基于AVR的自动扶梯 (一)

1.1 研究背景

自动扶梯广泛应用于大型商场、超市、机场、地铁、宾馆等场合，大多数扶梯在客流量大的时候，工作于额定的运行状态，在没有乘客时仍以额定速度运行，具有耗能大、机械磨损严重、使用寿命低、运行不够安全等缺点，为此我们设计了利用ATmega128开发板和EVK1100与变频控制相结合的节能及安全监控系统以改善扶梯以往的缺点，我们期望通过本项目的设计与实施，来掌握利用ATMEL UC3A0512和ATmega128芯片完成项目，使ATMEL芯片在中国应用得更加广泛。

1.2 自动扶梯使用现状分析

随着自动扶梯的拥有量不断的上升和前段时间各地频发的自动扶梯运行事故，扶梯节能降耗和安全运行的研究已引起社会各界的关注，研究扶梯的节能降耗方法和加强扶梯的安全性能已经是大势所趋。

1.3 节能原理及运行监控分析

节能原理：大多数自动扶梯驱动系统的核心是一个交流(AC)感应电机。尽管交流感应电机是可靠的动力源，许多"终端用户"却不知交流电机在载荷较轻时，其效率很低。 由于大多数交流电机固有的设计，交流电机20% ～40%做的是无用功，这部分能量常常以热量的形式白白被浪费掉，在谈节能方式之前，首先对自动扶梯的电机能耗进行分析。

从图1-1中可以看出，电动机在正常运行状态下的功率损耗主要有3个部分:即定子铜耗定子铁耗和转子铜耗。由于转子中的电流频率很低， 因此转子的铁耗较小，可以忽略不计，另外，机械损耗和附加损耗也是较小的将可其忽略。而定子铜耗和转子铜耗分别与定子和转子中的电流的平方成正比，因此，减小电流将显著降低这两种损耗。至于定子中的铁耗，包括磁滞损耗和涡流损耗， 两者都近似地与电源频率成正比， 与铁芯中的磁感应强度的平方成正比由此可见，减小频率和降低铁芯磁通密度将会显著降低定子铁耗。

根据电机学原理可知：

输入功率=定子铜耗+铁耗+转子铜耗+机械损耗+附加损耗+输出功率= (定子铜耗+转子铜耗) + (铁耗+机械损耗+附加损耗) +输出功率=可变损耗+损耗+输出=损耗+输出功率从以上分析可知，要想使自动扶梯电机节能，就必须从减少电机损耗和减少输出功率两方面进行。

1)减少损耗：减少损耗也就是提高电机的工作效率。通常电机的工作效率在75% ～80%额定负载时效率最高。 在轻载时可调整输入电压来减少损耗，当可变损耗等于不变损耗时，异步电机的效率达到最大值。

2)减少输出功率：电机的输出功率与转速成正比，采用变频调速可线性减少自动扶梯的输出功率，而达到节能的目的。微机变频调速是通过调节电源的频率来改变异步电机的转速，在自动扶梯无人空载时可降低扶梯的转速(如20%或50%额定转速) ，进行节能，在扶梯检测到需要载人时再事前恢复到正常速度， 变频器在轻载时，可自行调整输入电压来降低损耗。

根据异步电机的等效电路可以计算电机的各种运行性能，也可以通过空载试验和短路试验做出异步电机的“圆图”，进而得到电机输出转矩M2、效率η、转差率s、定子电流I1、功率因数cosθ等参数与电机输出功率P2 的关系曲线，典型异步电机的运行性能，如图所示。

由图1-2可见，异步电机在轻载或空载时的效率是很低的，理由是电机的激磁电流即电机的空载电流较大，电机的定子铜耗，特别是定子铁耗在轻载时并不比额定载荷时降低多少，因为空载电流较大，导致电机在轻载时功率因数很低。异步电机的这一运行特性，正是能在自动扶梯上实现降压节能的基础。

运行监控原理：自动扶梯发生事故的主要原因有：扶梯逆转、扶梯电机过热引起火灾、扶梯上人数过多引发扶梯事故。本项目通过局域网通信将自动扶梯的运行情况通过局域网传输到监控中心，监控中心人员在扶梯不正常运行时在监控中心可通过局域网控制自动扶梯的运行，从而在第一时间解决危险。

1.4 系统控制分析

1.4.1 系统节能运行方案

当有乘客进入扶梯入口处时，光电感应装置检测到有效信号，此信号被送入ATmega128，经过处理输出一个控制信号，经过继电器模块使变频器按照设定的加速度进行无极变速，达到一个稳定的速度开始正常运行。同时定时器T1清零并开始计时，当T1在小于系统设置的T2时间段内，光电感应装置检测到一个新的乘客进入，则T1又清零并重新开始计时，如果T1一直运行到大于T2的时间段后，表明在设置的T2时间内没有新的乘客进入，此时扶梯通过变频器切换到低频运行，开始进入低速节能运行状态。此后若T1在小于系统设置的T3时间段内，光电感应装置检测到新的乘客进入，则T1再度清零并计时，同时变频器从低速节能运行状态开始缓慢加速到额定速度运行，若T1的值大于T3，则表明扶梯在节能运行状态下经过等待后还无乘客进入，此时扶梯就从低速节能运行状态变为停止，从而达到最大节能。

安全方面：系统通过摄像头和温度传感器、人数计数传感器监检测，将扶梯现场运行情况和具体数据传输的监控中心的PC机，监控人员在监控室可以通过局域网观察扶梯运行数据，当扶梯运行数据超出了设定值时现场会发出警报，并在显示屏上显示故障。中心人员可通过局域网在网页上观察扶梯运行情况，从而在第一时间通过在局域网网页上的操作对扶梯进行控制。另外扶梯上安装了急停按钮，当发生是事故时扶梯乘客可按下急停按钮，使扶梯停止运行。

1.4.2 自动运行的要求

当运行方向设定后，打开电源，扶梯处于停止状态。

当安装在扶梯入口的光电检测装置检测到有乘客正向进入扶梯入口时，扶梯开始缓慢加速至额定速度运行，进入高速运行状态。

在预先设定的高速运行等待时间内，没人乘梯时，扶梯开始减速为低速运行，进入低速运行等待状态。

扶梯在预先设定的低速运行等待时间内时，若又有人进入扶梯，此时扶梯缓慢加速至额定速度运行状态;若没人乘梯，则扶梯自动停止运行，进入停止待机状态，如此循环往复运行。

在扶梯运行过程中，扶梯非正常减速或非正常加速时，系统会发出警报并停止运行。

当温度传感器检测到扶梯电机温度过高时，会发出语音警报“扶梯非正常运行，现暂停使用”。

当扶梯上检测到的人数高于设定的人数时扶梯会液晶屏上会显示“扶梯已达额定人数，请乘客稍后使用”。等乘客走出扶梯是出口处的光电传感器会使显示屏上的人数减一，提示自动解除。1.4.3 电气控制要求

扶梯启动运行平稳 ，无抖动。

无人乘梯时，扶梯自动平稳过渡到节能状态。

1.4.4 检测装置满足的要求

安装在扶梯入口处的乘客检测装置检测是否有人乘梯。但是为了确保乘客的安全， 按照《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》的要求自启动的扶梯，应在该使用者走到梳齿相交线之前启动运行， 故乘客检测装置应满足以下要求。

(1)光束， 应设置在梳齿相交线之前至少1.3m外。

(2)触点踏垫， 其外缘应设置在梳齿相交线之前至少1.8m处， 沿运行方向的触点踏垫长度至少为0.85m处。

在实际设计时可选择安装在扶手进出口处的光电漫发射装置来实现改要求，本系统设计时选择光电漫反射装置， 能够确保每一个从不同方向走过来的乘客都能被有效的探测到， 从而实现自启动的功能。

1.5 项目实现的功能

节能方面：通过增加变频器来控制扶梯运行的速度，当梯上有乘客时，扶梯以高速运行(例如额定速度)，提高客流量，当乘客检测装置在一段时间内没有检测到乘客通过时，扶梯开始减速转为低速运行(例如0.2m/s，参数可设置)，此时一直处于待机运行中，即为非自启动节能。

(1)运行状态描述

变频控制，无人时低速，有人时高速。高速运行时间记为T1，可通过ATmaga128开发板程序进行设置，具体时间根据梯的提升高度和速度而定。

(2)运行步骤

当扶梯上电停止等待，有方向(比如上行)开始运行时，此时扶梯以低速开始节能运行进入待机等待。下方光电传感器检测是否有人通过，当有人通过时，控制器内部的定时器(记为T)清零，此时扶梯开始缓慢加速至额定速度运行。额定运行时定时器(记为T)开始计时.当有一段时间没人乘梯即T≥T1时，扶梯又开始减速进入低速运行待机等待状态，如此循环往复运行。

安全监控方面：局域网安全监控主要使用了EVK1100开发板，用于局域网通信，通过网线可与上位机完成数据交换。通过摄像头监控中心的人员可以看到扶梯的运行情况，当发现扶梯有危险时监控中心的人员可以通过局域网网页上的STOP按钮让扶梯停止运行。当故障确定解除后工作人员可以通过RUN按钮让扶梯重新工作。

另外，当扶梯的电机超负荷运行导致温度高于100℃时，温度传感器会发出警报(模拟时设定40℃)。当扶梯运行速度过快和过慢时，单片机通过读取速度传感器反馈的速度判断险情从而报警。当扶梯上人数达到系统设定的最高人数时会提醒乘客稍后再使用，当出口处的光电传感器检测到有人出扶梯时，人数会自动减一，提示会自动解除。

1.6 系统总体分析

1.6.1 系统框图

自动扶梯变频控制系统是在原工频控制系统的基础上，加装光电探测传感器、变频器、摄像头、温度传感器、ATMEGA128开发板、ATmega128以及其他必要的辅助元件，进行变频运行及安全监控。

ATmega128开发板是控制系统的核心，它的作用是对各种输入信号如乘客光电检测，控制扶梯节能运行，并对扶梯运行情况进行检测与显示。EVK1100进行安全监测并对信号进行处理，控制危险情况下时扶梯的停止并发出警报等。变频器的作用是根据ATmega128的输入控制信号改变扶梯驱动电机的电源频率，使扶梯能够以一定的加速度进行软启动或进入低速节能状态运行。故障显示装置的作用是对各种故障现象进行显示。

该控制系统主要由红外探测传感器、变频器、ATmega128开发板、EVK1100开发板和其他必要辅助元件等组成。安装在入梯口的光电探测传感器，随时监测自动扶梯的载客情况;ATmega128开发板是控制系统的核心，它接收光电探测传感器、温度传感器、速度传感器等装置送来的各种输入信号，并对接收的输入信号进行处理，实现运行、停止、故障判断及记录、状态显示等功能;变频器主要是根据ATmega128开发板的输出控制信号改变电源频率，自动调节扶梯的运行速度，保证启动运行平稳。

1.6.2 系统主电路分析

由于自动扶梯使用场合的特殊性，相当一部分扶梯的空载时间往往大于载客时间，为了提高整个系统的安全可靠性，降低成本，本设计采用旁路变频控制。即在原来工频空载系统的基础上(即保留主电机原工频空载系统)加装光电感应开关、变频器和ATmega128芯片等装置。其主电路图如图1-7所示。

变频器的R、S、T端子与市网的三相电源通过保护开关相连，U、V、W与扶梯的电机电源端通过交流接触器KM1相连接，扶梯的上行和下行方向通过切换KM3与KM4主触点分别导通来控制。为了严格防止扶梯由于程序故障导致逆行，KM3(上行)和KM4(下行)导通与否不通过程序控制，而是由工作人员手动控制，同时为了防止工作人员误操作，可设置二次确认的方式以保证绝对安全，即必须依次按下两个按钮才可确保扶梯改变运行方向。检修模式下，扶梯由变频器供电，以设定的低速运行。FR为市网供电工作时扶梯电机过载保护装置热继电器，M为扶梯三相驱动电机。

旁路变频控制的优点是实现了无人乘梯时低速运行或停止，达到节能、降低噪声、减少机械磨损的目的。由于采用了变频控制，使系统的启动平稳，降低了对电网和机械设备的冲击。