电梯变频门机系统与运动控制分析

电梯是现代生活中不可缺少的工具，而电梯门机系统又是整梯系统中动作最频繁的部件，其性能直接影响到整梯的性能。电梯门机分为直流门机、交流异步变频门机、永磁同步门机[1]（ 至于这三种门机的区别，因篇幅所限，不在本文分析）。在这三种门机中，交流异步变频门机是目前使用量最大的电梯门机，本文所分析的就是这种门机。
交流异步变频门机通常简称为变频门机，其构成主要分为三部分：变频门机控制系统、交流异步变频电机、变频门机机械系统[2]，三部分的关系如图1所示。

图1可知，控制系统用于控制变频电机运行，变频电机又拖动机械系统运行。
对于不同厂家的电梯，变频门机控制系统的具体设计会有所不同，但结构原理是基本一样的，图2 即为变频门机控制系统的硬件结构原理框图。
在图2 中，高压直流驱动电源为310 V 左右，用作驱动模块的逆变工作电源，低压直流控制电源的电压等级包括5 V、15 V、24 V等，不同厂家的系统会有所不同；参数存储器一般使用EEPROM；电流传感器一般设有两个，接在两相电机线上，第三相电机线的电流通过程序中的数学运算得到；编码器及其反馈信号接口电路在“编码器控制方式”下需要，在“速度开关控制方式”下不需要，关于控制方式（即运动控制方式），将在下文分析。
与变频门机控制系统的情况类似，对于不同厂家的电梯，变频门机机械系统的具体设计也会有所不同，但结构原理是基本一样。变频门机的机械系统分为两大部分：轿门侧机械部分和厅门侧机械部分，轿门和厅门通过一种称为“系合装置”的机械部件联接在一起，电机拖动轿门运动，轿门通过“系合装置”带动厅门一起运动。厅门侧机械部分除没有电机及其减速机构外，其余跟轿门侧机械部分相似，为节省篇幅，本文仅介绍轿门侧机械部分。变频门机轿门侧机械部分的结构示意图如图3 所示。

从图3可看出，轿门侧机械结构由两扇轿门和轿门上坎两大部分组成，上坎上分布着各种部件，图中所画为主要部件。其中滑轮组（两组）联接轿门与上坎，将轿门吊挂在上坎导轨上，滑轮组的皮带夹板卡住皮带，使得皮带可以拖动滑轮组在导轨上运动，从而拖动轿门运动。上坎上的开门极限开关和关门极限开关，用于检测轿门是否运动到开门极限位置或关门极限位置。电机尾部的编码器和上坎上的速度开关并不是同时都需要，这取决于不同的运动控制方式。

2 变频门机的运动控制方式及控制信号构成

变频门机的运动控制方式分为“编码器控制方式”和“速度开关控制方式”。在使用“编码器控制方式”时，电机尾部安装有编码器，但上坎上不安装速度开关。在这种控制方式下，通过编码器既能检测轿门位置，又能检测轿门速度，因此可以使用位置和速度闭环控制，“编码器控制方式”下的控制信号构成如图4所示。
图4 中的开门信号、关门信号、平层信号由电梯整梯控制系统发出，其中平层信号是指电梯到达每一楼层平面位置时产生的信号；开门极限信号与关门极限信号是指轿门运动到开门极限位置和关门极限位置时，由开门极限开关和关门极限开关产生的信号；安全触板和光电光幕是检测障碍物的装置[3][4]，安装在轿门的门沿上（图3 中未画出），这两个装置只有在关门过程中才有效，当有障碍物时，会产生安全触板信号和光电光幕信号，以便整梯控制系统和门机控制系统实施保护；编码器用来反馈轿门运动速度、检测轿门位置和运动方向。“编码器控制方式”下的速度切换点通过检测轿门位置来确定。

在使用“速度开关控制方式”时，电机不带编码器，而是依据上坎的速度开关来检测速度切换点。在这种控制方式下，没有位置检测，也没有速度检测，因此只能使用位置和速度开环控制，“速度开关控制方式”下的控制信号构成如图5 所示。

图5跟图4相比，只是编码器信号用速度开关信号替代，其余控制信号二者完全一样。两个速度开关仅用作变频门机运动过程中的速度切换点。

3 变频门机的运动曲线

在“编码器控制方式”下，变频门机关门过程的理想运动曲线（即程序中设定的运动曲线）如图6 所示。
在图6 中，横轴表示关门行程，纵轴表示运动速度；0点为开门极限位置兼第一加速段起始点，A 点为第一加速段终止点、第二加速段起始点；B点为第二加速段终止点、匀速段起始点；C点为匀速段终止点、第一减速段起始点；D 点为第一减速段终止点、第二减速段起始点；E点为第二减速段终止点兼关门极限位置。从图中可看出，减速行程CE 段比加速行程OB段要长，这是门机运动时的工况和安全特性所要求的；A、B、C、D 四个速度切换点的位置通过编码器来检测。
在“速度开关控制方式”下，变频门机关门过程的理想运动曲线如图7 所示。

在图7 中，B 点为加速段终止点、匀速段起始点；C点为匀速段终止点、减速段起始点；B 点与C点的信号由两个速度开关产生；图中的横轴、纵轴、O 点、E 点的意义与图6 相同，不同的是，图6中的加速段与减速段都有两段，而图7 中的加速段与减速段都只有一段，这是因为在图6 中，有四个速度切换点，而在图7中，只有两个速度切换点，因为只有两个速度开关，如果要再增加两个速度开关，不仅要增加产品成本，而且安装位置也很紧张，尤其是开门宽度比较小的电梯门机，无法安装四个速度开关。因图7的这种特性，导致“速度开关控制方式”下，门机运动过程的平滑性不如“编码器控制方式”。
以上只分析了关门运动曲线，至于开门运动曲线，除运动方向与关门运动曲线不同外，其余与关门运动曲线类似。
在图6 与图7 中，加速段与减速段的理想曲线都是连续的，但实际施加的速度信号是不连续的，而是通过步频来实现的，步频的概念请见图8，现以加速过程来说明步频的概念。图8 是从加速段理想曲线中选一小段放大，从图中可以看出，放大后呈阶梯状，在加速过程中，速度的增加是通过间隔时间驻T来增加频率驻f（电机电源频率）实现的，驻f称为步频。在设计理想曲线时，要先计算出加速过程需要多少时间，从而计算出步频的具体数值。步频的数值是频率分辨率的整数倍，比如对于频率分辨率为0.1 Hz的变频门机系统，步频的数值可为0.3 Hz、0.4 Hz 等，具体数值由设计者根据实际情况确定，步频的数值不能太大，否则在加减速时会出现振动。

4 编码器控制方式下的运动位置与方向检测

在“编码器控制方式”下，可以依据编码器信号的四倍频计数值来检测轿门的位置，同时依据编码器的旋转方向来判断轿门的运动方向。图9为编码器的四倍频计数及其计数方向示意图。

从图9 可看出，编码器输出的A 路信号和B路信号为相位差90°的周期方波信号，在DSP（或单片机）芯片内部有专门用于编码器信号计数的90°相移计数器，当A路信号的上升沿/下降沿超前B路信号的上升沿/ 下降沿时，计数器的计数方向为增计数；当A路信号的上升沿/下降沿滞后B路信号的上升沿/ 下降沿时，计数器的计数方向为减计数。若设定增计数时电机的运动方向为正方向，则减计数时电机的运动方向就为反方向。
DSP（或单片机）芯片内部的编码器信号接口利用两路周期信号的四个边沿加工成四倍频的计数信号，四倍频的计数信号有利于提高电动机角位移的分辨率，也即可以提高轿门运动位置和运动速度的分辨率，门机控制系统就是通过这个四倍频计数值来检测轿门运动位置和运动速度的。
例如，轿门从开门极限位置到关门极限位置的距离是500 mm，电机要旋转10 转，也即编码器要旋转10 转，假定编码器的分辨率为512 个方波/转，则编码器旋转10 转后，四倍频计数值为512×4×10＝20 480，每个计数值所代表的距离为500 mm/20 480＝0.024 4 mm。现设定开门极限位置时的四倍频计数值为0，则当四倍频计数值为5 000 时，表明轿门向关门极限位置运动的距离为5 000×0.0244＝122 mm。

5 结语

在电梯变频门机的两种运动控制方式中，“速度开关控制方式”不仅程序算法简单，而且节省了价格相对较高的编码器，但因其不能检测轿门的运动方向、位置和速度，所以只能使用位置和速度开环控制，这将导致控制精度相对要差，而且在这种控制方式下，门机运动过程的平滑性不太好，因此目前很少使用，基本上使用“编码器控制方式”。