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        變頻調(diào)速液壓電梯中單片機(jī)控制器的設(shè)計與優(yōu)化

        2013-10-14 11:00:20張麗杰
        機(jī)械制造與自動化 2013年3期
        關(guān)鍵詞:變頻器電梯單片機(jī)

        張麗杰

        (寧夏理工學(xué)院,寧夏 石嘴山 753000)

        0 引言

        目前,變頻調(diào)速是電動機(jī)調(diào)速常用方式,而且變頻調(diào)速技術(shù)在液壓電梯的控制中有很大的優(yōu)勢,不僅節(jié)能,同時由于變頻器還具有過流、過載、電動機(jī)過熱、過壓及欠壓、超速及失速等保護(hù)功能,使得電動機(jī)的啟動電流大為減小,從而延長了電動機(jī)的壽命。因此,變頻調(diào)速技術(shù)是液壓電梯領(lǐng)域中最具有前途的一個發(fā)展方向,通過對單片機(jī)控制器的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速對液壓電梯的穩(wěn)定控制。

        圖1 變頻調(diào)速液壓電梯控制系統(tǒng)原理圖

        1 系統(tǒng)設(shè)計

        1.1 系統(tǒng)框圖

        變頻調(diào)速液壓電梯系統(tǒng)主要由轎廂及傳動裝置、動力泵站、電梯控制柜、變頻器、單片機(jī)控制器、編碼器等幾個部分組成[1]。單片機(jī)控制器是控制系統(tǒng)中的核心部件,它采集各種參與控制的信號,并經(jīng)過綜合處理向各執(zhí)行部件輸出所需的控制信號。變頻器在單片機(jī)控制器的控制下,將來自電網(wǎng)的能量按所需的電壓、電流和頻率輸出給動力泵站中的電動機(jī)。變頻調(diào)速液壓電梯控制系統(tǒng)原理如圖1。

        變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號為0~10 V的模擬電壓信號,本設(shè)計中采用PWM方式來實(shí)現(xiàn)D/A輸出[2]。因此需要合理的設(shè)計PWM的濾波電路來得到精密的輸出電壓。

        逆變器主電路如圖2。

        圖2 逆變器主電路

        系統(tǒng)工作原理:在新的采樣周期到來時,從光電編碼器測得的電動機(jī)速度反饋信號通過PSP接口反饋到從處理器PIC16F877A,從處理器通過PSP接口從主處理器AT89S52處獲得電動機(jī)給定速度,或是由單片機(jī)系統(tǒng)自行給定速度。單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)給定的運(yùn)動速度與速度的反饋信號相減,得出偏差,經(jīng)過各種算法得出控制量,再把控制量以PWM的形式輸出,經(jīng)過脈沖分配延時,功率放大驅(qū)動交流電動機(jī)。

        1.2 PWM的濾波電路

        PWM波的解調(diào)過程如下(圖3):首先由PICl6F877 CCP2端口輸出的高速PWM波首先經(jīng)過6N137高速光耦進(jìn)行隔離,經(jīng)過隔離后的脈沖驅(qū)動單刀雙擲模擬開關(guān)MAX4599,由PWM脈沖控制模擬開關(guān)公共點(diǎn)使之與+5 V和地接通,從而在模擬開關(guān)的輸出端得到整定后的PWM波,該P(yáng)WM波與CCP2端口輸出的波形相比,它們的占空比是一致的,但經(jīng)過模擬開關(guān)后輸出的PWM波形更為精密,因?yàn)槟M開關(guān)+5 V電壓是由精密基準(zhǔn)電壓參考芯片REF02提供的。由模擬開關(guān)輸出的PWM波經(jīng)過兩級RC低通濾波后得到0~5 V的模擬電壓。由于控制變頻器所需的電壓為0~10 V,所以在RC濾波器后采用了一個放大倍數(shù)為2的同相放大器[3]。同時為了提高電路的帶載能力,將放大后的電壓經(jīng)過一個電壓跟隨器后再輸出到變頻器。

        圖3PWM濾波電路

        2 系統(tǒng)優(yōu)化

        2.1 單片機(jī)控制器D/A輸出曲線的分析

        對單片機(jī)控制器的D/A輸出控制電壓進(jìn)行采集,經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)單片機(jī)控制器的D/A輸出電壓所含毛刺尖峰過大、數(shù)量過多,雖然在電梯多次運(yùn)行的過程中,并未發(fā)生失控現(xiàn)象,但輸出控制電壓中過多毛刺的存在對控制系統(tǒng)而言仍然是一種隱患,而且由于輸出的控制電壓曲線不夠平滑,會影響到單片機(jī)控制器輸出的控制電壓的精度,從而對電梯的控制性能產(chǎn)生不良影響。因此仍然有必要提高單片機(jī)控制器輸出的控制電壓的品質(zhì)。

        通過采集多個實(shí)驗(yàn)樣本對系統(tǒng)的進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),大量毛刺是單片機(jī)控制器D/A輸出控制電壓不夠純凈,主要是由轉(zhuǎn)換電路本身的設(shè)計缺陷引起的[4]。所以有必要對單片機(jī)控制器的D/A輸出電路進(jìn)行改進(jìn)。對于由PWM實(shí)現(xiàn)的D/A輸出毛刺過多的問題,用仿真和實(shí)驗(yàn)的手段對濾波器的階數(shù)對PWM方式實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換所得到的電壓輸出品質(zhì)的影響做了分析,得出了如下的結(jié)論:PWM信號通過一階模擬低通濾波器后的D/A輸出波形為一鋸齒波,可用性極差;PWM信號通過二階模擬低通濾波器后的D/A輸出波形尖峰毛刺較大,但具有一定的可用性;PWM信號通過三階模擬低通濾波器后的D/A輸出波形毛刺很小,非常接近理想的D/A輸出,可用性強(qiáng)。

        2.2 優(yōu)化方法

        綜合以上的分析,決定采用增加一階阻容濾波的方法來改善D/A輸出電壓中毛刺數(shù)量過多、幅值過大的問題。對于阻容濾波中的電容選取了10 μ電解電容、l μ電解電容、1 μ 鉭電容、0.1 μ 鉭電容、0.1 μ 瓷片電容等幾種形式[5];電阻選取了 1 kΩ,10 kΩ,100 kΩ 三種,每種電容和電阻都相互組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其濾波效果,最終在幾十種組合情況中選擇出最好的一種組合:1 kΩ電阻和1 μF電解電容。圖4為增加一階濾波后,在變頻器正常工作的情況下單片機(jī)控制器輸出的D/A控制電壓曲線。可以看出經(jīng)改善后的單片機(jī)控制器的輸出電壓的質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到預(yù)期控制電壓的水平。

        圖4 增加一級濾波后的單片機(jī)控制器的D/A控制電壓輸出曲線

        3 PWM實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的精度和線性度分析

        為了進(jìn)一步保證單片機(jī)PWM方式輸出的控制電壓更具可用性,在實(shí)驗(yàn)中針對0 V,0.5 V,1.0 V,1.5 V,2.0 V,2.5 V,3.0 V,3.5 V,4.5 V,5.0 V 的指定控制電壓,對單片機(jī)控制器的輸出進(jìn)行采樣,每個輸出值連續(xù)采樣10次,求其平均值,以平均值表示該值對應(yīng)的輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

        表1 單片機(jī)的輸出電壓數(shù)據(jù)表

        4.0 3.985 -0.015 4.5 4.481 -0.019 5.0 4.978 -0.022

        將以上樣本,通過一定的補(bǔ)償方法驗(yàn)證增加一階阻容濾波的方法,提高了單片機(jī)PWM方式輸出模擬電壓的線性度,文中采用軟件線性回歸的方法對PWM輸出模擬電流信號進(jìn)行校正[6]。采用最小二乘支持向量機(jī)優(yōu)化方式來校正單片機(jī)控制器的輸出誤差。

        3.1 LS-SVM理論建模方法

        LS-SVM將不等式約束改為等式約束,它需要求解的最優(yōu)化問題是只含一個等式約束的凸二次規(guī)劃問題,所以求解比較簡單,很大程度上降低了運(yùn)算時間,為在線估計創(chuàng)造了有利條件[7]。而且,相對于常用的線性不敏感損失函數(shù),LS-SVM不需要制定逼近精度e,只是LS-SVM的解不具有稀疏性。其目標(biāo)函數(shù)是

        最小二乘支持向量機(jī)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解線性方程:

        因此得到最小二乘支持向量機(jī)LS-SVM的非線性函數(shù)估計為:

        3.2 具體的實(shí)現(xiàn)方法

        以設(shè)定的輸出電壓為自變量x,以單片機(jī)控制器的輸出電壓為因變量y,采用基于最小二乘支持向量機(jī)優(yōu)化的線性回歸方法求其回歸方程y=a+bx,通過回歸方程便可以求得對于任意的設(shè)定輸出電壓,單片機(jī)對應(yīng)的輸出電壓。

        設(shè)單片機(jī)輸出電壓的回歸方程形式為y=a+bx,根據(jù)最小二乘法可以得到

        對方程求解可得到回歸系數(shù)a、b的計算式

        將表1的數(shù)據(jù)帶入式(6),(7)可以得到

        單片機(jī)D/A輸出的回歸方程為

        在不采用軟件校正的時候,如果想輸出X1(U)的控制電壓,則直接將根據(jù)X1的值來設(shè)定PWM波的占空比,但這樣輸出的控制電壓并不是X1,而是通過回歸方程Y=-0.165+1.004X求 出 的Y1(U)(Y= - 1.065+1.004X1)。

        可以采用如下的方法來提高輸出電壓的線性度:將想要得到的輸出電壓X1(U)賦給回歸方程(3-8)的Y,通過回歸方程可以求出與之對應(yīng)的指定輸出電壓X',然后X'11為校正后的設(shè)定輸出電壓,根據(jù)X1'來設(shè)定PWM波的占空比,在單片機(jī)控制器的D/A輸出端便可以得到最初想要的值為X1的控制電壓。

        4 樣梯實(shí)驗(yàn)效果

        將該控制器用于實(shí)驗(yàn)樣梯[8],從圖5,圖6中可以看出,電梯啟動時無明顯垂直方向的加速度突變,從水平方向加速度來看,整個運(yùn)行過程平穩(wěn),舒適感良好。

        5 結(jié)語

        文中通過對PWM電路的設(shè)計和優(yōu)化,改善了由PWM實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出性能,實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)在液壓電梯應(yīng)用中的平穩(wěn)控制、安全可靠、增加舒適度等優(yōu)點(diǎn),為今后提高和改善變頻調(diào)速的液壓電梯性能提供參考依據(jù)。

        [1]張漢杰,王錫仲,朱學(xué)莉,編著.現(xiàn)代電梯控制技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

        [2]韋波.用PWM實(shí)現(xiàn)隔離型標(biāo)準(zhǔn)電流輸出D/A轉(zhuǎn)換器[J].電子工程師,2004(6).

        [3]李小京,石金橋.利用單片機(jī)構(gòu)成高精度PWM式12位D/A[J].自動化與儀器儀表,1993(4).

        [4]秦健.一種基于PWM的電壓輸出DAC電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2004(14).

        [5]向先波,徐國華,張琴.TMS320F240內(nèi)PWM實(shí)現(xiàn)D/A擴(kuò)展功能[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2003(1).

        [6]劉濱,楊梅.廉價隔離型高精度D/A轉(zhuǎn)換器[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(1).

        [7]閻威武,邵慧鶴.支持向量機(jī)和最小二乘支持向量機(jī)的比較及應(yīng)用研究[J].控制與決策,2003,18(3):358-360.

        [8] Bcringer.VVVF controlled hydraulic power Unit SATURN q[M].產(chǎn)品樣本.

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