CN105819308B - 一种齿条式垂直升降机运行检控和定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿条式垂直升降机运行检控和定位系统，包括：检测单元、处理单元、控制单元和执行单元，所述检测单元包括齿数传感器和相对应的检测电路，所述齿数传感器检测齿数的变化，并由所述检测电路整形成方波信号发送至处理单元，所述处理单元将方波信号进行非完全状态格雷码编码并进行运算，得到升降机运行的速度、加速度和位置，所述控制单元根据来自处理单元的命令给执行单元输出相应频率和驱动力。本发明使得升降机工作在闭环控制状态，解决了传统的齿条式升降机依靠人工目测操作带来的费时费力和平层不准确以及系统开环控制带来的不稳定性等缺点，同时简化了升降机操过程，降低了操作工人的劳动强度，提高了劳动效率。

Description

一种齿条式垂直升降机运行检控和定位系统

发明领域

本发明涉及建筑行业垂直升降机领域，尤其涉及齿条式建筑升降机和人货两用建筑电梯及其他采用齿轮或齿条传动的垂直升降机械装置的运行检控和定位系统。

发明背景

建筑机械中最常用的齿条式垂直升降机是把人及建筑器材等送到所需楼层的常用运输设备。这种升降机的井架垂直地面固定在地基上，并通过支架和建筑墙壁固定，装载人及货物的笼箱通过固定在箱体上的电机带动齿轮沿着固定的井架上的齿条来实现升降工作。当箱体升降到预定的楼层位置时停止，该过程称为平层。

在目前的垂直升降机系统中，通常有两种控制方法，一种是工频直控法，这种方法是通过电器开关直接驱动电机启停，带动升降机笼箱升降。这种方法最大的特点就是简单，但只有一种速度，一旦开启只能全速工作，不能对升降速度进行控制和设定。启停时由于惯性作用，机械振动非常大，同时也会产生很大的启动电流和反冲电压，这对升降机机械及电机都是很大的损坏。这种方式下升降机的平层定位只能通过操作人员目测手控进行。由于是人工目测控制操作，不仅要求操作人员注意力集中，操作熟练，而且平层误差很大重复性很差，甚至需要往复操作，频繁启停，既影响施工进度又浪费能源。第二种方法是目前正在推广的方法，也就是用变频器驱动电机工作，实现低速平稳启停。但目前该方法对升降机的控制有开环和闭环两种。开环控制时只给定一个速度频率，而不管升降机正真速度。由于升降机载重量是随机的，所以给定速度频率并不能达到实际要求的速度，也即开环控制的速度和加速度的离散性会很大。而在闭环控制中，必须加入电机转速传感器或加速度传感器才能够得到升降机实际速度和加速度。这就需要额外增加成本及相应复杂的电路。而在平层定位应用中，也有采用类似商业电梯的平层方法，即在井架上安装对应的楼层电器触点（或信号片），在笼箱上安装机械开关或感应器。升降时，对应楼层触点触发笼箱上的机械电器开关或由感应器信号输出楼层信号，使得变频器改变输出而使电机减速到停止，达到平层。这种方法的缺点不但无法对升降机进行速度和加速度的控制，而且每层都必须装一个电器开关或感应片。这明显使得安装比较麻烦，而且由于建筑设备是需要经常更换地点或场所，每次更换地点的楼层位置也不一样，需要重新人工安装，非常不方便。

同样，在施工中楼层是随建筑物增高而增加的，在楼层增加时需要对升降机的井架进行加节（加高）这样每次加节都需要在安装一次楼层电器开关或感应片。这更给安装带来麻烦。另外，升降机的工作环境十分恶劣，基本上暴露在室外的露天环境，而且随时会有泥沙石块等杂物落下，这就会使安装在井架上的楼层的电器开关或感应片很容易被破坏，而使系统无法工作。

发明内容

为克服现有的升降机系统中的不足，特别是平层方法的不足，实现精确平层，本发明提供如下解决方案：

一种齿条式垂直升降机运行检控和定位系统，包括：包括：检测单元、处理单元、控制单元和执行单元，所述检测单元包括齿数传感器和相对应的检测电路，所述检测单元中齿数传感器检测到齿条齿数的变化，并由所述检测单元中的检测电路整形成方波信号发送至处理单元进行处理，所述处理单元将方波信号进行非完全状态格雷码编码并进行加或减以及比较运算，所述控制单元根据来自处理单元的比较运算的结果给执行单元发送工作的控制信息。

所述执行单元是指带动升降机笼箱上下升降的升降机异步电机及配套电器。

所述检测单元中的齿数传感器安装在升降机笼箱上，可以随着升降机笼箱一起做升降运动；所述齿数传感器的信号感应端安装于齿条的侧面。

所述处理单元采用单片机，所述单片机根据来自传感器及检测电路的方波信号进行非完全状态的格雷码编码，并根据编码的状态转换来识别升降机的升或降，根据状态转换的次数来计算升降机笼箱的位置。

所述检测单元的传感器由三个相同光电感应器件组合成，各个光电感应器件之间的距离为六分之一的齿间距，所述齿间距是指相邻齿的齿峰之间的距离，所述处理单元的单片机内设置有对状态转换进行计时的计时器，从而可以计算升降机运动的速度和加速度，使得该速度和加速度作为升降机实际运行的反馈参数，从而实现升降机闭环控制。这样做的目的在于使得在两个齿之间，可以得到三个传感器的六种组合信号，这六组信号正好是六种状态的格雷码编码。这种编码方式的特点在于任意相邻的两组状态的状态变量中只有一位不同，其余各位都相同。从而可以根据齿间距和状态转换过程时间计算出升降机实际速度，并根据相关的升降速度和状态转换过程时间计算出实际加速度。该速度和加速度作为升降机实际运行的控制系统反馈参数，实现升降机闭环控制，从而也实现对升降机的平稳控制。

所述控制单元采用变频控制，该变频器的输出频率由处理单元单片机的指令决定，变频器的启动停止由单片机控制。

所述处理单元的单片机根据识别的升降机的升或降，对升降机笼箱位置进行计算，并且设定升降机上升时，单片机内计数器的对应于升降机笼箱位置的数值增加，升降机下降时，单片机内计数器的数值减小。

本发明的定位功能在实施时，需要对楼层高度进行标定。标定时设定升降机笼箱停留在底层时的所述单片机内计数器的数值为零，并经过升降机一次标定升降工作，对各楼层平层高度的单片机内计数器的数值进行标定存储，以作为该楼层平层定位的计数标定值。

工作时，当所述处理单元的单片机计数器的数值接近所需平层楼层对应的标定值时，所述处理单元给所述控制单元指令，控制单元给执行单元输出相应频率和驱动力，所述执行单元带动笼箱实现速度和加减速控制及平层操作。工作时，当所述单片机计数器的数值等于所需平层楼层对应的楼层标定计数值时，执行单元使得升降机停止工作，平层结束。

本发明提供一种齿条式垂直升降机运行检控和定位系统，采用传感器及数字逻辑技术、计算机及控制算法、、电力电子及电机驱动等技术实现建筑垂直升降机的精确平层方法，解决了传统的齿条式建筑升降机依靠人工目测操作平层的费时费力和平层不准确，速度及加速度难以控制等缺点，以及解决了其他楼层传感器平层机械结构的复杂、安装不便，以及附加的速度传感器或加速度传感器等多种传感器等的不足。本发明的方法可以方便地解决升降机升降运动的方向、距离、速度、加速度等运动参数，减少了升降机控制系统的硬件投入和简化了升降机的操作过程，同样达到升降机闭环，平稳控制，实现快速响应，快速定位及准确平层，降低了操作工人的劳动强度，节约了能源，提高了劳动效率。

附图说明

图1为本发明的齿条式垂直升降机运行检控和定位系统的架构图。

图2为本发明的传感器安装示意图。

图3为本发明的信号检测电路的时间空间关系波形图。

图4为本发明的升降机箱体上升和下降运动对应的状态转换关系图。

图5为本发明的平层算法流程图。

图中的标号依次为：井架齿条1；传感器及检测电路2；单片机3；变频器4；电机5。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明进行详细说明：

齿条式垂直升降机由固定的井架和活动的笼箱两部分组成，齿条被固定在井架上，笼箱上固定动力电机、齿轮变速装置、变频器电控柜和操作台。如图1所示，为本发明的具体实施系统架构，齿条式垂直升降机运行检控和定位系统包括：井架齿条1，齿数传感器及检测电路2，单片机3，变频器4以及带动升降机笼箱的电机5。

井架齿条1固定在井架上；齿数传感器及检测电路2、单片机3、变频器4、电机5均固定在升降机笼箱上，并可以随着升降机笼箱一起做升降运动。齿数传感器及检测电路2检测到井架齿条1的齿信息并整形后输给单片机3，单片机对来自传感器及检测电路2的整形信息进行处理并根据结果对变频器4发出命令；变频器4直接驱动电机5工作，电机5带动笼箱沿着井架的齿条和轨道升降移动。

如图2所示，进一步地，根据井架齿条1的齿距尺寸设计出具有三路信号检测的齿数传感器及检测电路2，这里使用的传感器由三个相同感应材料组成的器件，这里优选三组光电感应器件。传感器安装在齿条侧面，三个传感器依次命名为A、B和C，可以检测出井架齿条1上齿的有无，各个光电感应器件之间的距离为六分之一的齿间距，所述齿间距是指相邻齿的齿峰之间的距离。这样做的目的在于使得在两个齿之间，可以得到三个传感器的六种组合信号，这六组信号正好是六种状态的格雷码编码。这种编码方式的特点在于任意相邻的两组状态的状态变量中只有一位不同，其余各位都相同。这样只要根据当前状态与下一个状态之间的变化及变化时间，就可以快速求得升降机的运动方向和运动距离以及运动速度和加速度等。

如图3所示，齿条传感器感应出齿条齿的信息变化并通过检测电路整形处理后，得到有三路输出的开关信号，三路开关信号的占空比为0.5、相位差为120度。根据ABC三路波形，单片机对ABC三路信号进行非完全状态的格雷码，分别编码为：000；001；011；111；110；100。

如图4所示，为根据升降机运动、相应齿条上下两齿间得到的非完全状态格雷码的状态转换过程，也称状态图。设定顺时针状态转换时为升降机笼箱上升，那么逆时针时状态转换时为笼箱下降。笼箱上升一个状态转换时，单片机中计数器中的数值”加1”，笼箱下降一个状态转换时单片机中计数器中的数值“减1”。从当前状态转换到下一个状态仅仅一位发生变化，非常可靠。由于齿间距H和各个传感器感应器件的距离恒定，所对应的6种状态也恒定，因此，只要测得从当前状态转换到下一个状态所需要的时间t，即可以求得升降机的速度v，公式为：v=H/t，进而根据两组连续状态转换之间的时间，可以求得升降机的加速度a，公式为：a=Δv/Δt。

本发明利用格雷码的状态转换来判别升降方向、升降距离、升降速度和加速度，从而可以通过变频器实现升降机笼箱的平稳升降和精确定位。

由于垂直升降机的升降范围决定于井架高度，也即井架齿条高度，而楼层高度始终低于齿条高度，这样齿条高度就包括了所有楼层高度。也就是笼箱可以升降到任何楼层。每一楼层都有相对底层的齿条齿数值，设定升降机笼箱停留在楼层底层时，单片机中计数器的相应计数值为零，并对各楼层对应的平层高度对单片机内计数器的数值进行标定，作为楼层平层定位的基准。因此，单片机中计数器的数值就可以作为平层的依据。

按照国家标准，齿条每一米有125个齿，也即每齿距离为1000÷125=8（mm）。按照ABC三位非完全状态格雷码编码，即8mm的距离可以产生6个状态信号，也即每个状态信号间的距离为1.33mm。如果不加数学补偿，即精度可达1.33mm。这对建筑电梯来说已经足够高的精度了。

按照标准升降机中速升降速度为每分钟15米计算。即每秒为速度为25mm。对应齿条齿数为：25/8=3.125齿数，进而对应的连续变换状态数为：3.125x6=18.75个状态变化数。求得每个状态变换时间为：1/18.75=53毫秒，即每个状态之间的变化时间约为53毫秒。单片机只要计数出相邻状态的变化时间如果大于53毫秒即为减速，而小于53毫秒即为加速。反之，如果测得两相邻状态的转换时间为20毫秒，就可以求得升降机速度等于每分钟40米。如果测得两相邻状态的转换时间为100毫秒，就可以求得升降机速度等于每分钟0.8米，依次类推。

同理，如果测得前一个状态的转换时间和后一个状态的转换时间，不但根据上述方法求得升降机速度，而且可以根据时间差，可以求得升降机加速度，两个速度差除两个时间差即可。速度和加速度是升降机闭环控制的必不可少的关键反馈参数，速度反馈使得升降机平稳运行在给定的速度下，而加速度反馈是使升降机启动和停止的过程中按照给定时间平滑过渡。

根据本发明的平层定位系统，在首次使用时需要进行楼层标定，即先把最底层高度的齿条齿数设为零，单片机中计数器清零，然后对每楼层的高度进行标定。例如第一层与第二层之间高度为5米，则该层的高度齿数为5×125=625个齿数，也即第二层平层的计数器值为625×6=3750，若第三层开始的间隔高度为3米，则相对底层高度为：5+3=8米，则第三层高度的齿数为8×125=1000，则第三层平层的计数器值为：1000×6=6000，依次类推。

平层时如果笼箱从底层升到第三层，即只需要使单片机中计数器的计数值从0计数到6000时停止电机工作，即为第三层平层。同样，如果从第三层下降到第二层，则计数器的值从6000减到3750时停止电机工作，即为第二层平层。依此类推。

本发明中，处理单元的单片机根据操作台的命令及平层的条件控制变频器工作，从而实现平层功能。如图5所示，为本发明中的平层任务的平层算法流程。首先，单片机进入平层任务时，先检测标定请求标志，如果需要标定，则进入标定程序，否则询问是否工作，没有工作则返回。工作时，取传感器输入信息并进行编码处理后判别上升还是下降，上升时计数器“加1”，下降时计数器“减1”。再取平层请求信息，并根据就近原则，把内部计数器值与平层标定数据值进行比较，如果没有接近平层标定数据值则返回，继续取传感器信息，以确定上升还是下降；如果接近平层标定数据值而没有等于平层标定数据值时通知变频器减速。如果等于平层标定数据值时，指令变频器停止输出，则电机停止运行，抱闸闭合，平层结束。

Claims (5)

1.一种齿条式垂直升降机运行检控和定位系统，其特征在于，包括：检测单元、处理单元、控制单元和执行单元，所述检测单元包括齿数传感器和相对应的检测电路，所述检测单元中齿数传感器检测到齿条齿数的变化，并由所述检测单元中的检测电路整形成方波信号发送至处理单元进行处理，所述处理单元将方波信号进行非完全状态格雷码编码并进行加或减运算，然后再进行比较运算，所述控制单元根据来自处理单元的比较运算的结果给执行单元发送工作的控制信息；

所述检测单元中的齿数传感器安装在升降机笼箱上，可以随着升降机笼箱一起做升降运动；所述齿数传感器的信号感应端安装于齿条的侧面；

所述处理单元采用单片机，所述单片机根据来自传感器及检测电路的方波信号进行非完全状态的格雷码编码，并根据编码的状态转换来识别升降机的升或降，根据状态转换的次数来计算升降机笼箱的位置；

所述检测单元的传感器由三个相同光电感应器件组合成，各个光电感应器件之间的距离为六分之一的齿间距，所述齿间距是指相邻齿的齿峰之间的距离，所述处理单元的单片机内设置有对状态转换进行计时的计时器，从而可以计算升降机运动的速度和加速度，使得该速度和加速度作为升降机实际运行的反馈参数，从而实现升降机闭环控制。

2.根据权利要求1所述的齿条式垂直升降机运行检控和定位系统，其特征在于，所述控制单元采用变频控制，该变频器的输出频率由处理单元的单片机的指令决定，变频器的启动停止由单片机控制。

3.根据权利要求2所述的齿条式垂直升降机运行检控和定位系统，其特征在于，所述处理单元的单片机根据识别的升降机的升或降，对升降机笼箱位置进行计算，并且设定升降机上升时，单片机内计数器的对应于升降机笼箱位置的数值增加，升降机下降时，单片机内计数器的数值减小。

4.根据权利要求1所述的齿条式垂直升降机运行检控和定位系统，其特征在于，设定升降机笼箱停留在底层时所述单片机内计数器的数值为零，并对各楼层对应的平层高度对单片机内计数器的数值进行标定，作为楼层平层定位的基准。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的齿条式垂直升降机运行检控和定位系统，其特征在于，当所述处理单元的单片机计数器的数值接近所需平层楼层对应的单片机计数器数值的标定值时，所述处理单元给所述控制单元减速指令，控制单元输出相应频率和功率给执行单元实施平层操作，直到当所述单片机计数器的数值等于所需平层楼层对应的单片机计数器数值的标定值时，控制单元无输出、执行单元使得升降机停止工作，平层结束。