專利名稱：電梯有源懸掛系統(tǒng)中的磁力傳動器的自動開環(huán)力增益控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到電梯有源懸掛系統(tǒng)，特別是涉及到磁力傳動器的控制。
在美國專利US5439075中公開了一種利用有源懸掛系統(tǒng)對沿著豎井軌道被垂直引導(dǎo)的電梯轎廂在水平方向上的運(yùn)動進(jìn)行控制的技術(shù)。在轎廂的角上可以設(shè)置滾筒組合形式的導(dǎo)向裝置，用來與相對的豎井壁上的豎井軌道嚙合。檢測出電梯轎廂的水平加速度和轎廂與軌道之間的水平位移，利用有源懸掛系統(tǒng)的傳動器控制水平方向的運(yùn)動。每個滾筒組合可以包括一或多個傳動器和相關(guān)的彈簧，用一個控制器來控制滾筒組合傳動器，相對于相應(yīng)的豎井軌道在水平方向上驅(qū)動電梯轎廂。
在上述美國專利的圖20中所示的控制器包括一個加法器，它響應(yīng)一個力指令信號和一個力反饋信號，向一個比例-積分增益補(bǔ)償器提供一個力誤差信號。補(bǔ)償器接著向一個電流驅(qū)動器提供電流指令信號，由驅(qū)動器向有源懸掛系統(tǒng)的電磁傳動器線圈提供電流。用一個傳感器來檢測線圈中的電流，和檢測到的磁通信號一起提供給一個信號處理器，從而提供一個代表著電磁鐵和鐵感應(yīng)板之間的氣隙大小的信號。用另一個信號處理器例如是一個磁通-力轉(zhuǎn)換器響應(yīng)檢測到的磁通信號，向加法器提供力反饋信號(它與磁通的平方成正比)。
從上述美國專利的第17欄63-66行和圖20中可見，補(bǔ)償器486的比例增益是恒定的。遺憾的是，電磁傳動器的輸出力特性是電流和氣隙的一種雙重非線性函數(shù)。因此，這種力控制環(huán)的開環(huán)力增益在電流和氣隙的整個工作范圍內(nèi)急劇地變化，并且會造成極度的不穩(wěn)定。因此，力控制環(huán)的特性受到最差情況下的增益的限制。
本發(fā)明的目的是獲得較高的系統(tǒng)增益，從而使電梯有源懸掛系統(tǒng)電磁傳動器的控制環(huán)獲得較好的特性。另一個目的是擴(kuò)大有效的磁鐵氣隙范圍，同時避免系統(tǒng)運(yùn)行中的不穩(wěn)定。
按照本發(fā)明的控制技術(shù)被用來控制電梯轎廂有源懸掛系統(tǒng)的磁力傳動器，磁力傳動器響應(yīng)來自一個磁力驅(qū)動器根據(jù)控制器的磁通指令信號產(chǎn)生的驅(qū)動電流，其中的控制器響應(yīng)一個力指令信號，檢測到的代表著磁力傳動器氣隙中的磁通量的磁通信號，以及檢測到的驅(qū)動電流信號，從而提供一個磁力指令信號，該控制器包括一個加法器，它響應(yīng)一個用幅值指示磁力傳動器所施加的力的力反饋信號和一個力指令信號，用來提供力誤差信號；一個補(bǔ)償器，它響應(yīng)力誤差信號和一個自動增益控制信號，用來提供磁力指令信號；一個自動增益控制器，它響應(yīng)力反饋信號和檢測到的驅(qū)動電流信號，用來提供自動增益控制信號；以及一個響應(yīng)檢測到的磁通信號的磁通-力轉(zhuǎn)換器，用來提供力反饋信號。
按照本發(fā)明的進(jìn)一步特征，補(bǔ)償器包括一個自適應(yīng)比例增益，它隨著檢測到的驅(qū)動電流信號幅值的增大而下降。
按照本發(fā)明的進(jìn)一步特征，自動增益控制裝置還要響應(yīng)力反饋信號或是檢測到的磁通信號，用來提供一個氣隙信號，其幅值代表著氣隙的量值，其中的自適應(yīng)比例增益隨著氣隙信號幅值的增大而增大。
根據(jù)以下結(jié)合著附圖對最佳實施例的詳細(xì)說明就可以看出本發(fā)明的上述和其它目的，特征和優(yōu)點。


圖1表示在有源滾筒導(dǎo)向水平懸浮系統(tǒng)的氣隙按照1mm增量獲得的一組特性磁場電流與力的關(guān)系曲線。
圖2是有源滾筒導(dǎo)向水平懸浮系統(tǒng)的左右控制軸的一個原理性框示意圖。
圖3是按照本發(fā)明用來控制圖2的懸浮系統(tǒng)的一個雙重力控制環(huán)的示意性框圖。
圖4表示一個信號處理器，可以用來執(zhí)行圖3的軟件力控制環(huán)中的某些或是所有功能，例如圖5的流程圖中所示。
圖5是一個流程圖，用來說明可以在圖4的信號處理器中執(zhí)行的一系列步驟。
圖6表示按照本發(fā)明的增益調(diào)節(jié)系數(shù)與氣隙的關(guān)系。
圖7表示按照本發(fā)明的增益調(diào)節(jié)系數(shù)與電磁線圈電流的關(guān)系。
圖2表示被一對相對的有源滾筒導(dǎo)向器12，14水平懸浮在左右軸上的一個電梯轎廂框架10。在圖中沒有表示出左側(cè)的前-后和右側(cè)的前-后控制軸，(從控制的觀點來看)它們具有相同的硬件結(jié)構(gòu)。每個有源滾筒導(dǎo)向器包括一個用來與相應(yīng)的豎井軌道嚙合并且與彈簧固定在一起的滾筒，該彈簧例如，與一個數(shù)字線性磁力傳動器(DLMA)串聯(lián)，并且與用來抑制振動的電磁鐵相并聯(lián)。本發(fā)明并不僅限于圖2中所示的特定的有源滾筒導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，因為其它結(jié)構(gòu)是公知的，并且本發(fā)明顯然適用于這些結(jié)構(gòu)。有源滾筒導(dǎo)向懸浮系統(tǒng)的功能是保持轎廂框架在豎井中(水平地)對中，并且抑制轎廂的水平振動。
圖1表示了用于現(xiàn)有技術(shù)的電梯水平懸掛系統(tǒng)的有源滾筒導(dǎo)向器(ARG)中使用的電磁鐵的非線性特性。如圖中所示，電磁鐵的輸出力特性是電流和氣隙的雙重非線性函數(shù)。因此，用來控制有源滾筒導(dǎo)向器的任何一種力控制環(huán)的開環(huán)增益是由電磁鐵的工作狀態(tài)來決定的，這種力/電流特性的“斜率”隨著氣隙和電流而變化。
任何磁力控制裝置都需要提供電磁線圈所需的有效控制電壓。由控制電壓所產(chǎn)生的電磁線圈電流是電磁感應(yīng)和電阻的函數(shù)。圖1中的曲線是按照850匝，2in2鐵心截面的磁鐵根據(jù)以下的公式來計算的Fmag Kf12/g2；其中的i是以安培為單位的磁場電流g是以米為單位的磁隙常數(shù)“Kf”是一個氣隙轉(zhuǎn)換系數(shù)，它是磁鐵結(jié)構(gòu)的一個固定的函數(shù)。
從圖1的曲線中可以看出，在極端的工作氣隙下，在達(dá)到10A的電流限制之前由最大磁隙所產(chǎn)生的最大的力大約是250N。在相反的極端情況下，假設(shè)磁鐵的空載電流是1A(典型的恒定ARG值)，并且氣隙是2mm，空載力就會超過250N。這樣就會出現(xiàn)不利的工作狀態(tài)，因為磁鐵是彼此排斥的(它們是單極的力發(fā)生器)這樣就會形成“閉鎖”結(jié)構(gòu)，無法進(jìn)行控制。
由于兩個原因，僅僅是減少磁鐵空載電流是不能解除這種閉鎖狀態(tài)的。首先，減少磁鐵的空載電流會在激勵磁鐵時產(chǎn)生進(jìn)一步的延遲，因為在產(chǎn)生明顯的力之前必須在額定的氣隙下將電流提升到幾安培。第二，控制器在執(zhí)行“對中”控制時要使用磁通反饋結(jié)合著電流反饋來計算轎廂的橫向位置。因此，如果采用固定的低空載電流和大的氣隙，磁通反饋就會變得太小而不能可靠地計算位置。
因此而放棄了空載電流的概念，在控制中采用了空載力的概念。如圖3所示，這一概念需要使用各自用于一個磁鐵的兩個力控制環(huán)16，18。根據(jù)線路20上的“Net_Force”命令信號，線路22上的“Net_Force_1”信號，以及線路24上的“Net_Force_2”信號，將每一個環(huán)設(shè)定到“MinimumForce Cmd”或是abs(“Net Force”)+“MinimumForce Cmd”。因此，假設(shè)雙重力控制環(huán)的閉環(huán)增益基本上等于l，從兩個磁鐵26，28的輸出產(chǎn)生的凈力加在一起就剛好是“Net_Force”。
這種方案的一個效果就是不需要控制磁鐵中的實際空載電流，因為力是受到控制的，但是不控制氣隙。如果將空載力設(shè)定得過高，超過了最大氣隙下所能產(chǎn)生的空載電流；如果空載力太低，則空載電流在小氣隙時就會很低，這樣就會增加將磁鐵轉(zhuǎn)化到高輸出力所需要的時間。按照上述的本發(fā)明的實施例，根據(jù)交叉失真的跡象，通過試驗已經(jīng)確定了處在20到50N之間的空載力對于空載電流過大和轉(zhuǎn)化速度問題之間的折衷是最佳的方案。
圖2中沒有表示圖3的磁通傳感器30，32，但是它們是安裝在磁鐵26和28的磁隙內(nèi)側(cè)的。磁通傳感器30，32是一種霍爾效應(yīng)器件，用來檢測振蕩磁鐵的氣隙內(nèi)部的磁通密度。由磁鐵施加在其反應(yīng)棒上的力與磁通傳感器檢測到的磁通密度的平方成正比。這樣就確定了軟件力控制環(huán)的磁通檢測方式，并且將其用于雙重力控制環(huán)的磁通力反饋信號。如圖2中所示，利用彈簧懸掛裝置使轎廂框架橫向懸浮在軌道上?？刂破魇褂肈LMA對彈簧懸掛裝置進(jìn)行偏置，使轎廂相對于軌道實現(xiàn)的上述“對中”。利用這種控制方式使磁鐵的操作行程達(dá)到最大。使對中控制要求合理化的另一種方法是假定轎廂應(yīng)該穩(wěn)定在慣性狀態(tài)對中控制即使是在轎廂框架上出現(xiàn)不平衡負(fù)載時仍然允許最大的軌道偏差。位置信息是通過檢測磁鐵中的電流，磁鐵中的磁通，并且按照上述的公式推導(dǎo)出磁鐵的氣隙而獲得的，其中的磁通力等于FmagFmag～B2這一比例常數(shù)是磁鐵結(jié)構(gòu)的函數(shù)Fmag＝(B2/2μ0)A；其中的B是磁鐵的氣隙中的磁通密度，μ0是自由空間的磁導(dǎo)率(4π×10-7H/m)，而A是磁通的磁極面上的總面積。對于固定的磁通結(jié)構(gòu)來說，常數(shù)(A/2μ0)被稱為“Flux_Force_Factor”。對磁通進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)化成力(Fmag)，并且代入第一公式Fmag＝Kf12/g2
以求解氣隙g。
在圖3中表示了按照本發(fā)明的雙重自動增益控制(AGC)力環(huán)的控制框圖。線路20上的“Net_Force”指示指令信號被一個“Net ForceAlgebra”框34用代數(shù)方法分成上述的線路22上的“Net_Force_1”信號和線路24上的“Net_Force_2”信號。線路36上的“Flux_Force_1”反饋信號和線路38上的“Flux_Force_2”反饋信號是分別由磁通-力轉(zhuǎn)換框40，42利用磁通傳感器30，32檢測到的磁通信號而獲得的。線路36，38上的信號作為負(fù)反饋被提供給兩個加法器48，50。加法器48，50各自在線路52，54上的誤差輸出信號“Force_Error_1”和“Force_Error_2”作為輸入被提供給各自的包括一個積分器的補(bǔ)償濾波器56，58。各個補(bǔ)償器分別在線路60，62上的輸出(濾波的力誤差)信號在各自的框64，66中與一個比例增益系數(shù)相乘，按照本發(fā)明，這一比例增益系數(shù)是有關(guān)磁鐵的電流和氣隙狀態(tài)的函數(shù)(以下還要詳細(xì)說明)。線路68，70上的各個磁通指令信號是力控制環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出，它們作為PWM信號被提供給各自的磁鐵驅(qū)動器功率電子電路72，74。磁鐵線圈中在線路76，78上產(chǎn)生的電流受到檢測，并且作為檢測到的線圈電流信號在線路80，82上反饋到各自的“Current & Gap AGC”框84，86，用來按照圖示的情況根據(jù)檢測到的線圈電流電平信號80，82和磁通反饋信號36，38或者是直接根據(jù)檢測到的磁通信號44，46從線路88，90上向方框64，66提供AGC(比例)增益調(diào)節(jié)信號。當(dāng)檢測到的各個驅(qū)動電流信號的幅值增大時，方框84，86利用AGC增益調(diào)節(jié)信號使比例增益下降。這些方框還要根據(jù)檢測到的電流和力信號來確定各個磁鐵中的氣隙的量值(也就是求出后一個公式中的“g”)，并且隨著各自的氣隙量值的增大而增加各自的比例增益。如上文所述，磁場電流在磁鐵氣隙中產(chǎn)生的磁通是由磁通傳感器30，32來檢測的，并且反饋給用于磁通-力計算器40，42的軟件控制器。應(yīng)該注意到在方框84，86中確定各自的氣隙量值的工作可以直接根據(jù)線路44，46上的檢測到的磁通密度(結(jié)合著檢測到的電流信號80，82)來完成，不需要圖示的力反饋信號36，38。
AGC_Gain的計算實際上不能使力控制環(huán)的開環(huán)增益線性化，但是有助于在電流氣隙狀態(tài)的很寬范圍內(nèi)使環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定。首先，可以將各個力控制環(huán)中使用的比例增益項按工作電流的線性函數(shù)下降。隨著電流從最小值逐漸增大，增益被逐漸減小。其次，隨著磁鐵氣隙分別變成8mm以下或是以上，使用的比例增益項作為磁鐵氣隙的線性函數(shù)而減少或是增強(qiáng)。8mm是一個預(yù)定的系數(shù)，它僅僅是針對本例而依經(jīng)驗確定的。在各個力控制環(huán)中根據(jù)以下的公式來計算AGC增益電平AGC_Gain 1＝Gain(1A)/Imag；并且AGC_Gain 2＝AGC_Gain1(氣隙(mm))/8mm。
圖6表示變化氣隙的增益調(diào)節(jié)系數(shù)。圖7表示變化電流的增益調(diào)節(jié)。用其它方式也可以獲得類似的結(jié)果，以上僅僅是一個例子。
圖4提供了雙重力控制環(huán)的控制器硬件框圖。用μP對輸入采樣并且通過執(zhí)行EPROM的指令將輸入采樣存儲在RAM中。濾波器參數(shù)被存儲在EEPROM或是EPROM中，用于延遲的補(bǔ)償濾波器和AGC邏輯。所得的磁通PWM指令被提供給磁鐵驅(qū)動器電路。
圖5表示雙重力控制器的一種簡化的軟件程序流程。計算是按照指定的速度按順序執(zhí)行的。
盡管本發(fā)明是按照其最佳實施例來說明的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的情況下仍然可以對上文中所述的細(xì)節(jié)進(jìn)行各種各樣的變更和增刪。
權(quán)利要求
1.用來控制電梯轎廂有源懸掛系統(tǒng)的磁力傳動器的一種控制器，上述磁力傳動器響應(yīng)來自一個磁力驅(qū)動器根據(jù)上述控制器的磁通指令信號產(chǎn)生的驅(qū)動電流，其中的上述控制器響應(yīng)一個力指令信號，檢測到的代表著上述磁力傳動器氣隙中的磁通量的磁通信號，以及檢測到的驅(qū)動電流信號，用來提供上述磁通指令信號，其中的上述控制器包括一個加法器，它響應(yīng)用幅值指示磁力傳動器所施加的力的力反饋信號和所述力指令信號，用來提供力誤差信號；一個補(bǔ)償器，它響應(yīng)上述誤差信號和一個自動增益控制信號，用來提供上述磁通指令信號；一個自動增益控制器，它響應(yīng)上述力反饋信號或是上述檢測到的磁通信號以及上述檢測到的驅(qū)動電流信號，用來提供上述自動增益控制信號；以及一個響應(yīng)上述檢測到的磁通信號的磁通-力轉(zhuǎn)換器，用來提供上述力反饋信號。
2.按照權(quán)利要求1的控制器，其特征是上述補(bǔ)償器包括一個自適應(yīng)比例增益，它隨著上述檢測到的驅(qū)動電流信號幅值的增大而下降。
3.按照權(quán)利要求2的控制器，其特征是上述自動增益控制裝置還要響應(yīng)上述力反饋信號或是上述檢測到的磁通信號，用來確定上述氣隙的量值，其中的上述自適應(yīng)比例增益隨著上述氣隙信號幅值的增大而增大。
全文摘要
利用一種控制裝置的自動增益控制來控制電梯水平有源懸掛系統(tǒng)的磁力傳動器。增益是隨著磁力傳動器的電磁線圈中的驅(qū)動電流或是磁力傳動器的氣隙或是這兩方面而變化的。
文檔編號B66B7/02GK1245136SQ9910852
公開日2000年2月23日 申請日期1999年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月19日
發(fā)明者E·K·賈米森, T·赫, D·S·威廉斯 申請人:奧蒂斯電梯公司