基于单片机对电梯门机控制系统的设计

电梯门机控制系统设计与分析1.1 电梯门机控制系统运行曲线的设计门机运行曲线的示意形状如图4-1所示。

门机运行曲线按速度分区为:关门力矩保持区A0，开门低速区A1，开门加速区A2，开门高速区A3，开门减速区A4开门末段低速区A5，开门力矩保持区A6，关门低速及加速区A7，关门高速区A8，关门减速区A9，关门末段低速区A10，并且要求高速时速度过渡为光滑的S形曲线，其中高速过渡点为I2，I3，I6和I7。

图1-1 电梯门机理想运行曲线图1.1.1 门机运行曲线的分段实现门机正转与反转运行曲线的设计原理是一样的，以下就以电机正转开门的运行曲线设计的实现为例进行讨论。

为了论述方便，现以开门减速段的实现方法说明曲线计算过程。

设计开门运行曲线时，门机控制系统的速度变化采用如图4-2所示的速度与时间关系。

图1-2 门机系统加减速特性由上述的时间速度控制可讨论系统运行的位移速度曲线。

“S —门位移；t —时间；V —电机的速度；T —速度变化的时间间隔； d V —在T 内的速度变化。

在速度下降的过程中，速度从0V 开始下降，则在t 时刻，0()d V t V V t =-⋅，又()dsV t dt=，则有 010112000220101011(t)()21()()()2d d V V V V t V V d d dS V dt V V t dt V t V t V V V V V V V --==-=-=-=+-⎰⎰（4-1）在一个速度变化时间T 内，01d V V V -=，则010d ()2(2)2T S V V V V =+=- （4-2）由此可知在一个T 内，其中T 由门机的一个程序运行循环时间所确定门位移的距离与0(2)d V V -成正比，当0V 大时则门位移也大，当0V 小时则门位移也小;在0V 相同的情况下，如果要改变速度下降的快慢，则可改变d V 的大小;同时由以上的推导可知，系统运行位移S 与电机速度V 是成二次曲线关系，则运行曲线在高速前后的加减速变化是相当平滑的，而且加减速的过程相当迅速。

图4-3 开门运行位移速度曲线由运行的对称性可知在加速段过程，其位移速度特性与减速段过程相类似，可得开门运行曲线的特性曲线，实际设计的门机控制系统开门运行曲线如图4.3所示，门机系统的关门运行曲线与开门曲线基本成中心对称关系1.1.2 S曲线加减速过程很好地实现电机加减速过程的S曲线，可使门机系统具有良好的运行特性，使电梯门开关平稳，减小电机所受的负载冲击，提高系统的可靠性，延长系统的使用寿命。

本设计将电机的加减速过程分为三段，以加速过程为例，第一段采用匀加加速方式，第二段采用匀加速方式，第三段采用匀减加速方式，其工作曲线如图4-4所示。

同理对于减速过程也可以分为三个阶段，其加速与减速曲线如图4.5所示。

图4-4 加速过程S曲线图4-5 加速曲线与减速曲线下面，以加速过程为例介绍S 曲线的获得。

1.1.3 连续时间下的分段速度表达式系统中假设匀加加速段(第一段)和匀减加速段(第三段)时间相等，且加加速度值和减加速度值相等。

于是有132t t t =- （4-3）现分段计算：（1）初试状态0t =时，有()0a(0)0(0)0da t v dt===，， （4-4） （2）匀加加速段，即10t t <≤时，加速度的变化率为一常数，用()da t dt 来表示加速度的变化率，则有()b da t dt b =，为一大于零的常数 （4-5）其中b 是加加速度值，也是减加速度的绝对值，积分可得00()()(0)0=b tt da t a t a dt bdt t dt =+=+⎰⎰ （4-6） 2001()(0)()0=b 2t t v t v a t dt bdt t =+=+⎰⎰ （4-7）当1t t =时，将1t t =代人式（4-6）和（4-7）得11()a t bt = （4-8）2111()2v t bt = （4-9）（3）匀加速段，即12t t t <≤11()()a t a t bt == （4-10）1122211111111()()()22tt t t v t v t a t dt bt bt dt bt bt t bt =+=+=+-⎰⎰21112bt t bt =- （4-11）当2t t =时，分别代人（4-10）和（4-11）可得21()a t bt = （4-12）221211()2v t bt t bt =- （4-13）（4）匀减加速()da t dt b =- （4-14）22211123()()()()tt t t da t a t a t dt bt b dt dtbt bt bt bt bt=+=+-=++=-⎰⎰ （4-15） 2223212131()()()()2t t t t v t v t a t dt bt t bt bt bt dt =+=-+-⎰⎰2212132232111222bt t bt bt t bt bt t bt =-+--+222213132111()222bt t t bt bt t bt bt =--+-+222312111222bt t bt bt bt =--- （4-16）当3t t =时，分别代人（4-15）和（4-16）3()0a t = （4-17）2223312111()222v t bt bt bt =-- （4-18）以上得出了匀加加速段调速过程的加速度式和速度式。

1.1.4 连续S 曲线的离散化若将S 曲线加速/减速过程按时间平均分为20段，即320t =，包括起点在内，共有21点。

为了使电机加速/减速具有良好的特性，可将匀加加速段和匀减加速段适当取长一些，系统中18t =,212t =，即匀加加速段和匀减加速段分别占8个时间段，而匀加速段占4个时间段。

加速度变化率的绝对值b 是一系数，为方便分析，取1b =。

以上参数定好后，带入前面所得各式，可求出各时间点的速度值，以5t =点为例，该点位于第一段，按第一段所得表达式计算。

22111(5)1512.522v bt ==⨯⨯= （4-19）为方便数字量的存储，将计算出的速度乘以2，使之为整数。

各速度点的对应值如表4-1所示。

表1-1 各速度点对应的样点值t da/dt a v 2v0 1 2 3 4 5 6 7 8 91011121314151617181920 0111111111111111112345678888876543210.524.5812.51824.5324048566471.57883.58891.59495.596149162536496480961121281431561671761831881911921.1.5 S曲线的实现系统中将20个2v值保存在一个一维数组中(不存零点)，在主程序中系统初始化时将此数组设定为字符型全局变量，同时进行赋值。

因为最大值为192小于256，可保存在一个字节中，所以将其设置为字符型，可节省数据存储器空间。

实际运行中，需要加速/减速时，程序先根据加速/减速前后速度之差，以及第一加减速时间(正常运行情况)或第二加减速时间(堵转开门情况)，计算出整个加速/减速所需时间，再计算出每一步所需时间。

将此时间换算成TimerA的定时值，由TimerA定时中断确定。

对于具体的每一步，程序根据加速/减速前后速度之差，与当前步的2v/192相乘，得到当前所需转速与初始转速的偏移量，在与初始转速相加(加速情况)减(减速情况)，得到当前所需转速，输出相应宽度的PWM波，达到控制目的。

1.2 数字PID 控制器的算法与参数选择PID 控制算法是由比例，积分和微分三种算法组成。

所以只要分别求出比例，积分和微分三种算法，然后将它们综合起来，就得到PID 算法。

下式即为增量式的PID 控制器的算法:231211---++=-=∆n n n n n n e K e K e K m m m （4-20）其中1dP K K K T=+（4-21） 212d P KK K T K T=-- （4-22）3d KK T= （4-23）离散PID 控制算法的控制参数主要是d I P K K K ,,和采样周期T 。

PID 控制器的质量主要决定于参数的选择是否合理。

下面介绍上述参数选择的一些经验。

（1）采样周期T 的选择采样周期应比控制对象的最小一个时间常数还要小，否则采样信号无法反映系统的真实的过度过程。

采样的频率至少为有效信号频率的两倍，实际上选用4到6倍。

采样频率的选择还应注意系统主要干扰的频谱，特别是工业电网的干扰，一般希望它们有整数倍的关系，这对抑制干扰大为有益。

（2）d I P K K K ,,的选择比例常数加大时，表示系统的放大倍数增加，系统的稳态误差将减小，提高了控制精度.通常比例系数是根据系统稳态误差的要求来选择，此外，当其增大时系统反应灵敏，但过大的P K 将使系统趋于不稳定。

积分控制能消除惯性系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度，但积分控制通常使系统的稳定性变差，需要合理的进行积分系数I K 的选择。

微分控制作用能反应误差变化率，产生越前的校正作用。

合理地选择d K 可以改善系统的动态性能。

1.3 计算控制电路由系统组成框图可见，计算控制电路是整个电梯门机控制系统的核心，它的正常工作是整个系统稳定的前提。

由于电机控制的复杂性和即时性，要求控制电路具有强大的计算能力和快速的处理能力。

在本系统中，采用了ATMEL 公司的AT89C51单片机作为控制电路的处理单元，外加各种信号调整电路和参数掉电保持电路组成整个计算控制电路。

1.3.1 参数掉电保持电路由于系统要求在掉电或停机后，下一次再开始运行时，应按照上一次的运行状态运作。

因此，系统采用了参数掉电保持电路。

此设计利用TL7705构成的电源监控电路，使单片机系统在掉电时自动保护现场数据。

（1）TL7705的工作原理TL7705是电源监控用集成电路，采用8脚双列直插式封装，其内部结构图4-6所示。

图4-6中，基准电压发生器具有较高的稳定性，可由1脚输出2.5V基准电压，为了吸收电源的同脉冲干扰，通常在1脚上接一个0.1μF的滤波电容来提高其抗干扰能力，被监控的电源电压由SENSE端7脚引入，经过R1和R2分压后送入比较器CMP1，与基准电压进行比较，当其值小于基准电压时，T1导通，定时电容CT通过T1放电，使CMP2比较器翻转，T2和T3导通，输出脚RESET为高电平，SESET反为低电平，当送入CMP1比较器的电压高于基准电压时，T1截止100μA恒流源给CT充电，当CT上的电压高于2.5V时，CMP2比较器翻转，T2和T3截止，RESET和RESET反输出关断。