變頻調(diào)速液壓電梯中單片機控制器的設(shè)計與優(yōu)化

張麗杰

（寧夏理工學(xué)院，寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

目前，變頻調(diào)速是電動機調(diào)速常用方式，而且變頻調(diào)速技術(shù)在液壓電梯的控制中有很大的優(yōu)勢，不僅節(jié)能，同時由于變頻器還具有過流、過載、電動機過熱、過壓及欠壓、超速及失速等保護功能，使得電動機的啟動電流大為減小，從而延長了電動機的壽命。因此，變頻調(diào)速技術(shù)是液壓電梯領(lǐng)域中最具有前途的一個發(fā)展方向，通過對單片機控制器的優(yōu)化實現(xiàn)了變頻調(diào)速對液壓電梯的穩(wěn)定控制。

圖1 變頻調(diào)速液壓電梯控制系統(tǒng)原理圖

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框圖

變頻調(diào)速液壓電梯系統(tǒng)主要由轎廂及傳動裝置、動力泵站、電梯控制柜、變頻器、單片機控制器、編碼器等幾個部分組成［1］。單片機控制器是控制系統(tǒng)中的核心部件，它采集各種參與控制的信號，并經(jīng)過綜合處理向各執(zhí)行部件輸出所需的控制信號。變頻器在單片機控制器的控制下，將來自電網(wǎng)的能量按所需的電壓、電流和頻率輸出給動力泵站中的電動機。變頻調(diào)速液壓電梯控制系統(tǒng)原理如圖1。

變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號為0～10 V的模擬電壓信號，本設(shè)計中采用PWM方式來實現(xiàn)D/A輸出［2］。因此需要合理的設(shè)計PWM的濾波電路來得到精密的輸出電壓。

逆變器主電路如圖2。

圖2 逆變器主電路

系統(tǒng)工作原理:在新的采樣周期到來時，從光電編碼器測得的電動機速度反饋信號通過PSP接口反饋到從處理器PIC16F877A，從處理器通過PSP接口從主處理器AT89S52處獲得電動機給定速度，或是由單片機系統(tǒng)自行給定速度。單片機系統(tǒng)根據(jù)給定的運動速度與速度的反饋信號相減，得出偏差，經(jīng)過各種算法得出控制量，再把控制量以PWM的形式輸出，經(jīng)過脈沖分配延時，功率放大驅(qū)動交流電動機。

1.2 PWM的濾波電路

PWM波的解調(diào)過程如下（圖3）:首先由PICl6F877 CCP2端口輸出的高速PWM波首先經(jīng)過6N137高速光耦進行隔離，經(jīng)過隔離后的脈沖驅(qū)動單刀雙擲模擬開關(guān)MAX4599，由PWM脈沖控制模擬開關(guān)公共點使之與+5 V和地接通，從而在模擬開關(guān)的輸出端得到整定后的PWM波，該PWM波與CCP2端口輸出的波形相比，它們的占空比是一致的，但經(jīng)過模擬開關(guān)后輸出的PWM波形更為精密，因為模擬開關(guān)+5 V電壓是由精密基準電壓參考芯片REF02提供的。由模擬開關(guān)輸出的PWM波經(jīng)過兩級RC低通濾波后得到0～5 V的模擬電壓。由于控制變頻器所需的電壓為0～10 V，所以在RC濾波器后采用了一個放大倍數(shù)為2的同相放大器［3］。同時為了提高電路的帶載能力，將放大后的電壓經(jīng)過一個電壓跟隨器后再輸出到變頻器。

圖3PWM濾波電路

2 系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 單片機控制器D/A輸出曲線的分析

對單片機控制器的D/A輸出控制電壓進行采集，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)單片機控制器的D/A輸出電壓所含毛刺尖峰過大、數(shù)量過多，雖然在電梯多次運行的過程中，并未發(fā)生失控現(xiàn)象，但輸出控制電壓中過多毛刺的存在對控制系統(tǒng)而言仍然是一種隱患，而且由于輸出的控制電壓曲線不夠平滑，會影響到單片機控制器輸出的控制電壓的精度，從而對電梯的控制性能產(chǎn)生不良影響。因此仍然有必要提高單片機控制器輸出的控制電壓的品質(zhì)。

通過采集多個實驗樣本對系統(tǒng)的進行驗證發(fā)現(xiàn)，大量毛刺是單片機控制器D/A輸出控制電壓不夠純凈，主要是由轉(zhuǎn)換電路本身的設(shè)計缺陷引起的［4］。所以有必要對單片機控制器的D/A輸出電路進行改進。對于由PWM實現(xiàn)的D/A輸出毛刺過多的問題，用仿真和實驗的手段對濾波器的階數(shù)對PWM方式實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換所得到的電壓輸出品質(zhì)的影響做了分析，得出了如下的結(jié)論:PWM信號通過一階模擬低通濾波器后的D/A輸出波形為一鋸齒波，可用性極差;PWM信號通過二階模擬低通濾波器后的D/A輸出波形尖峰毛刺較大，但具有一定的可用性;PWM信號通過三階模擬低通濾波器后的D/A輸出波形毛刺很小，非常接近理想的D/A輸出，可用性強。

2.2 優(yōu)化方法

綜合以上的分析，決定采用增加一階阻容濾波的方法來改善D/A輸出電壓中毛刺數(shù)量過多、幅值過大的問題。對于阻容濾波中的電容選取了10 μ電解電容、l μ電解電容、1 μ 鉭電容、0.1 μ 鉭電容、0.1 μ 瓷片電容等幾種形式［5］;電阻選取了 1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ 三種，每種電容和電阻都相互組合進行實驗驗證其濾波效果，最終在幾十種組合情況中選擇出最好的一種組合:1 kΩ電阻和1 μF電解電容。圖4為增加一階濾波后，在變頻器正常工作的情況下單片機控制器輸出的D/A控制電壓曲線?？梢钥闯鼋?jīng)改善后的單片機控制器的輸出電壓的質(zhì)量已經(jīng)達到預(yù)期控制電壓的水平。

圖4 增加一級濾波后的單片機控制器的D/A控制電壓輸出曲線

3 PWM實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的精度和線性度分析

為了進一步保證單片機PWM方式輸出的控制電壓更具可用性，在實驗中針對0 V，0.5 V，1.0 V，1.5 V，2.0 V，2.5 V，3.0 V，3.5 V，4.5 V，5.0 V 的指定控制電壓，對單片機控制器的輸出進行采樣，每個輸出值連續(xù)采樣10次，求其平均值，以平均值表示該值對應(yīng)的輸出。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 單片機的輸出電壓數(shù)據(jù)表

4.0 3.985 －0.015 4.5 4.481 －0.019 5.0 4.978 －0.022

將以上樣本，通過一定的補償方法驗證增加一階阻容濾波的方法，提高了單片機PWM方式輸出模擬電壓的線性度，文中采用軟件線性回歸的方法對PWM輸出模擬電流信號進行校正［6］。采用最小二乘支持向量機優(yōu)化方式來校正單片機控制器的輸出誤差。

3.1 LS-SVM理論建模方法

LS-SVM將不等式約束改為等式約束，它需要求解的最優(yōu)化問題是只含一個等式約束的凸二次規(guī)劃問題，所以求解比較簡單，很大程度上降低了運算時間，為在線估計創(chuàng)造了有利條件［7］。而且，相對于常用的線性不敏感損失函數(shù)，LS-SVM不需要制定逼近精度e，只是LS-SVM的解不具有稀疏性。其目標函數(shù)是

最小二乘支持向量機優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解線性方程:

因此得到最小二乘支持向量機LS-SVM的非線性函數(shù)估計為:

3.2 具體的實現(xiàn)方法

以設(shè)定的輸出電壓為自變量x，以單片機控制器的輸出電壓為因變量y，采用基于最小二乘支持向量機優(yōu)化的線性回歸方法求其回歸方程y=a+bx，通過回歸方程便可以求得對于任意的設(shè)定輸出電壓，單片機對應(yīng)的輸出電壓。

設(shè)單片機輸出電壓的回歸方程形式為y=a+bx，根據(jù)最小二乘法可以得到

對方程求解可得到回歸系數(shù)a、b的計算式

將表1的數(shù)據(jù)帶入式（6），（7）可以得到

單片機D/A輸出的回歸方程為

在不采用軟件校正的時候，如果想輸出X1（U）的控制電壓，則直接將根據(jù)X1的值來設(shè)定PWM波的占空比，但這樣輸出的控制電壓并不是X1，而是通過回歸方程Y=－0.165+1.004X求 出 的Y1（U）（Y= － 1.065+1.004X1）。

可以采用如下的方法來提高輸出電壓的線性度:將想要得到的輸出電壓X1（U）賦給回歸方程（3－8）的Y，通過回歸方程可以求出與之對應(yīng)的指定輸出電壓X＇，然后X＇11為校正后的設(shè)定輸出電壓，根據(jù)X1＇來設(shè)定PWM波的占空比，在單片機控制器的D/A輸出端便可以得到最初想要的值為X1的控制電壓。

4 樣梯實驗效果

將該控制器用于實驗樣梯［8］，從圖5，圖6中可以看出，電梯啟動時無明顯垂直方向的加速度突變，從水平方向加速度來看，整個運行過程平穩(wěn)，舒適感良好。

5 結(jié)語

文中通過對PWM電路的設(shè)計和優(yōu)化，改善了由PWM實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出性能，實現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)在液壓電梯應(yīng)用中的平穩(wěn)控制、安全可靠、增加舒適度等優(yōu)點，為今后提高和改善變頻調(diào)速的液壓電梯性能提供參考依據(jù)。

［1］張漢杰，王錫仲，朱學(xué)莉，編著.現(xiàn)代電梯控制技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

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［5］向先波，徐國華，張琴.TMS320F240內(nèi)PWM實現(xiàn)D/A擴展功能［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（1）.

［6］劉濱，楊梅.廉價隔離型高精度D/A轉(zhuǎn)換器［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002（1）.

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［8］ Bcringer.VVVF controlled hydraulic power Unit SATURN q［M］.產(chǎn)品樣本.