专利名称：升降机制动器的电枢运动检测装置和电枢位置估测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于对升降机的主动轮的旋转进行控制的电磁制动器装置。
背景技术：
在已知的用于升降机的电磁制动器中，利用位置、速度或加速度传感器(根据现有所谓的机械传感器)或者利用机械开关来检测运动电枢的位置。
在Michael Page的美国专利(专利号5241218，专利日期1993年8月31日)中公开的另一种方法，涉及用于检测螺线管电枢(例如，电磁阀)的运动的电路，通过检测螺线管电枢(例如，电磁阀)的运动，可以从远程位置监测电枢的正确操作或误操作，由此可以监测所述电磁阀。
根据上述公开的专利，利用流过螺线管线圈的电流的瞬时减小(或其它情况)来监测螺线管的正确操作(或误操作)。
此外，Masami Nomura的美国专利(专利号4974703，专利日期1990年12月4日，和专利号4984659，专利日期1991年1月15日)涉及升降机控制装置，该升降机控制装置按如下方式增强升降机在起动和停止操作期间的乘坐平稳质量●升降机轿厢仅在制动器已被拉起之后起动，以避免升降机马达生成扭矩而制动器的制动力仍旧在起作用的不希望情况；●在制动器已被释放之后，把升降机马达扭矩设成零，以避免升降机马达生成扭矩而制动器的制动力仍被施加的不希望情况。
通过监测制动器线圈电流来检测电磁制动器的操作。
针对基于电流的瞬时变化来检测电枢运动而提出的方法可以应用于升降机制动器系统，但是具有下列局限性●电流变化(电枢拉起期间的电流减小和电枢释放期间的电流增大)可能是由于电源的电压波动而非仅是由于电枢运动造成的，这可能导致错误操作；●电流增大可能是由于为减小碰撞噪声而在制动器应用上应用的制动器控制装置造成的；●电流变化(减小或增大)取决于螺线管的构造变化，并且受电枢行程和螺线管的电感的影响，由此，这种方法的精度限制了其应用领域。
对于当前使用的升降机制动器系统的情况来说，电枢行程通常小于1mm，并且因受限制的空间(紧凑设计)而使电磁致动器高度饱和(出现磁饱和)。
发明内容
提出本发明以解决上述问题，并且本发明的一个目的是，提供用于升降机制动器的电枢运动检测装置和用于升降机制动器的电枢位置估测装置，它们可以改进对电枢位置进行检测的精度。
根据本发明的用于升降机制动器的电枢运动检测装置是用于检测升降机制动器的电枢的运动的装置，所述升降机制动器包括制动器转子；制动器闸瓦，其用于以摩擦方式对所述制动器转子的旋转进行制动；弹簧，其用于迫使所述制动器闸瓦压靠所述制动器转子；以及制动器释放部，其用于释放所述制动器闸瓦以使其离开所述制动器转子，所述制动器释放部设置有电磁体和电枢，所述电磁体包括制动器线圈，所述电枢在所述电磁体被赋能时，抵抗所述弹簧的弹力而被吸引至所述电磁体，所述电枢运动检测装置包括电流检测器，其用于检测流过所述制动器线圈的电流；电压检测器，其用于检测施加至所述制动器线圈的电压；电压变化检测器，其用于检测在对所述电磁体进行赋能的恒压源中产生的异常电压降；以及运动检测器，其用于通过比较从所述电流检测器和所述电压检测器获得的信息与设置的阈值电平，并且通过判断所述电压变化检测器是否已检测到异常电压降，来检测所述电枢相对于所述电磁体的运动。
根据本发明的用于升降机制动器的电枢位置估测装置是用于估测升降机制动器的电枢的位置的装置，所述升降机制动器包括制动器转子；制动器闸瓦，其用于以摩擦方式对所述制动器转子的旋转进行制动；弹簧，其用于迫使所述制动器闸瓦压靠所述制动器转子；以及制动器释放部，其用于释放所述制动器闸瓦以使其离开所述制动器转子，所述制动器释放部设置有电磁体和电枢，所述电磁体包括制动器线圈，所述电枢在所述电磁体被赋能时，抵抗所述弹簧的弹力而被吸引至所述电磁体，所述电枢位置估测装置包括电流检测器，其用于检测流过所述制动器线圈的电流；电压检测器，其用于检测施加至所述制动器线圈的电压；电枢位置估测部，其用于基于从所述电流检测器和所述电压检测器获得的信息，来估测所述电枢的位置和与所述电枢的位置有关的参数中的至少一个；以及位置指示器部，其用于基于来自所述电枢位置估测部的输出，并基于所述电枢的位置的预设范围和预设参数中的至少一个、以及从所述电流检测器获得的信息，来判断所述电枢的位置是否正常。
图1是示出根据本发明的升降机的包括电枢运动检测装置的制动器系统的整体构造的示意图。
图2是示出在电磁体通电和断电时施加电压与时间、电枢位移与时间以及线圈电流与时间之间的典型关系的图。
图3是示出在电磁体通电和断电时施加电压与时间、电枢位移与时间以及感生电动势(E.M.F.)与时间之间的典型关系的图。
图4是示出根据本发明的基于电动势(E.M.F.)估测和监测的电枢运动检测装置的一个示例的构造图。
图5是根据本发明的基于电动势(E.M.F.)估测和监测的电枢运动检测装置的操作的示范图。
图6是根据本发明的在制动器释放时基于电动势(E.M.F.)估测和监测的电枢运动检测装置的操作的示范图。
图7是根据本发明的在具有或没有电枢控制的情况下进行制动器应用时基于电动势(E.M.F.)估测和监测的电枢运动检测装置的操作的示范图。
图8是示出在电磁体通电和断电时施加电压与时间、电枢位移与时间以及瞬时电磁功率(P)与时间之间的典型关系的图。
图9是示出根据本发明的基于瞬时电磁功率(P)估测和监测的电枢运动检测装置的一个示例的结构图。
图10是示出根据本发明的基于瞬时电磁功率(P)估测和监测的电枢运动检测装置的操作的示范图。
图11是示出根据本发明的在制动器释放时基于瞬时电磁功率(P)估测和监测的电枢运动检测装置的操作的示范图。
图12是根据本发明的在没有电枢控制的情况下进行制动器应用时基于瞬时电磁功率(P)估测和监测的电枢运动检测装置的操作的示范图。
图13是示出根据本发明的在具有电枢控制的情况下进行制动器应用时基于瞬时电磁功率(P)估测和监测的电枢运动检测装置的操作的示范图(图12中示出的示范图的扩展)。
图14是在电枢拉起和电枢保持期间施加的电枢电流控制的示范图。
图15是示出根据本发明的在电磁体通电(处于电流控制下)和断电时，电枢(线圈)电流与时间、电枢位移与时间以及施加电压与时间之间的典型关系的图。
图16是示出在电磁体通电(处于电流控制下)和断电时，施加电压与时间、电枢位移与时间、施加电压导数与时间以及感生电动势与时间之间的典型关系的图。
图17是根据本发明的在电磁体通电(处于电流控制下)时电枢运动检测装置的操作的示范图。
图18是根据本发明的在具有电枢电流控制的情况下进行制动器释放应用时基于施加电压或控制信号监测的电枢运动检测装置的操作的示范图。
图19是示出根据本发明的升降机的包括电枢位置估测装置的制动器系统的整体构造的示意图，该电枢位置估测装置由电枢位置估测部以及正常和异常位置指示器部组成。
图20是示出在电磁体通电(在电枢拉起和电枢保持期间)和断电(在电枢释放期间)时，施加电压与时间、电枢位移与时间以及线圈电流与时间之间的典型关系的图。
图21是示出电感随气隙的典型变化的图。
图22是基于信号注入的参数估测原理的示范图。
图23是在滞后控制回路下的电流控制的示范图。
图24是切换频率估测的原理的示范图。
图25是示出施加电压与时间以及线圈电流与时间之间的典型关系的图。该电流在电枢拉起期间不受控制并且提供了电阻估测部。该电流在电枢保持期间和在电枢释放之后处于滞后控制下，并且提供了感应率估测部。
图26是电枢位置估测装置的电枢位置估测部的示范图，并且示出了根据梯度法的电枢位置估测。
图27是示出根据本发明的根据基于基准模型的切换频率估测法的电枢位置估测的框图。
图28是示出根据本发明的趋势估测器的操作原理的图。
图29是示出递归实现趋势估测部的示范图。
图30是根据本发明的正常和异常位置指示器部的采用伪编程语言的示范算法。
图31是示出针对不同电枢位置的估测感应率的示范图。
具体实施例方式
第一实施例图1示出了升降机的整个制动器系统的构造。升降机的轿厢1与对重部4一起通过卷绕在主动轮2上的主绳3按吊桶方式悬挂着。
由卷扬马达5驱动的制动器转子(如制动鼓或制动盘)6通常安装在把卷扬马达5和主动轮2相互连接到一起的轴上。制动器闸瓦8在弹簧7的弹力的作用下被迫使成与制动器转子6接合，由此提供因摩擦造成的制动力。当利用由恒压源11提供的驱动电路9对由电磁体组成的制动器线圈10赋能时，接合至制动器闸瓦8的电枢12克服弹簧7的弹力而被吸引至制动器线圈10。制动器释放部包括电磁体，该电磁体包括制动器线圈10和电枢12。
电流检测器13和电压检测器14检测电流和在制动器线圈10(电磁体)上施加的电压。电压变化检测器15检测恒压源11的异常电压降。当电压电平低于或高于明确限定的阈值时，在此由VD表示的监测信号(逻辑信号)被设成零(VD＝0)。对于正常操作的情况来说，监测信号的值被设成1(VD＝1)。
在运动检测器和运动指示器单元16中根据在阈值电平设置部17中指定的阈值电平来执行电枢运动检测。针对制动器释放时段用TH1和TH2来表示在阈值电平设置部17中指定的阈值电平设置，而针对制动器应用时段用TH3和TH4来表示在阈值电平设置部17中指定的阈值电平设置。
图2示出了在电磁体通电和断电时，施加电压(u)与时间(t)(图2中的(a))、电枢位移(x)与时间(t)(图2中的(b))以及线圈电流(i)与时间(t)(图2中的(c))的典型关系。
当电流最初接通时(图2中的(a)图上的时间点T1，和图2中的(c)图上的时间点A)，电流渐变增大，直到线圈生成的磁场的强度变得足以拉起电枢为止。在该时间点处，由于电枢运动，造成流过线圈的电流(i)瞬时下降(图2中的(c)图上的点B)。最终，电流达到其在电枢保持期间的稳态值(图2中的(a)图上的时间点T2，图2中的(c)图上点C)。
当电流最初切断时(图2中的(a)图上的时间点T3，和图2中的(c)图上的点D)，电流渐变减小，直到线圈的磁场生成的力变得小于弹簧的力为止，从而释放电枢。在该时间点处，由于电枢运动，造成流过线圈的电流(i)瞬时增大(图2中的(c)图上的点E)，最终达到其在电枢释放期间的稳态值(图2中的(a)图上的时间点T4，图2中的(c)图上的点F)。
基于感生电动势(E.M.F.)估测和监测的电枢运动检测下面，对根据本发明第一实施例的基于电动势估测和监测的电枢运动检测方法的一个示例进行说明。
图3是根据本发明第一实施例的电枢运动检测装置的基本操作的示范图。图3中的(a)示出了施加给制动器线圈10的电压，图3中的(b)示出了电枢12的位移，而图3中的(c)示出了感生电动势。在图3中，当释放制动器时，在时间点T1向制动器线圈10施加了吸合电压，以使设置有制动器线圈10的电磁体吸合电枢12。在第一阶段，感生电动势(图3中的(c))是因传感器偏差造成的恒定值(理论上为零)，而在电磁吸力克服由弹簧7生成的力时，电枢12开始运动，并且感生电动势增大。在运动电枢12碰到固定电枢之后，感生电动势开始减小。电枢运动在时间点T2结束。
当应用制动器时，施加在制动器线圈10上的电压在时间点T3从吸合电压变成零，结果，制动器电流开始减小，并且在电磁吸力变得小于弹力时，电枢12开始下降或朝制动器转子6运动，而感生电动势如图3中的(c)中所示地减小。在时间点T4，电枢12结束其下降操作，如图3中的(b)中所示。
图4是示出根据本发明的基于电动势(E.M.F.)估测和监测的电枢运动检测装置的一个示例的构造图。
通过利用电压检测器14和电流检测器13测量施加电压(u)和电流(i)，来在EMF估测部18中估测感生电动势。由运动检测算法A部19根据阈值电平设置部17并考虑由电压变化检测器15提供的信号VD，来检测电枢运动。
运动指示器20以可视方式(例如，如果电枢12运动或不运动则接通或关闭LED)和/或以电子方式(向监视单元发送数字信号)用信号表示电枢运动。
下面，对根据本发明第一实施例的(图5中示出的)电动势(E.M.F.)估测进行说明。
电磁致动器的电压公式可以写成u＝Ri+dΨ/dt(1)其中，(u)是施加电压，(i)是电流，R是线圈电阻，而Ψ是总磁通量。总磁通量Ψ＝Ψ(i，x)取决于电流(i)和电枢位移(x)。
因此，根据上述公式，可以获得u＝Ri+dΨ/dt＝Ri+Ψ/idi/dt+Ψ/xdx/dt(2)上述公式可以近似为u≈Ri+L(i)di/dt+e (3)其中e是感生电动势e＝Ψ/x dx/dt (4)而L(i)di/dt≈Ψ/idi/dt(5)如果不存在磁饱和，则L(i)＝L＝常数。
根据公式(3)，计算出感生电动势为e≈u-Ri-L(i)di/dt (6)假定由电流检测器13检测到的电流信号(i)的拉普拉斯变换由I(s)表示，滤波部21以时间常数τ1执行滤波。滤波部21根据下面的公式计算由if表示的滤波电流信号(其拉普拉斯变换由If(s)表示)If(s)＝{1/(τ1s+1)}I(s) (7)根据下面的公式获得由ef表示的滤波且放大的电动势信号(其拉普拉斯变换由Ef(s)表示)Ef(s)＝K1{U(s)-RIf(s)-L{s/(τ2s+1)}If(s)} (8)其中U(s)是由电压检测器14检测到的施加电压(u)的拉普拉斯变换。
通过微分部22、滤波部23(具有时间常数τ2)、制动器线圈电阻值24、由电感调节部26指定的线圈电感值25以及放大部27(具有增益K1)，来计算上述公式(8)。
下面，将描述电感调节部26的操作。预先获得电感L＝L(i)，并且把制动器线圈电流(i)与电感L之间的关系制成表。运动检测器和运动指示器单元16基于电流检测器13的滤波信号从这个表中调用或选取电感L，并且在电动势估测部18中改变电感L。
接着，当电压变化检测器15检测到异常电压变化时，在运动检测算法A部19中，使用滤波后的电动势信号ef(s)28，以根据在阈值电平设置部17中指定的阈值电平，进行电枢运动检测。
作为电动势变化的结果，电枢运动检测算法在电枢拉起的情况下如图6中所示(由算法A.1表示)，而在具有或没有电枢控制时电枢释放的情况下如图7所示(由算法A.2表示)。
下面，对这个实施例的操作进行描述。
在图6中(由算法A.1表示)，对由ef表示的滤波后的电动势信号28与在阈值电平设置部17中指定的由TH1表示的阈值电平进行比较。如果信号28ef总是小于阈值电平TH1，则意味着电动势没有增大，且隐含地表示电枢没有运动。由此，把在拉起期间检测电枢运动的由SET1表示的逻辑信号设成零。
SET1＝0 (9)如果由ef表示的信号28变得大于阈值电平TH1，并且在一小段时间后变得小于在阈值电平设置部17中指定的阈值电平TH2，则意味着估测的电动势增大了。下一步骤是测试该电动势增大是否是由于恒压源11的异常电压变化造成的。根据电压变化检测器15的操作，如果VD＝0，则意味着发生了异常电压变化，从而将信号SET1设成0。
SET1＝0 (10)如果VD＝1，则意味着电动势变化是由于电枢运动而非由于异常电压变化造成的。由此，将逻辑信号SET1设成1。
SET1＝1 (11)此外，如果由ef表示的信号28变得大于阈值电平TH1，并且没有减小到阈值电平TH2之下，则意味着估测电动势增大是由于电压增大而非由于电枢运动造成的。由此，将逻辑信号SET1设成0。
SET1＝0 (12)因此，通过逻辑信号SET1检测制动器释放时的电枢运动。如果SET1＝1，则电枢已经运动，而如果SET1＝0，则电枢尚未运动。
在图7中示出了在具有或没有控制的情况下在电枢释放期间的电枢运动检测。下面，对这个实施例的操作进行描述。在图7(由算法A.2表示)中，对估测的电动势ef与在阈值电平设置部17中指定的由TH3表示的阈值电平进行比较。如果由ef表示的信号28总是大于阈值电平TH3，则意味着尚未感生出电动势，且隐含地表示电枢没有运动。由此，把表示释放期间的电枢运动的逻辑信号SET2设成零。
SET2＝0 (13)如果由ef表示的信号28变得小于阈值电平TH3，并且在一小段时间后变得大于在阈值电平设置部17中指定的由TH4表示的阈值电平，则意味着估测的电动势已经减小。下一步骤是测试该电动势减小是否是由于恒压源11的异常电压变化造成的。根据电压变化检测器15的操作，如果VD＝0，则意味着发生了异常电压变化，从而将信号SET2设成0。
SET2＝0 (14)如果VD＝1，则意味着电动势变化是由于电枢运动而非由于异常电压变化造成的。由此，将逻辑信号SET2设成1。
SET2＝1 (15)如果由ef表示的信号28变得小于阈值电平TH3，并且没有增大得超过阈值电平TH4，则意味着估测的电动势的变化是由于电压下降而非由于电枢运动造成的。由此，将逻辑信号SET2设成0。
SET2＝0 (16)因此，通过逻辑信号SET2检测制动器应用时的电枢运动。如果SET2＝1，则电枢已经运动，而如果SET2＝0，则电枢尚未运动。
如前所述，在制动器应用期间，制动器闸瓦碰到制动鼓并产生不希望的噪声，该噪声可以利用制动器控制装置来降低。
在这种情况下，还可以考虑利用电压检测部14测量施加在制动器线圈10上的电压，来应用呈现的算法(在图7中示出)。
第二实施例基于瞬时电磁功率估测和监测的电枢运动检测下面，对根据本发明第二实施例的基于瞬时电磁功率估测和监测的电枢运动检测装置的一个示例进行说明。
图8是根据本发明第二实施例的电枢运动检测装置的基本操作的示范图。图8中的(a)示出了施加给制动器线圈10的电压，图8中的(b)示出了电枢12的位移，而图8中的(c)示出了电磁体的瞬时电磁功率变化。在图8中，当释放制动器时，在时间点T1向制动器线圈10施加吸合电压，以使设置有制动器线圈10的电磁体吸合电枢12。在第一阶段，储存到电磁场中的瞬时功率(图8中的(c))增大，而在电磁吸力克服弹簧7时，电枢开始运动，并且瞬时功率下降且在一小段时间后再次增大。电枢运动在时间点T2结束。
当应用制动器时，施加在制动器线圈10上的电压在时间点T3处从吸合电压变成零，结果，制动器电流开始减小，并且隐含地瞬时功率(图8中的(c))下降。当电磁吸力变得小于弹力时，电枢12开始下降或朝制动鼓运动，从而瞬时功率如图8中的(c)所示地增大。在时间点T4，电枢12结束其下降操作，如图8中的(b)所示。
图9是示出电枢运动检测装置的结构图。本发明的发明人注意到电枢开始运动时储存到电磁场中的瞬时功率变化的事实。
当电枢拉起时，储存到磁场中的部分能量被转换成动能，由此减小储存到电磁场中的瞬时功率。
当释放电枢时，运动电枢的部分动能被转换成磁能，由此增大储存到电磁场中的瞬时功率。
当电流检测器13检测到电流时，通过瞬时电磁功率估测部29检测到由驱动电路9提供的储存到制动器线圈10(电磁体)的电磁场中的瞬时功率。通过运动检测算法(指定到运动检测算法B部30中)比较瞬时电磁功率估测部29的输出信号与阈值电平(指定到阈值电平设置部17中)，来检测电枢运动。
运动指示器部20以可视方式(例如，如果电枢运动或没有运动则接通或关闭LED)和/或以电子方式(向监视单元发送数字信号)，用信号表示电枢运动。
下面，对根据本发明第二实施例的瞬时电磁功率估测部29(在图10中示出)进行说明。
假定流过线圈10的电流由(i)表示，而储存到制动器线圈10的电磁场中的瞬时功率由P表示，则储存到电磁场中的瞬时功率P与电流(i)之间的关系由下面的公式表示P＝L(i)*i*(di/dt) (17)储存到电磁场中的瞬时功率，与电流和电流的一阶导数的乘积成比例。
下面，对根据本发明第二实施例的瞬时功率检测装置进行说明。假定由电流检测器13检测到的电流信号(i)的拉普拉斯变换由I(s)表示，滤波部31以时间常数τ1执行滤波。滤波部31根据下面的公式计算由if表示的滤波后的电流信号(其拉普拉斯变换由If(s)表示)If(s)＝{1/(τ1s+1)}I(s)(18)根据下面的公式获得由Pf表示的滤波且放大的瞬时功率信号(其拉普拉斯变换由Pf(s)表示)Pf(s)＝K2*L*{If(s)}{s/(τ2s+1)}If(s)＝{L/(τ1s+1)＾2}{s/(τ2s+1)}I＾2(s)(19)通过微分部32、滤波部33(具有时间常数τ2)、由电感调节部35指定的线圈电感值34以及放大部36(具有增益K2)，来计算上述公式(19)。
电感调节部35的操作与电感调节部26的操作相似。预先获得电感L＝L(i)，并且把制动器线圈电流(i)与电感L之间的关系制成表。运动检测器和运动指示器单元16基于电流检测器13的滤波信号从这个表中调用或选取电感L，并且在瞬时电磁功率估测部29中改变电感L。由37标示滤波且放大的瞬时功率信号。
作为储存到电磁场中的瞬时功率变化的结果，电枢运动检测算法在电枢拉起的情况下如图11中所示(由算法B.1表示)，而在电枢释放的情况下如图12所示(由算法B.2表示)。而且，当在控制下执行制动器应用(电枢释放)时，图12中示出的电枢运动检测算法被用图13中示出的算法(由算法B.3表示)进行了扩展。
下面，对这个实施例的操作进行描述。在图11(由算法B.1表示)中，对由Pf表示的滤波后的瞬时功率信号37与在阈值电平设置部17中指定的由TH1表示的阈值电平进行比较。如果信号37Pf总是大于阈值电平TH1，则意味着瞬时功率没有减小，且隐含地表示电枢没有运动。由此，把检测拉起期间的电枢运动的由SET1表示的逻辑信号设成零。
SET1＝0 (20)如果由Pf表示的信号37变得小于阈值电平TH1，并且在一小段时间后变得大于在阈值电平设置部17中指定的阈值电平TH2，则意味着瞬时功率减小是由于电枢运动造成的，并且在电枢停止之后又开始增大。显然，瞬时功率变化可以由恒压源11的异常电压变化引起。因此，下一步骤是测试信号VD，该信号VD检测异常电压变化。根据电压变化检测器15的操作，如果VD＝0，则意味着发生了异常电压变化，从而将信号SET1设成0。
如果VD＝1，则电枢发生运动，从而将逻辑信号SET1设成1。
SET1＝1 (21)如果由Pf表示的信号37变得小于阈值电平TH1，并且没有增大得超过阈值电平TH2，则意味着瞬时功率减小是由于电压下降而非由于电枢运动造成的。由此，将逻辑信号SET1设成0。
SET1＝0 (22)因此，通过逻辑信号SET1检测制动器释放时的电枢运动。如果SET1＝1，则电枢已经运动，而如果SET1＝0，则电枢尚未运动。
在图12中示出了电枢释放期间的电枢运动检测。
下面，对这个实施例的操作进行描述。在图12(由算法B.2表示)中，对估测的瞬时功率信号Pf与在阈值电平设置部17中指定的由TH3表示的阈值电平进行比较。如果由Pf表示的信号37总是小于阈值电平TH3，则意味着储存到电磁场中的瞬时功率在减小(转化成热)，且隐含地表示电枢没有运动。由此，把表示释放期间的电枢运动的逻辑信号SET2设成零。
SET2＝0(23)如果由Pf表示的信号37变得大于阈值电平TH3，并且在一小段时间后变得小于在阈值电平设置部17中指定的由TH4表示的阈值电平，则意味着储存到电磁场中的瞬时功率的增大是由于电枢运动造成的，并且在电枢停止之后开始减小。如果恒压源11不发生异常电压变化，则是这种情况。因此，在下一阶段，测试检测异常电压变化的信号VD。根据电压变化检测器15的操作，如果VD＝0，则意味着发生了异常电压变化，从而将信号SET2设成0。
如果VD＝1，则意味着瞬时功率变化是由于电枢运动造成的，由此，将逻辑信号SET2设成1。
SET2＝1(24)如果由Pf表示的信号37变得大于阈值电平TH3，并且没有减小到阈值电平TH4之下，则意味着瞬时功率的增大是由于电压增大而非由于电枢运动造成的。由此，将逻辑信号SET2设成0。
SET2＝0(25)因此，通过逻辑信号SET2检测了制动器应用时的电枢运动。如果SET2＝1，则电枢已经运动，而如果SET2＝0，则电枢尚未运动。
然而，在制动器应用期间，制动器闸瓦碰到制动鼓，并且产生不希望的噪声，该噪声可以利用制动器控制装置来降低。
因此，如果将制动器控制装置用于降噪，则把根据本发明的制动器应用时的电枢运动检测算法(在图12中示出)扩展为图13中示出的算法。这种需求是为了即使在不恰当的电枢控制(控制系统失效或不正确地工作)下也确保正确的电枢运动检测。
在图13(由算法B.3表示)中，在电枢控制时段结束之后，检测由Pf表示的信号37，并且存储由图12中示出的算法返回的逻辑信号SET2的值。
如果由Pf表示的信号37是负的，则意味着储存到电磁场中的瞬时功率在减小。如果由图12中示出的算法检测到的逻辑信号SET2等于1，则意味着电枢已经运动。
SET2＝1 (26)另外，如果由图12中示出的算法检测到的逻辑信号SET2等于0，则意味着电枢尚未运动，并且瞬时功率的减小仅是由于电压下降造成的。
由此，SET2＝0 (27)如果由Pf表示的信号37是正的，则意味着储存到电磁场中的瞬时功率在增大，而如果信号37为零，则意味着尚未释放电枢。由此，SET2＝0 (28)因此，利用逻辑信号SET2来检测制动器应用时的电枢运动。如果SET2＝1，则电枢已经运动，而如果SET2＝0，则电枢尚未运动。
第三实施例基于施加电压或控制信号监测的电枢运动检测存在希望在电枢拉起和保持期间控制电枢电流的情况。通常根据图14中呈现的控制方案执行电枢电流控制，其中，控制器K(s)通常具有下面的传递函数K(s)＝Kp+Ki/s (29)其中，Kp是比例增益，而Ki是积分增益。
Uc(s)表示的控制信号由下面的公式给出Uc(s)＝(Kp+Ki/s}Err(s) (30)其中，误差信号是电流基准i*与测量电流i之间的差Err(s)＝I*(s)-I(s) (31)功率变换器可以被视为在工作频率范围内的理想功率变换器，因此，施加电压u与控制信号uc成比例。由此，对于电枢运动检测来说，可以使用全部两个信号。
下面，对根据本发明第三实施例的基于施加电压或控制信号监测的在电枢拉起期间(电枢电流受控制)的电枢运动检测装置的一个示例进行说明。
在电枢释放期间，不加改变地应用前述方法(基于电动势或瞬时功率估测和监测)。
图15是根据本发明第三实施例的电枢运动检测装置的基本操作的示范图。图15中的(a)示出了电流受控制的制动器线圈10，图15中的(b)示出了电枢12的位移，而图15中的(c)示出了施加给受控制的制动器线圈10的电压，其中，当电枢运动时用实曲线1表示该电压，而当电枢不运动时，用虚曲线2表示该电压。
控制系统检测并补偿因电枢运动生成的感生电动势而造成的电流降。图16中的(a)示出了施加给制动器线圈10的电压，其具有由电枢运动生成的因控制动作而造成的波峰。
用于检测电枢运动的最简单的方式是监测图16中的(c)中示出的施加电压u的导数或控制信号uc的导数。
下面，说明根据本发明第三实施例的基于施加电压或控制信号监测的电枢运动检测装置，如图17中所示。
假定由电压检测器38对施加电压进行检测，或者直接使用根据公式(30)计算的控制信号uc，滤波部39以时间常数τ1执行滤波。求导部40对滤波信号求导，求导后的信号由放大部41(具有增益K1)放大。
通过运动检测算法(被指定到运动检测算法C部43中)对由42标示的滤波且放大的信号与阈值电平(被指定到阈值电平设置部17中)进行比较，从而检测电枢运动。
运动指示器部20以可视方式和/或以电子方式来用信号表示电枢运动。下面，对这个实施例的操作进行描述。在图18(由算法C表示)中，对滤波且求导后的施加电压或控制信号与在阈值电平设置部17中指定的由TH1表示的阈值电平进行比较。如果信号42总是小于阈值电平TH1，则意味着电流控制器尚未增大施加电压或控制信号，由此，尚未检测到电流降，这隐含地表示电枢没有运动。因此，把检测拉起期间的电枢运动的由SET1表示的逻辑信号设成零。
SET1＝0 (32)如果信号42变得大于阈值电平TH1，并且在一小段时间后变得小于在阈值电平设置部17中指定的阈值电平TH2，则意味着电流控制器尚未因检测到的电流降而增大施加电压或控制信号。
显然，恒压源11的异常电压变化可以引起电流降。因此，下一步骤是测试信号VD，该信号VD检测异常电压变化。根据电压变化检测器15的操作，如果VD＝0，则意味着发生了异常电压变化，从而将逻辑信号SET1设成0。
如果VD＝1，则电枢发生了运动，从而将逻辑信号SET1设成1。
SET1＝1 (33)如果信号42变得大于阈值电平TH1，并且没有减小到阈值电平TH2之下，则意味着电压增大不是由于电枢运动造成的。由此，将逻辑信号SET1设成0。
SET1＝0 (34)因此，通过逻辑信号SET1来检测制动器释放时的电枢运动。如果SET1＝1则电枢已经运动，而如果SET1＝0，则电枢尚未运动。
容易注意到，虽然先前算法是简单的，但是它具有某些缺点。噪声可以影响施加电压或控制信号的导数，这可以导致受限的操作范围，或者在最坏的情况下，导致错误操作。
因此，还提出了另一种方法，其基于电动势估测和监测。
在电枢拉起期间，通过控制器补偿因电枢运动生成的感生电动势而造成的电流降。
因此，控制信号随电流降成比例地增大(可以忽略控制器的积分项，电枢运动远快于积分项时间常数)，其可以被视为与感生电动势(e.m.f.)成比例。
感生电动势近似如下(还参见公式(6))e≈u-Ri-L(i)di/dt (35)用于电枢运动检测的信号是电动势或与它成比例的任何量值。
如果电枢没有运动，则感生电动势近似为零。如果电枢发生运动，则由电流控制器检测电流降，并且通过增大控制信号(从而隐含地增大施加电压)对电流降进行补偿。在这种情况下，感生电动势具有如图16中的(d)所示的不等于零的值(在这种情况下为正值)。
按与在本发明第一实施例中所述方式相同的方式执行电枢运动检测算法。
第四实施例图19示出了根据本发明第四实施例的升降机的整个制动器系统的构造。
在电枢位置估测部51中执行电枢位置估测，并且由正常和异常位置指示器部52指示正常和异常电枢位置。其它构造与第一实施例相同。
图20示出了在电磁体通电和断电时，施加电压(u)与时间(t)(图20中的(a))、电枢位移(x)与时间(t)(图20中的(b))以及线圈电流(i)与时间(t)(图20中的(c))的典型关系。
当电流最初被接通时(图20中的(a)图上的时间点T1，和图20中的(c)图上的点A)，电流渐变增大，直到线圈生成的磁场的强度变得足以拉起电枢为止。在该时间点处，由于电枢运动，造成流过线圈的电流(i)瞬间减小(图20中的(c)图上的点B)。最终，电流达到其在电枢拉起期间的稳态值(图20中的(a)图上的时间点T2，图20中的(c)图上的点C)。在已经拉起电枢之后，施加电压在电枢保持期间(在时间点T2与时间点T3之间)被减小到更低的电平，以便减小欧姆损耗。
当电流最初被切断时(图20中的(a)图上的时间点T3，图20中的(c)图上的点D)，电流渐变减小，直到线圈的磁场生成的力变得小于弹簧力为止，从而释放电枢。在该时间点处，由于电枢运动，造成流过线圈的电流(i)瞬间增大(图20中的(c)图上的点E)，最终达到其在电枢释放期间的稳态值(图20中的(a)图上的时间点T4，图20中的(c)图上的点F)。
图21示出了在非饱和电磁致动器的情况下相对于气隙的电感变化。这意味着如果估测出线圈的电感或与其成比例的任何参数，则可以进行电枢位置估测。
图22示出了参数估测的基本思想，其中(u)是施加的输入信号(也被称为‘注入信号’)，而(i)是测量的输出信号。
为了估测系统的参数，输入信号必须是在引用文献(Ljung，Astrom)中描述的“持续激励”条件。对于在升降机制动器中使用的电磁致动器的情况来说，输入信号可以利用图23所示的滞后控制回路生成。
存在不同的递归(在线)参数估测技术，其可以针对电感估测并且隐含地针对电枢位置估测来应用。
公知的递归参数估测法中的一种是递归最小二乘法(RLS)，这在[Ljung，Astrom]中描述过。
这种思想是利用最小二乘法来最小化由(V(θ))(参见公式(36))表示的平方损耗函数。
V(θ)=12Σi(yi-yi^)2=12Σiei2---(36)]]>其中(θ)是参数矢量，(e)是测量的输出(y)与估测的输出 之间的差。
利用矩阵求逆引理引用文献{Kailath，Astrom}，按递归形式写成该参数估测算法。尽管这种方法可以提供良好的精度和快速的收敛性，但是，由于其数值复杂度而不适于许多实时的工业应用。
已知为梯度法引用文献{Astrom}的另一种方法在自适应控制中被广泛应用，并且更加适于实时的实现，尽管其精度小于RLS的精度。
这种基本思想是按最小化损耗函数(V(θ))的方式调节参数。
V(θ)=12(y-y^)2=12e2---(37)]]>为了使(V(θ))变小，合理的是，按(V(θ))的负梯度的方向改变参数，即dθdt=-γ∂V∂θ=-γe∂e∂θ---(38)]]>其中(γ)是正的常数。
所示算法可以写成不同的形式，并且已知为梯度或投影算法引用文献{Astrom}。此外，还存在其它另选例，如
dθdt=-γ∂e∂θsign(e)---(39)]]>和dθdt=-γsign(∂e∂θ)sign(e)---(40)]]>它们被称为sign符号算法(sign是公知的符号函数)。
用于估测电枢位置的另一种方法是估测处于滞后控制下的电流的切换频率。在引用文献{Noh，Mizuno}中描述了这种方法，并且表明电感与切换频率成反比。
在图24中例示了，利用后面跟随有整流器和低通滤波器(用于解调信号的振幅)的高通滤波器(用于去除电流中的低频分量)来实现电感估测，作为一系列信号操作。
这种方法具有下列主要缺点●精度受限；●当磁芯饱和时应用受限。
基于线圈参数估测的电枢位置估测——梯度法在本发明的第四实施例中，利用梯度法对基于线圈参数估测的应用于升降机制动器的电枢位置估测装置的一个示例进行说明。
由于应用于升降机中的电磁制动器的特性而造成●在拉起时间内，电磁致动器高度饱和；●在一小段时间后，拉起电流减小至保持电流电平。
因此，考虑下面的参数估测法。首先，在电枢拉起期间，估测线圈的电阻，接着，在电流处于滞后控制下时，在电枢保持期间和在电枢释放之后，使用估测的电阻值来估测线圈的电感或者其倒数。
按两个步骤进行该参数估测法首先，估测电阻，接着，估测可以应用于任何电磁致动器的电感。唯一的缺点是在参数估测中引入了小的延迟。
下面，利用梯度法对在参数估测期间考虑的模型结构进行说明。
在静止状态下，即，电枢没有运动，并且针对指定的电流值(这样，可以考虑磁饱和)，考虑下面的模型结构u＝R+Ldi/dt(41)其中，(u)是施加电压，(i)是电流，(R)是线圈电阻，而(L)是线圈电感。
在电流达到稳态之后的电枢拉起期间，根据下面的公式递归地估测线圈的电阻。
Rk＝Rk-1+γR(uk-Rk-1ik-1) (42)其中，下标(k)指(tk)和(γR)是正的常数时的值。
在电流已经减小至保持电平之后，电枢电流进入在图25中的(b)中呈现的滞后控制，而这个滞后控制回路提供所谓的“注入信号”，其被用于估测电感(L)或电感的倒数(G＝1/L)。
根据下面公式估测电感的倒数，其根据梯度法导出。
Gk=Gk-1+γG(uk-Rik)(dikdt-Gk-1(uk-Rik))---(43)]]>而且，可以证明上述公式在近似之后可以写成下面的形式Lk=Lk-1-γLLk-1(uk-Rik)(dikdt-uk-RikLk-1)---(44)]]>其中(R)是在拉起时段内的估测电阻，下标(k)指(tk)和(γG)以及(γL)是正的常数时的值。
根据电磁致动器、磁饱和电平以及信噪比的构造变型例，可以使用一个或其它估测法。
公式(8)和(9)可以提供精确的参数估测，该参数估测与电枢位置有关，由此构成电枢位置估测法的核心。
关系x＝f(L)、x＝f(G)或者一般情况下的估测参数(p)与电枢位置(x)之间的关系x＝f(p)，可能近似为线性函数，或者对于更高精度来说，可以在存储器中存储非线性函数(f)作为查寻表。
图26示出了基于梯度法的电枢位置估测。递归参数估测部55提供线圈的参数递归估测(按两个步骤)，其中，输入值为●(uk)是利用电压检测器部14测量的施加电压，或者是驱动电路部9给出的基准电压；
●(ik)是低通滤波器(LPF)部53提供的滤波电流，该低通滤波器(LPF)部53的输入由电流检测器部13提供；●(dik/dt)是求导器(DER)部54提供的电流导数，该求导器(DER)部的输入由电流检测器部13提供。
利用拉普拉斯变换表达，低通滤波器可以实现为HLPF(s)=k111+τ1s---(45)]]>其中，k1和τ1是正的常数。
求导器可以实现为HDER(s)=k2=s1+τ2s---(46)]]>其中，k2和τ2是正的常数。
递归参数估测部55的输出由低通滤波部56进行了低通滤波，该低通滤波部56提供用于趋势估测器部57的输入。
对于相对较大的气隙和非饱和或轻度饱和磁芯来说，可以将该算法用于针对任何电磁致动器的电枢位置估测。
而且，通过所谓的“趋势估测器”部57提高估测参数的精度。
对于指定的电枢位置来说，在电磁制动器的情况下，估测的电感或其倒数是时不变参数，但实际上，可以观察到在平均值附近的小的波动，该波动是由于传感器噪声、估测误差等造成的。为了提高时不变参数的估测精度，在估测参数达到其平均值之后，应用所谓的“趋势估测器”。
如果(p)是估测参数(在(L)或(G)的情况下)，则参数模型可以写成P＝mt+n (47)在上述公式中，(t)是时间，(m)和(n)是参数。在理想的情况下，参数(m)等于零，从而，参数(n)等于估测参数。
图28示出了趋势估测器的原理。趋势估测器的参数(m)和(n)是根据梯度法递归地估测的，该梯度法给出mk＝mk-1+γmtk(pk-mk-1tk-nk-1) (48)nk＝nk-1+γn(pk-mk-1tk-nk-1) (49)
其中(γm)和(γn)是正的常数。
图29示出了根据公式(48)和(49)的递归趋势估测器部57。
利用这个方法，估测参数变为趋势估测器的(n)参数。而且，估测参数(m)被用于监测估测参数(p)的瞬变状态。如果估测参数(m)在由(Vt)表示的最后时间段中处于明确限定的范围中(-ε＜m＜ε)，则估测值(n)可以被视为有效(对于指定的电枢位置来说)。在理想的情况下，时不变参数(m)等于零。
图30示出了正常和异常位置指示器部52，其中，采用伪编程语言描述了相关的算法。
在图30中，(i)是测量的电流，而(iHTH)和(iRTH)分别是电枢保持期间的电流阈值和电枢释放之后的电流阈值。此外，(n)表示趋势估测器估测的参数。参数(PHmin)和(PHmax)限定在电枢保持期间的正常参数范围，而(PRmin)和(PRmax)限定在电枢释放之后的正常参数范围，这些参数都是由用户先验限定的。
图31示出了一示例，针对不同电枢位置的估测感应率。
第五实施例利用基于基准模型的切换频率估测的电枢位置估测用于估测电枢位置的另一种方法是估测处于滞后控制之下的电流的切换频率。在图24中示出了这种方法的原理。
下面，在本发明的第五实施例中，如图27所示，对当与真实系统输出并行地处理基准模型的输出时，利用基于该基准模型的切换频率估测的电枢位置估测进行说明。
在图27中，真实信号的切换频率与基准模型的切换频率之间的解调误差信号提供了依赖于电枢位置的参数，该依赖于电枢位置的参数被用于电枢位置估测。利用“趋势估测器”部57，按类似的方式实现精度提高，该“趋势估测器”部57提供针对位置指示器部52的输入。
这扩展了其中磁芯通常饱和并且气隙通常小于1mm的升降机制动器系统的应用领域。
利用拉普拉斯变换表达，将图27中的基准模型表示为Hmodel(s)=1sLn+Rn---(50)]]>其中，Ln和Rn是电枢保持和电枢释放期间，与正常操作模式相对应的额定参数。
此外，在图27中，可以按与公式(45)和公式(46)类似的方式实现低通滤波器(LPF)和高通滤波器(HPF)。图27中的框(ABS)意味着取信号的绝对值。
在图27中，误差信号66被计算为信号64与信号65之间的差。信号64是在对测量的电流进行高通滤波(高通滤波部58)之后获得的，该测量的电流由电流检测器部13提供，接着由整流部59在整流之后提供。信号65是在采用基准模型(部24)的输出之后获得的，该基准模型的输入由驱动电路9或电压检测器14提供，该基准模型的输出通过高通滤波部61进行高通滤波，接着由整流部62进行整流。
在图27中，利用低通滤波器部63解调误差信号66，低通滤波器部63的输出与电枢位置有关，这提供了针对趋势估测器部57的输入。
按与本发明第四实施例中描述的方式相同的方式执行电枢位置估测和位置指示。
权利要求
1.一种用于升降机制动器的电枢运动检测装置，所述升降机制动器包括制动器转子；制动器闸瓦，该制动器闸瓦用于以摩擦方式对所述制动器转子的旋转进行制动；弹簧，该弹簧用于迫使所述制动器闸瓦压靠所述制动器转子；以及制动器释放部，该制动器释放部用于释放所述制动器闸瓦以使其离开所述制动器转子，该制动器释放部包括电磁体和电枢，所述电磁体包括制动器线圈，所述电枢在所述电磁体被赋能时，抵抗所述弹簧的弹力而被吸引至所述电磁体，所述电枢运动检测装置检测所述升降机制动器的所述电枢的运动，并且包括电流检测器，该电流检测器用于检测流过所述制动器线圈的电流；电压检测器，该电压检测器用于检测施加至所述制动器线圈的电压；电压变化检测器，该电压变化检测器用于检测在对所述电磁体进行赋能的恒压源中产生的异常电压降；以及运动检测器，该运动检测器用于通过比较从所述电流检测器和所述电压检测器获得的信息与设置的阈值电平，并且通过判断所述电压变化检测器是否已检测到异常电压降，来检测所述电枢相对于所述电磁体的运动。
2.根据权利要求1所述的用于升降机制动器的电枢运动检测装置，其中，所述运动检测器利用由所述电流检测器检测到的电流和由所述电压检测器检测到的电压，来估测感生到所述制动器线圈中的感生电动势，并且比较所估测的感生电动势与阈值电平。
3.根据权利要求2所述的用于升降机制动器的电枢运动检测装置，其中，在所述电枢的拉起期间如果所述感生电动势的信号小于预设阈值电平TH1，则所述运动检测器判断所述感生电动势没有增大，并且所述电枢没有运动；如果所述感生电动势的信号变得大于阈值电平TH1，而在一小段时间后又变得小于预设阈值电平TH2，并且如果所述电压变化检测器未检测到异常电压降，则所述运动检测器判断所述感生电动势是因所述电枢的运动而改变的；以及如果所述感生电动势的信号变得大于阈值电平TH1，而且没有降低到阈值电平TH2之下，则所述运动检测器判断所述感生电动势是因电压增大而非因所述电枢的运动而改变的。
4.根据权利要求2所述的用于升降机制动器的电枢运动检测装置，其中，在所述电枢的释放期间如果所述感生电动势的信号大于预设阈值电平TH3，则所述运动检测器判断没有感生出所述感生电动势，并且所述电枢没有运动；如果所述感生电动势的信号变得小于阈值电平TH3，而在一小段时间后变得大于预设阈值电平TH4，并且如果所述电压变化检测器未检测到异常电压降，则所述运动检测器判断所述感生电动势是因所述电枢的运动而改变的；以及如果所述感生电动势的信号变得小于阈值电平TH3，而且没有增大到超过阈值电平TH4，则所述运动检测器判断所述感生电动势是因电压下降而非因所述电枢的运动而改变的。
5.根据权利要求1所述的用于升降机制动器的电枢运动检测装置，其中，所述运动检测器基于来自所述电流检测器的信息和来自所述电压变化检测器的信息来估测储存到所述电磁体的电磁场中的瞬时电磁功率，并且比较所估测的瞬时电磁功率与阈值电平。
6.根据权利要求1所述的用于升降机制动器的电枢运动检测装置，其中，当在所述电枢的拉起和保持期间电枢电流受控制时，所述运动检测器检测在所述制动器线圈上的施加电压或控制信号，并且比较所述施加电压或控制信号与阈值电平。
7.一种用于升降机制动器的电枢位置估测装置，所述升降机制动器包括制动器转子；制动器闸瓦，该制动器闸瓦用于以摩擦方式对所述制动器转子的旋转进行制动；弹簧，该弹簧用于迫使所述制动器闸瓦压靠所述制动器转子；以及制动器释放部，该制动器释放部用于释放所述制动器闸瓦以使其离开所述制动器转子，该制动器释放部包括电磁体和电枢，所述电磁体包括制动器线圈，所述电枢在所述电磁体被赋能时，抵抗所述弹簧的弹力而被吸引至所述电磁体，所述电枢位置估测装置估测所述升降机制动器的所述电枢的位置，并且包括电流检测器，该电流检测器用于检测流过所述制动器线圈的电流；电压检测器，该电压检测器用于检测施加至所述制动器线圈的电压；电枢位置估测部，该电枢位置估测部用于基于从所述电流检测器和所述电压检测器获得的信息，来估测所述电枢的位置和与所述电枢的位置有关的参数中的至少一个；以及位置指示器部，该位置指示器部用于基于来自所述电枢位置估测部的输出，并基于所述电枢的位置的预设范围和预设参数中的至少一个以及从所述电流检测器获得的信息，来判断所述电枢的位置是否正常。
8.根据权利要求7所述的用于升降机制动器的电枢位置估测装置，其中，所述电枢位置估测部包括递归参数估测器，所述递归参数估测器用于基于从所述电流检测器和所述电压检测器获得的信息，根据梯度法来估测所述参数。
9.根据权利要求7所述的用于升降机制动器的电枢位置估测装置，其中，所述电枢位置估测部根据真实信号的切换频率与基准模型的切换频率之间的解调误差信号获得所述参数。
10.根据权利要求8或9所述的用于升降机制动器的电枢位置估测装置，其中所述电枢位置估测部还包括趋势估测器部，所述趋势估测器部用于判断所述参数的有效性；并且所述位置指示器部基于从所述趋势估测器部提供的信息、预设参数范围、以及从所述电流检测器获得的信息，来判断所述电枢的位置是否正常。
全文摘要
本发明涉及升降机制动器的电枢运动检测装置和电枢位置估测装置。在该升降机制动器的电枢运动检测装置中，通过电流检测器检测流过制动器线圈的电流。通过电压检测器检测施加至制动器线圈的电压。通过电压变化检测器检测在对电磁体进行赋能的恒压源中产生的异常电压降。运动检测器通过比较估测的感生电动势与设置的阈值电平并比较估测的瞬时电磁功率与设置的阈值电平，并且通过判断所述电压变化检测器是否已检测到异常电压降，来检测电枢相对于电磁体的运动。
文档编号B66B1/28GK1997578SQ200480043670
公开日2007年7月11日 申请日期2004年9月24日 优先权日2004年9月24日
发明者福劳伊·亚历山德鲁, 上田隆美, 汤村敬, 安江正德 申请人:三菱电机株式会社