電梯變頻門機(jī)系統(tǒng)與運(yùn)動控制分析

電梯是現(xiàn)代生活中不可缺少的工具，而電梯門機(jī)系統(tǒng)又是整梯系統(tǒng)中動作最頻繁的部件，其性能直接影響到整梯的性能。電梯門機(jī)分為直流門機(jī)、交流異步變頻門機(jī)、永磁同步門機(jī)[1]（ 至于這三種門機(jī)的區(qū)別，因篇幅所限，不在本文分析）。在這三種門機(jī)中，交流異步變頻門機(jī)是目前使用量最大的電梯門機(jī)，本文所分析的就是這種門機(jī)。
交流異步變頻門機(jī)通常簡稱為變頻門機(jī)，其構(gòu)成主要分為三部分：變頻門機(jī)控制系統(tǒng)、交流異步變頻電機(jī)、變頻門機(jī)機(jī)械系統(tǒng)[2]，三部分的關(guān)系如圖1所示。

圖1可知，控制系統(tǒng)用于控制變頻電機(jī)運(yùn)行，變頻電機(jī)又拖動機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行。
對于不同廠家的電梯，變頻門機(jī)控制系統(tǒng)的具體設(shè)計會有所不同，但結(jié)構(gòu)原理是基本一樣的，圖2 即為變頻門機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理框圖。
在圖2 中，高壓直流驅(qū)動電源為310 V 左右，用作驅(qū)動模塊的逆變工作電源，低壓直流控制電源的電壓等級包括5 V、15 V、24 V等，不同廠家的系統(tǒng)會有所不同；參數(shù)存儲器一般使用EEPROM；電流傳感器一般設(shè)有兩個，接在兩相電機(jī)線上，第三相電機(jī)線的電流通過程序中的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到；編碼器及其反饋信號接口電路在“編碼器控制方式”下需要，在“速度開關(guān)控制方式”下不需要，關(guān)于控制方式（即運(yùn)動控制方式），將在下文分析。
與變頻門機(jī)控制系統(tǒng)的情況類似，對于不同廠家的電梯，變頻門機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的具體設(shè)計也會有所不同，但結(jié)構(gòu)原理是基本一樣。變頻門機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)分為兩大部分：轎門側(cè)機(jī)械部分和廳門側(cè)機(jī)械部分，轎門和廳門通過一種稱為“系合裝置”的機(jī)械部件聯(lián)接在一起，電機(jī)拖動轎門運(yùn)動，轎門通過“系合裝置”帶動廳門一起運(yùn)動。廳門側(cè)機(jī)械部分除沒有電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)外，其余跟轎門側(cè)機(jī)械部分相似，為節(jié)省篇幅，本文僅介紹轎門側(cè)機(jī)械部分。變頻門機(jī)轎門側(cè)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

從圖3可看出，轎門側(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩扇轎門和轎門上坎兩大部分組成，上坎上分布著各種部件，圖中所畫為主要部件。其中滑輪組（兩組）聯(lián)接轎門與上坎，將轎門吊掛在上坎導(dǎo)軌上，滑輪組的皮帶夾板卡住皮帶，使得皮帶可以拖動滑輪組在導(dǎo)軌上運(yùn)動，從而拖動轎門運(yùn)動。上坎上的開門極限開關(guān)和關(guān)門極限開關(guān)，用于檢測轎門是否運(yùn)動到開門極限位置或關(guān)門極限位置。電機(jī)尾部的編碼器和上坎上的速度開關(guān)并不是同時都需要，這取決于不同的運(yùn)動控制方式。

2 變頻門機(jī)的運(yùn)動控制方式及控制信號構(gòu)成

變頻門機(jī)的運(yùn)動控制方式分為“編碼器控制方式”和“速度開關(guān)控制方式”。在使用“編碼器控制方式”時，電機(jī)尾部安裝有編碼器，但上坎上不安裝速度開關(guān)。在這種控制方式下，通過編碼器既能檢測轎門位置，又能檢測轎門速度，因此可以使用位置和速度閉環(huán)控制，“編碼器控制方式”下的控制信號構(gòu)成如圖4所示。
圖4 中的開門信號、關(guān)門信號、平層信號由電梯整梯控制系統(tǒng)發(fā)出，其中平層信號是指電梯到達(dá)每一樓層平面位置時產(chǎn)生的信號；開門極限信號與關(guān)門極限信號是指轎門運(yùn)動到開門極限位置和關(guān)門極限位置時，由開門極限開關(guān)和關(guān)門極限開關(guān)產(chǎn)生的信號；安全觸板和光電光幕是檢測障礙物的裝置[3][4]，安裝在轎門的門沿上（圖3 中未畫出），這兩個裝置只有在關(guān)門過程中才有效，當(dāng)有障礙物時，會產(chǎn)生安全觸板信號和光電光幕信號，以便整梯控制系統(tǒng)和門機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)；編碼器用來反饋轎門運(yùn)動速度、檢測轎門位置和運(yùn)動方向。“編碼器控制方式”下的速度切換點(diǎn)通過檢測轎門位置來確定。

在使用“速度開關(guān)控制方式”時，電機(jī)不帶編碼器，而是依據(jù)上坎的速度開關(guān)來檢測速度切換點(diǎn)。在這種控制方式下，沒有位置檢測，也沒有速度檢測，因此只能使用位置和速度開環(huán)控制，“速度開關(guān)控制方式”下的控制信號構(gòu)成如圖5 所示。

圖5跟圖4相比，只是編碼器信號用速度開關(guān)信號替代，其余控制信號二者完全一樣。兩個速度開關(guān)僅用作變頻門機(jī)運(yùn)動過程中的速度切換點(diǎn)。

3 變頻門機(jī)的運(yùn)動曲線

在“編碼器控制方式”下，變頻門機(jī)關(guān)門過程的理想運(yùn)動曲線（即程序中設(shè)定的運(yùn)動曲線）如圖6 所示。
在圖6 中，橫軸表示關(guān)門行程，縱軸表示運(yùn)動速度；0點(diǎn)為開門極限位置兼第一加速段起始點(diǎn)，A 點(diǎn)為第一加速段終止點(diǎn)、第二加速段起始點(diǎn)；B點(diǎn)為第二加速段終止點(diǎn)、勻速段起始點(diǎn)；C點(diǎn)為勻速段終止點(diǎn)、第一減速段起始點(diǎn)；D 點(diǎn)為第一減速段終止點(diǎn)、第二減速段起始點(diǎn)；E點(diǎn)為第二減速段終止點(diǎn)兼關(guān)門極限位置。從圖中可看出，減速行程CE 段比加速行程OB段要長，這是門機(jī)運(yùn)動時的工況和安全特性所要求的；A、B、C、D 四個速度切換點(diǎn)的位置通過編碼器來檢測。
在“速度開關(guān)控制方式”下，變頻門機(jī)關(guān)門過程的理想運(yùn)動曲線如圖7 所示。

在圖7 中，B 點(diǎn)為加速段終止點(diǎn)、勻速段起始點(diǎn)；C點(diǎn)為勻速段終止點(diǎn)、減速段起始點(diǎn)；B 點(diǎn)與C點(diǎn)的信號由兩個速度開關(guān)產(chǎn)生；圖中的橫軸、縱軸、O 點(diǎn)、E 點(diǎn)的意義與圖6 相同，不同的是，圖6中的加速段與減速段都有兩段，而圖7 中的加速段與減速段都只有一段，這是因?yàn)樵趫D6 中，有四個速度切換點(diǎn)，而在圖7中，只有兩個速度切換點(diǎn)，因?yàn)橹挥袃蓚€速度開關(guān)，如果要再增加兩個速度開關(guān)，不僅要增加產(chǎn)品成本，而且安裝位置也很緊張，尤其是開門寬度比較小的電梯門機(jī)，無法安裝四個速度開關(guān)。因圖7的這種特性，導(dǎo)致“速度開關(guān)控制方式”下，門機(jī)運(yùn)動過程的平滑性不如“編碼器控制方式”。
以上只分析了關(guān)門運(yùn)動曲線，至于開門運(yùn)動曲線，除運(yùn)動方向與關(guān)門運(yùn)動曲線不同外，其余與關(guān)門運(yùn)動曲線類似。
在圖6 與圖7 中，加速段與減速段的理想曲線都是連續(xù)的，但實(shí)際施加的速度信號是不連續(xù)的，而是通過步頻來實(shí)現(xiàn)的，步頻的概念請見圖8，現(xiàn)以加速過程來說明步頻的概念。圖8 是從加速段理想曲線中選一小段放大，從圖中可以看出，放大后呈階梯狀，在加速過程中，速度的增加是通過間隔時間駐T來增加頻率駐f（電機(jī)電源頻率）實(shí)現(xiàn)的，駐f稱為步頻。在設(shè)計理想曲線時，要先計算出加速過程需要多少時間，從而計算出步頻的具體數(shù)值。步頻的數(shù)值是頻率分辨率的整數(shù)倍，比如對于頻率分辨率為0.1 Hz的變頻門機(jī)系統(tǒng)，步頻的數(shù)值可為0.3 Hz、0.4 Hz 等，具體數(shù)值由設(shè)計者根據(jù)實(shí)際情況確定，步頻的數(shù)值不能太大，否則在加減速時會出現(xiàn)振動。

4 編碼器控制方式下的運(yùn)動位置與方向檢測

在“編碼器控制方式”下，可以依據(jù)編碼器信號的四倍頻計數(shù)值來檢測轎門的位置，同時依據(jù)編碼器的旋轉(zhuǎn)方向來判斷轎門的運(yùn)動方向。圖9為編碼器的四倍頻計數(shù)及其計數(shù)方向示意圖。

從圖9 可看出，編碼器輸出的A 路信號和B路信號為相位差90°的周期方波信號，在DSP（或單片機(jī)）芯片內(nèi)部有專門用于編碼器信號計數(shù)的90°相移計數(shù)器，當(dāng)A路信號的上升沿/下降沿超前B路信號的上升沿/ 下降沿時，計數(shù)器的計數(shù)方向?yàn)樵鲇嫈?shù)；當(dāng)A路信號的上升沿/下降沿滯后B路信號的上升沿/ 下降沿時，計數(shù)器的計數(shù)方向?yàn)闇p計數(shù)。若設(shè)定增計數(shù)時電機(jī)的運(yùn)動方向?yàn)檎较颍瑒t減計數(shù)時電機(jī)的運(yùn)動方向就為反方向。
DSP（或單片機(jī)）芯片內(nèi)部的編碼器信號接口利用兩路周期信號的四個邊沿加工成四倍頻的計數(shù)信號，四倍頻的計數(shù)信號有利于提高電動機(jī)角位移的分辨率，也即可以提高轎門運(yùn)動位置和運(yùn)動速度的分辨率，門機(jī)控制系統(tǒng)就是通過這個四倍頻計數(shù)值來檢測轎門運(yùn)動位置和運(yùn)動速度的。
例如，轎門從開門極限位置到關(guān)門極限位置的距離是500 mm，電機(jī)要旋轉(zhuǎn)10 轉(zhuǎn)，也即編碼器要旋轉(zhuǎn)10 轉(zhuǎn)，假定編碼器的分辨率為512 個方波/轉(zhuǎn)，則編碼器旋轉(zhuǎn)10 轉(zhuǎn)后，四倍頻計數(shù)值為512×4×10＝20 480，每個計數(shù)值所代表的距離為500 mm/20 480＝0.024 4 mm。現(xiàn)設(shè)定開門極限位置時的四倍頻計數(shù)值為0，則當(dāng)四倍頻計數(shù)值為5 000 時，表明轎門向關(guān)門極限位置運(yùn)動的距離為5 000×0.0244＝122 mm。

5 結(jié)語

在電梯變頻門機(jī)的兩種運(yùn)動控制方式中，“速度開關(guān)控制方式”不僅程序算法簡單，而且節(jié)省了價格相對較高的編碼器，但因其不能檢測轎門的運(yùn)動方向、位置和速度，所以只能使用位置和速度開環(huán)控制，這將導(dǎo)致控制精度相對要差，而且在這種控制方式下，門機(jī)運(yùn)動過程的平滑性不太好，因此目前很少使用，基本上使用“編碼器控制方式”。