一种多联剂型电梯驱动控制系统设计

一种多联剂型电梯驱动控制系统设计

为了简化空间，提高建筑利用率，高层建筑的主要楼梯通常采用楼梯组的形式，即多架电梯集中在一楼的电梯井中。但目前即便将电梯布置成群集方式,驱动控制器的配置仍采用传统的结构,即一架电梯配备一个控制柜,通过外加群控装置实现电梯的群控。尽管随着电子技术、嵌入式技术的飞速发展,电梯控制柜的体积日益减小,可靠性不断提高,但仍不能摆脱单个控制柜驱动单个电梯的传统架构。这种结构不可避免地占用较大的空间,不符合目前电梯无机房化、小型化的趋势。因此,需要对目前群集电梯的架构进行改进和革新。文献针对上述问题,本文提出了一种多联机群控结构,由一个控制器驱动控制多台电梯曳引机,并在其中提供了群控的功能。本文所研究的是多联机型驱动控制系统。1控制单元电路本文的多联机型电梯驱动控制系统总体架构如图1所示,由一组核心控制板连接两台曳引机与相关组件,实现多联机控制的效果。为满足系统连接与实时性等性能指标的要求,采用DSP+FPGA异构多处理器的架构,其中,DSP负责主要的计算和信息处理,FPGA一方面承担接口的扩展,另一方面承担部分的信息处理任务,以减轻DSP的负担。驱动模块采用IPM模块,以提高系统的集成度和可靠性。两路曳引机的速度采用编码器测量,其信号反馈给控制单元,由FPGA进行预处理后,发送给DSP。井道随行电缆、呼梯装置的信号通过各自的通信接口发送给DSP,供其处理以产生曳引机控制信号。电梯控制需用的电磁阀等控制采用继电器加强信号的驱动能力。同时为提高系统的可靠性、安全性,各通信端口、信号的输入/输出端口均加入了光电隔离等电路。在系统本系统采用ARM微处理器作为电梯群控模块的群控控制器,采集由信号接口及处理模块传送来的呼梯请求信号及各轿厢控制器的轿厢指令信号、载重信息、运行方向等反馈信息,根据实际的交通流状况确定交通模式,利用内置的电梯群控算法进行综合决策,给出派梯信息,实现电梯的群控。2硬件电路设计受限于篇幅,本节介绍系统的主要硬件电路。2.1计算处理能力比较DSP作为系统的控制核心,一方面需要完成矢量控制、速度闭环控制等计算任务,另一方面需要检测曳引机等周边设备的状态,当出现故障时,进行必要的故障诊断和处理等工作,因此需要较强劲的计算处理能力。本系统采用TI公司的TMS320F28335,该处理器支持浮点运算,最高主频达200MHz,可以满足本系统的需要。FPGA的作用是接口扩展和信息处理,包括编码器数据的预处理、串行通信数据的解析等。因此,除了足够的引脚外,FPGA的门电路数量及速度也必须满足系统要求,因此本系统选用ALTERA公司的第二代MAX体系结构的高密度、高性能EEPROM器件EP2C0Q208C8,其工作时钟频率260MHz。DSP与FPGA之间需要频繁的交换数据,因此在FPGA内部设置一定容量的双口RAM,以满足它们高速通信的需要。2.2ipm电路设计为提高系统的集成度和可靠性,功率驱动模块采用智能驱动模块IPM,型号根据具体的曳引机功率容量进行选择。2.3通信接口为满足呼梯系统、监控系统等设备的连接需要,本系统扩展了RS232、RS485以及CAN等通信接口。为提高系统的电磁兼容性和稳定性,在继电器控制和开关量采集电路中,使用光耦进行隔离,具体电路受限于篇幅不再给出。3软件设计系统软件主要指DSP的软件,主要实现两台曳引机的矢量控制3.1速度控制模块系统软件可以分成:系统初始化、矢量控制算法、速度闭环控制、速度曲线生成、状态检测与故障处理等功能模块。1)系统初始化模块的功能是完成软硬件的初始化工作,包括时钟、UART、TIMER等硬件外设的初始化,以及全局变量等初始化,为一次性运行的任务。2)速度闭环控制主要完成永磁同步曳引机的速度闭环控制,包括误差计算、速度调节器算法以及控制量输出等。根据采样控制系统的原理,该模块为周期性实时任务。3)状态检测与故障处理主要检测井道随行电缆、呼梯系统、安全回路等周边设备的状态信息,一旦发现故障立即进行处理;否则不进行特殊处理,因此可设计为事件处理程序,为非周期的实时任务。4)速度曲线生成模块主要根据呼梯系统的信息和电梯当前运行信息生成速度指令和速度曲线,也可以采用事件驱动,设计为通信端口的中断服务程序。尽管矢量控制算法和速度闭环控制模块都是周期性实时任务,但它们的执行周期并不相同。为节约资源,本系统采用同一个定时器作为两个任务执行的时钟信息来源。根据系统的性能指标要求,矢量控制执行的周期为100μs,而速度控制的周期在1ms,因此当矢量控制执行了10次时速度控制任务执行,其他时间只运行适量控制而不运行速度控制。对于故障检测与处理,设计为GPIO的中断服务程序,一旦对应的GPIO引脚发出中断请求,CPU立即响应该中断,并根据对应的故障进行必要的处理。系统软件的主体框架如图2所示。3.2基于分区pid控制的电梯控制系统在电梯驱动控制系统中,曳引机控制的目标是跟踪速度指令,因此是一个典型的速度闭环控制系统。为实现较高精度的跟踪精度,抑制由于乘客上下梯等因素导致的负载扰动,曳引机的控制一般采用双闭环结构。内环为电流环,作用是提高加快响应、抑制扰动的影响,控制器采用常规的PI控制。外环为速度环,作用是使曳引机能够又快又稳地跟踪速度指令信号。由于国家电梯的相关标准文件中,对电梯运行过程中的最大加速度、最大速度都有明确的要求,由此生成的速度曲线呈现为梯形的特征,并不是一个固定的值。另外电梯运行过程中,乘客数量(电梯的负荷)也不是固定不变的,导致电梯的参数是时变的。受上述因素的影响,传统的、参数固定不变的PID在电梯系统中难以获得满意的控制效果。本文采用分区PID控制算法,原理如图3所示。由图3可见,分区PID控制在不同的工作区间,控制器的参数和结构随之调整,这样可以获得比传统的PID更为理想的效果。同时,相比自适应控制、智能控制等算法,分区PID控制无需在线辨识被控对象的参数,计算量小,实现容易。分区PID控制的参数规则如表1所示,其中E4动控制系统测试方案为验证设计的有效性和可行性,对多联机型电梯驱动控制系统进行了实验测试,测试方案如