电梯制动控制系统的研制

了解电梯重量减轻对制动行为的影响以及解决该问题的制动控制系统的开发。

近藤力雄¹, 木川浩史¹, 上田孝春², 柴田正典¹, 桥本润¹, 千田明弘¹ 和丸茂秀明<sup>1

1</sup>日本三菱电机公司
²三菱电梯欧洲，荷兰

本文发表于 2010 年卢塞恩 ELEVCON 国际垂直运输技术大会，首次发表于 A. Lustig 编辑的 IAEE 书籍《电梯技术 18》。经国际电梯工程师协会 IAEE（网站：www.elevcon.com）许可重印。本文为原版重印，未经 ELEVATOR WORLD 编辑。 

关键词：电梯、制动、减速控制、电子安全、紧急

摘要 

电梯轿厢的减重有助于节能和减少资源消耗。 但是，减轻汽车的重量会在紧急停车期间引起更高的减速度。 这种更高的减速度也需要很大的牵引力。 为了解决这些问题，我们开发了一种基于IEC61508满足一般功能安全要求的制动控制系统。 所提出的系统通过实验进行了验证。 

1。 简介 

减重对于汽车、火车和飞机等交通运输行业来说是一个严重的问题，因为它直接影响能源和资源的总消耗。 为此，轻质结构和替代材料（例如纤维增强塑料）被广泛用于减轻系统重量。 对于作为建筑物中的垂直运输系统的电梯，这种减重问题也值得关注。 

然而，电梯系统在制动过程中存在一个特定的问题，这与轿厢重量的减轻密切相关。 在紧急情况下，电梯制动器不仅应在有限的减速模式内立即停止轿厢，而且应在停止后保持轿厢位置（紧急停止）。 减轻汽车重量会增加紧急停车时的减速度，并增加所需的牵引力。 由于制动力的设计要符合各国的系统要求和国家标准，我们开发了制动控制系统来解决这些问题。 

2. 减重对制动行为的影响 

由于电梯制动器在有限的减速模式内停止轿厢，因此制动器使轿厢减速超过一定的减速度。 图 1 显示了一个典型的单圈驱动和绳索系数为 1 的电梯系统。在这个系统中，考虑了重量减轻和轿厢减速之间的关系。 通常，当额定负载的配重部分低于 50% 时，紧急停止时出现最小减速度，并且 

图 1. 电梯模型

轿厢在满载状态下向下运行。 当最小减速度定义为 Greq 时，所需制动扭矩 T 由下式推导 其中 Mmax 是最大负载，Mcar 是轿厢重量，J 是曳引机的惯量，h 是额定负载的一部分，R 是驱动轮的半径，g 为重力加速度。 这些参数在方程式中被忽略。 (1)由于吊绳和补偿绳的总重量小。 通常，轿厢在空载状态下向下运行时，在紧急停止时会最大减速。 在这种情况下，最大减速度 Gmax 由方程式得出。 (2)。 

(2)

(3)

图 2 显示了方程式中汽车重量和减速度之间的关系。 (3)。 Greq（虚线）与汽车重量无关。 很明显，较低的汽车重量会导致 Gmax（实线）的减速度较高。 

图 2. 减速度对汽车重量的依赖性 

接着，以同样的方式计算最大牵引力。 当汽车空载向上运行时，紧急停车时需要最大牵引力Gtrac。 在这种情况下，Gtrac 被定义为减速。 Gtrac 在方程式中得出。 (4) 

(4)

(5)

当 h 低于 0.5 时，Gtrac 总是更高，而汽车重量 Mcar 更小。 牵引力由欧拉公式定义如下。 

（6）

式中，f 为摩擦因数，a 为驱动绳轮与绳索的包角。 等式的左侧。 (6)为牵引力，右侧为轿厢与对重的牵引比。 方程。 (6) 意味着由于较高的牵引比，汽车重量的减少需要较高的牵引力，这是由较轻的汽车重量 Mcar 和较高的减速度 Gtrac 引起的。 (5) 

如上所述，汽车重量的减轻不仅增加了紧急停止期间的最大减速度，而且增加了所需的牵引力。 继续

三、制动控制系统的开发 

上节所述的问题主要是由于制动力比实际需要的大。 因此，我们开发了一种制动控制系统（BCS），可以在紧急停止时保持适当的减速和足够的牵引力。 

3.1设计标准 

在紧急停止期间，传统系统会关闭提供给制动器的电源并激活制动器以停止汽车。 另一方面，我们的 BCS 检测紧急情况并在紧急停止期间充分控制减速，而不会违反安全要求。 为了建立安全设计，提议的 BCS 是基于 IEC61508 开发的，它规定了电气/电子/可编程电子安全相关系统的一般功能安全。 日本标准JISC0508已经在日本发布，作为IEC61508的翻译。 

3.2 系统的系统配置 

图 3 显示了整个 BCS 配置。 

BCS主要由两个主要单元组成。 一种是制动控制印刷电路板（Brake Control PCB），它与汽车控制印刷电路板（Car Control PCB）隔离，另一种是通过关闭制动线圈的电源来激活的电磁制动器. 电梯系统有超速检测调速器和坑内缓冲器。 

制动控制电路板在正常使用时根据汽车控制电路板的指令运行。 制动控制电路板通过安全电路的信号检测到紧急情况，并立即停止汽车。 急停时，制动控制电路板利用曳引机的编码器信号精确控制制动。 制动控制PCB的双系统相互比较，以保证其运行。 

图 4 显示了制动控制 PCB 的主要配置。 

图 4. 制动控制 PCB（印刷电路板） 

各区块主要设备说明如下； 

输入：车控PCB指令信号、安全电路信号、双编码器信号 

控制：CPU、内存、看门狗定时器（WDT）、时钟频率监视器和电源电压监视器 

输出：安全继电器和晶体管斩波器 

IEC61508设计的制动控制PCB主要具有以下自诊断监控功能： 

• 通过比较两个 CPU 算术运算的结果来相互监控 
• 每个 CPU 中都有一个看门狗定时器导致软件失控 
• 每个 CPU 的时钟频率 
• 电源电压 
• 通过相互检查两个编码器信号导致传感器故障 
• 安全继电器和晶体管斩波器故障 

3.3 控制方式 

图 5 显示了减速控制方法。 BCS 控制曳引机的速度以在紧急停止期间遵循目标速度模式。 由于目标速度模式具有一定的适度减速度，因此 BCS 可以比传统系统更好地降低汽车减速度。 

图 5. 使用 BCS 的控制方法 

当检测到紧急情况时，制动控制 PCB 首先生成目标速度模式。 然后，制动控制 PCB 检测每个控制周期的曳引机速度。 它通过斩波器调整制动线圈电压，以使用 BCS 控制速度。 当检测到的速度变得快于目标速度时，制动力强； 在相反的情况下，制动力变弱。 此外，制动控制电路板通过关闭安全继电器来切断电磁制动器的电源，以防止汽车超速行驶。 

4.实验结果 

4.1 提议控制的效果 

在本节中，展示了实验结果以验证我们的电梯系统 BCS。 为了阐明所提出系统的有效性，我们使用了一辆重量更轻的汽车进行实验。 因此，可以确认控制对汽车减重的效果。 

图 6. 实验结果

图 6 显示了检查结果的示例。 有控制的车速与没有控制的车速进行比较。 当制动控制 PCB 在垂直虚线所示的时间检测到紧急情况时，BCS 开始控制制动力。 结果表明，制动控制 PCB 跟随目标速度。 因此，汽车可以适度减速停止。 

4.2 降低汽车减速度的效果 

确定汽车减速的标准很重要。 一种方法是使用平均减速度，但这不适用于即时汽车减速度。 另一种方法是使用最大减速度。 但是，减速的持续时间被忽略。 

因此，我们使用基于脉冲的标准，参考 Eiband 方法 [1] 的评估。 但是，我们不采用 Eiband 图，因为牵引系统紧急停止时的减速度明显低于它。 脉冲 P 由下式推导出， 

P = M x (g + Gif) x Δ t, (7)

其中 M 是负载重量，Gif 是冲击作用于 M 时的向上加速度，g 是重力加速度，Δt 是减速的持续时间。 Gif 和 Δt 都只与方程中的系数中的电梯系统的减速运动有关。 (7)。 因此，按比例影响冲量的汽车减速度的评价指标定义为“Gif x Δ t”。 通过比较控制条件与非控制条件的 Δt 和 Gif 之间的关系来评估控制效果。 

图 7 显示了测量的汽车减速度示例，从减速度曲线评估 Gif 和 Δ t 的方法解释如下。 评估减速和减速持续时间； 响应动作减速 Gif1 的持续时间被评估为 Δ t1 和 Δ t2，对 Gif2 的评估为 ⊿ t3。 尽管 Gif1 有两个持续时间，但由于其冲动增加，因此采用较长的一个作为评估值。 继续

图 7 冲击力评价方法

图 8 显示了减速和持续时间的结果。 

图 8 冲击力评估 

由于配重比轿厢重，因此轿厢在空载情况下向下运动时会迅速减速，如 中细实线所示。 另一方面，当轿厢在满载状态下向下移动时，轿厢减速度太低以至于减速时间（细虚线）变长。 然而，由于提议的 BCS 独立于负载重量条件，粗实线和粗虚线非常相似。 

正常服务中发生的减速（或加速）无关紧要（图 8）。 然后，着眼于正常运行时的减速度，控制情况下的最大减速度低于无控制情况下的持续时间。 因此，'Gif x ∆ t' 减小，M 上的脉冲随着控制而减小。 

4.3 防滑绳效果 

图 9 显示了空载上升过程中紧急停止测试的结果。测试在一辆进一步减轻重量的车辆上进行，目的是使制动时驱动滑轮和悬挂绳之间发生滑动。在没有任何控制的情况下，由于电机快速减速，电机和绳索的速度会分离，也就是说，绳索在滑轮上打滑。然而，通过控制，牵引机的快速减速被抑制，制动过程中绳索没有在滑轮上打滑。 

图 9. 牵引力评估 

5。结论 

所开发的制动控制系统总结如下： 

1) 使用我们开发的 BCS 的电梯轿厢可以在紧急停止时实现适度的减速和牵引。 

2) 我们的 BCS 的可靠设计是基于可编程电子安全系统的国际标准实现的。 

3）通过原型系统验证了BCS的有效性，并引入了脉冲准则来评估减速控制。 

6. 参考资料 

[1] AM Eiband，“人体对快速加速度的耐受性：文献综述”，NASA备忘录第5-19-59E号，1959年