CN1098801C - 电梯有源滚柱导轨的双重磁控制器 - Google Patents

Abstract

作为一个有源滚柱导轨(ARG)控制器当中的一部分的一种双重磁控制器，要求受到控制的每个传动装置至少产生一个最小空载力而不是承载一个最小空载电流。在一个特定的控制轴线上，双重磁控制器根据传动装置的组合应该产生的净力以及每个独立的传动装置必须产生的力的幅值至少应该等于一个预定的最小空载力的原则来确定提供给一对传动装置的力指令。可以用ARG控制器中的其他部件来计算净力，并且将净力信号输入到双重磁控制器。

Description

电梯有源滚柱导轨的双重磁控制器

本发明涉及到电梯控制领域。特别是涉及一种有源滚柱导轨的控制器，用来控制横向支撑在导轨上的电梯的运动。

有一种有源滚柱导轨(ARG)系统使用了(不平行的)传动弹簧和一个电磁传动装置，传动装置的电磁铁的极和滑动连接到导轨上的一个反作用棒之间具有一个气隙。传动装置被连接到电梯上。电磁铁绕组内的电流产生的磁通延伸到气隙中。气隙中磁通密度的平方与电磁铁和反作用棒之间的吸引力，也就是与电梯和导轨之间的吸引力是成正比的。

目前的此类有源滚柱导轨通常采用一对电磁铁在滚柱导轨的位置上沿着一条控制轴线产生相反方向的力。现有技术的此类有源滚柱导轨采用了来自各个电磁铁的磁通反馈。通常是用一个模拟计算机构成的力控制环根据指定的电梯运行方向向适当的磁铁发出一种力指令(产生一个指定力的指令)。在现有技术中，即使是在不需要提供动力的情况下，每个电磁铁始终都要承载一个最小电流，此处将其称为空载电流。

由于传动装置电磁铁绕组的导电性是有限的，所有传动装置的电流都会受到限制，因此，力也会受到限制。存在一个绕组可以承载的最大电流，因而也就存在一个传动装置可以产生的最大的力。由电磁铁提供的力是绕组电流和气隙二者的非线性函数；它随着电流的平方而增大，并且与气隙的平方成反比。

如果迫使电梯离开控制轴线上的一个指定位置，一个传动装置的气隙就会增大，而另一方的气隙则会减小。当气隙处在一个操作范围的高端时，通常大约为12mm左右，在达到典型的10A电流限度之前可以产生的最大的力大约是250N。在相反的极端，当气隙处在操作范围的低端时，通常为2.0mm左右，假设传动装置的磁铁是处在典型的1.0A最小空载电流的空载状态，由空载电流所产生的力将会大于250N。当系统进入这种状态时，控制器就无法解除了。这种闭锁状态被称为磁铁净摩擦(magnet stiction)。

在现有技术中经常会产生净摩擦，这是因为基于最小空载电流的控制系统无法将电梯稳定地保持在一条控制轴线上远离双方导轨的任意位置上，以便不让任何一个气隙过小。最小空载电流相当于一个可变的空载力，因为这种力取决于气隙，而气隙是可以改变的；如果气隙减小，即使电流不变，磁铁产生的力也会增大。这种增大的力反映出磁铁的净摩擦；必须用一个相对磁铁中的大电流来克服这种净摩擦力。但是，相对的磁铁具有与第一磁铁的较小气隙相对应的较大气隙；为了产生与第一磁铁的力幅值相等的一个反向力，需要一个很大的电流。因此，由于控制是受到电流限制的，基于最小空载电流的这种系统是不稳定的。

由于以下两个原因，仅仅降低空载电流是不能克服磁铁净摩擦力的。首先，空载电流越小，磁铁在响应一个指令而产生某一级力之前所出现的延迟就越大。其次，有源滚柱导轨中被称为对中控制器的另一个部件要使用电流反馈来计算电梯的横向位置，如果采用过小的空载电流，并且气隙很大，磁铁反馈就太小了，无法实现可靠的位置计算。

因此需要有这样一种控制系统，它应该能够避免由于各个磁铁采用了最小空载电流而造成的这种不稳定状态。

本发明对现有技术的有源滚柱导轨进行了改进，使用一种双重磁控制器来控制各个电磁铁，即使是在不需要一对传动装置提供一个净力时，仍使其至少产生一个最小空载力而不是最小空载电流。在这种结构中，如果一个传动装置的气隙减小，就需要降低电流，以便保持设定在最小空载力的动力；此时，另一传动装置的气隙会增大，并且需要更大的电流来产生与第一传动装置所产生的力幅值相等且方向相反的一个力。然而，在第二传动装置中需要产生这种相等并且相反的最小空载力的电流要比在第一传动装置中的电流没有减小的情况下所需要的小。

本发明采用了一种双重磁控制器，对于每个磁铁都包括一个控制环。根据传动装置共同作用时所需要的净力的极性，每个磁铁控制环控制一个传动装置的力，这种力包括空载力或是附加到空载力上的一种本质上的净力。在每一磁铁各自产生幅值上至少等于所述的空载力的相等的力的同时，两个磁铁的组合总是基本上产生净力。

本发明的目的是对现有技术的有源滚柱导轨进行改进，消除由于基于最小空载电流的操作而造成的不稳定状态，从而减少电梯轿厢的振动量，以便能平稳的运载乘客。

本发明的另一目的是通过在电磁铁中采用较低的电流而允许反作用棒和传动装置电磁铁之间的气隙具有较宽的范围。

在本发明中，上述的目的是通过有源滚柱导轨中的一个双重磁控制器来实现的，用有源滚柱导轨将电梯滑动和灵活地连接到沿着垂直竖井延伸的一对导轨上，这一有源滚柱导轨用于控制电梯的横向运动，该有源滚柱导轨包括：

一对传动装置，每个传动装置具有一个连接到与反作用棒相邻的电梯上的电磁铁，每个反作用棒被滑动连接到一个不同的导轨上，每个电磁铁具有至少一个通过气隙与相邻的反作用棒分开的磁极，一对电磁铁的排列使其各自发出的磁力与该对中另一方发出的磁力方向相反，每个传动装置还具有一个用于检测气隙中的磁通密度的装置，并且具有一个磁驱动器，用于响应双重磁控制器发出的磁指令C_1，2，根据这一磁指令来改变磁通密度；以及

用于提供净力信号F_net的装置，该信号代表应该由传动装置产生的净力的幅值和方向；

上述双重磁控制器包括：

一个净力分配器响应上述净力信号F_net，向传动装置提供净力信号F_net，1，2，由各个传动装置产生动力；以及

用于每个传动装置的磁控制环，用来提供驱动传动装置的一个传动装置指令C_1，2，该磁控制环响应代表传动装置气隙内的磁通密度的磁通密度信号B_1，2，并且进一步响应传动装置的净力信号F_net，1，2；其特征是，根据有源滚柱导轨控制器在两个相反方向的哪一个方向上驱动电梯，双重磁控制器命令一个传动装置产生最小空载力，并且令另一个传动装置产生与最小空载力和本质上的净力之和的幅值相等并且方向相反的力，从而使两个传动装置至少产生最小的空载力，并且使电梯实际承受的力的幅值等于本质上的净力。

根据以下结合附图的详细说明可以看到本发明的上述和其他目的，特征及其优点，在附图中：

图1是滑动和弹性连接到导轨上的一个电梯轿厢以及按照本发明的有源滚柱导轨的框图；

图2是具有本发明的双重磁控制器的一种有源滚柱导轨的控制环路框图；

图3是本发明的双重磁控制器的控制环的示意性框图；以及

图4是本发明的双重磁控制器的程序示意图。

参见图1，电梯轿厢28通过滚柱21a-b和弹簧22a-b从相对的两侧滑动和弹性地连接到导轨25a-b。采用一种数字线性磁力传动装置(DLMA)27a-b来偏置悬挂弹簧22a-b，使电梯轿厢28相对于导轨25a-b对中。

在图1中还表示了具有按照本发明的双重磁控制器的一种有源滚柱导轨的各个部件。双重磁控制器10响应来自一对传动装置18a-b的磁通信息，每个传动装置与一个导轨25a-b相邻。双重磁控制器响应来自传动装置的输入和来自一个合成器14的净力信号，从中确定向各个传动装置发出的力指令。该指令要求每个传动装置18a-b产生一个力，其幅值至少达到最小空载力，并且还要求传动装置共同产生本质上的净力。

合成器14根据来自对中控制器13和加速度反馈调节器16的输入之差来提供净力。对中控制器13向合成器14输入一个力指令，使电梯轿厢28回到导轨之间接近中心的位置。这一指令是根据从各个传动装置接收到的关于其电磁铁中的电流的输入以及从双重磁控制器接收到的关于各个传动装置所产生的力的输入来确定的。

加速度反馈调节器16使用连接到电梯轿厢28上的一个加速度表15的输入来确定一个力，用来抵消作用在电梯轿厢28上的扰动力。这种扰动力包括风力和导轨25a-b的偏差所造成的力。合成器14使加速度反馈调节器的输出反向，然后将其加到对中控制器的输出上，这是因为需要有一个力指令，它应该与扰动力所造成的电梯轿厢加速度方向相反。

每个传动装置18a-b包括具有一个绕组12a-b和一个磁通传感器11a-b的电磁铁23a-b。每个传动装置还包括一个与双重磁控制器接口的磁驱动器17a-b。每个传动装置根据来自双重磁控制器的指令来改变其绕组12a-b中的电流，从而产生由双重磁控制器所指定的力。

每个电磁铁23a-b与一个反作用棒24a-b相邻，反作用棒通过一个滚柱21a-b滑动连接到导轨25a-b上。当反作用棒24a-b和电磁铁23a-b之间的气隙26a-b随着给定的绕组电流而变化时，气隙中的磁通密度也会发生变化。电磁铁和反作用棒之间的牵引力与气隙中磁通密度的平方成正比。

参见图2，在其中用框图具体表示了按照本发明的具有双重磁控制器的有源滚柱导轨中各部件之间的信号联系。电梯轿厢28受到与竖井中的风有关的扰动力F_wind和与导轨25a-b(图1)的偏差有关的扰动力F_rail的作用。连接到电梯轿厢上的一个加速度表15向加速度反馈调节器16报告净加速度，用调节器来平滑前一个时间周期中提供的信号，并且周期性地产生一个与时间上平均的平滑加速度成正比的信号F_accel。同时，对中控制器13接收关于每个传动装置18a-b的电磁铁中的电流I_1，2的信息以及由双重磁控制器10指定每个传动装置提供的力F_1，2。对中控制器13使用这些信息来确定传动装置应该提供的使电梯对中的力，然后发出对应这种力的一个指令C_offset。

合成器14将来自对中控制器的信号和来自加速度反馈调节器的反向信号相加，从中产生一个净力信号F_net。双重磁控制器10响应该净力信号F_net和代表着各个传动装置磁通密度的磁通密度信号B_1，2，根据每个传动装置至少产生一个最小空载力的原则向各个传动装置提供指令C_1，2。用提供给每个传动装置的指令C_1，2来调节传动装置的电流，使传动装置的力至少达到最小空载力，并且按照时间上平均的平滑方式使两个传动装置产生的力之差等于上述净力。

图3是本发明的双重磁控制器的详细的示意性框图。来自合成器14(参见图2)的净力被提供给净力分配器31，它根据这一净力的符号来确定信号F_net，1，2，该信号对应着每个传动装置应该产生的力。这些净力信号F_net，1，2，被输入到合成器32a-b。这种合成器将单个的净力信号加在代表传动装置产生的力的反向信号F_1，2上。每个合成器输出一个信号F_{error，1，2}，它代表了传动装置目前提供的力和传动装置应该提供的力之间的差。每个差信号被提供给一个调节器34a-b，调节器34a-b将该信号转换成用于传动装置的指令C_1，2。

传动装置目前产生的力是通过一个磁通-力转换器33a-b根据从传动装置18a-b接收到的代表传动装置气隙中的磁通密度的磁通密度信号B_1，2来确定的。为了确定与传动装置磁铁的磁极和相邻的反作棒之间的气隙中检测到的磁通密度有关的力，在磁通-力转换器中通常采用一种简单的关系： $F=\frac{B^2}{2{\mathrm{\μ}}_0}A---\left(1\right)$ 其中的μ₀是自由空间的磁导率，A是传动装置磁铁上一个磁极的有效截面面积。

图4是用双重磁力控制器10(参见图3)在每秒中执行250次的一个程序流程图。控制器在步骤41中响应代表各个电磁铁中的磁通和传动装置需要提供的净力的信号B₁，B₂，和F_net。控制器用一个125HZ的低通滤波器滤除产生新的平滑值的磁通密度中的高频成分(步骤42)。在将磁通密度信号B_1，2转换成力信号F_1，2(步骤43)之后，控制器首先根据电梯轿厢的位置来确定净力的极性，也就是净力应该指向的方向(步骤44)，从中确定提供给各个传动装置的力信号F_net，1，2。

如果该净力是正值，并且有一个对应的正净力朝着1号传动装置的方向推动电梯，就将1号传动装置应该提供的力设定为该净力加上最小空载力，并且将2号传动装置应该提供的力直接设定成最小的力(步骤45a)。如果该净力是负值，并且有一个对应的负净力朝着2号传动装置的方向推动电梯，就将2号传动装置应该提供的力设定为该净力加上最小空载力，并且将1号传动装置应该提供的力直接设定成最小的力(步骤45c)。如果该净力等于零，就将1号和2号传动装置应该提供的力都设定在最小空载力(步骤45b)。

根据每个传动装置需要提供的这种力的判定，来确定一个信号(步骤46)，该信号代表这种力和传动装置目前所产生的力之间的差。最后用各个传动装置的调节器计算出磁指令C_1，2，该指令可以使传动装置产生与传动装置的力信号F_net，1，2相对应的力(步骤47)。

磁指令C_1，2通常并非准确地对应传动装置的净力信号F_net，1，2。作为一种替代，为了改进双重磁控制器的控制性能，在计算指令C_1，2时包括了一些延迟补偿。例如，在双重磁控制器中，1号磁铁的调节器可以发出按以下公式计算出的传动装置指令：

C₁＝g(Y₁C_1，old+Y₂F_error，1+Y₃F_{error，1，old})                 (2)其中的g是系统增益，Y_1，2，3是根据延迟滤波器截止频率的采样速率来确定的系数。

应该看到，上述的结构仅仅是为了说明本发明的的工作原理。本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的条件下仍然可以实现多种修改和结构上的变更，而附加的权利要求书的意义就在于覆盖此类的变更和修改。

Claims (3)

1.有源滚柱导轨中的一种双重磁控制器，用有源滚柱导轨将电梯滑动和弹性地连接到沿着垂直竖井延伸的一对导轨上，这一有源滚柱导轨用于控制电梯的横向运动，上述有源滚柱导轨包括：

一对传动装置，每个传动装置具有一个连接到与一个反作用棒相邻的电梯上的电磁铁，每个反作用棒被滑动连接到一个不同的导轨上，每个电磁铁具有至少一个通过气隙与相邻的反作用棒分开的磁极，一对电磁铁的排列使其各自发出的磁力与该对中另一方发出的磁力方向相反，每个传动装置还具有一个用于检测气隙中的磁通密度的装置，并且具有一个磁驱动器，用于响应双重磁控制器发出的磁指令C_1，2，根据这一磁指令来改变磁通密度；以及

用于提供净力信号F_net的装置，该信号代表应该由传动装置产生的净力的的幅值和方向；

上述双重磁控制器包括：

一个净力分配器响应上述净力信号F_net，向传动装置提供净力信号F_net，1，2，由各个传动装置产生动力；以及

用于每个传动装置的磁控制环，用来提供驱动传动装置的一个传动装置指令C_1，2，该磁控制环响应代表传动装置气隙内的磁通密度的磁通密度信号B_1，2，并且进一步响应传动装置的净力信号F_net，1，2；其特征是，根据有源滚柱导轨控制器在两个相反方向的哪一个方向上驱动电梯，双重磁控制器命令一个传动装置产生最小空载力，并且令另一个传动装置产生与最小空载力和本质上的净力之和的幅值相等并且方向相反的力，从而使两个传动装置至少产生最小的空载力，并且使电梯实际承受的力的幅值等于本质上的净力。

2.按照权利要求1的双重磁控制器，其特征是每个磁控制环包括：

一个磁通-力转换器，它响应代表传动装置气隙中的磁通密度的磁通密度信号B_1，2，提供一个信号F_1，2，该信号代表与传动装置气隙中的磁通密度有关的一个力；

一个合成器，它响应代表与传动装置气隙中的磁通密度有关的力的信号F_1，2，并且进一步响应一个传动装置净力信号F_net，1，2，用于提供一个传动装置差别信号F_{error，1，2}；以及

一个调节器，它响应上述的传动装置差别信号F_{error，1，2}，用来提供驱动传动装置的传动装置指令C_1，2。

3.按照权利要求2的双重磁控制器，其特征是各个传动装置的磁通-力转换器按照以下的关系推导出由于传动装置气隙中的磁通密度B而作用在电梯轿厢上的力F： $F=\frac{B^2}{2{\mathrm{\μ}}_0}A$ 其中的μ₀是自由空间的磁导率，而A是与传动装置电磁铁磁极的截面面积成比例的一个常数。

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