JP2011105455A - エレベータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電動機に新たに回転センサを設けることなく、非常停止時にかごの速度を制御することを目的とするものである。
【解決手段】速度推定器３０は、電動機６の３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電位を入力として、回転速度を推定し、ブレーキ制御装置２８に出力する。ブレーキ制御装置２８は、かご１の走行中、かご１を非常停止させる必要が生じた場合、速度推定器３０からの速度信号出力に基づいてブレーキ装置８を制御し、かご１が緩やかに停止するように電動機６の回転を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、かごを制動するブレーキ装置の制動力を制御可能なエレベータ装置に関するものである。

従来のエレベータ装置では、非常停止時に、ブレーキコイルへの通電電流を制御することにより、かごの減速度が可変制御される。非常停止時には、所定の減速度を持つ非常停止用速度基準パターンに基づく速度指令が速度基準発生部から出力される（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２０６２８８号公報

近年、界磁のための電流が不要な永久磁石電動機（ＰＭ電動機）が多くのエレベータ装置に適用されている。一般的に、このようなＰＭ電動機の制御には、永久磁石の磁極位置を検出するセンサが用いられる。これに対して、エレベータ装置における構造上の制約やコスト低減の観点から、センサを用いないセンサレス制御方式が開発されている。このセンサレス制御方式では、インバータから電動機に印加される電圧や電流値等の特性に基づいて、電動機の回転状態が推定される。しかし、非常停止時には、電動機への給電が遮断されるため、インバータによる印加電圧や電流値から電動機の回転速度を推定することができなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電動機に新たに回転センサを設けることなく、非常停止時にかごの速度を制御することができるエレベータ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るエレベータ装置は、かご、かごを駆動する電動機、電動機を制御するエレベータ制御装置、かごの走行を制動するブレーキ装置、ブレーキ装置を制御するブレーキ制御装置、及び電動機の回転速度を推定する速度推定器を備え、ブレーキ制御装置は、非常停止時に、速度推定器により推定された速度を参照して、ブレーキ装置が発生する制動力を制御する。

この発明のエレベータ装置は、ブレーキ制御装置が、かごの非常停止時に、速度推定器により推定された速度を参照して、ブレーキ装置が発生する制動力を制御するので、電動機に新たに回転センサを設けることなく、非常停止時にかごの速度を制御することができる。

この発明の実施の形態１によるエレベータ装置を示す構成図である。 図１の速度推定器を示すブロック図である。 図１の電動機が一定速で回転した場合の各相間の端子間電圧の時間変化を示すグラフである。 図２の回転速度演算手段の構成を示すブロック図である。 図１の電動機の回転速度により端子間電圧が変動する様子を示すグラフである。 この発明の実施の形態２によるエレベータ装置の速度推定器を示すブロック図である。 図１の電動機が一定速で回転した場合の２組の端子間電圧の時間変化を示すグラフである。 図７とは回転方向が反対の場合の２組の端子間電圧の時間変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態３による強制減速装置により停止距離を制限した場合のかご速度の時間変化及び強制ブレーキスイッチの状態の時間変化を示すグラフである。 実施の形態３による強制減速装置により停止距離を制限した場合のかご速度と距離との関係、及び強制ブレーキスイッチの状態と距離との関係を示すグラフである。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるエレベータ装置を示す構成図である。図において、かご１及び釣合おもり２は、懸架手段３により昇降路内に吊り下げられている。懸架手段３としては、複数本のロープ又はベルトが用いられる。

昇降路の上部には、かご１及び釣合おもり２を昇降させる巻上機４が設置されている。巻上機４は、懸架手段３が巻き掛けられた駆動シーブ５と、駆動トルクを発生し駆動シーブ５を回転させる電動機６と、駆動シーブ５と一体に回転するブレーキ車（例えばブレーキドラム又はブレーキディスク）７と、制動トルクを発生しブレーキ車７の回転を制動するブレーキ装置８とを有している。

この例では、駆動シーブ５及びブレーキ車７は、電動機６の回転軸に固定されている。また、電動機６としては、ＰＭ電動機が用いられている。さらに、ブレーキ装置８としては、電磁ブレーキ装置が用いられている。

電磁ブレーキ装置においては、制動ばねのばね力によりブレーキシューがブレーキ車７の制動面に押し付けられてブレーキ車７及び駆動シーブ５の回転が制動され、かご１が制動される。また、電磁マグネットを励磁することによりブレーキシューが制動面から引き離され、制動力が解除される。

昇降路の底部には、かご緩衝器９及び釣合おもり緩衝器１０が設置されている。かご緩衝器９は、かご１の真下に配置され、かご１が昇降路の底部に衝突する際の衝撃を緩和する。釣合おもり緩衝器１０は、釣合おもり２の真下に配置され、釣合おもり２が昇降路の底部に衝突する際の衝撃を緩和する。

昇降路の上部には、調速機１１が設置されている。調速機１１は、調速機シーブ１２と、調速機シーブ１２の回転に応じた信号を発生する調速機エンコーダ１３とを有している。調速機シーブ１２には、ループ状の調速機ロープ１４の上端部が巻き掛けられている。調速機ロープ１４の下端部は、昇降路の下部に配置された張り車１５に巻き掛けられている。

また、調速機ロープ１４は、かご１に接続されている。これにより、かご１が昇降されると、調速機ロープ１４が循環され、かご１の走行速度に応じた回転速度で調速機シーブ１２が回転される。

電動機６は、インバータ２２を介してエレベータ制御装置２１により制御される。インバータ２２と電動機６との間には、電源供給スイッチ２３が設けられている。電源供給スイッチ２３の開閉は、エレベータ制御装置２１により制御される。

ブレーキ装置８の電磁マグネットには、ブレーキコイル２４が設けられている。ブレーキコイル２４は、ブレーキ用電源２５に接続されている。ブレーキコイル２４とブレーキ用電源２５との間には、制御用ブレーキスイッチ２６及び強制ブレーキスイッチ２７が直列に接続されている。

制御用ブレーキスイッチ２６のオン・オフは、ブレーキ制御装置２８により制御される。ブレーキ制御装置２８は、かご１の走行時に、エレベータ制御装置２１からの指令を受けてブレーキコイル２４に電圧を印加し、駆動シーブ５の回転を静止保持する制動力を解除する。

また、ブレーキ制御装置２８は、かご１の非常停止時に、ブレーキ装置８により印加される制動力を制御し、かご１の減速度が過大になるのを防止する。このとき、ブレーキ制御装置２８は、例えば、予め設定されたスイッチングデューティ（例えば５０％）で制御用ブレーキスイッチ２６をオン・オフすることにより、ブレーキコイル２４に所定の電圧を印加し、制動力を制御する。

強制ブレーキスイッチ２７のオン・オフは、強制減速装置２９により制御される。強制減速装置２９は、調速機エンコーダ１３からの信号に基づいてかご１の位置を求める。また、強制減速装置２９は、調速機エンコーダ１３からの信号やエレベータ制御装置２１からの指令等に基づいて、必要に応じて強制ブレーキスイッチ２７を操作しブレーキ装置８を強制的に動作させる。強制ブレーキスイッチ２７がオフにされると、ブレーキコイル２４への通電が遮断され、ブレーキ装置８の最大の制動力がブレーキ車７に印加される。

速度推定器３０は、電動機６自体に接続された電線から得られる信号に基づいて、電動機６の回転速度を間接的に推定する。この例では、速度推定器３０は、電動機６の３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電位を入力として、回転速度を推定し、ブレーキ制御装置２８に出力する。ブレーキ制御装置２８は、かご１の走行中、例えばエレベータ制御装置２１から非常停止の指令を受けた場合など、かご１を非常停止させる必要が生じた場合、速度推定器３０からの速度信号出力に基づいてブレーキ装置８を制御し、かご１が緩やかに停止するように（かご１の減速度が過大にならないように）電動機６の回転を制御する。

図２は図１の速度推定器３０を示すブロック図である。速度推定器３０は、電圧検出手段３１及び回転速度演算手段３２を有している。電圧検出手段３１は、入力電圧を検出して各相間の端子間電圧を出力する。回転速度演算手段３２は、端子間電圧に基づいて回転速度を推定し出力する。

図３は図１の電動機６が一定速で回転した場合の各相間の端子間電圧の時間変化を示すグラフである。端子間の電圧は、電動機６のコイルが１つの極を通過するのに合わせて正負に１周期変化する。そして、３つの端子間電圧は、その極対の配置の関係から、互いに１２０°ずれて周期変化する。

図４は図２の回転速度演算手段３２の構成を示すブロック図である。回転速度演算手段３２は、コンパレータ３３、カウンタ３４及び演算部３５を有している。コンパレータ３３は、入力された端子間電圧が０に至る状態（電圧の０点交差）を検出する。カウンタ３４は、電圧の０点交差の回数をカウントし、カウント値を演算部３５に出力する。演算部３５は、演算周期毎に、以下の算出式により回転速度を算出する。
Ｖ＝ΔＸ／（ΔＴ×ａ×６） ・・・式（１）
但し、Ｖは回転速度、ΔＸはカウント増加値、ΔＴは演算周期、ａは電動機６の極対数である。

また、式（１）の分母にある数値６は、Ｕ−Ｖ相間、Ｖ−Ｗ相間、Ｗ−Ｕ相間の３つの端子間電圧の０点交差をカウントする構成で、周期変化での正／負２方向からの０点交差を考慮したものである。

本実施の形態では、３つの端子間電圧に基づいて速度推定する場合について説明しているが、３つ以下の端子間電圧に基づいて速度推定することも可能である。この場合、式（１）の分母の数値６を、１組の端子間電圧の場合には２に、２組の場合には４にする必要がある。また、２組の端子間電圧を利用する場合は、その位相差が１２０°であり、２組の端子間電圧は交互に一定の位相間隔で０交差に至らないため、誤差が生じる点に留意する必要がある。

図５は図１の電動機６の回転速度により端子間電圧が変動する様子を示すグラフである。図５では、時間経過と共に速度が徐々に小さくなった場合の端子間電圧を示している。速度が小さくなると、電動機６のコイルと磁石とがすれ違う速度が小さくなって誘起電圧が低下するため、電圧の触れ幅が小さくなる。また、コイルと磁石とがすれ違う頻度が低下するため、電圧の０点交差の頻度も低下する。このため、速度が高い状態での演算周期中には、０点交差が数回あるのに対して（例えば図５のｔ１〜ｔ２）、速度が低い状態では１回も生じないこととなる（例えば図５のｔ３〜ｔ４）。

また、一般のエレベータ装置の電動機６の極対数ａと電動機６等を制御する装置の演算周期ΔＴから考慮すると、式（１）で直接算出される速度Ｖは、制御に利用するのに十分な分解能を有していない場合が多い。これに対して、複数回の演算周期毎の移動平均値を利用すれば、カウントが１増加する時間に対して演算周期ΔＴが小さいような低速度でも、より正確な速度を検出できる。

特に、制御に必要な速度分解能との関係から、平均化回数は以下のように決定できる。
ｍ＝１／（ΔＴ×Ｖ０×ａ×６） ・・・式（２）
但し、ｍは平均化回数、Ｖ０は速度分解能である。平均化回数をｍ回以上とすると、Ｖ０以上の速度分解能が得られる。

このようなエレベータ装置では、ブレーキ制御装置２８が、かご１の非常停止時に、速度推定器３０により推定された速度を参照して、ブレーキ装置８が発生する制動力を制御するので、電動機６に新たに回転センサを設けることなく、構造上の制約を受けず、かつ低コストで、かご１を緩やかに停止させることができる。即ち、センサレス制御方式であっても非常停止時にかご１の速度を制御することができる。

また、速度推定器３０は、電動機６が回転した際に電磁コイルに生じる誘起電圧に基づいて電動機６の回転速度を推定するので、インバータ２２から電動機６への電源供給が遮断された状態でも速度を推定することができる。

実施の形態２．
次に、図６はこの発明の実施の形態２によるエレベータ装置の速度推定器を示すブロック図である。速度推定器３０は、図２の構成に加えて、回転方向演算手段３６を有している。回転方向演算手段３６は、２組の端子間電圧を入力として、電動機６の回転方向を算出し、回転方向情報として出力する。他のエレベータ装置の構成は、実施の形態１と同様である。

図７は図１の電動機６が一定速で回転した場合の２組の端子間電圧の時間変化を示すグラフ、図８は図７とは回転方向が反対の場合の２組の端子間電圧の時間変化を示すグラフである。図７と図８とでは、Ｕ−Ｖ相端子間電圧とＶ−Ｗ相端子間電圧の正負の入れ替わり順が異なる。即ち、図７では、Ｕ−Ｖ相端子間電圧が正転した後にＶ−Ｗ相端子間電圧が正転するのに対して、図８では逆となる。

回転方向演算手段３６は、図７及び図８で示した電圧正負の入れ替わり順から、電動機６の回転方向を判断する。なお、回転方向演算手段３６は、３組の端子間電圧の入力に基づいて回転方向を判断してもよく、この場合、検知する端子間電圧が１組増えるため、２組の場合よりも少ない回転量による位相差で判断することができる。

ブレーキ制御装置２８は、エレベータ制御装置２１等からの非常停止指令によりかご１を非常停止させる場合、速度推定器３０により推定された速度情報に基づいて把握した電動機６の回転量、回転速度、又は回転加速度を目標値に近づけるように制御用ブレーキスイッチ２６のオン・オフを制御する。

このとき、速度推定器３０に回転方向演算手段３６を設けることにより、回転方向が判断できるため電動機６の回転が一旦停止した後の逆回転をより確実に防止できる。また、回転方向に応じて目標値を変化させることが可能となる。

例えば、最上階に停止したかご１の上部から昇降路の天井までの余裕距離はあるが、最下階に停止したかご１の下部から昇降路の床までの余裕距離がないような場合、判断された回転方向からかご１が上昇しているか下降しているかを判断し、かご１の上昇時に比べてかご１の下降時には非常停止での停止距離が短くなるように目標値を設定することで、余裕距離に合わせてかご１を緩やかに減速させることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３においては、強制減速装置２９は、非常停止時に、かご１の状態を検出する状態センサである調速機エンコーダ１３からの信号に基づいて、所望の距離以内でかご１を停止させるように強制ブレーキスイッチ２７によりブレーキ装置８を操作する。他の構成は、実施の形態１又は２と同様である。

非常停止時に、かご１が終端階に至っても、緩衝器９，１０により安全性は確保されるが、利用者がかご１からすぐには出られず、サービス性が低下してしまう。また、走行中に利用者がいたずらでかごドアを開いたような場合には、利用者の安全を考え、減速による衝撃が負担を与えない範囲の短い距離でかご１を停止させるのが望ましい。このような観点から、停止距離の制限要求に対しては、要求仕様をより確実に満たすことができる構成とするのが望ましい。

これに対して、速度推定器３０により速度推定する場合、回転センサを用いた場合に比べて、推定された速度の精度や確度が劣ることとなり、停止距離の制限要求仕様を十分に満たすことができない可能性がある。

そこで、実施の形態３では、停止距離の制限要求仕様を満たすように強制ブレーキスイッチ２７を操作する機能を強制減速装置２９に含めることで、サービス性の低下を防止し、走行時の戸開事象に対応する。

ここで、ブレーキ制御装置２８は、そもそも速度推定器３０を用いなくても調速機エンコーダ１３からの信号に基づいてブレーキ装置８の制動力を制御することもできるが、調速機エンコーダ１３ではブレーキ装置８が制動する電動機６の回転を直接検出できないため、かご１の振動を十分に抑制しながら低減速度でかご１を停止させる制御を行うのは難しい。

図１に示すように、強制減速装置２９は、調速機エンコーダ１３からのかご位置情報の他、エレベータ制御装置２１からの非常停止指令を受ける構成になっており、これらに基づき強制ブレーキスイッチ２７を操作する。

図９は実施の形態３による強制減速装置２９により停止距離を制限した場合のかご速度の時間変化（ａ）及び強制ブレーキスイッチの状態の時間変化（ｂ）を示すグラフである。図において、点線Ａはブレーキ制御装置２８が制御用ブレーキスイッチ２６を制御する際の目標とする速度であり、細線Ｂは停止距離を制限するために強制減速装置２９が強制ブレーキスイッチ２７をオフにする際の目標速度である。

装置の構成上、制御用ブレーキスイッチ２６か強制ブレーキスイッチ２７の少なくともいずれかがオフにされれば、電動機６はブレーキ装置８により減速される。また、ブレーキ制御装置２８が推定速度に基づいて電動機６の速度を目標速度に追従できていれば、強制ブレーキスイッチ２７によりブレーキ装置８を動作させることはない。

しかし、ブレーキ制御装置２８が目標速度に適正に追従できず、電動機６が目標速度Ｂ以上に増速してしまった場合には、強制減速装置２９が強制ブレーキスイッチ２７をオフにしてブレーキ装置８を動作させて、停止距離を制限する。このように、目標速度Ｂは、目標速度Ａの制御が適正に働かない場合に強制減速するための判断基準となるパターンであるため、目標速度Ａよりも高い速度に設定される。

これらの目標速度Ａ，Ｂの機能の関係から、非常停止開始時のかご速度を基準に目標速度Ａを設定すると、急激な速度変化を生じさせずに指令に追従できる。

また、強制減速装置２９は、現在の速度からブレーキ装置８を動作させて減速した場合に、許容される距離内でかご１を実際に停止させられるか否かを判断して、強制ブレーキスイッチ２７を操作して距離を制限してもよい。

図１０は図９で説明した方法とは異なる方法で停止距離を制限した場合のかご速度と距離（非常停止開始からの移動距離）との関係（ａ）、及び強制ブレーキスイッチ２７の状態と距離との関係（ｂ）を示すグラフである。

この方法では、かご速度と位置との関係が条件Ｃ以上の速度領域へ至った場合に、強制ブレーキスイッチ２７をオフにし、ブレーキ装置８を動作させる。これにより、かご位置と速度との関係がＣ以上に至った場合には、ブレーキ装置８が必ず動作するため、条件Ｃのパターンに応じて所定距離進んだ場合にはブレーキ装置８を必ず動作させることとなり、より確実な減速により停止までの距離を制限できる。

このように、実施の形態３のエレベータ装置では、強制減速装置２９が、非常停止時に、調速機エンコーダ１３からの信号に基づいて、所望の距離以内でかご１を停止させるように強制ブレーキスイッチ２７によりブレーキ装置８を操作するので、電動機６の回転を直接推定して制御することで振動等の発生を防止した精度の良い制御を行いつつ、調速機エンコーダ１３でかご位置を検出してかご１をより確実に停止させることができ、サービス性及び安全性の向上を図ることができる。

なお、強制ブレーキスイッチ２７として、故障時にオフとなる強制開離スイッチを用いてもよく、この場合、強制ブレーキスイッチ２７が故障しても、より確実にかご１を減速させることができる。
また、強制ブレーキスイッチ２７を直列に二重化してもよく、この場合、一方の強制ブレーキスイッチ２７が故障しても、他方の強制ブレーキスイッチ２７により、より確実にかご１を減速させることができる。
さらに、調速機エンコーダ１３を二重化して強制減速装置２９に入力し、２つの入力信号を比較することにより、調速機エンコーダ１３の動作を保障する構成としてもよい。
さらにまた、二重化した調速機エンコーダ１３の入力を比較する判断部を二重化することで、判断の正確性を保証する構成としてもよい。

また、エレベータ制御装置２１、ブレーキ制御装置２８、強制減速装置２９及び速度推定器３０は、それぞれマイクロコンピュータを有している。即ち、エレベータ制御装置２１、ブレーキ制御装置２８、強制減速装置２９及び速度推定器３０の機能は、マイクロコンピュータによる演算処理を利用して実現することができる。また、これらの機能の一部を共通のマイクロコンピュータでまとめて実行することもできる。例えば、速度推定器３０の機能とブレーキ制御装置２８の機能とを共通のマイクロコンピュータにより実行させてもよい。さらに、これらの機能は、アナログ信号を処理するアナログ電気回路によっても実現することができる。

さらに、上記の例では、ブレーキ装置８を巻上機４に設けたが、他の位置に設けてもよい。例えば、ブレーキ装置は、懸架手段３を把持してかご１を制動するロープブレーキや、かご１に搭載されガイドレールに係合してかご１を制動するかごブレーキ等であってもよい。但し、電動機６の誘起電圧から速度を推定する場合、ブレーキ装置は電動機６又はその近傍に配置されているのが好適である。

さらにまた、ブレーキ装置の数は１つに限定されるものではなく、複数のブレーキ装置を用いてもよい。
また、図１では、巻上機４が昇降路上部に配置された１：１ローピングのエレベータ装置を示したが、エレベータ装置全体のレイアウトは図１に限定されるものではなく、例えば２：１ローピング等であってもよい。
さらに、上記の例では、１台の巻上機４によりかご１が昇降されるが、複数台の巻上機を用いるエレベータ装置であってもよい。
さらにまた、状態センサは調速機エンコーダ１３に限定されるものではなく、かご１の位置を検出する光センサ、近接センサ又は位置検出スイッチ等であってもよい。

１ かご、６ 電動機、８ ブレーキ装置、１３ 調速機エンコーダ（状態センサ）、２１ エレベータ制御装置、２８ ブレーキ制御装置、２９ 強制減速装置、３０ 速度推定器。

Claims (4)

1. かご、
   前記かごを駆動する電動機、
   前記電動機を制御するエレベータ制御装置、
   前記かごの走行を制動するブレーキ装置、
   前記ブレーキ装置を制御するブレーキ制御装置、及び
   前記電動機の回転速度を推定する速度推定器
   を備え、
   前記ブレーキ制御装置は、非常停止時に、前記速度推定器により推定された速度を参照して、前記ブレーキ装置が発生する制動力を制御することを特徴とするエレベータ装置。
2. 前記電動機は、永久磁石による界磁を利用した永久磁石電動機であり、
   前記速度推定器は、前記電動機が回転した際に電磁コイルに生じる誘起電圧に基づいて電動機の回転速度を推定することを特徴とする請求項１記載のエレベータ装置。
3. 前記速度推定器は、前記電動機の端子間電圧の正負の入れ替わり順から前記電動機の回転方向を推定し、
   前記ブレーキ制御装置は、非常停止時に、前記速度推定器により推定された速度及び回転方向を参照して、前記ブレーキ装置が発生する制動力を制御することを特徴とする請求項２記載のエレベータ装置。
4. 前記かごの状態を検出する状態センサ、及び
   前記状態センサの信号に基づいて前記ブレーキ装置を操作する強制減速装置
   をさらに備え、
   前記強制減速装置は、非常停止時に、所望の距離以内で前記かごを停止させるように前記ブレーキ装置を操作することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエレベータ装置。

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