譚 鵬, 樊衛(wèi)華, 張 杰, 鄭 鑫, 曹建新

(1.南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院, 南京 210094; 2.江蘇通用電梯有限公司, 江蘇 揚州 225000)

基于多模態(tài)PID的曳引機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

譚 鵬1, 樊衛(wèi)華1, 張 杰1, 鄭 鑫2, 曹建新2

(1.南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院, 南京 210094; 2.江蘇通用電梯有限公司, 江蘇 揚州 225000)

曳引機的驅(qū)動控制系統(tǒng)是垂直升降電梯的關(guān)鍵設(shè)備，對電梯性能具有重要影響，具有較大的研究價值；對一種基于多模態(tài)PID控制的永磁同步曳引機電梯驅(qū)動控制系統(tǒng)進行了研究；給出了曳引機驅(qū)動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，將系統(tǒng)分為主控模塊、驅(qū)動模塊和信號采集模塊進行設(shè)計并介紹了各模塊硬件電路的設(shè)計；針對曳引機控制采用了電流、速度雙閉環(huán)控制算法，給出了主控制器DSP的軟件流程設(shè)計，并對速度環(huán)采用的多模態(tài)PID控制算法進行了研究；在電梯公司的試驗塔對設(shè)計的驅(qū)動控制系統(tǒng)進行現(xiàn)場調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明電梯在高、中、低速下都能夠良好地跟蹤給定的S型速度曲線，且超調(diào)量較小，穩(wěn)態(tài)誤差較小，可以滿足電梯控制的性能指標(biāo)要求。

電梯; 驅(qū)動控制;FPGA; 多模態(tài)PID

0 引言

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)增長、城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速和房地產(chǎn)行業(yè)的進一步發(fā)展，城市里的高層建筑逐漸增多，電梯市場需求量也得到迅速增長。電梯在許多新型高層居民小區(qū)中也逐漸普及，已經(jīng)成為我國人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠諿1]。

電梯技術(shù)起源于美國人奧的斯創(chuàng)辦的公司，經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，國外的電梯行業(yè)不論是技術(shù)還是資金都比較成熟。從最早的雙速電梯到后來的交流調(diào)速電梯以及VVVF電梯，都是最初在國外提出的技術(shù)。相對來說，我國的電梯行業(yè)起步晚、起點低，很多電梯方面的先進技術(shù)還處于研發(fā)階段[2]。電梯的核心技術(shù)是驅(qū)動控制技術(shù)，目前這方面的主要技術(shù)和成果基本都被國外公司所掌握，并受到其專利保護。因此，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電梯驅(qū)動控制系統(tǒng)及其技術(shù)有助于增強國內(nèi)電梯的核心競爭力和市場競爭力。

本文主要研究了基于永磁同步曳引機的電梯驅(qū)動與控制系統(tǒng)，將多模態(tài)PID控制算法應(yīng)用于基于DSP+FPGA為核心的驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件平臺，實驗結(jié)果表明了該技術(shù)方案的可行性。本文內(nèi)容安排如下：第二章介紹系統(tǒng)總體設(shè)計方案；第三章介紹硬件電路設(shè)計；第四章給出了軟件流程及控制算法；第五章給出了實際系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果；最后總結(jié)了本文工作。

1 總體設(shè)計方案

本文研究的驅(qū)動控制系統(tǒng)以電梯用永磁同步曳引機為對象，實現(xiàn)曳引機的電流與速度的閉環(huán)控制，以及對電梯外圍信號的采集與處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，按照不同功能可分為三個模塊。

主控模塊：主要由DSP最小系統(tǒng)、FPGA最小系統(tǒng)、光電隔離電路、繼電器輸出與通信電路模塊組成；是驅(qū)動控制系統(tǒng)的核心模塊，負責(zé)處理與分析有其他模塊反饋和采集的信息，完成曳引機的電流與速度閉環(huán)控制，以及對系統(tǒng)的狀態(tài)檢測與故障處理。

驅(qū)動模塊：主要由整流模塊、逆變模塊組成，將市電網(wǎng)的三相交流電整流為直流電，并在主控模塊的控制下將直流電逆變成幅值和頻率可控的三相交流電，驅(qū)動曳引機旋轉(zhuǎn)。

信號采集模塊：主要由信號采集與調(diào)理電路、編碼器信號采集電路組成，采集電流與速度閉環(huán)控制所需要的各種反饋信號，并調(diào)理成主控模塊能夠處理的電信號。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控模塊

為滿足曳引機控制需要，主控模塊必須具備大量的外圍接口與通信接口，因此主控模塊采用如圖1所示的DSP+FPGA的主從CPU配置，利用FPGA擴展接口，完成樓層、外招等信號的分析與決策，主DSP芯片選用TI公司的TMS320F28335，完成電流、電壓和速度信號的采樣與濾波、控制計算、6路PWM信號生成等。此外，F(xiàn)PGA還完成系統(tǒng)狀態(tài)的實時檢測和連鎖保護功能，通過實時監(jiān)控驅(qū)動控制系統(tǒng)的狀態(tài)信號，在發(fā)生故障時控制安全繼電器，切斷主控制回路，保證系統(tǒng)的安全。

圖1 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

DSP與FPGA的最小系統(tǒng)電路均采用了成熟的電路，限于篇幅不再給出。本節(jié)主要介紹光電隔離、通信、繼電器控制電路。

在電梯運行過程中，為保障電梯安全運行及乘客的安全乘坐，需要檢測一系列的信號，包括平層、限位等，這些信號大多為開關(guān)量，電壓幅值為24 V。而主從CPU的管腳兼容的是3.3 V CMOS電平，必須對這些開關(guān)量信號進行調(diào)理。進一步考慮系統(tǒng)電磁兼容性要求，本系統(tǒng)采用如圖2所示的光電隔離電路實現(xiàn)此功能。

圖2 光電隔離電路原理圖

為能使電梯正常運行，主控模塊必須對抱閘接觸器、電源接觸器等外圍電氣設(shè)備進行有效控制，此類設(shè)備的控制信號一般為110 V開關(guān)量。故本系統(tǒng)采用如圖3所示的繼電器電路實現(xiàn)，主控模塊輸出控制信號經(jīng)過達林頓管增強電流驅(qū)動能力后，控制繼電器完成輸出控制。

圖3 繼電器輸出電路原理圖

曳引機需要跟蹤速度曲線，保證轎廂平穩(wěn)上下，而速度曲線根據(jù)樓層信號和外招信號，通過計算生成。本系統(tǒng)中，主控模塊通過CAN總線接口連接轎廂板和外招板獲取樓層信號和外招信號。CAN總線接口電路如圖4所示，利用DSP自帶CAN接口進行擴展，選用SN65HVD230作為CAN總線收發(fā)器，用撥碼開關(guān)控制的終端電阻。

圖4 CAN總線接口電路原理圖

2.2 驅(qū)動模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的驅(qū)動模塊采用經(jīng)典的交-直-交模式，整流電路將三相市電轉(zhuǎn)化為直流母線電，主控模塊輸出PWM波控制智能功率模塊(IPM)內(nèi)部的逆變電路，將直流電逆變?yōu)榉岛皖l率可調(diào)的三相電，控制曳引機運行。

為簡化電路設(shè)計，整流電路采用集成的三相整流橋式模塊，如圖5所示。其中R1、R2、R3為壓敏電阻，用來吸收電壓變化產(chǎn)生的多余電流，保護整流器件。C5、C6為穩(wěn)壓電容，C7為無感電容，用來吸收母線上的雜散電感產(chǎn)生的浪涌電壓。

圖5 整流電路原理圖

逆變電路采用智能功率模塊(IPM)。IPM將功率模塊器件與驅(qū)動電路集成到了一起，并且內(nèi)部集成了故障檢測電路和保護電路，具有很高的集成度、可靠性與穩(wěn)定性。為提高系統(tǒng)可靠性和電磁兼容性，主控模塊的6路PWM信號和IPM的故障信號都經(jīng)過光耦隔離處理，其中PWM信號頻率較高，選用高速光耦HCPL-4504，而故障信號選用低速光耦TLP521，IPM接口電路如圖6所示。

圖6 IPM接口電路原理圖

2.3 信號采集模塊設(shè)計

為實現(xiàn)曳引機的電流、速度的閉環(huán)控制，檢測電梯系統(tǒng)的運行狀態(tài)，需實時采集三相電流、直流母線電壓、曳引機速度等多種數(shù)據(jù)，信號采集模塊由上述信號的采集電路組成，基本分為編碼器、電流、電壓采集三個子模塊。

首先介紹針對增量式編碼器的采集電路。增量式編碼器A相、B相、C相、D相和R相五路差分形式的編碼信號，其中A相和B相包含了轉(zhuǎn)速信息，轉(zhuǎn)動一圈輸出2048個正弦信號，A相和B相的相位關(guān)系表征了轉(zhuǎn)動方向。R相為歸零信號，曳引機轉(zhuǎn)動一圈輸出一個脈沖。C相和D相包含了曳引機轉(zhuǎn)動軸的機械角度，在曳引機轉(zhuǎn)動一圈時輸出一個完整的正弦波信號，C相超前D相90°。

由于差分信號不能直接輸入主控模塊，需首先將其轉(zhuǎn)化成單端正弦信號，然后利用A相、B相和R相信號，得到DSP的QEP模塊可以處理的方波信號。上述過程，本系統(tǒng)利用去差分電路和比較電路實現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 去差分電路和比較電路原理圖

三相電流、母線電壓等信號是電流環(huán)控制所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其精度和實時性對控制效果有決定性的影響。本系統(tǒng)選用具有良好的線性度與溫度穩(wěn)定性的霍爾傳感器作為傳感器，配合信號調(diào)理電路，將電流/電壓信息轉(zhuǎn)換成0～3 V之間能被DSP AD接口讀取的電信號。電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，具體電路圖不再給出。

圖8 信號調(diào)理示意圖

3 軟件流程及控制算法

3.1 系統(tǒng)軟件流程

本系統(tǒng)軟件指DSP內(nèi)部的軟件，采用模塊化的設(shè)計思想，由中斷子程序?qū)崿F(xiàn)對曳引機的電流、速度雙閉環(huán)控制。主程序則首先完成系統(tǒng)初始化，然后判斷是否有召喚信號，若有則計算速度曲線，生成速度指令，否則繼續(xù)等待召喚信號。主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

系統(tǒng)的軟件中斷主要包括電流環(huán)中斷和速度環(huán)中斷。電流環(huán)中斷由DSP的定時器1中斷實現(xiàn)，中斷周期設(shè)為0.1 ms，采用目前比較成熟的矢量控制算法實現(xiàn)對曳引機三相電流的控制；速度環(huán)中斷采用“假中斷”的方式，以電流環(huán)控制周期為基準(zhǔn)，每過100個電流環(huán)周期執(zhí)行一次速度環(huán)中斷，即每10 ms執(zhí)行一次。根據(jù)主程序計算的速度值，依據(jù)多模態(tài)PID控制算法給出控制量，實現(xiàn)對曳引機轉(zhuǎn)速的控制。中斷子程序流程圖如圖10所示。

圖10 中斷子程序流程圖

3.2 多模態(tài)PID控制算法

速度控制算法是影響運行平穩(wěn)性的關(guān)鍵之一，電梯曳引機跟蹤S型速度曲線，該曲線中隱含了加速度、加加速度的變化，因此要求控制算法必須兼顧動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的要求，具有較大的難度。

本系統(tǒng)采用多模態(tài)PID控制算法，該算法將傳統(tǒng)PID控制與智能、切換控制思想相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)PID控制算法的不足，同時又具有了智能控制算法的優(yōu)點，具有算法計算量小、魯棒性好、調(diào)試簡單等特點。具體思想是：根據(jù)系統(tǒng)誤差的大小將系統(tǒng)分成若干個工作模態(tài)，在不同的模態(tài)，按照系統(tǒng)運動特性和指標(biāo)要求，施加不同的PID控制，實現(xiàn)控制作用的按需實施，從而達到滿意的控制效果。本系統(tǒng)以曳引機速度誤差為依據(jù)，劃分了7個工作模態(tài)，如表1所示。

表1 多模態(tài)PID控制參數(shù)

其中，Kp0為模態(tài)一的比例系數(shù)，Kp1、Ki1分別為模態(tài)二的比例系數(shù)和積分初值，其他模態(tài)按比例控制比例系數(shù)和積分初值，α，β分別為比例和積分控制變化系數(shù)。上述參數(shù)需要調(diào)試確定。

控制算法程序通過式(1)計算控制量，然后經(jīng)過必要的限幅等處理后輸出。

(1)

4 實驗結(jié)果與分析

本驅(qū)動控制系統(tǒng)已經(jīng)在公司的電梯試驗塔進行了較為全面的測試。局限于篇幅，本文給出電梯負載為滿載的50%，以時間為原則運行單層、兩層和三層樓時，上位機記錄的電梯S型運行速度曲線。如圖11、圖12、圖13所示，圖中紅線為速度給定值，綠線為實際測得的速度值。

圖11 單層速度曲線

圖12 兩層速度曲線

圖13 三層速度曲線

電梯3種情況下運行的速度最高值分別為1.2 m/s、1.75 m/s和2 m/s，分別對應(yīng)設(shè)定的低、中、高三條速度曲線。可以看出電梯在勻速運行時控制精度較高，穩(wěn)態(tài)誤差小，在制動減速段和最終平層段運行時，出現(xiàn)了速度跟蹤之后，實際運行曲線和給定曲線有一定偏差，這是電梯的機械慣性造成的。

3種情況下電梯均有一段爬行過程，這是由于以時間為原則控制電梯運行速度時，主控制器不能得到準(zhǔn)確的轎廂位置，為準(zhǔn)確平層需要一段爬行運行過程。從3條曲線的對比看，單層速度曲線爬行段最長，兩層速度曲線次之，三層速度曲線最短，表明電梯在高速運行時控制精度較低速運行時高。

從整體的運行過程來看，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠控制電梯在1.3 m/s、1.75 m/s和2 m/s下以較高精度跟蹤給定速度曲線，且超調(diào)量較小，穩(wěn)態(tài)誤差小，基本達到設(shè)計要求。后期對PID控制參數(shù)進一步調(diào)整，并采用更高效控制算法，可以達到更好的控制效果。

5 結(jié)論與展望

本文圍繞永磁同步曳引機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計，介紹了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計、系統(tǒng)軟件流程，并分析研究了多模態(tài)PID控制算法的思路及其實現(xiàn)，并利用電梯實驗數(shù)據(jù)驗證了方法的可行性和性能。

下一步的研究工作將圍繞提高控制算法的適應(yīng)性，降低調(diào)試難度等方面展開。

[1] 梁秀璟. 中國電梯:高速發(fā)展下的思考[J]. 自動化博覽, 2012(12):48-48.

[2] 陳曉燕. 電梯控制與拖動技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J]. 機械研究與應(yīng)用, 2011(3):12-15.

[3] 張汝成, 王廣生, 張 磊.基于ARM的電梯主控制器設(shè)計[J]. 計算機測量與控制, 2009, 17(10):1958-1961.

[4] 甄志鵬. 電梯智能控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計[D]. 廣州：華南理工大學(xué), 2013.

[5] 陸鑫森, 趙國軍, 邢海瀟,等. 電梯運行速度曲線的控制[J]. 輕工機械, 2010, 28(6):70-72.

[6] 劉曉峰. 無齒輪電梯用永磁同步電動機的研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2009.

[7] 周 好. 永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)， 2011.

[8] 劉 利. 基于嵌入式系統(tǒng)的電梯核心控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 天津：天津大學(xué)，2007.

[9] 梅國權(quán). 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]. 南京：南京理工大學(xué),2013.

Design of Drive and Control System for Traction Machine Based on Multi-mode PID

Tan Peng1, Fan Weihua1, Zhang Jie1Zheng Xin2， Cao Jianxin2

(1.School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China；2.Jiangsu General Elevator Limited Company, Yangzhou 225000, China)

The drive and control system of a traction machine is a critical part for a vertical elevator, which has great effects for elevator performance and thus is well worthy to be studied. A multi-mode PID method is introduced for permanent magnet synchronous traction machine control as well as the overall design scheme of the drive and control system. The system is divided into three parts, including main control module, drive module and signal acquisition module, all introduced in details of hardware circuit. Dual-loop control algorithm, speed loop and current loop, is employed for traction control and the corresponding flow diagram of DSP software is presented. Studies for multi-mode PID control algorithm in the speed loop is introduced. According to in-field debugging, the elevtor can precisely follow all given speed curves with small overshoot and steady-state error, and can well meet the requirements of elevator control.

elevator; drive and control; FPGA; multi-mode PID

2015-12-09；

2016-02-15。

江蘇省重大科技成果轉(zhuǎn)化項目(BA2015147)。

譚 鵬(1989-)，男，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)研究與設(shè)計方向的研究。

1671-4598(2016)07-0093-04

：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP3 文獻標(biāo)識碼：A