电梯门机控制系统的运行曲线设计

工业控制 计算机测量与控制. 2003. 11( 11) Computer Measurement & Control # 853 # 收稿日期: 2003- 02- 13。 作者简介: 刘文泽( 1973- ) , 男, 广东省茂名市人, 硕士, 主 要从事电气测量与控制方向的研究。 文章编号: 1671- 4598( 2003) 11- 0853- 03 中图分类号: TP27315 文献标识码: B 电梯门机控制系统的运行曲线设计 刘文泽, 冯顺萍 (华南理工大学 电力学院, 广东 广州 510640) 摘要: 为了实现电梯轿厢门的开门和关门快速且平稳地运行, 介绍了一种基于高性能微型机的门机控制系统结构和 门位移的检测原理, 以门位移量作为控制系统的反馈量, 对门机运行速度进行了分区设计。在高速附近的变化区, 门机 速度匀速变化时, 进行了门机开门和关门控制曲线的计算, 推导出运行位移与门机速度具有二次曲线的关系, 进而对微 型机控制的软件流程进行了设计, 达到了门机高低速运行的平稳过渡。最后, 给出了实际运行系统的主电路电压波形。 关键词: 电梯门机; 位移检测; 运行曲线; 微型机控制 Running Curves Design of the Elevator Door- motorcs Control System LIU Wen-ze, FENG Shun-ping ( College of Electrical Eng ineer ing, South China University of Technology , Guangzhou 510640, China) Abstract: To realize the quickly and steadily running of the elevator vehiclecs door dur ing opening and closing, a structure of the elevator door- motorcs control system based on microcomputer w ith high performance and the detecting principle of door- mo- torcs movement are introduced. It is designed that the speed section with the doorcs movement serves as the feedback parameter. It is calculated that the running curves of opening and closing of door- motorcs system in high speed chang ing area while speed equally changing. It is deduced the square relationship between the door movement and the motor speed. And more, the flow chart of m-i crocomputer controlling softw are is g iven. Then, the door has the steady per formance betw een high speed and low speed. At the end, the voltage w aveforms of the running system is given. Key words: elevator door- motor; movement detection; running curve; microcomputer control 1 引言 电梯轿厢门机是电梯设备的重要组成部分, 由于门 机的开关动作频繁, 因而门机运行的快速性和可靠性对 保证电梯的正常工作十分重要。老式的电梯门机一般由 电动机配以继电器、限位开关和电阻实现开关门的控 制。这种门机的运行特性单一, 开关门的平稳性较差, 已无法满足新型电梯的运行要求。在电力电子技术和数 字控制技术日趋成熟的今天, 出现了采用单片机作为控 制核心的变压变频调速门机系统[ 1]。这种智能化的门机 具有运行曲线可调、开关门快速而平稳的特点, 而实现 这一特性的关键, 是电梯门机运行曲线的软件设计。结 合作者开发的门机控制系统, 详细讨论了变压变频的异 步电机控制系统如何实现运行曲线的软件设计。 2 电梯门机系统的构成简介 电梯门机数字化变频调速控制系统的功能如图 1 所 示。由图可见, 门机系统结构包括控制核心单片机、控 制信号输入、门机状态输出、SPWM 信号驱动电路及主 图 1 电梯门机控制系统功能图 电路、异步电机、门位移检测电路等。其中控制核心 CPU 采用高性能的十六位单片机, 带有三相 PWM 信号 输出。系统的运行原理为: 当门机控制系统接到主机的 开门或关门控制信号, 单片机根据信号命令, 产生相应 起动信号驱动电机, 电机转动通过齿牙皮带带动门移 动, 经门位移检测装置将门位移量变换为脉冲信号反馈 回单片机, 单片机根据当前门位移量和门宽运行参数 (一定的门机系统其门宽参数是相对门宽而固定的参数) 进行比较, 从而产生相应的高低速运行区段控制电机的 转速变化, 实现门机系统的高效和快速运行。门机状态 输出用来显示门机控制系统的运行状态, 如工作正常、 有障碍、已开好门、已关好门等状态。电可擦除存储器 ( EEPROM) 用来保存系统重要参数, 如加速步频、减 速步频等参数; 调试器用来修改门机系统的运行曲线参 数。红外发射输出、输入是用来检测在关门过程中是否 有物体阻挡, 是保证电梯安全运行的措施之一。 # 854 # 计算机测量与控制 第 11卷 3 电梯门机的门位移检测 电梯门机控制系统的运行曲线是基于门位移量的反 馈而实现的, 因而门位移量的检测便成为运行曲线控制 设计的重要一环。 311 门位移量检测的硬件构成 图 2 门位移检测的硬件原理图 门位移量检测的硬件组成原理如图 2所示, 其中永 久磁环是固定在电机转轴上, 两相检 测 IC 均为 UGN3076T , 两者的位置相差 90b。电机转动时, 电机 通过齿牙皮带带动门的开门或关门, 则当电机转过一定 的角位移量, 门也对应移动了一定的位移量, 由此检测 到的角位移量便可得到门位移量。当永久磁环选择 4对 磁极时, 由于齿轮的半径是固定的, 则可知电机转一圈 有相应固定长度的门位移量[ 2]。 312 位移脉冲的波形及判断 门位移的检测脉冲是通过相差90b的两相脉冲组成。 在图 3中脉冲 1和 2是电机正转脉冲, 脉冲 1 和 2c是电 机反转脉冲。 图 3 位移检测脉冲波形图 门机的正反转判断及脉冲数量的检测原理为: 以脉 冲 1为主脉冲, 当脉冲 1有变化 (即从 0 变化到 1或从 1变化到 0) 时, 再检测输入的两个脉冲的值: ( 1) 当 其中两个输入脉冲的值为 00 或 11时, 则为正转开门, 位移量增加一个单位值。( 2) 当其中两个输入脉冲的值 为 01 或 10 时, 则为反转关门, 位移量减少一个单位 值。在所研制的门机控制系统中, 电机转动一周, 主脉 冲变化 8次, 对应有 8个单位值, 一个单位值对应门的 位移量为 1 cm。在一米的电梯轿厢中分门中, 门位移 脉冲最大值为 54个单位值, 则门位移量的变化范围为 [ 0, 54]。 4 电梯门机运行曲线的设计 门机运行曲线的示意形状如图 4所示。门机运行曲 线按速度分区为: 关门力矩保持区 A0 , 开门低速区 A1 , 开门加速区 A2, 开门高速区 A3 , 开门减速区 A4, 开门 末段低速区 A 5, 开门力矩保持区 A6 , 关门低速及加速 区 A7, 关门高速区 A8 , 关门减速区 A9, 关门末段低速 区 A10 , 并且要求高速时速度过渡为光滑的 S形曲线[ 3]。 其中高速过渡点为 I 2 , I 3 , I 6和 I 7。 图 4 门机运行曲线示意图 411 门机运行曲线的分段实现 根据门位移量的数值与速度特性的关系, 同时为了 简化系统的控制分段, 将运行曲线的运行区段设计成表 1 所示。 表 1 门机系统的开关门运行曲线区段表 运行区段寄存器 寄存器数值 区段说明 区段寄存器是 在单片机 RAM 中的一个字节 单元 01 开门起始低速区 02 开、关门加速和高速区 03 开门减速和低速区 04 开尽门力矩保持区 05 关门起始低速区 06 关门减速和低速区 07 关门末段区 412 运行曲线的计算 门机正转与反转运行曲线的设计原理是一样的, 以 下就以电机正转开门的运行曲线设计的实现为例进行讨 论。为了论述方便, 现以开门减速段的实现方法说明曲 线计算过程。 设计开门运行曲线时, 门机控制系统的速度变化采 用如图 5所示的速度时间关系。 图 5 门机系统的加减速特性示意图 由上述的时间速度控制可讨论系统运行的位移速度 曲线。S - 门位移; t- 时间; V- 电机的速度; T - 速 度变化的时间间隔; V d- 在 T 内的速度变化。 第 11期 刘文泽: 电梯门机控制系统的运行曲线设计 # 855 # 在速度下降的过程中, 速度从 V 0开始下降, 则在 t 时刻, Vt= V 0- V dt , 又 V= dSd t则有 S = Q t1 0 Vtd t = Q V 0 - V 1 V d 0 ( V 0 - V dt ) d t = V 0 t - 1 2 Vdt 2 V 0 - V 1 V d 0 = 1 2 Vd ( V 2 0- V 2 1) = 1 2 V d ( V 0 + V 1) ( V 0 - V 1) ( 1) 在一个速度变化的时间 T 内, V 0- V 1= Vd , 则 ST= ( V 0+ V 1) / 2= ( 2 V 0- Vd ) / 2, 由此可知在一个 T 内, 其中 T 由门机的一个程序运行循环时间所确定, 门位移的距离与 ( 2 V 0- V d) 成正比, 当 V 0 大时则门 位移也大, 当 V 0小时则门位移也小; 在 V 0相同的情 况下, 如果要改变速度下降的快慢, 则可改变 Vd 的大 小; 同时由以上的推导可知, 系统运行位移 S 与电机 速度 V 是成二次曲线关系, 则运行曲线在高速前后的 加减速变化是相当平滑的, 而且加减速的过程相当迅 速。 由于运行的对称性可知在加速段过程, 其位移速度 特性与减速段过程相类似, 可得开门运行曲线的特性曲 线。实际设计的门机控制系统开门运行曲线如图 6 所 示, 门机系统的关门运行曲线与开门曲线基本成中心对 称关系。 图 6 门机的开门运行位移速度曲线图 413 开、关门曲线的软件设计 由门机系统运行的特性出发, 设计成运行状态的循 环和根据不同的区段进行相应处理。首先由中断子程序 进行检测门位移量的变化, 要求中断扫描周期较小, 及 时将门位移量的变化存放在固定的 RAM 中。通过门位 移量与具体运行区段值相比较, 从而确定系统运行于哪 一个区段。运行区段的分界的位置确定, 主要有 3个参 数: 开门起始低速的终止点, 开门末段低速限速的起始 点, 开门减速的起始点。其中, 根据开门起始低速区和 末段低速区的实际运行经验, 前两个参数取适当的固定 长度, 在本门机系统中取为 7 个单位脉冲; 又根据式 ( 1) , 可将 V 1取为 0, 由 V 0和 V d 可计算出减速区的 位移大小v S , 则开门减速的起始点为 ( 47- v S)。以 上 3个分界点可以将开门运行曲线分成 3 个运行区段, 通过位移比较实现门机运行的高低速控制。 开门起始低速区 (区段 01 ) 中, 门机系统的运行 曲线特性为: 门机系统的速度从零加速, 当速度增加到 低速的速度限幅值时, 门机速度保持此速度运行, 直到 开门的起始低速终止点。在此区段, 速度增加的幅度较 小, 保证门机在起动时有较大的力矩, 系统按较好的运 行曲线运行。 开门加速和高速区 (区段 02) 中, 区段的长度从 开门的起始低速终止点到开门减速的起始点, 门机系统 的运行曲线特性为: 门机系统的速度从低速的速度限幅 值开始加速, 当速度增加到开门高速的速度限幅值时, 门机速度保持此速度运行, 直到开门减速的起始点。门 机系统的速度设计成按合理幅度增加速度的直线, 其中 增加速度相对应 T (约 25 ms) 的频率增加值可在 013 ~ 017 Hz之间选定, 即上升直线的斜率可调, 从而速 度上升时间可变, 这一加速步频的参数可由门机系统设 置, 并保存在相应的参数存储器 ( EEPROM) 中, 供门 机系统运行时按预定的曲线运行。 开门减速和低速区 (区段 03) 中, 区段的长度从 开门减速的起始点至门的最大宽度。门机系统在进入此 区段时, 门机系统的运行曲线特性为: 门机系统的速度 从高速的速度限幅值开始减速, 当速度减小到开门末段 低速的速度限幅值时, 门机速度保持此速度运行, 直到 开门至门的最大宽度。门机系统的速度变化曲线设计成 按平稳渐降直线而变的特性曲线, 其中减少速度相对应 T (约 25 ms) 的频率增加值可在 013~ 018 Hz之间选 定, 即速度下降直线的斜率可调, 从而速度下降时间可 变, 这一减速步频的参数可由门机系统设置, 并保存在 相应的参数存储器 ( EEPROM) 中。当减速步频的参数 变大时, 则门机速度的下降时间变小, 从而开门运行过 程变快。 开尽门力矩保持区 (区段 04) 中, 此运行区是在 门已完全开好后运行, 到下一次关门的起始为止。在门 完全开好时, 由于系统的机械结构需要, 门机控制系统 还要继续输出一个静止的保持力, 这一输出力的频率设 计为 10 Hz 左右, 电压为最高输出电压的 25%。 以上的开门运行特性的设计过程在程序上可采用分 支控制实现[ 4] , 程序流程如图 7所示。 图 7 门机系统开门运行曲线的程序流程图 门机关门运行曲线的软件设计及实现, 与门机开门 运行曲线形成相类同, 不同之处是电机为反转, 可以参 考开门运行曲线的实现方法进行设计。 (下转第 858页) # 858 # 计算机测量与控制 第 11卷 柠檬酸生产过程计算机控制系统选用了基于 PLC 的 DCS控制系统, 组成如图 4 所示的总体结构[ 4 ]。系 统采用两台台湾研华 IPC- 610/ P Ó700 型工业控制计 图 4 柠檬酸生产过程 DCS控制系统总体结构图 算机作为 SCADA Ser ver 监控站, 同时可以互为 Client 站, 现场控制站选用先进的法国 Schneider/ Modicon 公 司的 PLC ( premium ) , 系统由监控计算机 (上位机 )、 下位机 PLC数据采集控制系统、Modbus plus和 DDE通 讯计算机以及现场电气控制及检测仪表几大部分组成, 整体构成了一个以 Modbus plus 网络为基础的三级监控 式 DCS控制系统。pH 现场仪、溶解氧电极、温度传感 器、液位传感器、流量计、电流变送器等监测的信号送 往 PLC中用于计算机实施监控和控制算法的实现, 在 上位机上, 均可进行监控和数据程序的管理。经过相应 的程序运算, 实现对柠檬酸生产过程自动控制的目的。 控制系统的 SCADA Server 站负责整个系统的管 理、监控和信息综合。利用美国 Rockw ell 公司生产的 RSV iew32监控组态软件建立一个有效的管理监控系统, 以查询方式从 PLC中获取有关设备参数和状态信息。 可对控制器各参数进行在线调整, 并可承担实现复杂算 法。应用 SA- 85通讯网卡, 利用 OFS通讯 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和 OPC 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 , 通过 modbus plus ( MB+ ) 工业控制总线, 采用 动态数据交换 ( ODE) 方式实现与 PLC之间数据通讯 的任务。在监控计算机上可利用 RSView 32监控组态软 件制作柠檬酸生产过程的发酵过程, 后提取过程的工艺 流程图、数据采集显示棒图、历史趋势图、实时趋势 图、报警画面等, 同时打印必要的数据 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 , 以供主控 人员指挥操作。再有, 在上位机上还可以利用 PL7 Pro V314编程软件, 方便快捷地编制梯形图逻辑控制程序 以及积分分离 PID 控制算法, 并下载到 PLC, 实现对 PLC的功能组态和参数设计等控制目的。SCADA Server 站的主要功能和任务是实时在线的记录现场的实时参数 显示, 工艺流程监视, 参数历史趋势记录, 越限报警, 显示运行时间、电机、泵及阀门的运行状态, pH 值, DO溶解氧, 液位, 温度, 流量, 压力等的测量数据等 的功能, 还具有查询历史数据和日报表统计的功能, 实 现 SCADA 功能。操作界面全部中文显示, 非常直观方 便, 安全可靠。 (下转第 862页) (上接第 855页) 5 开关门过程的电压波形 门机控制系统在开门和关门运行过程时, 其逆变电 路输出的线电压波形如图 8所示。由图可见, 门机系统 的运行具有明显的高低速度和快速而平稳的运行曲线, 速度上升时间约为 015 s, 减速过程时间约为 014 s, 达 到设计的要求。 ( a) 门机系统开门过程主电路线电压的波形图 横轴为时间 t : 0115 s/格; 纵轴为电压: 15 V/格 ( b) 门机系统关门过程主电路线电压的波形图横轴为时间 t: 013 s/格; 纵轴为电压: 15 V/格 图 8 门机系统的开、关门运行波形图 6 结论 文章所描述的电梯门机变频调速控制系统运行曲线 软件设计的思路是基于门位移量反馈的运行控制, 及时 改变系统的低速、高速、加速和减速运行过程, 通过设 计实现了系统开门和关门的运行曲线。该系统的运行曲 线具有良好的高、低速区和高速平滑过渡过程, 并通过 选择合适的加、减速步频, 能优化门机系统的运行曲 线。该设计已在实际运行的门机系统中得到应用, 保证 了电梯轿厢门的快速和平稳运行。这一功能也可应用到 类似的自动开关门控制系统中, 如楼宇大厦的感应自动 开关门、地铁的车厢门等控制系统中。 参考文献: [ 1] 陈伯时 1电力拖动自动控制系统 [ M] . 北京: 机械工业 出版社, 1995. 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