專利名稱：具有力估計或位置預定電流指令控制器的電梯系統的制作方法
技術領域：
本發明申請的公開部分的內容受版權保護。版權所有者不反對復制本專利文件或專利公開的任何部分以用作專利和商標局的專利文件和記錄，否則保留所有版權。
本發明涉及具有主動懸浮控制的系統，更具體地說，涉及具有主動水平懸浮控制的電梯系統，此主動水平懸浮控制用以控制電梯車廂與機井內的導軌間的相對水平運動。
由于要求電梯運動速度越來越快，很有必要改進側向懸浮，以向乘客提供平穩、安靜的搭乘。通常的做法是使用被動懸浮在電梯車廂的角上把滾輪與彈簧及阻尼器安裝在一起。正在提出和開發先進的電梯懸浮概念，它在懸浮體上應用電磁鐵作為主動力的發生器，以抵消作用在電梯車廂上的外力。例如，主動滾輪引導(ARG)電梯系統和主動磁力引導(AMG)電梯系統就是兩個這種先進的懸浮系統。用于ARG和AMG電梯系統的力產生機構是電磁鐵對，令它在出現相當大的空氣間隙變化(范圍達2至10毫米)時，產生一個受控的磁力。
圖3表示一個已知的磁驅動器的磁通和電流反饋補償控制器。通常，在圖3中，已知的磁通和電流反饋補償控制器反饋磁通和電流，以調節電磁鐵電流。磁通和電流反饋系統利用一外力控制反饋環(利用霍耳效應來反饋磁通)，在出現未知間隙的情況下調節電磁鐵的指令電流。(要指出的是，圖3被簡化為只有一個電磁鐵)。
明確地說，電梯系統的電梯懸浮控制器(在圖3中沒繪出)對磁通和電流反饋補償控制器50提供力指令信號Fd。力指令信號Fd表示令電梯車廂相對機井導軌作運動所希望的力。霍耳效應傳感器52測量磁通密度FD，并提供感知的磁通密度信號FFD，后者表示電磁鐵54對導軌(圖中沒繪出)所施加的磁力。平方電路56把感知的磁通密度信號FFD作平方運算，并提供一個與感知的磁通密度信號FFD成比例的磁通密度平方信號FFD2。第一比較器58將力指令信號Fd減去磁通密度平方信號FFD2，提供力誤差信號FFE。力反饋補償處理器60對力誤差信號FFE作出響應，提供所希望的力補償電流指令信號Ic。
電流測量電路62測量磁驅動器電流IMDC，提供測得的電流信號Imeas，后者為驅動器64給電磁鐵54的電流的測量值。第二比較器66將所希望的力補償電流指令信號Ic減去測得的電流信號Imeas，提供電流誤差信號IE。電流反饋補償處理器68對電流誤差信號IE作出響應，向驅動器64提供驅動器反饋電流信號IDFC。驅動器64對驅動器反饋電流信號IDFC作出響應，向電磁鐵54提供驅動電流信號IMDC。
AMG電梯系統以及ARG電梯系統的磁通和電流反饋補償控制器50均使用霍耳效應傳感器52作為控制磁力的基本反饋元件之一(見美國專利5,294,757號，5,304,751號和5,308,938號)。霍耳效應傳感器52固定在電磁鐵54磁極面的磁場中，并測量局部磁通密度。在AMG和ARG電梯系統中，電磁鐵54所產生的力基本上正比于磁通密度的平方。
可是，在AMG電梯系統中，應用霍耳效應傳感器52有四個主要缺點第一是霍耳效應傳感器52必須放置在電磁鐵54磁極面與電梯導軌(沒繪出)的作用面之間。這位置引起對可靠性和耐久性的嚴重擔憂，特別是AMG電梯系統，在這系統中，作用面就是電梯的導軌。作用面能以大于每秒10米(m/s)的速度相對霍耳效應傳感器52運動。第二是，當應用霍耳效應傳感器52時，為保護霍耳效應傳感器52，避免無意碰撞，必須在間隙處安裝其厚度大于霍耳效應傳感器52厚度的隔板(spacer)。較厚的隔板減少了懸浮物有用的行程和/或要求電磁鐵在較大的空氣間隙處產生磁力。這是特別不利的，因為磁力與空氣間隙長度的平方成反比。第三是，霍耳效應傳感器52要求額外的連線和連接，從而增加了成本和減少了懸浮控制系統總體的可靠性。第四是，由于在電磁鐵的磁極面上存在著霍耳效應傳感器52，從而限制了電磁鐵在產生磁力方面可達到的能力。霍耳效應傳感器52必須安裝在緊靠主動電磁鐵54的地方，即在ARG電梯系統情況下安裝在作用板(銜鐵)上，在AMG電梯系統的情況下直接安裝在電磁鐵磁極面上。霍耳效應傳感器52的有限工作溫度范圍限制了電磁鐵允許的溫升，因而限制了電磁鐵最大的激勵電流。ARG電梯系統也有類似的問題。
上面討論的缺點在ARG電梯系統是些難題，但已證明對實現AMG電梯系統卻是嚴重的限制。
本發明提供一種控制電磁鐵產生力的獨特的新方法，利用該方法可以不用霍耳效應傳感器及相關的反饋環，就可以在大間隙應用中控制電磁鐵所產生的力。
特別是，在控制電梯車廂與機井中的導軌間的相對水平運動方面，本發明使電梯系統具有下面的特征，即控制系統具有力估計或位置預定電流指令控制器和磁驅動器電路。力估計或位置預定電流指令控制器對力指令信號和感知的間隙信號作出響應，提供力估計或位置預定電流指令控制器信號。磁驅動電路對力估計或位置預定電流指令控制器信號作出響應，提供磁驅動器電路信號，用以控制電梯車廂與機井中的導軌間的相對水平運動。
在一個實施例中，本發明包括了力估計處理器，后者對感知的間隙信號和感知的磁驅動器電流信號作出響應，提供力估計處理器信號，該信號是所估計的力的指示，此力用以控制電梯車廂與機井中的導軌間的相對水平運動。力估計處理器可用硬件或軟件實現。
在另一個實施例中，本發明包括了位置預定電流指令控制器，后者對感知的力指令信號和間隙信號作出響應，提供位置預定電流指令控制器信號作為對磁驅動器電路的電流指令，位置預定電流指令控制器可用硬件或軟件實現。用以控制電梯車廂與機井中的導軌間的相對水平運動。
本發明的一個重要的優點是不需要霍耳效應傳感器。
相應地，本發明包括結構的特點、元件的組合與零件的配置，這些將在下文的控制器結構中作為例證來描述，本發明的范圍將在權利要求中指明。
為了較充分地理解本發明的性質，應參考下面結合附圖的詳細描述，結構圖沒按比例畫出，其中

圖1為電梯車廂的示意圖，在AMG電梯系統中此電梯車廂相對導軌運動。
圖2是控制電梯車廂(如圖1所示)相對導軌運動的電路方框圖。
圖3是已知的磁通和電流反饋補償控制器的方框圖，它是已知的磁驅動器的組成部分。
圖4是本發明的電流指令控制器200的方框圖。
圖5a是力估計電流指令控制器210/300的一個實施例的方框圖，而力估計電流指令控制器210/300又是圖4中電流指令控制器200的一個實施例。
圖5b是力估計電流指令控制器210/300的另一個實施例的方框圖，力估計電流指令控制器210/300又是圖4中電流指令控制器200的一個實施例。
圖6是圖5所示的力估計電流指令控制器210/300的微處理器結構的方框圖。
圖7是AMG電梯系統的左右配置圖。
圖8是AMG電梯系統的前-后配置9表示圖9a和圖9b如何配合起來說明圖5的力估計處理器310的硬件實施例。
圖10是位置預定電流指令控制器210/400的方框圖，位置預定電流指令控制器是圖5中電流指令控制器200的另一個實施例。
圖11是示于圖10的位置預定電流指令控制器210/400和示于圖2的聯動控制器100的方框圖。
圖12為左右AMG磁鐵的特性圖。
通常的AMG電梯系統圖1描述了一種AMG電梯系統的電梯車廂12，這就是序列號為No.08/292,660、1994年8月18日申請的美國專利申請中所描述的AMG電梯系統的電梯車廂，以此作為本文的參考文件。電梯車廂12有一帶有四個導靴10、20、30、40的車廂框架13，在本例中，這些導靴表示為磁導靴。通常，電梯車廂12包括在垂直的導軌上(沒繪出)運行的車廂框架13，此導軌安裝在建筑物(沒繪出)的機井(沒繪出)內相對的兩側面上。四個導靴10、20、30、40安裝在車廂框架13上，用以引導電梯車廂沿著導軌運動，并減少傳給電梯車廂的振動。
如所示，電梯車廂12的剛體運動在運動學上用具有X、Y、Z軸的球坐標系統(GCS)的五個自由度來定義，這五個自由度是沿著X軸的左右平移、沿著Y軸的前-后平移、繞X軸的俯仰旋轉、繞Y軸的滾動旋轉、繞Z軸的側滑旋轉。GCS的原點可以是電梯車廂的幾何(或質量)中心或其他方便的原點。要知道，坐標系統的選擇雖然不是任意的，但不一定要是直角坐標，不過選擇直角坐標是最合理和最方便的。左右線性平移XC沿GCS的X軸測得，力FX定義為沿X軸的力。前-后線性平移YC沿GCS的Y軸測得，力FY定義為沿Y軸的力。俯仰旋轉θx是繞GCS的X軸的轉動測量值，力矩MX定義為繞X軸的力矩。滾動旋轉θY是繞GCS的Y軸的轉動測量值，力矩MY定義為繞Y軸的力矩。側滑旋轉θZ是繞GCS的Z軸的轉動測量值，力矩MZ定義為繞Z軸的力矩。示于圖1的三個箭頭中的每一個箭頭指出了繞相應軸的力矩的正方向。(注意為便于討論，不用AMG系統來控制電梯車廂沿Z軸的平移運動和測量。)另外，每個導靴10、20、30、40有各自的局部坐標系統LCS10、LCS20、LCS30、LCS40，每個局部坐標系統有Xi、Yi、Zi軸。例如，導靴10有局部坐標系統LCS10，后者有x1軸和y1軸，并在圖上標出定義為沿著各自的軸的力Fx1和Fy1。導靴20有局部坐標系統LCS20，后者有x2軸和y2軸，并在圖上標出定義為沿著各自的軸的力Fx2和Fy2。導靴30有局部坐標系統LCS30，后者有x3軸和y3軸，并在圖上標出定義為沿著各自的軸的力Fx3和Fy3。導靴40有局部坐標系統LCS40，后者有x4軸和y4軸，并在圖上標出定義為沿著各自的軸的力Fx4和Fy4。
對于四個導靴10、20、30、40中的每一個，各自的三個電磁鐵在沿著各自的局部坐標軸Xi和Yi產生力Fx1、Fy1、Fx2、Fy2、Fx3、Fy3、Fx4和Fy4。現假定沿坐標軸Xi和Yi的局部力都通過各自局部坐標系統LCSi的原點。要知道，通過在運動學特性描述中加進附加的長度參數，就可以容易地計算出由于磁鐵放置所造成的各局部力之間沿局部坐標軸Zi的任何偏移量。
基于圖1所示的五個長度a、b、c、d和e，可把局部坐標系統LCS10、LCS20、LCS30、LCS4和GCS聯系起來。長度a和b定義了造成繞X軸的俯傾旋轉θX和繞Y軸的滾動旋轉θY的杠桿臂。長度c、d、和e定義了造成繞Z軸的側滑旋轉θZ的杠桿臂。在典型情況下，假定a＝b、d＝e和c＝0。
在系列號為08/292,660的美國專利所描述的實施例中，電梯車廂12的位置是四個局部坐標系統中的三個系統LCS10、LCS20、LCS30內測量決定的，并且應用同上的三個局部坐標系統LCS10、LCS20、LCS30的局部坐標力Fx1、Fx2、FY1、 FY2、FY3。用所述測量方法來決定電梯車廂12相對GCS內所希望的位置的偏離，從而決定要用多大的力把電梯車廂12移回GCS內所希望的位置。
圖2表示聯動控制器100的例子，它用以控制圖1所示的AMG電梯系統電梯車廂12的運動，在序列號為08/292,660的美國專利中描述了此聯動控制器。在圖2中，聯動控制器100包括了位置傳感器110和加速度傳感器120、位置和加速度反饋控制器130、高壓電源140、磁驅動器150和電磁鐵160。在本技術領域中，位置傳感器110是已知的，其中一個例子已在美國專利第5,294,757號中有描述，并作為本文的參考。位置和加速度反饋控制器130使車廂框架13保持在導軌中央，并減小側向的振動，該位置和加速度反饋控制器在序列號為08/292,660的美國專利中有描述。其它的位置和加速度反饋控制器在美國專利第5,294,757號；5,304,751號和5,308,938號中亦有描述，這些專利亦作為本文的參考。
如上面詳細討論的那樣，圖3表示了圖2所示的磁驅動器150的已知的磁通和電流反饋補償控制器。
力估計或位置預定電流指令控制器圖4以方框圖的方式表示本發明的最廣的范圍。如所示，本發明提供了一個電流指令控制器200，用以調節送至電磁鐵160的電流，在AMG電梯系統中，電磁鐵160用作力發生器。
如圖4所示，電流指令控制器200有一個力估計或位置預定電流指令控制器210和一個磁驅動器電路220。力估計或位置預定電流指令控制器210對力指令信號Fd及對感知的間隙信號Gm作出響應，提供電流指令信號Ic。正如下文描述的那樣，電流指令信號Ic或取力估計電流指令控制器信號的形式，或取位置預定電流指令控制器信號的形式，電流指令信號Ic表示給予磁驅動器電路的電流指令，用來驅動電磁鐵，以控制電梯車廂12(見圖1)相對機井(圖中沒繪出)導軌205的位置。圖2的位置和加速度反饋控制器130提供力指令信號Fd，此信號表示推動電梯車廂(見圖1)對機井(圖中沒繪出)中的導軌205作相對運動的水平力。圖2中的各位置傳感器110中的一個提供了圖4的間隙測量信號Gm，此信號表示電梯車廂12(圖1)相對于機井(圖中沒繪出)中導軌205的實際間隙。
磁驅動器電路220對電流指令信號Ic作出響應，以對圖4的電磁鐵160提供磁驅動器電路信號，從而控制電梯車廂12相對于機井中(圖中沒繪出)導軌(圖中沒繪出)的運動。
事實上，本發明獨特地提出了這樣兩個不同的控制系統，此兩系統在相當大的空氣間隙情況下調節由電磁鐵160產生的雙向力，而無需采用霍耳效應傳感器。電流指令控制器200中有磁力估計電流指令控制器210/300的情況的實施例示于圖5(a)、5(b)和圖6-9，此磁力估計電流指令控制器用以調節送到電磁鐵160的電流，此電磁鐵160被用作力發生器。電流指令控制器200具有位置預定電流指令控制器210/400的情況的實施例示于圖6-8和圖10-11。這些實施例采用了在已知磁鐵至作用面(即電梯導軌)的間隙上產生的磁力與磁鐵指令電流之間的理想化關系。力估計的實施途徑可以使用ARG和AMG電梯系統已有的電流和位置傳感元件。但是要認識到，本發明也可用于具有各種各樣的任何類型的主動引導功能的電梯系統，這包括主動滾動引導、主動滑動引導等。還有，本發明的范圍也不限于只是電流指令，因為可以預想有這樣的實施例，其中可采用電壓指令來控制電梯車廂12(圖1)與機井(圖中沒繪出)中導軌205的相對位置。
圖5力估計電流指令控制器300。
圖5a表示了本發明的一個實施例，其中電流指令控制器200具有力估計電流指令控制器210/300，后者包括力估計處理器310、力比較器320和力反饋補償處理器330。
力估計處理器310對來自間隙傳感器110的感知的間隙信號Gm和來自磁鐵電流傳感器228的感知的或測得的磁驅動器電流信號Imeas作出響應，提供力估計處理器信號，該信號表示了對所需的水平力的估計，此力用以控制電梯車廂12與機井中導軌的相對位置。在本技術領域中，力比較器320是已知的，它把力指令信號Fd減去力估計處理器信號Fest，提供力誤差信號FE，其中Fd來自圖2的位置和加速度反饋控制器130，而FE表示了力指令信號Fd與力估計處理器信號Fest的比較結果，以此結果來控制電梯車廂12與機井(圖中沒繪出)導軌的相對位置。力反饋補償處理器330對力誤差信號FE作出響應，產生力反饋補償處理器信號，后者用作對磁鐵驅動器電路220的電流指令Ic。
力估計處理器310可以用硬件或軟件實現。當用軟件實現時，采用典型的微處理器結構，通常如圖6所示。例如力估計處理器310可包括微處理器(CPU)340、隨機存儲器(RAM)342、只讀存儲器(ROM)344，輸入/輸出控制器(I/O)346和地址、數據及控制總線(BUS)348，后者把微處理器(CPU)340、隨機存儲器(RAM)342、只讀存儲器(ROM)344和輸入/輸出控制器(I/O)346連接起來。用軟件實現力估計處理器310的一個好處是經一段時間后能通過調整軟件程序來輕易地更新和改變。用硬件實現力估計處理器310的辦法將結合圖9在下文討論。
力反饋補償處理器330可以類似地在與力估計處理器一起共同使用同一個微處理器的情況下用軟件實現，亦可以在使用另外一個圖6那樣的微處理器的情況下用軟件來實現。本發明的范圍不限于任何力估計處理器310或力反饋補償處理器330的特定實施例，亦不限于用硬件或用軟件實現，或用硬、軟件結合來實現。
在電梯系統的技術領域中，磁驅動器電路220是已知的，它包括了電流誤差比較器222、電流反饋補償處理器224、驅動器226和磁鐵電流傳感器228。電流誤差比較器222將電流指令信號IC減去測得的磁鐵驅動器電流信號Imeas，提供電流誤差信號IE，其中Imeas表示加于電磁鐵160的測得的磁鐵驅動器電流。電流反饋補償處理器224對電流誤差信號IE作出響應，提供電流反饋補償處理器信號IFC。驅動器226對電流反饋補償處理器信號IFC作出響應，對磁鐵160提供驅動信號，而磁鐵160為控制電梯車廂12(圖1)與機井中導軌間的相對運動提供磁力。磁鐵電流傳感器228對磁鐵驅動器電流作出響應，提供一感知的或測得的磁鐵驅動器電流信號Imeas給電流誤差比較器222。如圖所示，圖5所示的“不使用”表明力估計電流指令控制器210/300取代了圖3所示的霍耳效應傳感器52和平方電路54，這兩部份現已不再需要了。
在運行中，力估計處理器310取感知的間隙信號Gm和測得的磁鐵驅動器電流信號Imeas，利用示于下面的導出的方程1來計算力估計處理器信號F＝Kmag*(Ic/Gmag)2(方程1)其中F表示以牛頓為單位的力，Kmag為給定磁鐵配置的比例常數(對較小的前—后軸AMG磁鐵，此常數為100，而對較大的左右軸AMG磁鐵，此常數為425)，正如下文結合圖12所作的討論那樣，Ic代表以安培為單位的電流指令信號，Gmag代表以毫米為單位的磁極面與導軌作用面間的實際磁隙信號，后者由感知的間隙信號Gm來決定。
在圖5b的實施例中，電流指令信號Ic被饋送到力估計處理器310，而不是把來自磁鐵電流傳感器228的感知的或測得的磁鐵驅動器電流信號Imeas送到力估計處理器，如果帶寬足夠寬，則感知的或測得的磁鐵驅動電流信號Imeas就會跟隨電流指令信號Ic變化。在運行中，力估計處理器310對反饋的電流指令信號Ic和感知的間隙信號Gm作出響應，提供力估計處理器信號，此信號表示對水平作用力的估計，此作用力被用來控制電梯車廂12與機井內的導軌的相對位置。在其他方面，其實施辦法在結構上與上面的圖5a所描述的辦法相似。
圖7和圖8間隙傳感器處理算法圖7和圖8表示了磁鐵、作用面以及位置傳感器之間的典型物理關系。正如上面討論的那樣，為估計AMG和ARG電磁鐵所產生的力，必須知道空氣間隙的長度及每個電磁鐵流過的電流。磁鐵電流是由磁鐵驅動電子電路提供的現成可用的信息。在驅動器的實施方法中，可用電流反饋來改進對電流控制的響應。在不應用電流反饋的系統的情況下，亦必須監控電流，以保證它處在安全的水平上，并因而可用于力估計技術。
左右AMG激勵間隙實際的磁隙信號Gmag包括右側磁隙Grs和左側磁隙Gls。
圖7表示了左右軸的實際系統布置。兩個位置傳感器110a和110b是圖2中的位置傳感器110的例子，因為導軌之間的距離(DBG)會改變，故左、右磁隙都必須知道，所以要用兩個位置傳感器。磁隙與每個位置傳感器110a和110b之間的偏移量必須實際測量出來。在圖7中以Loffset來標明左側磁鐵的偏移量；以Roffset來標明右側磁鐵的偏移量。測得的偏移量Loffset和Roffset是安裝配置磁鐵和位置傳感器的結果，這些偏移量在系統工作時不改變。測得的左間隙為Gmls。
左側磁隙Gls可利用下面的方程2來確定Gls＝Gmls-Loffset (方程2)右側磁隙Grs利用下面的方程3來確定Grs＝Gmrs-Roffset(方程3)注意對于左右配置，間隙處理算法對兩側是一樣的。
前—后AMG激勵間隙實際的磁隙信號Gmag包括前磁隙Gf和后磁隙Gb，必須確定此兩磁隙。
圖8表示了前—后軸的實際系統配置。要指出的是在前—后軸的配置中，只有一個位置傳感器110c和兩個磁鐵。為利用方程1作力估計，需要有每個磁鐵的信息。雖然本發明范圍不限于任何特定型式的導軌，導軌可用通常的3/4T形軌，它有均勻性很好的3/4英寸(1.9厘米)寬度。前后磁鐵的間隔決定于導靴硬件。因此前磁隙Gf與后磁隙Gb之和是一個恒定的總值Gt。因此，一旦測得前—后間隙Gmfb，就能確定前磁隙Gf，然后，在知道恒定的總值Gt的情況下，也就能確定后磁隙Gb。
和左右磁鐵的情況一樣，在前磁隙與位置傳感器隙之間存在一偏移量。此偏移量必須實測得并記作“offset”。位置傳感器110c測量并提供測得的前—后隙Gmfb。前磁隙的位置傳感器處理算法與上述的每個側磁鐵的相同。
前磁隙Gf可利用下面的方程4來確定Gf＝Gmfb-offset (方程4)知道前磁隙Gf和恒定的總隙Gt后，就可以利用下面的方程5來確定后磁隙GbGb＝Gt-Gf(方程5)圖9用硬件方法實現力估計處理器310圖9表示實施圖5的力估計處理器310的硬件實施方案的詳細電路圖，用此電路來計算力的估計值，以驅動電磁鐵對。把電路設計成易于配置為前-后或左右工作方式，其辦法是把示于圖9a的跳針設置成S/S以獲得左右方式或設置成F/B以獲得前-后方式，如圖所示。
左右間隙把跳針設置成S/S就得左右方式。
左側磁隙Gls運算放大器U1-A和U1-B利用方程式3處理圖7左側磁鐵150a的間隙信息。
間隙1代表測得的左側間隙信號Gmls，并且是直接從圖7中的左側位置傳感器110a的電壓輸出。對測得的左側間隙信號Gmls進行定標，以便給出正比于0至10毫米間隙的0至10伏的信號。運算放大器U1-A有一與其關聯的電位器P1，調節此電位器以校準測得的左側間隙信號Gmls，從而使測試節點TP1處的電壓等于位置傳感器和磁隙間的測得的偏移量的負值。運算放大器U1-A的輸出代表了負的實際左側磁隙-Gls。
運算放大器U1-A被配置成求和接合計算(summing junctioncomputing)-1*(Gmls+-Loffset)其中，左偏置電壓Loffset為負值。此外，運算放大器U1-A設置了單極性的滯后濾波器，后者有電容C20和電阻R2，且其斷點被設置在30Hz，以降低噪聲。運算放大器U1-B是增益為1的反相放大器。運算放大器U1-B的輸出代表了實際的左側磁隙Gls。
右側磁隙Grs運算放大器U1-C和U1-D利用方程式4處理圖7右側磁鐵150b的間隙信息。間隙2代表測得的右側間隙信號Gmrs，并且是直接從圖7中的右側位置傳感器110b的電壓輸出。與上面討論的校準相似，運算放大器U1-C有電位器P2，調節它可校準所測的右側間隙信號Gmrs，從而使測試節點TP2處的電壓等于位置傳感器和磁隙間的測得的偏移量的負值。運算放大器U1-D的輸出代表了實際右側磁隙Grs。
前-后間隙把跳針設置成F/B可得前-后方式。
前磁隙Gf運算放大器U1-A和U1-B利用方程式5處理圖8前磁鐵150c的間隙信息。間隙1代表測得的前-后間隙信號Gmfb，并且是直接從位置傳感器110c的電壓輸出。如上面討論的那樣，通過調節電位器P1所做的校準和左側磁鐵150a(圖7)的情況相同。運算放大器U1-B的輸出是實際前磁隙Gf。
后磁隙Gb運算放大器U1-C和U1-D利用示于下面的方程式5和方程式6的組合，處理后磁鐵150d的間隙信息。圖9的電路利用下列的方程式4和方程式5處理實際后磁隙GbGf＝Gmfb-offset(方程4)和
Gb＝Gt-Gf(方程5)將方程4的實際前磁隙Gf代入方程5，得到Gt-Gb＝Gmfb-offset解得實際后磁隙GbGb＝-Gmfb+offset+Gt(方程6)因為只有一個傳感器，間隙2的輸入被連到間隙1的輸入，此兩輸入是從圖8唯一的前-后位置傳感器110c直接提供的電壓輸出。對所述傳感器的輸出進行定標，以便輸出正比于0至10毫來間隙的0至10伏的電壓信號。為了校準位置處理過程，調節電位器P2，以使節點TP2上的電壓等于恒定總間隙Gt與測得的前-后偏移量Gmfb之和的負值，此前-后偏移量Gmfb是位置傳感器110c與磁隙間的偏移量。那么，運算放大器U1-C的輸出就成為后間隙Gb。
運算放大器U1-C被配置成對圖6的實際后磁隙Gb進行求和接合計算。
此外，運算放大器U1-C設置單極性的滯后濾波器，后者有電容C21和電阻R1，且其斷點被設置在30Hz，以降低噪聲。運算放大器U1-D用跳針斷開，使其不參與前-后配置。
力估計網絡一旦間隙信號經過成功的處理，所得的信號必須與對應的磁鐵的感知或指令電流一起處理，以便用AD534乘法器U2、U3、U4和U5來產生力的估計。
對于上面給出的比例常數Kmag，電流傳感信號必須被設置為每安培1伏的比例。如果可用的電流感知信號設置成不同的比例，則要相應地根據給出的數據，重新計算方程式1，以調整比例常數Kmag。
具有以下傳遞功能的AD534乘法器U2、U3、U4和U5被用來將測得的電流Imeas除以實際的磁隙Gmag(X1-X2)*(Y1-Y2)＝10*(Z1-Z2)(方程7)其中X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2代表AD534乘法器U2、U3、U4和U5的輸入信號。
通過把輸入信號X2、Y1和Z2設為零，方程7變為Y2＝-10*Z1/X1(方程8)如圖9A所示，測得的電流Imeas被饋送到Z1輸入，而實際的磁隙信號Gmag被饋送到X1輸入，輸出信號變為-10*Imeas/GmagAD534乘法器U2的輸出信號被饋送到AD534乘法器U4，以進行平方運算。
(X1-X2)*(Y1-Y2)＝10*(Z1-Z2)(方程7)令X2、Y2和Z2輸入為零，并把信號10*I/G送到X1和Y1輸入端，得Z1＝10*Imeas2/Gmag2(以一定比例等效于方程1)AD534乘法器U2和U3將電流除以間隙信號。AD534乘法器U4和U5被配置成對其輸入信號進行平方運算。運算放大器U6-A把通道1的力估計信號反相，而運算放大器U6-B對這兩通道求和，從而使正的信號代表前(或左側)磁力，而負信號代表后(或右側)磁力。運算放大器U6-B也配置成一階滯后濾波器，它有電容C22和電阻R23并把其斷點設置在300Hz處，以降低噪聲而又不在30Hz處引起顯著的相位損耗(phase loss)。運算放大器U6-B也象如下解釋那樣，對其輸出進行定標。
對于圖2所示的兩個不同的AMG磁鐵160的情況，方程式1以比例常數Kmag為100或425來決定以牛頓為單位的力。對于力的反饋環，必須把以牛頓為單位的力定標到合理的預定電壓范圍。因為前-后磁鐵產生約650牛頓的力，一個合理的輸出電壓會是6.5伏。在這種情況下，比例常數Kma會變為1，運算放大器U6-B的增益會被設置為1。左右磁鐵產生1300牛頓的力。如果把輸出定標到6.5伏，對于左右磁鐵的情況，其比例常數會變成425/200或2.125。在這種情況下，運算放大器U6-B的增益會被設置為2.125。運算放大器U6-C將此信號反相，并把它作為圖5中的力估計處理器310輸出的力估計處理器信號。
圖10-11位置預定電流指令控制器400圖10表示了本發明的一個實施例，其中電流指令控制器200有一個位置預定電流指令控制器210/400，后者可以用硬件或軟件來實施。本發明的范圍不限于位置預定電流指令控制器400的任何特定實施例，也不限于它是用硬件或軟件方式或者這兩種方式的組合來實施。
在圖10所示的實施例中，位置預定電流指令控制器400以軟件的方式，用類似于圖6所示的微處理器結構來實施。
在圖10中，位置預定電流控制器210/400對從最高一級的控制(即外位置和/或加速度環)來的力指令信號Fd以及感知的間隙信號Gm作出響應，后者是從所感興趣的磁鐵對的間隙傳感器110反饋回來的信號，位置預定電流控制器210/400利用方程式1來決定并提供位置預定電流控制器信號，用作對磁驅動器電路220的電流指令Ic。如上討論的那樣，位置預定電流控制器210/400必須根據感知的間隙信號Gm來決定實際的磁隙信號Gmag。
也如上所討論的那樣，在電梯系統的技術領域中，磁驅動器電路220是已知的，并與關于圖5所討論的那種電路相似。
在工作中，位置預定電流指令控制器210/400接收力指令信號Fd和感知的間隙信號Gm，產生位置預定電流指令控制器信號Ic，用作對磁驅動器電路220(原文有錯)的電流指令，其中利用了一種技術，使磁驅動器電路220的電流輸出嚴格跟隨電流指令信號Ic而變。這控制方法可包括如下步驟步驟1決定對磁鐵的激勵根據所希望的力需求的符號，可決定要激勵的適當的電磁鐵。例如，正的力表明要激勵前或右側的電磁鐵，而負的力表明要激勵后或左側的電磁鐵。
步驟2決定實際的磁隙Gmag
利用測量間隙傳感器，來決定步驟1所認明的特定磁鐵的實際磁隙Gmag。這位置傳感器的處理過程所遵循的程序與已描述過的程序相同，后者在前面關于圖6和圖7的間隙傳感器處理過程算法的討論中已作了介紹。
步驟3決定磁鐵的指令電流基于步驟(1)和(2)，利用方程式1的理想化模型以及經驗導出的磁鐵比例常數Kmag，決定所有的磁鐵的指令電流，即Ic=(Fd/Kmag)*Gmag]]>(為開平方根符號)附于本說明書末尾的是位置預定電流指令控制器210/400的軟件編碼。
圖11表示了位置預定電流指令控制器210/400、位置和加速度反饋控制器300、圖8的磁鐵150c、150d和位置傳感器110c、磁驅動器500，其中位置和加速度反饋控制300對應于圖2中標號130，磁驅動器500類似于圖10的磁驅動器電路200。如所示，磁驅動器電路500對電流指令信號Ic作出響應，(此信號代表位置電流指令)，為電磁鐵150c、150d提供磁驅動器信號，以對電梯車廂(沒繪出)作前-后控制。磁驅動器電路500包括一對二極管502、504、一個反相器506、兩個有同一偏置的比較器508、510、滯后濾波器512、514、放大器516、518和把左前-后信號Ifb反饋到滯后濾波器512、514的節點520、522。
圖12圖12表示了用來導出方程式1的左右AMG磁鐵特性曲線圖。
通常，在試驗裝置上，對圖7和圖8兩個不同的磁鐵配置做試驗，在此試驗中，使磁鐵與電梯導軌(作用面)以靜態的關系保持固定的距離。裝備了一個夾具，當電磁鐵以直流電激勵時，用精確的測力計來測量所產生的力，并用霍耳效應傳感器來測量磁場。間隙在2至10毫米以2毫米為增量，電流在0至20安培以2安培為增量，進行實驗。分析數據，并用曲線擬合法導出力對電流和間隙的經驗模型。利用導出的方程式1的模型，獲得一組試驗數據，圖12提供了這樣一組試驗數據的曲線。
F＝Kmag*(Ic/Gmag)2其中，F代表以牛頓為單位的力信號，Kmag代表給定的磁鐵配置下的比例常數，(對較小的前-后軸AMG磁鐵為100，對較大的左右軸AMG磁鐵為425)，Ic代表以安培為單位的所需的力補償電流指令信號，Gmag(在上面也表示為Gmeas)代表以毫米為單位的磁極面與作用面間的實際磁隙。
對于2至10毫米的間隙范圍和0至20安培的電磁鐵電流范圍，在電磁鐵的額定力限度內，方程式1模擬的力對測力器測得的力偏離小于10％。圖12的曲線是工作在6毫米空氣間隙下的1300牛頓左右AMG磁鐵的特性。圖12中的星號”*”表明在該點測量了電流。這兩種情況均(both of these cases)超出系統的正常工作范圍。依據電流和間隙計算時的估計誤差與使用霍耳效應傳感器來導出力估計的情況下的誤差可相比擬。這些力誤差在主動電梯懸浮系統中是不重要的，因為在典型情況下，這種系統有外反饋環(基于間隙傳感和/或加速度信號)緊圍著這內力環。
由此可見，已經有效地達到上述目的以及前面的描述所指明的那些目的，由于可以在不超出本發明范圍的情況下，在上述的結構上作某些改動，故申明，在上面的描述所包含的和在附圖所表示的所有內容將被解釋為說明而沒有限制的含義。
要知道，分別示于圖2和圖11的位置和反饋控制器130、300可取已指出的形式以外的其它形式，例如，根據示于序列號為08/292,660的美國專利中的“智能道軌”(“learned-rail”)方法的形式，以及美國專利第5,294,757號；5,304,751號和5,308,938號所公開的形式。
其它應用包括使用電磁鐵在大的空氣間隙上產生力的任何系統。電磁鐵力可以是吸力或是斥力。預想，本發明在磁懸浮列車或梭子和磁軸承等領域有特定的應用。
顯然，下面的權利書意在復蓋本文描述的本發明的所有一般和特殊的特征，并且，作為一種說法，關于本發明范圍的所有陳述可以說體現在權利要求書之中。
權利要求
1.一種控制電梯車廂相對于機井中的導軌作水平運動的電梯系統，其特征在于包括力估計或位置預定電流指令控制器，它對力指令信號和感知的間隙信號作出響應，從而提供力估計或位置預定電流指令控制器信號；和磁驅動器電路，它對力估計或位置預定電流指令控制器信號作出響應，從而提供磁驅動器電路信號，用來控制電梯車廂相對于機井中導軌的水平運動。由此，不用感知磁通就可實現對電梯車廂水平運動的控制。
2.根據權利要求1的電梯系統，其特征在于，所述力估計或位置預定電流指令控制器包括力估計處理器，它對感知的間隙信號和感知的磁驅動器電流信號作出響應，提供力估計處理器信號；力比較器，它對力估計處理器信號和力指令信號作出響應，提供力比較器信號；和力反饋補償處理器，它對力比較器信號作出響應，提供力反饋補償處理器信號，作為對磁驅動器電路的電流指令。
3.根據權利要求2的電梯系統，其特征在于，所述力估計處理器用硬件方式實施，并且包括第一運算放大器，它對感知的間隙信號作出響應，提供運算放大后的間隙信號；乘法器電路，它對運算放大后的間隙信號和感知的磁驅動器電流信號作出響應，提供乘法器電路信號；和第二運算放大器，它對乘法器電路信號作出響應，為力比較器提供第二運算放大乘積信號。
4.根據權利要求1的電梯系統，其特征在于，所述力估計或位置預定電流指令控制器是位置預定電流指令控制器，它對力指令信號和感知的間隙信號作出響應，提供位置預定電流指令控制器信號作為對磁驅動器電路的電流指令。
5.根據權利要求1的電梯系統，其特征在于，所述磁驅動器電路進一步包括電流誤差比較器，它對代表電流指令的力估計或位置預定電流控制信號作出響應，還對感知的磁驅動器電流信號作出響應，從而提供電流誤差信號；電流反饋補償處理器，它對電流誤差信號作出響應，從而提供電流反饋補償處理器信號；驅動器電路，它對電流反饋補償處理器信號作出響應，從而為磁鐵提供驅動器電路信號，該磁鐵提供用來控制電梯車廂與機井中的導軌間的相對水平運動的磁力；和電流傳感器，它對驅動器電路信號作出響應，從而為電流誤差比較器提供感知的磁驅動器電流信號。
6.根據權利要求1的電梯系統，其特征在于，所述力指令信號表示電梯車廂相對于機井中導軌的受控的水平相對運動。
7.根據權利要求1的電梯系統，其特征在于，所述感知的間隙信號表示電梯車廂相對于機井導軌的實際間隙。
8.根據權利要求1的電梯系統，其特征在于，所述力估計或位置預定電流指令控制器信號表示力估計或位置預定電流指令，此電流指令用來控制電梯車廂相對于機井中的導軌的所述相對水平運動。
9.根據權利要求1的電梯系統，其特征在于，磁驅動器電路信號表示驅動磁鐵的電流，此電流產生用來控制電梯車廂相對于機井中導軌的相對水平運動的磁力。
10.根據權利要求1的電梯系統，其特征在于，所述力估計或位置預定電流指令控制器包括力估計處理器，它對感知的間隙信號作出響應，還對力估計或位置預定電流指令控制器信號作出響應，從而提供力估計處理器信號；力比較器，它對力估計處理器信號作出響應，還對電流指令信號作出響應，從而提供力比較器信號；以及力反饋補償處理器，它對力比較器信號作出響應，從而提供力反饋補償處理器信號作為對磁驅動器電路的電流指令。
11.一種控制第一物體相對于第二物體運動的系統，其特征在于包括力估計或位置預定電流指令控制器，它對力指令信號作出反應，還對感知的間隙信號作出反應，從而提供力估計或位置預定電流指令控制器信號；和磁驅動器電路，它對力估計或位置預定電流指令控制器信號作出響應，從而提供磁驅動器電路信號，用來控制第一物體相對于第二物體的水平運動。由此，在沒有感知磁通量的情況下控制第一物體的水平運動。
12.根據權利要求11的系統，其特征在于，所述力估計或位置預定電流指令控制器包括力估計處理器，它對感知的間隙信號作出響應，還對感知的磁驅動器電路信號作出響應，提供力估計處理器信號；力比較器，它對力估計處理器信號作出響應，還對力指令信號作出響應，提供力比較器信號；以及力反饋補償處理器，它對力比較器信號作出響應，提供力反饋補償處理器信號作為對磁驅動器電路的電流指令。
13.一個根據權利要求11的系統，其特征在于，所述力估計或位置預定電流指令控制器是位置預定電流指令控制器，它對力指令信號作出響應，還對感知的間隙信號作出響應，從而提供位置預定電流指令控制器信號，作為對磁驅動器電路的電流指令。
全文摘要
控制電梯車廂相對于機井中導軌的運動的電梯系統包括力估計或位置預定電流指令控制器和磁驅動器電路，而不需要磁通傳感器。力估計或位置預定電流指令控制器對力指令信號和感知的間隙信號作出響應而提供力估計或位置預定電流指令控制器信號，作為對磁驅動器電路的電流指令。磁驅動器電路對力估計或位置預定電流指令控制器信號作出響應而提供磁驅動器電路信號，用來在不讀出磁通的情況下控制電梯車廂相對于機井中導軌的水平運動。
文檔編號B60L13/08GK1165776SQ97103399
公開日1997年11月26日 申請日期1997年3月27日 優先權日1996年3月29日
發明者T·W·倫馬斯, R·K·羅伯特斯, R·雷詹馬尼, R·S·科爾比 申請人:奧蒂斯電梯公司