【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 多為 110個(gè) [7]。 電梯控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 電梯控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ,如圖 21 所示 。 主 梯 控 制 器呼 梯 控 制 器 1呼 梯 控 制 器 M液 晶 顯 示 及鍵 盤 控 制 器轎 廂 控 制 器CAN總線網(wǎng)絡(luò)呼 梯 控 制 器 N呼 梯 控 制 器 2R S 4 8 5CAN總線網(wǎng)絡(luò) 圖 21電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 電梯主控制器的功能設(shè)計(jì) 主控制器是整個(gè)電梯的核心。不但要保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而且要在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)所有的任務(wù)進(jìn)行響應(yīng)。 其任務(wù)包括 ： 接收、處理電梯的各種狀態(tài)，并做出相應(yīng)的動(dòng)作，控制電梯 7 的總體運(yùn)行 ， 實(shí)施對(duì)電梯驅(qū)動(dòng)部分的控制，包括抱閘的松放、門機(jī)的開關(guān)、變頻器低、中、高速的給出等控制 。 接收轎廂控制器送來的內(nèi)選信號(hào) ， 執(zhí)行內(nèi)選外呼指令 ， 向轎廂控制器、呼梯控制器發(fā)送樓層指示信號(hào) ， 實(shí)施安全保護(hù)等。為了實(shí)現(xiàn)電梯狀態(tài)監(jiān)控的需要，主控制器還加入了基于 LCD 顯示的電梯參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控系統(tǒng)。 電梯主控系統(tǒng)，是一個(gè) 功能繁多，運(yùn)行復(fù)雜的控制系統(tǒng)。電梯每一步運(yùn)行都要考慮到各種安全問題。 總的來說，系統(tǒng)按運(yùn)行上來說可分為正常運(yùn)行、非正常運(yùn)行兩大框架結(jié)構(gòu)，按功能上又可分為開關(guān)門、上下運(yùn)行等功能部分。另外，為了保證系統(tǒng)安全正常的運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，還要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行自身檢測(cè)，并且把電梯的一些內(nèi)部參數(shù)、內(nèi)部狀態(tài)通過液晶屏顯示出來，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行報(bào)警。以下對(duì)電梯控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行具體分析。 電梯運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同的情況，可分為正常運(yùn)行、檢修運(yùn)行、自學(xué)習(xí)運(yùn)行、消防運(yùn)行等運(yùn)行狀態(tài)，要求各狀態(tài)之間可隨時(shí)互相轉(zhuǎn)換 [8]。 1. 正常運(yùn)行 電梯正常運(yùn)行部分是電梯運(yùn)行的主要部分，他占據(jù)了整個(gè)電梯運(yùn)行的大部分運(yùn)行時(shí)間，按運(yùn)行狀態(tài)來說大致可分為平層區(qū)狀態(tài)和非平層區(qū)狀態(tài)。 (1) 平層區(qū)狀態(tài) 正常運(yùn)行時(shí)，電梯一旦監(jiān)測(cè)到平層區(qū)標(biāo)志，就要進(jìn)入平層區(qū)狀態(tài)，根據(jù)呼叫計(jì)算，分別決定停車、等待還是繼續(xù)運(yùn)行。如果電梯到達(dá)運(yùn)行目的樓層，系統(tǒng)進(jìn)入停車模式?？紤]到電梯的順利停車和啟動(dòng)、乘客安全、機(jī)械部分的損壞等問題，系統(tǒng)必須按照一定的規(guī)則停車和啟動(dòng)。 (2) 非平層區(qū)狀態(tài) 非平層區(qū)狀態(tài)相對(duì)于平層狀態(tài)來說相對(duì)簡(jiǎn)單，主要完成電梯在運(yùn)行途中系統(tǒng)通過 CAN 總線與呼梯、轎廂的通信，提出登記樓層呼叫情況，并計(jì)算電梯運(yùn)行目標(biāo)樓層，決定電梯運(yùn)行的速度和方向，以及計(jì)算即將到達(dá)的目的地是否停車等任務(wù)。 2. 檢修 檢修狀態(tài)是電梯控制系統(tǒng)中最基本的運(yùn)行部分，是電梯安裝、調(diào)試必不可少的狀態(tài)。檢修狀態(tài)只包括電梯的幾個(gè)最基本功能 ： 開門、關(guān)門、上行、下行，在電梯初次安裝、調(diào)試或出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)用最基本、最簡(jiǎn)單的運(yùn)行功能，以便解決其它問題。 3. 自學(xué)習(xí) 8 為了增加電梯控制系統(tǒng)的智能化程度，系統(tǒng)加入了自學(xué)習(xí)功能。因?yàn)榘惭b電梯的樓房樓層高度不可能統(tǒng)一，就算有標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)因?yàn)槭┕ご嬖谡`差而導(dǎo) 致樓層高度存在差異。對(duì)于電梯控制系統(tǒng)來說，必須預(yù)先知道樓層的高度，以便準(zhǔn)確、及時(shí)的改變運(yùn)行速度，減速停車。一般來說，系統(tǒng)通過讀取電梯曳引機(jī)端的脈沖編碼器根據(jù)電器上下運(yùn)行的行程所發(fā)出的脈沖數(shù)來得到電梯所在樓層的層高。在傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)中，為了取得大樓樓層的高度，安裝調(diào)試的時(shí)候采用檢修運(yùn)行方式，手動(dòng)控制電梯的上下運(yùn)行，通過觀察電梯主控系統(tǒng)的脈沖計(jì)數(shù)器所讀到的數(shù)值，人工的計(jì)錄下樓層的高度值。在本系統(tǒng)中，引入了自學(xué)功能，即自動(dòng)完成樓宇高度脈沖的讀取、紀(jì)錄、保存，并自動(dòng)檢測(cè)大樓樓層數(shù)。給電梯安裝調(diào)試帶來了很大的方便 。 4. 消防 電梯在運(yùn)行時(shí)，如果有人把設(shè)置在系統(tǒng)基站的消防開關(guān)開啟，電梯立刻進(jìn)入消防狀態(tài)。消防狀態(tài)是電梯系統(tǒng)在樓層發(fā)生火災(zāi)的情況下，為了保護(hù)乘客的安全以及方便消防人員救火救人而設(shè)置的一種功能狀態(tài)。一般來說，消防狀態(tài)可以分為消防保護(hù)階段和消防再次運(yùn)行階段。 （ 1） 消防保護(hù)階段 電梯在正常運(yùn)行時(shí)，如果有消防呼叫，系統(tǒng)即處于消防保護(hù)階段。 （ 2） 再次運(yùn)行階段 電梯完成消防保護(hù)階段后，自動(dòng)進(jìn)入再次運(yùn)行階段，以便消防人員和急救人員緊急使用和臨時(shí)使用電梯。 5. 故障檢測(cè) 對(duì)于電梯控制系統(tǒng)來說，其安全問題尤為重要。能 夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決系統(tǒng)的電子、機(jī)械問題，并顯示相應(yīng)的故障代碼，指明故障情況，將對(duì)電梯故障的預(yù)防、故障出現(xiàn)后電梯的檢修帶了很大的幫助。一般來說，電梯控制系統(tǒng)中的故障包括控制電路的器件故障，包括元件老化、失靈、損壞等情況，還有變頻器運(yùn)行故障，分布式控制系統(tǒng)的串行通訊故障，門聯(lián)鎖、抱閘接觸器、主接觸器等機(jī)械故障等 [9]。 6. 系統(tǒng)監(jiān)控 為了準(zhǔn)確掌握電梯內(nèi)部參數(shù)、了解當(dāng)前運(yùn)行狀況，本系統(tǒng)采用了基于 LCD液晶屏的電梯監(jiān)控系統(tǒng)。操作人員可以通過上、下、左、右、 ENTER、 EXIT、 RESET共有七個(gè)操作鍵對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行 操作，觀察自動(dòng) 、 檢修 、 消防、電梯運(yùn)行方向、當(dāng)前速度、上 、 下限位等運(yùn)行狀態(tài)，還可以進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置窗口，對(duì)電梯運(yùn)行速度、換速脈沖、開關(guān)門時(shí)間、方向、速度等一系列參數(shù)進(jìn)行設(shè)置 [10]。 9 第 3 章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 電梯控制系統(tǒng)中主控制器不僅要完成復(fù)雜的邏輯控制 ， 還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、安全監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)響應(yīng)的功能，根據(jù)電梯主控制器的特點(diǎn)，提出 一種新型、高效的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) DSP+CPLD。 由于 DSP 具有數(shù)據(jù)處理速度快、工作特性穩(wěn)定、集成化程度高等特性，在設(shè)計(jì)中主要用來完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、運(yùn)算和響應(yīng)，與控制系統(tǒng)中其它微處 理器之間的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，輸入 /輸出 (I/O)信號(hào)的處理，電源監(jiān)控及數(shù)據(jù)的非易失性保存 ， 而復(fù)雜可編程邏輯器件 CPLD 是應(yīng)用很廣泛的專用集成電路，具有集成度高、工作速度快和在線編程方便等特性，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用 CPLD可以增強(qiáng) DSP 訪問外設(shè)的能力，實(shí)現(xiàn)可編程 I/0 口的擴(kuò)展、片內(nèi)時(shí)序邏輯電路和組合邏輯電路設(shè)計(jì)、輸入緩沖、輸出驅(qū)動(dòng)及產(chǎn)生其它器件的片選信號(hào) 。 CPLD通過片內(nèi)可編程數(shù)據(jù)交換邏輯模塊發(fā)送輸入端口狀態(tài)信息到 DSP，接收 DSP 發(fā)出的控制信息，對(duì)于系統(tǒng)中部分輸入、輸出邏輯關(guān)系直接在 CPLD 中由可編程邏輯處理 模塊完成 [11]。 本 設(shè)計(jì) 中電梯主控制器就是采用 DSP+CPLD 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于 DSP 技術(shù)和CPLD 技術(shù)有效結(jié)合的主導(dǎo)思想設(shè)計(jì)的主控制器，成功的應(yīng)用在智能電梯控制系統(tǒng) 。數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 采用 Freescle 公司生產(chǎn)的 DSP56F8025MFBE，如圖 31所示 ，而復(fù)雜可編程邏輯器件 CPLD 采用 Altera 公司生產(chǎn)的 MAX7128S[16]。 本章將以 DSP 作 為重點(diǎn)， 詳細(xì) 介紹系統(tǒng)變頻驅(qū)動(dòng)部分的硬件設(shè)計(jì) 。 芯片 DSP56F8025MFBE 數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)是一種適合于進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算 的微處理器，能夠快速實(shí)時(shí)的完成數(shù)字信號(hào)處理、運(yùn)算。 全數(shù)字控制器以 DSP56F800系統(tǒng)為核心，其具有較好的通用性。本設(shè)計(jì)中，突出了控制器的高效性 、通用性以及實(shí)用性。在全數(shù)字控制器的研制中，采用核心控制芯片 為 DSP56F8025MFBE。該 DSP芯片系列混合了 DSP 的高運(yùn)算能力與MCU 的控制特性于一體，提供了許多專用于電機(jī)控制的外設(shè)接口，如 PWM 模塊、ADC、 Timer、 SCI、 SPI 和 CAN 總線等，非常適合于數(shù)字馬達(dá)控制；同時(shí)，它還有通用型的 GPIO口，每條運(yùn)算指令僅有 25ns的高速運(yùn)算速 度等，所有這些特性，為整個(gè)系統(tǒng)的控制提供了良好的外部控制環(huán)境。 DSP56800 內(nèi)核采用哈佛結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)可并行的工作的執(zhí)行單元，六級(jí)流水線。它的 MCU 風(fēng)格編程模式和優(yōu)化指令集允許直接生成有效的、緊湊的 DSP 10 控制碼。 DSP568025MFBE 支持從外部或內(nèi)部存儲(chǔ)器開始執(zhí)行程序。并且每個(gè)指令周期可以同時(shí)從內(nèi)部 RAM 讀取兩個(gè)操作數(shù)，同時(shí)提供了兩個(gè)中斷線和最多達(dá)32 路的 GPIO(通用 I/O)引腳。 DSP568025MFBE 包含 DSP56800 系列 內(nèi)核的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及用于嵌入式控制的片內(nèi)外設(shè) [12]。 DSP56800 內(nèi)核包括三個(gè)并行工作的執(zhí)行單元，在一個(gè)指令周期可以同時(shí)執(zhí)行 6條指令。 MCU 編程模式以及優(yōu)化的指令集允許生成有效、緊湊的 DSP 控制代碼。 DSP56800 的主要特點(diǎn)如下： (1) 采用雙哈佛結(jié)構(gòu)， 16位 DSP 處理器 。 (2) 在內(nèi)部時(shí)鐘為 80M 時(shí)，指令執(zhí)行速度可達(dá) 40MIPS。 (3) 單周期 16 位 *16 位并行 MAC。 (4) 帶擴(kuò)展位的 2個(gè) 36 位累加器 。 (5) 16 位雙向循環(huán)移位器 。 (6) 采用 DSP 特有尋址模式的并行指令集 。 (7) 硬件實(shí)現(xiàn) DO 和 REP 循環(huán) 。 (8) 三條內(nèi)部地址總線和一條外部地址總線 。 (9) 四條內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和一條外部數(shù)據(jù)總線 。 (10) 支持 DSP 和 控制器函數(shù)的指令集 。 (11) 控制器風(fēng)格的尋址模式和指令 。 (12) 高效的 C 編輯器，支持局部變量 。 (13) 只限制于存儲(chǔ)器大小的子程序和中斷堆棧 。 (14) JTAG/ONCE調(diào)試接口 。 11 圖 31 DSP56F8025MFBE 原理圖 控制器 組成 框 圖 DSP56F8025MFBE 具有數(shù)據(jù)處理速度快、工作特性穩(wěn)定、集成化程度高的特性。系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)理念，組成框圖如圖 32所示 。 D S P故 障 報(bào) 警 模 塊控 制 電 路 電 源 模 塊光 電 碼 盤電 流 采 樣濾 波 整 流 單 元電 機(jī)編 程 仿 真 接 口看 門 狗 模 塊上 電 復(fù) 位 模 塊逆 變 單 元P W M 輸 出S P W M 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī)三 相 交 流3 8 0 V 圖 32主控制器結(jié)構(gòu) 框 圖 由上圖可知， 設(shè)計(jì)中 采用交 直 交型變頻電路 ，包括由不可控二極管 和電容矩陣組成的濾波整流單元 和逆變單元?？刂齐娐凡糠忠?DSP為核心組成全數(shù)字控制系統(tǒng)，其中包括控制電路電源模塊、上電復(fù)位模塊、 看門 狗 模塊、光電碼盤、 電流采樣及故障報(bào)警等模塊。 本系統(tǒng)是一個(gè)有速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng)， DSP接受電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，電機(jī)電流信號(hào)，通過數(shù)字算法 輸出 SPWM，控制電機(jī)。同時(shí) DSP還負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)，過壓，過流，短路等故障時(shí)， DSP將停止系統(tǒng)工作，發(fā)出聲光報(bào)警 [12]。 控制器的模塊單元功能介紹 整流濾波單元 12 380V的交流電壓經(jīng) 6個(gè)不可控 的二極管全波整流后變?yōu)橹绷骱笤俳?jīng)電解電容進(jìn)行濾波，同時(shí)為負(fù)載 的 直流電源之間的無功功率進(jìn)行緩沖。如圖 33所示。 圖 33 整流濾波單元 當(dāng)變頻器剛 合上 電源的瞬間由電容組成的濾波電路充電電流較大，過大的沖擊電流極易損壞電源的整流模塊，因此為保護(hù)整流橋在變頻器剛接通電源的一段時(shí)間里電路串聯(lián)一個(gè)限流電阻，使瞬間的充電電流被限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)電源電壓達(dá)到穩(wěn)定后，通過電阻分壓的方式使光耦導(dǎo)通，繼電器線圈得電，閉合短路限流電阻，從而降低系統(tǒng)能量損耗。 電機(jī)速度及轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元 系統(tǒng)使用光電碼盤 檢測(cè)電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)子的位置信息反饋給 DSP， DSP 再通過相應(yīng)的算法控制電機(jī)的運(yùn)行。 如 圖 34 所示， 為光電碼盤與 DSP 之間的接口電路。 圖 34 光電碼盤接口電路 13 逆變單元 系統(tǒng)選用 freescale 公司的 MC33395 作為逆變單元的驅(qū)動(dòng)芯片，按 DSP 輸入的不同模式控制 6 個(gè)功率開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的 SPWM 調(diào)節(jié)。 如圖35 所示 。 在工作過程中，當(dāng) MC33395 檢測(cè)到過電流或過電壓時(shí)可以通過 VT2關(guān)閉供電，從而禁止了 SPWM 的輸出，保護(hù)系統(tǒng)安全。 圖 35 逆變單元 控制 電路 電源模塊 系統(tǒng)的控制回路電壓可以通過外接 220V生活電壓的方式給定。當(dāng)電梯啟動(dòng)時(shí)， VT1導(dǎo)通， Q1導(dǎo)通，經(jīng)過變壓器變壓整流橋整流的輸入電壓被接入，首先經(jīng)過 78S12后輸出穩(wěn)定的 12V電壓 ，接著經(jīng)過 5V電壓，最后經(jīng)過 ，連續(xù)使用 3塊串行穩(wěn)壓電源為控制電路提供不同的供電電壓，以滿足使用要求。如圖 36， 37， 38， 39所示。 14 圖 36 啟動(dòng)開關(guān)及變壓整流模塊 圖 37 +12V電源模塊 圖 38 +5V電源模 塊 15 圖 39 + 如圖 310所示，在電壓接入 78L12 +12穩(wěn)壓模塊之前，回路中還加入了由 R6和 D4組成的順壓保護(hù)電路，其中 R6作為限流電阻防止 D4被過強(qiáng)的釋能電流燒穿。D4為 TVS管即瞬態(tài)穩(wěn)壓二極管，當(dāng)輸入的電壓過高時(shí)， TVS會(huì)瞬時(shí)導(dǎo)通將過高的能量釋放，同時(shí)將輸出電壓 限制在 安全范圍內(nèi)，從而有效的防止了 12V穩(wěn)壓塊因瞬間過壓燒毀，提高控制器的可靠性。 圖 310 瞬壓保護(hù)電路 看門狗模塊 為提高控制系統(tǒng)的安全性，防止程序在運(yùn)行過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，在外圍電路中加入看 門狗模塊，但程序運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，看門狗模塊可以將 CPU復(fù)位，使芯片恢復(fù)正常工作，設(shè)計(jì)中所選用看門狗芯片為 T動(dòng)電壓 ，內(nèi)部定時(shí)器每 200ms 16 發(fā)出一次復(fù)位信號(hào)。因此當(dāng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，在 200ms內(nèi)未能將其內(nèi)部定時(shí)器清零，則 TPS3824將發(fā)出 RESET信號(hào)復(fù)位 DSP，從而有效的防止死機(jī)的情形發(fā)生。PS3824，如圖 311所示 ， TPS3824啟 圖 311 看門狗模塊 低電壓復(fù)位模塊 在系統(tǒng)上斷電過程中電源部分可能出現(xiàn)過電壓過低的情況，此時(shí) DSP可能在非正常電壓工作時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤，為防止類似 情形產(chǎn)生，系統(tǒng)中加入低電壓壓復(fù)位模塊。因?yàn)?DSP供電電壓為 ，所以選用 CAT809S作為復(fù)位芯片。如圖 312所示 。 CAT809S的復(fù)位電壓為 ，當(dāng) DSP供電電壓低于此值時(shí)， CAT809S將發(fā)出RESET信號(hào)，復(fù)位 DSP。 圖 312 低電壓復(fù)位模塊 電流檢測(cè)模塊 17 電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電流情況。系統(tǒng)可以根據(jù)電流情況調(diào)整電機(jī)的速度，電梯內(nèi)風(fēng)扇的開關(guān)，還可以有效的防止過電流的發(fā)生，保障系統(tǒng)安全。 如圖 313所示。 電流檢測(cè)模塊采用正向運(yùn)算放大器組成的電壓放大 電路，輸入端的電壓被濾波并放大 11倍后送入 DSP的 AD采樣通道， DSP將實(shí)際中的模擬量通過 AD模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，最后通過計(jì)算，判斷獲得希望的控制模式。 由于 DSP的管腳耐壓值有限，電壓經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，可能超出正常范圍，所以在 DSP的管腳輸入端接有二極管限幅電路，使得當(dāng) DSP管腳處電壓輸入過大時(shí)被有效的 限制 在允許的范圍內(nèi)。 圖 313 電流檢測(cè)模塊 故障報(bào)警模塊 當(dāng)系統(tǒng)出項(xiàng)故障時(shí)， DSP在完成系統(tǒng)停機(jī)保護(hù)的同時(shí)，輸出 GPIO端口將發(fā)出高電平 ， Q2三極管導(dǎo)通，故障燈與響鈴?fù)瑫r(shí)得電， 發(fā)出聲光報(bào)警提示用戶。 如圖 313所示。 18 圖 314 故障報(bào)警模塊 編程與仿真接口 可以通過 串行接口 RS232進(jìn)行通訊及仿真，方便了嵌入式程序的編輯 與 調(diào)試 。 如圖 315所示 。 圖 315 編程及仿真接口 19 第 4 章 系統(tǒng) 程序設(shè)計(jì) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)