自适应控制在电梯门机系统中的应用

一、引言 　　随着国民经济的飞速发展，现代化大厦日益增多，电梯成为人们日常生活工作中不可或缺的工具。电梯门机系统，是典型的电机伺服系统，是电梯门开关的执行机构。目前，电梯门机控制系统主要由交流电机及调速系统构成，也有少数由直流电机及调速系统构成。前者虽然体积小，寿命长，但控制较复杂；而后者尽管控制简单，但电机体积大，电刷寿命短。电梯的正常运行关系着人身安全，因此，电梯门机对电机本身及其控制系统均提出了较高的要求。据统计，电梯门开关不正常是电梯运行过程中比较容易出现的故障。 　　二、电梯门机控制系统的关键技术 　　在工业应用中，无刷直流电动机在快速性、可控性、可靠性、体积重量、经济性等方面具有明显优势。近几年，随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高，无刷直流电动机作为高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越来越广泛。 　　1、加减速过程的S曲线 　　很好地实现电机加减速过程的S曲线，可使门机系统具有良好的运行特性，使电梯门开关平稳，减小电机所受的负载冲击，提高系统的可靠性，延长系统的使用寿命。 　　2、系统的自适应控制 　　电梯门机控制系统应能满足不同规格（宽度）、不同机械特性和不同工作状态的电梯门。而且随着使用时间的增加，同一台电梯门由于磨损、老化等原因，其机械特性也会发生变化。这种复杂多变的特性，很难用数学模型加以描述，只有借助于自适应控制策略，使控制系统满足长期稳定可靠运行的要求。 　　三、系统的控制策略 　　1、加减速过程的S曲线 　　为了获得平稳的加减速特性，最大限度地减小电机加减速时对整个电梯门机系统的机械冲击，需要在电机加减速时采用S曲线。本文将电机的加减速过程分为三段，以加速过程为例，第一段采用匀加加速方式，第二段采用匀加速方式，第三段采用匀减加速方式，其工作曲线如图1所示。 图1加速过程的S曲线 同理，对于减速过程也可以分为三个阶段，其加速与减速曲线如图2所示。 图2加速曲线与减速曲线 　　2、自适应控制 　　自适应控制系统的结构如图3所示。前馈控制器FF和反馈控制器FB的参数是可变的，由自适应控制根据参考模型与实际系统响应的差值来调整，以保证二者响应趋于一致。 图3参数自适应控制系统结构图 　　3、控制系统 　　模型受控对象的数学模型为：式中：xp、up、yp分别是受控对象的状态向量、控制向量和输出向量；Ap、Bp、C分别是具有相应维数的矩阵。 　　在选定参考模型时，一般都令其与被控对象具有相同的结构形式，而它的参数则可以根据系统设计要求选定。因此参考模型可设为式中：xm、ym、rm分别是参考模型的状态向量、输出向量和输入向量；Am、Bm分别是具有相应维数的代表希望性能的矩阵。 系统广义输出误差方程：式中：ym为模型的输出，yp为可调系统的输出。 　　系统的广义状态误差方程：式中：xm为模型的状态矢量，xp为可调系统状态矢量。 　　由上式可得广义误差运动方程为：按照系统的工作原理，可调系统和参考模型之间的广义误差完全代表了模型参考自适应控制系统运动状态。 　　自适应控制使等效误差的解ε、e越小越好，即：可以采用不同的设计方法，如参数局部优化、稳定性设计，以满足相应的自适应控制规律。 　　4、门机开关的运行曲线 　　在电梯门机正常运行过程中，电机加减速的S曲线会因系统参数的不同而变化。本文将整个电梯门机的运行过程，分为7个S曲线加减速过程，如图4所示。其速度特性各不相同，因此系统采用自适应控制原理，对每个过程根据电梯门机运行实际情况，产生一组辅助速度值参与计算，以校正实际S曲线与理想S曲线的差别。 　　图4所示为电梯门机运行曲线，图中纵坐标表示运行速度，横坐标表示行程。横坐标上方为关门运行曲线，下方为开门运行曲线。 图4门机运行曲线 　　OE：开门宽度，因门机规格而异，在350mm～2400mm之间。 　　EG：门刀开闭行程，一般为35mm。 　　O点：为开门的极限点。门扇运行至A点时，开门速度由n6再降至n7并一直保持，实际上O点并没有速度，只有一个维持开门的堵转力。 　　E点：为关门的极限点。门扇运行至D点时，电机断电，依系统惯性停于E点。 　　G点：为门刀打开极限点，门刀开至F点时电机断电，依系统惯性停于G点。 　　B点：开门运行时，高速转低速切换点。 　　C点：关门运行时，高速转低速切换点。 四、系统的实现 　　门机控制系统由计算控制电路、键盘输入及显示电路、驱动和保护电路以及门机开关执行机构组成，系统框图如图5所示。其中，键盘输入及显示电路完成人机交互功能，可对电梯门机的执行过程进行设定；计算控制电路根据设定参数和外部输入的信号，完成计算及逻辑控制；而驱动和保护电路完成系统中电机与门机的驱动，实现门机系统的实时故障检测与保护，确保门机系统的安全和可靠。 　　电梯门机采用稀土无刷直流电机构成伺服系统，控制器以MSP430F149单片机为核心；主电路采用IPM组成功率变换电路，实现了PWM单极半调制控制，系统具有以下特点。 　　1、控制电机的PWM调制方式 　　通常PWM调制采用半桥全调制，即6个功率管中，只有上半桥的3个管子参与PWM调制，而下半桥的3个管子不参与PWM调制。这种方法与6个管子均参与PWM调制的全桥全调制相比，尽管开关损耗降低了一半，却造成了6个管子的开关损耗不均等，即下半桥的3个管子开关损耗低，上半桥的3个管子开关损耗高。为克服这一缺点，系统采用了上半桥单极半调制的PWM控制方式。 　　2、电流反馈 　　电机运行时的工作电流反映了电机当前带载情况，并将参与速度、电流双闭环控制。系统中使用的IPM智能功率模块中，集成了电流反馈信号，该信号经过调理直接送到MSP430F149的A/D采样端口，实现系统电流的实时反馈。 　　3、参数掉电保护 　　系统在掉电或机后，下一次再上电运行时，应按照上一次的运行状态工作。因此，系统采用串行的CAT24C021实现了参数掉电保护。CAT24C021除了保存用户最初设置的参数外，还将系统运行过程中的重要实时运行数据保存起来。CAT24C021与CPU之间采用I2C总线连接。 　　4、驱动电路组成 图5门机控制系统框图 　　逆变器采用全桥全控式，开关元件选用高频绝缘栅双极晶体管IGBT，它既有功率MOSFET高输入阻抗、高速特性、热稳定性好和控制电路简单的优点，又有双极达林顿晶体管GTR大电流密度、低饱和压降、耐压高的特点。系统选用智能功率模块6MBP15RH060来驱动电机。 　　五、结论 　　本文设计的电梯门机控制系统，具有很好的适应性。试验证明，该系统工作稳定、可靠，在关门堵转时也能迅速地做出反应，在各种故障发生时系统能按预先设计的程序运行，达到了系统设计要求。