基于有轨制导车辆的多维度电梯物理模型建立与控制系统研究

杨红娟，周 谦，李凯凯，王 磊，张兰斌

（1.山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南250101；2.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101）

随着经济的高速发展和城市化进程的不断推进，越来越多的高层建筑和智能建筑拔地而起，建筑的规模和跨度不断扩张，作为高层建筑内必不可少的交通运输工具——电梯的应用越来越广泛［1］。与此同时，人们对于电梯的性能和服务质量的要求也不断提高，在上下行高峰期，传统电梯通常难以应对巨大的客流压力，导致乘客候梯时间大幅度增加，影响乘梯体验，仅能通过增加电梯数量和加大轿厢负载等方式缓解运输压力［2-3］。此外，传统电梯无法实现水平方向的运行，在大跨度建筑物内，乘客到达目的层离开轿厢后仍需步行较长时间到达最终目的地。因此，传统电梯已经难以满足现代高层建筑的交通需求。

近年来，国内外众多学者和公司围绕提高电梯运行效率的问题进行了一定的研究。潘阿锁［4］提出一种层间距可调节双层轿厢高速电梯结构，轿厢设计为上下两层串联结构，同时在上层轿厢顶部设置驱动调节机构，能够调节上下层轿厢间距，双层轿厢结构大大增加了单次运输量，同时间距可调的设计使电梯能够服务于不同层高的建筑，但增加单个轿厢不能从根本上提高运行效率。刘本林等［5］提出一种多轿厢链式循环电梯设计方案，由电机驱动链轮带动悬挂在链条上的轿厢在井道内循环运行，有效提高了电梯运行效率，但轿厢不能独立运行，且无法实现横向移动。王超宇等［6-7］提出一种循环升降电梯的创新设计，为每条电梯井道配备一台曳引机，曳引机通过传动装置驱动纵向导轨上的轿厢架绕着纵向导轨循环运行，但这种方案仅能使轿厢在最低层和最高层进行水平移动，无法实现任意层横移，水平运输效率不高。上述方法虽都提高了电梯的运行效率，缓解了客流压力，但还存在不足。因此，为了满足大跨度环形建筑内乘客的乘梯需求，提出一种基于有轨制导车辆（Rail Guided Vehicle，RGV）的多维度电梯设计方案，对电梯结构、控制系统、调度策略等方面进行了创新优化，实现了电梯轿厢在垂直方向的循环运行和水平方向环形运行，有效提高大跨度高层建筑内乘客的移动效率。

1 结构设计

1.1 整体结构设计

为实现电梯垂直循环运行和水平横移，设计了一种基于RGV的多维度电梯，主要结构包括曳引系统、T型轨道、垂直轿厢、导靴、链轮、链条、RGV轿厢、水平环形轨道，整体结构如图1所示。

图1 基于RGV的多维度电梯整体结构Fig.1 Overall str uctur e of multi-dimensional elevator based on RGV

该电梯在一个井道中设置了多个可垂直循环运行的垂直载客轿厢和转运轿厢，垂直载客轿厢负责垂直方向上的乘客运输；转运轿厢负责承载RGV轿厢。与传统电梯相比，此设计提高了垂直方向上的运输效率，克服了传统单个轿厢占用单个井道所带来的建筑空间浪费的问题；在多个建筑物之间的多个垂直井道间安装环形横移轨道，通过RGV轿厢可以实现乘客在不同电梯井道间水平方向的输送任务。

1.2 电梯实物模型的搭建

为进一步验证基于RGV的多维度电梯设计的可行性，完善电梯系统控制方案，基于以上分析设计，搭建了电梯实物模型，如图2所示。

图2 基于RGV的多维度电梯实物模型Fig.2 Multi-dimensional elevator physical model based on RGV

电梯模型的框架由30 mm×30 mm的铝合金型材及配属连接件构建而成，制作连接方便，便于拆卸和重组。每个电梯井道顶板和底板选用厚度为10 mm的亚克力板制作，T型导轨垂直安装在顶板与底板之间。电梯井道之间通过水平环形轨道相连接。在垂直的电梯井道中，垂直载客轿厢和水平转运轿厢间隔一定的距离，分别连接在两条平行排布的链条上。垂直载客轿厢和水平转运轿厢的两侧安装有导靴，配合垂直安装的T型导轨和导向板做上下循环运行，保证了轿厢在运行过程中的平稳性。导向板上下两端设计为∩形，为垂直载客轿厢和水平转运轿厢运行到顶端或低端时，在水平运动与垂直运动之间切换进行导向。安装于顶板上面的步进电动机，通过链轮驱动链条带动垂直载客轿厢和水平转运轿厢在井道里沿着轨道垂直循环运行，且垂直载客轿厢和水平转运轿厢始终处于竖直方向，轿厢内的乘客不受影响。

2 控制系统设计

2.1 控制系统整体方案设计

系统的主机需要与8个从机（4个层站操控面板，4个选层操作面板）通过I2C总线方式进行通信，与2个RGV轿厢进行无线通信，实现对2个步进电机的控制和对2个行程开关的状态检测［8-10］。控制系统结构如图3所示。

图3 控制系统结构图Fig.3 Structure diagram of control system

本电梯系统的主机选用AVR单片机ATmega2560作为主控板，其具有54路数字输入/输出口（其中15路可作为PWM输出），15路模拟输入，内置的4路UART可以与外部实现串口通信，内嵌的TWI接口（SDA和SCL）可以实现I2C总线通信。由于I²C通信移植性好，I²C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本，因此，主机与层站操作面板（从机1~从机4）和选层操作面板（从机5~从机8）均采用I²C总线的方式进行通信。RGV轿厢与主机之间通过CC1101无线通信模块进行通信。

2.2 曳引系统控制电路设计

曳引系统的动力源为步进电机，仅需通过ATmega2560控制步进电机转动即可实现对曳引系统的控制。步进电机需要通过步进电机驱动器进行驱动，ATmega2560单片机中3个IO口分别与步进电机驱动器ENA+、DIR+、PUL+相连，步进电机有4条励磁信号引出线A+、A-、B+、B-，通过控制这四条引线上励磁脉冲产生的频率，即可调节步进电机的转速，图4为步进电机的连接图。

图4 步进电机的连接图Fig.4 Connection diagram of stepping motor

2.3 RGV轿厢控制电路设计

RGV轿厢的作用是将乘客从一个井道送至另一个井道，实现电梯的横向运输。RGV轿厢以直流电机作为动力装置，通过ATmegaA328P-AU控制L298N驱动两组直流电机运转，其控制电路原理如图5所示。L298N的4个输入端IN1~IN4引脚连接ATmegaA328P-AU的IO口A2~A5，L298N的4个输出端OUT1~OUT4引脚连接两组直流电机。RGV轿厢通过CC1101无线通信模块与主机进行通信，CC1101无线通信模块电流损耗低，最高传输速度可达500 kbit/s，可在-40℃~+85℃温度下工作，接收灵敏度-108 d Bm，满足RGV轿厢的工作要求。

图5 RGV轿厢控制电路原理图Fig.5 RGV car control circuit schematic diagram

2.4 层站操作面板的设计

与传统电梯操作面板有所不同，本电梯的层站操作面板在传统操作面板的基础上增加了横移按键与水平运行电梯所在楼层显示数码管。电梯的层站操作面板上设置了3个呼梯按钮，分别为上行呼梯按钮、下行呼梯按钮和水平呼梯按钮。该模块上有两个数码管，一个数码管用于显示垂直运行电梯所在的楼层，一个数码管用于显示水平运行电梯所在的楼层，层站操作面板具体外观如图6所示。

图6 层站操作面板外观Fig.6 Appearance of landing operation panel

层站操作面板选用ATmega32u4作为主控芯片，通过I²C总线与主机进行通信。电梯启动后，层站操作面板将进行初始化操作，SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）被置为高电平，层站操作面板通过Wire.begin（）函数加入I²C网络，端口2~6被置为输入状态，等待呼梯命令的信号输入，其中一个层站操作面板的初始化程序如下：

2.5 轿厢操作面板的设计

轿厢操作面板主要用于实现轿厢内选层和开关门。操作面板上设有电梯楼层显示数码管和电梯上下运行指示灯，6个选层按键分别对应6个指示灯，选层按键和开关门按键及其指示灯电路如图7所示。S2、S3、S4、S5分别对应4个楼层的选择按键，S6、S7对应开关门按键，L1~L6分别与S1~S6对应连接。按下每个选层按键，相应的指示灯会点亮，登记选层信号；当电梯到达指定楼层时，相应的指示灯灭掉，完成选层的消号；电梯轿厢门的开关门按键具有相同的原理。

图7 选层按键、开关门按键及其指示灯电路图Fig.7 Circuit diagram of layer selection button，door opening and closing button and indicator light

3 电梯系统调度方案

基于RGV的垂直循环式环形横移电梯，实现了轿厢的垂直循环运行和水平环形运行，运行流程如图8所示。

图8 电梯运行流程图Fig.8 Elevator operation flow chart

电梯具体调度方案如下：

（1）电梯启动，开始执行初始化程序，等待乘客呼叫。

（2）乘客在某楼层按下上行呼梯按钮，层站操作面板上的上行呼梯按钮变成红色。该操作面板向主机发送启动信号，步进电机启动，带动链条转动，此时程序执行A井道内的垂直载客轿厢上行指令。当垂直载客轿厢到达呼梯楼层，上行呼梯按钮熄灭，乘客进入垂直载客轿厢，选择目的楼层，此时目的楼层按键变成红色，该操作面板向主机发送信号，步进电机启动，将乘客送达至目的楼层。

（3）乘客在某楼层按下下行呼梯按钮，层站操作面板上的下行呼梯按钮变成红色。该操作面板向主机发送启动信号，步进电机启动，带动链条转动，此时程序执行B井道内的垂直载客轿厢下行指令。当垂直载客轿厢到达呼梯楼层，下行呼梯按钮熄灭，乘客进入垂直载客轿厢，选择目的楼层，此时目的楼层按键变成红色，该操作面板向主机发送信号，步进电机启动，将乘客送达至目的楼层。

（4）乘客在某楼层按下水平呼梯按钮，该层的层站操控面板上水平呼梯按钮变成红色，该操作面板向主机发送启动信号，步进电机启动，带动链条转动，A井道或B井道中携带RGV轿厢的水平转运轿厢到达呼梯楼层，水平呼梯按钮熄灭，乘客进入RGV轿厢等待，此时转运轿厢根据程序设置运行到架有环形轨道的楼层，主机通过CC1101无线通信向RGV轿厢传送启动指令，RGV轿厢沿环形轨道进行横移，对应的井道中空载的水平转运轿厢根据程序设计在对应楼层进行接应，横移结束，水平转运轿厢承载RGV轿厢将乘客送至目标楼层。

4 结语

本文面向环形建筑物提出一种基于RGV的多维度电梯的新结构形式，对电梯结构、控制系统、调度策略等方面进行了创新设计。在垂直方向上采用链传动，将轿厢安装在链条上，使得单个井道中可以安装多个轿厢，实现了轿厢在垂直井道内的循环运行，提高了电梯垂直运输效率。在水平方向上，设置RGV轿厢并架设环形工字型横移轨道以连接不同的电梯井道，实现电梯轿厢在水平方向的环形运行。在控制系统中，改进现有楼层外呼面板和轿厢选层面板结构，设计电梯水平与垂直运行控制系统，使得操作更加便捷高效。基于RGV的多维度电梯，在传统电梯结构上改进创新，实现了电梯从单维度运行到多维度运行的重大突破，具有重大的工程实践价值。