電梯變頻門機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制分析

1 電梯變頻門機(jī)概述

電梯是現(xiàn)代生活中不可缺少的工具，而電梯門機(jī)系統(tǒng)又是整梯系統(tǒng)中動(dòng)作最頻繁的部件，其性能直接影響到整梯的性能。電梯門機(jī)分為直流門機(jī)、交流異步變頻門機(jī)、永磁同步門機(jī)[1(] 至于這三種門機(jī)的區(qū)別，因篇幅所限，不在本文分析)。在這三種門機(jī)中，交流異步變頻門機(jī)是目前使用量最大的電梯門機(jī)，本文所分析的就是這種門機(jī)。

交流異步變頻門機(jī)通常簡(jiǎn)稱為變頻門機(jī)，其構(gòu)成主要分為三部分：變頻門機(jī)控制系統(tǒng)、交流異步變頻電機(jī)、變頻門機(jī)機(jī)械系統(tǒng)[2]，三部分的關(guān)系如圖1所示。

圖1可知，控制系統(tǒng)用于控制變頻電機(jī)運(yùn)行，變頻電機(jī)又拖動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行。

對(duì)于不同廠家的電梯，變頻門機(jī)控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)會(huì)有所不同，但結(jié)構(gòu)原理是基本一樣的，圖2 即為變頻門機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理框圖。

在圖2 中，高壓直流驅(qū)動(dòng)電源為310 V 左右，用作驅(qū)動(dòng)模塊的逆變工作電源，低壓直流控制電源的電壓等級(jí)包括5 V、15 V、24 V等，不同廠家的系統(tǒng)會(huì)有所不同;參數(shù)存儲(chǔ)器一般使用EEPROM;電流傳感器一般設(shè)有兩個(gè)，接在兩相電機(jī)線上，第三相電機(jī)線的電流通過(guò)程序中的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到;編碼器及其反饋信號(hào)接口電路在“編碼器控制方式”下需要，在“速度開(kāi)關(guān)控制方式”下不需要，關(guān)于控制方式(即運(yùn)動(dòng)控制方式)，將在下文分析。

與變頻門機(jī)控制系統(tǒng)的情況類似，對(duì)于不同廠家的電梯，變頻門機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)也會(huì)有所不同，但結(jié)構(gòu)原理是基本一樣。變頻門機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)分為兩大部分：轎門側(cè)機(jī)械部分和廳門側(cè)機(jī)械部分，轎門和廳門通過(guò)一種稱為“系合裝置”的機(jī)械部件聯(lián)接在一起，電機(jī)拖動(dòng)轎門運(yùn)動(dòng)，轎門通過(guò)“系合裝置”帶動(dòng)廳門一起運(yùn)動(dòng)。廳門側(cè)機(jī)械部分除沒(méi)有電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)外，其余跟轎門側(cè)機(jī)械部分相似，為節(jié)省篇幅，本文僅介紹轎門側(cè)機(jī)械部分。變頻門機(jī)轎門側(cè)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

從圖3可看出，轎門側(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩扇轎門和轎門上坎兩大部分組成，上坎上分布著各種部件，圖中所畫(huà)為主要部件。其中滑輪組(兩組)聯(lián)接轎門與上坎，將轎門吊掛在上坎導(dǎo)軌上，滑輪組的皮帶夾板卡住皮帶，使得皮帶可以拖動(dòng)滑輪組在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，從而拖動(dòng)轎門運(yùn)動(dòng)。上坎上的開(kāi)門極限開(kāi)關(guān)和關(guān)門極限開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)轎門是否運(yùn)動(dòng)到開(kāi)門極限位置或關(guān)門極限位置。電機(jī)尾部的編碼器和上坎上的速度開(kāi)關(guān)并不是同時(shí)都需要，這取決于不同的運(yùn)動(dòng)控制方式。

2 變頻門機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方式及控制信號(hào)構(gòu)成

變頻門機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方式分為“編碼器控制方式”和“速度開(kāi)關(guān)控制方式”。在使用“編碼器控制方式”時(shí)，電機(jī)尾部安裝有編碼器，但上坎上不安裝速度開(kāi)關(guān)。在這種控制方式下，通過(guò)編碼器既能檢測(cè)轎門位置，又能檢測(cè)轎門速度，因此可以使用位置和速度閉環(huán)控制，“編碼器控制方式”下的控制信號(hào)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 中的開(kāi)門信號(hào)、關(guān)門信號(hào)、平層信號(hào)由電梯整梯控制系統(tǒng)發(fā)出，其中平層信號(hào)是指電梯到達(dá)每一樓層平面位置時(shí)產(chǎn)生的信號(hào);開(kāi)門極限信號(hào)與關(guān)門極限信號(hào)是指轎門運(yùn)動(dòng)到開(kāi)門極限位置和關(guān)門極限位置時(shí)，由開(kāi)門極限開(kāi)關(guān)和關(guān)門極限開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的信號(hào);安全觸板和光電光幕是檢測(cè)障礙物的裝置[3][4]，安裝在轎門的門沿上(圖3 中未畫(huà)出)，這兩個(gè)裝置只有在關(guān)門過(guò)程中才有效，當(dāng)有障礙物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生安全觸板信號(hào)和光電光幕信號(hào)，以便整梯控制系統(tǒng)和門機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施保護(hù);編碼器用來(lái)反饋轎門運(yùn)動(dòng)速度、檢測(cè)轎門位置和運(yùn)動(dòng)方向。“編碼器控制方式”下的速度切換點(diǎn)通過(guò)檢測(cè)轎門位置來(lái)確定。

在使用“速度開(kāi)關(guān)控制方式”時(shí)，電機(jī)不帶編碼器，而是依據(jù)上坎的速度開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)速度切換點(diǎn)。在這種控制方式下，沒(méi)有位置檢測(cè)，也沒(méi)有速度檢測(cè)，因此只能使用位置和速度開(kāi)環(huán)控制，“速度開(kāi)關(guān)控制方式”下的控制信號(hào)構(gòu)成如圖5 所示。

圖5跟圖4相比，只是編碼器信號(hào)用速度開(kāi)關(guān)信號(hào)替代，其余控制信號(hào)二者完全一樣。兩個(gè)速度開(kāi)關(guān)僅用作變頻門機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度切換點(diǎn)。[!--empirenews.page--]

3 變頻門機(jī)的運(yùn)動(dòng)曲線

在“編碼器控制方式”下，變頻門機(jī)關(guān)門過(guò)程的理想運(yùn)動(dòng)曲線(即程序中設(shè)定的運(yùn)動(dòng)曲線)如圖6 所示。

在圖6 中，橫軸表示關(guān)門行程，縱軸表示運(yùn)動(dòng)速度;0點(diǎn)為開(kāi)門極限位置兼第一加速段起始點(diǎn)，A 點(diǎn)為第一加速段終止點(diǎn)、第二加速段起始點(diǎn);B點(diǎn)為第二加速段終止點(diǎn)、勻速段起始點(diǎn);C點(diǎn)為勻速段終止點(diǎn)、第一減速段起始點(diǎn);D 點(diǎn)為第一減速段終止點(diǎn)、第二減速段起始點(diǎn);E點(diǎn)為第二減速段終止點(diǎn)兼關(guān)門極限位置。從圖中可看出，減速行程CE 段比加速行程O(píng)B段要長(zhǎng)，這是門機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的工況和安全特性所要求的;A、B、C、D 四個(gè)速度切換點(diǎn)的位置通過(guò)編碼器來(lái)檢測(cè)。

在“速度開(kāi)關(guān)控制方式”下，變頻門機(jī)關(guān)門過(guò)程的理想運(yùn)動(dòng)曲線如圖7 所示。

在圖7 中，B 點(diǎn)為加速段終止點(diǎn)、勻速段起始點(diǎn);C點(diǎn)為勻速段終止點(diǎn)、減速段起始點(diǎn);B 點(diǎn)與C點(diǎn)的信號(hào)由兩個(gè)速度開(kāi)關(guān)產(chǎn)生;圖中的橫軸、縱軸、O 點(diǎn)、E 點(diǎn)的意義與圖6 相同，不同的是，圖6中的加速段與減速段都有兩段，而圖7 中的加速段與減速段都只有一段，這是因?yàn)樵趫D6 中，有四個(gè)速度切換點(diǎn)，而在圖7中，只有兩個(gè)速度切換點(diǎn)，因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)速度開(kāi)關(guān)，如果要再增加兩個(gè)速度開(kāi)關(guān)，不僅要增加產(chǎn)品成本，而且安裝位置也很緊張，尤其是開(kāi)門寬度比較小的電梯門機(jī)，無(wú)法安裝四個(gè)速度開(kāi)關(guān)。因圖7的這種特性，導(dǎo)致“速度開(kāi)關(guān)控制方式”下，門機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平滑性不如“編碼器控制方式”。

以上只分析了關(guān)門運(yùn)動(dòng)曲線，至于開(kāi)門運(yùn)動(dòng)曲線，除運(yùn)動(dòng)方向與關(guān)門運(yùn)動(dòng)曲線不同外，其余與關(guān)門運(yùn)動(dòng)曲線類似。

在圖6 與圖7 中，加速段與減速段的理想曲線都是連續(xù)的，但實(shí)際施加的速度信號(hào)是不連續(xù)的，而是通過(guò)步頻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，步頻的概念請(qǐng)見(jiàn)圖8，現(xiàn)以加速過(guò)程來(lái)說(shuō)明步頻的概念。圖8 是從加速段理想曲線中選一小段放大，從圖中可以看出，放大后呈階梯狀，在加速過(guò)程中，速度的增加是通過(guò)間隔時(shí)間駐T來(lái)增加頻率駐f(電機(jī)電源頻率)實(shí)現(xiàn)的，駐f稱為步頻。在設(shè)計(jì)理想曲線時(shí)，要先計(jì)算出加速過(guò)程需要多少時(shí)間，從而計(jì)算出步頻的具體數(shù)值。步頻的數(shù)值是頻率分辨率的整數(shù)倍，比如對(duì)于頻率分辨率為0.1 Hz的變頻門機(jī)系統(tǒng)，步頻的數(shù)值可為0.3 Hz、0.4 Hz 等，具體數(shù)值由設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況確定，步頻的數(shù)值不能太大，否則在加減速時(shí)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。

4 編碼器控制方式下的運(yùn)動(dòng)位置與方向檢測(cè)

在“編碼器控制方式”下，可以依據(jù)編碼器信號(hào)的四倍頻計(jì)數(shù)值來(lái)檢測(cè)轎門的位置，同時(shí)依據(jù)編碼器的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)判斷轎門的運(yùn)動(dòng)方向。圖9為編碼器的四倍頻計(jì)數(shù)及其計(jì)數(shù)方向示意圖。

從圖9 可看出，編碼器輸出的A 路信號(hào)和B路信號(hào)為相位差90°的周期方波信號(hào)，在DSP(或單片機(jī))芯片內(nèi)部有專門用于編碼器信號(hào)計(jì)數(shù)的90°相移計(jì)數(shù)器，當(dāng)A路信號(hào)的上升沿/下降沿超前B路信號(hào)的上升沿/ 下降沿時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向?yàn)樵鲇?jì)數(shù);當(dāng)A路信號(hào)的上升沿/下降沿滯后B路信號(hào)的上升沿/ 下降沿時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向?yàn)闇p計(jì)數(shù)。若設(shè)定增計(jì)數(shù)時(shí)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?，則減計(jì)數(shù)時(shí)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向就為反方向。

DSP(或單片機(jī))芯片內(nèi)部的編碼器信號(hào)接口利用兩路周期信號(hào)的四個(gè)邊沿加工成四倍頻的計(jì)數(shù)信號(hào)，四倍頻的計(jì)數(shù)信號(hào)有利于提高電動(dòng)機(jī)角位移的分辨率，也即可以提高轎門運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)速度的分辨率，門機(jī)控制系統(tǒng)就是通過(guò)這個(gè)四倍頻計(jì)數(shù)值來(lái)檢測(cè)轎門運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)速度的。

例如，轎門從開(kāi)門極限位置到關(guān)門極限位置的距離是500 mm，電機(jī)要旋轉(zhuǎn)10 轉(zhuǎn)，也即編碼器要旋轉(zhuǎn)10 轉(zhuǎn)，假定編碼器的分辨率為512 個(gè)方波/轉(zhuǎn)，則編碼器旋轉(zhuǎn)10 轉(zhuǎn)后，四倍頻計(jì)數(shù)值為512×4×10=20 480，每個(gè)計(jì)數(shù)值所代表的距離為500 mm/20 480=0.024 4 mm?，F(xiàn)設(shè)定開(kāi)門極限位置時(shí)的四倍頻計(jì)數(shù)值為0，則當(dāng)四倍頻計(jì)數(shù)值為5 000 時(shí)，表明轎門向關(guān)門極限位置運(yùn)動(dòng)的距離為5 000×0.0244=122 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

在電梯變頻門機(jī)的兩種運(yùn)動(dòng)控制方式中，“速度開(kāi)關(guān)控制方式”不僅程序算法簡(jiǎn)單，而且節(jié)省了價(jià)格相對(duì)較高的編碼器，但因其不能檢測(cè)轎門的運(yùn)動(dòng)方向、位置和速度，所以只能使用位置和速度開(kāi)環(huán)控制，這將導(dǎo)致控制精度相對(duì)要差，而且在這種控制方式下，門機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平滑性不太好，因此目前很少使用，基本上使用“編碼器控制方式”。