電梯門系統狀態監測和故障預警系統的製作方法
2023-07-22 11:51:51 1
專利名稱：電梯門系統狀態監測和故障預警系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電梯在線監測技術領域的系統，具體是一種電梯門系統狀態 監測和故障預警系統。
技術背景目前，門系統故障是電梯事故的最主要原因之一。電梯門系統維護採用的方 式是當電梯發生故障或事故之後，電梯檢修人員才檢測故障原因，並對故障部件 進行維修或更換。如果對電梯門系統進行在線監測，分析門系統運行時的性能指 標，當性能指標下降時預警，提前進行維護，就能避免故障甚至事故的發生，提 高電梯運行的安全性。目前，國內外大學和電梯公司對門系統狀態監控進行相關研究，國外對於電 梯門系統狀態檢測和性能退化分析的方案在簡化實施裝置、減少方案複雜度方面 都存在不足，無法運用到實際的電梯中。如美國辛辛那提大學智能維護實驗室通 過提取電梯開關門過程中的振動信號來監測門系統運行狀態，該方法基於傳統的 機械故障診斷原理，在實施過程中需要安裝大量傳感器。經對現有技術文獻的檢索發現，中國專利申請號200580006756.6，專利名 稱為"電梯門監控裝置"，該專利通過構造門系統動態模型，估算模型參數來在 線分析門當前的狀態，該方案同樣需要額外的傳感器，實施過程複雜，周期長， 並需要大量的電梯行業專家經驗數據。國內從事電梯行業的研究人員在電梯門系 統的安全隱患和事故情況方面進行了許多探討，但還沒有從門系統狀態在線監測 和性能退化分析角度進行相關研究。發明內容本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種電梯門系統狀態監測和故障預 警系統，以電機轉矩電流作為主要性能指標進行門系統狀態監測和預警，門系統 控制器直接將數位化後的驅動電流和位置信號通過控制器區域網CAN總線輸出， 通過轉矩電流和開關門位置信息及其組合，對比通過門系統試驗臺的試驗獲取故障預警的閾值，對門系統故障進行預警，無需額外的力和加速度傳感器。門系統 試驗臺中的PC機通過CAN總線適配卡獲取電機轉矩電流大小和位置信息，監測 開關門過程中位置、驅動電流隨時間的變化，分析門系統的運行狀態、性能及故 障部位，獲取故障預警閾值。本發明是通過如下技術方案實現的，本發明包括控制子系統、性能分析子系統、狀態監測和預警子系統，三個子系統之間通過CAN (控制器區域網)總線連接，其中控制子系統控制電梯開關門速度，並獲得電梯電機的磁極位置、"軸電流分量和《軸電流分量，並通過CAN總線傳輸給性能分析子系統以及狀態監測和預警 子系統；性能分析子系統通過CAN總線接收磁極位置、d軸電流分量和^軸電流分量， 計算《軸電流分量的峰值大小和開關門位置，得到預警電流閾值並傳輸給狀態監 測和預警子系統；狀態監測和預警子系統通過CAN總線接收磁極位置、d軸電流分量和< 軸電 流分量，將( 軸電流分量和電流閾值進行比較，產生預警代碼，並傳送到遠程控 制中心。所述控制子系統，包括增量編碼器、轉速及磁極位置計算模塊、霍爾元件、 克拉克變換模塊、比例電路、電壓矢量計算模塊、帕克逆變換模塊、空間矢量計 算模塊、智能功率模塊和CAN總線接口，其中增量編碼器與電梯門的永磁同步電機轉子相連接，檢測電機轉子的磁極位 置，電源接通後對電機磁極初始位置進行檢測，電機工作時以脈衝屍A ,A屍Z 輸出至轉速磁極位置計算模塊；轉速磁極位置計算模塊計算得到電機實際轉速及磁極位置，實際轉速傳輸給 比較電路，磁極位置傳輸給CAN總線接口和帕克逆變換模塊；霍爾元件作為電流傳感器與電機定子相接，測量電機的^相電流和K相電流， 輸出至克拉克變換模塊；克拉克變換模塊根據^相電流和K相電流計算得到t/軸電流分量和^軸電流 分量，將^ 軸電流分量傳輸給比較電路和CAN總線接口，將"軸電流分量傳輸給比較電路；比較電路比較給定轉速與增量編碼器得到的實際轉速，得到兩個轉速的差 值，通過比例積分調節後，產生力矩電流；比較電路將力矩電流和^軸電流分量 進行比較，所得差值通過比例積分調節後輸至電壓矢量計算模塊；比較電路將勵 磁電流指令J^0和V軸電流分量進行比較，所得差值通過比例積分調節後輸至 電壓矢量計算模塊；電壓矢量計算模塊根據比較電路的比較結果計算得到電機矢量電壓K和K， 矢量電壓K和^通過帕克逆變換模塊計算產生"軸電壓K。和軸電壓6， K 和^信號輸至空間矢量計算模塊運算得到P麗l-P麗6 (脈寬調製信號)脈寬電 壓，輸入至智能功率模塊，產生仄K /f三相交流電壓，驅動永磁同步電機按給 定的速度完成開關門；CAN總線接口將d軸電流分量、<7軸電流分量、磁極位置輸出至CAN總線。所述"軸電流分量、< 軸電流分量、磁極位置均為數字量，避免了為獲取門 系統機械參數和運動參數所需的力傳感器和加速度傳感器。所述性能分析子系統，包括C細總線適配卡和性能分析模塊，CAN總線適 配卡接收CAN總線上數字量信號的磁極位置、"軸電流分量和^軸電流分量，輸 出至性能分析模塊，性能分析模塊記錄磁極位置、"軸電流分量和。軸電流分量 變化歷程，計算<7軸電流分量的峰值大小，得到電流預警閾值輸出至狀態監測和 預警子系統。所述性能分析模塊，在門系統正常運行的工況下，記錄分析控制子系統發送 的磁極位置、"軸電流分量和《軸電流分量隨時間變化的過程，並將。軸電流分 量的峰值作為基準，同時模擬門系統出現強迫關門裝置失效、門扇阻塞或夾人、 導軌間磨損增大、皮帶輪打滑、機電連鎖失效等故障情況下，記錄非正常狀態下 的磁極位置、^軸電流分量和G軸電流分量變化過程，計算^軸電流分量的峰值 大小，與^軸電流峰值基準進行比較，非正常狀態下的^軸峰值電流是基準峰值 電流的1. 15-1. 3倍，取1. 15-1. 3之間的某一值作為故障電流預警閾值並輸出至 狀態監測和預警模塊。所述狀態監測和預警模塊，其包括CAN總線收發控制器、狀態監測預警模塊、數據存儲模塊、數據顯示模塊和遠程數傳模塊，其中CAN總線收發控制器接收CAN總線上數字量信號磁極位置、t/軸電流分量和《軸電流分量，輸出至狀 態監測預警模塊，狀態監測預警模塊將<7軸電流分量和性能分析模塊獲得的電流 預警閾值進行比較，從而得到故障預警代碼並傳輸給遠程數傳模塊，同時狀態監 測預警模塊將磁極位置、^軸電流分量和^軸電流分量保存至數據存儲模塊，並 在數據顯示模塊進行實時顯示，遠程數傳模塊將預警代碼傳送至遠程控制中心。 本發明工作時，首先通過CAN總線連接控制子系統以及狀態監測和預警子系 統，設定狀態監測和預警子系統電流預警閾值；控制子系統在執行門系統正常控 制功能的同時，將數字量信號磁極位置、J軸電流分量和<7軸電流分量，輸出至 狀態監測和預警模塊，狀態監測和預警模塊實時地從CAN總線上接收磁極位置、 ^軸電流分量和《軸電流分量，比較。軸電流分量和電流預警閾值，當。軸電流 分量超過電流預警閾值時，結合磁極位置、"軸電流分量，生成故障預警代碼， 啟動遠程數據傳送，將故障預警代碼送至遠程數據中心從而達到狀態監測和預警 功能。與現有技術相比，本發明的有益效果是通過C緒總線輸出永磁同步電機磁 極位置，控制器"軸電流分量和^軸電流分量，進行狀態監測和預警，不需額外 的力傳感器和加速度傳感器，方法簡單，易於實現。以永磁同步電機驅動的門系 統為例，如加裝力傳感器和加速度傳感器，約增加35%的成本，且安裝、接線受 實際門系統空間限制，採用本發明，約增加4%的成本，安裝幾乎不受空間限制。
圖l是本發明的系統結構框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 範圍不限於下述的實施例。如圖l所示，本實施例包括控制子系統、性能分析子系統、狀態監測和預 警子系統，三個子系統之間通過aN總線連接，其中控制子系統控制電梯開關門速度，並獲得電梯電機的磁極位置^、 ^軸電流 分量^和？軸電流分量iw，並通過CAN總線接口傳輸給性能分析子系統以及狀8態監測和預警子系統；性能分析子系統通過CAN總線接口接收磁極位置e、"軸電流分量厶和。 軸電流分量^，計算9軸電流分量的峰值大小和開關門位置，得到預警電流閾 值^並傳輸給狀態監測和預警子系統；狀態監測和預警子系統通過CAN總線接口接收磁極位置-、 J軸電流分量 i&和。軸電流分量4，並將< 軸電流分量；和電流閾值JV進行比較，產生預警 代碼，並傳送到遠程控制中心。所述控制子系統，包括增量編碼器、轉速及磁極位置計算模塊、霍爾元件、 克拉克變換模塊、比例電路、電壓矢量計算模塊、帕克逆變換模塊、空間矢量計 算模塊、智能功率模塊和CAN總線接口，其中增量編碼器與電梯門的永磁同步電機轉子相連接，用於檢測電機轉子和磁極 位置，電源接通後對電機磁極初始位置進行檢測，以脈衝州、P5、 /7輸出至轉 速磁極位置計算模塊；轉速磁極位置計算模塊計算得到電機實際轉速w及磁極位置e，將實際轉 速傳輸給比較電路，磁極位置傳輸給CAN總線接口；霍爾元件作為電流傳感器與電機定子相接，測量電機的 〃相電流厶和「相 電流厶，輸出至克拉克變換模塊；克拉克變換模塊根據 〃相電流厶和K相電流人計算得到W軸電流分量4和 《軸電流分量^，將9軸電流分量^傳輸給比較電路和CAN總線接口，將"軸 電流分量U專輸給比較電路；比較電路比較給定轉速"'與增量編碼器得到的實際轉速"，得到兩個轉速 的差值，通過比例積分調節後，產生力矩電流比較電路將力矩電流人和9 軸電流分量^進行比較，所得差值通過比例積分調節後輸至電壓矢量計算模塊； 比較電路將勵磁電流指令if0和^軸電流分量厶進行比較，所得差值通過比例 積分調節後輸至電壓矢量計算模塊；電壓矢量計算模塊根據比較電路的比較結果計算電機矢量電壓K,和K,，該 矢量電壓通過帕克逆變換模塊計算產生。軸電壓K和刀軸電壓^， K和b 信號輸至空間矢量計算模塊運算得到P麗1-PTOI6脈寬電壓，輸入至智能功率模塊，產生仏K /f三相交流電壓，驅動永磁同步電機按給定的速度完成開關門。CAN總線接口將^軸電流分量八、^軸電流分量^、磁極位置^輸出至CAN 總線。所述"軸電流分量厶、《軸電流分量；、磁極位置e均為數字量，避免了 為獲取門系統機械參數和運動參數所需的力傳感器和加速度傳感器。.所述性能分析子系統，包括CAN總線適配卡和性能分析模塊，CAN總線適 配卡接收CAN總線上數字量信號的磁極位置入c/軸電流分量^和g軸電流分 量；，輸出至性能分析模塊，性能分析模塊記錄磁極位置^、"軸電流分量" 和< 軸電流分量"變化歷程，計算g軸電流分量；的峰值大小，得到電流預警 閾值力輸出至狀態監測和預警子系統。所述性能分析模塊，在門系統正常運行的工況下，記錄分析控制子系統發送 的磁極位置e、"軸電流分量厶和。軸電流分量^隨時間變化的過程，並將電 流4的峰值作為基準，同時模擬門系統出現強迫關門裝置失效、門扇阻塞或夾 人、導軌間磨損增大、皮帶輪打滑、機電連鎖失效等故障情況下，記錄非正常狀 態下的磁極位置0、 W軸電流分量^和9軸電流分量^變化過程，取平均計算 電流；峰值大小，與基準電流進行比較，可取基準電流的1.2倍作為故障預警 閾值JV並輸出至狀態監測和預警模塊。所述狀態監測和預警模塊包括CAN總線收發控制器、狀態監測預警模塊、 數據存儲模塊、數據顯示模塊和遠程數傳模塊，其中CAN總線收發控制器接 收CAN總線上數字量信號磁極位置P、"軸電流分量i^和《軸電流分量i-輸 出至狀態監測預警模塊，狀態監測預警模塊將《軸電流分量；和性能分析模塊 獲得的電流閾值力進行比較，從而得到故障預警代碼並傳輸給遠程數傳模塊， 同時狀態監測預警模塊將e、力5和ij呆存至數據存儲模塊，並在數據顯示模塊 進行實時顯示；遠程數傳模塊將預警代碼傳送至遠程控制中心。所述CAN總線適配卡，採用美國國家儀器公司的高速CAN通訊適配卡NI CAN Series 2 Interface for PCI。所述狀態監測和預警模塊包括RDC 8820微處理器、512K RAM。 所述數據存儲模塊為512K Flash存儲器。所述數據顯示模塊由128X64點陣LCD及其控制器HD 61202組成，用於顯 示電流數據。所述CAN總線通訊接口、數據存儲模塊和數據顯示模塊之間通過RDC 8820 微處理器地址和數據總線連接。所述遠程數傳模塊由SIEMENS MC35i GPRS無線數據傳送模塊和外圍電路組 成，通過RS 232和狀態監測和預警模塊連接。本實施例工作時，首先通過CAN總線連接控制子系統以及狀態監測和預警子 系統，設定狀態監測和預警子系統電流預警閾值力，力為《軸電流分量基準電流 的1.2倍，控制子系統在執行門系統正常控制功能的同時，將數字量信號磁極位 置「 ^軸電流分量厶和《軸電流分量^輸出至狀態監測和預警模塊，狀態監 測和預警模塊實時地從CAN總線上接收磁極位置-、 ^軸電流分量厶和。軸電 流分量；，比較g軸電流分量^和電流預警閾值力，當g軸電流分量"超過電 流預警閾值A時，結合磁極位置S、 J軸電流分量i血，生成故障預警代碼，啟 動遠程數據傳送，將故障預警代碼送至遠程數據中心從而達到狀態監測和預警功 能。本實施例通過CAN總線輸出永磁同步電機磁極位置e，控制器"軸電流分 量^和^軸電流分量^，進行狀態監測和預警，不需額外的力傳感器和加速度 傳感器，方法簡單，易於實現。以永磁同步電機驅動的門系統為例，如加裝力傳 感器和加速度傳感器，約增加35%的成本，且安裝、接線受實際門系統空間限制， 採用本實施例系統，僅增加4%的成本，安裝幾乎不受空間限制。
權利要求
1、一種電梯門系統狀態監測和故障預警系統，其特徵在於，包括控制子系統、性能分析子系統、狀態監測和預警子系統，三個子系統之間通過CAN總線連接，其中控制子系統控制電梯開關門速度，並獲得電梯電機的磁極位置、d軸電流分量和q軸電流分量，並通過CAN總線傳輸給性能分析子系統以及狀態監測和預警子系統；性能分析子系統通過CAN總線接收磁極位置、d軸電流分量和q軸電流分量，計算q軸電流分量的峰值大小和開關門位置，得到預警電流閾值並傳輸給狀態監測和預警子系統；狀態監測和預警子系統通過CAN總線接收磁極位置、d軸電流分量和q軸電流分量，將q軸電流分量和預警電流閾值進行比較，產生預警代碼，並傳送到遠程控制中心。
2、 根據權利要求l所述的電梯門系統狀態監測和故障預警系統，其特徵是， 所述控制子系統，包括增量編碼器、轉速及磁極位置計算模塊、霍爾元件、克 拉克變換模塊、比例電路、電壓矢量計算模塊、帕克逆變換模塊、空間矢量計算 模塊、智能功率模塊和CAN總線接口，其中增量編碼器與電梯門的永磁同步電機轉子相連接，檢測電機轉子的磁極位置， 電源接通後對電機磁極初始位置進行檢測，電機工作時以脈衝州、屍厭屍Z輸出至 轉速磁極位置計算模塊；轉速磁極位置計算模塊計算得到電機實際轉速及磁極位置，實際轉速傳輸給 比較電路，磁極位置傳輸給CAN總線接口和帕克逆變換模塊；霍爾元件作為電流傳感器與電機定子相接，測量電機的V相電流和K相電流， 輸出至克拉克變換模塊；克拉克變換模塊根據^相電流和Z相電流計算得到"軸電流分量和《軸電流 分量，將G軸電流分量傳輸給比較電路和CAN總線接口，將^軸電流分量傳輸給 比較電路；比較電路比較給定轉速與增量編碼器得到的實際轉速，得到兩個轉速的差值， 通過比例積分調節後，產生力矩電流；比較電路將力矩電流和^軸電流分量進行 比較，所得差值通過比例積分調節後輸至電壓矢量計算模塊；比較電路將勵磁電 流指令J^0和"軸電流分量進行比較，所得差值通過比例積分調節後輸至電壓矢 量計算模塊；電壓矢量計算模塊根據比較電路的比較結果計算得到電機矢量電壓K和K， 矢量電壓K和^通過帕克逆變換模塊計算產生"軸電壓K。和》軸電壓K-， K。 和KW言號輸至空間矢量計算模塊運算得到P麗卜P觀6脈寬電壓，輸入至智能功率 模塊，產生仏K /f三相交流電壓，驅動永磁同步電機按給定的速度完成開關門；CAN總線接口將W軸電流分量、^軸電流分量、磁極位置輸出至CAN總線。
3、 根據權利要求l所述的電梯門系統狀態監測和故障預警系統，其特徵是， 所述性能分析子系統，包括CAN總線適配卡和性能分析模塊，CAN總線適配卡接 收CAN總線上數字量信號的磁極位置、^軸電流分量和《軸電流分量，輸出至性能 分析模塊，性能分析模塊記錄磁極位置、c/軸電流分量和^軸電流分量變化歷程， 計算《軸電流分量的峰值大小，得到電流預警閾值輸出至狀態監測和預警子系統。
4、 根據權利要求3所述的電梯門系統狀態監測和故障預警系統，其特徵是， 所述性能分析模塊，在門系統正常運行的工況下，記錄分析控制子系統發送的磁 極位置、"軸電流分量和。軸電流分量隨時間變化的過程，並將《軸電流分量的峰 值作為基準，同時模擬門系統出現強迫關門裝置失效、門扇阻塞或夾人、導軌間 磨損增大、皮帶輪打滑、機電連鎖失效故障情況下，記錄非正常狀態下的磁極位 置、^軸電流分量和G軸電流分量變化過程，計算g軸電流分量的峰值大小，與G 軸電流峰值基準進行比較，非正常狀態下的9軸峰值電流是基準峰值電流的 1. 15-1. 3倍,取1. 15-1. 3之間的某一值作為故障電流預警閾值並輸出至狀態監測 和預警模塊。
5、根據權利要求l所述的電梯門系統狀態監測和故障預警系統，其特徵是， 所述狀態監測和預警模塊，其包括CAN總線收發控制器、狀態監測預警模塊、數 據存儲模塊、數據顯示模塊和遠程數傳模塊，其中CAN總線收發控制器接收CAN 總線上數字量信號磁極位置、"軸電流分量和《軸電流分量，輸出至狀態監測預警 模塊，狀態監測預警模塊將《軸電流分量和性能分析模塊獲得的電流預警閾值進行比較，從而得到故障預警代碼並傳輸給遠程數傳模塊，同時狀態監測預警模塊 將磁極位置、^軸電流分量和^軸電流分量保存至數據存儲模塊，並在數據顯示模 塊進行實時顯示，遠程數傳模塊將預警代碼傳送至遠程控制中心。
全文摘要
一種電梯在線監測技術領域的電梯門系統狀態監測和故障預警系統，本發明中，控制子系統控制電梯開關門速度，並獲得電梯電機的磁極位置、d軸電流分量和q軸電流分量，並通過CAN總線傳輸給性能子系統以及狀態監測和預警子系統；性能分析子系統通過CAN總線接收磁極位置、d軸電流分量和q軸電流分量，計算q軸電流分量的峰值大小和開關門位置，得到預警電流閾值；狀態監測和預警子系統通過CAN總線接收磁極位置、d軸電流分量和q軸電流分量，將q軸電流分量和預警電流閾值進行比較，產生預警代碼。本發明通過CAN總線輸出磁極位置、d軸電流分量和q軸電流分量進行狀態監測和預警，不需額外的力傳感器和加速度傳感器。
文檔編號B66B13/00GK101259930SQ20081003583
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月10日 優先權日2008年4月10日
發明者榕 徐, 朱昌明, 旦 翁, 暉 胡, 鄭淑娟 申請人:上海交通大學