特許 6203334 エレベータのアクティブ制振装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6203334

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】エレベータのアクティブ制振装置

(51)【国際特許分類】

   B66B 11/02 20060101AFI20170914BHJP

   B66B 7/04 20060101ALI20170914BHJP

【ＦＩ】

   B66B11/02 D

   B66B7/04 C

【請求項の数】10

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2016-112590(P2016-112590)

(22)【出願日】2016年6月6日

【審査請求日】2016年6月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】390025265

【氏名又は名称】東芝エレベータ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平井 正昭

(72)【発明者】

【氏名】中田 好彦

(72)【発明者】

【氏名】丸山 裕

(72)【発明者】

【氏名】田中 翔

(72)【発明者】

【氏名】村尾 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】藤原 琢也

(72)【発明者】

【氏名】志岐 知洋

【審査官】 岡崎 克彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−３１０３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０４１６２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６６Ｂ １１／００−１１／０８

Ｂ６６Ｂ ７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガイドレールに沿って昇降する乗りかごと、
この乗りかごの上記ガイドレールと対向する部分に設置された制振機構と、
上記乗りかごの水平方向の振動を検出する少なくとも１つのセンサと、
上記ガイドレールの撓みと上記乗りかごの水平方向の振動との関係を理論的に表した数学モデルを有し、上記センサの信号と上記数学モデルを用いて、走行時に上記乗りかごの振動原因となる上記ガイドレールの撓み量を略リアルタイムに推定する推定手段と、
この推定手段による推定結果に基づいて上記乗りかごの振動を抑制する方向に上記制振機構を制御する制御手段とを具備し、
上記数学モデルは、
上記ガイドレールの撓みによって上記乗りかごが受ける水平方向の振動特性を状態方程式の形で表現したかご振動モデルと、上記ガイドレールの撓みが所定の規則特性をもって変化するものと仮定して状態方程式の形で表現したレール変位モデルとを組み合わせた拡張状態方程式モデルからなることを特徴とするエレベータのアクティブ制振装置。

【請求項2】

上記推定手段は、
上記センサの信号から実際の状態量として得られる上記乗りかごの振動速度と振動変位を上記拡張状態方程式モデルに入力し、走行時に上記乗りかごに働く強制変位と変位速度を算出し、
上記制御手段は、
上記推定手段によって算出された強制変位と変位速度に基づいて上記乗りかごの振動を抑制する方向に上記制振機構を制御することを特徴とする請求項１記載のエレベータのアクティブ制振装置。

【請求項3】

上記レール変位モデルは、
上記ガイドレールの撓みが一定の周期で振幅と位相のみが変化している略正弦波の特性を持つものと仮定してモデル化されていることを特徴とする請求項１記載のエレベータのアクティブ制振装置。

【請求項4】

上記レール変位モデルは、
上記ガイドレールの撓みが上記ガイドレールをシャフト内に固定するためのブラケットの設置間隔毎の周期を有する略正弦波の特性を持つものと仮定してモデル化されていることを特徴とする請求項３記載のエレベータのアクティブ制振装置。

【請求項5】

上記レール変位モデルは、
上記ガイドレールの撓みが上記ガイドレールを構成する複数本のレール部材の継ぎ目の間隔毎の周期を有する略正弦波の特性を持つものと仮定してモデル化されていることを特徴とする請求項３記載のエレベータのアクティブ制振装置。

【請求項6】

上記レール変位モデルは、
上記ガイドレールの撓みが上記ガイドレールをシャフト内に固定するためのブラケットの設置間隔毎の第１の周期と上記ガイドレールを構成する複数本のレール部材の継ぎ目の間隔毎の第２の周期を有する略正弦波の特性を持つものと仮定してモデル化されていることを特徴とする請求項３記載のエレベータのアクティブ制振装置。

【請求項7】

上記レール変位モデルは、
上記ガイドレールの撓みが制振演算速度と比較して非常になだらかに変化するステップ波の特性を持つものと仮定してモデル化されていることを特徴とする請求項１記載のエレベータのアクティブ制振装置。

【請求項8】

上記かご振動モデルは、
上記乗りかごの重心の水平振動と重心周りの回転振動の２つの振動自由度を持つ振動系をモデル化したものであることを特徴とする請求項１記載のエレベータのアクティブ制振装置。

【請求項9】

上記かご振動モデルは、
上記乗りかごを構成するかご枠とかご室を別体として、上記かご枠の重心の水平振動と重心周りの回転振動と上記かご室の重心の水平振動と重心周りの回転振動の４つの振動自由度を持つ振動系をモデル化したものであることを特徴とする請求項１記載のエレベータのアクティブ制振装置。

【請求項10】

上記推定手段は、
上記かご振動モデルを用いて上記かご室に加わる加振力を推定し、
上記制御手段は、
上記推定手段の推定結果に基づいて、上記かご室に加わる加振力を抑制する方向に上記かご枠と上記かご室との間に設けられたアクチュエータをフィードフォワード制御することを特徴とする請求項９記載のエレベータのアクティブ制振装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、乗りかごの走行中の振動を抑制するエレベータのアクティブ制振装置に関する。

【背景技術】

【0002】

エレベータの高速化により、乗りかごの走行中の振動（水平振動）を抑制する技術の重要性が高まっている。なお、走行中に生じる振動の最大の原因は、ガイドレールの微小な撓みにある。すなわち、乗りかごがガイドレールに沿って走行しているときに、不規則に変化する撓みによって強制変位が働き、乗りかごを水平方向に振動する。

【0003】

そこで、乗りかごの振動を能動的に抑制する技術が提案されている。その技術の１つとして、予めガイドレールの撓み量をかご位置と関連付けてメモリに記憶しておく方法がある。すなわち、走行中に現在のかご位置におけるガイドレールの撓み量をメモリから読み出し、その撓み量を打ち消すように制振機構をフィードフォワード制御する。

【0004】

また、別の方法として、走行時に乗りかごとガイドレール間の相対変位を逐次測定し、その測定結果に基づいて制振機構をフィードフォワード的に制御する方法がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第２７５６２０８号公報

【特許文献2】特許第２８６５９４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、ガイドレールの撓み状態は常に一定ではなく、温度、湿度などで微妙に変化する。また、経年的な形状変化もある。したがって、事前にメモリに記憶された撓み量では必ずしも振動を抑制できないことがあり、場合によっては制振機構を逆方向に動かして振動を増長させてしまう可能性もある。

【0007】

また、走行時に相対変位を逐次測定する方法では、その測定のためのセンサ自体が乗りかごと共に常に揺られているので、測定結果に誤差を含み、振動を確実に抑制することができない。

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、走行時にガイドレールの撓みによって発生する乗りかごの振動を高精度に抑制することのできるエレベータのアクティブ制振装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

一実施形態に係るエレベータのアクティブ制振装置は、ガイドレールに沿って昇降する乗りかごと、この乗りかごの上記ガイドレールと対向する部分に設置された制振機構と、上記乗りかごの水平方向の振動を検出する少なくとも１つのセンサと、上記ガイドレールの撓みと上記乗りかごの水平方向の振動との関係を理論的に表した数学モデルを有し、上記センサの信号と上記数学モデルを用いて、走行時に上記乗りかごの振動原因となる上記ガイドレールの撓み量を略リアルタイムに推定する推定手段と、この推定手段による推定結果に基づいて上記乗りかごの振動を抑制する方向に上記制振機構を制御する制御手段とを具備する。
上記数学モデルは、上記ガイドレールの撓みによって上記乗りかごが受ける水平方向の振動特性を状態方程式の形で表現したかご振動モデルと、上記ガイドレールの撓みが所定の規則特性をもって変化するものと仮定して状態方程式の形で表現したレール変位モデルとを組み合わせた拡張状態方程式モデルからなることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は第１の実施形態に係るエレベータのアクティブ制振装置の構成を模式的に示す図である。

【図2】図２は同実施形態における乗りかごに設けられたアクティブローラガイドの構成を示す図である。

【図3】図３は同実施形態におけるアクティブローラガイドの制御システムの構成を示す図である。

【図4】図４は同実施形態における制御装置の機能構成を示すブロック図である。

【図5】図５は同実施形態における４状態量から２状態量を推定する最小次元オブザーバの構成を説明するための図である。

【図6】図６は同実施形態における８状態量から４状態量を推定する最小次元オブザーバの構成を説明するための図である。

【図7】図７は同実施形態におけるレール変位推定ブロックの処理を模式的に示す図である。

【図8】図８は同実施形態における２振動自由度の振動系モデルを説明するための図である。

【図9】図９は同実施形態におけるガイドレールの撓み状態の特徴を説明するための図である。

【図10】図１０は同実施形態におけるガイドレールの撓み波形の振幅成分と周期との関係を示す図である。

【図11】図１１は同実施形態におけるアクティブローラガイドがレール撓みによる強制変位を受けたときの様子を示す図であり、図１１（ａ）は変位前の状態、同図（ｂ）は変位後の状態を示している。

【図12】図１２は同実施形態におけるフィードフォワード制御ブロックの処理を模式的に示す図である。

【図13】図１３は同実施形態におけるガイドレールの撓み量と推定結果とを比較して示す図である。

【図14】図１４は同実施形態における乗りかごの振動と振動抑制結果とを比較して示す図である。

【図15】図１５は第２の実施形態における制御装置の機能構成を示すブロック図である。

【図16】図１６は第３の実施形態におけるレール変位モデルを説明するための図である。

【図17】図１７は第４の実施形態に係るエレベータのアクティブ制振装置の構成を模式的に示す図である。

【図18】図１８は同実施形態におけるレール変位推定ブロックに実装される最小次元オブザーバの処理を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

【0012】

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係るエレベータのアクティブ制振装置の構成を模式的に示す図である。

【0013】

エレベータのシャフト１内に、一対のガイドレール２−１，２−２が立設されている。ガイドレール２−１，２−２は、シャフト１の壁面に垂直方向に等間隔に配置された多数のブラケット３によって固定されている。乗りかご５は、ガイドレール２−１，２−２に昇降自在に支持されている。図示せぬ巻上機の駆動により、乗りかご５は、ロープ４を介してシャフト１内を昇降動作する。

【0014】

ここで、乗りかご５の外枠を構成するかご枠６の４箇所にアクティブローラガイド７−１〜７−４が設置されている。アクティブローラガイド７−１〜７−４は、乗りかご５の振動を能動的に制振しながら走行案内するものである。このうち、アクティブローラガイド７−１と７−２は、かご枠６の上部と下部の一方側（図面の右側）に設けられ、一方のガイドレール２−１に当接している。アクティブローラガイド７−３と７−４は、かご枠６の上部と下部の他方側（図面の左側）に設けられて、他方のガイドレール２−２に当接している。

【0015】

また、乗りかご５内に２つの加速度センサ１５−１，１５−２が設置されている。具体的には、例えばかご枠６内の上端部の略中央に加速度センサ１５−１が設置され、かご枠６内の下端部の略中央に加速度センサ１５−２が設置されている。加速度センサ１５−１，１５−２は１軸加速度センサである。一方の加速度センサ１５−１は乗りかご５の上部のｘ方向（左右方向）の加速度を検出し、他方の加速度センサ１５−２は乗りかご５の下部のｘ方向（前後方向）の加速度を検出する。この上下の加速度信号を用いて、かご５の左右方向振動を制御する。

【0016】

なお、本実施形態では、左右方向の振動を低減する場合について説明するが、同じ方法でかごの前後方向の振動を低減しても良い。その場合、加速度センサ１５−１、１５−２は、それぞれに乗りかご５の前後方向の振動を検出する方向に設置する。左右方向の振動を低減するシステムと前後方向の振動を低減するシステムは、同時設置が可能である。その場合、ｘ方向とｙ方向の加速度を検出する構成として、１つの２軸加速度センサを用いて乗りかご５の上下に設置しても良い。また、加速度センサ１５−１、１５−２を乗りかご５の上下２か所に設置したのは、後述するかご振動の数学モデルを２自由度振動系として、重心の左右振動と回転振動を検出するためである。１自由度振動系としたモデル化した場合には、センサは１個で良い。

【0017】

以下では、左右方向の振動を低減する場合について説明する。

【0018】

通常、ガイドレール２−１，２−２は、所定の長さを有する複数本のレール部材を垂直方向に連結して構成されている。このガイドレール２−１，２−２を完全に垂直にして立設することは極めて困難であり、微小な撓み（曲がり）が存在する。この撓みが乗りかごの走行時に強制変位として働き、水平方向の揺れ（水平振動）を発生させる。このような水平振動を能動的に抑制するため、アクティブローラガイド７−１〜７−４には制振機構であるアクチュエータ１１−１〜１１−４が備えられている。

【0019】

図２は乗りかご５に設けられたアクティブローラガイド７−１の構成を示す図である。ここでは、かご枠６の上部右側に設けられたアクティブローラガイド７−１の構成を示すが、他のアクティブローラガイド７−２〜７−４についても同様の構成である。

【0020】

アクティブローラガイド７−１には、ガイドレール２−１に当接する案内車輪８−１と、案内車輪８−１を変位自在に支持する支持部材９−１、案内車輪８−１をガイドレール２−１に押し付けるスプリング１０−１が設けられている。なお、実際には、ガイドレール２−１を３方向から挟み込むための３個の案内車輪があるが、ここでは１個の案内車輪のみを示す。

【0021】

アクティブローラガイド７−１には、これらの一般的なガイド機構に加えて、制振用のアクチュエータ１１−１が備えられている。アクチュエータ１１−１は、乗りかご５と支持部材９との間に配置され、スプリング１０−１の押し付け力に加えて、任意の力を案内車輪８−１と乗りかご５との間に発生させる。

【0022】

図３はアクティブローラガイド７−１，７−２の制御システムの構成を示す図である。なお、ここではかご枠６の上部右側と下部右側に設けられたアクティブローラガイド７−１，７−２に対する制御システムの構成を示すが、他のアクティブローラガイド７−３，７−４についても同様の構成である。

【0023】

かご枠６に設けられた加速度センサ１５−１，１５−２の信号は、制御装置２０に入力される。加速度センサ１５−１，１５−２の信号がアナログ信号の場合には、図示せぬＡ／Ｄ変換器を介して制御装置２０に入力される。デジタル信号であれば、有線または無線により制御装置２０に直接入力される。

【0024】

制御装置２０は、マイクロコンピュータからなり、乗りかご５に設置されている。制御装置２０は、加速度センサ１５の信号に基づいて、所定の周期（例えば１ｍｓ周期）で乗りかご５の振動を低減させるための演算処理を実行する。

【0025】

駆動装置２１−１，２１−２は、乗りかご５内に設けられており、制御装置２０から出力される駆動制御信号（力指令信号または変位指令信号）に従ってアクチュエータ１１−１，１１−２を駆動する。実際にはアクチュエータ１１−３，１１−４に対応した駆動装置も設けられており、制御装置２０から出力される駆動制御信号（力指令信号または変位指令信号）に従ってアクチュエータ１１−３，１１−４を駆動する。これにより、乗りかご５が水平方向に振動したときに、その振動を抑える方向にアクチュエータ１１−１〜１１−４が作動して振動を抑制する。

【0026】

なお、水平振動は、左右方向（ｘ方向）の振動と、前後方向（ｙ方向）の振動がある。以下では、左右方向の振動を対象として説明するが、前後方向の振動も同様に適用可能である。

【0027】

ここで、本実施形態では、走行時に乗りかご５の振動原因となるガイドレール２−１，２−２の撓み量をオブザーバ（推定器）によりリアルタイムに推定する。そのための手法として、ガイドレール２−１，２−２の撓みと乗りかご５の振動（水平方向の振動）との関係を理論的に表した数学モデルを構築しておく。

【0028】

上記数学モデルは、「かご振動モデル」と「レール変位モデル」とを組み合わせた「拡張状態方程式モデル」からなる。

【0029】

・「かご振動モデル」は、ガイドレール２−１，２−２の撓みによって乗りかご５が水平方向に強制変位を受けた場合の振動特性を状態方程式の形で表現したものである（式（１）および式（２）参照）。

【0030】

・「レール変位モデル」は、ガイドレール２−１，２−２の撓みが所定の規則特性をもって変化するものと仮定して状態方程式の形で表現したものである（（式（３）および式（４）参照））。

【0031】

・「拡張状態方程式モデル」は、「かご振動モデル」と「レール変位モデル」とを組み合わせた状態方程式である（（式（５）および式（６）参照））。

【0032】

オブザーバは、加速度センサ１５−１，１５−２の信号から乗りかご５の状態量として得られる振動速度と振動変位を入力とし、拡張状態方程式モデルを用いてガイドレール２−１，２−２の撓み量を略リアルタイムに推定する。このオブザーバの推定結果に基づいてアクティブローラガイド７−１〜７−４の制振機構（アクチュエータ１１−１〜１１−４）をフィードフォワード制御することによって、あたかも、事前にガイドレール２−１，２−２の撓み量を学習したものと同様の制振効果を得ることができる。

【0033】

なお、「レール変位モデル」については、ガイドレール２−１，２−２の設置環境に着目して、ある仮定の下にモデル化されている。すなわち、ガイドレール２−１，２−２は、シャフト１の壁面に固定部材であるブラケット３によって固定される。固定点では撓み（曲がり）は抑制されるため、固定点を起点とした周期で撓みやすい。したがって、ガイドレール２−１，２−２の撓みはブラケット３の設置間隔毎の周期を有する略正弦波の特性をもって変化するものと仮定してモデル化する。

【0034】

以下に、具体的な構成について説明する。
図４は制御装置２０の機能構成を示すブロック図である。

【0035】

制御装置２０には、乗りかご５の水平振動を抑制するための機能として、レール変位推定ブロック３１、フィードフォワード制御ブロック３３、フィードバック制御ブロック３５が備えられている。加速度センサ１５−１，１５−２の出力である加速度信号１６−１，１６−２は、レール変位推定ブロック３１と共にフィードバック制御ブロック３５に与えられる。

【0036】

フィードバック制御ブロック３５は、加速度信号１６−１，１６−２を用いて所定の演算処理を行う。演算方法としては、例えば、加速度信号１６−１，１６−２を積分して振動速度に変換し、その値に所定のゲインを乗じた値をフィーバック制御信号３６−１，３６−２，…として出力する方法がある。この場合、フィーバック制御力は振動減衰力として作用し、乗りかご５に振動が発生したときに速やかに減衰させる効果を期待できる。

【0037】

別の方法として、かご振動特性を表す多自由度振動モデルを用いて、複数の加速度センサの信号を多自由度振動モデルに入力し、ＬＱ制御設計によりアクチュエータ１１−１〜１１−４の振動制御力を総合的に算出する方法もある。これについては、本発明の主要部分では無いので、詳細な説明は省略する。

【0038】

ここで、本実施形態では、制御装置２０にフィードバック制御ブロック３５とは別に、レール変位推定ブロック３１とフィードフォワード制御ブロック３３が備えられていることが特徴である。

【0039】

レール変位推定ブロック３１は、ガイドレール２−１，２−２の撓みによって乗りかご５が受ける水平方向の振動の特性を表す数学モデルを有し、加速度信号１６−１，１６−２の信号と上記数学モデルを用いて、走行時にガイドレール２−１，２−２の撓み量を略リアルタイムに推定する。

【0040】

詳しくは、「数学モデル」とは、上述した「拡張状態方程式モデル」のことであり、「かご振動モデル」と「レール変位モデル」からなる。レール変位推定ブロック３１は、加速度信号１６−１，１６−２の信号から実際の状態量として得られる振動速度と振動変位を「拡張状態方程式モデル」の「かご振動モデル」に入力する。これにより、「レール変位モデル」から現在のガイドレール２−１，２−２の撓み量に対応した強制変位とその時間微分である変位速度を算出する。

【0041】

オブザーバの設計によっても異なるが、推定演算のサンプリング周期をガイドレール２−１，２−２の撓み波形（撓み状態の時間的な変化を表した波形）の周期よりも早く設定すれば、略リアルタイムな推定が可能である。

【0042】

フィードフォワード制御ブロック３３は、レール変位推定ブロック３１から出力されるレール変位推定信号３２−１，３２−２…に基づいて所定の演算処理を行う。なお、レール変位推定信号３２−１，３２−２…は、アクティブローラガイド７−１〜７−４のアクチュエータ１１−１〜１１−４に対応して４つの信号からなる。フィードフォワード制御信号３４−１，３４−２…についても同様であり、アクティブローラガイド７−１〜７−４のアクチュエータ１１−１〜１１−４に対応して４つの信号からなる。

【0043】

フィードフォワード制御信号３４−１，３４−２…は、ガイドレール２−１，２−２の撓みによる強制変位と変位速度を打ち消す方向にアクチュエータ１１−１〜１１−４を駆動させるものとなる。詳細については後述する。

【0044】

最終的には、フィードバック制御信号３６−１，３６−２…とフィードフォワード制御信号３４−１，３４−２…を加算器３７−１，３７−２…でそれぞれに足し合わせた結果が振動制御信号３８−１，３８−２…となる。この振動制御信号３８−１，３８−２…は、図３に示した駆動装置２１−１，２１−２…に与えられ、アクティブローラガイド７−１〜７−４のアクチュエータ１１−１〜１１−４をそれぞれ駆動する。

【0045】

なお、原理的には、フィードフォワード制御信号３４−１，３４−２…だけで振動を０近くまで低減できる。しかし、実際には、レール変位推定信号３２−１，３２−２…に当然ながら誤差も生じるため、推定誤差が大きいときには、振動制御が加振側に働き、制御が発散する可能性が考えられる。このような場合、フィードバック制御信号３６−１，３６−２…があれば、かご振動を減衰させて制御を安定化させる成分となるため、フィードフォワード制御信号４４の誤差の影響を緩和することができる。

【0046】

次に、レール変位推定ブロック３１の演算処理について詳しく説明する。

【0047】

まず、理解を容易にするため、レール変位推定ブロック３１に実装される最小次元オブザーバの基本的な構成について説明する。

【0048】

図５は４つの状態量から２つの状態量を推定する最小次元オブザーバの構成を説明するための図である。図中のＡ，Ｂ，Ｃ…などの記号は行列式であり、所定の配列である。「１／ｓ」は積分、ハット記号（＾）は推定値を示している。４０は実際の振動系を表した実物モデルであり、「プラント」とも呼ばれる。４１は最小次元オブザーバである。

【0049】

ある４つの状態量を持つ振動系において、外乱Ｕ１〜Ｕ２を受けて各部が状態量Ｘ１〜Ｘ４で振動したとする。状態量Ｘ１〜Ｘ４のうち、状態量Ｘ１，Ｘ２は１つの加速度センサから得られるものとする。残りの状態量Ｘ３，Ｘ４について、最小次元オブザーバ４１を用いて推定する。

【0050】

ここで、振動系が外乱Ｕ１〜Ｕ２を受けた場合に、どのような状態で振動するのかを理論的にモデル化しておく必要がある。振動系をモデル化できれば、最小次元オブザーバ４１を用いて未知の状態量Ｘ３，Ｘ４を推定することができる。

【0051】

具体的に説明すると、まず、Ａ，Ｂ，Ｃ…の行列式は、乗りかご５の諸元（重量、慣性モーメント、ローラガイドのバネ定数など）によって決められる。ここで、乗りかご５の振動特性として、図８に示すように、重心の水平振動変位Ｘ（ｔ）と、重心回りの回転振動角度θ（ｔ）の２つの振動自由度を持つ振動系モデルを考える。

【0052】

乗りかご５の諸元として、かご重量をＭ（ｋｇ）、慣性モーメントをＪ（ｋｇ・ｍ^２）、重心から上下のローラガイドまでの距離をＬ１，Ｌ２［ｍ］、上下のローラガイドのバネ定数をＫ［Ｎ／ｍ］、バネに含まれる減衰定数をＣ［Ｎｓ/ｍ］とする。

【0053】

乗りかご５の重心の水平振動変位をＸ（ｔ）、重心周りの回転振動角度をθ（ｔ）とし、それらの時間微分をＸ’（ｔ）、θ’（ｔ）と記述すると、図８の振動系モデルの状態方程式は、一般的に下記の式（１），式（２）で表される。

【数1】

【0054】

【数2】

【0055】

ここで、Ａ［４×４］，Ｂ［４×４］、Ｃ［４×４］は、上述した乗りかご５の諸元値で一意に定まる定数マトリクス値である。一般的なので、具体的な値の記述は省略する。

【0056】

変位ベクトルＵ（ｔ）＝Ｄ１、Ｄ２、Ｄ１’，Ｄ２’が与えられた場合、乗りかご５にどのような水平振動変位Ｘ（ｔ）および回転振動角度θ（ｔ）が生じるのかは、式（１），式（２）により理論的に計算できる。

【0057】

また、加速度センサをかご重心に設置して、その加速度センサの信号から水平振動変位Ｘ１＝Ｘ（ｔ）と、その微分値Ｘ２＝ｄＸ（ｔ）／ｄｔを求めれば、最小次元オブザーバ４１を用いて回転振動角度Ｘ３＝θ（ｔ）と、その微分値Ｘ４＝dθ／ｄｔを容易に推定することができる。

【0058】

本実施形態では、このような最小次元オブザーバの技術を利用し、走行時に乗りかご５の振動原因となるガイドレール２−１，２−２の撓み量を略リアルタイムに推定可能とするシステムを実現している。

【0059】

図５では４つの状態量を持つ振動系モデルを例にして説明したが、本実施形態のように乗りかご５に２つの加速度センサ１５−１，１５−２が設置されている場合には、８つの状態量を持つ振動系モデルを構築しておく。そのうちの４つの状態量を推定するため、図６に示すような最小次元オブザーバ４３を用いる。

【0060】

図６は８つの状態量から４つの状態量を推定する最小次元オブザーバの構成を説明するための図である。図中のＡ，Ｂ，Ｃ…などの記号は行列式であり、所定の配列である。「１／ｓ」は積分、ハット記号（＾）は推定値を示している。４２は実際の振動系を表した実物モデルであり、「プラント」とも呼ばれる。４３は最小次元オブザーバである。

【0061】

ある８つの状態量を持つ振動系において、外乱Ｕ１〜Ｕ４を受けて各部が状態量Ｘ１〜Ｘ８で振動したとする。状態量Ｘ１〜Ｘ８のうち、状態量Ｘ１〜Ｘ４は２つの加速度センサから得られるものとし、残りの状態量Ｘ５〜Ｘ８について、オブザーバを用いて推定する。

【0062】

まず、乗りかご５の重心の水平振動変位Ｘ（ｔ）、回転角度変位θ（ｔ）、これらの微分の合計４つの状態量をＸ１〜Ｘ４とする。また、状態量Ｘ５〜Ｘ８として、上側ローラガイドが受ける変位Ｄ１（ｔ）と、下側ローラガイドが受ける変位Ｄ２（ｔ）、およびそれらの時間微分であるｄＤ１／ｄｔ＝Ｄ１’（ｔ），ｄＤ２／ｄｔ＝，Ｄ２’（ｔ）を推定するシステムを考える。

【0063】

ここで、Ａ，Ｂ，Ｃの行列は、８個の状態量を計算するために８×８の行列とする必要がある。変位Ｄ１（ｔ）、Ｄ２（ｔ）が、それぞれにブラケット３の設置間隔の周期と乗りかご５の走行速度ｖとで決まる周波数ω_１の周期を持つ正弦波の特性で変化するものとすると仮定する。つまり、下記のような式で表されるものとする。

【0064】

Ｄ１（ｔ）＝α・ｓｉｎ（ωｔ）
ただし、αは任意の係数である。また、ω＝ω_１＝ １／（Ｌ／ｖ）×２π（ｒａｄ／ｓ）、Ｌはブラケット周期［ｍ］、ｖは走行速度［ｍ／ｓ］である。Ｄ２（ｔ）についても同様である。

【0065】

上記の式は、ガイドレール２−１，２−２の撓み変化の特徴に基づいている。すなわち、図９に示すように、通常、ガイドレール２−１，２−２は、それぞれに所定の長さを有する複数本のレール部材２ａ，２ｂ，２ｃ…を垂直方向に継ぎ合わせて、シャフト１内にブラケット３によって固定されている。このため、ブラケット３の設置間隔あるいはレール部材２ａ，２ｂ，２ｃ…の継ぎ目でガイドレール２−１，２−２の撓みが変化する可能性が高い。

【0066】

図１０はガイドレール２−１，２−２の撓み波形の振幅成分と周期との関係を示す図である。

【0067】

ガイドレール２−１，２−２の撓み波形は、ブラケット３の設置間隔の周期と走行速度ｖとで定まる周波数ω_１の成分と、レール部材２ａ，２ｂ，２ｃ…の継ぎ目の周期と走行速度ｖとで定まる周波数ω_２の成分を含む。その中でも周波数ω_１の成分が卓越している。周波数ω_１の成分に着目した場合、変位Ｄ１（ｔ）の２階微分は、
Ｄ１（ｔ）"＝−ω^２Ｄ１（ｔ）
となる。ここでは、ω＝ω_１である。これを状態方程式の形で表現すると、下記の式（３）のようになる。

【数3】

【0068】

変位Ｄ２（ｔ）についても同様であり、下記の式（４）のようになる。

【数4】

【0069】

したがって、図６に示した８つの状態量を持つ振動系の状態方程式は、式（１）〜式（４）を組み合わせて、下記の式（５），（６）で表される。

【数5】

【0070】

【数6】

【0071】

ここで、行列Ａ，Ｂ，Ｃnew、Ｄnewを図６に適用し、加速度センサ１５−１，１５−２から得られる４つの状態量Ｘ１〜Ｘ４＝［Ｘ’，Ｘ，θ’，θ］を最小次元オブザーバ４３に入力すると、残りの４つの状態量Ｘ５〜Ｘ８＝［Ｄ１’，Ｄ１，Ｄ２’，Ｄ２］を推定できる。これは、乗りかご５の現在の状態量を計測可能なセンサがあれば、走行時に乗りかご５がガイドレール２−１，２−２に接触している部分の撓み量を略リアルタイムで推測できることを意味する。

【0072】

このような処理を模式的に示すと図７のようになる。つまり、レール変位推定ブロック３１は、加速度信号１６−１，１６−２を入力とする最小次元オブザーバ４３の構成となる。

【0073】

次に、フィードフォワード制御ブロック３３の演算処理について説明する。

【0074】

図１１はアクティブローラガイド７−１がレール撓みによる強制変位を受けたときの様子を示す図であり、図１１（ａ）は変位前の状態、同図（ｂ）は変位後の状態を示している。

【0075】

例えば上側のアクティブローラガイド７−１が変位Ｄ１（ｔ）を受けたとする。このとき、乗りかご５の水平位置が変化しないとすると、スプリング１０−１の撓み量はＤ１［ｍ］となる。

【0076】

ここで、スプリング１０−１のバネ定数をＫ［Ｎ／ｍ］、減衰定数をＣ［Ｎｓ/ｍ］とすると、スプリング１０−１が乗りかご５に加える力Ｆ１（Ｎ）は、下記のように表される。

【0077】

Ｆ１＝Ｋ・Ｄ１（ｔ）＋Ｃ×Ｄ１'（ｔ）
このＦ１が、乗りかご５の加振力となる。

【0078】

これに対し、アクチュエータ１１−１で、−Ｆ１の力を発生させると、乗りかご５に伝わる加振力Ｆは
Ｆ＝Ｆ１rail−Ｆ１actuator＝０
となり、加振を受けないことになる。Ｆ１railはレールの撓みによる強制変位の力、Ｆ１actuatorはアクチュエータ１１−１が発生する力である。上側のアクティブローラガイド７−２が変位Ｄ２（ｔ）を受けたときも同様である。

【0079】

このような処理を模式的に示すと、図１２のようになる。すなわち、フィードフォワード制御ブロック３３は、レール変位推定信号３２−１，３２−２…として得られる変位Ｄ１（ｔ），Ｄ２（ｔ）…とこれらの微分値Ｄ１'（ｔ），Ｄ２'（ｔ）…に、それぞれにバネ定数Ｋ、減衰定数Ｃを乗じて足し合わせることで、フィードフォワード制御信号３４−１，３４−２…を生成する。

【0080】

図４に示したように、最終的には、フィードバック制御信号３６−１，３６−２…とフィードフォワード制御信号３４−１，３４−２…とを足し合わせた振動制御信号３８−１，３８−２…が駆動装置２１−１，２１−２…に与えられる。これにより、アクティブローラガイド７−１〜７−４のアクチュエータ１１−１〜１１−４が乗りかご５の水平振動を抑制する方向に動く。

【0081】

図１３はガイドレールの撓み量と本実施形態の方法で撓み量を推定した結果とを比較して示す図であり、横軸は時間［ｓｅｃ］、縦軸は変位［ｍｍ］を表わしている。

【0082】

図中の実線で示す波形５０は走行時に乗りかご５の振動原因となるガイドレール２−１，２−２の撓み量をシミュレーションした結果を表している。これに対し、図中の一点鎖線で示す波形５１はレール変位推定ブロック３１によって理論的に推定したガイドレール２−１，２−２の撓み量をシミュレーションした結果を表している。両者の比較から本実施形態の方法により実際のガイドレール２−１，２−２の撓み量と近似した結果が得られることがわかる。

【0083】

図１４は乗りかご５の振動と本実施形態の方法で振動抑制した結果とを比較して示す図であり、横軸は時間［ｓｅｃ］、縦軸は加速度［ｇａｌ］を表わしている。

【0084】

図中の実線で示す波形５２は、ガイドレール２−１，２−２の撓みによって乗りかご５が強制変位を受けときに発生する水平振動をシミュレーションした結果を表している。これに対し、図中の一点鎖線で示す波形５３は、本実施形態の方法で水平振動を抑制した状態をシミュレーションした結果を表している。両者の比較から本実施形態の方法で乗りかご５の水平振動を０に近く状態まで低減できたことが分かる。

【0085】

以上のように本実施形態によれば、走行時にガイドレール２−１，２−２の撓み量を略リアルタイムに推定して、制振機構であるアクチュエータ１１−１〜１１−４をフィードフォワード制御することができる。したがって、ガイドレール２−１，２−２の撓みが気温や湿度、経年的に変化したとしても、現在の撓みに起因とした水平振動を確実にとらえて効果的に低減することができる。また、変位センサを用いてかご位置を基準にして変位を計測する方法と違って、振動による測定誤差を含まないので、アクチュエータ１１−１〜１１−４を高精度に制振制御できるメリットがある。

【0086】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。

【0087】

図１５は第２の実施形態における制御装置２０の機能構成を示すブロック図である。なお、上記第１の実施形態における図４の構成と同じ部分には同一符号を付して、その説明を省略するものとする。

【0088】

第２の実施形態において、制御装置２０には２つのレール変位推定ブロック３１ａ，２１ｂが備えられている。図１０に示したように、ガイドレール２−１，２−２の撓み波形を分析すると、
（１）ブラケット周期
（２）レール継ぎ目周期
が顕著という特徴がある。

【0089】

上記第１の実施形態では、特に卓越しているブラケット周期をレール撓み波形の周期としてモデル化した。この場合、レール継ぎ目の影響が考慮されないため、推定誤差が大きくなることも想定される。

【0090】

そこで、第２の実施形態では、２つのレール変位推定ブロック３１ａ，３１ｂを備え、一方のレール変位推定ブロック３１ａではブラケット周期、他方のレール変位推定ブロック３１ｂではレール繋ぎ目周期に着目して推定演算を行う構成とする。

【0091】

すなわち、レール変位推定ブロック３１ａでは、レール撓みがブラケット周期と走行速度ｖとで定まる周波数ω_１を有する略正弦波の特性を持つものと仮定したレール変位モデルを用いて推定演算処理を行う。一方、レール変位推定ブロック３１ｂでは、レール撓みがレール継ぎ目周期と走行速度ｖとで定まる周波数ω_２を有する略正弦波の特性を持つものと仮定したレール変位モデルを用いて推定演算処理を行う。

【0092】

このレール変位推定ブロック３１ａ，３１ｂから出力されるレール変位推定信号３２ａ−１，３２ａ−２…とレール変位推定信号３２ｂ−１，３２ｂ−２…をそれぞれに足し合わせたものを最終的な推定結果とする。

【0093】

このように第２の実施形態によれば、ブラケット周期とレール継ぎ目周期の２つの特徴的な周期を考慮したレール変位モデルを用いることで、ガイドレール２−１，２−２の撓みの特徴をより反映させた推定処理を実施できる。その推定結果を用いてアクチュエータ１１−１〜１１−４をフィードフォワード制御することで、より精度の高い制振効果を期待できる。

【0094】

なお、上記第２の実施形態では、レール変位推定ブロック３１ａとレール変位推定ブロック３１ｂの両方の推定結果を用いてフィードフォワード制御を行う構成したが、どちらか一方の推定結果を用いてフィードフォワード制御を行う構成としても良い。

【0095】

また、別の方法として、乗りかご５の水平振動の固有周波数ωｎに着目してレール撓みをモデル化することでも良い。すなわち、乗りかご５の高速走行時に生じる水平振動において、支配的な周波数は、乗りかご５が持つ共振周波数ωｎ［ｒａｄ］である。

【0096】

この共振周波数ωｎは、概ね、下記の式（７）で算出できる。

【数7】

【0097】

ただし、Ｋは上下ローラガイドのバネ定数［Ｎ／ｍ］、Ｍはかご重量（ｋｇ）である。

【0098】

このような共振周波数ωｎに着目してレール撓みをモデル化した場合、実際の撓み波形とは一致しない。しかしながら、撓み波形の中で共振周波数ωｎの成分がたとえ小さくても、乗りかご５の大きな揺れに繋がる。したがって、共振周波数ωｎでモデル化しておくことでも、効果的に振動を抑制できる可能性がある。

【0099】

また、乗りかご５が持つ共振周波数ωｎに一致する成分のみを推定することなるため、その推定した波形は小さくなる。そのため、アクチュエータ１１−１〜１１−４の動作量も小さくなり、省エネ効果を期待できる。

【0100】

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。

【0101】

図１６は第３の実施形態におけるレール変位モデルを説明するための図である。

【0102】

上記第１の実施形態では、ガイドレール２−１，２−２の撓みが略正弦波の特徴を有するものとしてモデル化した。これに対し、第３の実施形態では、ガイドレール２−１，２−２の撓みが図１６に示すようなステップ波５４の特徴を有するものとしてモデル化する。すなわち、撓みの変化が細かい段差を組み合わせたステップ波５４としてモデル化する。ただし、ステップ波５４の周期は、レール撓み波形の周期に比較して十分小さいものとする。

【0103】

例えば、ブラケット３の設置間隔が建物のフロア高さである４ｍ毎であるとした場合、ガイドレール２−１，２−２の撓みの変化を表す波形（レール撓み波形）の周期も４ｍとなる。

【0104】

ここで、例えば３６０ｍ／分（６ｍ／秒）で走行する高速エレベータでは、レール撓み波形の周期は４／６＝０．６７秒（１．５Ｈｚ）となる。一方、制御装置（マイコン）２０の演算周期は、一般的には１０００Ｈｚ程度である。このため、レール撓み波形の周期よりもはるかに速い速度で推定演算を行うことになる。

【0105】

このような場合、１回１回の短い演算周期中では、レール撓みはほとんど無く、一定値であると仮定しても問題ない。そこで、ガイドレール２−１，２−２の撓みが制御装置２０の演算周期に相当する幅のステップ波５４の特徴を持つものとしてモデル化する。

【0106】

その場合、ガイドレール２−１，２−２の状態方程式における変位Ｄ１は、下記の式（８）で表させる。上記式（３）と比較すると、周波数ωの部分が変化なしを表す「０」になっている。

【数8】

【0107】

変位Ｄ２についても同様であり、下記の式（９）で表させる。上記式（４）と比較すると、周波数ωの部分が変化なしを表す「０」になっている。

【数9】

【0108】

式（８），式（９）を用いて、ガイドレール２−１，２−２の撓み状態を推定すると、例えば設置時の状況が悪く、シャフト１内で１か所だけ撓みが極端に大きいなど、撓みが周期的に変化していない場合であっても正しく推定することができる。

【0109】

このように第３の実施形態によれば、ガイドレール２−１，２−２が想定していないような特殊な撓みを持つ場合であっても対応できる。

【0110】

ただし、レール撓みをステップ波として模擬しているため、どのような撓みでも推定できる反面、撓み成分のうち、０Ｈｚ成分（ＤＣ成分）まで推定してしまう。このため、例えば強風や地震などで建物が揺れ、それに伴いガイドレール２−１，２−２が極低周波数で揺れ場合に、その極低周波数を除去するようにアクチュエータ１１−１〜１１−４が動作する可能性がある。この場合、乗りかご５がガイドレール２−１，２−２に沿ってゆっくりと揺れる動作を阻害してしまうこともある。したがって、例えば強風や地震などで建物が揺れている場合には、上記第１および第２の実施形態のようにレール撓み波形が正弦波であると仮定する方法が好ましい。

【0111】

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。

【0112】

図１７は第４の実施形態に係るエレベータのアクティブ制振装置の構成を模式的に示す図である。なお、上記第１の実施形態における図１と同じ部分には同一符号を付して、その説明は省略するものとする。

【0113】

第４の実施形態において、乗りかご５は、かご枠６とそのかご枠に囲まれたかご室１２とで構成される。かご室１２は、実際には乗客が乗車する部分であり、かご枠６に防振ゴム１３−１，１３−２を介して連結されている。

【0114】

かご枠６とかご室１２との間には、両者間の相対振動を抑制するためのアクチュエータ１４−１，１４−２が介在されている。

【0115】

また、かご室１２内に２つの加速度センサ１５−３，１５−４が設置されている。具体的には、例えばかご室１２内の上端部の略中央に加速度センサ１５−３が設置され、かご室１２内の下端部の略中央に加速度センサ１５−４が設置されている。

【0116】

加速度センサ１５−３，１５−４は、加速度センサ１５−１，１５−２と同様に１軸加速度センサである。一方の加速度センサ１５−３はかご室１２の上部のｘ方向（左右方向）の加速度を検出し、他方の加速度センサ１５−４はかご室１２の下部のｘ方向（前後方向）の加速度を検出する。なお、左右方向振動と前後方向振動の２方向に適用する場合については、２軸加速度センサを用いて、１つのセンサでｘ方向とｙ方向の加速度を検出して、左右方向と前後方向の振動を低減する構成としても良い。

【0117】

上記第１の実施形態では、乗りかご５を構成するかご枠６とかご室１２を一体とし、かご全体の重心の水平振動と重心周りの回転振動の２つの振動自由度を持つ振動系をモデル化した。これに対し、第４の実施形態では、かご枠６とかご室１２を別体とし、かご枠６の重心の水平振動と重心周りの回転振動と、かご室１２の重心の水平振動と重心周りの回転振動の４つの振動自由度を持つ振動系をモデル化している。

【0118】

ここで、レール変位推定ブロック３１は、４つの加速度センサ１５−１〜１５−４の信号と、４振動自由度のかご振動モデルとレール変位モデルとを組み合わせた拡張状態方程式モデルを用いる。これにより、ガイドレール撓みによる変位Ｄ１，Ｄ２とは別に、主に走行時の風圧などによりかご室１２に加わる加振力Ｐ１，Ｐ２を推定する。

【0119】

図１８はレール変位推定ブロック３１に実装される最小次元オブザーバ４４の処理を模式的に示す図である。

【0120】

第４の実施形態では、１６個の状態量を持つ振動系の状態方程式を考える。このうち、加速度センサ１５−１〜１５−４の信号によって得られる８つの状態量［Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７，Ｘ８］＝［Ｘｗ’，Ｘｗ，θｗ’，θｗ，Ｘｓ’，Ｘｓ，θｓ’，θｓ］を入力とする。残りの８つの状態量[Ｘ９，Ｘ１０，Ｘ１１，Ｘ１２，Ｘ１３，Ｘ１４，Ｘ１５，Ｘ１６」＝［Ｄ１’，Ｄ１，Ｄ２’，Ｄ２，Ｐ１’，Ｐ１，Ｐ２’，Ｐ２］を推定する。

【0121】

つまり、レール撓みによってかご枠６が受ける変位Ｄ１，Ｄ２以外に、風圧力などによってかご室１２が受ける加振力Ｐ１，Ｐ２を推定する。具体的な演算方法としては、上記式（５），式（６）と同様であるため、ここでは詳しい説明を省略する。

【0122】

フィードフォワード制御ブロック３３は、この最小次元オブザーバ４４の推定結果に基づいてアクチュエータ１１−１〜１１−４をフィードフォワード制御すると共に、かご枠６とかご室１２との間に設けられたアクチュエータ１４−１，１４−２をフィードフォワード制御する。これにより、例えば２台のエレベータが高速走行中にすれ違った場合など、かご室１２が風圧力などによって振動した場合に、その振動を抑制する方向にアクチュエータ１４−１，１４−２を駆動してかご室１２の揺れを安定化できる。

【0123】

このように第４の実施形態によれば、かご枠６とかご室１２を別体として振動系をモデル化しておくことにより、ガイドレール２−１，２−２の撓みによってかご枠６が強制変位力として受ける振動の他に、高速走行時にかご室１２が受ける加振力による振動も抑制することができる。

【0124】

以上述べた少なくとも１つの実施形態によれば、走行時にガイドレールの撓みによって発生する乗りかごの振動を高精度に抑制することのできるエレベータのアクティブ制振装置を提供することができる。

【0125】

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0126】

１…シャフト、２−１，２−２…ガイドレール、３…ブラケット、４…ロープ、５…乗りかご、６…かご枠、７−１〜７−４…アクティブローラガイド、８−１〜８−４…案内車輪、９−１〜９−４…支持部材、１０−１〜１０−４…スプリング、１１−１〜１１−４…アクチュエータ、１２…かご室、１３−１，１３−２…防振ゴム、１４−１，１４−２…アクチュエータ、１５−１〜１５−４…加速度センサ、１６−１，１６−２…加速度信号、２０…制御装置、２１−１，２１−２…駆動装置、３１…レール変位推定ブロック、３２−１，３２−２…レール変位推定信号、３３…フィードフォワード制御ブロック、３４−１，３４−２…フィードフォワード制御信号、３５…フィードバック制御ブロック、３６−１，３６−２…フィードバック制御信号、３７−１，３７−２…加算器、３８−１，３８−２…振動制御信号、４０，４２…実物モデル、４１，４３，４４…最小次元オブザーバ。

【要約】

【課題】走行時にガイドレールの撓みによって発生する乗りかごの振動を高精度に抑制する。
【解決手段】一実施例に係るエレベータのアクティブ制振装置は、レール変位推定ブロック３１とフィードフォワード制御ブロック３３を備える。レール変位推定ブロック３１は、ガイドレールの撓みと乗りかごの水平方向の振動との関係を理論的に表した数学モデルを有し、センサの信号と数学モデルを用いて、走行時に乗りかごの振動原因となるガイドレールの撓み量を略リアルタイムに推定する。フィードフォワード制御ブロック３３は、レール変位推定ブロック３１による推定結果に基づいて乗りかごの振動を抑制する方向に制振機構を制御する。
【選択図】 図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】