CN102001558B - 一种集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，包括电梯逻辑控制模块，用于电梯集选控制、参数调试与存储、电梯故障处理、***自检与处理；电梯电机运动控制模块，用于电梯电机速度检测、电机电角检测、电梯运行曲线的生成、电梯速度的控制、加速度的控制和力矩的控制；采用双PWM控制技术的能量回馈模块，并在三相电源输入端与第一IPM模块之间设有被控电抗，对电梯输入电流和驱动电机电流、转速进行精确计算，达到精确控制电梯速度、加速度以及能量回馈于电网的目的。采用本发明可实现一部节能的电梯控制***。

Description

一种集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***

技术领域

本发明涉及一种电梯***，尤其涉及的是一种集电梯控制、驱动和能量回馈于一体的控制***。 

背景技术

随着现代化生产规模不断扩大和人们生活水平的不断提高，电能供需矛盾日益突出，节电呼声日益高涨，同时，国内外电梯厂商也开始关注电梯的节能问题。如将电梯驱动主机改为永磁同步电机等，也有极少部分的电梯加装了能量回馈装置，但由于加装的能量回馈装置控制算法不先进，产品质量不稳定，回馈的电能对电网及其他用电设备产生较大干扰。 

现在大部分电梯厂家使用的节能方式为选用永磁同步无齿轮主机，因采用的永磁材料产生电机中磁场（异步电机中磁场由电能产生），可节省部分电能，但当电梯空载向上，重载向下，减速停梯时，电梯拖动电机处于发电状态，将有大量的机械能（势能和动能）通过电梯的拖动电机（曳引机）转换为电能（此能量可达电梯电机容量的50%），传统的变频调速电梯不仅不能回收利用此部分能量，相反将增加***的负担。因为此部分能量是以泵升电压的形式聚集于变频***的滤波电容器中（聚集的能量越高，电容电压越高）。当电容电压升高到接近于电容的耐压值时，必须立即释放，否则将会使电容***，为此传统的变频调速电梯***必须设计出一套能耗装置来消耗此部分宝贵电能，此能耗装置是以简单发热的形式消耗电能的，所以当此装置工作时，将产生大量的热能，使电梯的机房温度大幅度提高，严重影响电梯控制***的可靠性，稳定性，为此传统的变频调速电梯*** 机房还需要加装大容量的空调机来对付能耗产生的大量热量，使电梯使用者的电费进一步攀升。 

因此，现有技术还有待于改进和发展。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种集电梯控制、驱动和能量回馈于一体的控制***，旨在解决现有的电梯节能降耗的问题。 

本发明的技术方案如下： 

一种集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其包括： 

电梯逻辑控制模块，用于电梯集选控制、参数调试与存储、电梯故障处理、***自检与处理； 

电梯电机运动控制模块，用于电梯电机速度检测、电机电角检测、电梯运行曲线的生成、电梯速度的控制、加速度的控制和力矩的控制； 

通讯模块，用于主板同呼梯工作站、轿顶工作站、操作器、群控板、远程监控板之间的通讯，以及电梯逻辑控制模块与电梯电机运动控制模块之间的高速通讯； 

能量回馈模块，其包括PWM逆变器控制模块，用于电梯电机的电流检测、电梯负载检测、矢量控制、电梯电机力矩控制；PWM整流器控制模块，用于电梯输入电源电流检测、输入电源相角检测、输入电压检测、矢量控制、输入电源电流控制、功率因数控制； 

其中，所述电梯逻辑控制模块与电梯电机运动控制模块通过通讯模块连接，所述电梯电机运动控制模块连接能量回馈模块。 

所述集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，包括驱动电机、滤波电容器，被控电抗、第一IPM模块和第二IPM模块，其中，所述驱动电机分别连接能量回馈模块的PWM逆变控制模块和第二IPM模块；所述第二IPM模块连接滤波电容器；所述被控电抗、第一IPM模块和滤波电容 

所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其中，所述PWM整流回馈控制模块包括第一比较模块、第一PI运算模块、第二比较模块、第一CLARK变换模块、第一PARK变换模块、第三比较模块、第二PI运算模块、第三PI运算模块、第一解耦模块、第一PARK逆变换模块、第一空间矢量脉宽调制运算模块、第一驱动电路、PLL电路和第一积分模块，其中，所述第一比较模块一端连接PWM整流IPM模块的电压输出端，另一端连接第一PI运算模块；所述第一PI运算模块连接第二比较模块；所述第一CLARK变换模块连接三相输电线的R相和S相；所述第一CLARK变换模块连接第一PARK变换模块，所述第一PARK变换模块分别连接第二比较模块和第三比较模块；所述第二比较模块连接第二PI运算模块，所述第三比较模块连接第三PI运算模块；所述第二PI运算模块和第三PI运算模块连接第一解耦模块，所述第一解耦模块、第一PARK逆变换模块、第一空间矢量脉宽调制运算模块和第一驱动电路依次连接；所述相序检测及锁相环电路一端连接三相输电线、另一端连接第一积分模块，所述第一积分模块连接第一PARK变换模块和第一PARK逆变换模块。 

所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其中，PWM逆变控制模块包括：第四比较模块、第四PI运算模块、第五比较模块、第二CLARK变换模块、第二PARK变换模块、第六比较模块、第五PI运算模块、第六PI运算模块、第二解耦模块、第二PARK逆变换模块、第二空间矢量脉宽调制运算模块、第二驱动电路和第二积分模块，其中，所述第四比较模块一端连接驱动电机，另一端连接第四PI运算模块；所述第四PI运算模块连接第五比较模块；所述第二CLARK变换模块连接驱动电机的U相和V相；所述第二CLARK变换模块连接第二PARK变换模块，所述第 二PARK变换模块分别连接第五比较模块和第六比较模块；所述第五比较模块连接第五PI运算模块，所述第六比较模块连接第六PI运算模块；所述第五PI运算模块和第六PI运算模块连接第二解耦模块，所第二解耦模块、第二PARK逆变换模块、第二空间矢量脉宽调制运算模块和第二驱动电路依次连接；所述第二积分模块一端连接驱动电机，另一端连接第二PARK变换模块和第二PARK逆变换模块。 

所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其中，所述驱动电机为永磁同步电机。 

所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其特征在于，所述***采用32位的ARM作为***逻辑控制部分的处理器，采用32位的DSP作为***驱动及能量回馈部分的处理器；采用具有250000门门电路的FPGA作为***主板的逻辑电路。 

本发明的有益效果：本发明通过能量回馈装置将再生能量完美地回馈给电网，节能效果相当明显，同时能量回馈控制***的输出电流功率因数近似于1，将电梯***对电网的干扰降到最小。同时采用双PWM控制结构，集电梯控制、驱动与能量回馈于一体，***硬件采用32位ARM CPU和32位DSP CPU以及FPGA结构，实现一部节能高达50％的电梯控制***。 

附图说明

图1是本发明的实施例提供的能量回馈控制***的框图； 

图2是本发明的实施例提供的能量回馈控制***驱动结构图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。 

本发明采用双PWM控制技术，在三相电源输入端与第一IPM模块之 间设有被控电抗，对电梯输入电流和驱动电机电流、转速进行精确计算，达到精确控制电梯速度、加速度以及能量回馈于电网的目的。 

如图1所示，本发明包括驱动电机1、能量回馈模块2、第一IPM模块3、第二IPM模块6、被控电抗5和滤波电容器4。所述驱动电机1分别连接能量回馈模块2和第二IPM模块6，所述第二IPM模块6、滤波电容器4、第一IPM模块3和被控电抗5依次连接，所述能量回馈模块2分别连接被控电抗5、第二IPM模块6和第一IPM模块3。 

本发明采用双PWM控制技术实现能量回馈，能量回馈模块主要包括两部分：PWM整流回馈控制模块和PWM逆变控制模块。双PWM控制技术的工作原理为：当电机1处于拖动状态时，能量由交流电经整流器向滤波电容4充电，能量通过第二IPM模块6传送到驱动电机1；当驱动电机1处于减速运行、轻载向上、重载向下状态时，由于负载惯性作用驱动电机1进入发电状态，对滤波电容4进行充电使其电压升高，此时第一IPM模块3中的开关元件在PWM控制下将能量回馈到交流电网，完成能量的双向流动。 

参见图1和图2，PWM整流控制的控制对象为被控电抗5，其包括所述PWM整流回馈控制模块包括第一比较模块、第一PI运算模块、第二比较模块、第一CLARK变换模块、第一PARK变换模块、第三比较模块、第二PI运算模块、第三PI运算模块、第一解耦模块、第一PARK逆变换模块、第一空间矢量脉宽调制运算模块、第一驱动电路、PLL电路和第一积分模块，其中，所述第一比较模块一端连接PWM整流IPM模块的电压输出端，另一端连接第一PI运算模块；所述第一PI运算模块连接第二比较模块；所述第一CLARK变换模块连接三相输电线的R相和S相；所述第一CLARK变换模块连接第一PARK变换模块，所述第一PARK变换模块分别连接第二比较模块和第三比较模块；所述第二比较模块连接第二PI运算模块，所述第三比较模块连接第三PI运算模块；所述第二PI运算模块和第三 PI运算模块连接第一解耦模块，所述第一解耦模块、第一PARK逆变换模块、第一空间矢量脉宽调制运算模块和第一驱动电路依次连接；所述相序检测及锁相环电路一端连接三相输电线、另一端连接第一积分模块，所述第一积分模块连接第一PARK变换模块和第一PARK逆变换模块。 

通过矢量变换，PI调节和双闭环控制实现PWM整流回馈控制，所述双闭环控制分为内环即电流环和外环即电压环(即***的直流母线电压)控制。通过双闭环保证当电梯运行时，***的直流母线电压不变，保持为630V。PWM整流的工作过程为：①.外环(电压环)：***把检测到的母线电压Vd和设置的直线母线电压Vd*(630V)通过第一比较模块比较，将其误差送入第一PI模块通过PI运算后，得到q轴电流指令iq1*。②.内环(电流环)：***把检测到的R相、S相电流通过第一CLARK变换、第一PARK变换后，产生检测的q轴、d轴电流iq1、id1。③.将iq1*和iq1通过第二比较模块进行比较，将id1*(设id1*＝0)和id1通过第三比较模块进行比较，然后分别将比较后的误差信号通过第二PI模块和第三PI模块进行PI运算，经过PI运算后的结果送入第一解耦模块进行解耦后，得到q轴、d轴电压uq1，ud1。④.将uq1，ud1通过第一PARK逆变换模块和第一SVPWM(SpaceVector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)运算模块后，产生PWM脉冲信号，将PWM脉冲信号经过第一驱动电路隔离放大后驱动第一IPM模块，从而实现整流和能量回馈。第一PARK变换和第一PARK逆变换中的电角度(θ1)是由相序检测及PLL电路的输出通过第一积分模块(1/S为积分环节)进行积分得到。 

参阅图1和图2，PWM逆变控制的控制对象为驱动电机(1)，其包括：第四比较模块、第四PI运算模块、第五比较模块、第二CLARK变换模块、第二PARK变换模块、第六比较模块、第五PI运算模块、第六PI运算模块、第二解耦模块、第二PARK逆变换模块、第二空间矢量脉宽调制运算模块、第二驱动电路和第二积分模块，其中，所述第四比较模块一端连接驱动电 机，另一端连接第四PI运算模块；所述第四PI运算模块连接第五比较模块；所述第二CLARK变换模块连接驱动电机的U相和V相；所述第二CLARK变换模块连接第二PARK变换模块，所述第二PARK变换模块分别连接第五比较模块和第六比较模块；所述第五比较模块连接第五PI运算模块，所述第六比较模块连接第六PI运算模块；所述第五PI运算模块和第六PI运算模块连接第二解耦模块，所述第二解耦模块、第二PARK逆变换模块、第二空间矢量脉宽调制运算模块和第二驱动电路依次连接；所述第二积分模块一端连接驱动电机，另一端连接第二PARK变换模块和第二PARK逆变换模块。 

逆变控制中通过矢量变换，PI调节和双闭环控制，该双闭环为：内环即电流环，外环即速度环，保证电梯严格按照设置的曲线运行。PWM逆变的工作过程为：①.外环(即速度环)：***把检测到的驱动电机的转速W和第四比较模块中设置的转速W*比较，将其误差送入第四PI运算模块通过PI运算后，产生q轴电流指令iq1*。②.内环(即电流环)：***把检测到的驱动电机输出的U相、V相电流通过第二CLARK变换模块和第二PARK变换模块处理后，产生检测的q轴、d轴电流iq1、id1。③.iq1*和iq1经过第五比较模块进行比较，id1*(设id1*＝0)和id1经过第六比较模块进行比较，分别将比较后的误差信号送入第五PI运算模块和第六PI运算模块进行PI运算，然后将其结果送入第二解耦模块进行解耦后，得到q轴、d轴电压uq1，ud1。④.将uq1，ud1通过第二PARK逆变换模块和第二SVPWM运算模块处理后，产生PWM脉冲信号，将所述PWM脉冲经过第二驱动电路隔离放大后驱动第二IPM模块，从而实现逆变和能量回馈。第二PARK变换处理和第二PARK逆变换处理中的电角度(θ1)是由第二积分模块(1/S为积分环节)得到。 

本发明的电梯控制、驱动与能量回馈一体化控制***包括： 

电梯逻辑控制模块，用于电梯集选控制、参数调试与存储、电梯故障 处理、***自检与处理。 

电梯电机运动控制模块，用于电梯电机速度检测、电机电角检测、电梯运行曲线的生成、电梯速度的控制、加速度的控制和力矩的控制。 

通讯模块，其用于主板同呼梯工作站、轿顶工作站、操作器、群控板、远程监控板之间的通讯，以及电梯逻辑控制模块与电梯电机运动控制模块之间的高速通讯。 

能量回馈模块，其包括PWM逆变器控制模块，用于电梯电机的电流检测、电梯负载检测、矢量控制、电梯电机力矩控制；PWM整流器控制模块，用于电梯输入电源电流检测、输入电源相角检测、输入电压检测、矢量控制、输入电源电流控制、功率因数控制。同步电机初始电角的检测与评估模块。 

其中，所述电梯逻辑控制模块与电梯电机运动控制模块通过通讯模块连接，所述电梯电机运动控制模块连接能量回馈模块。 

本发明的驱动电机为永磁同步电机，制动方式为能量回馈，具体的硬件结构包括：采用32位ARM处理器作为***逻辑控制部分的CPU；采用32位DSP处理器作为***驱动及能量回馈部分的CPU；采用250，000门门电路的FPGA作为***主板的逻辑电路；连接两CPU之间的高速通讯电路；***主板输入/输出电路；采用PSD4235作为***参数存储器；对***参数进行调试的手持式操作器；采用三菱IPM模块作为***的驱动元件；采用TI公司DC/DC电源模块作为***的直流电源控制器；采用韩国三和电容器作为***主电路中的滤波电容器；采用日本和泉继电器作为***输出继电器；采用日本富士接触器作为***输出接触器。 

当***运行时，可通过相关检测电路对永磁同步电机速度、电流、电压、电梯负载、电机及IPM模块温度、电梯停电和电梯充电及电池低电压等指标进行检测以保证***运行稳定安全。其中32位的ARM处理器负责***逻辑控制，包括集选电梯逻辑控制模块，电梯故障处理与记录模块， 输入/输出设计与操作器显示模块，***时间调整及定时器设置模块，密码输入与设置模块，电梯功能设计模块，电梯层站显示设置模块，电梯各基站设置模块，电梯层楼间距设置与检测模块，电梯时序设置模块，电梯各种距离设置模块，电梯不开门、不停层站设置模块，电梯电机参数设置模块，电梯能量回馈参数设置模块，电梯速度设置模块，通讯模块，电梯并联控制模块和电梯运行曲线产生模块。而32位的DSP处理器则负责***驱动及能量回馈，包括电梯电机运行速度检测模块，电梯电机电角检测模块，电机电流检测模块，输入电源电流检测模块，输入电源相位检测模块，输入电源电压检测模块，数字PID模块，数字滤波模块，矢量控制模块，PWM逆变器控制模块，PWM整流器控制模块，SVPWM模块，***驱动及能量回馈部分故障检测及处理模块，电梯输入电源相序检测模块和通讯模块。 

因电梯的层楼间距均不相同，本***开发了电梯的运行曲线生成软件，可以根据层楼间距自动产生不同的运行曲线，使电梯按生成的曲线运行，在保证电梯启动、停止舒适感的前提下进一步提高电梯的运行效率。 

本发明在满足国标GB7588-2003的前提下，主要的技术指标为：①输入电压为单相AC220V、三相AC380V/220V，50Hz；②电梯层站数为48；③电梯速度为3.0m/s；④电梯载重为1600Kg；⑤制动方式为能量回馈；⑥EMC符合EN12015，EN12016。 

双PWM控制结构中的ia*、ib*、ic*是与电网电压ea、eb、ec具有同频同相位的电流信号，经PWM整流控制器与实际电流ia、、ib、ic比较生成6路PWM开关信号控制整流器中开关元件导通和关断，使实际电流跟随ia*、ib*、ic*，网侧功率因数约等于1，消除网侧谐波污染，能量双向流动，实现了电机的四象限运行，调速范围大、动态响应时间短(使电梯很快达到速度要求)等特点。 

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术 人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 

Claims (8)

1.一种集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其特征在于，包括：

电梯逻辑控制模块，用于电梯集选控制、参数调试与存储、电梯故障处理、***自检与处理；

电梯电机运动控制模块，用于电梯电机速度检测、电机电角检测、电梯运行曲线的生成、电梯速度的控制、加速度的控制和力矩的控制；

通讯模块，用于主板同呼梯工作站、轿顶工作站、操作器、群控板、远程监控板之间的通讯，以及电梯逻辑控制模块与电梯电机运动控制模块之间的高速通讯；

能量回馈模块，其包括PWM逆变器控制模块，用于电梯电机的电流检测、电梯负载检测、矢量控制、电梯电机力矩控制；PWM整流器控制模块，用于电梯输入电源电流检测、输入电源相角检测、输入电压检测、矢量控制、输入电源电流控制、功率因数控制；

其中，所述电梯逻辑控制模块与电梯电机运动控制模块通过通讯模块连接，所述电梯电机运动控制模块连接能量回馈模块。

2.根据权利要求1所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其特征在于，还包括驱动电机和滤波电容器，被控电抗、第一IPM模块和第二IPM模块，所述驱动电机分别连接能量回馈模块的PWM逆变控制模块和第二IPM模块；所述第二IPM模块连接滤波电容器；所述被控电抗、第一IPM模块和滤波电容器依次连接；所述能量回馈模块的PWM逆变控制模块连接第二IPM模块；所述能量回馈模块的PWM整流回馈控制模块连接被控电抗的输入端和第一IPM模块。

3.根据权利要求2所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制 ***，其特征在于，所述PWM整流回馈控制模块包括第一比较模块、第一PI运算模块、第二比较模块、第一CLARK变换模块、第一PARK变换模块、第三比较模块、第二PI运算模块、第三PI运算模块、第一解耦模块、第一PARK逆变换模块、第一空间矢量脉宽调制运算模块、第一驱动电路、PLL电路和第一积分模块，其中，所述第一比较模块一端连接PWM整流IPM模块的电压输出端，另一端连接第一PI运算模块；所述第一PI运算模块连接第二比较模块；所述第一CLARK变换模块连接三相输电线的R相和S相；所述第一CLARK变换模块连接第一PARK变换模块，所述第一PARK变换模块分别连接第二比较模块和第三比较模块；所述第二比较模块连接第二PI运算模块，所述第三比较模块连接第三PI运算模块；所述第二PI运算模块和第三PI运算模块连接第一解耦模块，所述第一解耦模块、第一PARK逆变换模块、第一空间矢量脉宽调制运算模块和第一驱动电路依次连接；所述PLL电路一端连接三相输电线、另一端连接第一积分模块，所述第一积分模块连接第一PARK变换模块和第一PARK逆变换模块。

4.根据权利要求2所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其特征在于，PWM逆变控制模块包括：第四比较模块、第四PI运算模块、第五比较模块、第二CLARK变换模块、第二PARK变换模块、第六比较模块、第五PI运算模块、第六PI运算模块、第二解耦模块、第二PARK逆变换模块、第二空间矢量脉宽调制运算模块、第二驱动电路和第二积分模块，其中，所述第四比较模块一端连接驱动电机，另一端连接第四PI运算模块；所述第四PI运算模块连接第五比较模块；所述第二CLARK变换模块连接驱动电机的U相和V相；所述第二CLARK变换模块连接第二PARK变换模块，所述第二PARK变换模块分别连接第五比较模块和第六比较模块；所述第五比较模块连接第五PI运算模块，所述第六比较模块连接第六PI运算模块；所述第五PI运算模块和第六PI运算模块连接第二 解耦模块，所第二解耦模块、第二PARK逆变换模块、第二空间矢量脉宽调制运算模块和第二驱动电路依次连接；所述第二积分模块一端连接驱动电机，另一端连接第二PARK变换模块和第二PARK逆变换模块。 

5.根据权利要求2所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其特征在于，所述驱动电机为永磁同步电机。 

6.根据权利要求1所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其特征在于，所述电梯逻辑控制模块的核心处理器为32位ARM处理器。 

7.根据权利要求1所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其特征在于，所述电梯电机运动控制模块的核心处理器为32位DSP处理器。 

8.根据权利要求1所述的集电梯控制、驱动与能量回馈于一体的控制***，其特征在于，所述***还包括一对***参数进行调试的手持式操作器。 

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