(57)【要約】【課題】安価な構成にて、乗りかごの走行中にレールの撓みに起因した振動を確実にとらえて効果的に低減する。【解決手段】一実施形態に係るエレベータのアクティブ制振装置は、乗りかご５とガイドレール２−１間の相対変位を検出する少なくとも１つの変位センサ１５−１と、この変位センサ１５−１の信号を用いガイドレール２−１１の撓み量を略リアルタイムに推定し、その推定結果に基づいて乗りかご５の振動を抑制する方向にアクティブローラガイド７−１のアクチュエータ１１−１を制御する制御装置２０とを備える。【選択図】      図３
2018039591.tif 000002
【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、
上記乗りかごと上記ガイドレール間の相対変位を検出する少なくとも１つの変位センサと、
上記ガイドレールの撓み量によって上記乗りかごと上記ガイドレール間に生じる相対変位を理論的に表した数学モデルを有し、上記変位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
を具備した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】
上記制振機構は、
上記乗りかごの上部の上記ガイドレールと対向する部分および上記乗りかごの下部の上記ガイドレールと対向する部分のうちの少なくとも一方に設置され、
上記変位センサは、
上記制振機構が設置された箇所で上記乗りかごと上記ガイドレール間の相対変位を検出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り、
上記拡張状態方程式モデルは、
上記乗りかごの状態量と上記ガイドレールの撓みの推定量との関係に基づいて上記ガイドレールと上記乗りかご間の相対変位を算出するための変換式を含むことを特徴する請求項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表す状態方程式を変形し、上記ガイドレールと上記乗りかご間の相対変位を状態ベクトルとして状態方程式の形で表現したかご変位モデルと、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５】
上記推定手段は、
上記変位センサによって検出される上記乗りかごと上記ガイドレール間の相対変位と上記拡張状態方程式モデルの出力値として得られる理論的に計算された相対変位とを比較して、その差分をフィードバックするオブザーバで構成されていることを特徴とする請求項３または４記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項６】
上記オブザーバは、
上記変位センサによって検出される上記乗りかごと上記ガイドレール間の相対変位を示す信号に所定のゲインを乗じて入力することを特徴とする請求項５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３または４記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項８】
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７記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項９】
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７記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項１０】
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７記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項１１】
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３または４記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項１２】
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３または４記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項１３】
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１２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。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、もともと微小な撓みを有するガイドレール上を高速走行すると、乗りかごに強制変位が働いて、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アクティブローラガイドの技術が提案されている。アクティブローラガイドは、乗りかごの上下にガイドレールに当接させて設けられる。乗りかごに加速度センサを設置しておき、走行中にこの加速度センサによって検出される振動に基づいてローラガイドのアクチュエータをフィードバック制御することで、乗りかごの振動を能動的に抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１６１０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エレベータの走行中に発生する振動（水平振動）は、例えば周波数が１〜５Ｈｚ程度、振動の振幅が０．０２〜０．０３Ｇ程度の微振動であり、鉄道やバスなどの車両の振動と比較すると遥かに小さい。
【０００６】
ここで、振動センサとして一般的に使われている低コストなＭＥＭＳ加速度センサは、１〜２Ｇ程度の振動を検出対象として設計されている。このため、ＭＥＭＳ加速度センサでは、エレベータの微振動を正確に検出できず、それを使った制振制御も難しい。このため、エレベータの制振システムには、例えばサーボ型加速度センサのように精度の高い加速度センサを用いる必要がある。
【０００７】
しかし、この種の加速度センサは高価であり、精度を上げるために複数個用いた場合に制振システムとしてのコストが大幅に増加して実用的でない。そこで、上述したアクティブローラガイドにおいて、加速度センサを用いずに制振制御を行うことが要求されている。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、安価な構成にて、乗りかごの走行中にレールの撓みに起因した振動を確実にとらえて効果的に低減することができるアクティブローラガイド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、上記乗りかごと上記ガイドレール間の相対変位を検出する少なくとも１つの変位センサと、上記ガイドレールの撓み量によって上記乗りかごと上記ガイドレール間に生じる相対変位を理論的に表した数学モデルを有し、上記変位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。
【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２自由度の振動系モデルを説明するための図である。
【図５】図５は同実施形態における２自由度の振動系モデルを模式的に示す図である。
【図６】図６は同実施形態における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オブザーバの他の構成を説明するための図である。
【図８】図８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９】図９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９（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１０】図１０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１１】図１１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１２】図１２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の実施形態に係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は第５の実施形態におけるオブザーバの構成を説明するための図である。
【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に発生した横方向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、アクティブローラガイド７−１と７−２には、それぞれの位置箇所で乗りかご５と一方のガイドレール２−１間の相対変位を検出する変位センサ１５−１と１５−２が設置されている。同様に、アクティブローラガイド７−３と７−４には、それぞれの設置箇所で乗りかご５と他方のガイドレール２−２間の相対変位を検出する変位センサ１５−３と１５−４が設置されている。
【００１６】
変位センサ１５−１〜１５−４は、非接触変位センサである。なお、検知方式として、例えば渦電流式、静電容量式、超音波式、光学式などがあるが、本発明は、特にこれらの方式に限定されるものではない。
【００１７】
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。
【００１８】
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を前後方向から挟み込み、かごの前後方向の案内を行うための２個の前後方向車輪を含む、合計３個の案内車輪があるが、ここでは、かごの左右方向の案内支持を行う１個の案内車輪のみを示す。
【００１９】
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９−１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。
【００２０】
ここで、変位センサ１５−１が支持部材９−１の近傍に設けられている。詳しくは、図２に示すように、変位センサ１５−１は、かご枠６から延出された固定部材６ａに固定され、支持部材９−１とかご枠６との間の距離ｄを検出する。この距離ｄは、アクティブローラガイド７−１の設置箇所における乗りかご５とガイトレール２−１との相対変位を示す。
【００２１】
他の変位センサ１５−２〜１５−４についても同様である。本実施形態では、これらの変位センサ１５−１〜１５−４を用いて、乗りかご５の４箇所で乗りかご５とガイトレール２−１，２−２間の左右方向（ｘ方向）の相対変位を検出して、乗りかご５の左右方向（ｘ方向）の振動を低減する。
【００２２】
同じ方法で乗りかご５の前後方向（ｙ方向）の振動を低減することもできる。その場合、変位センサ１５−１〜１５−４は、それぞれに乗りかご５とガイドレール２−１，２−２と間の前後方向（ｙ方向）の相対変位を検出するように設置する。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。
【００２３】
なお、乗りかご５の上部と下部に変位センサを設置したのは、乗りかご５が水平振動と回転振動を持つ２自由度振動系であると仮定しているためである。この２自由度振動系のモデルでは、少なくとも乗りかご５の水平振動成分を検出するための変位センサと、乗りかご５の回転振動成分を検出するための変位センサが必要となる。乗りかご５が１自由度振動系と仮定してモデル化した場合には、変位センサは乗りかご５の上部または下部の１か所にあれば良い。
【００２４】
以下では、乗りかご５が２自由度振動系であると仮定して、左右方向の振動（水平振動）を低減する方法について説明する。
【００２５】
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、設置した段階で微小な撓み（曲がり）が存在する。この微小な撓み（曲がり）が乗りかご５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。
【００２６】
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の一例を示す図である。なお、図３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。
【００２７】
アクティブローラガイド７−１，７−２に設置された変位センサ１５−１，１５−２の信号は、制御装置２０に入力される。ここで、変位センサ１５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に信号が入力される。一方、変位センサからの信号が元々デジタル信号の場合には、有線または無線による通信によって、信号が制御装置２０に直接入力される。
【００２８】
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、変位センサ１５−１，１５−２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。
【００２９】
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。
【００３０】
なお、エレベータの水平振動（横振動）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。
【００３１】
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し、その撓み量による振動を打ち消すようなフィードフォワード制御力をアクチュエータ１１−１〜１１−４で発生させて、振動を抑制するものである。これを実現するための手法として、ガイドレール２−１，２−２の撓みと乗りかご５の水平振動（左右の振動）との関係を理論的に表した数学モデルを制御装置２０内に構築しておく。
【００３２】
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。
【００３３】
・「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），式（４）および式（５）参照）。
【００３４】
・「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（６）および式（７）参照）。
【００３５】
なお、「レール変位」とは、ガイドレール２−１，２−２の撓み（曲がり）による水平方向の変位のことであり、ガイドレール２−１，２−２が垂直方向に真っ直ぐに撓みなく立設している状態では変位ゼロである。このレール変位のことを「撓み量」と言うこともある。
【００３６】
・「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（８）および式（９）参照）。
【００３７】
上記数学モデルについて、詳しく説明する。
【００３８】
・「かご振動モデル」
乗りかご５の振動特性として、図４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つを持つ２自由度振動系モデルを考える。この２自由度振動系モデルを模式的に示すと図５のようになる。
【００３９】
図中のＵ１，Ｕ２はかご上部と下部におけるアクチュエータ１１−１，１１−２の力である。また、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・ｍ２）、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。
【００４０】
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、２自由度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】
2018039591.tif 000003
【００４１】
【数２】
2018039591.tif 000004
【００４２】
式（１）と式（２）はセットであり、運転方程式と出力方程式である。記号の上のドットは１階微分、２つのドットは２階微分を表わす。この式（２）は、図５のように上部、下部のローラガイド付近の振動変位Ｘ＋Ｌ１θ、Ｘ−Ｌ２θを、加速度センサで検出する場合である。
【００４３】
ここで、Ａ［４×４］，Ｂ［４×４］は行列式であり、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。乗りかご５の諸元とは、例えばかご重量、慣性モーメント、重心から上下のローラガイドまでの距離、上下のローラガイドのバネ定数、バネに含まれる減衰定数などである。Ｃ［４×４］は前項の部分をまとめた行列式であり、具体的な式については省略する。
【００４４】
外乱として強制変位ベクトルＤ１，Ｄ２，Ｄ１’，Ｄ２’が与えられた場合に、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、乗りかご５の上部と下部に設けられた図示せぬ加速度センサからどのような信号が出力されるのかは、上記式（１）と式（２）により理論的に計算できる。
【００４５】
ただし、本実施形態では、加速度センサに代えて変位センサを用いているため、変位センサの信号から出力Ｙを算出可能な数学モデルに改造する必要がある。
【００４６】
図３において、変位センサ１５−１によって検出される乗りかご５とガイドレール２−１との間の相対変位をｈ１、変位センサ１５−２によって検出される乗りかご５とガイドレール２−１との間の相対変位をｈ２、上側のアクティブローラガイド７−１の設置箇所におけるガイドレール２−１のレール変位（撓み量）をＤ１、下側のアクティブローラガイド７−２の設置箇所におけるガイドレール２−１のレール変位（撓み量）をＤ２とする。これらの幾何学的な関係式として、下記のような式（３）が得られる。
【数３】
2018039591.tif 000005
【００４７】
ここで、（Ｘ＋Ｌ１θ），（Ｘ＋Ｌ２θ）は絶対変位を示す。つまり、上部ガイドローラ側では、水平振動変位Ｘに回転振動変位Ｌ１θを加えた値から変位Ｄ１を減算した値が相対変位ｈ１として求められる。同様に、下部ガイドローラ側では、水平振動変位Ｘに回転振動変位Ｌ２θを加えた値から変位Ｄ２を減算した値が相対変位ｈ２として求められる。
【００４８】
この式（３）を用いて、上述した式（１），式（２）の状態方程式を書き換えると、式（４），式（５）のようになる。
【数４】
2018039591.tif 000006
【００４９】
【数５】
2018039591.tif 000007
【００５０】
式（４）と式（５）はセットであり、運転方程式と出力方程式である。なお、式（４）は上記式（１）と同じであり、外乱（変位）を含めた運動方程式である。式（５）は上記式（２）を変位センサの信号を利用できる形に変えたものである。出力Ｙは相対変位の推定量である。上部ローラガイド側の相対変位速度と相対変位を（ｈ１’，ｈ１）、下部ローラガイド側の相対変位速度と相対変位を（ｈ２’，ｈ２）で表わしている。
【００５１】
・「レール変位モデル」
ここでレール変位モデルは、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できる。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（図１１参照）。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。
【００５２】
例えば、振動の周波数がωの正弦波と仮定した場合、式（６）、式（７）で表される。
【数６】
2018039591.tif 000008
【００５３】
【数７】
2018039591.tif 000009
【００５４】
・「拡張状態方程式モデル」
上記式（４）−（７）を組み合わせた「拡張状態方程式モデル」を構築すると、式（８），式（９）となる。
【数８】
2018039591.tif 000010
【００５５】
【数９】
2018039591.tif 000011
【００５６】
式（８）と式（９）はセットであり、２自由度振動系の拡張状態方程式モデル（かご振動＋レール変位モデル）における運転方程式と出力方程式である。
【００５７】
ここで、式（９）の出力方程式は、上記（５）の出力方程式と同じである。この出力方程式には、実際の計測値である変位センサの信号と拡張状態方程式との整合性を取るため、かご振動の状態量（Ｘ'，Ｘ，θ'，θ）とレール変位の推定量（Ｄ１'，Ｄ２'，Ｄ１，Ｄ２）との関係に基づいてレールとかご間の相対変位を算出するための変換式が含まれている（式中の（ｃ）の部分）。
【００５８】
このような拡張状態方程式を数学モデルとして用い、変位センサの測定結果と上記式（９）の出力Ｙとの差にオブザーバゲインを乗じてフィードバックするオブザーバを構成すれば、推定したいレール変位（撓み量）を得ることができる。
【００５９】
図６は本実施形態におけるオブザーバの構成を説明するための図である。図中の４０は実際の振動系を表した実物（エレベータの乗りかご）を示している。４１はオブザーバである。なお、オブザーバ４１の中はソフトウエアであり、実物４０と変位センサの信号の部分はハードウエアである。実物４０とは乗りかご５のことであり、そこに設置された変位センサ１５−１，１５−２の信号がオブザーバ４１に入力されることを表している。
【００６０】
いま、一方のガイドレール２−１の撓みによるレール変位を推定する場合を例にして説明する。乗りかご５の走行中に変位センサ１５−１，１５−２からガイドレール２−１と乗りかご５との間の相対変位を示す信号がオブザーバ４１に入力される。
【００６１】
オブザーバ４１は、かご振動＋レール変位モデル４２、相対変位変換行列４３、差分算出部４４、オブザーバゲイン行列４５とで構成される。
【００６２】
かご振動＋レール変位モデル４２は、上記式（７）および式（８）に示した拡張状態方程式に相当し、かご振動の状態量（Ｘ'，Ｘ，θ'，θ）とレール変位の推定量（Ｄ１'，Ｄ２'，Ｄ１，Ｄ２）を出力する。なお、図中の（ａ）〜（ｄ）は上記式（８）の出力方程式に付記した（ａ）〜（ｄ）の部分に対応している。
【００６３】
相対変位変換行列４３は、上記式（８）の（ｃ）の部分に対応している。この相対変位変換行列４３は、かご振動の状態量（Ｘ'，Ｘ，θ'，θ）とレール変位の推定量（Ｄ１'，Ｄ２'，Ｄ１，Ｄ２）に基づいてレールとかご間の相対変位を導出するように設計されている。
【００６４】
相対変位変換行列４３から得られる相対変位は推定値である。差分算出部４４は、この推定値と相対変位の実測値とを比較し、その差分値をオブザーバゲイン行列４５を介してかご振動＋レール変位モデル４２にフィードバックする。オブザーバゲイン行列４５は、相対変位の推定値と実測値との差分値に所定のゲインを乗じるための行列である。このオブザーバゲイン行列４５は、後述するガイドレールの撓み波形の周波数ω１より早くオブザーバ４１で撓み量を推定できるように設計されている。
【００６５】
このような構成のオブザーバ４１を制御装置２０に組み込み、図３に示すように変位センサ１５−１，１５−２の信号を制御装置２０に入力すれば、ガイドレール２−１の撓み量を推定できる。この推定結果に基づくフィードフォワード制御によりアクティブローラガイド７−１のアクチュエータ１１−１とアクティブローラガイド７−２のアクチュエータ１１−２を駆動すると、ガイドレール２−１の撓みによる変位をリアルタイムに吸収でき、乗りかご５の水平振動を低減できる。
【００６６】
なお、図６の構成では、変位センサ１５−１，１５−２の信号をそのままの大きさでオブザーバ４１に入力しているが、例えば図７に示すように、変位センサ１５−１，１５−２の信号に補正ゲイン４６を乗じてから入力する構成としても良い。
【００６７】
この補正ゲイン４６は、推定精度を高めるためのものである。通常、変位センサ１５−１，１５−２の信号とオブザーバ４１の推定値には、数学モデル４２のモデル化により誤差が生じる。オブザーバ４１は、モデル誤差の影響を小さく抑える働きをする。その際、補正ゲイン４６として、例えば２〜４倍程度のゲインをセンサ信号に乗じるように設計すると、モデル誤差の影響を強く補正して、レール変位をより精度良く推定できる。
【００６８】
また、ここでは説明を簡単にするため、一方のガイドレール２−１の撓み量を推定する場合を想定して説明したが、実際には、変位センサ１５−３，１５−４を用いて、他方のガイドレール２−２の撓み量も含めて推定する。
【００６９】
要するに、オブザーバ４１は、変位センサ１５−１〜１５−４の信号から乗りかご５の状態量として得られるレールとかご間の相対変位および相対変位速度を入力信号とし、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４１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。
【００７０】
以下に、具体的な構成について説明する。  
図８は制御装置２０の機能構成を示すブロック図である。
【００７１】
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。変位センサ１５−１〜１５−４から出力される相対変位信号１６−１〜１６−４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。
【００７２】
また、後述する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３２−１〜３２−４がフィードバック制御ブロック３５に与えられる。
【００７３】
フィードバック制御ブロック３５は、相対変位信号１６−１〜１６−４およびレール変位推定信号３２−１〜３２−４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、相対変位信号１６−１〜１６−４からレール変位推定信号３２−１〜３２−４をそれぞれ差し引くと、乗りかご５の上部、下部のローラガイド部の振動変位が算出される。その振動変位をさらに時間微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３６−１〜３６−４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と、制御全体を安定化させる効果を期待できる。
【００７４】
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。
【００７５】
レール変位推定ブロック３１は、上述したオブザーバに相当する。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、相対変位信号１６−１〜１６−４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。
【００７６】
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３２−１〜３２−４に基づいて所定の演算処理を行う（図１０参照）。
【００７７】
なお、フィードバック制御信号３６−１〜３６−４は、アクチュエータ１１−１〜１１−４で発生するフィードバック力に対応している。フィードフォワード制御信号３４−１〜３４−４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に対応している。
【００７８】
フィードフォワード制御信号３４−１〜３４−４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。
【００７９】
最終的には、フィードバック制御信号３６−１〜３６−４とフィードフォワード制御信号３４−１〜３４−４を加算器３７−１〜３７−４でそれぞれに足し合わせた結果が振動制御信号３８−１〜３８−４となる。この振動制御信号３８−１〜３８−４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。
【００８０】
なお、原理的には、フィードフォワード制御信号３４−１〜３４−４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３２−１〜３２−４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３６−１〜３６−４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。
【００８１】
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。
【００８２】
図９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９（ａ）は変位前の状態、同図（ｂ）は変位後の状態を示している。
【００８３】
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の変位はＤ１［ｍ］となる。
【００８４】
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Ｆｒ（Ｎ）は、下記のように表される。
【００８５】
Ｆｓ＝Ｋ・Ｄ１（ｔ）＋Ｃ×Ｄ１'（ｔ）  
このＦｒが、乗りかご５の加振力となる。
【００８６】
これに対し、アクチュエータ１１−１で、−Ｆａの力を発生させると、乗りかご５に伝わる加振力Ｆｃは
Ｆｃ＝Ｆｒ−Ｆａ＝０
となり、加振を受けないことになる。Ｆｒはレールの撓みによる強制変位の力、Ｆａ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。
【００８７】
このような処理を模式的に示すと、図１０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。
【００８８】
図８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。
【００８９】
次に、「レール変位モデル」の根拠となるガイドレール２−１，２−２の撓み（曲がり）について説明する。
【００９０】
図１１は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。
【００９１】
上述したように、「レール変位モデル」は、ガイドレール２−１，２−２の撓み（曲がり）がブラケット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されている。
【００９２】
上側アクティブローラガイド７−１が受ける変位Ｄ１（ｔ）と、下側アクティブ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。
【００９３】
ここで、図１１に示すように、ガイドレール２−１，２−２の撓み（曲がり）の特徴として、ブラケット３の設置間隔に起因した曲がり成分が最大であるという特徴がある。したがって、乗りかご５に加振力として加わるガイドレール２−１，２−２の撓みの周期は、乗りかご５の走行速度ｖとブラケット３の設置間隔とで一意に決まる周波数ω１の周期を持つ正弦波の特性で変化すると仮定できる。つまり、下記のような式で表されるものとする。
【００９４】
Ｄ１（ｔ）＝α・ｓｉｎ（ωｔ）
ただし、αは任意の係数である。また、ω＝ω１＝ 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。
【００９５】
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１１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。
【００９６】
図１２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。
【００９７】
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ω１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ω２の成分を含む。その中でも周波数ω１の成分が卓越している。周波数ω１の成分に着目した場合、変位Ｄ１（ｔ）の２階微分は、
Ｄ１"（ｔ）＝−ω２Ｄ１（ｔ）
となる。ここでは、ω＝ω１である。
【００９８】
変位Ｄ２（ｔ）についても同様である。これを状態方程式の形で表現すると、上述した式（６），式（７）のようになる。これをかご振動モデルの状態方程式である式（４），式（５）と組み合わせると、式（８），式（９）で示した拡張状態方程式の形になる。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
特に、本実施形態では、レールとかご間の相対変位を理論的に表した数学モデルをオブザーバとして用いることで、変位センサの信号をオブザーバに入力してレール変位（撓み量）を推定可能としている。したがって、高価な加速度センサを利用する制振システムに比べて、安価な構成にて高精度な制振システムを実現できるといったメリットがある。
【０１０５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
【０１０６】
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８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。
【０１０７】
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１２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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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ω１を有する略正弦波の特性を持つものと仮定した第１の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ω２を有する略正弦波の特性を持つものと仮定した第２のレール変位モデルを用いて推定演算処理を行う。
【０１１１】
なお、かご振動モデルについては上記第１の実施形態と同様である。つまり、レール変位推定ブロック３１ａでは、かご振動モデルと第１のレール変位モデルとを組み合わせた第１の拡張状態方程式モデルを用い、変位センサ１５−１〜１５−４から出力される相対変位信号１６−１〜１６−４に基づいてガイドレール２−１，２−２の撓み量を推定する。レール変位推定ブロック３１ｂでは、かご振動モデルと第２のレール変位モデルとを組み合わせた第２の拡張状態方程式モデルを用い、変位センサ１５−１〜１５−４から出力される相対変位信号１６−１〜１６−４に基づいてガイドレール２−１，２−２の撓み量を推定する。
【０１１２】
フィードフォワード制御ブロック３３では、レール変位推定ブロック３１ａ，３１ｂから出力される第１のレール変位推定信号３２ａ−１，３２ａ−２…と第２のール変位推定信号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して用いてフィードフォワード制御を行う。
【０１１３】
フィードバック制御ブロック３５も同様であり、第１のレール変位推定信号３２ａ−１，３２ａ−２…と第２の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して用いてフィードバック制御を行う。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。フィードバック制御についても同様である。
【０１１６】
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。
【０１１７】
この共振周波数ωｎは、概ね、下記の式（１０）で算出できる。
【数１０】
2018039591.tif 000012
【０１１８】
ただし、Ｋは上下アクティブローラガイドのバネ定数［Ｎ／ｍ］、Ｍはかご重量（ｋｇ）である。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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になるため、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。
【０１２１】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
【０１２２】
図１６は第３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。
【０１２３】
上記第１の実施形態では、乗りかご５の上下左右の４箇所に変位センサ１５−１〜１５−４を設置し、それぞれの箇所で相対変位を検出する構成した。これに対して、第３の実施形態では、図１６に示すように、乗りかご５の上部右側と下部左側と２箇所に変位センサ１５−１，１５−４が設置されている。変位センサ１５−１は、アクティブローラガイド７−１の設置箇所で乗りかご５とガイトレール２−１との間の相対変位を検出する。変位センサ１５−４は、アクティブローラガイド７−４の設置箇所で乗りかご５とガイトレール２−２との間の相対変位を検出する。
【０１２４】
変位センサ１５−１，１５−４から出力される相対変位信号は制御装置２０に入力される。制御装置２０は、相対変位を理論的に表した数学モデルをオブザーバとして用い、変位センサ１５−１，１５−４の相対変位信号に基づいてガイドレール２−１，２−２の撓み量を推定する。
【０１２５】
この場合、アクティブローラガイド７−１の案内車輪８−１が一方のガイドレール２−１に接触している箇所のレール変位とアクティブローラガイド７−４の案内車輪８−４が他方のガイドレール２−２に接触している箇所のレール変位が推定結果として得られる。制御装置２０は、この推定結果に基づいてアクチュエータ１１−１，１１−４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。
【０１２６】
このように、乗りかご５の上部右側と下部左側と２箇所に変位センサ１５−１，１５−４を設置することでも、上記第１の実施形態と同様に、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乗りかご５の水平振動を低減することができる。
【０１２７】
なお、図１６の例では、乗りかご５の上部右側と下部左側の２箇所に変位センサ１５−１，１５−４を設置したが、乗りかご５の下部右側と上部左側の２箇所に変位センサ１５−２，１５−３を設置することでも良い。あるいは、乗りかご５の上部右側と上部左側の２箇所に変位センサ１５−１，１５−３を設置するか、乗りかご５の下部右側と下部左側の２箇所に変位センサ１５−２，１５−４を設置することでも良い。要は、２つの変位センサを用いる場合には、乗りかご５の一方のガイドレール２−１側と他方のガイドレール２−２側の相対変位をそれぞれに検出できるような配置であれば良い。
【０１２８】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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６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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
また、それぞれのアクティブローラガイド７−１〜７−４には、第１の実施形態と同じく、変位センサ１５−１〜１５−４が設けられている。さらに、第４の実施形態では、かご室１２の上部と下部に変位センサ１５−５、１５−６が設けられている。変位センサ１５−５は、かご室１２の上部において、かご室１２とかご枠６との間の水平方向の相対変位を検出する。変位センサ１５−６は、かご室１２の下部において、かご室１２とかご枠６との間の水平方向の相対変位を検出する。
【０１３３】
なお、図１７において、Ｌ１：かご枠重心と上部ローラガイド間の距離、Ｌ２：かご枠重心と下部ローラガイド間の距離、Ｌ３：かご枠重心とかご上枠のアクチュエータ間の距離、Ｌ４：かご枠重心とかご下枠のアクチュエータ間の距離、Ｌ５：かご室重心とかご上枠のアクチュエータ間の距離、Ｌ６：かご室重心とかご下枠のアクチュエータ間の距離である。
【０１３４】
ここで、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を一体として考え、かご全体の重心の水平振動と重心周りの回転振動を持つ２自由度の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を別体として考え、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を持つ４自由度の振動系をモデル化する。
【０１３５】
４自由度振動系の拡張状態方程式を下記に示す。
【数１１】
2018039591.tif 000013
【０１３６】
【数１２】
2018039591.tif 000014
【０１３７】
ただし、Ｘｗ：かご枠重心の水平振動変位、Ｘｓ：かご室重心の水平振動変位、θｗ：かご枠重心の回転振動角度、θｓ：かご室重心の回転振動角度である。Ｄ１，Ｄ２：かご枠の上部と下部のレール変位（撓み量）、Ｆｕ，Ｆｄ：かご室の上部と下部に直接加わる加振力（空力外乱力）である。Ａ［１６×１６］は、任意の行列式であり、具体的な数値は省略する。
【０１３８】
式（１１）と式（１２）はセットであり、４自由度振動系の拡張状態方程式モデル（かご振動＋レール変位モデル）における運転方程式と出力方程式である。
【０１３９】
上記式（１１）の運転方程式には、外乱変位であるＤ１，Ｄ２とＦｕ，Ｆｄの状態量が含まれている。なお、ここでは、一方のガイドレール２−１の上部と下部に対する状態量を例にしているが、実際には他方のガイドレール２−２の上部と下部に対する状態量も加わる。
【０１４０】
いま、変位センサ１５−１によって検出される乗りかご５とガイドレール２−１との間の相対変位をｈ１、変位センサ１５−２によって検出される乗りかご５とガイドレール２−１との間の相対変位をｈ２とする。また、変位センサ１５−５によって検出されるかご枠６とかご室１２との間の相対変位をｈｕ、変位センサ１５−６によって検出されるかご枠６とかご室１２との間の相対変位をｈｄとする。
【０１４１】
上記式（１２）の出力方程式は、上記各相対変位と、その１階微分である相対変位速度で構成される８個の状態量（ｈ１'，ｈ１，ｈ２'，ｈ２，ｈｕ'，ｈｕ，ｈｄ'，ｈｄ）を出力する。図６と同様に、これらの状態量と実際の変位センサ信号およびその微分信号と比較し、その差分にオブザーバゲインをかけて戻すと、推定したいレール変位（Ｄ１，Ｄ２，Ｆｕ．Ｆｄ）およびその時間微分（Ｄ１'，Ｄ２'，Ｆｕ'，Ｆｄ'）が得られる。この場合、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Ｆｕ，Ｆｄを含めて推定することができる。
【０１４２】
なお、図７で説明したように、変位センサ１５−１〜１５−６の信号に所定のゲインを乗じてから入力する構成としても良い。
【０１４３】
また、ここでは説明を簡単にするため、一方のガイドレール２−１の撓み量を推定する場合を想定して説明したが、実際には、変位センサ１５−３，１５−４を用いて、他方のガイドレール２−２の撓み量も含めて推定する。
【０１４４】
具体的には、図８に示したレール変位推定ブロック３１に上記式（１１），式（１２）の４自由度振動系の拡張状態方程式を有するオブザーバを組み込んでおく。そして、変位センサ１５−１〜１５−６の各信号をレール変位推定ブロック３１に入力して、ガイドレール撓みによる変位Ｄ１，Ｄ２と、かご室１２に加わる加振力Ｆｕ，Ｆｄを推定する。
【０１４５】
フィードフォワード制御ブロック３３は、こ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。
【０１４６】
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、変位センサ１５−１〜１５−６を用いて、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。
【０１４７】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。
【０１４８】
上記第１の実施形態では、式（８）と式（９）の拡張状態方程式を用いてオブザーバを構成した。このオブザーバでは、実際値である変位センサの信号と拡張状態方程式の出力値との整合性を取るために相対変位の変換式が必要となる（式中の（ｃ）部分）。これに対し、第５の実施形態では、この変換式の部分が事前に計算された状態方程式を用いてオブザーバを構成しておくことを特徴とする（図１８参照）。
【０１４９】
すなわち、まず、式（１３）に示す相対変位と絶対変位との関係式を用いる。
【数１３】
2018039591.tif 000015
【０１５０】
なお、式（１３）は上記（３）式と同じである。ｈ１は変位センサ１５−１によって検出される乗りかご５とガイドレール２−１との間の相対変位、ｈ２は変位センサ１５−２によって検出される乗りかご５とガイドレール２−１との間の相対変位である。Ｄ１は上側のアクティブローラガイド７−１の設置箇所におけるガイドレール２−１の変位（撓み量）、Ｄ２は下側のアクティブローラガイド７−２の設置箇所におけるガイドレール２−１の変位（撓み量）である。（Ｘ＋Ｌ１θ），（Ｘ＋Ｌ２θ）は絶対変位を示す。
【０１５１】
このような関係式を用いて、加速度センサの信号から得られるかご振動の状態量（Ｘ’，Ｘ，θ’，θ）を変形し、かご変位の状態量（ｈ１’，ｈ２’，ｈ１，ｈ２）を表わす「かご変位モデル」を用意しておく。第５の実施形態では、この「かご変位モデル」に「レール変位モデル」を組み合わせた「拡張状態方程式モデル」を用いる。この「拡張状態方程式モデル」は、下記の式（１４）と式（１５）で表される。
【数１４】
2018039591.tif 000016
【０１５２】
【数１５】
2018039591.tif 000017
【０１５３】
式（１４）と式（１５）はセットであり、２自由度振動系の拡張状態方程式モデル（かご変位＋レール変位モデル）における運転方程式と出力方程式である。なお、ｈ１，ｈ２はかご上部と下部におけるガイドレール間の相対変位量（ｍ）、Ｄ１，Ｄ２はかご上部と下部におけるレール変位（撓み量）（ｍ）である。Ｕ１，Ｕ２はかご上部と下部におけるアクチュエータの力である。また、ＡＡ［８×８］，ＢＢ［８×２］，ＣＣ［４×８］には、レール変位モデルの構成要素が含まれている。複雑な計算式となるため、詳細は省略するものとする。
【０１５４】
ここで、上記第１の実施形態における拡張状態方程式（式（８）および式（９）参照）との違いは、ガイドレール２−１の撓みによって乗りかご５が受ける水平方向の振動特性を表す状態方程式を変形して、ガイドレール２−１と乗りかご５間の相対変位を状態ベクトルとして状態方程式の形で表現している点である。このような拡張状態方程式を用いてオブザーバを構成すると、図１８のようになる。
【０１５５】
図１８は第５の実施形態におけるオブザーバの構成を説明するための図である。図中の４０は実際の振動系を表した実物（エレベータの乗りかご）を示している。６１はオブザーバである。
【０１５６】
いま、一方のガイドレール２−１の撓みによるレール変位を推定する場合を例にして説明する。乗りかご５の走行中に、変位センサ１５−１，１５−２からガイドレール２−１と乗りかご５との間の相対変位を示す信号がオブザーバ６１に入力される。
【０１５７】
オブザーバ６１は、かご変位＋レール変位モデル６２、差分算出部６３、オブザーバゲイン行列６４とで構成される。
【０１５８】
かご変位＋レール変位モデル６２は、上記式（１４）および式（１５）に示した拡張状態方程式に相当し、かご変位の状態量（ｈ１’，ｈ２’，ｈ１，ｈ２）とレール変位の推定量（Ｄ１'，Ｄ２'，Ｄ１，Ｄ２）を出力する。このかご変位＋レール変位モデル６２から出力されるかご変位の状態量（ｈ１’，ｈ２’，ｈ１，ｈ２）が相対変位の推定値として差分算出部６３に与えられる。
【０１５９】
差分算出部６３は、この相対変位の推定値と相対変位の実測値とを比較し、その差分値をオブザーバゲイン行列６４を介してかご変位＋レール変位モデル６２にフィードバックする。オブザーバゲイン行列６４は、図６のオブザーバゲイン行列４５と同様に、相対変位の推定値と実測値との差分値に所定のゲインを乗じるための行列である。
【０１６０】
ここで、上記第１の実施形態で用いられた図６のオブザーバ４１は、出力値であるレール変位の推定量（Ｄ１’，Ｄ２’，Ｄ１，Ｄ２）がフィードバックされる構成である。つまり、推定結果をフィードバックして推定する構成となるため、例えば推定結果に誤差を含む場合に精度が低下する可能性がある。
【０１６１】
これに対し、第５の実施形態のオブザーバ６１では、レール変位の推定量（Ｄ１’，Ｄ２’，Ｄ１，Ｄ２）がフィードバックされないため、推定精度や推定の安定性が得やすいといった利点がある。ただし、図６の相対変位変換行列４３に相当する複雑な式を事前に解いておく必要がある。
【０１６２】
このような構成のオブザーバ６１を制御装置２０に組み込み、図３に示すように変位センサ１５−１，１５−２の信号を制御装置２０に入力すれば、ガイドレール２−１の撓み量を推定できる。この推定結果に基づくフィードフォワード制御によりアクティブローラガイド７−１のアクチュエータ１１−１とアクティブローラガイド７−２のアクチュエータ１１−２を駆動すると、ガイドレール２−１の撓みによる変位をリアルタイムに吸収でき、乗りかご５の水平振動を低減できる。
【０１６３】
なお、図８の構成では、変位センサ１５−１，１５−２の信号をそのままの大きさでオブザーバ４１に入力しているが、例えば図７に示すように、変位センサ１５−１，１５−２の信号に補正ゲイン４６を乗じてから入力する構成としても良い。
【０１６４】
また、ここでは説明を簡単にするため、一方のガイドレール２−１の撓み量を推定する場合を想定して説明したが、実際には、変位センサ１５−３，１５−４を用いて、他方のガイドレール２−２の撓み量も含めて推定する。
【０１６５】
要するに、オブザーバ６１は、変位センサ１５−１〜１５−４の信号から乗りかご５の状態量として得られるレールとかご間の相対変位および相対変位速度を入力信号とし、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４１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。
【０１６６】
また、ここでは説明を簡単にするため、一方のガイドレール２−１の撓み量を推定する場合を想定して説明したが、実際には、変位センサ１５−３，１５−４を用いて、他方のガイドレール２−２の撓み量も含めて推定する。
【０１６７】
要するに、オブザーバ４１は、変位センサ１５−１〜１５−４の信号から乗りかご５の状態量として得られるレールとかご間の相対変位および相対変位速度を入力信号とし、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４１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。
【０１６８】
このように第５の実施形態によれば、レールとかご間の相対変位を状態ベクトルとしたかご変位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を用いてオブザーバを構成することで、より高精度にレール変位（撓み量）を推定して制振効果を上げることができる。
【０１６９】
なお、この第５の実施形態と上記第２乃至第４の実施形態を適宜組み合わせて構成することも可能である。
【０１７０】
以上述べた少なくとも１つの実施形態によれば、安価な構成にて、乗りかごの走行中にレールの撓みに起因した振動を確実にとらえて効果的に低減することができるアクティブローラガイド装置を提供することができる。
【０１７１】
なお、上記各実施形態では、エレベータを例にして説明したが、例えば電車などのようにレール上を走行する移動体であれば、本発明の手法を適用して振動を低減させることも可能である。
【０１７２】
要するに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】
【０１７３】
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、１５−１〜１５−６…変位センサ、１６−１〜１６−４…相対変位信号、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、３２−１〜３２−４…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、３４−１〜３４−４…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、３６−１〜３６−４…フィードバック制御信号、３７−１〜３７−４…加算器、３８−１〜３８−４…振動制御信号、４０…モデル、４１，６１…オブザーバ。
【図１】
2018039591.tif 000018
【図２】
2018039591.tif 000019
【図３】
2018039591.tif 000020
【図４】
2018039591.tif 000021
【図５】
2018039591.tif 000022
【図６】
2018039591.tif 000023
【図７】
2018039591.tif 000024
【図８】
2018039591.tif 000025
【図９】
2018039591.tif 000026
【図１０】
2018039591.tif 000027
【図１１】
2018039591.tif 000028
【図１２】
2018039591.tif 000029
【図１３】
2018039591.tif 000030
【図１４】
2018039591.tif 000031
【図１５】
2018039591.tif 000032
【図１６】
2018039591.tif 000033
【図１７】
2018039591.tif 000034
【図１８】
2018039591.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月4日(2017.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、
上記乗りかごと上記ガイドレール間の相対変位を検出する少なくとも１つの変位センサと、
上記ガイドレールの撓み量によって上記乗りかごと上記ガイドレール間に生じる相対変位を理論的に表した数学モデルを有し、上記変位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
を具備した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】
上記制振機構は、
上記乗りかごの上部の上記ガイドレールと対向する部分および上記乗りかごの下部の上記ガイドレールと対向する部分のうちの少なくとも一方に設置され、
上記変位センサは、
上記制振機構が設置された箇所で上記乗りかごと上記ガイドレール間の相対変位を検出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り、
上記拡張状態方程式モデルは、
上記乗りかごの状態量と上記ガイドレールの撓みの推定量との関係に基づいて上記ガイドレールと上記乗りかご間の相対変位を算出するための変換式を含むことを特徴する請求項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表す状態方程式を変形し、上記ガイドレールと上記乗りかご間の相対変位を状態ベクトルとして状態方程式の形で表現したかご変位モデルと、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５】
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３または４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５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５記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項８】
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５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３または４記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項１０】
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３または４記載のエレベータのアクティブ制振装置。
【請求項１１】
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１０記載のエレベータのアクティブ制振装置。