（电机与电器专业论文）直线电机驱动电梯门机及其控制系统.pdf

a b s t r a c t e l e v a t o rs l i d i n gd o o ri su s u a l l yd r i v e n 埘t had co ra cr o t a r ym o t o la 1 m o u 曲 t h ed cm o t o rh a sag o o dc o m r 0 1p e r f o m l a l l c e ，a n dt h ea cm o t o rh a sas i m p l e c o n s t m c t i o n ，b o t l ln e e dc o m p l e xm e c h a n i s mt ot r a n s f c rr o t a r ym o t i o nt ol i n e a r m o t i o n i nt l l i st h e s i s ，an o v e ll i m - d r i v e ne l e v a t o rs l i d i n gd o o rs y s t e m ，w “c ho m i t sm e c o m p l e xm e c h a l l i s m ，i sd e s 培n e d as p e c i a lc o n s t a n tv o l t a g ev 撕a b l e 肫q u e n c y ( c v v f ) s 仃a t e g yi sd e s i g n e dt or e d u c et h ea c o u s t i cn o i s e c ，l e n i s e ，t h e 浙江大学硕士学位论文 周勇 第一章绪论 1 1 概述 随着社会的发展和旅游事业的兴起，城市设施逐步趋向现代化，宾馆、医院、 地铁、科研单位、车间等都希望能安装可以自动开闭的门，以满足特定的要求。 传统的门机一般采用交流异步电动机或直流电动机来实现。前者由于转速较 高，调速和位置控制复杂，必须带有中间减速传动装置，以达到减速和将旋转运 动变成直线运动的目的，因此，结构复杂，维修困难，且噪音大。后者虽具有调 速方便的特点，但仍需要将旋转运动转换为直线运动的中间传动装置，而且还需 要一套直流电源，因此不仅结构复杂、成本高，而且直流电机的维修比异步电机 困难。除此之外也有采用液压或气动装置来驱动门的，它们的传动机可以做得紧 凑简单，但是附属设备( 油泵或气泵及管路) 成本高、结构复杂、体积大。而且 为了保证门随时都能动作，油泵( 气泵) 必须一直处于工作状态，因而不仅噪音 大，能源的消耗也大。由于上述的种种原因，都希望有一种新型的驱动元件，它 不仅具有结构简单、噪声小的特点，而且又要节能。直线电机就是一种较为理想 的执行元件“1 。 本文所涉及的电梯门机采用了扁平型直线感应电机，在以后行文中称为电梯 门机。它是根据用户的需求设计的，具有推力大、安装方便等特点，在自动门领 域中有着广阔的应用前景，详细情况将在文中阐述。 1 2 直线电机的发展历史与应用 直线电机是一种将电能直接转变成直线运动机械能，而不需要任何中间转换 机构的传动装置“。3 。“。直线电机的发展经历了漫长的历史，据有关文献最早可 追溯到1 8 4 0 年惠斯特( w h e a t s t o n e ) 开始提出和制作的略具雏形但并不成功的 直线电机，从那时至今，已有1 6 0 多年的历史了，在这过程中，直线电机的发展 经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个时期。 1 2 1 探索实验时期( 1 8 4 0 1 9 5 5 年) 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了 个不断探索，屡遭失败的过程。1 8 9 5 曾发表了关于直线电机用在织布机上的专 浙江大学硕士学位论文周勇 利，这也是有关直线电机最早的一个专利。1 9 0 5 年，也有人曾提出用直线电机 作为机车的推进机构的想法，但这两者都停留在试验论证阶段。1 9 1 7 年出现了 第一台圆筒型直线电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超 出模型阶段。在以后很长的一段时间内，科研人员致力于将直线电机理论及各种 设想模型予以证实的工作，即实验研究工作，虽有少量的研究成果，但都未超出 试验阶段。 从1 9 4 0 1 9 5 5 年期间，世界一些发达国家的科研人员在实验的基础上又进 行了一些实验应用工作。1 9 4 5 年，美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵引 飞机弹射器，成功地用4 1 s 时间将一架重量为4 5 3 5 k g 的喷气式飞机在1 6 5 m 的 行程内由静止加速到1 8 8 k m h 的速度。随后美国利用直线电机制成了电磁泵，英 国利用双边扁平型直线电机制成了导弹发射装置，速度可达1 6 0 0 k h 。 1 2 2 开发应用期( 1 9 5 6 1 9 7 0 年) 二十世纪五十年代以来，直线电机进入了全面发展的阶段。一方面是由于当 时控制技术和材料技术的飞速发展，另一方面是由于前些年的理论探索和实验研 究。 期间最具代表性的是英国的莱斯维特( e l a i t h w a i t e ) 教授，1 9 5 6 年莱斯 维特出版了比较系统的介绍直线电机的专著i n d u c t i o nm a c h i n e sf o rs d e c i a l p u r p o s e ，它给直线电机领域起到了一个推动作用，做出了开创性的贡献。1 9 6 2 年，w e s t 和j a y a w a n t 设计了作为铁磁谐振器的单相直线电动机。 到1 9 6 5 年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实 用设备被逐步开发出来。例如采用直线电机的磁流体( d ) 泵、自动绘图仪、磁 头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、窀气压缩机、输送装置等。 1 2 3 实用商品时期( 1 9 7 1 年至今) 这一时期，直线电机进入了应用时代。世界各国出现了许多直线电机的产品， 它们不仅广泛应用于工业生产中，而且也逐步进入到人们的日常生活中。例如： 工件传送车，螺线管执行器( a c t u a t o r s ) ，单臂吊车，电动门，窗帘机等等。在 交通运输方面，直线电机在地铁、悬浮列车上电已得到了应用，例如我国上海的 足目前世界上唯一作为商业运行的磁悬浮列车，它的最高速度已超过5 0 0 k m h 。 浙江大学硕士学位论文 周勇 同时，直线式的特种电机也在不断发展，广泛应用于自动绘图仪、扫描式记录仪、 直线式电位器等新的领域。 1 2 4 中国直线电机的历史与发展 我国直线电机的研究和应用发展是从二十世纪七十年代开始的。七十年代比 较热，八十年代后期至今又有较大发展。现在国内已出现了一支直线电机的开发、 研究队伍，一些大专院校、科研单位和工厂积极开展了各类直线电机的基本理论 和开发应用的研究。自从1 9 8 2 年开始，全国直线电机学术会议定期召开，会上 既有论文的交流，也有新成果的展现。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的 成果，例如浙江大学的直线电机窗帘机、直线电机冲床、圆盘直线电机驱动并利 用其电磁内热的炒茶机、直线电机驱动物流传输线，西安交通大学的一种新型电 磁打泊机，上海工业大学的浮法玻璃生产用的直线电机、直线电机驱动的自动门， 西南交通大学的磁悬浮列车等等。关于直线电机的应用，国内已有许多项专利。 在理论研究上，发表了不少文章，出版了一些书籍。 我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但和国外相比，在推广应用方面 尚存在很大差距。广阔的市场应用前景也迫切需要我国科研人员在直线电机的设 计、优化和控制方面作深入的研究。 1 3 直线电机的基本原理及分类 1 3 1 直线电机的基本结构 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将台 旋转电机沿径向剖丌，然后将电机的圆周展开成直线，如图卜l 所示。由定子演 变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。 浙江大学硕士学位论文周勇 曲 ( 初级) 子 ) 几；几i 几i n i 几i 几呈嚏 ! ! n b 1初级 图l - 1由旋转电机变为直线电机的过程 a ) 沿径向剖开b ) 把圆周展成直线 在图卜1 中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行 时初级与次级之间要作相对运动的，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐， 那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为 了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，实际应用时是 将初级与次级制造成不同的长度。在直线电机制造时，即可以是初级短、次级长； 也可以是初级长、次级短。前者称作短初级长次级，后者称为长初级短次级。由 于在制造成本上，以及运行费用上短初级均比短次级低得多，故而，目前除特殊 需要外，一般均采用短初级，见图卜2 。 图卜2 中所示的直线电机仅在一边安放初级，对于这样的结构型式称为单边 型直线电机。这种结构的电机一个最大特点是在初级与次级之间存在一个很大的 法向吸力，一般这个法向吸力，在钢次级时，若设计不当会是推力的1 0 倍以上。 在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的。如果在次级的两边都装上初 级，那么这个法向拉力可以相互抵消，这种结构型式称为双边型，见图卜3 。 4 浙江大学硕士学位论文周勇 电动机( l i n e a r0 s c i l l a t i n gm o t o r s l o m ) 、直线电磁螺线管电动机( l i n e a r e l e c t r i cs o l e n o i d l e s ) 、直线电磁泵( l i n e a re l e c t r o i a g n e t i cp u m p l e p ) 、 直线超声波电动机( l i n e a ru l t r a s o n i cm o t o r s l u m ) 等。以上这些直线电机又 可以分成许多不同的种类。图1 5 表示了直线电机的分类。 图1 5 直线电机的分类 浙江大学硕士学位论文 周勇 1 4 本论文的主要工作 本文对直线电机驱动电梯门机电磁设计做了深入的分析，这种新型的采用直 线电机驱动的直线电机开门机结构在国内是创新的；利用a n s o f t 有限元软件分 析了电机的气隙磁场的分布和电机推力；详细介绍了电梯门的控制系统功能和结 构设计，并首次提出了一种恒压调频的控制方式；最后分析比较了实验测得的波 形，将实验结果和a n s o f t 的分析结果做了对比。 1 5 本章小结 本章介绍了直线电机的发展历史与应用；简要说明了直线电机的基本结构、 工作原理以及它的分类；最后阐述了本文的工作与创新点。 浙江大学硕士学位论文周勇 第二章复合次级直线异步电机的基本结构设计及电气参数的分析 2 1 复合次级直线异步电机的基本结构 2 1 1 初级 在扁平型直线电机中，其初级如图21 中所示。初级铁心也是由硅钢片叠成， 一面开槽，三相绕组嵌于槽内，但直线电机的初级与旋转电机的定子之间一个最 大的差别是旋转电机的定子铁心与绕组沿圆周方向是到处连续的，而直线电机的 初级铁心是开端的，形成二个端部，铁心和绕组的断开会对电机的气隙磁场产生 一定的影响，对移动磁场而言，出现了一个“进口端”和一个“出口端”即纵向 边缘效应，使电机损耗增加，出力减小。 复合次级 图2 一l 复合次级结构的直线异步电机 2 1 2 次级 直线电机的次级相对于旋转电机的转子，在扁平型直线电机中，常用的次级 结构有三种，第一种是钢板，称为钢次级或磁性次级，此时钢板既起导磁作用， 又起导电作用，但由于钢的电阻率较大，因此钢次级直线电机的电磁性能较差， 而且法向吸力也大( 约为推力的1 0 倍左右) 。第二种是在钢板上复合一层铜板( 或 铝板) ，称为钢铜( 或钢铝) 复合次级。在复合次级中钢主要起导磁作用，而导 电则主要是靠铜或铝。第三种是单纯的铜板( 或铝板) ，称为铜( 铝) 次级或非 磁性次级。在实际使用时，非磁性次级的直线电机是承受不了大的推力或拉力的， 因为铜和铝的机械强度和刚度不够，所以一般采用复合次级的结构，当复合次级 的铜板厚度大于2 m m 或铝板厚度大于4 m 时，这一种复合次级结构在设计时可以 作为非磁性次级来计算“1 。 浙江大学硕士学位论文周勇 2 1 3 气隙 直线电机的气隙相对旋转电机的气隙要大得多，主要是为了保证在长距离运 动中，初级和次级不会发生摩擦，对于复合次级和铜( 铝) 次级来说，除了通常 所说的机械气隙外，还要引入一个电磁气隙的概念，因为铜或铝均属于非磁性材 料，其导磁性能和空气相同，因此在磁路计算时，铜板或铝板的厚度应归并到气 隙中，总的气隙应由机械气隙( 单纯的空气隙) 加上铜板( 或铝板) 的厚度构成。 2 2 复合次级直线异步电机的参数分析 2 2 1 基于磁路的电机参数分析 由于直线电机的铁心开断和绕组的不连续，造成各项绕组的阻抗不对称，因 此即使在加上三相对称的电源电压时，在三相绕组中，其三相电流也不可能对称， 所以在气隙中不仅产生正向的移动磁场，而且存在反向的移动磁场，同时在电机 的两个端部还会形成脉振磁场，这种效应称为直线电机的纵向边缘效应。与之相 对应的由于初级和次级的宽度有限导致次级电流对气隙磁场的影响称为直线电 机的横向边缘效应。 纵向边缘效应是直线电机特有的；一般直线异步电机的次级导体板的横向宽 度是大于初级铁心叠片的宽度，所以通常不考虑横向边缘效应“”。 扁平型直线异步电机的电磁设计与旋转的异步电机类似，可以采用相同的等 效电路。只是一些参数的计算有自己的特点：1 ) 气隙比较大，因此漏磁场比较 大，这一部分计算不能忽略；2 ) 直线电机初级铁心是开断的，计算时必须考虑 x 浙江大学硕士学位论文周勇 次级导体板漏抗很小，可以认为zz o ；根据文献6 和文献8 ，考虑直线电机的 边缘效应时，采用将励磁支路与次级支路合并成串联的等效电路，如图22 b 所 示，用一个合成电阻和合成电抗来代替原来的励磁和次级支路。 ( a ) ( b ) 图2 2 异步电机的等效电路图 浙江大学硕士学位论文 周勇 式中：k ：一一双边型取2 ，单边型取1 ； q 。一一为初级每极每相槽数( 单边) 丑、九、丑、五一一分别为槽漏磁导系数、谐波漏磁导系数、绕组端部 漏磁导系数和齿端漏磁导系数； j 0 一一气隙磁场基波漏抗； 丑、乃、丸、 和的计算如下所示， 槽漏磁导系数： 堕 伽每+ 格+ 蠢2 ) ( 2 _ 1 2 ) 墨l = 1 3 k 扩+ 薏+ 吾c 净2 c z 堋， 谐波漏磁导系数： 乃= 甚【1 + ( 孚) 2 ( 2 _ 1 4 ) 绕组端部漏磁导系数： 丑= o 3 4 孚 ( 2 + 2 d ) 一o 6 4 m f k ，。2 ( 2 一1 5 ) 5 齿端漏磁导系数： 丑2 嚣 旺叫e ， 气隙磁场基波漏抗： 弘( c o s h ( 筹) _ 1 ) 以 ( 2 - 1 7 ) 式中：、6 l 、6 2 、啊、嘎一一槽口宽度和高度参数； t 。一一奄表所得； 浙江大学硕士学位论文 周勇 k 。一一初级绕组短距系数 ( 5 ) 起明j ；匪力 ( i ) 起动时不考虑边缘效应的合成电阻和电抗 耻器 q 1 s ， 趾志 q 1 式中：s 一一起动时滑差率，为1 ； g 一一品质因数，由公式垒笔等坠计算得到，= 4 0 8 1 0 3 c 晰q 珊m 2 刀口 ( i i ) 起动时考虑边缘效应的合成电阻和电抗 r 吨刚竹瓮) ( 2 - 2 0 ) 置= 以。( 1 + 见+ s g q 每 ( 2 2 1 ) 式中：见、d j 一纵向边缘效应复电磁功率系数5 k ，、一一横向边缘效应复电磁功率系数； ( i i i ) 起动时电机的总阻抗和电流 总阻抗： z = 瓜再面瓦磊丽 ( 2 2 2 ) 起动电流： 忙 ( 2 _ 2 3 ) 式中：u 一一相电压： ( i v ) 起动电磁推力 耻帆k 月+ 酬篙) 】k ( 2 _ 2 4 ) 浙江大学硕士学位论文周勇 式中：k 一一电机的同步速 2 2 2m a x w e l l2 d 有限元软件的电机参数分析 直线异步电机的电磁推力通过气隙磁场来实现，了解磁场对直线异步电机来 说非常关键。有限元法( f e m ) 应用于磁场分析上面，可以比路的方法获得更加 精确的结果，是一种较好的方法。本节采用a n s o f t 中的m a x w e l l2 d 有限元分析 软件分析了异步电机中的磁场分布、气隙中磁通密度b 的分布以及电机的起动推 力的情况。 h l a x w e l l 有限元分析的步骤是： 1 创建有限元模型 a 创建或读入几何模型 b 定义材料属性 2 设置边界条件及施加激励 a 设置边界条件 b 给绕组旌加电流或电压激励 c 设定绕线方式 3 求解设置 a 设置次级运动方向 b 设置剖分方式和仿真步长 c 求解 4 查看结果 a 查看分析结果和后处理 b 分析结果是否正确 ( 1 ) 电机磁场分析 建模过程：按照电梯门机的结构尺寸画好电机的几何模型；将a 、b 、c 三相 的线圈分别合成三个组；定义电机的材料，包括空气、次级板、硅钢片和线圈。 边界条件和激励的设置：定义剖分的边界；定义三相线罔的匝数、电阻、电 压方向以及电压激励函数；定义电机为“y ”型绕线结构。 求解设置：定义次级导板的运动方向；设置铁心叠厚，仿真步长和精度；剖 浙江大学硕士学位论文 周勇 分方式可以选用手动或是自动剖分，手动剖分精度高，可以根据需要对某区域进 行精剖分，但仿真时间长。 查看结果：m a x w e l l 的后处理有强大的运算功能，可以支持各种矢量、标量 的运算以及频谱分析。观测磁场分布时，先在模型上定义需要观看的区间，然后 定义观看参数。 o 望 h l n 穹 e ( a ) 电机磁场分布 l i ；f61 删，、 vv u 。 毒 0 y 。y f f v y k d i s ( 5 0 m m ，d i v ) ( b ) 气隙中的合成磁场曲线 图2 3m a x w e l l2 d 分析磁场分布 以复合次级结构的直线异步电机为模型，定予铁心长度为3 0 5 m m ，图2 3 a 为利用m a x w e l l2 d 软件分析的电机某一时刻磁场分布图。 从图中可以看出，磁场在定子、空气、铜板和铁板之间形成一个回路，由于 气隙较大( 空气气隙2 m m 和铜板2 m ) ，漏磁现象比较明显；从图2 3 b 中可以看 出气隙中的合成磁场在该时刻的分布。 浙江大学硕士学位论文周勇 ( 2 ) 电机起动推力的分析 m a x w e 既可以分析电机的静态场也可以分析电机的瞬态场。在瞬态场的分 析中可以得到电机起动推力的曲线，如图2 4 所示。 分析操作同磁场分析的设 置相同。 ； | l | | 。 i ， 2 j y t i m e ( 1 0 m 枷m 1 复合次级：2 唧铜板+ 6 m m 铁板；2 铜次级：2 砌铜板 图2 4 铜次级和复合次级结构电机推力的比较 图2 4 为同一电机采用不同次级结构的起动推力分析结果，从图中可以看出 复合次级结构的直线电机起动推力比铜次级的要大很多；换而言之，当需求一定 电机输出推力时，选用复合次级结构可以将直线电机的体积做得更小。 ( 3 ) 电机起动推力、频率和气隙的关系 从起动推力分析来看，电机的起动推力和频率、气隙有着密切的关系，但是 从公式( 2 2 4 ) 很难直观的判断出电源频率和空气气隙对电机输出力的影响大 小。利用m a x w e l l 有限元软件可以通过修改激励频率和调节气隙的大小方便地得 出三者的关系，并且可以得到在法向上电机初级和次级之间作用力的关系，如图 25 所示。 浙江大学硕士学位论文 周勇 9 是 z o 3 _ 函 2 薹 邑 蛊 + 2 m m f t 一4 m 珊f t 一6 m mf t 。1 冬 - - 8 i m n 一 、 途 、 1 h - - - 、 丧s 叁毫 i f 聆q u e n c y ( 1 0 蚰i v ) ( a ) k l + 2 m m f y l 一4 m mf 6 m ml i 。 + 8 l m n f y 1 心心 、0 30 l n 毯 一- -h 、 皇= h - - f r e q u 如c y ( 1 0 h z ，d i v ) ( b ) 图25 电机输出力和频率、气隙的关系 图2 5 a 为电机切向推力随气隙和频率的变化曲线，从图中可以看出电机的 推力随着气隙的增大或是激励频率的增加而减小；同样，图2 5 b 中的电机法向 的作用力也随着气隙的增大或是激励频率的增加而减小( 作用力大于0 表示吸引 力) ；比较a 和b 图，可以看出相同气隙下，电机的法向吸力比切向推力受频率 的影响较大。 浙江大学硕士学位论文周勇 2 3 本章小结 本章首先对直线异步电机的结构做了详尽的说明；然后用路的分析方法，给 出了异步电机参数设计的公式：然后利用m a x w e l l2 d 有限元软件分析了复合次 级直线异步电机中的磁场分布及起动推力与空气气隙、激励频率之间的关系。 浙江大学硕士学位论文 周勇 第三章直线电机驱动电梯门及其微机控制系统的硬件设计 3 1 电梯门机系统概述 本文采用了扁平型复合次级直线异步电机来驱动电梯门。将电机的初级安装 在其中一扇轿厢门的顶部i 次级板由2 舢的铜板和6 m m 的铁板组成，安装在电梯 轿厢的门架上；两扇门之间通过钢索连接实现同步联动，因此只需要一台电机即 能实现门机的开关门运行。当电梯轿厢到达某一楼层时，通过厅门上的刀架将 厅门和轿厢门机械地连接到一起，从而完成厅门和轿厢门的同步开关运行。 门机的控制系统能接受上位机或是本地开关的信号来驱动门机的开和关；具 有过流保护功能；能够识别是否有乘客在关门过程中被撞击并自动将门打开；电 机的运行曲线及开关宽度等参数可以通过调试器修改及显示。图3 1 为直线电机 电梯门机系统的轿厢门配置及系统实物图。 回 ( a ) 轿厢门的配置 曰 浙江大学硕士学位论文周勇 ( b ) 电梯门机实物图 图3 1 直线电机电梯门系统 3 1 _ l 门的位置检测 如图3 一l a 所示，在s 1 、s 2 和s c 位置都装有接近开关用来检测门是否丌、 关到位。 浙江大学硕上学位论文周勇 在门上安装一个旋转光电编码器，光电编码器将随着门的开或关而正转或反 转，其旋转的角度可以换算出门平移的位置，再利用初始时的电机位置就能够实 时地确定门的绝对位置并反馈给控制器，光电码器的精度要求能够检测到每扇门 1 5 m m 的平移距离。 3 1 2 控制系统的通讯布局与功能 图3 2 通讯布局 通讯布局如图3 2 所示，虚线内部为控制系统需要实现的功能。控制系统通 讯功能如下： “检修指令”由轿厢内的一个本地开关设置。当该开关合上时，“检修指令” 有效，控制器将屏蔽主机的“开门关门指令”，同时控制器向主机发送“正在 检修”信号，该信号为2 4 v 逻辑电平并且低电平有效( 下同) 。 “检修指令”有效且被控制器接受后，控制器可以和一台掌上型调试器进 行r s 2 3 2 串行通讯。该调试器既可以直接与控制器面板相连，也可以通过电缆与 控制器连接，调试人员可通过该调试器向控制器输入运行参数，如轿厢的运行速 度曲线及开关门宽度等。 “检修指令”有效且被控制器接受后，通过轿厢内的一个本地丌- 关来发出 “开门关门指令”，控制器触发逆变器相应地驱动两扇轿厢门开或关。当开关 合上时，表示要求关门，否则表示要求开门。 “检修指令”无效期间，由主机向控制器发送“开门关门指令”。当指 令为低电平逻辑信号时，表示乇机要求开门；当指令是高电平逻辑信号时，表示 浙江大学硕士学位论文 周勇 主机要求关门。 当两扇门都u 丌到位( 或关到位) ，既分别触到限位开关s 1 和s 2 时( 或s c ) ， 控制器向主机发送“开门到位”或“关门到位”逻辑信号；如果只有一扇门到位、 或者两扇门都不到位，控制器则将“开门到位”和“关门到位”信号都设成无效， 即高电平，并继续驱动电机将门开到位( 或关到位) 。 3 1 3 直线电机的控制 在收到“开门指令”后，逆变器驱动直线电机按预定的开门运行速度曲线将 两扇门打开，直至触到限位开关s l 和s 2 。然后向主机发出“开门至u 位”有效信 号，控制器实时监测门的位置，若门受外力影响而弹开( 例如5 唧，需要位置检 测) ，电机重新将两扇门打开到位。 在收到“关门指令”后，逆变器驱动直线电机按预定的关门运行速度曲线将 两扇l 、j 合拢，直至触到限位开关s c ，然后向主机发送“关门到位”有效信号， 并且失电。控制器实时监测门的位置，若门受外力影响而弹开( 例如2 5 m ，需 要位置检测) ，电机重新通电，将两扇门合拢到位。重新合拢的力量不超过1 5 0 n ， 这样，大于1 5 0 n 的外力可以将轿厢门强行打开。 在关门过程中，若某扇门( 或两扇门) 受到往开门方向的大于1 5 0 n 突加外 力，控制器立即触发逆变器驱动直线电机反向运行直至两扇门都开门到位，再等 待一段时间( 例如3 秒钟) 后重新关门。 在关门的过程中，若收到主机相反方向运行的指令，则立即按该指令驱动直 线电机反方向运行。 3 1 4 检修与调试 控制器循环扫描用来设置“检修指令”的本地开关。若该开关合上即“检修 指令”有效，控制器还不能立即接受“检修指令”，因为这时候电梯可能正处 在运行过程中；控制器同时还要扫描来自毛机的“开门指令”，若该“开门指 令”有效，表示电梯已经停靠在某个楼层安全位置，控制器才能接受“检修指令”， 并向主机发出“正在检修”信号，并将门打开到位。之后控制器就才i 再接受主机 任何指令，直至“检修指令”开关断开变为无效。 浙江大学硕士学位论文周勇 在“检修指令”被接受后，控制器根据本地信号发出的“开门关门指令” 来驱动直线电机。 在“检修指令”被接受后，控制器实时检测与掌上型调试器之间的r s 2 3 2 通讯接口。当调试器和控制器连接上时，调试人员可以从该调试器向控制器输入 运行参数，例如，轿厢门的运行速度曲线等。 图3 3 a 表示关门时的速度曲线，需要输入的参数包括：运行总距离l o ，增 速距离l l ，减速距离l 2 ，以及总关门时间t 1 ，控制器将根据这些参数自动计算 加速度、匀速运行速度和减速度；图3 3 b 表示开门时的运行速度曲线，需要输 入的参数除了运行总距离l o 外，还包括加速距离l 3 ，减速距离l 4 ，以及总得开 门时间t 2 ；另外控制器还可以设定时间t o ，它表示当关门过程中遇到障碍物而 反向开到位再等待t o 时间后重新关门。 ( b ) 开门 图3 3电机运行理想速度曲线 浙江大学硕士学位论文 周勇 3 2 2 微机系统 本文引入了c y p r e s s 公司的p s o c 片上可编程控制系统芯片( c y 8 c 2 7 4 4 3 ) ， 内部集成了多种功能模块，可以简化控制芯片的外围电路。主要实现以下功能： 3 2 2 1 主控制器中的m c u ： ( 1 ) 控制信号的读入与输出 与上位机的通讯：上位机的丌门和关门指令经过电平转换后送入p s o c 中： 同时，将正在检修、开到位和关到位三个标志信号输出后经过电平转 换反馈回到上位机。 读取本地信号的通讯：当本地的检修开关有效时，送入单片机中，单片机在 经过一些逻辑处理( 在3 1 2 节的通讯功能中有详细的介绍) 后将系统切换到检 修工作模式；当系统工作在检修模式下时，单片机不接收上位机的开关门指令， 这时开关门通过本地的两个按钮来控制，按钮产生的脉冲信号经过滤波整形转换 为一路电平信号送入单片机中，低电平表示关门。 这些控制信号经p 1 口来实现( 如表2 一l 所示) 。 ( 2 ) 控制逆变器 p 2 o p 2 5 六个引脚用来发出6 路逆变桥的驱动信号；p 2 7 用来控制电机 的开与关，它和下三路逆变桥的驱动信号经过与门后再用来驱动下三路逆变桥， 当p 2 7 输出为低电平时，就等于切断了下三路逆变桥。 ( 3 ) 与调试器进行r s 2 3 2 通讯 通过r s 2 3 2 将控制器中的电机运行曲线参数送入调试器芯片中，包括开关门 时间、宽度以及电机加减速和匀速时间等，经过调试器修改后重新读入到控制器 中。 ( 4 ) 门机位置的检测 读取光电编码器的脉冲信号及正反转信号：在门上安装了个增量式旋转光 电编码器，当i 、j 开或关时，光电编码器正或反转，通过将旋转的角度换算成门的 平移距离加上电机的初始位置就能实时测到门机的运行位置，在固定时间段内门 机的平移距离就能换算成该时间段内的门机平均运行速度；正反转信号由光电编 码器的a 、b 两路正交信号经过d 触发器转换后得到。 浙江大学硕士学位论文周勇 读取限位开关的信号：在门开到位( 或者关到位) 时，门架上的限位开关就 会被触发，触发信号送入单片机中经过滤波后用来判断门是否开到位( 或者关到 位) 。 ( 5 ) 过流保护 电机运行中出现故障时，可能会出现过流现象。通过a d 采样实时地监控电 机的相电流，当出现过流现象时，控制器通过p 2 7 口关闭逆变器的输出，达到 保护电路和电机的功能。 ( 6 ) 通过软件实现灵活的控制方法 3 2 2 2 调试器中的m c u ： ( 1 ) 与主控制器进行r s 2 3 2 通讯 ( 2 ) 定时扫描键盘的操作 调试器上共设置了5 个按钮：上、下键用来修改参数值以及显示的菜单；左、 右键用来移动光标；中间确定键表示完成修改。 ( 3 ) 控制l c d 液晶显示屏 根据键盘的操作，调试器控制l c d 屏幕上的显示内容和方式以及修改运行参 数。显示分两行，第一行为当前的状态，例如“m o d i f i n g ”表示正在修改参数； 第二行显示运行参数，例如开门宽度：l o = 0 5 0 0 珊表示开门宽度为1 米( 每 扇门开门宽度为0 5 米) 。 ( 4 ) 掉电保存数据功能 通过调试器中的e 2 p r o m 模块保存修改前后的电机运行参数，当确定键有效 时，判断从主控制器读入电机运行参数与修改后的参数是否相同，若不相同则将 修改后的参数覆盖写入e 2 p r o m 中，并将修改后的参数反馈回主控制器。 本文采用的c y 8 c 2 7 4 4 3 芯片具有丰富的硬件资源和灵活的指令系统，又有较 高的运算速度和精度，且价格低廉，凼此选用此种型号。c y 8 c 2 7 4 4 3 拥有1 6 k 闪 存，2 5 6 b 的s r a m ( 可供e e p r o m 用) 以及一个m a c ( 乘法累加) 单元；内部集成了 可编程模拟和数字逻辑块，有多个定时器、计数器、p w m 发生器、u a r t 串行通讯、 a d 转换等；所有的模块都训以动态重新配置，并能在运行中创建系统功能；另 外p s o c 的引脚可以根据需要选择上拉、下拉、高阻等多种工作模式，并且可以 浙江大学硕士学位论文周勇 c ( a ) 电路原理图 2 c a ( b ) 波形图 ( c ) 实验测得波形 图3 5 有源滤波电路 从图3 5 c 中州以看出a 相脉冲信号中的毛刺经滤波电路后被消除，这罩需 浙江大学硕士学位论文 周勇 要指出的是需选用施密特触发非门芯片。 ( 2 ) 中断信号的选择 因为外部中断容易引入干扰信号，因此建议尽量采用微机内部中断。例如， 在电机运行时，内部定时器t i m e r l 6 每申请一次中断，服务子程序就改变逆变器 的导通状态；内部定时器t i m e r 8 每中断一次，其予程序就计算一次电机运行速 度。 ( 3 ) 数值滤波 用软件实现数值滤波也是本文的一种常用方法。例如，利用限位开关判断门 是否开到位( 或者关到位) 时，由于弹性的机械结构容易造成误判，因此，通过 一个较小的时间间隔连续读入信号都相同时才有效，这种方式也用在关门过程中 通过测量速度是否为零来判断是否有人挡在门中；在调试器中扫描键盘操作时， 定时地读入键盘的状念，只有连续超过1 0 m s ( 2 0 次) 读入有效电平时才确定键 盘操作有效，这样可以避免由于键盘的抖动或外界干扰引起的误触发。 3 2 4 逆变电路和直流电源 ( 1 ) 逆变电路 本文的逆变电路选用了三菱的i p m 智能逆变模块( p m 2 5 r l a l 2 0 0 ) ，耐压 1 2 0 0 v ，耐流2 5 a ( 在实际产品中可以小一些) ，最大斩波频率可以达到2 0 k h z 。 它是由高速、低损耗的i g b t 和优化的栅极驱动及保护电路构成的，内部集 成了能连续监测电力电子器件电流的传感器，可高效的实现i g b t 的过电流和短 路保护，图3 6 中的f o ，w f o ，v f o ，u f o 分别为下桥和上三路逆变桥的出错信 号引脚( 低电平有效) 。 浙江大学硕士学位论文 周勇 4 5 0 v 1 0 0 0 u f 的滤波电容串联滤波后送给逆变器，电容上分别都并联了一个 5 w l o k 的功率电阻( 停机时起到放电的作用) ，如图3 7 中的整流电路所示。 图37 控制器主电路图 r ：整流电路；i ：逆变电路；m ：电机初级。 ( 3 ) 直流电 x 浙江人学硕士学位论文 周勇 图38 光电编码器和控制器芯片之间的电路连接框图 电流传感器选用c s 0 1 0 g 霍尔传感器，电流量程为1 0 a ( 电机额定电流为2 a 左右) 。单电源5 v 供电，电压输出方式，可以直接接到p s o c 中的运算放大器， 然后送入a d 转换模块中。如图3 9 所示，虚线内为p s o c 内部采样框图。 _ i i i 3 2 6 电平信号转换电路 电平信号转换方式有很多种，可以通过电压比较器实现，例如本文中的上位 机和控制器信号之间就是通过方式来实现电平转换的，如图3 1 0 a 所示；另外也 可以通过稳压二极管和一些阻容电路实现，例如将开关门按钮产生的脉冲信号转 换为高低电平信号送入控制器中，如图31 0 b 所示。 ( a ) 浙江大学硕士学位论文周勇 ( b ) 调试器电路图 浙江大学硕士学位论文 周勇 图3 1 2 控制系统电路图 3 3 本章小结 本文首先介绍了电梯丌门机系统实现的功能及结构组成，并接着详细介绍了 控制器硬件的设计，最后给出了控制系统的电路图。 浙江大学硕士学位论文周勇 第四章电梯门机控制系统的软件设计 4 1p s o c 可编程片上系统开发环境 p s o c 是p r o g r a r n m a b l es y s t e m o n c l l i p t mm i c r o c o n t r o l l e r s 的缩写。 p s o c d e s i g n e r 集成开发环境包含三种子系统( 如图4 1 所示) ：器件编辑、应用编辑 和调试程序，其界面将根据不同的子系统而被分割成多个活动窗口，在任何时候 用户都可以单击不同的工具栏图标进入相应的子系统。 首先通过器件编辑界面选择所需要的模块( 图4 1 a ) ；放置和设置选择的用 户模块及参数，包括全局资源的参数等( 图4 1 b ) ，例如p _ | v m 发生模块可以设置 它的时钟频率、脉冲宽度、频率和触发方式等；然后设置相关模块的连接并设定 芯片输入输出管脚的工作模式和触发方式；最后生成应用文件。p s o cd e s i g n e r 将自动更新汇编文件和c 编译代码，生成a p i ( 应用接口) 和i s r ( 中断服务程 序) ，同时创建基于配置的数据表单。 其次在应用编辑器中( 图4l c ) ，用户可选择汇编、c 语言或是混合编写的 方式编写应用程序，通过调用生成的a p i 接口程序可以方便的实现模块功能。例 如定时器的a p t 接口调用： “ t i m e r l 6 一l - s t o p ( ) ； t j m e r l 6 1 一w r i t e p e r i o d ( 2 5 6 ) t i m e r l 6 - l _ e n a b l e i n t ( ) ； t i m e r l 6l s t a r t ( ) ； ” 关闭1 6 位定时器； 设置定时器中断为0 0 2 秒 起动定时器中断； 启动定时器； 当应用程序编译完成后，可以直接将生成的代码f 载到应用芯片中，也可以 先通过调试程序对所写的程序进行仿真。 通过调试程序仿真可以检测所编写的应用程序在硬件中的运行情况，用户可 以通过设置断点和跟踪属性来观测寄存器中的数据，也可以通过监测变量与寄存 器浏览来观测，包括c p u 寄存器、i o 寄存器、r a m 和f l a s i i ( 如图4 一l d ) 。 浙江人学硕上学位论文 周勇 ( c ) ( d ) 图4 1p s o cd e s i g n e r 集成开发环境 浙江人学硕士学位论文周勇 j 护2 装 丫 。 l 0 。 ( b ) 开门曲线 图4 3 门机运行曲线 1 ：起动加速段；2 ：掉电滑行段； 3 ：反相减速段；4 ：缓慢到位段。 运行曲线如图4 3 所示。通过调试器的键盘操作可以修改l 0 l 4 的参数和 开关门的时间t 1 ，t 2 ，控制器将自动计算出加( 减) 速度，并转换为逆变器的 触发频率，从而可以通过调试器方便地调整门机的运行曲线参数。 4 2 4 关门时安全性能的软件设计 电梯门的安全性能直接关系到乘客的安全，在电梯门的运行中，特别要考虑 到关门过程中遇到的特殊状况，例如关门过程中有乘客还没进入电梯或是关门过 程中遇到特殊情况需要立刻将门打丌等。根据国家电梯安全规范( g b 7 5 8 8 1 9 9 7 ) 的要求，电梯开门机必须具备以一f 几个功能： ( 1 ) 关门过程中的撞击力不大于1 5 0 n ； ( 2 ) 当乘客在层门关闭过程中通过入口而被门扇撞击( 或将被撞击) 时， 一个保护装置应自动的使门重新开启，此保护装置的作用可以在每扇门最后 5 0 m m 的行程中被取消； ( 3 ) 层门的自动关闭，在轿厢门驱动层门的情况下，当轿厢在开锁区域以 外的，当层门无论任何原冈而开肩时，应有_ 种装置( 重块或弹簧) 能确保该层 门自动关闭： ( 4 ) 中分自动门当开门宽度不超过1 1 米时，开关门时间不能超过4 9 秒： 浙江大学硕士学位论文 周勇 行到位。 由于运行的距离很短，电机运行全程为o 5 5 米，且运行中调节电机的速度， 因此电机实际上一直工作在瞬态中( 即电机的滑差s 接近1 ) 。 根据安全规范第2 条功能要求，门机系统在关门过程中要求能够判断是否有 乘客被门扇撞击。本系统中通过判断门机所处的位置以及运行速度是否突然降低 ( 约持续1 秒钟) 来判断是否有乘客被撞，当系统判断出有人被撞击时，立即驱 动逆变器将门打开，并且等开到位等待2 秒后( 可通过调试器修改该时间) 重新 驱动门机将门合上。另外在两扇门上安装着光幕，上位机可以通过光幕的信号实 时地判断关门过程中是否有物体被挡，在关门过程中如果控制器接收到开门指 令，则控制器立即触发逆变器驱动门机开门。 4 2 5 主控制器中的流程图设计 主控制系统的程序流程图由主程序流程图、u a r t 串行中断程序流程图、关 门子程序流程图等组成。 主程序流程图如图4 4 所示： 浙江大学硕士学位论文 周勇 ( b ) 图4 5u a r t 串行中断程序流程图 丰注：主程序中另外的程序流程图见附录。 4 3 调试器软件设计 调试器程序主要由主程序、按键子程序、i ，c d 显示予程序组成，其中u a r t 串行通讯程序包含在主程序中。 浙江大学硕士学位论文周勇 ( b ) 5 3 浙江大学硕士学位论文 周勇 ( c ) 图46 调试器主程序流程图 按键予程序： 按键子程序由两部分组成，一个是按键扫描子程序，另一个是按键处理程序。 前者用一个1 i m e r 8 定时器来定时扫描键盘，后者写在主程序中，即图46 b 中的 “记录数据，改变第二行显示”操作。 浙江大学硕士学位论文周勇 显示数据有：“l o = 1 0 0 0 ” “l 2 = 0 5 0 0 ” “l 4 = 0 5 0 0 ” “t 1 = 3 0 0 0 ” ，“l 1 = 0 3 0 0 ”， ，“l 3 = 0 3 0 0 ”， ，“t o = 2 0 0 0 ”， ，“t 2 = 3 0 0 0 ”。 图47 按键操作程序流程图 5 5 浙江火学硕士学位论文 周勇 4 4 本章小结 本章首先介绍了p s o cd e s i g n e r 的开发环境：接着详细介绍了主控制器的软 件设计，包括调速控制方法的选取，门机运行曲线的设计，关门时安全方面的软 件设计以及给出了控制器的程序流程图；最后说明了调试器程序流程图的设计。 浙江大学硕上学位论文周勇 言 墨 3 量 t ( 5 m 蚰扣) ( a ) a 相上桥驱动信号( 低电平有效) 硪扎 飞唾 i i rl 斗z tj i f ； 一 | f j ， | ， x ， 1 、一 l 州 滴阿 t i m tt 5 田f d 却) ( b ) 线电流波形 j 一_ _ l 。一。 34567 8 91 01 1 1 2 f r e q u e n c v ，5 0 h