具有错误监视功能的旋转速度检测设备

摘要

本发明公开了一种速度和运动方向检测设备。该检测设备包括增量编码器，该增量编码器生成以120(电)度错开的三个脉冲。速度信号生成部接收编码器信号并生成脉冲信号，其频率与输入信号的频率成比例。编码器自测试部基于编码器信号监视编码器状态并检测编码器错误，且方向检测部基于编码器脉冲生成方向信号。即使在零速度的情况下，该检测设备也允许编码器进行自测试。与现有技术相比，容错型速度和运动方向检测设备提供了更高可靠性，并能够被应用在要求高安全性和高完善性的移动控制系统中。

说明书

技术领域

本发明一般地致力于移动控制系统(电梯、自动扶梯、电动机等)中的速度和运动方向检测，更具体地，本发明致力于一种速度和运动方向检测设备，该速度和运动方向检测设备通过利用电子部件而具有自测试功能、错误监视和诊断功能，其改进了容错性能，可靠性高。

背景技术

本发明在现有技术上进行改进，并且与高可靠性的速度和运动方向检测相比较，本发明的解决方案成本效率高。

如图1所示，移动控制系统(电梯、自动扶梯、电动机等)中的速度和运动方向检测通常利用生成(移位90电度)两个移位脉冲的增量编码器(光学型、磁型、感生型等)来进行。测量脉冲的频率可以找出电梯或自动扶梯的转速和移动速度。可以利用不同的方法检测运动方向。一种方法是：(例如)在信号A的下降沿生成事件时检测信号B的状态。如果信号B是逻辑1，则运动方向是顺时针的(CW，即向前的)。如图1所示，另一种方法是为每个编码器状态赋值十进制状态(3、1、0和2)。如果状态转变为：如图1中所示的3到1到0到2，则运动方向是顺时针的(即向前或向上的)。如果状态转变是反向的(见图1)，则运动方向是逆时针的(CCW，即向后或向下的)，这例如在美国专利第6,127,948号(Bidirectional synthesis of pseudorandomsequences for arbitrary encoding resolutions)中所公开。

图1中还示出了不同编码器状态之间的无效转变，该无效转变也能用于错误检测。然而，双脉冲编码器的缺点在于如果其中一个检测器失效的话，则不再可能对运动方向进行检测(对于运动方向检测来说需要两个移位信号，对于速度检测来说需要一个信号)。另一缺点是：由于当前状态下没有无效状态，基于当前状态的错误检测是不可能的。只有无效状态转变能够用于错误检测。

通常，速度和运动方向检测的可靠性在移动控制系统中是关键问题，在电梯和自动扶梯工业中尤其如此。而且，在一些国家中，与电梯相关的电流调节允许使用电子限速器，然而，强制的安全性和完善性要求被诸如以下专利所公开的具有自测试功能和监视功能的系统：国际专利第WO2007123522号(Rotary encoder withbuilt-in-self-test)和欧洲专利第EP1186432号(Printer having fault tolerant encoderwheel)。另一方法是使用具有比较关系的双通道或更多通道的系统。

考虑到具有检测系统故障的(附加的)比较功能的双通道系统，利用具有双移位脉冲的编码器(如图1所示)能够增强速度和运动方向检测的可靠性。美国专利第6,170,614(Electtronic overspeed governor for elevators)公开了具有用于电梯的应用的双通道系统。然而，这种系统要求安装在两个完全相同的编码器的同一轴上，这将显著增加系统的成本。而且，必须确保编码器精确对准。

因此，本发明提出的检测设备将克服这些缺点。

发明内容

根据本发明的优选的第一实施方式，一种速度和运动方向检测设备包括编码器，该编码器为速度信号生成部、方向检测部和编码器自测试部生成信号，所述速度信号生成部、方向检测部和编码器自测试部都与电梯或自动扶梯控制单元相接口。

编码器具有：以120电度等距安置的三个检测器；具有光学、磁或感应不对称性的盘，该盘机械地连接到电梯电机轴、调速器轴或调速器滑轮或自动扶梯轴。

然而，脉冲之间的可以不错开120(电)度，只要与该编码器相关的状态和状态转变与以120(电)度错开的三个脉冲的编码器相关的状态和状态转变相同就可以。在图3和图4中示出了具有以120电度等距安置的三个检测器的编码器的状态和状态转变。速度信号生成部接收编码器信号并生成脉冲信号，该脉冲信号的频率与输入信号的频率相等。方向检测部基于编码器脉冲生成方向信号，且编码器自测试部基于编码器信号监视编码器状态并检测编码器错误。

电梯或自动扶梯控制单元接收速度、方向和编码器自测试信号，该控制单元经由输入/输出端口与外部世界相接口，并能够在编码器/检测器故障的情况下激活安全系统。

本发明的编码器生成三个移位信号，其导致六个有效编码器状态和两个无效编码器状态。如果编码器自测试部检测到无效状态，则向电梯或自动扶梯控制单元报告编码器错误。基于电梯/自动扶梯当前状态和经由输入/输出端口所接收的信号，控制单元决定电梯/自动扶梯是否停止服务，电梯是否安全地移动到下一层或是否激活安全齿轮。

主要优点在于由于编码器自测试基于编码器当前状态，并不要求对先前状态的认识，所以在电梯或自动扶梯移动之前，在零速度，也能实现编码器自测试。

而且，编码器提供了三个移位信号，由于对于方向检测来说仅两个移位信号是必要的，因而可进行容错的速度和运动方向检测。

根据本发明优选的第二实施方式，一种容错型速度和运动方向检测设备包括：

-编码器，该编码器具有以120电度等距安置的三个检测器，具有光学、磁或感应非对称性的盘，该盘机械地连接到移动部件的轴(即电梯或自动扶梯电机轴、调速器轴或调速器滑轮、电机驱动轴等)；

-编码器自测试部(与本发明的第一实施方式中的完全一样)，该编码器自测试部基于编码器信号监视编码器状态并检测编码器错误；

-速度信号生成部，该速度信号生成部接收编码器信号并生成脉冲信号，所述脉冲信号的频率与输入信号的频率成比例；

-方向检测部，该方向检测部对编码器输入信号进行组合，并生成三个方向信号；

-错误监视和诊断部，该错误监视和诊断部检测编码器信号故障并生成用于方向信号选择的信号(选择正确的方向信号)，以及用于在分频器部中选择适当的分频因子的信号；

-方向信号选择部，该方向信号选择部基于由错误监视和诊断部提供的信息由从方向检测部接收到的信号中选择适当的方向信号；

-分频器部，该分频器部在以错误监视和诊断部指定的分频因子分离来自速度信号生成部的信号的频率之后输出速度信号。

然而，脉冲之间可以错开不同于120(电)度，只要与该编码器相关的状态和状态转变与具有以120(电)度错开的三个脉冲的编码器相关的状态和状态转变相同就可以。

如果仅一个编码器信号失效，则检测设备报告轻微错误并提供有效的方向和速度信号(针对一个编码器信号故障容错)。如果两个或多个信号失效，在这种情况下，报告严重错误，方向信息不再有效，并且速度信息只有在两个信号失效时有效。

容错型检测设备的主要优点在于，在轻微错误(一个编码器信号失效)的情况下提供有效的速度和方向信息，并允许移动控制系统在系统停止使用前继续或完成其任务(即电梯系统在由于编码器故障停止使用之前安全地移动到下一层)。

参照以下具体描述和附图，本发明的以上讨论的特征和优点以及其它特征和优点将被本领域的技术人员意识到并理解。

附图说明

图1是与具有双移位脉冲的编码器相关的示意图，该图示出了编码器状态和状态变化；

图2是应用于电梯和自动扶梯的具有自测试功能的速度和方向检测设备的框图，该框图示出了系统部件及其互相连接；

图3是示出了具有120度(电)错开的三个检测器的编码器的有效状态和状态转变的图；

图4是示出了在较少和较多编码器错误的情况下，具有120度(电)错开的三个检测器的编码器的有效状态转变的图；

图5是编码器自测试部的逻辑功能描述，是利用逻辑门的实现的示意性示例；

图6是具有自测试功能、错误监视和诊断功能的容错型速度和方向检测设备的框图，该框图示出了系统部件及其互相连接；

图7是示出了与容错型速度和运动方向检测设备相关的速度信号生成部、分频器部和方向检测部的图；

图8是示出了编码器错误监视和诊断部的用于方向信号选择的状态转变轨迹和状态机描述；以及

图9是示出了编码器错误监视和诊断部的用于分频因子选择的状态机描述。

具体实施方式

具有双检测器的编码器(现有技术)的状态转变和主要状态的示例已在本发明的背景技术中进行描述，并由图1示出，该编码器生成错开90度的双脉冲。

在图1中，为各编码器状态赋值，即十进制状态(3、1、0和2)。如果状态转变为：如图1中所示的3到1到0到2，则运动方向是顺时针的(CW)，即向前或向上的。如果状态转变是反向的(见图1)，则运动方向是逆时针的(CCW)，即向后或向下的。

图1中还示出了不同状态之间的无效转变，该无效转变也能用于错误检测(现有技术)。然而，主要缺点是由于在当前状态下没有无效状态，所以是不能基于当前状态进行错误检测的(只能基于无效状态的转变)。

为了促进基于当前编码器状态的错误检测，以下将对具有自测试功能的速度和方向检测设备进行更具体地描述。

现在参照图2，图2是示出了系统部件及其互相连接的具有自测试功能的速度和方向检测设备的框图。编码器10具有以120电度等距地设置的三个检测器11、12和13以及盘14(具有光、磁或感应不对称性)，该编码器10经由连接链路15与电梯或自动扶梯电机轴、调速器轴或调速器滑轮70机械连接。编码器10生成以例如120电度错开的三个脉冲1、2和3，这三个脉冲1、2和3由速度信号生成部20、编码器自测试部30和方向检测部40接收。

速度信号生成部20基于脉冲信号1、2和3生成速度信号21(输出信号21)。由于对于速度测量来说，一个信号就足够了，所以速度信号生成部20传递输入信号(1或2或3)的其中一个信号，在这种情况下，速度信号21的频率将等于输入信号的频率。生成速度信号21的速度信号生成部20的另一实现是利用异或(XOR)逻辑对输入信号进行组合，即，如果利用XOR逻辑对所有三个输入信号1、2和3进行组合，则速度信号21的频率将是输入信号的频率的三倍。如果只利用XOR逻辑对两个信号进行组合，则速度信号21(输出信号21)的频率将是输入信号的频率的两倍。

编码器自测试部30接收输入信号(1、2和3)并监视编码器状态，且检测编码器错误。基于负逻辑生成编码器错误信号31(输出信号31)，即：如果是编码器错误，则生成的编码器错误信号31是逻辑0，如果不是编码器错误，则生成的编码器错误信号31是逻辑1。

方向检测部40基于这三个错开的脉冲信号选择其中两个脉冲信号，并基于所选择的脉冲信号的状态转变生成旋转体的运动方向信号。因此，方向检测部40对两个编码器输入信号(例如信号1和信号2)进行组合并生成方向信号41。

电梯或自动扶梯控制单元50接收速度信号21、编码器错误信号31和方向信号41。基于电梯/自动扶梯当前状态和经由输入/输出端口52所接收的信号，控制单元50决定是否停止使用电梯/自动扶梯、电梯是否安全地移动到下一层或是否经由信号51激活安全齿轮60。

输入/输出端口52用于软件更新、初始化、运行状态、警报情况并监视控制单元50和外部设备之间的性能。

为了描述编码器自测试部，以下先对编码器10的有效状态和无效状态以及状态转变进行详细描述，并在图3和图4中示出。

参照图3，图3示出了编码器10的有效状态和状态转变。编码器10的六个有效状态被编码为S1、S2、S3、S4、S5和S6。如果状态转变为：S1到S2或S2到S3等，则运动方向为顺时针(即向前或向上)。如果状态转变是反向的(见图3)，则运动方向是逆时针的(即向后或向下)。

参照图4，图4示出了编码器10的无效状态和无效状态转变。两个无效状态被编码为S0(000)和S7(111)，并且无效状态转变被示出为朝向无效状态S0(朝向状态S7的转变可以被类似描述)。

从状态S1到S0、从状态S3到S0、从状态S5到S0的转变与一个信号故障相关。从状态S2到S0、从状态S4到S0、从状态S6到S0的转变与两个同时发生的信号故障相关。

在示例性例子中，我们假设编码器检测器具有pnp输出，常开(pnp晶体管切换到高输出)。在检测器故障、晶体管故障或电源故障的情况下，输出将被切换到低并将保持低。对于具有pnp输出的常关的检测器、具有npn输出的常开或常关的检测器，可以定义类似的转变。

定义了编码器有效和无效状态以后，下面对编码器自测试部30进行详细描述。

参照图5，图5为编码器自测试部30的逻辑功能描述。无效编码器状态被报告为编码器错误。编码器错误信号31(例如考虑了负逻辑)：在有效编码器状态(无编码器错误)的情况下，为逻辑1，在无效编码器状态(编码器错误)的情况下，为逻辑0。以上描述的逻辑功能可以利用逻辑门和电路来实现，在图5中示出了一个示例性示例。而且，如果需要，输出信号可以被储存在D锁存器中。

因此，本发明的第一实施方式描述了与电梯或自动扶梯控制单元相连接的具有自测试功能的速度和运动方向检测设备。编码器10生成错开120电度的三个信号，由于对于运动方向检测来说只有两个信号是必要的，对于速度检测来说只一个信号是必要的，所以可实现容错型速度和运动方向检测设备，并在本发明的第二实施方式中对其进行详细描述。

图6是本发明第二实施方式的具有自测试功能、错误监视和诊断功能的容错型速度和方向检测器的框图，该框图示出了系统部件及其互相连接。

以下将对本发明第二实施方式的部件及其互相连接进行具体描述。

与本发明的第一实施方式中的一样，编码器10生成以120电度错开的脉冲信号(1、2和3)，速度信号生成部22、编码器自测试部30(与本发明的第一实施方式的一样)、方向检测部42及错误监视和诊断部80接收该脉冲信号。

速度信号生成部22通过利用XOR逻辑对输入信号(1、2和3)进行组合来生成的速度信号23(信号F)。

编码器自测试部30与本发明第一实施方式一样地生成输出信号31。

方向检测部42成对地对编码器输入信号进行组合(即1和2、2和3、3和1)，并生成以D1、D2、D3表示的三个方向信号。

错误监视和诊断部80从编码器部10接收输入，并基于以S(n)表示的当前编码器状态和以S(n-1)、S(n-2)和S(n-3)表示的以前的编码器状态生成以P1、P2、P3及严重错误表示的信号(81、82、83和84)。信号81(P1)和信号82(P2)被方向信号部43用来选择适当的方向信号41。信号83(P3)监视在一个信号故障的情况下的无效状态转变，并且信号84(表示严重错误)监视严重编码器错误(两个或多个编码器信号故障)。

方向信号选择部43通过根据错误监视和诊断部80生成的信号81(P1)和信号82(P2)的函数选择(多路复用)输入信号(D1、D2或D3)中的一个，来生成方向输出信号41。

分频器部24从速度信号生成部22接收输入信号23，并根据编码器错误状态，用常数因子对输入信号进行分频。常数分频因子由信号83(P3)和信号84(严重错误)来定义。如果没有编码器错误(没有信号故障)，则由因子3(叁)对输入信号进行分频。如果有轻微编码器错误(一个信号失效)发生，则由因子2(贰)对输入信号进行分频。如果有严重编码器错误(两个或多个信号失效)发生，则保持输入信号的频率不改变。

根据本发明的第二实施方式的信号33(轻微错误)由部件32生成，作为信号31和信号83(P3)之间的逻辑和(AND)，对静态错误监视(部30)和动态错误监视(部80)进行了组合。静态错误监视与编码器当前状态相关，并且动态错误监视与编码器状态转变相关。

以下对速度信号生成部22、方向检测部42和分频器部24进行详细描述。

参照图7，图7是示出了速度信号生成部22的图，速度信号生成部22生成作为输入信号1、2和3的XOR组合的输出信号23。分频器部24接收输出信号23，利用根据信号83(P3)和信号84(严重错误)选择的分频因子1(壹)、2(贰)或3(叁)进行分频，然后生成输出速度信号21。方向检测部42利用以L1表示的已知的方向检测逻辑对在具有双移位脉冲的编码器中的编码器输入信号对(即1和2、2和3、3和1)进行组合，并生成以D1、D2、D3表示的三个方向信号。

在编码器错误监视和诊断部80中进行编码器错误监视和诊断，其中根据状态机生成用于方向信号选择的输出信号81(P1)和82(P2)，以下将对此进行详细描述。

参照图8，图8是示出了根据本发明第二实施方式的编码器错误监视和诊断部80的用于方向信号选择的状态机描述的图。如图8所示，可基于当前和先前的编码器状态转变检测哪个编码器信号失效。根据图8，编码器信号(无故障或故障)的状态被编码进用于选择方向信号的输出信号81(P1)和82(P2)，并代表用于方向信号选择部43的选择信号。状态转变表中示出了与轻微错误(一个编码器信号失效)相关的有效转变和无效转变。由于对于方向检测来说需要至少两个有效编码器信号，所以在严重错误(两个或多个信号失效)的情况下，不再可能进行方向检测。

由信号83(P3)和信号84(严重错误)指定的分频因子代表编码器错误监视和诊断部80的输出信号。在没有错误的情况下，分频因子应是3(叁)，在轻微错误(一个编码器信号失效)的情况下，应是2(贰)，并且在严重错误(两个或多个编码器信号失效)的情况下，应是1(壹)。以下利用状态机描述对错误检测和诊断以及信号83(P3)和信号84(严重错误)的生成进行详细描述。

图9是示出了根据本发明第二实施方式，用于分频因子选择的编码器错误监视和诊断部80的状态机描述的图。当前和先前的编码器状态转变(如状态转变表中所示)被用于检测编码器信号故障。通过输出信号83(P3)监视一个编码器信号故障，通过信号84(严重错误)监视两个编码器信号故障。根据速度信号生成部22，如果没有编码器信号故障，则输出信号23的频率将是输入信号的频率(信号1、2和3具有相同频率)的三倍。如果一个编码器信号失效，则输出信号23的频率将是输入信号的频率的两倍。如果两个编码器信号失效，则输出信号23的频率将等于输入信号的频率。

因此，由信号83(P3)和84(严重错误)选出的分频因子(如图9中所示)在没有错误的情况下应是3，在轻微错误(一个信号失效)的情况下应是2，并在严重错误(两个信号失效)的情况下应是1。

可以将由容错型速度和运动方向检测设备生成的输出信号21(速度)、41(方向)、33(轻微错误)和84(严重错误)发送给移动控制单元。

本发明的第一实施方式公开了用于电梯和自动扶梯的具有自测试功能的速度和运动方向检测设备。该检测设备包括增量编码器，该增量编码器生成以120(电)度错开的三个脉冲。然而，脉冲之间可以错开不同于120(电)度，只要与该编码器相关的状态和状态转变与具有以120(电)度错开的三个脉冲的编码器相关的状态和状态转变相同就可以。

速度信号生成部接收编码器信号并生成脉冲信号，其频率与输入信号的频率成比例。

编码器自测试部基于编码器信号监视编码器状态并检测编码器错误，且方向检测部基于编码器脉冲生成方向信号。

速度信号、编码器自测试信号和方向信号被发送给电梯或自动扶梯控制单元。即使在零速度的情况下，检测设备也允许编码器进行自测试。可以在电梯或自动扶梯移动之前对编码器错误(失效)进行检测，与现有技术相比这是一个优点。

本发明的第二实施方式公开了用于速度和运动方向检测的具有自测试功能、监视和诊断功能的容错型编码器。

在较少编码器错误(一个编码器信号失效)的情况下，检测设备提供正确的速度和运动方向信息。在较多编码器错误(两个或多个编码器信号失效)的情况下，检测设备报告严重错误，并且，如果两个编码器信号失效，则检测设备能够提供正确的速度信息。

与现有技术相比，容错型速度和运动方向检测设备提供了更高可靠性，并能够被应用在要求高安全性和完善性的移动控制系统中。

如上所述，根据本发明的第一实施方式，提供了一种用于输出脉冲信号的编码器，由于三种脉冲信号错开120电度，所以该编码器每180电度重复导通/截止(ON/OFF)。在这种配置下，基于三个错开的脉冲信号生成八个编码器状态。而且，八个编码器状态被分为六个有效编码器状态和两个无效编码器状态(见图3和图4)。

因此，基于三个错开的脉冲信号，编码器自测试部30(相应于静态错误诊断部)监视两个无效编码器状态(相应于图4中的S0和S7的状态)的发生，以静态地检测编码器错误状态(见图4和图5)。

速度信号生成部20基于三个错开的脉冲信号选择其中一个脉冲信号，并生成具有与所选的脉冲信号频率成比例的频率的脉冲信号作为速度信号(见图3)。

方向检测部40基于三个错开的脉冲信号选择其中两个脉冲信号，并基于所选择的脉冲信号的状态转变生成旋转体的运动方向信号(见图3)。

另选地，如上所述，根据本发明的第二实施方式，基于三个错开的脉冲信号，三个脉冲信号的当前状态和达到该当前状态的先前状态转变受到监视以识别出三个脉冲信号中的一个信号作为其状态转变不受影响的脉冲信号，换句话说，在该脉冲信号中确认存在转变错误(见图8和图9)。

因此错误监视和诊断部80(相应于动态错误诊断部)基于从信号的当前状态和三个先前状态的记录获得的数据，监视三个脉冲信号的状态转变，以动态地检测第二编码器错误状态(见图6、图8和图9)。另外，可在三个脉冲信号中识别出其中发生了错误的脉冲信号。此外，可以以严重编码器错误信号和轻微编码器错误信号能够彼此区分的方式，输出表示两个或多个脉冲信号失效的严重编码器错误信号，以及输出表示仅一个脉冲信号失效的轻微编码器错误作物信号(见图9)。

计算部32生成轻微编码器错误作为编码器自测试部30(相应于静态错误诊断部)所获得的错误检测结果及由错误监视和诊断部80(相应于动态错误诊断部)所获得的错误检测结果的逻辑AND组合，并输出该轻微编码器错误(见图6)。

速度信号生成部22和分频器部24基于包括均由错误监视和诊断部80输出的严重编码器错误信号和轻微编码器错误的编码器错误状态的检测结果，选择三个脉冲信号中的一个正常工作的信号以生成脉冲信号作为速度信号，该脉冲信号具有与所选脉冲信号的频率成比例的频率(见图6和图9)。

速度信号生成部22获得作为三个脉冲信号的异或组合的组合信号(见图7)。然后，分频器部24基于由错误监视和诊断部80获得的编码器错误状态的检测结果，遵循以下描述的三个步骤生成速度信号(见图7和图9)。

(1)在没有接收到编码器错误状态信号的情况下，基于组合信号，通过以因数3对该组合信号进行分频，生成速度信号。

(2)在接收到轻微编码器错误信号的情况下，基于该组合信号，以因数2对该组合信号进行分频，生成速度信号。

(3)在接收到严重编码器错误信号的情况下，基于该组合信号，在不对该组合信号进行分频的情况下，生成速度信号。

方向检测部42基于三个错开的脉冲信号，生成三种信号对(见图7)。此外，方向信号选择部43基于包括从错误监视和诊断部80输出的轻微编码器错误信号的编码器错误状态的检测结果，选择三种信号对中的一对作为包括正常工作的两个信号的信号对，以生成运动方向信号(见图6和图8)。

应注意的是，三个错开的脉冲信号不是必须错开120电度。根据上述方法，信号可以以不同于120电度的任意电度错开，只要信号允许执行静态错误检测、动态错误检测、速度信号检测和运动方向检测即可。