专利名称：电梯曳引机驱动、控制一体化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电梯驱动与控制领域，特别是一种电梯曳引机驱动、控制一体化系统。
背景技术：
随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，电梯的使用越来越普遍。据中国电梯协会统计数据显示，截至2011年我国电梯保有量已达165万台，电梯的生产量和消费量均为世界第一。由于电梯生产安装、运行维护和监督管理存在诸多问题，全国电梯事故频发，电梯运行已成为城市公共安全的新隐患，如何提高电梯的安全性和可靠性，并对电梯信号进行实时监控，关系到整个电梯行业的发展。 目前，相当一部分电梯制造商采用单片数字信号处理器DSP或者更低级的单片机作为驱动器的控制芯片，若控制芯片出现故障，电梯曳引机很容易处于失控状态，如果没有一定可靠的硬件自动保护措施，很可能造成电梯事故，如若维护人员不能及时到达，势必对乘客身心健康造成影响。此外，电梯在运行过程中，用于曳引机控制的机电参数、摩擦系数、转动惯量等会不断地变化，电梯维护人员往往不能及时获取和更新控制柜所需要的各项参数，使得曳引机的控制性能往往不处于最佳状态，电梯的舒适性也就很难获得保障。采用无齿轮永磁同步电机曳引系统是电梯驱动技术的巨大飞跃，它完全可以取代现在用于电梯驱动系统的所有曳引技术。在永磁同步电机的矢量控制中，通常采用两种方法电压前馈解耦控制法和电流反馈解耦控制法。电压前馈解耦控制是一种线性化的解耦控制方案，能够实现电机横轴电流iq和纵轴电流id的完全解耦。电压前馈解耦控制需要实时获取电机转速大小和横轴电流导数，对控制器和传感器提出了很高的要求，不易于微处理器实现。电流反馈解耦控制是一种近似的解耦控制，解耦性能随着电机转速的升高而下降。虽然电流反馈解耦控制得到的是近似的解耦模型，但电流反馈控制结构简单，便于微处理器实现。随着无机房与小机房技术的发展，对驱动器、控制系统等提出小型化、集成化、模块化和低功耗要求，因此电机驱动、控制和通信等集成化、一体化是发展趋势，也是电梯控制技术的一个重点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种增加电梯安全性和舒适性的电梯曳引机驱动、控制一体化系统。实现本发明的技术解决方案为一种电梯曳引机驱动、控制一体化系统，该系统主要包括三相交流电源、整流模块、电路电容、逆变模块、第一保护电路模块、第二保护电路模块、曳引机模块、DSP+CPLD控制模块和标准通信接口 ；所述曳引机模块由永磁同步曳引机和与永磁同步曳引机同轴的编码器构成；所述DSP+CPLD控制模块由DSP主控制电路、CPLD从控制电路、信号采集与预处理电路和电源管理模块构成；所述DSP+CPLD控制模块分别与逆变模块、曳引机模块、第一保护电路模块、第二保护电路模块、标准通信端口相连；电路电容串接于直流母线两侧；整流模块通过第一保护电路模块与三相交流电源相连；逆变模块通过第二保护电路模块与曳引机模块相连；DSP主控制电路中的DSP芯片与CPLD从控制电路中的CPLD芯片通过IO端口相连；所述整流模块将三相交流电源转换为直流母线电压供逆变模块使用，并在直流母线之间串接电容电路增加直流母线电压的稳定性；逆变模块收到故障信号后向CPLD从控制电路输出报警信号，能够及时停止系统，并将故障信号反馈给DSP主控制电路；DSP+CPLD控制模块的DSP主控制电路负责处理来自信号采集与预处理电路的母线电流采样信号、母线电压采样信号以及曳引机模块的编码器信号，并输出控制逆变模块的6路PWM信号，CPLD从控制电路对来自系统内部和外部的逻辑信号及故障信号进行预处理，并将预处理后的信号以通信的方式通过IO端口反馈给DSP主控制电路；DSP+CPLD控制模块通过标准通信端口与外部控制单元及监控单元进行通信。本发明电梯曳引机驱动、控制一体化系统，整流模块分为可控整流模块和非可控整流模块；DSP+CPLD控制模块的主DSP控制电路中的DSP芯片采用TMS320F28335 ;逆变模 块的核心为IPM模块，IPM模块内部集成了 7个IGBT、驱动回路、制动电路和保护电路，其保护电路又包括过流保护、短路保护、过热保护和欠压保护。本发明电梯曳引机驱动、控制一体化系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，DSP主控制电路初始化的同时，并对CPLD从控制电路进行初始化；第二步，在系统运行过程中，DSP主控制电路和CPLD从控制电路同时工作，工作过程分别如下(I)DSP主控制电路的控制流程11)DSP主控制电路中的DSP芯片采集编码器信号、直流母线电压信号、直流母线电流信号，并计算得出电梯实际的运行速度以及直流母线电压值、直流母线电流值；12)判断当前得到的直流母线电压值是否超过设定的最大电压、直流母线电流值是否超过设定的最大电流值，若超过，则认为系统故障，应立即终止系统运行，若未超过，则转入第13)步；13)判断当前电梯实际的运行速度是否在设定的速度范围内，如果超出设定的速
度范围，则认为系统故障，应立即终止系统运行，如果没有超出设定的速度范围，则转入第
~- j_hi二少；(2) CPLD从控制电路的控制流程21)CPLD从控制电路获取系统内部逻辑信号，包括故障信号、运行状态信号；22)判断系统是否出现故障，若出现故障信号，则CPLD从控制电路通过IO端口将故障信号反馈给DSP主控制电路，DSP主控制电路收到来自CPLD从控制电路的故障信号，应立即终止系统运行，并将故障原因通过标准通信端口反馈给外部监控设备；若CPLD从控制电路没有收到故障信号，则转入第23)步； 23) CPLD从控制电路继续接收外部逻辑信号，即电梯模拟控制台的指令信号，并将外部逻辑信号进行分析处理，得出外部控制指令，通过IO端口将所得外部控制指令反馈给DSP主控制电路，然后转入第三步；第三步，DSP主控制电路中的DSP芯片将采集得到的编码器信号、直流母线电压信号、直流母线电流信号以及CPLD从控制电路反馈来的外部控制指令进行综合处理、分析，若判定系统出现故障，则立即终止系统运行；若判定系统没有出现故障，转入第四步；第四步，DSP主控制电路采用速度外环与电流内环的双闭环矢量控制策略，根据双闭环矢量控制策略得出6路PWM控制信号以及电压、电流、转速的控制信号；将6路PWM控制信号输出给逆变模块，进而控制曳引机模块，同时将电压、电流、转速的控制信号通过标准通用端口反馈给外部监控设备。本发明电梯曳引机驱动、控制一体化系统的工作方法，第四步中所述的速度外环采用比例反馈加扰动观测器复合控制器，速度外环控制算法的实现方式如下第一步，计算速度外环的给定转速w*和实际转速w的偏差给定转速w*由电梯控 制器给定，实际转速w由DSP芯片采集编码器信号根据Μ/T法测速求得，偏差为给定转速w*和实际转速w的差值；第二步，计算比例环节的控制量输出(幻，表达式如下ti(k) = kp{w* - w(k))，其中kp为比例环节参数，k表示第k次采样；第三步，计算扰动观测器的补偿量^0丨,的表达式如下= V {(r - / yn/' - O + K [ Mk) - w(k -1 )j - Ti0 (/c -1) j，其中 b。为参考模型
参数，τ为低通滤波器的滤波时间常数，T为采样周期，ζ为电流内环设定值；第四步，计算最终所需要的电流值叫幻=为速度外环控制器的输出量。 本发明电梯曳弓丨机驱动、控制一体化系统的工作方法，第四步中所述的电流内环采用PID控制器，电流内环模糊PID控制算法的实现方式如下第一步，计算电流内环的给定电流值和PMSM在d-q坐标系下的交轴电流值的电流偏差e，并求得电流偏差e的导数de ；电流内环的给定电流值为速度外环控制器的输出量u (k)，交轴电流值由曳引机U、V、W相的电流值经CLARK变换和PARK变换求得；第二步，已知电流偏差e及其导数de，根据模糊控制规则表，得出比例参数的调整量ΛΚρ、积分参数的调整量AKi、微分参数的调整量AKd;Δ Kp模糊控制规则表如表I. I所示，Δ Ki模糊控制规则表如表I. 2所示，Δ Kd模糊控制规则表如表I. 3所示表I. I Λ Kp模糊控制规则表
e\de NB NM NS ZQ PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS
Γ NSPMPMPMPSZONSNM
ZONMNM NSZONSNMNM
PSNMNSZOPSPSPMPB
PMNSZOPSPMPMPMPB
PBZOZOPMPMPMPBPB表I. 2 Λ Ki模糊控制规则表
权利要求
1.一种电梯曳引机驱动、控制一体化系统，其特征在于包括三相交流电源(I)、整流模块⑶、电路电容(4)、逆变模块(5)、第一保护电路模块(2)、第二保护电路模块(6)、曳引机模块(7)、DSP+CPLD控制模块(8)和标准通信接口(9);所述曳引机模块(7)由永磁同步曳引机和与永磁同步曳引机同轴的编码器构成；所述DSP+CPLD控制模块⑶由DSP主控制电路、CPLD从控制电路、信号采集与预处理电路和电源管理模块构成； 所述DSP+CPLD控制模块(8)分别与逆变模块(5)、曳引机模块(7)、第一保护电路模块(2)、第二保护电路模块(6)、标准通信端口(9)相连；电路电容(4)串接于直流母线两侧；整流模块(3)通过第一保护电路模块(2)与三相交流电源(I)相连；逆变模块(5)通过第二保护电路模块(6)与曳引机模块(7)相连；DSP主控制电路中的DSP芯片与CPLD从控制电路中的CPLD芯片通过IO端口相连； 所述整流模块(3)将三相交流电源(I)转换为直流母线电压供逆变模块(5)使用，并在直流母线之间串接电容电路⑷增加直流母线电压的稳定性；逆变模块(5)收到故障信号后向CPLD从控制电路输出报警信号，能够及时停止系统，并将故障信号反馈给DSP主控制电路；DSP+CPLD控制模块(8)的DSP主控制电路负责处理来自信号采集与预处理电路的母线电流采样信号、母线电压采样信号以及曳引机模块(7)的编码器信号，并输出控制逆变模块(5)的6路PWM信号，CPLD从控制电路对来自系统内部和外部的逻辑信号及故障信号进行预处理，并将预处理后的信号以通信的方式通过IO端口反馈给DSP主控制电路；DSP+CPLD控制模块(8)通过标准通信端口(9)与外部控制单元及监控单元进行通信。
2.根据权利要求I所述的电梯曳引机驱动、控制一体化系统，其特征在于整流模块(3)分为可控整流模块和非可控整流模块。
3.根据权利要求I所述的电梯曳引机驱动、控制一体化系统，其特征在于DSP+CPLD控制模块(8)的主DSP控制电路中的DSP芯片采用TMS320F28335。
4.根据权利要求I所述的电梯曳引机驱动、控制一体化系统，其特征在于所述逆变模块(5)的核心为IPM模块，IPM模块内部集成了 7个IGBT、驱动回路、制动电路和保护电路，其保护电路又包括过流保护、短路保护、过热保护和欠压保护。
5.一种基于权利要求I所述的电梯曳引机驱动、控制一体化系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步，DSP主控制电路初始化的同时，并对CPLD从控制电路进行初始化； 第二步，在系统运行过程中，DSP主控制电路和CPLD从控制电路同时工作，工作过程分别如下 (I)DSP主控制电路的控制流程 IDDSP主控制电路中的DSP芯片采集编码器信号、直流母线电压信号、直流母线电流信号，并计算得出电梯实际的运行速度以及直流母线电压值、直流母线电流值； 12)判断当前得到的直流母线电压值是否超过设定的最大电压、直流母线电流值是否超过设定的最大电流值，若超过，则认为系统故障，应立即终止系统运行，若未超过，则转入第13)步; 13)判断当前电梯实际的运行速度是否在设定的速度范围内，如果超出设定的速度范围，则认为系统故障，应立即终止系统运行，如果没有超出设定的速度范围，则转入第三I K少；(2)CPLD从控制电路的控制流程 21)CPLD从控制电路获取系统内部逻辑信号，包括故障信号、运行状态信号； 22)判断系统是否出现故障，若出现故障信号，则CPLD从控制电路通过IO端口将故障信号反馈给DSP主控制电路，DSP主控制电路收到来自CPLD从控制电路的故障信号，应立即终止系统运行，并将故障原因通过标准通信端口(9)反馈给外部监控设备；若CPLD从控制电路没有收到故障信号，则转入第23)步； 23)CPLD从控制电路继续接收外部逻辑信号，即电梯模拟控制台的指令信号，并将外部逻辑信号进行分析处理，得出外部控制指令，通过IO端口将所得外部控制指令反馈给DSP主控制电路，然后转入第三步； 第三步，DSP主控制电路中的DSP芯片将采集得到的编码器信号、直流母线电压信号、直流母线电流信号以及CPLD从控制电路反馈来的外部控制指令进行综合处理、分析，若判 定系统出现故障，则立即终止系统运行；若判定系统没有出现故障，转入第四步； 第四步，DSP主控制电路采用速度外环与电流内环的双闭环矢量控制策略，根据双闭环矢量控制策略得出6路PWM控制信号以及电压、电流、转速的控制信号；将6路PWM控制信号输出给逆变模块(5)，进而控制曳引机模块(7)，同时将电压、电流、转速的控制信号通过标准通用端口(9)反馈给外部监控设备。
6.根据权利要求5所述的电梯曳引机驱动、控制一体化系统的工作方法，其特征在于第四步中所述的速度外环采用比例反馈加扰动观测器复合控制器，速度外环控制算法的实现方式如下 第一步，计算速度外环的给定转速和实际转速W的偏差给定转速W*由电梯控制器给定，实际转速W由DSP芯片采集编码器信号根据Μ/T法测速求得，偏差为给定转速W*和实际转速w的差值； 第二步，计算比例环节的控制量输出只，表达式如下 M(k) - kp(w* - w{k))，其中kp为比例环节参数，k表示第k次采样； 第三步，计算扰动观测器的补偿量七幻,的表达式如下Α ) = Χ/τ Kr — T)d{k - I) + 尺[m'(/c) - w(k -1)] - Ti (k — 1)|，其中 bQ 为参考模型参数，τ为低通滤波器的滤波时间常数，T为采样周期乂为电流内环设定值； 第四步，计算最终所需要的电流值W幻=只幻-i^t)，u(k)为速度外环控制器的输出量。
7.根据权利要求5所述的电梯曳引机驱动、控制一体化系统的工作方法，其特征在于第四步中所述的电流内环采用PID控制器，电流内环模糊PID控制算法的实现方式如下 第一步，计算电流内环的给定电流值和PMSM在d-q坐标系下的交轴电流值的电流偏差e，并求得电流偏差e的导数de ；电流内环的给定电流值为速度外环控制器的输出量u (k)，交轴电流值由曳引机U、V、W相的电流值通过CLARK变换和PARK变换求得； 第二步，已知电流偏差e及其导数de，根据模糊控制规则表，得出比例参数的调整量ΛKp、积分参数的调整量ΛKi、微分参数的调整量AKd; Δ Kp模糊控制规则表如表I. I所示，Δ Ki模糊控制规则表如表I. 2所示，Δ Kd模糊控制规则表如表I. 3所示表I. I △ Kp模糊控制规则表
全文摘要
本发明公开了一种电梯曳引机驱动、控制一体化系统及其工作方法，该系统包括三相交流电源、整流模块、电路电容、逆变模块、第一保护电路模块、第二保护电路模块、曳引机模块、DSP+CPLD控制模块和标准通信接口。该系统以DSP为主控制芯片，负责对曳引机的控制以及对整个系统的决策、控制；CPLD作为辅助控制芯片，负责对大量的逻辑信号进行预处理，减少DSP的压力，提高了系统的可靠性与稳定性。在永磁同步曳引机矢量控制的基础上，电流环控制器的控制算法采用多模态控制算法，速度环控制器的控制算法采用基于扰动观测器的控制算法。本发明提高了电梯控制系统的安全性，且具有结构紧凑、体积小、便于维护等特点。
文档编号B66B1/06GK102963784SQ20121049486
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者郭健, 刘智君, 杨莹莹, 吴益飞, 王苏华, 向峥嵘, 陈庆伟 申请人:南京理工大学