CN108883890A - 用于控制平衡系统中的运动的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了确定用于控制平衡系统中运动的电动机的期望预转矩水平的方法。止动制动器上存在驱动轴的有限量的运动。止动制动器固定时，电动机驱动器向电动机提供电流，从而在驱动轴上施加转矩。控制电流以在两个方向上产生转矩。制动器中有限量的运动可用于确定支撑施加到电动机上的机械负载所需的转矩方向和大小。然后电动机驱动器提供电流以在释放止动制动器前产生支撑负载所需的必要转矩。

Description

用于控制平衡系统中的运动的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年1月29日提交的标题为“Method and Apparatus forControlling Motion in a Counterbalancing System”(用于控制平衡系统中的运动的方法和装置)的美国临时申请62/288,776的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。

发明背景

本申请公开的主题涉及一种用于控制平衡系统中的运动的方法和设备，更具体地，涉及一种用于在制动器接合期间确定预转矩方向并且在制动器脱离之前在预转矩方向上施加预转矩的方法和设备。

电梯通常被制造成平衡系统。因此，缆绳(或绳索)通常围绕滑轮(带槽的主轴或滑轮)设置，安装在电梯轿厢的顶部，以便升高或降低电梯井内的轿厢。缆绳的第一端可以安装到电梯井顶部的第一点，并且绕着安装在轿厢顶部的滑轮向下布置。然后可以将缆绳绕过安装到电动机上的滑轮，电动机中间设有驱动轴。然后，缆绳可以围绕安装到配重的一个或多个滑轮继续延伸，然后返回到驱动轴顶部的第二点。利用所述配重形成与所述轿厢的平衡，这使得电动机可以提升配重和轿厢之间的差值重量(而不是整个轿厢的重量)。可以使用各种配置的缆绳、滑轮和缆绳布线。

为了减轻电动机上的应力并为系统提供进一步的安全性，通常还将制动器与电动机一起使用。在这样的系统中，当希望保持静止时，电动机通常启用零速度，当电动机保持启用时，启用制动器，然后可以在制动器接合之后禁用电动机以使滑轮、缆绳、轿厢和配重保持静止。然后，为了恢复运动，比如收到将电梯移动到另一个楼层的呼叫时，电动机启用零速，然后制动器脱开(或拾起)，然后电动机继续相应地移动轿厢。

然而，在某些可能取决于所涉及的系统配置和重量的情况下，在制动器脱开和电动机启动之间的时间段可能导致电梯轿厢(或配重)的短暂回滚。此外，当电动机必须快速抓住轿厢以试图保持静止时，该交叉周期也可能带来听觉噪声和/或明显的振动。这些情况可能导致电梯轿厢内的乘客不安和/或对附近的建筑物居住者造成干扰，因此是不希望发生的。因此需要一种改进的平衡系统，在这种情况下其可以将一个或多个上述缺陷程度降至最低。

发明内容

本发明的发明人已经认识到，当在平衡系统中使用时，某些制动系统仍然允许在与牵引滑轮的方向相反的方向上进行有限量的运动。这种有限量的运动可以在制动器接合的情况下确定通过启动电动机拉动滑轮的方向，以在相反的方向上施加转矩。在滑轮被拉动的方向上没有运动，但是由于间隙，在与拉动滑轮的方向相反的方向上将存在可测量的有限量的运动。可以通过编码器检测所述有限量的运动，然后电动机可以在释放制动器之前沿与滑轮被拉动的方向相反的方向预先施加正确的转矩，以实现更平稳的过渡。

在一个方面，在平衡升降装置(例如电梯)中，负载可以基于任何给定行程中的乘客数量在上升或下降方向上随着每次行驶或操作而变化。由于在较低成本的应用中使用了许多轻型电梯轿厢，在尝试使用正常的防回滚算法抓住轿厢时可能会导致出现听得见的撞击声。运动控制逆变器可以在正确的方向上提供适当水平的预转矩，以便为运行提供更平稳、更安静且更稳定的启动，同时与机器制动器和电梯控制器连接以固定在一个位置直到电梯具有安全的启动运动。省掉外部负载称重装置更有利于本发明的技术，这样可以降低这种装置的安装和/或校准成本。因此，本发明的各方面具有在没有外部称重装置的情况下能够确定提升装置的方向和幅度。

在一个方面，用于平衡升降装置(例如电梯)的主要运动可以由带有电动机和滑轮的系统提供。滑轮的凹槽中的线缆可以在一端连接到电梯轿厢而在另一端连接到平衡装置。为了安全起见，可以在电动机轴或滑轮上安装机械制动器。可以用花键将一个或多个制动盘连接到与滑轮相对的转轴上。这种机械连接可以为转轴和制动器之间提供小幅度的运动，这可以在制动器仍然保持负载时用于感测负载中的偏移。机器轴上的任何运动可以利用一个或多个编码器检测，编码器可以机械连接到转子。当机器由AC或DC驱动器驱动或控制时，制动器仍可保持固定，并且运动感测编码器可作为适当速度和位置对照的参考装置向AC或DC驱动器反馈信息。

当提升装置开始运动时，可以为单次运行或运动曲线设定固定量的重量。此时，驱动器就准备好运行或启用了。在电梯轿厢控制器发出启动信号和释放制动器开始运动的时间之间，可以确定预转矩方向和大小。可以实现该方案，使得制动器保持的负载可以在制动器被释放之前传递到转子，从而实现平稳过渡。

当驱动器打开时，门和内部控制是激活的。在释放制动器之前可以从转子施加脉冲转矩，以通过编码器反馈感测任何轻微的运动。在监测运动的同时，可以先在正方向上再在反方向上将增大的转矩施加到转子上。如果转轴和制动器之间存在间隙，使得超过一转矩水平时所述间隙被吸收并且能感测到运动，那么该转矩水平可能是在随后释放制动器时维持的用于保持偏移负载的水平。这可以在两个方向上完成，因为负载偏移可以发生在任一方向上。在释放制动器之前施加转矩可以吸收负载偏移并且避免通常可能发生的能听到的和/或振动的过渡过程。换句话说，滑轮和转子可被负载单向拉动，并且如果转子产生的转矩更大但是在与负载相反的方向上，正如转子产生的转矩抵消了负载转矩，则可以感测到小的运动。

此外，改变预转矩脉冲的大小除了能够确定预转矩命令的方向之外还能确定预转矩命令的大小。采用上述方向和大小，可以开始平衡系统的操作，同时提供平稳的启动。

根据本发明的一个实施例，公开了确定用于控制平衡系统中运动的电动机的期望预转矩水平的方法。所述电动机具有可操作地连接到电动机的驱动轴上的止动制动器。在止动制动器固定时增大施加到电动机的电流大小以在第一旋转方向上产生转矩，并且监测与在第一方向上产生转矩时电动机的旋转对应的位置反馈信号。去除施加到电动机上以在第一旋转方向上产生转矩的电流，并且在止动制动器固定时将增大的电流施加到电动机以在第二旋转方向上产生转矩。监测与在第二方向上产生转矩时电动机的旋转对应的位置反馈信号。去除施加到电动机上以在第二旋转方向上产生转矩的电流，并且确定期望预转矩水平为施加到电动机上的电流大小和由位置反馈信号检测的旋转幅度的函数。

根据本发明的另一方面，确定期望预转矩水平的步骤包括将位置反馈信号的变化与第一阈值进行比较，并且当位置反馈信号的变化达到第一阈值时，将期望预转矩水平设定为等于施加到电动机上的电流大小。可选地，确定期望预转矩水平的步骤包括将位置反馈信号的变化与第一阈值进行比较；当位置反馈信号的变化超过第一阈值时，监测位置反馈信号直到位置反馈信号的变化回落到第一阈值以下；并且当位置反馈信号的变化回落到第一阈值以下时，当位置反馈信号的变化回落到第一阈值以下时，将期望预转矩水平设定为等于施加到电动机上的电流大小。

根据本发明的另一个实施例，公开了用于确定用于控制平衡系统中的运动的电动机的期望预转矩水平的系统。所述电动机具有可操作地连接到电动机的驱动轴上的止动制动器。该系统包括功率转换器、位置反馈装置和控制器。功率转换器可操作地连接到电动机，以向电动机提供可变电压和可变电流，用于控制电动机的操作。位置反馈装置可操作地连接到电动机并且配置成产生对应于电动机的角位置的信号。控制器包括可操作用于接收来自位置反馈装置的信号的输入器，可操作用于存储多个指令的存储装置，以及可操作用于执行多个指令的处理器。处理器执行指令以控制功率转换器的操作，用于向电动机提供具有第一极性的增大的电流，并且当具有第一极性的增大的电流被提供给电动机时用于监测来自位置反馈装置的信号，这里电流从第一水平增大到第二水平并且在第一旋转方向上在电动机中产生转矩。处理器还执行以控制功率转换器的操作，用于向电动机提供具有第一极性的减小的电流，其中电流从第二水平减小到第一水平。功率转换器向电动机提供具有第二极性的增大的电流，并且在具有第二极性的增大的电流被提供给电动机时监测来自位置反馈装置的信号，其中电流从第一水平增大到第三水平，第二极性与第一极性相反，并且电流在第二旋转方向上在电动机中产生转矩。功率转换器向电动机提供具有第二极性的减小的电流，其中电流从第三水平减小到第一水平，并且确定期望预转矩水平为施加到电动机上的电流大小和由位置反馈信号检测的旋转幅度的函数。

根据本发明的另一方面，该系统包括电动机驱动器，其中功率转换器是电动机驱动器的功率转换部分，并且控制器是电动机驱动器的控制部分。随着电流大小的增加或电流大小的减小，可以确定期望预转矩水平为施加到电动机上的电流大小的函数。处理器可以将来自位置反馈装置的信号的变化与第一阈值进行比较。当来自位置反馈装置的信号的变化达到第一阈值时，处理器可以将期望预转矩水平设定为等于施加到电动机上的电流的大小。可选地，当来自位置反馈装置的信号的变化超过第一阈值时，处理器监测来自位置反馈装置的信号，直到信号的变化回落到第一阈值以下，并且当来自位置反馈装置的信号的变化回落到第一阈值以下时，将期望预转矩水平设定为等于施加到电动机上的电流的大小。

根据本发明的又一个实施例，公开了减少用于控制平衡系统中的运动的电动机的回滚的方法。所述电动机具有可操作地连接到电动机的驱动轴的止动制动器，并且当制动器打开时发生回滚。利用止动制动器组进行起始步骤。电动机将第一转矩沿第一方向施加到驱动轴，并且监测与施加第一转矩时驱动轴的旋转对应的位置反馈信号。电动机将第二转矩沿第二方向施加到驱动轴，并且监测与施加第二转矩时驱动轴的旋转对应的位置反馈信号。确定期望预转矩水平的大小和方向为施加的第一、第二转矩以及位置反馈信号的函数。电动机将期望预转矩水平的转矩施加到驱动轴上，止动制动器被释放。

根据本发明的又一方面，电动机驱动器向电动机提供可变电压和可变电流以将每个转矩施加到驱动轴，并且电动机驱动器接收位置反馈信号并产生控制信号以释放止动制动器。启动电动机以施加第一转矩的步骤可包括以下步骤：递增地改变施加到电动机的电流大小以产生从第一水平到第二水平的第一转矩，并且去除施加到电动机上以产生第一转矩的电流。启动电动机以施加第二转矩的步骤可包括以下步骤：递增地改变施加到电动机的电流大小以产生从第三水平到第四水平的第二转矩，并且去除施加到电动机上以产生第二转矩的电流。期望预转矩水平可以作为施加到驱动轴的电流大小的函数来确定。

从详细描述和附图中，本发明的这些和其他目的，优点和特征对于本领域技术人员而言将变得显而易见。然而，应该理解，详细描述和附图虽然表明了本发明的优选实施例，但是是以说明而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。

附图说明

附图中示出了本申请公开的主题的各种示例性实施例，其中相同的附图标记始终表示相同的部件，并且其中：

图1是根据本发明实施例的由电梯和配重实现的示例性平衡系统，其中该系统设有电动机、制动器、编码器和控制器，用于在运行转变时实现平滑制动；

图2是用于控制图1的电动机的电动机驱动器的框图；

图3是可用于图1系统的示例性制动器的局部剖视图，该制动器包括带齿轮毂和带槽转子，其中带齿轮毂与带槽转子的啮合可在系统中提供制动；

图4是可以在图1的系统中使用的示例性编码器的局部等距视图；

图5是启动电动机70以确定施加到电动机70的负载的大小和方向的顺序的具体接合视图，其中制动器60与图3中的示例性制动器的带齿轮毂和带槽转子接合；

图6a是与图6b、6c和6d对应的时序图，其示出了根据本发明的一个实施例的在启动电动机以确定在打开制动器之前施加到电动机的期望预转矩的大小和方向的顺序中电动机的电流状态；

图6b是与图6a、6c和6d对应的时序图，其示出了在图6a的顺序中施加到电动机的转矩的大小和方向；

图6c是与图6a、6b和6d对应的时序图，其示出了在图6a的顺序中电动机轴的旋转运动；

图6d是与图6a、6b和6c对应的时序图，其示出了在图6a的顺序中与电动机轴的旋转相对应的位置反馈信号；

图7是说明图6的各状态之间的处理流程的流程图；和

图8是示出图1的电动机的启动的示例性状态和时序图。

在描述附图中示出的本发明的优选实施例时，为了清楚起见，将采用特定术语。然而，并不意图将本发明限制于如此选择的特定术语，并且应理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同物。例如，经常使用“连接”、“附着”或与其类似的术语。它们不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，其中这种连接被本领域技术人员认为是等同的。

具体实施方式

参考在以下描述中详细描述的非限制性实施例，本文公开的主题的各种特征和有益细节将得到更全面地解释。

首先参照图1，根据本发明的实施例提供了示例性平衡系统，其可以由示例性电梯系统10实现。轴12包括配置为沿轴12上下移动的轿厢14。轿厢14包括例如构造成接合沿着轴12的每侧垂直延伸的轨道16的轮子，以保持轿厢14在轴12内的水平对齐。围绕安装在轿厢14顶部的一个或多个轿厢滑轮18(带槽的主轴或滑轮)延伸的缆绳20可用于升高或降低轴12内的轿厢14。根据示出的实施例，缆绳20的第一端固定安装在轴12顶部的第一点上，并且绕着安装在轿厢14顶部的轿厢滑轮18向下布置。然后将缆绳20绕过安装到电动机70的一个或多个驱动滑轮78上。缆绳20围绕安装到配重30上的一个或多个配重滑轮32继续布置并返回到轴12顶部的第二点。可以预期，在不脱离本发明范围的情况下，可以根据应用要求使用各种其他配置的缆绳、滑轮和缆绳布置。

根据示出的实施例，电动机70可以安装在位于电梯井12上方的机房中。可选地，电动机70可以安装在电梯井12中。制动器60可操作地连接到电动机70以在系统中提供制动，编码器80可操作地连接到电动机70，以提供与电动机70的角位置相对应的反馈信号。根据示出的实施例，控制柜41设置在机房中。控制柜41可包括用于控制电动机操作的电动机驱动器40和向电动机驱动器40提供指令的单独控制器73。接线盒74可以安装到电动机70的壳体72的顶部，导电体76可以在控制柜41和接线盒74、电动机70、制动器60和编码器80之间运行，以将电动机驱动器40和带有电动机、制动器和编码器的控制器73连接起来。如将进一步描述的，导电体76可以将电功率和控制信号传导到电动机70、制动器60和编码器80，或者反馈来自电动机70、制动器60和编码器80的信号。

另外参考图2，电动机驱动器40包括功率转换部分43和控制部分45。功率转换部分43将输入功率21转换为输出22处的期望电压。根据示出的实施例，功率转换部分43包括整流器部分42和逆变器部分46，将固定AC输入21转换为可变幅度和可变频率AC输出22。可选地，可以根据应用要求包括其他配置的功率转换部分43。整流器部分42电连接到功率输入21。整流器部分42可以是无源的(例如二极管桥)或者是有源的，包括受控电力电子器件(比如晶体管)。整流器部分42将AC电压输入21转换为DC总线44上存在的DC电压。DC总线44可以包括跨DC总线44连接的总线电容48，以平滑DC总线44上存在的DC电压的电平。如本领域中已知的，总线电容48可以包括根据电动机驱动器40的额定功率以串联、并联或其组合布置的单个或多个电容器。逆变器部分46根据开关信号62将DC总线44上的DC电压转换为电动机70的输出22处的期望电压。

控制部分45接收命令信号、反馈信号并响应于命令信号和反馈信号产生切换信号62，以实现期望的电动机70的操作。控制部分45包括连接到存储装置52的处理器50。可以预料的是处理器50可以是单个处理器或串联操作的多个处理器。可以进一步预料的是处理器50可以部分或全部在现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路或其组合上实现。存储装置52可以是单个或多个电子设备，包括静态存储器、动态存储器、瞬态存储器、非暂时性存储器或其组合。存储装置52优选地存储电动机驱动器40的参数和一个或多个程序，包括可在处理器50上执行的指令。参数表可以包括标识符和每个参数的值。例如，参数可以配置电动机驱动器40的操作或存储数据以供电动机驱动器40稍后使用。

电动机控制模块可以存储在存储器52中，以便由处理器50执行，控制电动机70的操作。处理器50分别从传感器54和56接收反馈信号55和57。传感器54和56可包括一个或多个传感器，传感器产生信号55和57，分别对应于DC总线44或电动机驱动器40的输出22处的电压和/或电流的幅度。处理器50还从安装到电动机70上的位置传感器80(比如编码器或解析器)接收位置反馈信号95。切换信号62可以由接收来自处理器50的参考信号的专用集成电路61确定，或者可选地，直接由执行存储指令的处理器50确定。例如，切换信号62可以生成为在处理器50处接收的反馈信号55、57和95的函数。

控制柜41中的控制器73可以类似地包括处理器和存储装置。可以预料的是用于控制器73的处理器可以是单个处理器或串联操作的多个处理器。可以进一步预料的是用于控制器73的处理器可以部分或全部在现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路或其组合上实现。用于控制器73的存储装置可以是单个或多个电子设备，包括静态存储器、动态存储器、瞬态存储器、非暂时性存储器或其组合。用于控制器的存储装置优选地存储用于操作电梯10的参数和一个或多个程序，包括可在用于控制器73的处理器上执行的指令。

可以预料的是，如本文所述的用于控制平衡系统的运动的方法的一部分可以整体或部分在电动机驱动器40的处理器50、控制器73或其组合中实现。为了便于讨论，将对在电动机驱动器40的处理器50上实现的该方法进行讨论。

接下来参考图4，根据本发明的实施例提供了可以在图1的系统中使用的示例性编码器的局部等距视图。编码器80可以连接到转子或驱动轴111，驱动轴111接着连接到转子。可以设置安装支架84以将编码器80的壳体82固定到设置在系统中的安装表面113，例如靠近驱动滑轮78的安装表面113。编码器80可以是例如高分辨率轴安装编码器，例如可从德国Heidenhain GmbH(海德汉有限公司)购得的EnDat接口双向旋转编码器。编码器80包括与驱动轴111通信的换能器，以将驱动轴111的旋转运动转换成电信号95。电信号95可以是一系列脉冲、正弦波形或包含角位置信息的串行数据字。编码器80还包括电子电路，该电子电路被配置为经由编码器电缆将电信号95从换能器传输到电动机驱动器40。其结果是，编码器80可操作用于通过检测角运动来检测转子或驱动轴111的运动。示出的编码器80以示例方式示出。可选地，可以使用提供与转子或驱动轴111的角位置对应的信号的解析器或另一位置反馈装置来代替编码器80。在其他实施例中，在本发明的范围内，可以在相同或替代的位置使用其他的和/或替代的编码器、解析器或位置传感器。

现在参考图3，根据本发明的实施例提供了可以在图1的系统中使用的示例性制动器60的局部剖视图。图示的制动器60包括带齿轮毂102和带槽制动转子104。带齿轮毂102可以具有中心孔106，用于安装到从电动机转子延伸的驱动轴110。所述轮毂102中的凹口108配置用于接收装配在电动机轴110上的键槽107中的电动机键109。所述轮毂102安装在电动机轴110上，电动机键109与凹口108和键槽107啮合，以防止轮毂102在电动机轴110上滑动。然后，当制动器60安装到电动机70时，带槽制动转子104滑动到带齿轮毂102上。当制动转子104在电动机70的操作期间旋转时，制动转子104与所述带齿轮毂一起旋转。

制动器60在两种状态中的一种状态下操作。第一种未通电状态(接合的)在系统中提供制动。在第一种状态中，一个或多个弹簧112将电枢盘114压靠在安装到带槽转子104上的摩擦板105上，从而使带槽转子104保持静止。其结果是，摩擦板105使带槽转子104保持静止，继而使轮毂102保持静止。因此，当制动器未通电时，弹簧112接合制动器60并使驱动轴110保持静止。

第二种通电状态(释放的)使能在系统中移动。在第二种状态中，向缠绕在制动器60内的芯118上的电磁线圈117提供电力，以便建立磁场。磁场具有足够的强度，以抵抗由压缩弹簧112产生的力将电枢盘114吸引到芯118上。将电枢盘114拉向芯部，使电枢盘与带槽转子104上的摩擦板105脱离。在制动器60处于释放状态时，带槽转子104能够旋转，这继而使轮毂102和驱动轴110旋转。在一个实施例中，制动器60可以是由德国Chr.Mayr GmbH+Co.KG提供的“ROBA-stop-M”电磁安全制动器。

现在参照图5，根据本发明的一个实施例提供了带齿轮毂102与带槽转子104的啮合的详细视图。在制动器处于第一状态的情况下，存在于电动机上的负载将使驱动轴110沿负载方向旋转到带槽转子104所允许的程度。驱动轴110将旋转到直到带齿轮毂102的一个或多个齿122啮合带槽转子104上的凹槽126的内表面。每个齿122的侧壁123将保持抵靠凹槽126中的一个的内边缘124。施加到电动机的负载由具有方向和大小的矢量力(128或132)表示，其由系统10中的负载抵抗制动器60施加。根据示出的实施例，沿箭头128方向的力被施加到电动机轴110上并迫使每个齿122的第一侧壁123a抵靠凹槽126的第一内表面124a。

但是每个凹槽126的宽度大于每个齿122的宽度。其结果是，当每个齿122的第一侧壁123a接合凹槽126的第一内表面124a时，在每个齿122的第二侧壁123b和凹槽126相对的第二内表面124b之间存在间隙130。尽管带槽转子104被加工成与带齿形毂102紧密接合，但是在每个槽126和每个齿122之间存在一些空间，定义为间隙130并导致系统中出现一些间隙。间隙130在与施加负载的方向相反的方向上提供了电动机70的有限量的旋转运动。

提供这种有限量的运动的间隙130可以用于确定制动器被拉动的方向。这可以例如通过在制动器60仍然接合时启动电动机70来实现，以在间隙130的方向上施加转矩。电动机驱动器40可施加足够的电压和电流以克服电动机70上存在的负载并使轮毂102沿间隙130的方向旋转。可以通过编码器80检测所述有限量的移动，并且电动机驱动器40可以通过监测来自编码器80的位置反馈信号95来识别所述移动。如下面将更详细讨论的，电动机驱动器40可以记录引起运动所需的电压和/或电流的水平，从而识别提升电动机70上存在的负载所需的转矩水平。在释放制动器60之前，电动机驱动器40继而可以产生记录的电压和/或电流水平，产生与负载矢量力128基本相反的电动机矢量力132，从而使得当制动器60被释放时，在电动机轴110上出现很少运动或没有运动。

现在参考图6a-6d，示出了根据本发明的一个实施例的状态和时序图，其示出了在启动电动机70以确定在打开制动器60之前施加到电动机70的期望预转矩的大小和方向的顺序。在前四个状态160-166中，电动机70在制动器60接合的情况下被启动，以在相反的方向上施加转矩。在启动顺序期间，监控位置反馈信号95以获取电动机70的运动。基于位置反馈信号95，确定保持电动机70上存在的负载所需的预期转矩水平。在最后两个状态168、170中，电动机70被启动以在释放制动器60之前施加具有一定大小并且在确定为与电动机70上存在的负载的方向相反的方向上的转矩。

再次参考图7，将更详细地讨论图6A-6D中所示的每个状态。最初将运行命令150提供给控制电动机70的操作的电动机驱动器40。运行命令150被保持一段持续时间，标识为t_运行，以便执行预转矩程序。尽管示出为返回到零，但是运行命令可以在预转矩持续时间t_运行之后保持持续一段时间，以控制电动机70的操作并且在楼层之间移动电梯轿厢14。

在第一状态160(图6D中标记为“1”)中，制动器60保持断电或固定，从而使制动器接合电动机轴110并将电动机保持在其位置上。然而，如上所述，止动制动器中存在一定量的间隙。在接收到运行命令150并且制动器60保持固定之后，电动机驱动器40启动电动机70以使施加到驱动轴110的第一转矩152a增大。电动机70的启动包括在电动机驱动器的输出22处提供可变电压和/或可变电流，以使驱动轴110达到期望转矩。驱动轴通过花键连接到带齿轮毂102，从而将由电动机70产生的转矩传递到制动器60的轮毂102。在示出的实施例中，第一转矩152a在整个第一状态160中显示的是“逐渐上升”。换句话说，输出到电动机70的电流被电动机驱动器40以下述方式增大，该方式使得转矩从第一状态160开始时的零转矩到第一状态160结束时的百分之百转矩呈线性增加。可以预料的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以使用各种其他增加转矩的方法，例如周期性阶跃变化或正弦增加的转矩。

产生电流使得转矩Trq在整个期望的幅度范围内沿第一方向增加。第一方向可以是例如电动机轴110的“正”或顺时针旋转方向。根据由电动机70上存在的负载施加到轮毂102的力128或132，第一转矩152a可以或可以不产生由编码器检测到的运动。运动通过位置反馈信号95检测，该位置反馈信号95可以是例如表示转子或驱动轴110相对于制动器60的运动的编码器计数。运动量受到齿122的表面和凹槽126的表面之间的间隙130的宽度的限制。在图6c中，该运动由角位置θ的阶跃变化来表示，从零到德尔塔(Δ)。

在第二状态162(图6D中标记为“2”)中，仍然采用制动器60并且电动机驱动器40减小施加到电动机70的第一转矩152a。在示出的实施例中，第一转矩152a在整个第二状态162中显示的是“逐渐下降”。换句话说，输出到电动机70的电流被电动机驱动器40以下述方式减小，该方式使得转矩从第二状态162开始时的百分之百转矩到第二状态162结束时的零转矩呈线性减小。可以预料的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以使用各种其他减小转矩的方法，例如周期性阶跃变化或正弦减小的转矩。施加第一转矩152a持续预转矩顺序的第一持续时间153a。虽然第一转矩152a表示为从零转矩到百分之百转矩的逐渐上升然后逐渐下降到零转矩，但是可以预料的是，在不脱离本发明范围的情况下可以选择各种其他初始和最终转矩设定点。

与增加第一状态160中的转矩大小类似，根据由电动机70上存在的负载施加到轮毂102的力128或132，减小第二状态162中的转矩大小可以或可以不产生由编码器80检测到的运动。如果在第一状态160的初始逐渐上升期间检测到运动，则这表明所施加的转矩足以克服负载并且施加的力128或132处于与所施加的转矩相反的方向。其结果是，在第一状态期间施加的转矩使轮毂102旋转，从而使得齿122从凹槽126的一侧移动到另一侧。随着转矩的大小逐渐减小到零，由负载施加的力128或132使得轮毂102旋转回到其初始位置。该运动通过位置反馈信号95检测，该位置反馈信号95可以是例如表示转子或驱动轴110相对于制动器60的运动的编码器计数。运动量受到齿122的表面和凹槽126的表面之间的间隙130的宽度的限制。在图6c中，该运动由角位置θ的阶跃变化来表示，从德尔塔(Δ)回到零。

在第三状态164(图6D中标记为“3”)中，制动器60保持断电或固定，从而使制动器接合电动机轴110并将电动机保持在其位置上。然而，如上所述，止动制动器中存在一定量的间隙。电动机驱动器40再次启动电动机70以使施加到驱动轴110的第二转矩152b逐渐下降。如前所述，电动机70的启动包括在电动机驱动器的输出22处提供可变电压和/或可变电流，以使驱动轴110达到期望转矩。施加转矩的极性或方向在第一转矩152a和第二转矩152b之间变化。出于说明的目的，图6B示出了沿正方向施加第一转矩152a，沿反方向施加第二转矩152b。尽管第二转矩152b在整个第三状态164中表示为“逐渐下降”，但是转矩的大小增加，只是是在反方向上。换句话说，输出到电动机70的电流被电动机驱动器40以下述方式增大，该方式使得转矩从第三状态164开始时的零转矩到第三状态164结束时的百分之百转矩呈线性增加，其中负号表示从第一状态160施加的转矩方向的反方向。可以预料的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以使用各种其他增加转矩的方法，例如周期性阶跃变化或正弦增加的转矩。

产生电流使得转矩Trq在整个期望的幅度范围内沿第二方向增加。第二方向与第一方向相反，并且可以是例如电动机轴110的“负”或逆时针旋转方向。根据由电动机70上存在的负载施加到轮毂102的力128或132，第二转矩152b可以产生或可以不产生由编码器检测到的运动。运动通过位置反馈信号95检测，该位置反馈信号95可以是例如表示转子或驱动轴110相对于制动器60的运动的编码器计数。运动量受到齿122的表面和凹槽126的表面之间的间隙130的宽度的限制。在图6c中，该运动由角位置θ的阶跃变化来表示，从零到负德尔塔(-Δ)。

在第四状态166(图6D中标记为“4”)中，仍然采用制动器60并且电动机驱动器40减小施加到电动机70的第二转矩152b的大小。在示出的实施例中，第二转矩152b在整个第四状态166中显示的是“逐渐上升”。然而，转矩的大小是减小的，只是是转矩的负值。因此，第二转矩152b从最大负值变为零。换句话说，输出到电动机70的电流被电动机驱动器40以下述方式减小，该方式使得转矩从第四状态166开始时的负百分之百转矩到第四状态166结束时的零转矩呈线性减小。可以预料的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以使用各种其他减小转矩的方法，例如周期性阶跃变化或正弦减小的转矩。施加第二转矩152b持续预转矩顺序的第二持续时间153b。虽然第二转矩152b表示为从零转矩到负百分之百转矩的逐渐上升然后逐渐减小回到零转矩，但是可以预料的是，在不脱离本发明范围的情况下可以选择各种其他初始和最终转矩设定点。

与增加第三状态164中的转矩大小类似，根据由电动机70上存在的负载施加到轮毂102的力128或132，减小第四状态166中的转矩大小可以产生或可以不产生由编码器80检测到的运动。如果在第三状态164的初始逐渐上升期间检测到运动，则这表明所施加的转矩足以克服负载并且施加的力128或132处于与所施加的转矩相反的方向。其结果是，在第三状态164期间施加的转矩使轮毂102旋转，从而使得齿122从凹槽126的一侧移动到另一侧。随着转矩的大小逐渐减小到零，由负载施加的力128或132使得轮毂102旋转回到其初始位置。该运动通过位置反馈信号95检测，该位置反馈信号95可以是例如表示转子或驱动轴110相对于制动器60的运动的编码器计数。运动量受到齿122的表面和凹槽126的表面之间的间隙130的宽度的限制。在图6c中，该运动由角位置θ的阶跃变化来表示，从负德尔塔(-Δ)回到零。

在状态1到4(160-166)期间，可以监测来自编码器80的反馈信号95以检测系统中的运动。当转矩增大/减小时，该运动对应于驱动轴110在任一方向上的角度旋转。电动机驱动器40可以利用检测到的运动来确定在释放制动器60之前电动机要施加的期望预转矩水平的方向和大小。

预转矩的方向被确定为转矩的极性的函数，该转矩施加用于在状态1-4期间引起驱动轴110的运动。尽管图6示出了在任一方向上发生的运动以及作为正转矩和负转矩的函数，但是应注意，图6c示出了四种不同的运行，其中每种运行由不同的线表示。沿着每条线，仅响应于图6B中施加的转矩方向中的一个而发生运动。参考图5，如果力矢量128是正方向，则沿正方向(即，状态1和2)施加附加转矩会导致需要更大的力将齿122的第一侧壁123a压靠在凹槽126的第一内表面124a上。但是制动器60将阻止在该方向上的进一步运动，因此，检测到很少运动或没有运动。相反，在反方向上施加转矩(即状态3和4)将最终抵消矢量力128并使轮毂102旋转，从而使得齿122的第二侧壁123b压靠在凹槽126的第二内表面124b。该旋转使得图6c中的角位置θ从零移动到负德尔塔(-Δ)。尽管未示出，若齿122的第二侧壁123b由于施加负力矢量132在最初压靠在凹槽126的第二内表面124b上，则在第一状态160期间施加正转矩将导致的角位置θ从零移动到德尔塔(Δ)。因此，由施加正转矩产生的运动确定第一极性，并且由施加负转矩产生的运动确定预转矩的第二极性。

预转矩的大小被确定为需要用于在状态1-4期间引起驱动轴110的运动的转矩的大小的函数。参考图6b和6c，保持负载所需的预转矩的大小对应于当角位置θ改变时所施加的转矩的大小，或者换句话说，保持负载所需的预转矩的大小对应于使轮毂102在止动制动器60的带槽转子板104内移动所需的转矩大小。如下面更详细讨论的，在状态6(170)中施加的为所确定的预转矩水平。图6B的状态6(170)中所示的水平对应于当通过位置反馈信号95检测到轮毂102的移动时施加的转矩水平。例如，在前两个状态(160、162)期间由表现出角位置θ变化的曲线图表示的两个样本负载每个示出了在电动机70上的不同负载水平。图6c中的第一条曲线具有较宽的带，在该带处角位置θ为Δ。跟踪角位置的变化，如图6c所示，直到相应的转矩水平Trq，如图6b所示，引起位置变化所需的转矩水平相对较低。当转矩水平再次降至低于引起角位置θ第一次变化所需的初始水平时，角位置的第二次变化显示角位置从德尔塔Δ返回到零。图6c中的第二条曲线具有比第一条曲线窄的带，在该带处角位置θ为Δ。跟踪角位置θ的变化，如图6c所示，直到相应的转矩水平Trq，如图6b所示，引起位置变化所需的转矩水平大于引起第一曲线变化所需的转矩水平。当转矩水平再次降至低于引起角位置θ第一次变化所需的水平时，角位置的第二次变化显示角位置从德尔塔Δ返回到零。

在图6所示的实施例中，为了在沿第一方向施加转矩时(即，状态160和162)检测运动，电动机驱动器40可以使电流逐渐增大，并且因此使电动机70在第一方向上产生的第一转矩152a从电动机70上的约0％额定转矩的初始大小逐渐上升到约100％额定转矩的最终大小。对于上面讨论的第一曲线，编码器80可以首先检测电动机70上额定转矩的约20％大小的运动，并且对于上面讨论的第二曲线，可以检测约80％额定转矩大小的运动。其结果是，电动机驱动器40可确定用于预转矩的正确的预转矩大小(20％或80％)和方向(第一方向)，以保持施加到电动机70的机械负载。

类似地，为了在沿第二方向施加转矩时检测运动(即，状态164和166)，电动机驱动器40可以使第二方向上或者与第一方向相反的极性上的电流大小逐渐增大，并且因此电动机70沿第二方向产生第二转矩152b。图示的第二转矩152b逐渐下降到负转矩，表示转矩的大小从电动机70上的额定转矩的约0％的初始大小变化到额定转矩的约100％的最终大小，但是第二转矩152b施加的方向与第一转矩152a的方向相反。对于图6c示出的第三曲线，编码器80可以首先检测电动机70上额定转矩的约-20％大小的运动，并且对于图6c示出的第四曲线，可以检测约-80％额定转矩大小的运动。其结果是，电动机驱动器40可确定用于预转矩的正确的预转矩大小(20％或80％)和方向(第二方向)，以保持施加到电动机70的机械负载。

在确定提升施加到电动机70的机械负载所需的预转矩的方向和大小之后，电动机驱动器在状态5(168)中施加该转矩。如图6b所示，转矩从零转矩逐渐变化到在前四个状态中确定的所需预转矩的大小和方向。当预转矩达到所需水平时，角位置可再次移动，从而使轮毂102在带槽转子104内旋转。可选地，可以在运动发生之前的水平处选择预转矩水平，从而使当施加预转矩时不发生运动，并且电动机70也非常接近在打开制动器60之前提升负载所需的转矩水平。一旦确定了预转矩水平并将其施加到电动机70，制动器通电，使得电枢板114脱离转子盘104上的摩擦垫105，从而使轮毂102旋转。通过首先启动电动机70以施加适于支撑施加到电动机70的机械负载的转矩水平，实现从制动器60支撑负载到电动机70支撑负载的平稳过渡。

现在参考图8，根据本发明的实施例提供了示出在电动机的示例性启动期间电动机70的启动和所产生的运动的状态和时序图。应用了制动器60并且是在启动之前的，示出的是初始预转矩状态(标记为“0”)。由电动机70施加的转矩180的量为零，并且位置传感器80或编码器检测到相对于转子或驱动轴的运动近似为零。接下来，仍然施加制动，在第一预转矩状态160(标记为“1”)下，电动机驱动器使电动机在第一方向上施加的转矩152a的量经历多个增大量值逐渐上升。随着由电动机施加的转矩152a的量逐渐达到约60％，位置传感器80或编码器检测到运动。如上所述，角位置表示转子已经移动了相对最大量或德尔塔(Δ)，从而表明不需要任何更大量的转矩来提供通过制动器60中的间隙130的运动。

在仍然施加制动的情况下，电动机驱动器40进入第二预转矩状态162(标记为“2”)。电动机驱动器40使电动机施加的第一转矩152a经历多个减小量值逐渐下降。当由电动机70施加的转矩量达到大约60％时，位置传感器或编码器可以再次捕捉到一定量的运动，指示转子或驱动轴再次返回到其原始制动位置。电动机驱动器可以稍后使用来自第一状态、第二状态或两种状态的编码器的该数据(例如确定平均值)，以确定用于后续应用的正确的预转矩大小。

在仍然施加制动的情况下，电动机驱动器40进入第三预转矩状态164(标记为“3”)。电动机驱动器使由电动机沿与第一方向相反的第二方向施加的转矩152b的量经历多个增大量值逐渐上升。当电动机施加的转矩量达到100％时，位置传感器或编码器检测到相对于转子或驱动轴的运动近似为零。电动机驱动器40移动到第四预转矩状态166(标记为“4”)并且使电动机施加的转矩量152b的量经历多个减小量值逐渐下降。通过第二转矩152b的逐渐下降，位置传感器或编码器捕捉到的运动近似为零。在完成第一到第四状态之后，控制器现在可以确定在第一方向上60％的预转矩大小将足以将负载从制动器提生。

在仍然施加制动的情况下，电动机驱动器40进入第五预转矩状态168(标记为“5”)。电动机驱动器40使由电动机施加的转矩量在第一方向上逐渐增加到正确的预转矩155的60％。随着由电动机施加的转矩量逐渐达到大约60％，位置传感器或编码器可以捕捉到增加的运动量，其中该运动可以再次达到相对最大值。在施加预转矩时，电动机驱动器40进入第六预转矩状态170(标记为“6”)并且使制动器60脱离/释放。电动机驱动器40通常可以在不到一秒的时间内运行完上述六种状态。现在已经提供了从制动器到驱动器的平稳过渡，其中制动器完全脱离并且电动机完全接合，在第六状态之后，控制器可以继续正常操作以将负载(例如电梯轿厢)运送到期望位置。

应该理解的是，本发明的应用不限于这里阐述的组件的构造和布置细节。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。前述的变化和修改都在本发明的范围内。还应理解，本文公开和限定的本发明扩展到所提及的或从文本和/或附图中显而易见的两个或更多个单独特征的所有替代组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种替代方面。这里描述的实施例解释了用于实践本发明的最佳模式，并且使本领域的其他技术人员能够利用本发明。

Claims (20)

1.一种确定用于控制平衡系统中运动的电动机的期望预转矩水平的方法，所述电动机具有可操作地连接到电动机驱动轴的止动制动器，该方法包括步骤：

在止动制动器固定时，增大施加到电动机的电流大小以在第一旋转方向上产生转矩；

监测与在第一方向上产生转矩时电动机的旋转对应的位置反馈信号；

去除施加到电动机上以在第一旋转方向上产生转矩的电流；

在止动制动器固定时，增大施加到电动机的电流大小以在第二旋转方向上产生转矩；

监测与在第二方向上产生转矩时电动机的旋转对应的位置反馈信号；

去除施加到电动机上以在第二旋转方向上产生转矩的电流；

确定期望预转矩水平为施加到电动机上的电流大小和由位置反馈信号检测的旋转幅度的函数。

2.根据权利要求1所述方法，其中确定期望预转矩水平的步骤还包括步骤：

将位置反馈信号的变化与第一阈值进行比较；以及

当位置反馈信号的变化达到第一阈值时，将期望预转矩水平设定为等于施加到电动机上的电流大小。

3.根据权利要求1所述方法，其中确定期望预转矩水平的步骤还包括步骤：

将位置反馈信号的变化与第一阈值进行比较；

当位置反馈信号的变化超过第一阈值时，监测位置反馈信号直到位置反馈信号的变化回落到第一阈值以下；以及

当位置反馈信号的变化回落到第一阈值以下时，将期望预转矩水平设定为等于施加到电动机上的电流大小。

4.根据权利要求1所述方法，还包括步骤：在释放止动制动器前向电动机施加一定大小的电流以产生期望预转矩水平的转矩。

5.一种确定用于控制平衡系统中运动的电动机的期望预转矩水平的系统，所述电动机具有可操作地连接到电动机驱动轴的止动制动器，该系统包括：

可操作地连接到电动机的功率转换器，以向电动机提供可变电压和可变电流，用于控制电动机的操作；

位置反馈装置，其可操作地连接到电动机并且配置成产生对应于电动机的角位置的信号；以及

控制器，包括：

可操作用于接收来自位置反馈装置的信号的输入器；

可操作用于存储多个指令的存储装置；以及

可操作用于执行多个指令的处理器，处理器执行多个指令以：

控制功率转换器的操作，用于向电动机提供具有第一极性的增大电流，其中电流从第一水平增大到第二水平并且在第一旋转方向上在电动机中产生转矩，

当具有第一极性的增大电流被提供给电动机时监测来自位置反馈装置的信号，

控制功率转换器的操作，用于向电动机提供具有第一极性的减小电流，其中电流从第二水平减小到第一水平，

控制功率转换器的操作，用于向电动机提供具有第二极性的增大电流，其中电流从第一水平增大到第三水平，第二极性与第一极性相反，并且电流在第二旋转方向上在电动机中产生转矩，

当具有第二极性的增大电流被提供给电动机时监测来自位置反馈装置的信号，

控制功率转换器的操作，用于向电动机提供具有第二极性的减小电流，其中电流从第三水平减小到第一水平，以及

确定期望预转矩水平为施加到电动机上的电流大小和由位置反馈信号检测的旋转幅度的函数。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括电动机驱动器，其中功率转换器是电动机驱动器的功率转换部分，并且控制器是电动机驱动器的控制部分。

7.根据权利要求5所述的系统，其中随着电流大小的增加，确定期望预转矩水平为施加到电动机上的电流大小的函数。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述处理器还可操作用于：

将来自位置反馈装置的信号的变化与第一阈值进行比较，以及

当来自位置反馈装置的信号的变化达到第一阈值时，将期望预转矩水平设定为等于施加到电动机上的电流大小。

9.根据权利要求5所述的系统，其中随着电流大小的减小，确定期望预转矩水平为施加到电动机上的电流大小的函数。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述处理器还可操作用于：

将来自位置反馈装置的信号的变化与第一阈值进行比较，

当来自位置反馈装置的信号的变化超过第一阈值时，监测来自位置反馈装置的信号，直到信号的变化回落到第一阈值以下，以及

当来自位置反馈装置的信号的变化回落到第一阈值以下，将期望预转矩水平设定为等于施加到电动机上的电流大小。

11.根据权利要求5所述的系统，其中所述处理器还可操作用于控制功率转换器的操作，以

在释放止动制动器前向电动机提供一定大小的电流以产生期望预转矩水平的转矩。

12.一种减少用于控制平衡系统中的运动的电动机回滚的方法，所述电动机具有可操作地连接到电动机驱动轴的止动制动器，当制动器打开时发生回滚，该方法包括步骤：

当止动制动器固定时：

启动电动机以将第一转矩沿第一方向施加到驱动轴；

监测与施加第一转矩时驱动轴的旋转对应的位置反馈信号；

启动电动机以将第二转矩沿第二方向施加到驱动轴；

监测与施加第二转矩时驱动轴的旋转对应的位置反馈信号；

确定期望预转矩水平的大小和方向为施加的第一、第二转矩以及位置反馈信号的函数；

启动电动机以将期望预转矩水平的转矩施加到驱动轴上；以及

释放止动制动器。

13.权利要求12所述的方法，其中电动机驱动器向电动机提供可变电压和可变电流以将每个转矩施加到驱动轴，并且其中电动机驱动器接收位置反馈信号并产生控制信号以释放止动制动器。

14.根据权利要求12所述方法，其中启动电动机以施加第一转矩的步骤还包括步骤：

递增地改变施加到电动机的电流大小以产生从第一水平到第二水平的第一转矩；以及

去除施加到电动机上以产生第一转矩的电流。

15.根据权利要求14所述的方法，其中期望预转矩水平被确定为施加到驱动轴上的电流大小的函数。

16.根据权利要求15所述方法，其中确定期望预转矩水平的大小和方向的步骤还包括步骤：

将位置反馈信号的变化与第一阈值进行比较；以及

当位置反馈信号的变化达到第一阈值时，将期望预转矩水平设定为等于由施加到电动机上的电流大小产生的转矩水平。

17.根据权利要求15所述方法，其中确定期望预转矩水平的大小和方向的步骤还包括步骤：

将位置反馈信号的变化与第一阈值进行比较；

当位置反馈信号的变化超过第一阈值时，监测位置反馈信号直到位置反馈信号的变化回落到第一阈值以下；以及

当位置反馈信号的变化回落到第一阈值以下时，将期望预转矩水平设定为等于由施加到电动机上的电流大小产生的转矩水平。

18.根据权利要求12所述方法，其中启动电动机以施加第二转矩的步骤还包括步骤：

递增地改变施加到电动机的电流大小以产生从第三水平到第四水平的第二转矩；以及

去除施加到电动机上以产生第二转矩的电流，其中期望预转矩水平被确定为施加到驱动轴上的电流大小的函数。

19.根据权利要求18所述方法，其中确定期望预转矩水平的大小和方向的步骤还包括步骤：

将位置反馈信号的变化与第一阈值进行比较；以及

当位置反馈信号的变化达到第一阈值时，将期望预转矩水平设定为等于由施加到电动机上的电流大小产生的转矩水平。

20.根据权利要求18所述方法，其中确定期望预转矩水平的大小和方向的步骤还包括步骤：

将位置反馈信号的变化与第一阈值进行比较；

当位置反馈信号的变化超过第一阈值时，监测位置反馈信号直到位置反馈信号的变化回落到第一阈值以下；以及

当位置反馈信号的变化回落到第一阈值以下时，将期望预转矩水平设定为等于由施加到电动机上的电流大小产生的转矩水平。