一種多聯(lián)劑型電梯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一種多聯(lián)劑型電梯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了簡化空間，提高建筑利用率，高層建筑的主要樓梯通常采用樓梯組的形式，即多架電梯集中在一樓的電梯井中。但目前即便將電梯布置成群集方式,驅(qū)動(dòng)控制器的配置仍采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu),即一架電梯配備一個(gè)控制柜,通過外加群控裝置實(shí)現(xiàn)電梯的群控。盡管隨著電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,電梯控制柜的體積日益減小,可靠性不斷提高,但仍不能擺脫單個(gè)控制柜驅(qū)動(dòng)單個(gè)電梯的傳統(tǒng)架構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不可避免地占用較大的空間,不符合目前電梯無機(jī)房化、小型化的趨勢。因此,需要對(duì)目前群集電梯的架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和革新。文獻(xiàn)針對(duì)上述問題,本文提出了一種多聯(lián)機(jī)群控結(jié)構(gòu),由一個(gè)控制器驅(qū)動(dòng)控制多臺(tái)電梯曳引機(jī),并在其中提供了群控的功能。本文所研究的是多聯(lián)機(jī)型驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。1控制單元電路本文的多聯(lián)機(jī)型電梯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示,由一組核心控制板連接兩臺(tái)曳引機(jī)與相關(guān)組件,實(shí)現(xiàn)多聯(lián)機(jī)控制的效果。為滿足系統(tǒng)連接與實(shí)時(shí)性等性能指標(biāo)的要求,采用DSP+FPGA異構(gòu)多處理器的架構(gòu),其中,DSP負(fù)責(zé)主要的計(jì)算和信息處理,FPGA一方面承擔(dān)接口的擴(kuò)展,另一方面承擔(dān)部分的信息處理任務(wù),以減輕DSP的負(fù)擔(dān)。驅(qū)動(dòng)模塊采用IPM模塊,以提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。兩路曳引機(jī)的速度采用編碼器測量,其信號(hào)反饋給控制單元,由FPGA進(jìn)行預(yù)處理后,發(fā)送給DSP。井道隨行電纜、呼梯裝置的信號(hào)通過各自的通信接口發(fā)送給DSP,供其處理以產(chǎn)生曳引機(jī)控制信號(hào)。電梯控制需用的電磁閥等控制采用繼電器加強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)為提高系統(tǒng)的可靠性、安全性,各通信端口、信號(hào)的輸入/輸出端口均加入了光電隔離等電路。在系統(tǒng)本系統(tǒng)采用ARM微處理器作為電梯群控模塊的群控控制器,采集由信號(hào)接口及處理模塊傳送來的呼梯請(qǐng)求信號(hào)及各轎廂控制器的轎廂指令信號(hào)、載重信息、運(yùn)行方向等反饋信息,根據(jù)實(shí)際的交通流狀況確定交通模式,利用內(nèi)置的電梯群控算法進(jìn)行綜合決策,給出派梯信息,實(shí)現(xiàn)電梯的群控。2硬件電路設(shè)計(jì)受限于篇幅,本節(jié)介紹系統(tǒng)的主要硬件電路。2.1計(jì)算處理能力比較DSP作為系統(tǒng)的控制核心,一方面需要完成矢量控制、速度閉環(huán)控制等計(jì)算任務(wù),另一方面需要檢測曳引機(jī)等周邊設(shè)備的狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),進(jìn)行必要的故障診斷和處理等工作,因此需要較強(qiáng)勁的計(jì)算處理能力。本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F28335,該處理器支持浮點(diǎn)運(yùn)算,最高主頻達(dá)200MHz,可以滿足本系統(tǒng)的需要。FPGA的作用是接口擴(kuò)展和信息處理,包括編碼器數(shù)據(jù)的預(yù)處理、串行通信數(shù)據(jù)的解析等。因此,除了足夠的引腳外,FPGA的門電路數(shù)量及速度也必須滿足系統(tǒng)要求,因此本系統(tǒng)選用ALTERA公司的第二代MAX體系結(jié)構(gòu)的高密度、高性能EEPROM器件EP2C0Q208C8,其工作時(shí)鐘頻率260MHz。DSP與FPGA之間需要頻繁的交換數(shù)據(jù),因此在FPGA內(nèi)部設(shè)置一定容量的雙口RAM,以滿足它們高速通信的需要。2.2ipm電路設(shè)計(jì)為提高系統(tǒng)的集成度和可靠性,功率驅(qū)動(dòng)模塊采用智能驅(qū)動(dòng)模塊IPM,型號(hào)根據(jù)具體的曳引機(jī)功率容量進(jìn)行選擇。2.3通信接口為滿足呼梯系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的連接需要,本系統(tǒng)擴(kuò)展了RS232、RS485以及CAN等通信接口。為提高系統(tǒng)的電磁兼容性和穩(wěn)定性,在繼電器控制和開關(guān)量采集電路中,使用光耦進(jìn)行隔離,具體電路受限于篇幅不再給出。3軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要指DSP的軟件,主要實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)曳引機(jī)的矢量控制3.1速度控制模塊系統(tǒng)軟件可以分成:系統(tǒng)初始化、矢量控制算法、速度閉環(huán)控制、速度曲線生成、狀態(tài)檢測與故障處理等功能模塊。1)系統(tǒng)初始化模塊的功能是完成軟硬件的初始化工作,包括時(shí)鐘、UART、TIMER等硬件外設(shè)的初始化,以及全局變量等初始化,為一次性運(yùn)行的任務(wù)。2)速度閉環(huán)控制主要完成永磁同步曳引機(jī)的速度閉環(huán)控制,包括誤差計(jì)算、速度調(diào)節(jié)器算法以及控制量輸出等。根據(jù)采樣控制系統(tǒng)的原理,該模塊為周期性實(shí)時(shí)任務(wù)。3)狀態(tài)檢測與故障處理主要檢測井道隨行電纜、呼梯系統(tǒng)、安全回路等周邊設(shè)備的狀態(tài)信息,一旦發(fā)現(xiàn)故障立即進(jìn)行處理;否則不進(jìn)行特殊處理,因此可設(shè)計(jì)為事件處理程序,為非周期的實(shí)時(shí)任務(wù)。4)速度曲線生成模塊主要根據(jù)呼梯系統(tǒng)的信息和電梯當(dāng)前運(yùn)行信息生成速度指令和速度曲線,也可以采用事件驅(qū)動(dòng),設(shè)計(jì)為通信端口的中斷服務(wù)程序。盡管矢量控制算法和速度閉環(huán)控制模塊都是周期性實(shí)時(shí)任務(wù),但它們的執(zhí)行周期并不相同。為節(jié)約資源,本系統(tǒng)采用同一個(gè)定時(shí)器作為兩個(gè)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)鐘信息來源。根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求,矢量控制執(zhí)行的周期為100μs,而速度控制的周期在1ms,因此當(dāng)矢量控制執(zhí)行了10次時(shí)速度控制任務(wù)執(zhí)行,其他時(shí)間只運(yùn)行適量控制而不運(yùn)行速度控制。對(duì)于故障檢測與處理,設(shè)計(jì)為GPIO的中斷服務(wù)程序,一旦對(duì)應(yīng)的GPIO引腳發(fā)出中斷請(qǐng)求,CPU立即響應(yīng)該中斷,并根據(jù)對(duì)應(yīng)的故障進(jìn)行必要的處理。系統(tǒng)軟件的主體框架如圖2所示。3.2基于分區(qū)pid控制的電梯控制系統(tǒng)在電梯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中,曳引機(jī)控制的目標(biāo)是跟蹤速度指令,因此是一個(gè)典型的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)較高精度的跟蹤精度,抑制由于乘客上下梯等因素導(dǎo)致的負(fù)載擾動(dòng),曳引機(jī)的控制一般采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)為電流環(huán),作用是提高加快響應(yīng)、抑制擾動(dòng)的影響,控制器采用常規(guī)的PI控制。外環(huán)為速度環(huán),作用是使曳引機(jī)能夠又快又穩(wěn)地跟蹤速度指令信號(hào)。由于國家電梯的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件中,對(duì)電梯運(yùn)行過程中的最大加速度、最大速度都有明確的要求,由此生成的速度曲線呈現(xiàn)為梯形的特征,并不是一個(gè)固定的值。另外電梯運(yùn)行過程中,乘客數(shù)量(電梯的負(fù)荷)也不是固定不變的,導(dǎo)致電梯的參數(shù)是時(shí)變的。受上述因素的影響,傳統(tǒng)的、參數(shù)固定不變的PID在電梯系統(tǒng)中難以獲得滿意的控制效果。本文采用分區(qū)PID控制算法,原理如圖3所示。由圖3可見,分區(qū)PID控制在不同的工作區(qū)間,控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)隨之調(diào)整,這樣可以獲得比傳統(tǒng)的PID更為理想的效果。同時(shí),相比自適應(yīng)控制、智能控制等算法,分區(qū)PID控制無需在線辨識(shí)被控對(duì)象的參數(shù),計(jì)算量小,實(shí)現(xiàn)容易。分區(qū)PID控制的參數(shù)規(guī)則如表1所示,其中E4動(dòng)控制系統(tǒng)測試方案為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性和可行性,對(duì)多聯(lián)機(jī)型電梯驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,測試方案如