1 電梯變頻門機(jī)概述
電梯是現(xiàn)代生活中不可缺少的工具，而電梯門機(jī)系統(tǒng)又是整梯系統(tǒng)中動作最頻繁的部件，其性能直接影響到整梯的性能。電梯門機(jī)分為直流門機(jī)、交流異步變頻門機(jī)、永磁同步門機(jī)[1]（ 至于這三種門機(jī)的區(qū)別，因篇幅所限，不在本文分析）。在這三種門機(jī)中，交流異步變頻門機(jī)是目前使用量最大的電梯門機(jī)，本文所分析的就是這種門機(jī)。
交流異步變頻門機(jī)通常簡稱為變頻門機(jī)，其構(gòu)成主要分為三部分：變頻門機(jī)控制系統(tǒng)、交流異步變頻電機(jī)、變頻門機(jī)機(jī)械系統(tǒng)[2]，三部分的關(guān)系如圖1所示。
圖1可知，控制系統(tǒng)用于控制變頻電機(jī)運(yùn)行，變頻電機(jī)又拖動機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行。
對于不同廠家的電梯，變頻門機(jī)控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)會有所不同，但結(jié)構(gòu)原理是基本一樣的，圖2 即為變頻門機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理框圖。
在圖2 中，高壓直流驅(qū)動電源為310 v 左右，用作驅(qū)動模塊的逆變工作電源，低壓直流控制電源的電壓等級包括5 v、15 v、24 v 等，不同廠家的系統(tǒng)會有所不同；參數(shù)存儲器一般使用eeprom；電流傳感器一般設(shè)有兩個(gè)，接在兩相電機(jī)線上，第三相電機(jī)線的電流通過程序中的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到；編碼器及其反饋信號接口電路在“編碼器控制方式”下需要，在“速度開關(guān)控制方式”下不需要，關(guān)于控制方式（即運(yùn)動控制方式），將在下文分析。
與變頻門機(jī)控制系統(tǒng)的情況類似，對于不同廠家的電梯，變頻門機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)也會有所不同，但結(jié)構(gòu)原理是基本一樣。變頻門機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)分為兩大部分：轎門側(cè)機(jī)械部分和廳門側(cè)機(jī)械部分，轎門和廳門通過一種稱為“系合裝置”的機(jī)械部件聯(lián)接在一起，電機(jī)拖動轎門運(yùn)動，轎門通過“系合裝置”帶動廳門一起運(yùn)動。廳門側(cè)機(jī)械部分除沒有電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)外，其余跟轎門側(cè)機(jī)械部分相似，為節(jié)省篇幅，本文僅介紹轎門側(cè)機(jī)械部分。變頻門機(jī)轎門側(cè)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。
從圖3可看出，轎門側(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩扇轎門和轎門上坎兩大部分組成，上坎上分布著各種部件，圖中所畫為主要部件。其中滑輪組（兩組）聯(lián)接轎門與上坎，將轎門吊掛在上坎導(dǎo)軌上，滑輪組的皮帶夾板卡住皮帶，使得皮帶可以拖動滑輪組在導(dǎo)軌上運(yùn)動，從而拖動轎門運(yùn)動。上坎上的開門極限開關(guān)和關(guān)門極限開關(guān)，用于檢測轎門是否運(yùn)動到開門極限位置或關(guān)門極限位置。電機(jī)尾部的編碼器和上坎上的速度開關(guān)并不是同時(shí)都需要，這取決于不同的運(yùn)動控制方式。
2 變頻門機(jī)的運(yùn)動控制方式及控制信號構(gòu)成
變頻門機(jī)的運(yùn)動控制方式分為“編碼器控制方式”和“速度開關(guān)控制方式”。在使用“編碼器控制方式”時(shí)，電機(jī)尾部安裝有編碼器，但上坎上不安裝速度開關(guān)。在這種控制方式下，通過編碼器既能檢測轎門位置，又能檢測轎門速度，因此可以使用位置和速度閉環(huán)控制，“編碼器控制方式”下的控制信號構(gòu)成如圖4所示。
圖4 中的開門信號、關(guān)門信號、平層信號由電梯整梯控制系統(tǒng)發(fā)出，其中平層信號是指電梯到達(dá)每一樓層平面位置時(shí)產(chǎn)生的信號；開門極限信號與關(guān)門極限信號是指轎門運(yùn)動到開門極限位置和關(guān)門極限位置時(shí)，由開門極限開關(guān)和關(guān)門極限開關(guān)產(chǎn)生的信號；安全觸板和光電光幕是檢測障礙物的裝置[3] [4]，安裝在轎門的門沿上（圖3 中未畫出），這兩個(gè)裝置只有在關(guān)門過程中才有效，當(dāng)有障礙物時(shí)，會產(chǎn)生安全觸板信號和光電光幕信號，以便整梯控制系統(tǒng)和門機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)；編碼器用來反饋轎門運(yùn)動速度、檢測轎門位置和運(yùn)動方向。“編碼器控制方式”下的速度切換點(diǎn)通過檢測轎門位置來確定。
在使用“速度開關(guān)控制方式”時(shí)，電機(jī)不帶編碼器，而是依據(jù)上坎的速度開關(guān)來檢測速度切換點(diǎn)。在這種控制方式下，沒有位置檢測，也沒有速度檢測，因此只能使用位置和速度開環(huán)控制，“速度開關(guān)控制方式”下的控制信號構(gòu)成如圖5 所示。
圖5跟圖4相比，只是編碼器信號用速度開關(guān)信號替代，其余控制信號二者完全一樣。兩個(gè)速度開關(guān)僅用作變頻門機(jī)運(yùn)動過程中的速度切換點(diǎn)。
3 變頻門機(jī)的運(yùn)動曲線
在“編碼器控制方式”下，變頻門機(jī)關(guān)門過程的理想運(yùn)動曲線（即程序中設(shè)定的運(yùn)動曲線）如圖6 所示。
在圖6 中，橫軸表示關(guān)門行程，縱軸表示運(yùn)動速度；0點(diǎn)為開門極限位置兼第一加速段起始點(diǎn)，a 點(diǎn)為第一加速段終止點(diǎn)、第二加速段起始點(diǎn)；b 點(diǎn)為第二加速段終止點(diǎn)、勻速段起始點(diǎn)；c點(diǎn)為勻速段終止點(diǎn)、第一減速段起始點(diǎn)；d 點(diǎn)為第一減速段終止點(diǎn)、第二減速段起始點(diǎn)；e點(diǎn)為第二減速段終止點(diǎn)兼關(guān)門極限位置。從圖中可看出，減速行程ce 段比加速行程ob段要長，這是門機(jī)運(yùn)動時(shí)的工況和安全特性所要求的；a、b、c、d 四個(gè)速度切換點(diǎn)的位置通過編碼器來檢測。
在“速度開關(guān)控制方式”下，變頻門機(jī)關(guān)門過程的理想運(yùn)動曲線如圖7 所示。
在圖7 中，b 點(diǎn)為加速段終止點(diǎn)、勻速段起始點(diǎn)；c點(diǎn)為勻速段終止點(diǎn)、減速段起始點(diǎn)；b 點(diǎn)與c點(diǎn)的信號由兩個(gè)速度開關(guān)產(chǎn)生；圖中的橫軸、縱軸、o 點(diǎn)、e 點(diǎn)的意義與圖6 相同，不同的是，圖6中的加速段與減速段都有兩段，而圖7 中的加速段與減速段都只有一段，這是因?yàn)樵趫D6 中，有四個(gè)速度切換點(diǎn)，而在圖7中，只有兩個(gè)速度切換點(diǎn)，因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)速度開關(guān)，如果要再增加兩個(gè)速度開關(guān)，不僅要增加產(chǎn)品成本，而且安裝位置也很緊張，尤其是開門寬度比較小的電梯門機(jī)，無法安裝四個(gè)速度開關(guān)。因圖7的這種特性，導(dǎo)致“速度開關(guān)控制方式”下，門機(jī)運(yùn)動過程的平滑性不如“編碼器控制方式”。
以上只分析了關(guān)門運(yùn)動曲線，至于開門運(yùn)動曲線，除運(yùn)動方向與關(guān)門運(yùn)動曲線不同外，其余與關(guān)門運(yùn)動曲線類似。
在圖6 與圖7 中，加速段與減速段的理想曲線都是連續(xù)的，但實(shí)際施加的速度信號是不連續(xù)的，而是通過步頻來實(shí)現(xiàn)的，步頻的概念請見圖8，現(xiàn)以加速過程來說明步頻的概念。圖8 是從加速段理想曲線中選一小段放大，從圖中可以看出，放大后呈階梯狀，在加速過程中，速度的增加是通過間隔時(shí)間駐t來增加頻率駐f（電機(jī)電源頻率）實(shí)現(xiàn)的，駐f稱為步頻。在設(shè)計(jì)理想曲線時(shí)，要先計(jì)算出加速過程需要多少時(shí)間，從而計(jì)算出步頻的具體數(shù)值。步頻的數(shù)值是頻率分辨率的整數(shù)倍，比如對于頻率分辨率為0.1 hz的變頻門機(jī)系統(tǒng)，步頻的數(shù)值可為0.3 hz、0.4 hz 等，具體數(shù)值由設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況確定，步頻的數(shù)值不能太大，否則在加減速時(shí)會出現(xiàn)振動。
4 編碼器控制方式下的運(yùn)動位置與方向檢測
在“編碼器控制方式”下，可以依據(jù)編碼器信號的四倍頻計(jì)數(shù)值來檢測轎門的位置，同時(shí)依據(jù)編碼器的旋轉(zhuǎn)方向來判斷轎門的運(yùn)動方向。圖9為編碼器的四倍頻計(jì)數(shù)及其計(jì)數(shù)方向示意圖。
從圖9 可看出，編碼器輸出的a 路信號和b路信號為相位差90°的周期方波信號，在dsp（或單片機(jī)）芯片內(nèi)部有專門用于編碼器信號計(jì)數(shù)的 90°相移計(jì)數(shù)器，當(dāng)a路信號的上升沿/下降沿超前b路信號的上升沿/ 下降沿時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向?yàn)樵鲇?jì)數(shù)；當(dāng)a路信號的上升沿/下降沿滯后b路信號的上升沿/ 下降沿時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向?yàn)闇p計(jì)數(shù)。若設(shè)定增計(jì)數(shù)時(shí)電機(jī)的運(yùn)動方向?yàn)檎较?，則減計(jì)數(shù)時(shí)電機(jī)的運(yùn)動方向就為反方向。
dsp（或單片機(jī)）芯片內(nèi)部的編碼器信號接口利用兩路周期信號的四個(gè)邊沿加工成四倍頻的計(jì)數(shù)信號，四倍頻的計(jì)數(shù)信號有利于提高電動機(jī)角位移的分辨率，也即可以提高轎門運(yùn)動位置和運(yùn)動速度的分辨率，門機(jī)控制系統(tǒng)就是通過這個(gè)四倍頻計(jì)數(shù)值來檢測轎門運(yùn)動位置和運(yùn)動速度的。
例如，轎門從開門極限位置到關(guān)門極限位置的距離是500 mm，電機(jī)要旋轉(zhuǎn)10 轉(zhuǎn)，也即編碼器要旋轉(zhuǎn)10 轉(zhuǎn)，假定編碼器的分辨率為 512 個(gè)方波/轉(zhuǎn)，則編碼器旋轉(zhuǎn)10 轉(zhuǎn)后，四倍頻計(jì)數(shù)值為512×4×10＝20 480，每個(gè)計(jì)數(shù)值所代表的距離為500 mm /20 480＝0.024 4 mm?，F(xiàn)設(shè)定開門極限位置時(shí)的四倍頻計(jì)數(shù)值為0，則當(dāng)四倍頻計(jì)數(shù)值為5 000 時(shí)，表明轎門向關(guān)門極限位置運(yùn)動的距離為5 000×0.0244＝122 mm。
5 結(jié)語
在電梯變頻門機(jī)的兩種運(yùn)動控制方式中，“速度開關(guān)控制方式”不僅程序算法簡單，而且節(jié)省了價(jià)格相對較高的編碼器，但因其不能檢測轎門的運(yùn)動方向、位置和速度，所以只能使用位置和速度開環(huán)控制，這將導(dǎo)致控制精度相對要差，而且在這種控制方式下，門機(jī)運(yùn)動過程的平滑性不太好，因此目前很少使用，基本上使用“編碼器控制方式”。