多微机控制的中／高速ＶＶＶＦ电梯

    关键词： 多微机控制VVVF电梯

    电梯是为高层建筑交通运输服务的比较复杂的机电一体化设备。随着高层建筑的发展，对电梯的数量和运行速度、控制性能的要求愈来愈高。同时，随着功率电子技术、微电子技术和计算机控制技术的发展，使微机控制的交流调速电梯得到迅速发展。但是在电梯控制中，仅仅采用一个CPU已远远不能满足要求。本系统中就采用了五个CPU，它们分别为NB-CPU、BH-CPU、KZ-CPU、GL-CPU、CS-CPU。相应的整个系统也分为五个部分：以NB-CPU为核心的变频器逆变部分；以BH-CPU为核心的变频器变换部分；以KZ-CPU为核心的控制部分；以GL-CPU为核心的管理部分，以CS-CPU为核心的串行传输部分。系统总的结构框图如图1所示。下面对各个部分进行详述。

    １ 系统的电力拖动部分

    1.1 速度图形

    电梯是垂直方向运行的交通工具，其运行的平稳性极为重要。为了使电梯运行平稳，必须对电梯电机进行精确的调节控制，而精确调节控制的必要条件之一就是要有一个较理想的运行速度图形。高速VVVF电梯的速度图形是根据人体生理适应要求设计，并通过实验而确定的，它能很好地与矢量变换控制的拖动系统进行配合，使高速VVVF电梯运行平稳性达到较高的水平。

    高速VVVF电梯的速度图形如图２所示。从速度图形形式上看，高速VVVF电梯将速度图形划分为8个状态进行处理，由KZ-CPU控制部分完成。控制部分的S/W每周期都计算出当时的电梯运行速度指令数据，并传输给速度电流控制NB-CPU，使其控制电梯按照这个速度图形曲线运行。下面对各个状态具体说明：

    （１）停机状态（状态１）

    在电梯停机时，速度图形值为零。此时实际上并没有对速度图形进行运算，仅是在KZ-CPU的每个运算周期中对速度图形赋零，并设置加速状态和平层状态时间指针。

    （２）加加速状态（状态２）

    电梯在起动开始时，首先作加加速运行。这个过程中，速度图形在每个运算周期的增量不是常数，而是随时间变化的数据。因此，在实际处理时，为了便于运算，预先用数据表把不同运算周期的速度增量设置在EPROM中，S/W在每个运算周期中，根据数据表内的速度增量进行运算。当时间指针小于零时，加加速运行状态运算结束，S/W转入状态3运算。

    （３）匀加速状态（状态３）

    电梯在加加速结束后，即进行匀加速运动。在匀加速运行过程中，速度图形的增量是常数。实际运算时，CPU进行常数增量运算。

    （４）加速圆角运行状态（状态４）

    加速圆角是指电梯从匀加速转换到匀速运行的过渡过程。在这个过程中，每一运算周期的速度增量不是常数，所以也采用了数据表的方式。S/W在每个运算周期中进行查表运算，直到运算时间指针小于零时，加速圆角状态运算结束，S/W转入状态５运算。

    （５）匀速运行状态（状态５）

    在这个状态中，电梯匀速运行。速度图形增量为零，即加速度为零。

    （６）减速圆角运行状态（状态６）

    在这个状态中，电梯从匀速运行过渡到减速运行。因此，每个S/W周期的电梯速度变化量比较复杂。为了精确、快速运算，处理方法与状态4一样，在EPROM中预先设置各周期中速度变化量数据表。S/W在每个运算周期中进行查表运算。S/W一直运算到当速度图形值小于剩距离速度图形值时，即转入状态7运算。

    （７）剩距离减速运行状态（状态７）

    以上所述的６个状态中，电梯的速度图形都是时间的函数，从状态７开始，即电梯进行正常减速运行时，速度图形是剩距离的函数，其函数关系比较复杂，不能用简单的计算式来表示。所以，又采用了数据表的方法，即预先在EPROM中设置一对应剩距离的速度图形数据表。S/W根据此数据表中的值进行运算，当轿厢进入平层开始位置时，即由状态7转入状态8运算。

    （８）平层运行状态（状态８）

    在状态8中的前一段时间里，速度随时间而变化。每个运算周期中的速度下降量是预先设置在EPROM中的随时间变化的数据值。当速度图形值小于平层速度指令的规格化数据值时，速度图形值被指定为平层速度指令的规格数据值。平层速度的规格化数据值是一个不大于零的值，它通过旋转开关进行调节、设定。

    当轿厢完全进入平层区，上、下平层开关全都动作时，电梯停车，平层状态结束，状态又回复到状态１。

   1.2 系统控制电路

    中／高速电梯运行时能提供一个大的再生能量，这就需要提供再生能量的通道，将再生能量反馈至电网，实现节约电能。中／高速电递控制系统是在低速电梯控制系统的基础上，将原来电网侧的一组硅二极管组成的三相桥式整流电路（变换器）改为二组三相晶闸管电路。即其中一组晶闸管三相桥式整流电路，用于将三相交流电源变成直流电源，且直流电源的电压幅值是可控的，供给变频器的逆变器，它在电动机电动状态下工作；另一组是晶闸管组成的三相逆变电路，用于电动机再生状态时，将电动机再生能量变成50Hz的交流电能馈入电网。图3为系统的主回路。

    1.3 变频器变换部分的控制电路构成

    图４为变频器变换部分的控制电路简图。电路以十六位微机（i8086）为主控元件，根据速度控制电路给出的电压指令（Vc）和系统负载信号、电压反馈、电流（电网侧）反馈信号等进行运算，产生触发信号。电路配置了锁相环专用电路（PLL.IC）和混合集成电路（HIC），用以产生触发脉冲序列对主电路SCR进行控制。

    1.4 变频器逆变部分的控制电路构成

    图５是变频器逆变部分控制电路简图。电路由十六位微机（i8086）给出的给定速度指令和负载信号、速度反馈信号等进行运算，产生电流指令。电路中配置了PWM电路和混合集成电路（HIC），用以产生基极驱动信号。

    ２ 系统管理部分

    管理部分的工作由GL-CPU执行，其主要工作有：

·        根据轿厢召唤信号和厅门召唤信号，确定电梯的运行方向；

        ·在电梯停机时，提出高速自动运行的起动请求；

        ·在高速自动运行的过程中，提出减速停机请求；

        ·各种电梯附加操作，如返回基站、自动通过等动作顺序的控制；

        ·开关门的时间控制。

    ３ 系统控制部分

    控制部分的工作由KZ-CPU执行。其主要工作如下：

·        选层器运算。计算轿厢位置信号、层站信号、剩距离等；

        ·速度图形运算。计算电梯运行过程中的速度指令；

        ·安全电路。电梯的安全条件检测和运算。

    ４ 拖动系统总线

    高速VVVF电梯的电力拖动系统由多微机控制，图６是拖动系统多微机控制总线示意图。NB-CPU和BH-CPU是十六位微机（i8086),KZ-CPU和GL-CPU是八位微机（i8085）。

    NB-CPU主要处理速度反馈和速度指令运算、电压指令运算、电流指令运算和矢量变换运算，主要控制变频器逆变部分。

    BH-CPU主要处理电压反馈和负载反馈信号、电压指令运算、电流反馈信号运算和SCR触发角大小运算，主要控制变频器变换部分。

    NB-CPU和BH-CPU之间采用八位输入／输出接口8212连接，各自的ROM、RAM和I/O地址均相互独立，基本软件也相互独立，共用数据存在指定的区域，运行时可以相互调用。

    KZ-CPU和GL-CPU分别为电梯电气系统的控制部分和管理部分的微机，在拖动系统中仅参与了一部分工作。KZ-CPU主要进行速度图形运算，运行时向NB-CPU发出给定速度指令。GL-CPU主要协调管理控制过程。由于KZ-CPU、GL-CPU和NB-CPU、BH-CPU的工作频率和位数不同，故采用八位输入／输出接口8212连接，用中断方式进行通信。

    ５ 串行传输部分

    5.1 串行传输部分硬件设计

    电梯呼叫信号的传递是十分复杂的，这是因为电梯的指令与召唤信号不仅数量多，线路长，而且干扰大。为了减少机房、井道走线，便于安装、调试和维修，而引入了串联传递系统，并使电梯控制全微机化，提高了整个系统的可靠性。

    该系统仅需9根信号线就能实现上述全部功能。信号线的多少与层站数目无关，即电梯的层楼可无限制地扩展。9根线中有3根是电源线，即按钮电源、显示电源、地线。其它6根信号通过软件控制。从图7中可以看出，这6根线分别为：

        ·方向选择控制信号DIR；

        ·输入同步信号SYNCI控制和输出同步信号控制SYNCO；

        ·时钟信号CLOCK线；

        ·数据采样信号DI线；

        ·显示信号DO线。

    串行传输原理为：控制板通过同步信号SYNCO对信号处理板按顺序进行逐个访问。被访问到的信号处理板可与控制板建立起“对话”关系，此时我们称该信号处理板被“激活”。一方面，该信号处理板将采集到的召唤（指令）信号DI传给控制板。另一方面，控制板又将控制信号（灯控信号）DO传给控制板。上述数据信号的交换是在统一的CLOCK时钟信号下按节拍进行的。数据信号交换完毕后，同步信号SYNCO由该信号处理板传到下一个信号处理板的SYNCI，“激活”下一个信号处理板与控制板进行数据交换工作。控制板遍访全部信号处理板后将重新回到第一块信号处理板，由此实现循环处理。

    5.2 串行传输部分软件设计

    采用串行传输进行按钮信号采集后，省掉了大量的井道敷线，但是同时增加了软件负担，因而串行传输部分软件设计显得格外重要。

    整个软件的基本思想见图８。

    从图中可以看出一次扫描周期内CLOCK被不停地置为1、0从而产生连续的方波，SYNC是脉宽为一个CLOCK周期的高电平，它被连续地传递给各楼层。从而使信号处理板与主控机房建立联系。纵观整个程序，其最大特点是增加了抗干扰设计，具体体现在以下几个方面：

    （１）在每次扫描结束后都要对同步信号进行处理。硬件上的结构使得在一次扫描结束时，同步信号SYNC要返回控制器，即此时控制器应该能收到一个高电平的同步信号，否则就认为同步信号传输不正常，并能自动地进行反方向的扫描。如果原来扫描是从底层到顶层的话，现在则从顶层扫描到底层，反之亦然。

    （２）8155对软件CLOCK不断计数，计数完毕后又重新开始，循环256次后，程序会自动地进行参数和指针的重新设置。这样定时地刷新参数和指针，可以避免外界对程序的干扰。

    这种多微机控制变频变压交流调速电梯的运行速度已达6m/s，属世界一流水平。它显示出速度快、效率高、舒适性好、可靠性高、节约电能显著的特点，与同规格交流调压调速电梯相比可节约电能50%；与可逆晶闸管直接供电给直流电动机的直流电梯相比，可节约电能10%以上，且维护调试方便。它投入市场时间不长，但是已被世界各国普遍使用，运行性能很好，深得用户好评。