基于絕對(duì)剩余距離原則的ＶＶＶＦ電梯速度控制策略

一、引言

電梯運(yùn)行速度對(duì)乘客舒適感和轎廂的平層精度起著重要的決定作用。近年來隨著VVVF調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，VVVF電梯的速度控制已在很大程度上消除了電梯平層時(shí)的爬行停靠，大大提高了電梯的舒適性和快速性。目前國(guó)內(nèi)VVVF電梯的速度控制大部份是采用以時(shí)間方式或者基于增量式編碼器的相對(duì)距離方式來控制速度運(yùn)行的，這兩種方式仍存在著一定程度的爬行停靠現(xiàn)象。為徹底解決爬行停靠問題，進(jìn)一步提高舒適感和快速性，本文提出了基于絕對(duì)剩余距離原則的速度控制策略。

二、理想速度運(yùn)行曲線

電梯的速度給定曲線是電梯拖動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié) ， 它直接影響電梯的舒適感和平層準(zhǔn)確度。如果在起動(dòng)和減速時(shí) ， 速度曲線的加減速圓弧處不圓滑 ， 乘客在電梯加減速時(shí)會(huì)感到很不舒服 ， 人們對(duì)于速度變化的敏感度主要取決于加速度的變化率。其次 ， 如果速度曲線本身不光滑 ， 則電梯運(yùn)行時(shí) ， 勢(shì)必產(chǎn)生抖動(dòng) ， 從而影響乘客的舒適感和電梯的平層度。另外 ， 速度曲線還影響電梯運(yùn)行的安全性和運(yùn)行效率。如果速度曲線差 ， 可能導(dǎo)致電梯的超速運(yùn)行和越層運(yùn)行 ， 舒適感好就意味著要平滑地加速和減速 ， 通常理想速度曲線采用拋物線——直線綜合速度曲線，即起動(dòng)加速和減速制動(dòng)段速度曲線為拋物線型 ， 穩(wěn)速運(yùn)行階段為直線型。

由電梯舒適感受的物理含義可知，曳引電機(jī)要平穩(wěn)、無振動(dòng)、啟動(dòng)或制動(dòng)無沖擊力的運(yùn)行，轎廂必須滿足勻加速、勻速或勻減速運(yùn)行對(duì)加速度函數(shù)積分得出其相對(duì)應(yīng)的速度函數(shù)，如果定義上行時(shí)的速度為正，考慮到各段的初始速度，則得出各段速度隨時(shí)間變化的函數(shù)式 (1)~ 式(4)，下行時(shí)在式(1) ~ 式(4)前加一負(fù)號(hào)

由式(1) ~ 式(4)繪出上行時(shí)速度曲線，如圖 1所示 (虛線部分為上行制動(dòng)時(shí)的速度曲線， 曲線 1是長(zhǎng)站運(yùn)行速度曲線，曲線 2 是短站運(yùn)行速度曲線，下行曲線是和上行曲線以 t 軸對(duì)稱)。由式(1) ~ 式(4)及圖 1 中曲線 1 和曲線 2 可以看出，電梯加速和減速階段的速度曲線為拋物線，勻速運(yùn)行的速度曲線為直線。這一速度運(yùn)行曲線完全符合電梯理想的運(yùn)行模式。

三、傳統(tǒng)電梯速度運(yùn)行方式

1.以時(shí)間為原則的電梯速度運(yùn)行方式

以時(shí)間為原則的運(yùn)行方式依據(jù)理想給定曲線利用多段速指令對(duì)變頻器控制。以時(shí)間為原則的運(yùn)行方式并不能算是一個(gè)閉環(huán)控制，它根據(jù)電梯的特點(diǎn)控制的輸入來確定電梯的運(yùn)行階段，并在確定運(yùn)行階段 之后對(duì)照存儲(chǔ)在EPROM中的速度曲線以一種開環(huán)的方式運(yùn)行。因此，它的運(yùn)行時(shí)間是一個(gè)估計(jì)值，這導(dǎo)致了在電梯制停階段存在著一個(gè)速度的爬行段，其平層精度不高，舒適性也不好而且，為了找到適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)位置，電梯調(diào)試人員要做大量的工作。

2.基于旋轉(zhuǎn)編碼器的以相對(duì)距離為原則運(yùn)行方式

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)電梯廠家都是采用這種方式來給出電梯的運(yùn)行速度的。它的理想曲線是按照時(shí)間原則設(shè)計(jì)的，但電梯運(yùn)行的速度曲線與位移曲線是一一對(duì)應(yīng)的。由于我們已經(jīng)知道了電梯需要停靠的位置，并且可以通過增量編碼器較為精確地測(cè)量出轎廂的位置，所以我們可以按照相對(duì)距離為原則對(duì)電梯進(jìn)行較為精確地控制。圖4為此種速度控制方式的原理圖。這種方式是通過安裝在電動(dòng)機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)算轉(zhuǎn)速間接獲得轎廂位置，由于實(shí)際必然存在的曳引輪槽與鋼絲繩之間的打滑，控制器極易失去轎廂當(dāng)前的準(zhǔn)確位置，因此它不得不通過井道磁開關(guān)給出電梯減速點(diǎn)位置，以此來不斷校正電梯轎廂的位置。所以此種方式的減速距離是固定的，由于旋轉(zhuǎn)編碼器獲得實(shí)時(shí)位置是有誤差的，造成了電梯在進(jìn)入減速點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算的速度不盡相同，從而產(chǎn)生了平層時(shí)的爬行停靠。從圖2 中我們可以了解，這種控制方式其實(shí)只是單閉環(huán)系統(tǒng)，它的絕對(duì)位置反饋只有減速、門區(qū)位置等幾個(gè)點(diǎn)，系統(tǒng)速度控制的實(shí)時(shí)性和精確性不是令人十分滿意。

3.傳統(tǒng)電梯運(yùn)行速度控制系統(tǒng)原理

如圖3，它是通過電壓反饋、電流反饋和速度反饋系統(tǒng)組成三閉環(huán)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，其轎廂的實(shí)時(shí)正確位置是通過井道內(nèi)的磁開關(guān)來感應(yīng)的，因此轎廂位置的實(shí)時(shí)跟蹤無法得以實(shí)現(xiàn)。

四、基于絕對(duì)剩余距離為原則的電梯運(yùn)行方式

1.基于絕對(duì)剩余距離為原則的電梯運(yùn)行速度控制結(jié)構(gòu)原理

圖 4是基于絕對(duì)剩余距離為原則的電梯速度運(yùn)行結(jié)構(gòu)原理圖。絕對(duì)位置就是轎廂的位置是連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)得的實(shí)際位置，絕對(duì)剩余距離是實(shí)時(shí)的電梯轎廂至欲平層位置的距離。這是一種較為理想的電梯的速度給定方式，它根據(jù)測(cè)得的絕對(duì)剩余距離實(shí)時(shí)計(jì)算電梯運(yùn)行速度，給變頻器發(fā)出速度控制指令，控制電梯的運(yùn)行。在電梯平層時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)電梯的實(shí)時(shí)位置值計(jì)算出剩余距離，在足夠短的距離內(nèi)給出減速信號(hào)，并給出相應(yīng)的速度，達(dá)到減速點(diǎn)到平層位置速度的平滑過渡。系統(tǒng)依據(jù)絕對(duì)值編碼器直接獲得的轎廂位置反饋給電梯主控制器的同時(shí)，又把電梯速度反饋給變頻器，以便系統(tǒng)依據(jù)電梯的實(shí)時(shí)速度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給出速度，提高電梯速度控制的實(shí)時(shí)性。

該速度控制方式中旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)反饋速度給變頻器形成局部閉環(huán) ，目的也是為了使得曳引機(jī)的轉(zhuǎn)速能更好的跟蹤主控制器的速度指令。由于使用的電梯主控制器沒有絕對(duì)剩余距離原則速度控制模塊 ，所以必須自行設(shè)計(jì)一個(gè)速度控制模塊 ，該模塊負(fù)責(zé)接收主控制器傳輸過來的絕對(duì)剩余距離信號(hào) ，根據(jù)絕對(duì)剩余距離原則計(jì)算出速度指令發(fā)送至變頻器 ，實(shí)際上就是賦予主控制器一個(gè)新功能。絕對(duì)值編碼器的位置信號(hào)反饋給主控制器而不直接給該速度模塊主要是因?yàn)橹骺刂破饕呀?jīng)有現(xiàn)成的絕對(duì)值編碼器接口。

2.基于絕對(duì)剩余距離為原則的電梯運(yùn)行速度控制系統(tǒng)原理

圖5是基于絕對(duì)剩余距離為原則的電梯速度運(yùn)行控制系統(tǒng)原理圖。從圖中可以看出，系統(tǒng)由電壓反饋、電流反饋、轉(zhuǎn)速反饋和位置反饋組成的四閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)依據(jù)電梯的準(zhǔn)確位置控制電梯的運(yùn)行速度，消除電梯的制停停靠時(shí)的爬行停靠。它較好的解決了電梯平層停靠時(shí)的爬行停靠問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電梯的直接平層，提高了平層精度，從而提高電梯的運(yùn)行效率和舒適感。

五、基于絕對(duì)剩余距離為原則的電梯運(yùn)行速度控制理論依據(jù)

除了起動(dòng)、制動(dòng)開始這一點(diǎn)外，可以按恒加（減）速度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。恒加（減）速運(yùn)動(dòng)的公式如下：

由（5）式可知，電梯的運(yùn)行速度對(duì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行積分就可得到在某一速度v時(shí)，電梯在某一段時(shí)間t內(nèi)所運(yùn)行的距離s。由此我們可以設(shè)定：相應(yīng)于某一額定速度的預(yù)定制動(dòng)減速距離s0，電梯在某一時(shí)間內(nèi)已運(yùn)行的距離為s1=，則電梯還須運(yùn)行的距離s為：s=s0－s1= s0－

從理論上說，電梯按絕對(duì)剩余距離制動(dòng)減速，當(dāng)s0－s1=0時(shí)，給定速度v=0，電梯停止運(yùn)行，其平層精度可以為0mm。

六、基于絕對(duì)剩余距離原則的速度控制方式實(shí)現(xiàn)方法

以絕對(duì)剩余距離原則的速度控制方式 ，是基于對(duì)轎廂位置的準(zhǔn)確采集及通過安裝絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)的。絕對(duì)值編碼器通過同步帶與轎廂相連 ，屬于直接測(cè)量方式。絕對(duì)值編碼器由三大部分 旋轉(zhuǎn)的碼盤、光源和光電敏感元件組成。絕對(duì)值編碼器可以安裝在井道頂部的導(dǎo)軌上 ，通過同步齒形帶與轎廂連接。也可以安裝于轎廂頂部 ，通過隨行電纜與控制器相連接。采用絕對(duì)值編碼器能預(yù)算出剩余距離，配以高質(zhì)量的電梯專用變頻器，運(yùn)行舒適性相當(dāng)好。

七、結(jié)論

基于絕對(duì)剩余距離原則的電梯運(yùn)行速度控制實(shí)際上是主控制器根據(jù)絕對(duì)剩余距離給出速度指令 ，不斷調(diào)整速度指令，實(shí)時(shí)消除累積誤差，使得電梯的速度與給定速度相一致，真正實(shí)現(xiàn)達(dá)到零速停梯的目的 ，從而滿足舒適性與快速性要求。

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