用於電梯的基於輻射的非接觸式位置參照系統和方法
2023-07-11 06:02:36
專利名稱：用於電梯的基於輻射的非接觸式位置參照系統和方法
技術領域：
本發明涉及電梯領域，特別是與確定移動電梯轎廂的絕對位置和速度有關。
為了平穩地停下電梯並與平層對齊，系統必須知道何時開始停下、何時進入平層模式，以及何時開始開啟電梯轎廂門。為實現這些功能，必須了解轎廂在所有時刻的準確位置。為了監測轎廂在電梯井道中的運行，在安裝時特別是在高層建築物中安裝時，通常使用一種稱為初始位置傳感器(PPT)的數字編碼器。PPT裝在機械室中，其位置允許帶齒鋼帶(「選擇器帶」)直接鉤到轎廂機架上。隨著轎廂在井道中上下移動，選擇器帶驅動鏈輪或帶輪，依次驅動PPT轉子，以得出轎廂位置在64分之一英寸內的恆定的數字讀數。
選擇器帶的安裝，要求機械室中的滑輪和電梯凹槽中的張緊滑輪保持帶不顫動。該帶靠在井道中電梯轎廂的側面，因此要求額外的安裝空間。目前，設計上著重於整個電梯系統的「軌跡」儘可能小，以便建築物中可使用空間最大，無論建築物自身處於何目的。為此，希望有另外一種確定轎廂位置的方法。
簡言之，電梯轎廂用的位置參照系統包括雷射器，其發射的光束被鏡子反射。雷射或鏡子中一個處於非移動位置，而另一個固定在電梯轎廂上並隨著電梯轎廂移動。
雷射束調製成兩種頻率，頻率之一提供電梯轎廂的一個粗略位置，而另一頻率提供電梯轎廂的一個精細位置。當電梯轎廂靜止時，產生位置校準。當電梯轎廂開始移動時，粗略位置被跟蹤，同時精細位置由兩個調製頻率中較高頻率確定。這樣，根據較高的調製頻率，移動的電梯轎廂的絕對位置的準確程度總能知道。
按照本發明的一個實施例，電梯轎廂用的位置參照系統包括發射和響應裝置，用於從動力源發射電磁輻射，以及在電磁輻射投射到響應裝置時，使響應裝置響應；將電磁輻射調製成兩個不同頻率的調製裝置；確定電梯轎廂是否處於靜止狀態的裝置；當電梯轎廂靜止並對調製裝置起反應時，用於在電梯轎廂靜止時對系統校準以確定電梯轎廂初始位置的校準裝置；響應於電梯轎廂和調製裝置的初始位置的粗略位置裝置，以在電梯轎廂移動時確定電梯轎廂粗略位置；響應於調製裝置，以在轎廂移動時確定電梯轎廂精細位置的精細位置裝置；以及基於粗略位置和精細位置，以在電梯轎廂移動時確定電梯轎廂絕對位置的裝置。
按照本發明的一個實施例，確定電梯轎廂的絕對位置的方法包括從動力源發射電磁輻射以及在電磁輻射投射到響應裝置時，使響應裝置響應的步驟；將電磁輻射調製成兩個不同頻率的步驟；確定電梯轎廂是否處於靜止狀態的步驟；響應調製步驟和確定步驟，在電梯轎廂靜止時系統以確定電梯轎廂初始位置的校準步驟；響應於電梯轎廂初始位置和調製步驟，以在電梯轎廂移動時確定電梯轎廂粗略位置的步驟；響應於調製步驟，以在轎廂移動時確定電梯轎廂精細位置的步驟；以及基於粗略位置和精細位置，以在電梯轎廂移動時確定電梯轎廂絕對位置的步驟。
圖1為本發明一實施例的雷射位置參照系統，圖2為一個圖表，示出作為精細位置和粗略位置測量的函數的位置。
通過測量輻射脈衝的傳送時間，可用光在空氣(真空)中的恆定速度來獲得量程信息。該原理首次應用於雷達中。不是使用脈衝，而是可使用連續波(CW)幅度調製(AM)輻射。將發送和回波的包線的相位進行比較，可以確定量程。調製頻率越高，系統的分辨能力越高。然而，相位不模糊僅僅能測量到360度。這將限制系統的量程。在目前商業系統中，通過使用兩個或更多個調製頻率的度量來克服這種限制。這需要兩個或更多相同系統(不能真正實現)或調製頻率的時間多路傳送系統。使用多個頻率的系統解決了模糊的問題，但允許控制傳統乘客電梯位置的每個循環所需的時間太多。
採用Otis新式初始位置轉換器(SPPT)，一旦啟動該轉換器，不會產生模糊。該SPPT由美國專利US5,274,203加以公開，在此，該文獻被引用參考。該SPPT是一種測量粗略區域中位置的準絕對編碼器。使用區域以及在每個區域中測量的概念，基於相位測量的雷射量程探測器的模糊可以消除，同時，獲得最快可能的移動目標位置的最新值。
下面說明基於輻射的、電梯用無接觸式位置參照系統。該系統基本上是一種雷射-SPPT。該系統用於低層電梯是非常經濟的，同時也適用於高層電梯，因為該系統的量程範圍為500m或更多。
參照圖1，傳感器10位於頂部(電梯井道的頂部)，並發射光束12到位於電梯轎廂30頂上的反射器20上。光束12反射到傳感器10中的探測器中。交替放置的傳感器10和反射器20包括將反射器20置於頂部而傳感器10位於轎廂30上，將傳感器10置於凹槽(電梯轎廂的底部)和反射器20位於位於轎廂30底部，以及傳感器10位於轎廂30的底部，而反射器20位於凹槽的布置方式。隨著轎廂30沿著導軌40上下運行，光束12長度改變，光束12離開傳感器10以及返回的時間與光束12長度成正比。
光束12最好是電磁輻射，其傳送速度為c＝3*108m/s。儘管因工業用雷射量程探測器的可利用性的提高，雷射系統是較佳的，但任何電磁輻射頻率也是可行的，除了不能提供適當的速度或分辨能力的低頻外。利用反射器或轉發器任一，均可實現使用微波輻射的系統。該轉發器重發接受到的信號，並幫助消除與多路反射有關的問題。
事實上輻射速度在真空中為常數這一點，可用於發現傳感器至反射器X的距離。該距離稱作量程。該量程可由傳送時間測定結果T確定。這樣，2*X＝c*T。
對T所要求的分辨能力由2*X/c限定。如X＝1mm，則時間增量為6.6710-12秒。這種測量是非常困難的，除非可獲得多次測量結果並平均之。
測量量程的另一種方式是使用Fizeau的變更方法，Fizeau方法是在1849年用於測量光速的(Greene，J.R.，通過電磁相位比較技術進行的短量程距離測量，Geophysical Prospecting，v.25，pp.269-279；1977)。Fizeau使用一個帶有許多缺口的轉盤，以調製傳送到6km遠的反射器的光。通過該盤上的用於割截傳送光束的缺口可見該返回的光束。Fizeau調節盤速，直到他看見光不返回為止。這意味著相位偏移2π弧度。
Fizeau試驗的新形式中，使用了發射源和能夠工作至幾百兆赫的電子調製器。在傳送和返回光束之間相位的弧度偏移易由下式示出，
2*X*f/c*2π，其中，f＝調製頻率，當f＝100MHZ，相位偏移2π時，X＝1.5m。
該例剛好示出測量到的相位為2π弧度，則可測量到量程為0到1.5m。由上式獲得的相位可增加到任意的較大值。然而，相位僅僅可直接在2π範圍內測量。這樣，phase_meas(相位_測量)＝phase(相位)-2π(n-1)，其中，n＝區域號。已知通過選擇第二個調製頻率，可確定區域。對於調製頻率為1.0MHZ，清楚的範圍可能在150m內。這樣對於使用調製頻率為100和1MHZ的系統來說，可考慮150m的清楚的量程在100區域中。使用低調製頻率，可發現該區域。使用較高的調製頻率，可發現在該區域中的位置。然而，儘管該技術用於建立位置需要許多時間的靜止電梯中，但是當電梯處於運行和平層時該技術太慢而不能測量電梯的位置。
參照圖2，圖示出了一種方法。分別示出了使用100MHZ和1MHZ調製製成的測量結果，分成精細和粗略部。區域可用粗略測量實現。然而，在電梯移動期間的電梯系統中使用該方法，事實上並不夠快。因此，本發明中，一旦已知初始區域，所發現的區域完全來自精細測量。隨著電梯轎廂30的移動，以及測量在精細位置進行，注意到突然的變化。當這些變化發生時，能夠預料到，這是因為區域長度被準確地知道的緣故。下面描述出確定位置的可能代碼。參數區域-長度是已知的。
上述代碼示出如何僅僅從精細位置測量而連續獲得位置的思路。只僅僅示出基本技術，但可有許多變化。也可使用有效碼進行數據試驗以保證一致性和數碼以解決輻射瞬時中斷，等。
長距離範圍內準確度量用的多個頻率的使用取決於相位測量設備中的限制。通常，在中等成本的系統中，相位準確率可相當於1000分之一。再次回到例子，使用100MHZ的調製頻率，可準確到1500/1000＝1.5mm。使用1MHZ調製頻率時，可在150mm內確定區域。所描述的操作原理包括在各種形式的工業用相位為基礎的度量儀器中。包括由瑞士(Switzerland)的Scottsdale，AZ的相位雷射系統(PLS)和Heerbrugg和Leica Geosystem(Leica)製成的度量傳感器。這些儀器最初用於一般目的的度量如陸地測量、液面測量等。所以在這些儀器的一些例中，獲得量程的時間為幾秒。如此長的時間不適用於跟蹤電梯。目前OtisE411系統在利用SPPT信息工作時，大約有40ms延遲。這樣，具有40ms或更少的跟蹤延遲的雷射-SPPT可直接用於E411系統。模擬研究表明，跟蹤延遲直到150ms均可允許運動控制的微小重調。
對雷射-SPPT的要求限定於下面的、從雷射位置傳感器用功能描述的選擇上。原理裝置想像為一對專門的單-雷射量程探測器，該探測器機械連接並且與每個量程探測器供給的外側速度-檢測迴路相結合。對於初始位置測量，下面的描述是最佳的100m的量程，20位編碼(1，048，576)，0.5mm的標準解析度，2mm的再現性，以及在40ms恆定速度下移動的目標的最大跟蹤延遲。對於第二位置測量的要求最好與初始位置測量的相同。
位置增量由SPPT中使用的滑輪直徑限定。滑輪直徑D為mm，位置增量為δx。SPPT刻度為每轉4096讀數。這樣，δx＝πD/4096對於通常使用的SPPT滑輪直徑D為508mm時，δx值為0.3896mm。對於δx＝0.5000mm時，D有效數值為651.899mm。發送位置最好是δx增量的讀數。
雷射-傳感器組件基本作用是確定從組件到目標的距離的度量模式。與SPPT的可混用性，要求位置基準在凹槽中為0點，而向上為增加的位置。使用下述的限定R＝從傳感器到位於初始通道上目標的量程(mm)H＝從傳感器到基準點的距離(mm)從而控制電梯的位置為X＝H－R通常轎廂停靠在第一平層時，X＝10,000mm。參數D和H最好能夠預先設置於位置傳感器中，從而比照已設置在控制器中的樓層表。
第二通道必須在20mm的範圍內對準初始通道。
在傳感器組件中的雷射傳感器存儲體在操作期間最好是自校準。這要求目標是靜止的。目標(電梯轎廂)的運動狀態對於控制器的運動狀態是已知的，傳感器組件連接到控制器上，這樣，允許產生邏輯信號顯示何時可執行動態校準。當動態校準允許時，硬體最好提供一個邏輯高(標準為5.0V)。邏輯零(標準為0.0V)最好意味著不知道目標是否靜止。允許動態校準的最長時間為1.0秒。實際上，允許傳感器在所有的電梯系統中操作。如需要的時間越多，獲得更多時間的可能性就越大，但每個情況下需要分另審查。
對於初始和第二通道兩者，速度是由位置和時間信息計算的。計算最好不要犧牲數字的準確性。最好的方法是，計算大約每10ms的速度，以及保持8次計算的運行平均值。11位和符號位是最好的輸出值。標度(scaling)最好由SPPT滑輪直徑D限定。對於滑輪直徑D的每個讀數，基本標度為0.25rpm。對於D＝508mm時，標度相等於6.65mm/s/count。「1」符號位最好意味著負的速度。
儘管不夠準確，但計算速度的另一種方法包括使用vel(速度)＝(x2－x1)/δt
其中，δt為大約50ms的時間增量，x1和x2為時間增量開始和結束時確定的位置。當對速度有要求時，最後可獲得的計算值為輸出值。這意味著速度可具有75ms長的停滯。在最大加速度為1200mm/s^2時，導致可適應電梯系統控制器中的速度檢測公差的90mm/s的速度差錯。
在SPPT中的速度定標在0.25rpm/count。對於滑輪直徑D，要求新傳感器的標度為vel_scaling(速度_標度)＝πD/240D＝508mm時，vel_scaling＝(6.65mm/s)/count。
初始化最好是加電時自動出現，最好在2秒內完成。轉換器最好通過發送，在初始和第二通道兩者的二進位位置為零來通知其沒有初始化。
初始和第二位置通道必須是獨立的。無論是初始通道還是第二通道的破損最好均不能影響另一通道。這樣的目的是通過與第二通道相比來檢測初始通道的破損情況。這種比較最好在接受來自傳感器的信息的控制器中進行。
數據的傳送速度最好不低於9.6k波特(kBaud)。希望採用較快速度。循環時間最好足夠快以在至少每10ms允許更新位置和速度信息。為了防止電梯在減速期間振動，轎廂位置最好是剛好在響應控制器之前以最新的位置/速度更新。
除了位置，雷射度量系統還能夠確定電梯轎廂30的速度。因此，最好提供一種不連續的速度檢測信號，以顯示低於規定的閾值(速度檢測)的速度。
利用雷射-SPPT以控制電梯位置的實施例如下所述。首先，電梯在啟動時為靜止狀態，傳感器在1.0秒內初始化。接著，電梯轎廂30使用單-頻率最新值運行，這是因為已知區域轉換是連續的緣故。電梯速度不希望超過15m/s(大多數電梯的最高速度小於4m/s)。每40ms更新位置，並且使用15m/s的速度，電梯最大移動量為0.6m。由於在本實施例中，區域被限定為1.5m遠，所以，區域總能被單-頻率測量裝置確定。進一步有助於了解位置的是，電梯總是在限定的運送方向運行。這意味著，除了希望在運行的最後幾毫米，轎廂位置單調地變化。
電梯轎廂用的位置參考系統存在2個基本目的(1)使電梯轎廂準確地和迅速地停靠平層，(2)為了安全起見監測大約位置。除了提供終端保護用的過剩位置信號外，雷射-SPPT還可完成這兩個功能。電梯轎廂速度的確定如上所述。該速度信息最好用於安全檢測目的，正如用於向前的門開啟的門區域速度檢測。當轎廂處於靜止狀態時，類似於上述校準方式，檢測電梯轎廂的絕對位置。
SPPT使用一個備用電池，以在動力中斷後需要提供轎廂位置時使用，而不必移動轎廂。在雷射-SPPT中不需備用電池，因為當動力重新供給時，絕對位置作為起始的增加動力消耗校準的部分，被自動地確定。雷射-SPPT最好提供一個當沒有建築物動力時，是否帶有備用電池和讀數裝置的轎廂位置讀出裝置。
本發明已參照專門的實施例和附圖進行了說明，對於本領域的普通技術人員應當理解到，本發明並不限於該較佳實施例，在不超出本發明所附的權利要求書所限定的範圍內，可作出各種變更和變化。
權利要求
1.一種電梯轎廂用的位置參照系統，包括發射和響應裝置，用於從動力源發射電磁輻射，以及在電磁輻射投射到響應裝置時，使響應裝置響應；將電磁輻射調製成兩個不同頻率的調製裝置；確定電梯轎廂是否處於靜止狀態的裝置；當電梯轎廂靜止時，響應於調製裝置，用於在電梯轎廂靜止時對系統校準以確定電梯轎廂初始位置的校準裝置；響應於電梯轎廂初始位置和調製裝置的粗略位置裝置，以在電梯轎廂移動時確定電梯轎廂粗略位置；響應於調製裝置，以在轎廂移動時確定電梯轎廂精細位置的精細位置裝置；以及基於粗略位置和精細位置，以在電梯轎廂移動時確定電梯轎廂絕對位置的裝置。
2.按照權利要求1所述的系統，進一步包括，基於粗略位置裝置和精細位置裝置，以在電梯轎廂移動時確定電梯轎廂速度和方向的裝置。
3.按照權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述動力源是固定的，所述響應裝置安裝到電梯轎廂上。
4.按照權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述動力源位於所述電梯轎廂的井道頂部。
5.按照權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述動力源位於所述電梯轎廂的井道凹槽中。
6.按照權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述的響應裝置是固定的，所述動力源安裝到所述電梯轎廂上。
7.按照權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述的響應裝置位於所述電梯轎廂的井道的頂部。
8.按照權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述響應裝置位於所述電梯轎廂的井道凹槽中。
9.按照權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述響應裝置是反射器。
10.按照權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述電磁輻射是雷射。
11.按照權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述響應裝置是轉換器。
12.按照權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述電磁輻射是微波輻射。
13.按照權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述精細位置裝置是基於輻射的、相位測量傳感器，僅僅使用單個調製頻率。
14.一種確定電梯轎廂的絕對位置的方法，包括；從動力源發射電磁輻射以及在電磁輻射投射到響應裝置時，使響應裝置響應的步驟；將電磁輻射調製成兩個不同頻率的步驟；確定電梯轎廂是否處於靜止狀態的步驟；響應調製步驟和確定步驟，在電梯轎廂靜止時校準系統以確定電梯轎廂初始位置的校準步驟；響應於電梯轎廂初始位置和調製步驟，以在電梯轎廂移動時確定所述電梯轎廂粗略位置的步驟；響應於調製步驟，以在轎廂移動時確定電梯轎廂精細位置的步驟；以及基於粗略位置和精細位置，以在電梯轎廂移動時確定電梯轎廂絕對位置的步驟。
15.按照權利要求14所述的方法，進一步包括，基於粗略位置和精細位置的確定步驟，在電梯轎廂移動時確定電梯轎廂速度和方向的步驟。
全文摘要
用於電梯轎廂的位置參照系統,包括雷射器,其發射的光束被鏡子反射。雷射器或鏡子任一處於非移動位置而另一個固定到電梯轎廂上並隨之移動。雷射束被調製成兩個頻率,其一提供電梯轎廂的粗略位置而另一個提供電梯轎廂的精細位置。當電梯轎廂處於靜止狀態時,產生位置校準。當電梯轎廂移動時,粗略位置被跟蹤同時精細位置被兩個調製頻率的較高一個確定。這樣,根據較高的調製頻率,以準確的程度知道移動電梯轎廂的絕對位置。
文檔編號B66B1/34GK1326895SQ01119788
公開日2001年12月19日 申請日期2001年5月30日 優先權日2000年5月31日
發明者C·A·斯卡爾斯基 申請人:奧蒂斯電梯公司