基于直接转矩变频调速技术的智能高层电梯控制系统设计
日期：2010-8-19 22:10:44 点击：
来源：中国工控网
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1 电梯驱动系统的要求
驱动系统的性能直接影响电梯的起动、制动、平层精度和乘坐的舒适性等。例如交流变极调速系统，通过改变电机的极数进行调速，虽然线路简单，成本低，但只有两或三种转速可选择，仅使用于额定速度<1 m/s的电梯。交流调速系统采用相控的晶闸管闭环调压调速，采用涡流制动或反接制动等方法实现制动减速，从而使乘坐舒适感、平层精度较前有所改善，主要用于速度在<2．5 nl／s以下的电梯。常规的VVVF控制的异步电动机具有节能、高效、驱动控制设备体积和重量小的优点，运行速度仍然不高。目前国内电梯生产的瓶颈在于低速大转矩和超高速电梯变频调速系统的应用和实现。
2变频调速技术优点
KONE公司将直接转矩控制技术引入到电梯中，形成了TM系列。该DTC系统有下述特点：
①提供了一种比目前的矢量变换控制调速系统快10倍的力矩反应时间。其动态性能超过现在所有的拖动系统。
②建立了合适的电机模型，并备有相应的软件，可以精确计算电机模型。在自动跟踪运行过程中，该模型被输入电机的各种参数，基于这种信息系统始终可以精确计算电机的运转情况。
③电梯的实际速度能快速地跟踪指令速度，从而带来极好的运行舒适感。这得益于DTc系统快速的力矩反应和高的增益。
④即使在零速时，仍能保持力矩，从而避免了常规系统在零速上下波动、使平层不平稳的缺点。
3基于直接转矩变频技术的智能高层电梯控制系统硬件设计
电梯是一种典型的机电一体化产品。其控制可分为拖动系统的调速控制与选层系统的逻辑控制两大方面。调速控制是指对电梯从起动到平层整个过程中速度的变化规律进行控制，从而减轻人在乘坐电梯时由于起、制动过程中加、减速产生的不舒适感(上浮、下沉感)，并保证平层停车准确可靠。与选层系统的逻辑控制相比，调速控制更为复杂。其控制性能的优劣在很大程度上决定着电梯产品的性能和质量。图1示出基于直接转矩变频技术的智能高层电梯控制系统。
本系统由曳引异步电动机、变频器、主控器DsP320LF2407、轿厢节点及各层站节点控制器、轿厢门机系统、各种传感器及调理电路等组成。
3．1硬件设计
1)曳引异步电动机
根据使用场合如楼层层数、速度、载客、载货等要求选择三相交流鼠笼电动机7．5 kw～40kw；电压等级220 VA、380 VAc、480 VAc。
2)逆变电路
直流电源采用单相交流电源经整流得到。为限制系统在上电时过大的电流冲击，在直流回路中加入了限流电阻。系统上电一定时间后，再将该电阻短接，以防止正常运行时限流电阻上的功率损失，同时避免长时期串入限流电阻造成电源内阻增大所带来的不利影响。图2为主电路图。
逆变桥采用智能功率模块(IPM)，不但节省许多外围电路，系统运行更稳定可靠。IPM与普通IGBT模块相比，在系统性能和可靠性方面进一步提高，并使设计和开发变得简单。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小。
逆变器的输出相电压由直流电压与PwM开关信号计算得到，所以在系统中只需要检测直流电压与两相相电流。其中相电流的检测、直流电压均采用LEM电流传感器和电压传感器，传感器输入量程可通过信号调理电路改变为满足O v～3 v的要求。
3)TMs320I．F24处理器
TMs320u2407芯片除了与逆变主回路实现电梯拖动系统的变频调速功能外，还含有一个独立的cAN控制器模块，是一个完全的16位cAN控制器。该控制模块完全支持cAN2．OB协议，可以作为主节点的通讯控制器，即负责与各轿厢控制器、层站控制器相互通讯，并发送控制指令来控制电梯的运行。
系统运行时需要实时人机对话，比如，显示楼层、转速、转矩、运行正常与否，故障情况显示、键人人为命令信息等。因此需要键盘显示器。
采用八段码显示驱动芯片MAX7221和八段数码管构成显示电路。利用DsP2407的sPl串行外设接口的主模式控制显示数据流的输出。本设计采用8个独立式按键(命令，增减键等)通过与门与DsP2407的外部引脚中断xINTl相连，一旦有按键动作，产生从高到低的跳变，引发DsP2407的外部中断，从而进入按键识别和查询，判键散转等实现人机对话。
本系统采用光电编码器实现电梯准确定位和测速，即在曳引异步电动机轴上安装光电编码器。
异步电动机转动时，向DsP2407发出脉冲信号，利用内部计数器进行计数，并与DsP预设楼层值进行比较，就能准确确定当前电梯位置。例如每层发出10000个脉冲，层高为4 m，理论分析信号误差少于1 inm。考虑误差，可设置底层或顶层校正，利用感应器或其他开关元件，当电梯到达底层或顶层时清零或置一确定数；也可以通过计算每秒内光电编码器输出脉冲的个数，反映电动机的转速，即作为电梯的速度反馈信号与给定的速度信号构成速度闭环系统，实现对电梯的速度控制。
本设计中重量检测传感器采用电阻应变片式传感器。其输出的信号经全桥处理电路和性能优良的仪表放大器放大到一定值、经A／D转换变成数字信号后送人LF2407高速模数转换端口，一旦当电梯出现超载时，电梯门不能关闭、不能选层、同时切断相应的供电回路，使电梯不能启动，并满足规定要求，实现对电梯的超载保护。另外还可以送到电梯轿厢内显示轿厢内的实际重量，给电梯乘客指示当前轿厢内的实际重量，使电梯乘客感到直观并且不容易出现超载现象。
3．2硬件设计
各层站节点控制器：采用带有cAN总线控制器模块的单片机P87c52X2，cAN总线控制器SJAl000和总线物理接口TA1050T构成系统的局域网控制见图3。主要用于控制电梯门、传输轿厢节点、层站节点呼梯信号、实时显示电梯的位置等。
系统通讯原理：轿厢控制器及层站控制器将采集到的信号发送到cAN总线，主控器根据这些信号选择最优的电梯运行速度信号，结合专用线路上的安全信号、光电编码器脉冲信号等发出选层、定向、变速和平层等指令，控制轿厢的运行及门机的动作，并将轿厢的位置信号发送到cAN总线上。显示模块则相应地进行LED显示。
4基于直接转矩变频技术的智能高层电梯控制系统软件设计
基于直接转矩变频技术的智能高层电梯控制系统软件设计包括系统主控器软件、系统轿厢节点、各层站节点控制器软件设计及cAN总线的通讯协议制定等。
系统主控器软件分主程序、各种中断程序、定时器l、定时器2中断程序等。主程序主要完成系统初始化、各种类型中断初始化、cAN全局广播子程序、sH送显子程序等实时性要求不高的功能程序。
在数字化电梯系统的设计中关键部分是主控器中的直接转矩控制算法。其主要体现在定时器1中断程序中。定时器l中断程序实现了对磁链和转矩的直接控制。该模块设计的好坏直接影响到系统控制性能的好坏，因此应尽可能简化计算过程，提高程序执行的效率，来达到缩短中断周期提高系统性能的目的，但同时也要考虑系统逆变器的开关频率。算法流程如图4所示。由于一个采样控制周期给出一次逆变器的状态调整，而逆变器的开关频率需要限制在5 kHz到20 kHz之间，因此设定定时器1的时钟频率为10 kHz，即中断周期为10s。这样，逆变器的开关频率就为10 kHz。
A／D转换采用LF2407A内部的两个10位的_A／D转换器实现，最小转换时间为500 ns。PWM输出采用LF2407A芯片EVA模块的WM。1～PWM6引脚。
在cAN中断通讯程序中，主要完成辨识轿厢，及各层站的呼梯信号，并根据当前电梯位置，给出加速、减速、平层速度信号等。
定时器2中断模块一般来说，速度的变化相对于磁通、转矩等电磁量来说相对缓慢，因此可以设置较长的中断周期，在这里设为1 ms。定时器2中断模块根据cAN接收中断程序中计算的给定转速和光电编码器所测转速实现转矩PI调节器，即计算参考转矩。
系统轿厢节点、各层站节点控制器的软件设计包括主程序(系统及各中断程序初始化，接收送显主控器全局广播信息等)、cAN发送接收中断程序(接收主控器全局广播信号，各层站呼梯信号的接收，发送各站点呼梯信号等)，按键外部中断中实现各层站、轿厢站点呼梯信号的接收及开关门信号等。
CAN总线的通讯协议设计可参见参考文献『6—7]。
5仿真实验结果
为了检验DTC控制系统的性能，对控制系统进行了电机带载时在零速、低速、高速下运行的速度曲线跟踪仿真实验。这些状态下的速度曲线跟踪性决定了电梯的运行性能、可靠性、乘客的舒适性和平层的精确性均与仿真实验用的异步电动机参数：功率：37 kW，额定电压：460 V．
图5(a)示出电机给定转速ne=0，突加80％负载时转子给定n。和实际转速n、转速定子相电流，。及电磁转矩的波形。图5(b)示出电机带80％负载起动至低速200 r／rain后停止过程中的转子给定ne和实际转速n转速定子相电流I及电磁转矩的波形。转速图5(c)示出电机带80％负载起动至高速1 400 r／raln时转子给定ne转速和实际转速n、定子相电流ia、电磁转矩的实验波形。
由上述实验结果可知，该DTC控制系统在零速、低速和高速状态下都有良好的速度曲线跟踪和适应负载能力性能。
6结语
TMS320LF2407为CPU、以CAN总线网络实现各通讯硬件和软件设计。实验表明，所设计的基于DTC控制系统不论是在低速、大转矩，还是在超高速条件下均具有优异的速度跟踪性能，为电梯控制系统的实现奠定了一定基础。
［摘要］：以直接转矩变频调速原理在电梯中的应用为目标，介绍了电梯控制系统的组成。以TNS320LF407为核心cPU，以cAN总线网络实现各控制器间通讯系统的硬件和软件设计。仿真和实验结果表明，所设计的电梯控制系统不论是在低速大转矩还是在超高速条件下均具有优异的速度跟踪性能。
［关键词］：直接转矩控制 电梯 感应电动机 cAN总线 控制系统
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1 电梯驱动系统的要求
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驱动系统的性能直接影响电梯的起动、制动、平层精度和乘坐的舒适性等。例如交流变极调速系统，通过改变电机的极数进行调速，虽然线路简单，成本低，但只有两或三种转速可选择，仅使用于额定速度<1 m/s的电梯。交流调速系统采用相控的晶闸管闭环调压调速，采用涡流制动或反接制动等方法实现制动减速，从而使乘坐舒适感、平层精度较前有所改善，主要用于速度在<2．5 nl／s以下的电梯。常规的VVVF控制的异步电动机具有节能、高效、驱动控制设备体积和重量小的优点，运行速度仍然不高。目前国内电梯生产的瓶颈在于低速大转矩和超高速电梯变频调速系统的应用和实现。
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2变频调速技术优点
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KONE公司将直接转矩控制技术引入到电梯中，形成了TM系列。该DTC系统有下述特点：
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
①提供了一种比目前的矢量变换控制调速系统快10倍的力矩反应时间。其动态性能超过现在所有的拖动系统。
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②建立了合适的电机模型，并备有相应的软件，可以精确计算电机模型。在自动跟踪运行过程中，该模型被输入电机的各种参数，基于这种信息系统始终可以精确计算电机的运转情况。
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③电梯的实际速度能快速地跟踪指令速度，从而带来极好的运行舒适感。这得益于DTc系统快速的力矩反应和高的增益。
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④即使在零速时，仍能保持力矩，从而避免了常规系统在零速上下波动、使平层不平稳的缺点。
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3基于直接转矩变频技术的智能高层电梯控制系统硬件设计
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电梯是一种典型的机电一体化产品。其控制可分为拖动系统的调速控制与选层系统的逻辑控制两大方面。调速控制是指对电梯从起动到平层整个过程中速度的变化规律进行控制，从而减轻人在乘坐电梯时由于起、制动过程中加、减速产生的不舒适感(上浮、下沉感)，并保证平层停车准确可靠。与选层系统的逻辑控制相比，调速控制更为复杂。其控制性能的优劣在很大程度上决定着电梯产品的性能和质量。图1示出基于直接转矩变频技术的智能高层电梯控制系统。
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本系统由曳引异步电动机、变频器、主控器DsP320LF2407、轿厢节点及各层站节点控制器、轿厢门机系统、各种传感器及调理电路等组成。
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3．1硬件设计
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1)曳引异步电动机
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根据使用场合如楼层层数、速度、载客、载货等要求选择三相交流鼠笼电动机7．5 kw～40kw；电压等级220 VA、380 VAc、480 VAc。
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2)逆变电路
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直流电源采用单相交流电源经整流得到。为限制系统在上电时过大的电流冲击，在直流回路中加入了限流电阻。系统上电一定时间后，再将该电阻短接，以防止正常运行时限流电阻上的功率损失，同时避免长时期串入限流电阻造成电源内阻增大所带来的不利影响。图2为主电路图。
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逆变桥采用智能功率模块(IPM)，不但节省许多外围电路，系统运行更稳定可靠。IPM与普通IGBT模块相比，在系统性能和可靠性方面进一步提高，并使设计和开发变得简单。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小。
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逆变器的输出相电压由直流电压与PwM开关信号计算得到，所以在系统中只需要检测直流电压与两相相电流。其中相电流的检测、直流电压均采用LEM电流传感器和电压传感器，传感器输入量程可通过信号调理电路改变为满足O v～3 v的要求。
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3)TMs320I．F24处理器
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TMs320u2407芯片除了与逆变主回路实现电梯拖动系统的变频调速功能外，还含有一个独立的cAN控制器模块，是一个完全的16位cAN控制器。该控制模块完全支持cAN2．OB协议，可以作为主节点的通讯控制器，即负责与各轿厢控制器、层站控制器相互通讯，并发送控制指令来控制电梯的运行。
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系统运行时需要实时人机对话，比如，显示楼层、转速、转矩、运行正常与否，故障情况显示、键人人为命令信息等。因此需要键盘显示器。
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采用八段码显示驱动芯片MAX7221和八段数码管构成显示电路。利用DsP2407的sPl串行外设接口的主模式控制显示数据流的输出。本设计采用8个独立式按键(命令，增减键等)通过与门与DsP2407的外部引脚中断xINTl相连，一旦有按键动作，产生从高到低的跳变，引发DsP2407的外部中断，从而进入按键识别和查询，判键散转等实现人机对话。
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本系统采用光电编码器实现电梯准确定位和测速，即在曳引异步电动机轴上安装光电编码器。
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异步电动机转动时，向DsP2407发出脉冲信号，利用内部计数器进行计数，并与DsP预设楼层值进行比较，就能准确确定当前电梯位置。例如每层发出10000个脉冲，层高为4 m，理论分析信号误差少于1 inm。考虑误差，可设置底层或顶层校正，利用感应器或其他开关元件，当电梯到达底层或顶层时清零或置一确定数；也可以通过计算每秒内光电编码器输出脉冲的个数，反映电动机的转速，即作为电梯的速度反馈信号与给定的速度信号构成速度闭环系统，实现对电梯的速度控制。
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本设计中重量检测传感器采用电阻应变片式传感器。其输出的信号经全桥处理电路和性能优良的仪表放大器放大到一定值、经A／D转换变成数字信号后送人LF2407高速模数转换端口，一旦当电梯出现超载时，电梯门不能关闭、不能选层、同时切断相应的供电回路，使电梯不能启动，并满足规定要求，实现对电梯的超载保护。另外还可以送到电梯轿厢内显示轿厢内的实际重量，给电梯乘客指示当前轿厢内的实际重量，使电梯乘客感到直观并且不容易出现超载现象。
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3．2硬件设计
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各层站节点控制器：采用带有cAN总线控制器模块的单片机P87c52X2，cAN总线控制器SJAl000和总线物理接口TA1050T构成系统的局域网控制见图3。主要用于控制电梯门、传输轿厢节点、层站节点呼梯信号、实时显示电梯的位置等。
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系统通讯原理：轿厢控制器及层站控制器将采集到的信号发送到cAN总线，主控器根据这些信号选择最优的电梯运行速度信号，结合专用线路上的安全信号、光电编码器脉冲信号等发出选层、定向、变速和平层等指令，控制轿厢的运行及门机的动作，并将轿厢的位置信号发送到cAN总线上。显示模块则相应地进行LED显示。
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4基于直接转矩变频技术的智能高层电梯控制系统软件设计
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系统主控器软件分主程序、各种中断程序、定时器l、定时器2中断程序等。主程序主要完成系统初始化、各种类型中断初始化、cAN全局广播子程序、sH送显子程序等实时性要求不高的功能程序。
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在数字化电梯系统的设计中关键部分是主控器中的直接转矩控制算法。其主要体现在定时器1中断程序中。定时器l中断程序实现了对磁链和转矩的直接控制。该模块设计的好坏直接影响到系统控制性能的好坏，因此应尽可能简化计算过程，提高程序执行的效率，来达到缩短中断周期提高系统性能的目的，但同时也要考虑系统逆变器的开关频率。算法流程如图4所示。由于一个采样控制周期给出一次逆变器的状态调整，而逆变器的开关频率需要限制在5 kHz到20 kHz之间，因此设定定时器1的时钟频率为10 kHz，即中断周期为10s。这样，逆变器的开关频率就为10 kHz。
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A／D转换采用LF2407A内部的两个10位的_A／D转换器实现，最小转换时间为500 ns。PWM输出采用LF2407A芯片EVA模块的WM。1～PWM6引脚。
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在cAN中断通讯程序中，主要完成辨识轿厢，及各层站的呼梯信号，并根据当前电梯位置，给出加速、减速、平层速度信号等。
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5仿真实验结果
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为了检验DTC控制系统的性能，对控制系统进行了电机带载时在零速、低速、高速下运行的速度曲线跟踪仿真实验。这些状态下的速度曲线跟踪性决定了电梯的运行性能、可靠性、乘客的舒适性和平层的精确性均与仿真实验用的异步电动机参数：功率：37 kW，额定电压：460 V．
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图5(a)示出电机给定转速ne=0，突加80％负载时转子给定n。和实际转速n、转速定子相电流，。及电磁转矩的波形。图5(b)示出电机带80％负载起动至低速200 r／rain后停止过程中的转子给定ne和实际转速n转速定子相电流I及电磁转矩的波形。转速图5(c)示出电机带80％负载起动至高速1 400 r／raln时转子给定ne转速和实际转速n、定子相电流ia、电磁转矩的实验波形。
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6结语
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TMS320LF2407为CPU、以CAN总线网络实现各通讯硬件和软件设计。实验表明，所设计的基于DTC控制系统不论是在低速、大转矩，还是在超高速条件下均具有优异的速度跟踪性能，为电梯控制系统的实现奠定了一定基础。
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