電梯應(yīng)急救援裝置的柔性控制

肖紅軍 李先祥 肖曉

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 2.91630部隊(duì)）

1 問(wèn)題描述

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，電梯使用越來(lái)越廣泛，其安全問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，如何主動(dòng)避險(xiǎn)是電梯行業(yè)的熱門研究課題。隨著科技日新月異的發(fā)展，各種新材料、新工藝、新技術(shù)不斷地被應(yīng)用到電梯中，使電梯向著更安全、更快捷、智能化程度更高的方向發(fā)展。因電梯本身的故障導(dǎo)致停梯困人的情況雖然日益減少，但因其它因素導(dǎo)致電梯供電中斷以致停梯困人的問(wèn)題則日益凸現(xiàn)。為最大限度地減小停梯對(duì)被困乘客心理和生理上的不利影響，電梯應(yīng)急救援裝置應(yīng)運(yùn)而生。該裝置能夠在電梯供電中斷的情況下自動(dòng)投入應(yīng)急救援，將電梯轎廂慢速運(yùn)行到就近層?？?，打開(kāi)轎門和廳門，放出受困的乘客，主動(dòng)避免由于電梯供電中斷故障造成乘客的人身傷害和設(shè)備的損壞。

20世紀(jì)，電梯拖動(dòng)系統(tǒng)絕大部分使用異步電動(dòng)機(jī)。21世紀(jì)，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、出力大、效率高等特點(diǎn)，新增的電梯拖動(dòng)系統(tǒng)大部分使用永磁同步電動(dòng)機(jī)。因此，研制一種適合各種永磁同步電動(dòng)機(jī)的電梯應(yīng)急救援裝置具有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于廠家來(lái)說(shuō)，該裝置最好能同時(shí)兼容異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。

該裝置設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于存在太多不確定因素，這些不確定因素分為兩類：第一類是該裝置裝配前不能確定，裝置運(yùn)行時(shí)可以確定的因素，如拖動(dòng)設(shè)備可能是永磁同步電動(dòng)機(jī)也可能是異步電動(dòng)機(jī)，電梯用的永磁同步電動(dòng)機(jī)還分凹極式和凸極式，電機(jī)功率、電機(jī)額定電壓、額定電流不確定，抱閘所需時(shí)間不確定，平層時(shí)間不確定，電梯配比不確定等；第二類是裝置運(yùn)行時(shí)還不確定的因素，如轎廂承重不確定，以致運(yùn)行方向不確定，且由于鋼絲的存在，轎廂承重隨著電梯上下行也會(huì)不同等。

本文根據(jù)需要提出了總體設(shè)計(jì)方案，然后重點(diǎn)針對(duì)兩種不確定情況提出具體的解決方法，以滿足不同類型的電梯拖動(dòng)系統(tǒng)的柔性控制。

2 總體設(shè)計(jì)方案

應(yīng)急救援裝置包括中控板、操作盒、檢測(cè)驅(qū)動(dòng)板、接口板、蓄電池組及充電板，總體設(shè)計(jì)方案原理框圖如圖1所示。中控板是該裝置的核心功能部件，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法、裝置的邏輯控制、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，其中虛線框內(nèi)為DSP TMS320lf 2407軟件實(shí)現(xiàn)的功能。操作盒用于參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行和顯示等。檢測(cè)驅(qū)動(dòng)板包括電梯邏輯信號(hào)檢測(cè)，電壓、電流檢測(cè)保護(hù)等。接口板包括控制繼電器等。檢測(cè)驅(qū)動(dòng)板輸出的信號(hào)接至IGBT功率器件，直接對(duì)蓄電池供電電壓實(shí)現(xiàn)逆變。因此該裝置控制電機(jī)在低頻低壓的工況下運(yùn)行。

一般情況下，電梯供應(yīng)商不允許應(yīng)急救援裝置安裝位置傳感器，因此無(wú)法得到位置信號(hào)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。而電梯只有運(yùn)行在平穩(wěn)的速度下才能滿足轎廂乘客的舒適要求。因此，裝置以采集母線電流值作為反饋信號(hào)，設(shè)計(jì)一個(gè)改進(jìn)的模糊控制器，控制電壓調(diào)整度，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。

3 裝置柔性控制設(shè)計(jì)

該裝置針對(duì)兩類不同的不確定因素，采用不同的解決方法，實(shí)現(xiàn)裝置的柔性控制，以滿足不同電梯應(yīng)急救援的要求。

圖1 應(yīng)急救援裝置總體設(shè)計(jì)方案原理框圖

3.1 第一類不確定因素

該類不確定因素在裝置安裝時(shí)可以確定或者裝置調(diào)試時(shí)可以得到實(shí)驗(yàn)值，只需通過(guò)操作盒設(shè)置參數(shù)，上傳至中控板保存，下次運(yùn)行時(shí)調(diào)用保存在EEPROM里面的參數(shù)即可正常運(yùn)行。

3.2 第二類不確定因素

此類不確定因素是指某些運(yùn)行參數(shù)隨著運(yùn)行狀態(tài)的變化而不可預(yù)知，這里主要討論蓄電池電量不確定和轎廂承重不確定兩種因素。

蓄電池電量和外接蓄電池?cái)?shù)量有關(guān)，這在裝置安裝時(shí)可以確定，屬于第一類不確定因素。一般使用四個(gè)12V蓄電池，特殊情況下小功率電機(jī)的拖動(dòng)系統(tǒng)只需三個(gè)12V蓄電池，特大功率電機(jī)則用五個(gè)或者六個(gè)12V蓄電池。但是蓄電池充電后的電量會(huì)隨著使用年限增加而減少，且隨著裝置運(yùn)行而減少。因此在安裝調(diào)試時(shí)設(shè)置的參數(shù)只能作為參考值。該參數(shù)實(shí)際是控制調(diào)制電壓，考慮到蓄電池電量不確定，將該參數(shù)歸一化處理，即選電壓調(diào)制度作為參數(shù)。從圖 1虛線框內(nèi)可知，模糊控制器輸出是電壓調(diào)制度的增量。

轎廂承重的不確定是影響裝置正常運(yùn)行的主要因素。它主要由以下原因造成：轎廂所載乘客數(shù)量未知，轎廂所處位置未知，啟動(dòng)時(shí)轎廂運(yùn)行方向不確定，轎廂運(yùn)行時(shí)位置變化等。轎廂承重的不確定直接導(dǎo)致電流不確定。因此，系統(tǒng)采用二維模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，拖動(dòng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

電流和電流變化率作為模糊控制器的輸入，電壓調(diào)制度增量作為模糊控制器的輸出。給定電壓調(diào)制度為裝置安裝時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況在操作盒設(shè)定的。一般情況下，該設(shè)定調(diào)制度在調(diào)試時(shí)能滿足電梯輕載和重載運(yùn)行要求。模糊控制器的作用是根據(jù)電流和電流變化率調(diào)整輸出增量調(diào)制度，保證開(kāi)機(jī)時(shí)電梯不會(huì)因?yàn)檎{(diào)制度過(guò)低而飛車。

圖2 拖動(dòng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，若電梯正常運(yùn)行，則母線電流比較平穩(wěn)。因此模糊控制狀態(tài)如表1。其中，電流I的基準(zhǔn)點(diǎn)（即語(yǔ)言變量0的隸屬度為1時(shí)）取值為0.9×Inom（Inom為電動(dòng)機(jī)電流額定值，由操作盒設(shè)定），論域?yàn)?[ 0.6×Inom,1.2×Inom]，當(dāng)電流超出此范圍，裝置直接剎車，并放抱閘，以防電梯飛車?！鱅的論域由操作盒根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況設(shè)定，同樣，當(dāng)△I超出設(shè)定范圍，裝置直接剎車，并放抱閘。

表1 模糊控制狀態(tài)表

4 試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)拽引電機(jī)參數(shù)如下：PN=11.2kW，VN=176V，IN=43A，fN=17kW，p =20，采用四節(jié)12V、12安時(shí)的蓄電池供電。先設(shè)定操作盒的參數(shù)，如電梯運(yùn)行時(shí)間、過(guò)電流保護(hù)值、欠電流保護(hù)值、低壓保護(hù)值、開(kāi)門延時(shí)時(shí)間等26個(gè)參數(shù)。其中包括頻率f取4Hz，調(diào)制度M取0.85，電流檢測(cè)延時(shí)時(shí)間取0.5s，輕載方向運(yùn)行。檢測(cè)單相電流波形如圖3 所示。

圖3 的單相電流波形表明，隨著電機(jī)啟動(dòng)后的逐步加速，電流也會(huì)先增大后逐步減小，電機(jī)達(dá)到制定運(yùn)行頻率時(shí)，電流趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本裝置針對(duì)兩類不同的不確定因素，采用不同的解決方法，實(shí)現(xiàn)裝置的柔性控制，以滿足不同電梯應(yīng)急救援的要求。該裝置現(xiàn)已成為產(chǎn)品，廣泛安裝在酒店、公寓、敬老院、住宅等電梯房。必須說(shuō)明的是，該裝置并不能保證適用于所有電梯應(yīng)急救援，因?yàn)樾铍姵仉娏坑邢?，?duì)一些特殊電梯拖動(dòng)電機(jī)，即使功率不大，但其額定頻率低，額定電壓也低，所以采用48V電池供電，也難以實(shí)施應(yīng)急救援。但該裝置較以前裝置拖動(dòng)能力已大大增強(qiáng)，實(shí)施救援時(shí)轎廂更加平穩(wěn)。

圖3 單相電流波形

[1]錢亮.直接轉(zhuǎn)矩控制在電梯門機(jī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003.

[2]梁恩蘭.嵌入式微控制器在電梯速度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].安徽科技,2012(1):52-54.

[3]章衛(wèi)國(guó),楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[4]劉艷,尤源.基于模糊控制的IPMSM速度控制器及電流控制器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010(3-2):185-186.