變頻器在電梯上的應用
引言
電梯是一種垂直運輸工具，它在運行中不但具有動能，而且具有勢能。它經常處在正反轉，反復起制動過程中。為滿足乘客的舒適感和平層精度，要求電動機在各種負載下都有良好的調速性能和準確停車性能。為滿足這些要求，采用變頻器控制電動機是最合適的。變頻器不但可以提供良好的調速性能，并能節(jié)約大量電能。變頻調速是交流調速的一種重要手段，以其可靠性和很強的抗干擾能力在生產生活中得到了廣泛的應用。同時，DSP是一種高速專用微處理器，運算功能強大，能實現(xiàn)高速率傳輸數(shù)據(jù)，具有實時運算能力，并集成了電動機控制外圍部件，使設計者外加較少的硬件設備，就可以構成最小目標控制系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)費用及產品成本。而且由于該系統(tǒng)的軟硬件均為模塊化的方式，預留接口和軟位資源豐富，因此使用非常靈活，可以在最短時間內完成不同控制策略和不同控制對象的設計過程。因此，用DSP控制的變頻電梯將是一種高速控制，節(jié)約能源，同時又滿足電梯運行要求的新型控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)構成
該系統(tǒng)主要由主回路部分，檢測部分，控制電路三部分組成。主回路主要是把電網電壓經過整流和逆變，送入交流電動機，并通過控制電路控制逆變器開關元件的開斷，實現(xiàn)電動機的調速。控制電路主要完成電力傳動系統(tǒng)的指令形式，電流、速度和位置控制，產生PWM控制信號，故障診斷，檢測和顯示，電梯的控制邏輯管理、通信和群控等任務。
2.1 主回路
主回路又分為兩個部分。（1）整流與再生部分。這部分的功能有兩個。一是將電網三相正弦交流電壓整流成直流，向逆變部分提供直流電源；二是在減速制動時，有效的控制傳動系統(tǒng)的能量回饋給電網。整流器采用晶閘管可逆方式，起到了將負載端產生的再生功率送回電源的作用。（2）逆變器部分。逆變器部分是由IGBT模塊組成，其作為無源逆變器，向交流電動機供電。
2.2 控制電路
控制電路的核心采用DSP芯片中的TMS320C24*系列，它是專門針對電機控制而設計的。本系統(tǒng)中應用TMS320C240芯片。C240含有操作速為 條指令/s的CPU，片內含有16K字程序存儲器（ROM），544字數(shù)據(jù)存儲器，雙十位A/D轉換器，它含有同步串行外設接口（SPI），異步串行通信接口(SCI)，備有四種掉電模式，采用基于仿真頭(JTAG)掃描的仿真技術；它提供的脈寬調制(PWM)及I/O接口可以用于驅動各種類型的電機。它包含了3個起/停定時器和9個比較器，并輔以靈活的波形發(fā)生邏輯，可產生多達12路PWM輸出；它還支持對稱的和非對稱的PWM生成能力以及空間矢量PWM狀態(tài)裝置，以實現(xiàn)功率開關器件的優(yōu)化方案，它能以比較低的功耗延長使用使命，它還包括死區(qū)發(fā)生單元，從而有助于保護功率器件；此外，事件管理器集成了4個接收輸入端，其中2個可用于光電編碼器正脈沖的直接輸入。
DSP所特有的高速計算能力，可以用來增加采樣頻率，并且完成復雜的信號處理和控制算法，控制外圍設備，以實現(xiàn)電機的控制和調速。此外，由于必須使電梯從零速到最高速平滑的變化，變頻器的輸出頻率也應從幾乎是零頻率開始到額定頻率為止平滑的變化。而DSP靈活的PWM發(fā)生，為電機控制帶來了許多便利，可產生高分辨率的PWM波形，可靈活實現(xiàn)PWM控制，這不僅減小電磁干擾和其他噪聲問題，而且能夠靈活的控制變頻器的輸出頻率。
該控制電路的算法采用矢量控制算法，把采集的電壓，電流信號和速度信號同時送入TMS320C240芯片中，在C240中經過比較器和函數(shù)庫進行矢量運算，輸出控制信號。
2.3 驅動電路
應用日本富士電機的EXB系列驅動器EXB840，作為該系統(tǒng)的驅動器，這是專門用來驅動IGBT的驅動模塊。該模塊的特點是內部裝有2500V的高隔離電壓的光耦合器，有過電流保護電路和過電流保護輸出信號端子，另外，可以單電源供電。由控制電路輸出的PWM控制信號經驅動模塊EXB840控制IGBT1-6的通斷，實現(xiàn)調壓調頻，從而控制電機的轉速。
2.4 檢測電路
電壓、電流檢測均用霍耳元件，其優(yōu)點是可實現(xiàn)隔離，而且交直流均可以檢測，精度較好，但需要外接電源，價格較高。電機轉速檢測采用光電編碼器，這是一種位置檢測器。
3 系統(tǒng)特點
1）基于DSP的變頻技術在電梯運行過程中，能夠在規(guī)定時間周期內采集數(shù)據(jù)，信息，發(fā)出控制信號，并且能在準確的時間內達到目標要求，以保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的工作。
2）電力傳動效率高，節(jié)省電能，電梯屬于一種位勢負載，在運行時具有動能；因此，在制動時，將其回饋電網具有很大意義。
3）結構緊湊，體積小，重量輕，占地面積大為減
電梯是一種垂直運輸工具，它在運行中不但具有動能，而且具有勢能。它經常處在正反轉，反復起制動過程中。為滿足乘客的舒適感和平層精度，要求電動機在各種負載下都有良好的調速性能和準確停車性能。為滿足這些要求，采用變頻器控制電動機是最合適的。變頻器不但可以提供良好的調速性能，并能節(jié)約大量電能。變頻調速是交流調速的一種重要手段，以其可靠性和很強的抗干擾能力在生產生活中得到了廣泛的應用。同時，DSP是一種高速專用微處理器，運算功能強大，能實現(xiàn)高速率傳輸數(shù)據(jù)，具有實時運算能力，并集成了電動機控制外圍部件，使設計者外加較少的硬件設備，就可以構成最小目標控制系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)費用及產品成本。而且由于該系統(tǒng)的軟硬件均為模塊化的方式，預留接口和軟位資源豐富，因此使用非常靈活，可以在最短時間內完成不同控制策略和不同控制對象的設計過程。因此，用DSP控制的變頻電梯將是一種高速控制，節(jié)約能源，同時又滿足電梯運行要求的新型控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)構成
該系統(tǒng)主要由主回路部分，檢測部分，控制電路三部分組成。主回路主要是把電網電壓經過整流和逆變，送入交流電動機，并通過控制電路控制逆變器開關元件的開斷，實現(xiàn)電動機的調速。控制電路主要完成電力傳動系統(tǒng)的指令形式，電流、速度和位置控制，產生PWM控制信號，故障診斷，檢測和顯示，電梯的控制邏輯管理、通信和群控等任務。
2.1 主回路
主回路又分為兩個部分。（1）整流與再生部分。這部分的功能有兩個。一是將電網三相正弦交流電壓整流成直流，向逆變部分提供直流電源；二是在減速制動時，有效的控制傳動系統(tǒng)的能量回饋給電網。整流器采用晶閘管可逆方式，起到了將負載端產生的再生功率送回電源的作用。（2）逆變器部分。逆變器部分是由IGBT模塊組成，其作為無源逆變器，向交流電動機供電。
2.2 控制電路
控制電路的核心采用DSP芯片中的TMS320C24*系列，它是專門針對電機控制而設計的。本系統(tǒng)中應用TMS320C240芯片。C240含有操作速為 條指令/s的CPU，片內含有16K字程序存儲器（ROM），544字數(shù)據(jù)存儲器，雙十位A/D轉換器，它含有同步串行外設接口（SPI），異步串行通信接口(SCI)，備有四種掉電模式，采用基于仿真頭(JTAG)掃描的仿真技術；它提供的脈寬調制(PWM)及I/O接口可以用于驅動各種類型的電機。它包含了3個起/停定時器和9個比較器，并輔以靈活的波形發(fā)生邏輯，可產生多達12路PWM輸出；它還支持對稱的和非對稱的PWM生成能力以及空間矢量PWM狀態(tài)裝置，以實現(xiàn)功率開關器件的優(yōu)化方案，它能以比較低的功耗延長使用使命，它還包括死區(qū)發(fā)生單元，從而有助于保護功率器件；此外，事件管理器集成了4個接收輸入端，其中2個可用于光電編碼器正脈沖的直接輸入。
DSP所特有的高速計算能力，可以用來增加采樣頻率，并且完成復雜的信號處理和控制算法，控制外圍設備，以實現(xiàn)電機的控制和調速。此外，由于必須使電梯從零速到最高速平滑的變化，變頻器的輸出頻率也應從幾乎是零頻率開始到額定頻率為止平滑的變化。而DSP靈活的PWM發(fā)生，為電機控制帶來了許多便利，可產生高分辨率的PWM波形，可靈活實現(xiàn)PWM控制，這不僅減小電磁干擾和其他噪聲問題，而且能夠靈活的控制變頻器的輸出頻率。
該控制電路的算法采用矢量控制算法，把采集的電壓，電流信號和速度信號同時送入TMS320C240芯片中，在C240中經過比較器和函數(shù)庫進行矢量運算，輸出控制信號。
2.3 驅動電路
應用日本富士電機的EXB系列驅動器EXB840，作為該系統(tǒng)的驅動器，這是專門用來驅動IGBT的驅動模塊。該模塊的特點是內部裝有2500V的高隔離電壓的光耦合器，有過電流保護電路和過電流保護輸出信號端子，另外，可以單電源供電。由控制電路輸出的PWM控制信號經驅動模塊EXB840控制IGBT1-6的通斷，實現(xiàn)調壓調頻，從而控制電機的轉速。
2.4 檢測電路
電壓、電流檢測均用霍耳元件，其優(yōu)點是可實現(xiàn)隔離，而且交直流均可以檢測，精度較好，但需要外接電源，價格較高。電機轉速檢測采用光電編碼器，這是一種位置檢測器。
3 系統(tǒng)特點
1）基于DSP的變頻技術在電梯運行過程中，能夠在規(guī)定時間周期內采集數(shù)據(jù)，信息，發(fā)出控制信號，并且能在準確的時間內達到目標要求，以保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的工作。
2）電力傳動效率高，節(jié)省電能，電梯屬于一種位勢負載，在運行時具有動能；因此，在制動時，將其回饋電網具有很大意義。
3）結構緊湊，體積小，重量輕，占地面積大為減
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