すドアの加速度を検出する。検出された加速度は加速度検出部117に入力される。加速度検出部117は、入力される加速度のアナログ信号をD/A変換することで加速度情報とし、その加速度情報を加速度帰還値として、最適制御部113へ出力する。加速度センサ116としては、たとえば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)が利用される3軸加速度センサなどが適用される。
 なお、本実施例1では、速度および加速度がそれぞれセンシングされるが、これに限らず、速度情報を微分して加速度情報を算出したり、速度および加速度をオブザーバやカルマンフィルタなどを用いて推定したりしてもよい。
 加速度指令生成部110は、ドアの振動加速度に対する指令値を生成して、最適制御部113へ出力する。なお、通常、ドアの振動を抑えるため、指令値は零である。
 速度指令生成部111は、速度指令すなわちドアの速度パターンを生成して、最適制御部113へ出力する。速度パターンの一例を図2に示す。なお、図2には、対応する加速度パターン、すなわちドア走行方向の加速度を併記する。
 図2に示すように、ドアを開閉させるときの速度パターンは、ドア走行開始時およびドア停止時、すなわち戸の開閉端部では低速であり、間口すなわちドア走行範囲の中央付近で最大速度となる。本速度パターンは、図2に示すように、いわば帽子(ハット)型の速度パターンである。
 最適制御部113(図1)は、ドアの機構部分に関する運動方程式で表現されるドアモデル114と、最適制御問題を解くためのソルバである最適化器115を備える。最適制御部113は、加速度指令生成部110から入力する加速度指令と、速度指令生成部111から入力する速度パターン(速度指令)とに基づいて、速度検出部109で検出される速度帰還値が速度指令に追従するように、かつ加速度検出部117で検出される加速度帰還値が加速度指令に追従してドアの振動が抑えられるように、電流指令を、最適制御問題を解くことにより作成して、電流制御部108へ出力する。
 本実施例1において、ドアモデル114における運動方程式は、状態量として速度および加速度を含むいわゆる状態方程式によって表わされる。さらに、運動方程式はドア駆動力を含む。駆動力は、ドアモータ104のトルクによって与えられるので、ドアモータ104に流れるモータ電流に依存する。そこで、本実施例1において、ドア駆動力は、最適制御部113から電流制御部108へ出力される電流指令で表され、運動方程式は電流指令を含む。
 ここで、最適制御部113においては、ドア動作状態である速度および加速度、ならびにドア駆動力を与える電流指令が、後述するように所定の評価指標により、併せて総合的に評価される。最適制御部113は、評価指標を最適化する電流指令を演算し、演算した電流指令を、制御入力として電流制御部に与える。なお、本実施例1においては、評価指標が所定の関数(評価関数)によって表わされる。
 ここで、評価する速度および加速度は、それぞれ、ドアモデル114によって演算される、ドア機構の速度応答および加速度応答である。なお、追従性を評価するために、評価指標においては、速度指令と速度応答との差分、並びに加速度指令と加速度応答との差分を評価値とする。また、本実施例1においては、安全性を確保するため、速度応答および加速度応答に応じたドアの運動エネルギーを評価する。従って、ドアの運動エネルギーも、評価指標における評価値とする。
 なお、本実施例1において、最適制御における評価指標は、上記の各評価値を変数とする所定の関数(評価関数)によって表わされる。
 さらに、本実施例1において、最適制御部113は、現時点において加速度検出部117および速度検出部109がそれぞれ出力する加速度帰還値および速度帰還値を初期値として、ドアモデル114を用いて、現時点から所定時間分の将来(以下、「予測期間」と記す)の速度応答および加速度応答を演算する。最適制御部113は、演算された各応答について評価値を演算し、最適化器115を用いて、電流指令を含めて各評価値を含む評価関数について、予測期間における所定時間分の積分値が最適(例えば、最小もしくは最大)になる場合の電流指令を演算する。なお、具体的な演算手段については後述する。
 制約条件記憶部112は、最適制御部113が最適制御問題を解くための制約条件を記憶する。従って、最適制御部113は、制約条件記憶部112から制約条件を読み出し、読み出した制約条件のもとで最適制御を実行する。制約条件は、たとえば、「速度検出値の最大値および最小値」、「電流指令の最大値および最小値」、「電流指令の傾きの最大値および最小値」、「ドアの運動エネルギーの最大値および最小値」である。これらは、いわば、最適制御部113の入出力の最大・最小値や入出力の傾きの最大・最小値である。
 なお、最適制御問題において、ドアモデル114における状態量(状態方程式)を制約条件とすることもできる。たとえば、ドア機構部の運動方程式の出力部(出力方程式)にドア端の速度が含まれる場合、ドア端の速度に関する状態量を制約条件にすることができる。この場合、ドア端の速度とドアの運動エネルギーとは対応するので、運動エネルギーを運動方程式の出力部に追加して、ドアモデル114に運動エネルギーを新たな状態量として追加することにより、制約条件を変形して用いても良い。
 以下、最適制御部113における演算手段について説明する。なお、まず、最適制御問題の一般論に沿って説明し、次に、本実施例1に適用される演算手段について説明する。
 最適制御部113は、有限時間の範囲内(予測期間)で、状態フィードバック制御則を求めることが問題として設定される最適制御問題を解くことにより出力(電流指令)を決定する。このような制御は、一般的には、「モデル予測制御(Model Predictive Control:MPCと略記される)」、または「receding horizon 制御(RH制御と略記される)と呼ばれる。ここで、ドアの状態方程式を時不変として式(1)で定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 x(t)は状態ベクトルであり、ドアの速度、加速度、運動エネルギーなどを状態量とする。またu(t)は制御入力ベクトルであり、電流指令やトルク指令に対応する。
 式(1)によって表わされるドアモデルとしては、たとえば、モータからドアパネルまで含めて一つの慣性とするモデルや、モータと接続されているベルトをばね・ダンパとするモデルなどがある。適用するモデルは、要求される制御性能(制振性能や追従性能など)に応じて、適宜選択される。一般的には、より高次化したモデルが、制御性能が高いが、計算コストが高くなるので、計算コストも考慮してモデルを選択することが好ましい。
 本実施例1においては、適用されるモデルに関わらず、ドアの運動エネルギーを制約条件とする。これにより、運動エネルギーが過大あるいは過小になることなく、ドアを開閉することが可能となる。さらに、制約条件の範囲内で評価値(ドア速度およびドア加速度については、これらと指令値との差分)の時間積分、あるいはこれら評価値を含む評価関数の時間積分が最も小さくなるようにu(t)を設定することにより、制約条件を満足しつつ、速度追従性と振動抑制性能を共に向上することができる。
 モデル予測制御における最適制御問題では、システムの応答を最適化するために、式(2)のような評価関数Jが最小化されることが知られている。式(2)において、右辺第一項および積分されるLは、スカラー値関数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、tは制御する現在時刻、Tは評価をする将来の時間である評価区間長さを示しており、この区間内で、Jを最小にする制御入力ベクトルu(t)を演算する。これにより、有限な将来時間までの最適な制御入力を求めることができる。
 制御入力ベクトルu(t)を求めるために、式(3)のようなハミルトニアンHが導入される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 式(3)のハミルトニアンHを導入すると、評価関数Jの第一変分の停留条件から導かれる式(5)~(7)ならびに状態方程式(式(4))から、u(t)を求めることができることが知られている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、λは随伴変数ベクトル、μは終端状態量固定条件に対するラグランジュ乗数ベクトルである。モデル予測制御(MPC)においては、各時刻において、状態量xを初期値として、上記の式を数値解析的に解くことで、評価関数Jを最小にする最適な制御入力uoptを求めることができる。なお、数値解析的に解く方法としては、間接法として、勾配法であるニュートン法や最急降下法などが知られている。また、直接法として、非線形計画問題に変換し、有効制約法や内点法を用いる解法が知られている。
 本実施例1においては、速度追従性能と振動抑制性能を両立させ、同時に制約条件(運動エネルギー)を満足するために、式(8)のように複数の評価値を含む二次形式の評価関数Jが設定される。また、式(9)および式(10)は制約条件を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 式(8)において、vは速度応答、vrefは速度指令値、aは加速度応答、arefは加速度指令値、uは電流指令の大きさ、Vは運動エネルギーを示す。また、w~wは重み係数であり、各重みのバランスは、解析や試験によって調整される。
 式(9)は電流指令の最大値・最小値を示している。式(9)の制約条件により、出力の急激な変化が抑制される。式(10)は、運動エネルギーの最大値・最小値を示している。式(10)の制約条件により、ドアの移動時の運動エネルギーが、過大もしくは過小にならないように制御される。
 式(8)において、第一項は速度の追従誤差を示し、第二項は加速度の追従誤差を示す。このように、これらの項が評価関数に含まれることにより、速度追従性能と振動抑制性能が両立する。
 上述のように、式(3)~(7)を用いて、式(8)の評価関数Jを最小にする最適な制御入力uopt(電流指令)を、数値解析的に求めることができる。このとき、所定の時間間隔で、上述の予測期間についての演算を繰り返し、各時点における演算によって、逐次、uoptが設定される。
 図3は、本実施例1におけるモデル予測制御によるドアの速度波形の一例を示す。なお、図3中には、速度指令(速度パターン)を併記する。
 図3に示すように、速度波形の形状は速度パターンに実質的に一致している。このように、本実施例1は良好な速度追従性能を示す。
 図4は、比較例として、通常の比例積分制御による速度波形例を示す。図4の波形例においては、本実施例1(図3)とは異なり、速度のピーク付近などにおいて、速度パターンからのずれがある。
 図5は、本実施例1におけるモデル予測制御(MPC)と、比例積分制御(PI制御)とによる、ドアの加速度波形例を示す。
 図5に示すように、本実施例1におけるモデル予測制御(MPC)によれば、良好な速度追従性を確保しながら(図3)、ドアの振動を抑えることができる。
 上述のように、本実施例1によれば、ドアの速度および加速度を併せて評価する最適制御により、電流指令が設定されるので、速度追従性と振動抑制性能を両立させることが可能となる。また、ドアの運動エネルギーを制約条件のもとで評価するので、乗客がドアに接触した場合にも安全性が確保されるとともに、省エネルギー性が向上する。
 また、本実施例1においては、複数の制御性能(速度追従性、振動抑制)およびドアの運動エネルギーを、一つの評価関数によって、一括して評価するため、複数の制御性能および運動エネルギーのバランスをとるために、制御ゲインを複雑に調整したり、制御系を再設計したりすることを不要にできる。
 なお、本実施例1のように、逐次演算することなく、図2のような所定の速度パターンに対し、最適制御問題を解くことにより、予め電流指令パターンを求め、求められた電流指令パターンに従ってインバータ装置105を制御することも可能である。
 図6は、本発明の実施例2である、ドア制御装置(ドア制御コントローラ)を含む、エレベーターのドア駆動システムを示す全体構成図である。以下、主に、実施例1と異なる点について説明する。
 本実施例2においては、位置指令生成部201により生成される位置パターン(位置指令)が、最適制御部113に入力される。また、位置検出部203は、速度検出部109から出力される速度情報を積分して、ドア(またはモータ)の位置(移動距離)を演算する。演算される位置情報は、位置帰還値として最適制御部113へ入力される。
 最適制御部113は、位置指令と、加速度指令生成部110により生成される加速度指令とに基づいて、位置帰還値が位置指令に追従するように、かつドアモデル114における状態量である加速度が加速度指令に追従してドアの振動が抑えられるように、速度指令を、最適制御問題を解くことにより作成して、速度制御部202へ出力する。
 本実施例2において、PWM指令を作成する制御部は、電流制御部108と速度制御部202によって構成される。速度制御部202は、最適制御部113から入力する速度指令と、速度検出部109よりフィードバックされる速度情報帰還値とに基づいて、速度情報帰還値が速度指令に追従するように、比例積分制御などにより電流指令を作成して、電流制御部108へ出力する。電流制御部108は、実施例1と同様に、検出されるモータ電流が電流指令によって与えられる所望の電流値となるようにPWM指令を作成する。
 本実施例2においては、最適制御部113は、評価指標により、位置、加速度、速度指令、ドアの運動エネルギーを評価する。ここで、評価される位置および加速度は、それぞれ、ドアモデル114によって演算される、ドア機構の位置応答、および状態量である加速度である。
 本実施例2においては、最適制御部113が、評価指標として式(11)のような評価関数Jを最小とする速度指令を演算する。これにより、ドアの振動を抑えつつ、制約条件の範囲で最速で開閉されるような速度パターンが得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 式(11)において、pは位置応答、prefは位置指令値、aは状態量である加速度の値、arefは加速度指令値、uは最適制御部113から速度制御部202への制御入力(速度指令)の大きさ、Vはドアの運動エネルギーである。w~wは重み係数であり、各重みのバランスは、解析や試験によって調整される。
 本実施例2においても、制約条件は、式(9)および式(10)で示される。ただし、式(9)は、速度指令の最大値・最小値を示す。
 式(11)において、第一項は位置の追従誤差を示し、第二項は加速度の追従誤差を示す。このように、これらの項が評価関数に含まれることにより、位置追従性能と振動抑制性能が両立するとともに、位置の追従誤差を最小とすることで、制約条件のもとで、最短時間でドアが開閉する速度パターンが作成される。
 図7は、本実施例2におけるモデル予測制御によるドアの速度指令(速度パターン)および速度波形を示す。図7中に、位置指令生成部201によって生成される位置パターン(位置指令)を併記する。
 図7は、ドア開時における速度パターンおよび速度波形を示す。ドア始動時はドアの係合部の騒音を低減するために、かご側および乗場側ドアの係合子同士が接触する位置Aを位置指令とし、その後ドアの開端位置Bを位置指令とする。
 図7に示すように、本実施例2において生成される速度パターンは、ドアの開閉時間を最短にするために、図2に示す速度パターンとは形状が異なる。
 通常、ドアの開閉は、速度制御系で制御されることが多く、図2に示すような速度パターンが適用される。図2の速度パターンは、開端および閉端付近における低速域と、両端間の中央部における高速域を有している。低速域は、開閉開始時における騒音低減や、ドアが受ける衝撃力低減を考慮して設けられる。図2のような速度パターンの形状は、経験的に取得されたものである。しかし、図2のような速度パターンでは、開閉時間が最短とは限らない。これに対し、本実施例2では、最適制御問題を解くことによって、開閉速度が最短となる速度パターンの形状が得られる。
 上述のように、本実施例2によれば、ドアの位置および加速度を併せて評価する最適制御により、速度指令が設定されるので、位置追従性と振動抑制性能を両立させながら、最速でドアを開閉することができる。また、ドアの運動エネルギーを制約条件のもとで評価するので、乗客がドアに接触した場合にも安全性が確保されるとともに、省エネルギー性が向上する。
 また、本実施例2においては、複数の制御性能(位置追従性、振動抑制)およびドアの運動エネルギーを、一つの評価関数によって、一括して評価するため、複数の制御性能および運動エネルギーのバランスをとるために、制御ゲインを複雑に調整したり、制御系を再設計したりすることを不要にできる。
 なお、本実施例2のように、逐次演算することなく、図7のような位置パターンに対し、最適制御問題を解くことにより、予め速度指令パターンを求め、求められた速度指令パターンに従ってインバータ装置105を制御することも可能である。
 なお、本発明は前述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、前述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、必ずしも説明した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、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
 例えば、ドアは、片開き形および両開き形のいずれでも良い。また、開閉するドアパネルの枚数は任意で良い。また、ドアモータの駆動力がリンク機構を介してドアに伝えられても良い。また、ドア機構のモデルは、状態方程式に限らず、微分方程式などによって表わされても良い。
101 直流電源、102 直流コンデンサ、103 乗りかご、104 ドアモータ、105 インバータ装置、106 モータ電流検出器、107 ロータリーエンコーダ、108 電流制御部、109 速度検出部、110 加速度指令生成部、111 速度指令生成部、112 制約条件記憶部、113 最適制御部、114 ドアモデル、115 最適化器、116 加速度センサ、117 加速度検出部、201 位置指令生成部、202 速度制御部、203 位置検出部

Claims (15)

  1.  乗りかごに設けられるドア機構を駆動するための制御指令を、ドア動作状態の目標指令に応じて出力するエレベーターのドア制御装置において、
     制御入力に応じて、前記制御指令を作成する制御部と、
     前記ドア動作状態および前記制御入力を併せて評価する評価指標を有し、前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算し、演算される前記制御入力を前記制御部へ出力する最適制御部と、
    を備えることを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  2.  請求項1に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記最適制御部は、
     前記ドア機構のモデルを有し、
     前記モデルによって前記ドア動作状態を演算し、演算される前記ドア動作状態に基づいて、前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算することを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  3.  請求項2に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記最適制御部は、
     前記モデルによって現時刻から所定時間までの予測区間における前記ドア動作状態を演算し、演算される前記ドア動作状態に基づいて、前記予測区間における前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算することを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  4.  請求項3に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記ドア機構の前記ドア動作状態を検出する検出部を備え、
     前記最適制御部は、
     前記検出部からの前記ドア動作状態の帰還値を初期値として、前記ドア動作状態を演算することを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  5.  請求項3に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記最適制御部は、
     所定の制約条件のもとで前記制御入力を演算することを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  6.  請求項5に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記制約条件がドアの運動エネルギーであり、
     前記評価指標は、前記ドア動作状態および前記制御入力とともに、前記運動エネルギーを評価することを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  7.  請求項3に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記評価指標は、前記ドア動作状態と前記目標指令との差分によって前記ドア動作状態を評価することを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  8.  請求項1に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記評価指標は、前記ドア動作状態および前記制御入力を変数として含む関数の積分であり、
     前記最適制御部は、前記積分を最小にする前記制御入力を演算することを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  9.  請求項3に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記評価指標は、前記ドア動作状態および前記制御入力を変数として含む関数の積分であり、
     前記最適制御部は、前記予測区間における前記積分を最小にする前記制御入力を演算することを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  10.  請求項8または請求項9に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記関数は二次形式であることを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  11.  請求項1または請求項3に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記ドア動作状態は、前記ドア機構におけるドアの加速度を含むことを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  12.  請求項1または請求項3に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記ドア動作状態が、前記ドア機構におけるドアの速度および加速度であり、
     前記制御入力が電流指令であることを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  13.  請求項1または請求項3に記載されるエレベーターのドア制御装置において、
     前記ドア動作状態が、前記ドア機構におけるドアの位置および加速度であり、
     前記制御入力が速度指令であることを特徴とするエレベーターのドア制御装置。
  14.  モータと、前記モータによって開閉駆動されるドアと、前記モータを駆動するインバータ装置とを備え、乗りかごに設けられるドア機構と、
     前記ドア機構を駆動するために前記インバータ装置に与えられる制御指令を、ドア動作状態の目標指令に応じて出力するドア制御装置と、
    を備えるエレベーターのドア駆動システムにおいて、
     前記ドア制御装置は、
     制御入力に応じて、前記制御指令を作成する制御部と、
     前記ドア動作状態および前記制御入力を併せて評価する評価指標を有し、前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算し、演算される前記制御入力を前記制御部へ出力する最適制御部と、
    を備えることを特徴とするエレベーターのドア駆動システム。
  15.  請求項14に記載されるエレベーターのドア駆動システムにおいて、
     前記最適制御部は、
     前記ドア機構のモデルを有し、
     前記モデルによって現時刻から所定時間までの予測区間における前記ドア動作状態を演算し、演算される前記ドア動作状態に基づいて、前記予測区間における前記評価指標を最適化する前記制御入力を演算することを特徴とするエレベーターのドア駆動システム。
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