王惠，文小琴，游林儒

（華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640）

引 言

電梯運(yùn)行速度的控制中除了需要保證轎廂準(zhǔn)確平層，還需解決保證乘客舒適度。電梯運(yùn)行的舒適性主要取決于其運(yùn)行過程中的加速度和加速度變化率。國家《電梯技術(shù)條件》中規(guī)定，電梯最大加速度不能超過1.5m／s2，最大加速度變化率不能超過1.3m／s3。理想的速度運(yùn)行曲線即能滿足人體對加速度及加速度變化率的要求，減輕人在乘坐電梯時(shí)由于啟動、制動過程中加、減速產(chǎn)生的不舒適感（上浮、下沉感），并保證平層停車準(zhǔn)確可靠的速度曲線。

目前常用的電梯運(yùn)行速度曲線有梯形速度曲線、拋物線速度曲線、拋物線—直線（S形）速度曲線、正弦速度曲線、圓弧速度曲線［1－2］等。其中梯形和 S形速度曲線又分別稱為一次、二次速度曲線。一般來說曲線的階次越高，曲線越平滑［3］，但是處理器處理復(fù)雜度變高，故電梯系統(tǒng)中通常采用的是S曲線。

S曲線升降速的加速度連續(xù)，對系統(tǒng)不存在柔性沖擊；但加速度變化率不連續(xù)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)有突變，故在運(yùn)動過程中系統(tǒng)還存在部分余震。針對S曲線的這一缺陷，本文設(shè)計(jì)了正弦速度曲線，該加減速模式的加速度及加速度變化率均連續(xù)，故對系統(tǒng)無沖擊，理論上能得到比S曲線升降速更為平穩(wěn)的運(yùn)行性能。

1 電梯控制系統(tǒng)介紹

VVVF電梯控制系統(tǒng)主要由主控制器、變頻器、曳引機(jī)及轎廂組成。電梯主控制器主要負(fù)責(zé)處理接收來自轎廂的當(dāng)前位置、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行方向以及呼梯指令信號，并根據(jù)這些信號來判斷下一站要?？康臉菍?，計(jì)算需運(yùn)行的距離，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)速度，并將此速度指令發(fā)給變頻器。

圖1 電梯控制時(shí)序示意圖

圖1所示為電梯控制時(shí)序示意圖。接通電源后，主控制器閉合主接觸器MC使變頻器通電，然后控制抱閘打開，并閉合變頻器輸出與電機(jī)間的接觸器KC，之后進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置初始化操作。初始化完成后輸出運(yùn)行準(zhǔn)備好信號和零速信號，同時(shí)斷開KC，然后等待主控制器給出方向和運(yùn)行速度信號。主控制器先閉合主接觸器KC，然后給出運(yùn)行方向是上行或下行，松開抱閘，延遲之后給出速度信號。電梯加速運(yùn)行到最大速度后勻速運(yùn)行一段時(shí)間，當(dāng)電梯運(yùn)行到達(dá)減速點(diǎn)，主控制器給出爬行速度指令，電機(jī)開始減速，減速運(yùn)行至平層點(diǎn)以后，電梯開始減速至平層點(diǎn)停下。變頻器停止后輸出零速信號，主控制器控制抱閘，然后撤掉方向信號，并斷開KC。

2 常用速度曲線設(shè)計(jì)

下面分別介紹常用的S型和正弦型速度曲線設(shè)計(jì)方法。

2.1 S型速度曲線的設(shè)計(jì)

S型電梯運(yùn)行曲線如圖2所示，速度v，加速度a，加速度變化率ρ。ABCD為加速段，DE為勻速段，EFGH為減速段。S型速度曲線可以劃分為加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速、減減速這7個(gè)過程。在加加速、減加速、加減速、減減速這4個(gè)過程中加速度變化率J的絕對值恒定；勻加速和勻減速過程的加速度恒定；勻速過程加速度為0，速度達(dá)最大。

這種加減速模式在任意位置的加速度都是連續(xù)變化的，但加速度的變化率出現(xiàn)不連續(xù)變化。在加速到勻速運(yùn)行階段前加速度都是連續(xù)變化的，但加速度變化率在B點(diǎn)和C點(diǎn)都發(fā)生了突變，影響了電梯運(yùn)行的平穩(wěn)性，這在某些電梯使用場合是不允許的［4］。加速度變化率不但對人體，而且對于運(yùn)動工件的材料也有影響。當(dāng)物體有加加速度時(shí)，物體所承受的載荷是隨時(shí)間變化的，因此應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定性都會受到加加速度的影響，對高速運(yùn)轉(zhuǎn)和振動而言尤為顯著，沖擊力對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動也有影響［5－6］。

圖2 S型電梯運(yùn)行曲線

2.2 正弦速度曲線的設(shè)計(jì)

圖3是正弦信號型電梯運(yùn)行曲線。加速度及加速度的變化率在各過渡階段連續(xù)變化，僅電梯啟動和制動時(shí)出現(xiàn)跳變點(diǎn)［5－6］。

圖3 正弦信號型電梯運(yùn)行曲線

當(dāng)速度曲線為非標(biāo)準(zhǔn)正弦速度曲線時(shí)（即有勻加／減速段和勻速段，如圖3所示），可將電梯的運(yùn)行曲線加速段分為3個(gè)部分：AB段為正弦曲線前半段，BC段為直線段，CD為正弦曲線后半段。

（1）AB段

且A點(diǎn)加速度變化率最大，ρmax＝Aω2。

B點(diǎn)加速度達(dá)到最大值，αmax＝Aω。

（2）BC段

（3）CD段

3 正弦速度曲線的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)目標(biāo)速度的正負(fù)判斷應(yīng)上行還是下行，比較目標(biāo)速度和當(dāng)前速度的大小，判斷是應(yīng)加速、減速或勻速運(yùn)行。若加速，則計(jì)算出由當(dāng)前速度運(yùn)行到目標(biāo)速度所需的時(shí)間，并轉(zhuǎn)化為步數(shù)，根據(jù)勻加／減速段所占的比例計(jì)算出變加速及勻加速段分別所需的步數(shù)及步長，用來控制加減速過程所需的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出角速度及幅值大小，最后計(jì)算出給定速度。

設(shè)定加速段ABCD段及減速段EFGH段的時(shí)間，通過調(diào)節(jié)鍵盤值來設(shè)定勻加／減速段所占比例。設(shè)為0則為標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線，不含勻加速段及勻速段；為1則為梯形加減速曲線。

圖4為加加速和加減速過程實(shí)現(xiàn)的流程。分別根據(jù)式（5）和式（7）計(jì)算出角速度ω和振幅A，再由式（4）計(jì)算下一步給定速度。當(dāng)角度累加大于π／2時(shí)，則當(dāng)前階段結(jié)束，下一步進(jìn)入勻加速或勻減速階段。對于勻加速段利用式（6）計(jì)算速度，完成后進(jìn)入減加速段，則利用式（9）計(jì)算速度。

圖4 加加速和加減速過程流程

程序片段如下所示：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

曳引機(jī)為永磁同步電機(jī)，變頻器采用DSP控制，通過TMS320F28332的CAN模塊向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，利用LabVIEW窗口實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)波形，設(shè)置為每10ms發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖5（a）為電梯上行3層樓高度時(shí)生成的速度曲線和加速度曲線。橫軸為時(shí)間，范圍為0～10s，縱軸為速度標(biāo)幺值和加速度實(shí)際值。圖中最高速度限定為0.8倍額定速度，額定速度為1.75m／s。從圖中可看出加速度最大約為1.2m／s2，經(jīng)理論計(jì)算，加速度變化率最大約為0.2m／s3，均滿足技術(shù)規(guī)定。

圖5（b）所示為給定的速度曲線及曳引機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度曲線，從圖中可看出實(shí)際運(yùn)行速度可以很好地跟蹤給定速度，幾乎沒有偏差。

圖5 曲線圖

5 總 結(jié)

本文重點(diǎn)介紹了一種正弦曲線加減速控制模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)規(guī)定，表明了該曲線生成算法在實(shí)際電梯控制系統(tǒng)中具有滿意的控制效果，能很好地提高電梯的運(yùn)行舒適度，可以廣泛應(yīng)用于電梯系統(tǒng)中。

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