（机械电子工程专业论文）变频调速液压电梯单片机控制器的研究.pdf

摘要 作为液压电梯的一个重要发展方向，变频调速液压电梯具有节能以及调速性能优 越等优点。本课题组一直致力于液压电梯技术领域的研究，并取得了丰硕的研究成果， 本课题就是在分析、掌握前人研究成果的基础上，为推进单片机控制器早日实现产品 化而展开的进一步研究。论文从单片机控制器的总体结构入手，分析了各功能模块的 实现方法，并通过实验重点验证了其中的p w m 方式实现高精度模拟控制电压输出方 法的可用性。为了提高控制器的控制性能，提出了基于分段线性插值的方式实现负载 压力补偿和温度补偿的方法，相比其他一些智能控制算法，该方法简单易用，更适合 于单片机控制系统中使用。在单片机控制器开发成功以后，对其进行了实验验证工作， 初步证实了整体设计方案的可行性。 论文的整体结构如下： 第一章，简要叙述了液压电梯的发展历史，介绍变频调速液压电梯技术及产品， 最后阐述了本课题的主要研究内容及意义。 第二章，介绍了变频调速液压电梯控制系统的整体结构及原理，并在此基础上指 出了单片机控制器所需完成的功能。 第三章，详细阐述了单片机控制器各功能模块的实现方案，提出了在软件上实现 压力补偿和温度补偿功能的方法，最后对如何提高单片机控制器的抗干扰能力进行了 论述。 第四章，首先介绍了对单片机控制器进行实验测试所采用的测试平台，然后介绍 了实验过程中出现的几个问题。文中先介绍了问题的现象，然后分析了问题产生的原 因，并提出了问题的解决方法。 第五章，对本论文所做的研究工作进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。 关键词：液压电梯，变频调速，单片机控制器，电磁干扰，p w m ，线性回归，振动， l u g r e 模型 a b s t r a a a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n td e v e l o p i n go r i e u t m i o no fh y d r a u l i ce l e v a t o r , t h ev v v fh y d r a u l i c e l e v a t o rh a s t h ea d v a n t a g e so f e n e r g ys a v i n ga n do u t s t a n d i n gs p e e da d j u s t m e n tp e r f o r m a n c e o u rr e s e a r c ht e a r ah a sb e e nd e v o t e dt ot h er e s e a r c ho f v v v fh y d r a u l i ce l e v a t o rf o ral o n g t i m e ，a n dh a so b t a i n e dap l e n t i f u la c h i e v e m e n t s i no r d e rt oq u i c k e nu pt h ep r o d u c i n go f t h e e m b e d d e dc o n t r o l l e r , w h i c ha p p l i e dt ot h ev v v fh y d r a u l i ce l e v a t o r , t h i sp r o j e c ti sp u t f o r w a r d t h ep a p e rp r e s e n t st h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo f t h ee m b e d d e dc o n t r o l l e ra tf i r s t , a n d t h e na n a l y s e st h ei m p l e m e n t a t i o na p p r o a c ho fe v e r yf u n c t i o nm o d u l eb l o c k i nt h i sp a p e r , t h et e c h n i q u eo fa c h i e v eh i g ha c c u r a c yc o n t r o lv o l t a g et h r o u g hp w mm o d ei sv e r i f i e db y e x p e r i m e n t i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r , t h e m e t h o do fi m p l e m e n t a t i o no fl o a dp r e s s u r ec o m p e n s a t i o na n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n t h a tb a s e do np i e c e w i s el i n e a rd i f f e r e n c ei sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r t oc o m p a r ew i t l l i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m ，t h i sm e t h o di sm o r es u i t a b l ef o re m b e d d e dc o n t r o l l e ro fs i n g l e c h i pp r o c e s s o r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa i ea sf o l l o w s i nc h a p t e rl ，t h eh i s t o r yo fh y d r a u l i ce l e v a t o ra n dt h et e c h n i q u eo fv v v fh y d r a u l i c e l e v a t o ra r ci n t r o d u c e d t h er e s e a r c ha i m a n ds i g n i f i c a n c ea r ed e s c r i b e d i nc h a p t e r2 t h eo v e r a l ls t r u c t 哪ea n dp r i n c i p l eo fv v v fh y d r a u l i ce l e v a t o r sc o n t r o l s y s t e ma l ei n t r o d u c e da tf i r s t a n dt h e n , t h ef u n c t i o n o ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e ri s d e s c r i b e di nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e r3 ，t h er e a l i z es c h e m eo ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e ri se x p a n d ，a n dt h em e t h o d o fl o a dp r e s s u r ec o m p e n s a t i o na n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ni sp u tf o r w a r d a tt h el a s to f t h i sc h a p t e rs o m et e c h n i q u e so fh o wt oi m p r o v et h ea n t ii n t e r f e r e n c eo ft h ee m b e d d e d c o n t r o l l e r a r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r5 s o m ec o n c l u s i o n sa r eg i v e na n ds o m en e wv i e w sa r ep u tf o r w a r di nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：h y d r a u l i ce l e v a t o r , v v v f , e m b e d d e dc o n t r o l l e r , e m i ，p w m ，l i n e a rr e g r e s s i o n ， v i b r a t i o n ，l u g r em o d l e 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：兹谈浯 签字日期：2 。口二年g 月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：毵以诲 导师签名： 签字日期：2 口。占年莎月9 日签字日期：工“年f 第一章绪论 第一章绪论 摘要：本章简述了液压电梯的发展历史，分析了国内外液压电梯的市场状况，介绍了液压电梯重 点发展方向之一的变频调速液压电梯的一些技术情况及产品情况，在此基础上提出了本课题的研 究内容及意义。 1 1 液压电梯的发展与特点 电梯作为一种垂直交通运输工具，随着社会的发展取得了越来越广泛的应用，成 了现代建筑中一种必不可少的设备。如果按功能和用途来划分，电梯的种类有很多。 但如果根据电梯传动结构形式的不同来划分，目前应用最为广泛的电梯可分为两大类： 一种是曳引电动机直接驱动的曳引电梯；另一种是液压传动的液压电梯。曳引电梯以 电机拖动作为驱动方式，它的产生源于1 9 世纪末2 0 世纪初电子电力技术的发展，并 且随着电子电力新技术的不断涌现得以迅猛发展。液压电梯是用液压驱动轿厢运送乘 客或货物的垂直运输设备。液压电梯通过液压动力源把油压入油缸，通过油缸直接或 间接的作用在轿厢上，使轿厢上升。 液压电梯有着比曳引电梯更长的发展历史。汤姆逊于1 8 4 5 年研制出了第一台液压 升降机i “。此后液压电梯不断发展，不断完善，在1 8 8 0 年到1 9 0 0 年之间液压电梯占 据了所有的l o 到2 0 层的建筑物。早期的液压电梯均以水作为传动介质。 1 8 世纪末和1 9 世纪初，电磁学的发展与应用迅速加快。在1 8 8 9 年，美国奥的斯 升降机公司推出了世界上第一部以电动机驱动蜗轮蜗杆减速的升降机1 2 翔，从而开始了 曳引电梯的时代，随着电力电子技术的飞速进步，曳引电梯的成本开始低于液压电梯， 而性能也优于液压电梯。这使得从1 9 0 0 年起，液压电梯的发展几乎停滞不前，乘客液 压电梯的市场几乎完全被电力驱动曳引电梯所占据。 进入2 0 世纪，随着石油工业的日益兴起，在液压领域人们开始用原油炼制品取代 水作为传动介质，原油炼制品的使用克服了水介质传动存在的腐蚀、泄漏、润滑等技 术难题，在此基础上人们研制出了以液压油为介质的液压电梯。在2 0 世纪5 0 年代到 7 0 年代，欧美一些发达国家涌现了很多专门致力于电梯液压控制系统生产制造的电梯 公司，例如意大利的g m v 公司，德国的b l a i n 公司，美国的m a x t o n 公司，瑞士 的b e r i n g e r 公司等1 4 1 。这些液压电梯公司的出现不仅推动了液压电梯的大规模工业 化生产，同时也使液压电梯的结构和种类也不断丰富，性能不断完善，应用的场合也 越来越广泛。2 0 世纪7 0 年代初，电液比例技术被应用到液压电梯上，使液压电梯的 动态响应、稳定性和控制精度都有了进一步提高，使液压电梯市场占有率也进一步提 高。近些年来，变频调速技术被引入到液压电梯领域，出现了变频调速液压电梯，随 着这一技术不断成熟，变频调速液压电梯获得了市场的认可。采用变频调速技术的液 第一章绪论 压电梯不仅提高了运行的性能，而且降低系统了能耗。液压电梯的这些技术发展进步 使得它能够与曳引电梯在低层建筑应用领域保持竞争力，并得到大规模的推广使用。 尤其在欧美发达地区一直占据着较高的市场份额【i 5 l 。 近些年来，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术、信息技术、现代控制 技术的不断发展，曳引电梯技术有了很大的进步，对液压电梯的冲击越来越大，尤其 是无机房曳引电梯的出现使得液压电梯在机房设置方面优势不复存在。尽管如此，液 压电梯还是有发展前途的，因为与曳引电梯相比，液压电梯主要有以下几个方面的优 势： ( 1 ) 液压电梯功率重量比大，驱动元件体积比较小，结构紧凑，在大载重量的应用场 合具有绝对的优势； ( 2 ) 一般不带有配重，因此减小了井道尺寸； ( 3 ) 液压电梯的负载重量可以通过油缸直接作用在地基上，所以液压电梯对井道的墙 壁和项部要求较低，建筑费用低； ( 4 ) 液压电梯与曳引电梯相比更加安全、可靠和易于维护，具有更高的性价比。 当然液压电梯也有一定的缺点，比如提升高度低、速度低、装机功率大、功耗大、 效率低、环境污染。但基于液压电梯自身的优势，使得它在旧屋改造、立体车库、停 车场、机场、中低层的豪华建筑、跳水台、石油钻探平台以及船舶等工业得到了广泛 的应用。而且随着新技术的不断出现和液压电梯行业技术人员的不断努力，液压电梯 的部分不足也将得到不断的改善，所以液压电梯仍具有广阔的市场和美好的发展前景。 1 2 液压电梯的市场状况分析 1 2 1 国外的市场分析 由于欧美等发达国家和地区的低层建筑物较多，所以液压电梯在这些国家和地区 一直占据着较高的市场占有率。2 0 世纪5 0 年代末，液压电梯开始在欧美国家开始获 得大规模推广使用。6 0 年代末，7 0 年代初，随着液压电梯的大批量化生产，液压电梯 迅速占领了中、低层建筑的电梯市场。8 0 年代液压电梯种类不断丰富，逐渐完成了系 列化，到了9 0 年代，液压电梯市场需求的增长幅度放缓，但装机总量仍逐年递增i f 。 近些年，欧洲各国液压电梯的年平均装机量占总量的4 5 ，而北欧诸国则高达8 0 9 0 。在美国液压电梯近些年的装机量年增长率几乎都超过1 0 ，1 9 9 8 年新装液压电 梯1 4 ，0 0 0 多台，液压电梯的装机量是曳引电梯的5 倍之多，目前美国液压电梯的装机 量大大超过曳引电梯 6 1 。可见，在欧美国家和地区液压电梯具有很强的市场竞争力。 1 2 2 国内的市场状况 2 第一章绪论 由于国内近些年来着重发展中、高层建筑，中高层建筑中一般均使用曳引电梯。 同时由于国内经济条件的限制，我国低层建筑物中很少使用电梯，这使得液压电梯进 入中国市场较晚，市场占有率较低、国产化水平低。近些年来，随着国内低层建筑中 安装电梯的需求量增加，液压电梯开始在国内市场出现。国内的一些厂商和研究机构 也开始从事液压电梯方面的研究，他们的努力使得国产液压电梯新品种不断涌现，产 品性能和产品质量稳步提高。经过几年的发展，液压电梯的市场开始逐步发展起来。 根据中国电梯协会的统计数字，液压电梯1 9 9 8 年的装机量有4 6 0 台，到2 0 0 2 年液压 电梯的装机量为1 2 0 0 台左右。由图i 1 可以看出，虽然我国液压电梯每年的产量略有 波动，但总的来讲，还是有增加的趋势；虽然增长的绝对数量有限，但相对于液压电 梯本身比较小的基数而言，增幅还是很可观的。随着中国经济的不断发展和人民生活 水平的不断提高，以及液压电梯技术的不断进步、性能的不断完善，液压电梯的市场 占有率仍将会不断增长。 我 国 液 压 电 梯 产 最 厶 _ 巴 1 9 9 8 年1 9 9 9 年2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年 图1 11 9 9 8 2 0 0 2 年我国液压电梯产量图 1 3 液压电梯的速度控制方式 1 3 1 节流调速和容积调速的比较 对液压电梯的速度进行控制，也就是对系统的流量进行控制。在液压传动领域调 节流量的方式的主要有两种：节流调速和容积调速。 采用节流调速方式的液压电梯主要是通过改变回路中流量控制阀的通流截面积的 大小来控制流入或流出液压缸的流量，从而实现对液压电梯的速度进行控制。节流调 速液压电梯采用的是定量泵，电梯在上升过程中，电动机以固定转速运行，调速时多 余的流量通过溢流阀损失掉，转变为热量。在下降过程中它耗尽载重及轿厢自重所构 3 ： 蔓二兰竺堡 成的全部势能，并将这些势能将全部转变为成热量。这些能耗不仅使得液压电梯的效 率降低，同时更为有害的是将使油液的温度上升。当油箱内的油温上升到一定程度的 时候，系统将被迫停机冷却，这会给电梯的使用者带来不便。 采用容积调速方式的液压电梯是通过改变液压泵，马达的输出或输入流量，来控制 液压缸的输入或输出流量，从而实现控制电梯速度的目的。由于容积调速液压电梯中 泵的排油量直接与电梯轿厢的速度相匹配，因此它没有溢流损失和节流损失。因此采 用容积调速方式的液压电梯具有功率损耗小，效率高、系统发热量小等优点。下面两 张图非常清楚的说明了容积调速技术的节能优点1 5 1 。 o 且趔照豳且一 图1 2 普通阀控节流调速的液压电梯 上行过程能耗示意图 图i 3 变转速容积调速的液压电梯 上行过程能耗示意图 图1 2 和图1 3 分别是电梯上行工况阀控节流调速液压电梯和容积的液压电梯的能 耗示意图。图中的空白面积是系统的有效能耗，而深色阴影面积是系统额外的能量损 耗。从图中可以看出，阀控液压电梯在加速段和减速段、平层段的能量损失很大，效 率极低，而容积调速液压电梯克服了这一缺陷。所以容积调速液压电梯的能量损失比 节流调速液压电梯小得多。 1 3 2 容积调速方式介绍0 4 1 1 5 l 实现容积调速一般有两种方法：变排量容积调速和变转速容积调速。 变排量容积调速是通过改变回路中变量泵或变量马达的排量来调节执行元件速 度。这种调速方式在液压电梯早期使用，但由于符合液压电梯大流量要求的变量泵只 有轴向柱塞式变量泵，其输出流量脉动大，噪声高，影响电梯运行的平稳性，而且变 量机构动态响应慢，难以满足电梯上行起动时对泵流量变化的要求，所以这种调速方 式目前使用并不广泛。 变转速方式的容积调速技术就是改变驱动液压泵的电动机的转速来改变泵的输出 流量。对于电动机的调速方式，耳前最常用是变频调速技术，这也是性能最为优秀的 一种电机调速方式。变频调速技术的液压电梯节能效果更为显著，而且由于减小了溢 流损失，使得液压系统温升减小。同时由于变频器还具有过流、过载、电动机过热、 过压及欠压、超速及失速等保护功能，使得电动机的启动电流大为减小，从而延长了 电机的寿命。因此，可以看出，变频调速液压电梯在技术上有很大的优势，是液压电 4 第一章绪论 梯领域中最具前途的一个发展方向。 1 4 交流交频调速技术概述 1 4 1 交流变频调速技术的发展 由于直流电机调速系统结构简单，并可以获得良好的静、动态特性，而交流电机 调速系统的应用受到了电力变换技术和控制手段的制约，这导致在相当长的一段历史 时期内，直流电机调速占据了电机调速传动领域的统治地位。但是直流电机存在着一 些固有的缺陷，如故障率高，维修工作量大；受容量、电流、电压和转速的限制，使 得其在大容量的调速场合无法应用。此外直流电机在一些恶劣的环境下也不能正常工 作，而交流电机本身不存在以上这些缺点，这使得科研人员开始致力于交流变频调速 技术的实用化研究。 2 0 世纪6 0 年代，随着普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，以此为基础产生的 交流变频调速系统开始投入到使用当中。此后，功率器件由普通晶闸管( s c r ) 发展 到门极关断晶闸管( o t o ) 、双极型功率晶体管( b j t ) 、金属氧化物半导体场效应晶体管 ( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、复合功率模块或智能功率模块( i p m ) 等，高 性能开关器件的不断出现，促进了电力变换技术的不断发展。变频调速技术就是建立 在这些基础之上的。除了硬件水平的不断提高之外，变频控制技术也不断发展，由早 期的v f 控制方式和转差率控制方式发展到矢量控制方式和直接转矩控制方式。这使 得交流变频调速系统的控制性能越来越好。随着交流变频调速技术不断完善，交流变 频调速系统的应用越来越广泛，它已成为国民经济和日常生活中普遍需要的新技术1 7 1 。 1 4 2 交流异步电机变频调速的原理及方式1 7 i 交流异步电机的同步转速是由电机的磁极对数和电源频率所决定的，三者之间有 如下的关系式： 式( 1 1 ) 中； 广一电源频率( 1 t z ) ； p 一电机极对数； 片，一异步电机的同步转速。 ：6 0 f p ( 1 1 ) 第一章绪论 由于转差率s 定义为；j ：型，所以异步电机的转速疗为： 吃 栉：6 吖o - s ) p ( 1 2 ) 由上式可以看出，调节参数二j 、p 中的任意一个，即可以改变异步电机的转速， 从而实现对异步电机进行调速控制的目的。变频控制方式主要有以下几种： ( 1 ) 矽控制方式 这种方式通过同时改变加到异步电机上的电压幅值u 和电压频率厂来改变异步电 机的转速。在u 和，的变化过程中要求配，三恒值。这种控制方式简单，但动、静态的 控制性能均不理想。 ( 2 ) 转差率控制方式 对异步电机而言，在u f = 恒值的基础上，只要知道异步电机的实际转速对应的电 源频率，并根据希望得到的对应于某一转差频率的转矩，就可以计算出应该加到异步 电机上的电压频率，通过加载这个电压频率可以使异步电机具有某一所需的转差频率， 可以得到异步电机所需的输出转矩。采用转差频率的控制方式时，需要检测异步电机 的实际转速，由电机的实际转速计算得到转差频率，所以这是一种闭环的控制方式。 转差率控制方式具有良好的稳定性，对急速的速度变化和负载变化有良好的动态响应 特性。 ( 3 ) 矢量控制方式 矢量控制方式的基本理论依据是p a r k 变换，其基本原理是将异步电机在三相坐标 下的定子电流厶、如、厶通过三相两相变换，将其等效变换成为两相静止坐标系下的 交流电流，然后通过按转子磁场定向旋转变换，等效成为同步旋转坐标系下的模拟直 流电机的励磁电流五村以及模拟与转矩成正比的电枢电流助，随后就可以按照直流电 机的控制方式求得电机的控制量，再经过相应的坐标反变换，实现对异步电机的参数 控制。根据具体实现方式的不同，矢量控制又分为基于转差频率控制的矢量控制方式、 无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式。采用矢量控制方式的变 频调速系统在调速性能上与直流调速系统相当，可以满足大多数生成机械高质量调速 控制的需要。 ( 4 ) 直接转矩控制方式 直接转矩控制方式通过检测异步电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计 算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较得到差值，实现磁链和转矩的直接控制。 与矢量控制方式相比，直接转矩控制方式摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标的变换， 6 第一章绪论 因此它的控制方式简单，系统的转矩相应迅速且无超调，是一种具有高动、静态性能 的交流调速控制方式。 在目前的变频调速液压电梯当中，为了得到更好的启动性能，通常选用低频力矩 特性好的矢量控制方式的变频器。 1 5 变频调速液压电梯产品介绍 日本三菱公司早在1 9 8 4 年就开始从事变频调速液压电梯的研究工作，并于1 9 8 6 年申请了美国专利，成为了第一家申请变压变频驱动液压电梯专利的厂商。1 9 9 0 年， 三菱公司在1 9 8 6 年申请的专利的基础上，研制成功了一台变频液压电梯样机。上海三 菱电梯有限公司目前销售的主要客用液压电梯主要是h i v f 系列变频液压电梯。h i v f 系列变频液压电梯是上海三菱电梯有限公司根据公司科技项目计划任务书，与浙江大 学流体传动及控制国家重点实验室共同联合开发的集微机网络控制、变压变频驱动系 统等先进技术于一体的新型液压电梯。h i v f 系列变频液压电梯的原理如下1 3 t 9 】： 62 1 图1 4h i v f 系列变频液压电梯系统原理框图 图中：i 是交流矢量变频器，2 是螺杆泵，马达，3 是交流异步电动机，4 是电机轴侧光电编码器，5 7 第一章绪论 是微机控制单元，6 是能餐回馈制动单元或者制动电阻箱，7 是柱塞缸，8 是柱塞，9 是轿箱，1 1 是井道及导轨，1 2 是防吸空单向阀，1 3 是安全阀，1 4 是液控单向阀，1 5 是限速切断阀，1 6 是手 动泵，1 7 是手动下降阀，1 8 是过滤器，1 9 、2 0 分别为液控单向阀1 4 两端的压力传感器，2 1 是油 箱，2 2 是轿厢上行时变频器输出到异步电动机及轿厢下行时发电机输出到变频器的信号线，2 3 是 电动机轴侧光电编码器输出到电子控制单元的信号线，2 4 、2 5 分别是压力传感器1 9 、2 0 输出到电 子控制器的信号线，2 6 轿厢光电编码器输出到电子控制值单元的信号线，2 7 是电动机3 与泵马达 2 的连轴器，2 8 是微机控制单元输出到液控单向阀1 4 中电磁阀的控制信号线，2 9 、3 0 、3 1 、3 2 、 3 3 、3 4 ，3 5 为管道，3 6 是微机控制单元输出到变频器的控制信号线，3 7 是微机控制单元输出到变 频器的控制电动机转向信号线，3 8 是压力脉动抑制器，3 9 是小型蓄能器，4 0 是管道。 系统的工作原理如下1 9 1 ： ( 1 ) 上行过程 接到层站或轿箱9 的上行召唤信号后，微机控制单元5 发出两路控制信号，一路 是控制变频器的信号3 6 ；一路是电机的正转方向信号3 7 ；变频器l 根据输入的控制信 号产生相应频率和电压的交流电信号2 2 来驱动异步电机3 ，异步电机同时带动泵马达 2 旋转使之输出一定量的液压油，液压油经管路2 9 、消声器3 8 和管路4 0 后顶开液控 单向阀1 4 ，从而推动轿厢向上运行；同时，安装在电机轴侧的光电编码器4 实时检测 电机的转速并把转速信号反馈给变频器，构成闭环矢量控制。在电梯的上行工作过程 中，微机控制单元根据内部设定好的电梯理想速度曲线输出相应的控制电压给变频器， 以此来控制电梯轿厢按预定速度运行曲线的运行。当电梯靠站时，微机控制单元给变 频器发出停车信号，使电机3 转速降为零，泵马达2 的出口压力也迅速降低，液控单 向阀1 4 中在轿厢9 的重力作用下自行关断，电梯停靠。 ( 2 ) 下行过程 接到层站或轿箱9 的下行召唤信号后，微机控制单元5 首先根据传感器1 9 、2 0 传送的信号来判断液控单向阀1 4 两端的压力，若压力不等，微机控制单元5 首先输出 一个较小的控制信号给变频器，使变频器驱动电机3 正向低速运转，使泵，马达2 出口 管路4 0 不断升高，当微机控制单元检测到液控单向阀1 4 两端的压力基本平衡时，便 发出三路控制信号：一路是控制液控单向阀1 4 电磁铁通电，使单向阀1 4 打开：一路 是电动机的旋转方向信号3 7 ，该信号使异步电机3 从正向低速运转过渡到反向运转； 还有一路是控制变频器的电压信号3 6 ，该信号用来为变频器指定向电动机3 提供的制 动力矩的大小，以此来控制柱塞下降的速度，在电梯下行的过程中，电机由电动机状 态转变为发电机状态运行，它所产生的能量经回馈制动单元6 返回电网或者依靠制动 电阻散热掉；当电梯靠站时，微机控制单元5 使液控单向阀1 4 中的电磁铁断电，单向 阀1 4 关闭。为避免冲击，其问变频器l 带动电动机3 低速反转，等轿厢9 完全停止不 动时让变频器l 停车；电动机3 反转过程中泵，马达2 经单向阀1 2 、管路3 0 和管路3 l 吸油以维持运转。 8 第一章绪论 除了三菱电梯公司之外，瑞士的b e r i n g e r 公司也对变频调速液压电梯进行了大量 研究，于1 9 9 7 年推出了他们的产品一s a l l j r nn 系统。该系统实际上是一种变频调速 技术和阀控节流调速技术相结合的液压电梯控制系统l ”j 。它的上行过程是通过变频器 对电机进行调速，下行的启动和停靠阶段是由阀控来实现的，而下行的其他运行阶段 采用变频器控制。这种控制方式较好的解决了由普通变频器低频力矩不足所带来的电 梯启动和停靠性能差的问题，但此系统中的电液比例流量阀加工精度要求较高。 图1 5b e r i n g e r 公司s a t u r na 系统结构原理图 其工作原理如下l lj j ： 电梯的上行时，变频器对电机进行调速，并由电机带动泵运转来实现电梯的运行。 在整个上行过程中，均由流量传感器测出进入柱塞缸油液的瞬态流量，并通过电梯控 制器跟设定理想值比较，实现流量的闭环反馈控制。在上行的起始段，由电机的低速 转速在泵和阀之间建立起一定压力值。当泵的输出压力高于负载压力值的时候单向阀 自动开启，上行结束的时候在重力的作用下自动关闭。 电梯下行过程中，启动和停止阶段的速度是由阀来控制的，而在其它运行阶段则 和上行过程类似，由变频器通过对电机一泵的转速调节来控制。在下行的起始段，先 由比例电磁铁打开先导阀，继而主阀开启，同时电机在此过程中以平稳低速反向运转。 当达到特定速度时，先导阀将主阀全部开启，此后运行速度完全由变频驱动单元来控 制。泵此时充当液压马达的角色，电机工作在发电的状态。回馈到变频器中的电能或 者在制动单元中转换成热量或者通过能量回收单元将能量返回电网。在减速过程中， 9 第一章绪论 比例电磁铁控制先导阀，而使主阀逐渐关闭。最终轿厢在楼层处停止。 1 6 课题的概况 1 6 1 课题的提出与意义 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室于2 0 世纪9 0 年代初就开展了对变频调 速液压电梯控制系统的研究。首先研究了变频一阀控相结合的控制系统。在此基础上， 采用轿厢速度直接反馈方案，在上、下行程都为变频容积调速的全程闭环变频调速液 压电梯控制系统方面取得技术突破。经过十几年的发展，浙江大学流体传动及控制国 家重点实验室在液压电梯节能控制技术方面取得了一批重要的科研成果。其中的“电液 比例节能型液压电梯速度控制技术”科研成果获国家科学技术进步奖二等奖。1 5 节中 介绍的与上海三菱联合开发h i v f 液压电梯获得了2 0 0 4 年国家重点新产品认证。在十 几年的发展中，课题组先后投入了多名博士生和硕士生，分别对液压电梯系统模型的 建立与仿真、计算机监控系统的设计、单片机控制系统的研制、液压电梯的节能技术 以及液压电梯的各种智能控制算法进行了深入的研究，这些研究成果为课题组在液压 电梯方面进行进一步的研究打下了坚实的基础，其中的很多内容都对本课题的开展起 到了良好的借鉴作用。 由前面的液压电梯市场分析部分可以看出，液压电梯具有广阔的市场和美好的发 展前景，上海三菱电梯有限公司和本课题组联合开发的h i v f 变频调速液压课题投入 市场后，很快便得到了用户的认可。课题组最新设计的带蓄能器的闭式回路结构节能 型液压电梯使液压电梯朝节能、环保的方向又迈进了一步，使得液压电梯在和曳引电 梯的竞争中又多了一份筹码。课题组对液压电梯的液压系统、控制算法等方面都做过 大量的研究，取得了很多有价值的科研成果。但课题组对变频调速液压电梯控制器的 研制相对于对液压系统的研究还有所欠缺。目前的实验中采用的主要是计算机控制系 统，计算机控制系统不适合作为产品使用，只能作为实验过程中的一种辅助工具。电 梯控制的趋势是采用基于嵌入式产品开发的专用控制器。课题组以前也曾做过液压电 梯单片机控制器方面的研究，并且做出了控制器实物，实现大部分需要的功能。但总 的来讲，当时的设计并没有考虑产品化的要求，只是在实验室的条件下验证了用单片 机来控制液压电梯的可行性。如果想产品化还需做进一步改进。而且课题组最新所设 计的带蓄能器的闭式回路结构的新型节能环保液压电梯系统与以前的系统相比增加了 一些功能模块，因此有必要设计一个更具通用性的单片机控制器，并且充分考虑产品 化的要求，以使课题组所设计的液压电梯产品能够将其整体的优势更好的发挥出来， 能够更好的投入市场，促进课题组在液压电梯领域科研成果的产品化。这正是本课题 的研究意义。 1 0 第一章绪论 1 6 2 课题的研究内容 ( 1 ) 针对课题组现有的变频调速液压电梯系统设计一个通用性较强的单片机控 制器，单片机控制器首先要满足液压电梯控制性能的要求，其次要满足可以作为产品 的可靠性、实用性、经济性等要求。 ( 2 ) 在实验中验证单片机控制器的控制性能，对其中的重点模块做较深入的分 析验证，确保设计方案的可行性。 ( 3 ) 针对液压电梯系统中一直存在的由泄漏导致的电梯速度偏离理想速度的问 题，在软件上设计一个补偿方法加以解决。 第二章变频调速液压电梯拧制系统原理与单片机控制器的功能 第二章变频调速液压电梯控制系统原理与单片机控制 器的功能 摘要：本章首先对单片机控制器设计所针对的变频调速液压电梯的控制系统原理进行了介绍，并 在此基础上得出了单片机控制器在变频调速液压电梯控制系统中的作用，明确了单片机控制器的 研究内容。 2 1 变频调速液压电梯控制系统原理1 1 2 l 轿 厢 及 传 动 装 置 动 力 泵 站 i 负载压力信号 ； 图2 1 变频调速液压电梯控制系统原理图 由上面的控制系统组成及原理图可以看出，变频调速液压电梯系统主要由轿厢及 传动装置、动力泵站、电梯控制柜、变频器、单片机控制器等几个部分组成。 单片机控制器是控制系统中的核心部件，它采集各种参与控制的信号，并经过综 合处理向各执行部件输出所需的控制信号。 变频器在单片机控制器的控制下，将来自电网的能量按所需的电压、电流和频率 输出给动力泵站中的电动机。本试验系统所采用的变频器为英国c t 公司的u n i d r i v e 第二章变频调速液压电梯控制系统原理与单片机控制器的功能 变频器。该变频器为交流矢量变频器，启动时能输出2 0 0 的低频输出力矩，可以满 足系统对启动时对变频器低频力矩的要求【1 3 】。 动力泵站接收变频器传输过来的电能，并将其转换为液压能传送给传动装置中的 液压油缸。动力泵站主要由箱体，浸油式电动机、螺杆泵马达、光电编码器、集成阀， 以及一些连接件组成。光电编码器与浸油电动机的伸出轴相连，用来采集电动机的转 速信号，将此信号反馈给变频器，使变频器工作在闭环矢量控制方式。集成阀是动力 泵站中的一个关键控制部件，它由液控单向阀、安全溢流阀、防吸空单向阀、手动下 降阀等元器件组成，是来实现主油路的通断控制、液压系统的安全保护、电梯断电或 发生故障时的手动下降功能。 传动装置中的液压缸在动力泵站的控制下运动，并通过传动装置中的滑轮组及钢 丝绳带动轿厢上下运行。 本系统的工作原理如下： ( 1 ) 上行过程 电梯控制柜接受外部上行召唤信号后，由其内部的p l c 经过处理，向单片机控制 器发出控制信号，控制器根据p l c 信号给变频器相应的控制信号，使变频器产生相应 频率和电压的交流电来驱动电动机运转，同时，电机上的光电编码器把电机转速信号 反馈给变频器，构成闭环矢量控制。浸油电机带动螺杆泵运转，螺杆泵输出的液压油 使管道内的油压迅速升高，直至顶开单向阀，使油液进入油缸，推动柱塞运动，柱塞 带动轿厢按预定速度运行。当电梯到站时，电梯控制柜内p l c 检测到从电梯井道过来 的停靠信号，将此停靠信号输出给单片机控制器，控制器随即输出给变频器停止运行 信号，浸油电机转速降为零，螺杆泵输出口的压力也迅速降低，轿厢的自重使得单向 阀关闭，电梯停靠。 ( 2 ) 下行过程 电梯控制柜接受外部下行召唤信号后，由其内部的p l c 经过处理，向单片机控制 器发出控制信号，控制器首先输出使变频器驱动浸油电机正向低速转动的控制信号， 使螺杆泵出口的压力升高，并通过压力传感器不断检测泵出口压力和负载压力，当两 者之差满足一个设定的关系时，控制器会给单向阀的电磁铁通电，使单向阀打开。之 后，控制器发出控制信号使变频器驱动电机从正向低速运转过渡到反向运转，油液从 油缸回到油箱，柱塞向下运动带动轿厢按预定速度下行。当电梯到站时，电梯控制柜 内p l c 检测到从电梯井道过来的停靠信号，将此停靠信号输出给单片机控制器，控制 器随即输出给变频器低速反转的信号，此信号不断减小，最终使得电机转速降为零， 随即控制器输出使单向阀电磁铁断电的控制信号，关断单向阀，电梯实现下行停靠。 2 2 变频调速液压电梯单片机控制器设计要求 第二章变频调速液压电梯控制系统原理与单片机控制器的功能 根据2 1 中对变频调速液压电梯控制原理的分析可以得出所需设计的单片机控制 器应具有以下一些功能模块【1 4 , 1 5 1 6 】。 ( 1 ) 检测p l c 信号 p l c 信号是由电梯控制柜不断综合轿厢按钮和厅门召唤等外部指令以及楼层中部 和楼层到站处的干簧继电器所发出的位置信号，然后通过p l c 信号的高、低电平状态 向理想给定曲线做出加速段起动、减速段开始以及结束段实施等指令，控制器利用检 测到的p l c 信号的电平状态指挥着电梯运行。 ( 2 ) 检测负载压力信号、泵出口压力信号等 在图2 1 所示的变频调速液压电梯系统中，需采用压力比较启动法以使电梯的起 动过程平稳。所谓压力比较启动法就是在电梯加载运行理想曲线前，先让电机带动泵 低速正转，然后不断检测液压泵的出口压力与负载压力，并对两者进行比较，只有这 两个压力的差值达到某限定范围内时，才能使控制阀开启，并进一步向变频器给出理 想速度曲线。无论上行还是下行，若要想使用这种起动方式，都需要采用压力传感器 检测主控制阀进油口与出油口的压力，单片机控制器在将来自压力传感器的信号综合 处理后输出控制主控制阀的开启，实现平稳启动。 ( 3 ) 输出控制单向阀开关的电信号 用来控制单向阀电磁铁的通断电，以控制主油路的导通和关断。 ( 4 ) 输出控制变频器转向的电信号 变频器设定在外部模拟信号控制方式时，要由外部继电器信号来控制其转向。单 片机输出高低电平，经功率放大后，驱动继电器，输出正、反转和地之间的通断信号， 控制变频器的转向。 ( 5 ) 输出控制变频器转速的电信号 变频器的模拟输入端可以接收0 i o v 的电压信号，或0 2 0 m a 、4 2 0 m a 的电 流信号，根据接收到的电信号的大小变频器可以控制电机输出相应的转速，带动泵， 马达转动，从而使轿厢按预定的速度运行。单片机控制器要能够按轿厢理想速度输出 控制变频器转速的电信号【1 2 1 。 ( 6 ) 按键输入及显示功能 这部分是用来完成参数的设置及显示功能，用于单片机控制器的现场调试。 ( 7 ) 采集轿厢运行的速度信号 通过对轿厢速度信号的采集，为实现轿厢速度大闭环控制提供了可能性。 除了以上这些功能外，考虑到所开发的单片机控制器需要实现负载压力补偿及温 度补偿功能，所以还需增加温度检测模块。同时为了方便单片机控制器的升级，使其 1 4 第二章变频调速液压电梯控制系统原理与单片机控制器的功能 软件上稍做修改便可以应用到课题组所研制的各类型的液压电梯系统里，还需增加一 些附加的功能模块，比如说应用到带蓄能器的闭式回路节能型液压电梯上 5 1 ，就需要 增加一个补油电机控制模块。 除了需要实现以上这些功能，单片机控制器还要具有很好的稳定性和可靠性。因 为控制器是和变频器配合使用，而变频器在运行时向空间不断发射强大的电磁波，这 给控制器的运行带来极大的威胁1 7 j 。所以需要在硬件和软件上采用抗干扰措施来提高 抗干扰能力。不过仅在设计阶段加上抗干扰措施并不能保证控制器的可靠性，在控制 器制作好后还需在实际使用环境中经过大量的实验来检验其可靠性，找出不足，进行 相应的改进。 当然作为一个产品化的东西还要具有实用性和经济性以及在技术应有一定的保密 性，不容易被仿造，这也是在设计控制器时应考虑的。 课题组以前所作过液压电梯单片机控制器虽然实现大部分需要的功能。但总的来 讲，当时的设计并没有考虑产品化的要求，只是在实验室的条件下验证了用单片机来 控制液压电梯的可行性。控制器后期的测试检验工作做的不足。所以在可靠性、舒适 性、实用性方面都不是很好。原单片机控制器对于对系统控制性能影响最严重的变频 器转速控制模块的设计存在着缺陷，因而造成了控制性能不佳，同时这对于电梯的控 制而言也是一个安全隐患。在外观及使用的便利性上，原控制器也有很大的改进余地。 课题组以前在变频调速液压电梯单片机控制器的方面所开展的研究工作距今已经有很 长一段时间了。在这段时间内，原单片机控制器中所选择的一些元器件已经停产了。 而与此同时，一批高性能的元器件涌现出来。因此有必要对原控制器中的各功能模块 进行新的设计，选择更为合理的电路形式及元器件。 此外，要使控制器更具通用性的话，要增加一些功能，如补油、压力补偿、温度 补偿等，所以有必要重新设计一套单片机控制器，并在控制器设计制作完成之后，对 其可靠性进行实验测试或电磁兼容性【1 7 1 1 埔l ( e m c ) 的检验，以确保其可靠性。 第三章单片机控制器的设计 第三章单片机控制器的设计 摘要：本章首先给出了单片机控制器所需处理的信号的性质，然后在此基础上按功能模块设计了 控制器的软、硬件结构，提出了在软件上实现压力补偿和温度补偿功能的方法最后对单片机控 制器设计中的采用的抗干扰措施进行了论述。 3 1 总体规划 第二章分析了单片机控制器在变频调速液压电梯控制系统中所需完成的功能，在 进行单片机控制器的设计之前还需进一步弄清楚控制器所需处理的各个信号的具体电 气特性。 控制器的设计采用模块化的设计方法，按第二章中分析的功能来划分，其功能结 构图如图3 1