基于嵌入式技术的自动扶梯节能控制系统

摘要

一种基于嵌入式技术的自动扶梯节能控制系统，主回路为：三相电源的各相分别依次经过电感和电阻后连接两组星形连接的脉冲宽度调制控制器每组脉冲宽度调制控制器的中心点分别为正、负电极输出端，正电极和负电极输出端跨接电容；控制电路为：分别从三相电源的各相采样取出各相电压和电流信号经整形与隔离电路连接微处理器；从正、负电极输出端输出电压经隔离电路连接微处理器；微处理器的三相脉冲宽度调制输出经驱动器与隔离器分别连接每个脉冲宽度调制控制器；微处理器连接故障保护电路、键盘及显示和通信接口电路。最大特点是节能。使自动扶梯平均节约能源40％以上。平均能耗为单速运行时的50％。同时降低了机械磨损，延长了零配件和整机的使用寿命。

主权项

1.一种基于嵌入式技术的自动扶梯节能控制系统，其特征在于：1)其基于嵌入式技术的自动扶梯节能控制整流装置电路：其供电主回路为：三相电源的各相(Ua、Ub、Uc)分别依次经过电感(La、Lb、Lc)和电阻(Ra、Rb、Rc)后连接两组星形连接的脉冲宽度调制控制器(PWM1H、PWM2H、PWM3H；PWM1L、PWM2L、PWM3L)每组脉冲宽度调制控制器的中心点分别为正电极和负电极的输出端，正电极输出端和负电极输出端之间跨接电容(Co)；其控制电路为：分别从三相电源的各相(Ua、Ub、Uc)采样取出三相电源的各相电压(Ua、Ub、Uc)信号和电流(ia、ib、ic)信号，各相电压(Ua、Ub、Uc)信号和电流(ia、ib、ic)信号经整形与隔离电路连接微处理器；分别从正电极输出端和负电极输出端之间采样出输出电压(Udc)，输出电压(Udc)经采样隔离电路连接微处理器；微处理器的三相脉冲宽度调制PWM输出经驱动器与隔离器分别连接每个脉冲宽度调制控制器(PWM1H、PWM2H、PWM3H；PWM1L、PWM2L、PWM3L)；微处理器连接故障保护电路、键盘及显示电路和通信接口电路。2)采用基于嵌入式技术的自动扶梯逆变装置的控制方式：利用模糊直接转矩控制，由电压型PWM整流装置连接的三相电机，三相电流值经传感器直接采集而来，三相电压值由采集的直流母线电压和开关状态，经查表计算得到，再分别经坐标变换得到两相电压和两相电流值，然后采用U-I模型观测出定子磁链，进一步得到电磁转矩值；其模糊直接转矩控制的交流永磁同步电机调速系统的原理结构：即是基于DSMV技术的交流永磁同步电机模糊直接转矩控制结构：三相电流值经传感器直接采集而来，三相电压值由采集的直流母线电压和开关状态，经查表计算得到，再分别经坐标变换得到两相电压和两相电流值，然后采用U-I模型观测出定子磁链，进一步得到电磁转矩值；计算公式如下：定子磁链观测公式为：φ_qs＝∫(u_qs-R₁i_qs)dt    (32)φ_ds＝∫(u_ds-R₁i_ds)dt    (33)电磁转矩的观测公式为：T_e＝p(i_qsφ_ds-i_dsφ_qs)   (34)式中：φ_ds、φ_qs分别为d、q坐标系中定子磁链的分量；u_ds、u_qs分别为d、q坐标系中定子电压分量；i_ds、i_qs分别为d、q坐标系中定子电流分量； T_e为电磁转矩；R₁为定子电阻；p为电机极对数；得到定子磁链观测值和电磁转矩的观测值后，分别用他们的参考值减去这两个观测值得到两个误差值E_Te，E_ψS，然后再用d、q坐标系中的磁链分量得到磁通的空间位置角θ，这三个量作为下一步模糊控制器的输入量，经模糊控制器输出逆变器的开关状态，最终来控制电机，从而构成闭环控制；1)电压空间矢量调制技术原理三相电压型逆变器各对桥臂的状态可用1或0表示：1表示上桥臂导通，下桥臂关断；0表示下桥臂导通，上桥臂关断；则三相逆变器的开关模式共有八种，即000，100，110，010，011，001，101，111；在100状态下，逆变器输出的三相电压用空间矢量表示时，其值为：式中：U_DC/2为相对于逆变器中点的相电压；同样可求出其他各个状态下的电压空间矢量，八种状态下的电压空间矢量分别u₁，u₂，u₃，u₄，u₅，u₆，u₇，u₈；S_n(n＝1，2，3，4，5，6)为磁链角的空间位置区域，u₇和u₈为零矢量，其余六个电压矢量，长度相等，空间位置互差60°；在采用空间矢量调制时，每个扇区以电压空间矢量为边界，在每个扇区内任意一个电压矢量均可以由两个有效电压矢量和一个零矢量合成；如在第一扇区中为一合成电压空间矢量它与基本电压空间矢量u₁的夹角θ可以是介于0°和60°之间的任意角；t₀、t₁、t₂为每一个采样周期分成的三个时间段，各个时间段所作用的基本电压空间矢量为u₇、u₁、u₂，则u_s这个电压空间矢量可以由这三个基本空间电压矢量来合成，它们满足式(35)：u_sT＝u₀t₀+u₁t₁+u₂t₂    (36)其中：T＝t₀+t₁+t₂T为系统的采样时间；t₀、t₁、t₂分别为u₇、u₁、u₂作用的时间；因为u₇＝0，所以由三角关系式可得出：式中：u_s为电压矢量长度u₁为矢量u₁的长度，由此可以得出u₁、u₂作用的时间：由以上两式在扇区内就可以合成所需长度和角度的电压空间矢量；由这个原理可以在一个采样周期内在每个扇区内调制出更多的等效电压矢量用于逆变器开关状态表的选择；2)在模糊直接转矩控制系统中运用空间矢量调制技术：利用模糊控制技术对传统直接转矩控制的开关状态表进行优化，提高系统在起动和给定转矩跃变时的响应速度；但由于数字系统的采样和数值运算所造成的时间延迟，稳态的转矩和磁链脉动会大大超过各自的容差，从而影响对速度的控制精度；在一个采样周期中，影响转矩和磁链变化量的因素为采样周期T和空间电压矢量u_s的幅值和方向；减小采样周期和提高处理器的运算速度可以减小转矩和磁链的脉动；改变电压空间矢量幅值和方向也可获得同样的效果，但传统的电压型逆变器输出的电压空间矢量只有八个，可选性太小，受电压空间矢量调制技术启发，在不增加系统采样频率的情况下，可以在每个扇区调制出不同幅值和幅角的等效电压矢量，利用式(37)和(38)时间计算即可求得在同一采样周期内，相应基本电压空间矢量各自的作用时间，这样就可求得所需的合成电压空间矢量，从而大大增加了可选的电压空间矢量的数量，这恰好满足模糊控制的需要；针对模糊控制器输入的模糊控制量的情况，来选择合适的电压空间矢量，从而实现在每个采样周期内对转矩和磁链的变化量的控制；这就可以在不提高系统采样频率的情况下明显减小转矩和磁链脉动的幅度；在合成电压空间矢量数量的选取上，根据不同的转速来合理配置，从而使转矩和电流脉动变小，但电压矢量过多会增加开关表的复杂性；为此，本系统采用了一种利用模糊逻辑控制器从大量的离散空间电压矢量中来选择最合适的电压矢量的算法，该算法同时将模糊控制技术，离散空间矢量调制DVSM技术与传统DTC算法相结合；3)离散空间矢量调制D(SMV)技术传统的DTC一个采样周期只输出一个电压矢量，若把一个采样周期分为多个时间段，每时间段输出不同的电压矢量，从而可以合成许多新的电压矢量；电压矢量越 多，转矩和电流脉动越小，然而电压矢量增多需要定义非常复杂的开关表；一个好的方案应该在脉动补偿和复杂的电压选择策略之间折中；将一采样周期分为三个时间段导致转矩和电流波动的明显减小，且不需要太复杂的开关表；三时间段离散电压调制可合成的电压矢量共37个，其中非零电压矢量共36个零矢量1个如图所示；每个合成的空间电压矢量由三个基本电压矢量合成；同传统的DTC算法一样，把qd坐标平面分成6个扇区；假设定子磁链处于扇区1内，有5个基本电压矢量供选择以补偿磁链和转矩的误差，这样可得到19个合成的电压矢量，每个交点表示一个合成电压矢量的终点；例如：“223”表示由基本空间电压矢量和合成，“322”表示由和两个零矢量合成，每个基本电压空间矢量占用三分之一的控制输出周期时间；由于同一电压矢量在低速和高速时对转矩变化的影响是不同的；因此，在不同的速度范围使用不同的电压矢量；另外，在同一个扇区，在高速时，不同的扇区位置使用的电压矢量也是不同的；因此把第1扇区分成1+和1-两个部分；表3合成的空间电压矢量与基本电压矢量的对应表另外该算法中，在选择电压矢量时考虑了转速的因素，因此要转速进行分区：时，表示转子在低速范围；当时，表示转子在中速范围；当时，表示转子在高速范围(其中n表示转子转速，n₀表示同步转速)4)基于离散空间矢量调制技术的模糊直接转矩控制算法的基本原理基于离散空间矢量调制技术中最主要的工作就是设计一个模糊逻辑控制器，它的作用就是根据定子磁链偏差、转矩偏差、转速以及定子磁链在空间中的位置，在37个合成的空间电压矢量中选择一最佳电压矢量；其中定子磁链偏差、转矩偏差、转速以及定子磁链在空间中的位置用磁链角表示，(1)模糊子集的选取该模糊逻辑控制器有4个模糊输入变量和1个输出控制量；第一个输入变量为磁链偏差对ε_λ进行模糊化，则变为模糊输入变量E_λ，它包含两个模糊子集{N、P}，其隶属函数；第二个输入变量为转矩偏差对ε_T进行模糊化，变为模糊输入变量 E_T，它包含五个模糊子集{NL、NS、Z、PS、PL}，其隶属函数；第三个输入变量为转子转速n，(这里仅仅考虑一个转速方向，比如逆时针方向)先把n转化成角速度ω_r，再除以电机的同步角速度ω_b，即ω_r/ω_b(它是一个标么值)，对ω_r/ω_b进行模糊化，变为模糊输入变量E_ω，它包含三个模糊子集{Z、Ps、PL}，其隶属函数；第四个模糊输入变量为定子磁链角θ_s它被均分成为角度为30°的12个区间，即：即θ_s的论域为{θ₁，θ₂，…，θ₁₂}；其隶属函数；该模糊逻辑控制器唯一的输出控制量为37个合成的空间电压矢量；即它是一个离散清晰的数字量输出，可用独点模糊集n表示，其论域为{0，1，2…，36}；(2)模糊控制规则的建立建立模糊控制规则时，应该考虑转速的因素，特别在高速区，因此通常在高速区制定规则来选择电压矢量时，定义两个开关表对应与每个扇区的两个半区，中的1+和1-两个半区，这样做是为了充分利用电压矢量；假定定子磁链逆时针旋转且处于第1扇区，若E_T为PS时，4个矢量(“333”、“332”、“223”、“222”)可供选择，“333”、“332”使磁链减小，“223”、“222”使磁链增加；若减小磁链，在1+区时优选“333”，在1-区时优选“332”；但是在中低速区，由于所选择的电压矢量数目不多，所以不这样选择；其它扇区的规则用类似方法制定；该模糊逻辑控制器的控制规则可由E_λ，E_T，E_ω，θ_s和n描述，共360条规则，如算法开关表所示；其中第i条规则表示为：R_i：if E_λ is A_i，E_T is B_i，E_ω is C_i and θ_s is D_i，then n is N_i其中：A_i，B_i，C_i，D_i和N_i表示各个模糊子集；算法开关表表4定子磁链在扇区1时开关表表5定子磁链在扇区2时开关表表6定子磁链在扇区3时开关表表7定子磁链在扇区4时开关表表8定子磁链在扇区5时开关表表9定子磁链在扇区6时开关表(3)模糊推理及模糊决策本项目模糊推理采用了Mamdani操作算子；则，第i条控制规则的输出采用最小化原则：其中：μ_A，μ_B，μ_C，μ_D和μ_N分别为各个模糊变量E_λ，E_T，E_ω，θ_s典μ_N的隶属函数；360条规则得到了360个输出，再经过最大化原则得到第i条规则最终的输出变量隶属度函数：这里所得到的输出量仍是一个模糊集，需要进行解模糊化；本项目采取“重心法”来去模糊化，得到精确的控制变量输出；由此，就可以得到所期望的合成空间电压矢量；综上所述，根据定子磁链偏差、转矩偏差、转速以及定子磁链在空间中的位置(用磁链角表示)，运用模糊逻辑控制器在37个合成的空间电压矢量中选择一个最佳电压矢量；再结合DSMV技术得到逆变器的三相控制信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制；整个算法基本结构是基于DSMV技术的交流永磁同步电机模糊直接转矩控制结构；5)一种新型死区补偿算法在PWM逆变器中加入死区时间通常是为了避免直流源的短路；尽管死区时间是 很短的时间，它也会对逆变器的输出电压有很大的影响，比如波形的扰动、压降、转矩的脉动、甚至会使控制效果严重退化；为了改善逆变装置的输出，本课题使用了一种新型的基于最小电压损耗的在线延时补偿算法；该算法可以省掉开关器件没有必要的开通和关断，而且该算法不需要任何额外的硬件电路和离线的实验测量；带一阶低通滤波器的死区补偿电压的数学模型可表示为式(42)，该补偿算法；其中：分别为当前时刻和前一时刻的输出；T_s为采样周期；a为滤波器的截至频率；其中采用一种新型的“自动重新启动”的运行模式：1)正常运行和备用运行二种运行模式；(1)运行模式在运行模式下，可根据客流情况，自动变换调整运行模式，达到节能和减少磨损的效果；运行方式如下：停止模式：由慢反射传感器检测到有乘客进入时，使扶梯慢速启动，对射传感器检测到有乘客进入时，扶梯以正常额定值，快速完成运客功能；慢速模式：处于运行状态后或反向进入后的工作模式，一般运行状态后，要经过一段可以设定的时间，进入慢速，然后在经过一段可以设定的时间进入停梯，这两个阶段均是通过无级等待速度过渡技术实现；该运行模式可起到减少电梯运行切换的次数和在反向进入时提示不能进入的作用；无级等待速度过渡运行曲线；其中t₁为快速运行至慢速运行所设定的时间；设定的时间可由用户自行设定；t₂为慢速等待时间；t₂为慢速等待时间可由用户自行设定，t₃为慢速至停梯所用时间，t₃为慢速至停梯所用时间可由用户自行设定；该运行方式可以减小传统双速停车对机械部分的冲击，延长设备使用寿命，减少启动时产生的损耗，针对不同现场客流量及启动频率的大小，用户对t₁-t₃合理调节，可以显著的达到节能效果；正常运行模式：当扶梯延时运行一段时间；其扶梯延时运行一段时间可根据需要设定；，两端传感器一直没有探测到有乘客进入，则扶梯自动平稳地降速闲置运行；其扶梯自动平稳地降速速度可根据需要设定)，→进入停梯状态；反向进入模式：在停梯状态时，传感器检测到反向行人，正常慢速启动提示行人；如：当位于扶梯两端的传感器检测到有乘客进入时，扶梯自动平稳地将速度提高 到正常额定值0.5米/秒，快速完成运客功能；在此期间如果有乘客陆续进入，则自动复位计时延长运行时间，以保证将所有的乘客运达；当扶梯延时运行一段时间，其扶梯延时运行一段时间可根据需要设定为30-180秒，两端传感器一直没有探测到有乘客进入，则自动平稳地降速闲置运行，速度可根据需要设定在0.05-0.25米/秒；如果扶梯闲置时间达到了5分钟之久，则可停止运行进入待客状态，如有乘客进入，则自动恢复运行，这样可达到最佳的节能运行方式；此功能可通过微处理器板上的开关选定；(2)备用模式可以通过切换开关选择备用工作方式，即单速运行方式；此功能可作为应急使用，当控制器，或传感器出现故障，或客流量短期增加需要连续快速运行时可保证运客功能。