电梯有配重计算机速度调节拖动系统设计学士学位论文.docx
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电梯有配重计算机速度调节拖动系统设计学士学位论文
电梯（有配重）计算机速度调节
拖动系统设计
（1）
院系
工学Ⅰ部
专业
自动化
班级
B641302
学号
200514185051
姓名
刘扬
指导教师
赵文成
负责教师
赵文成
沈阳航空航天大学北方科技学院
20010年6月
摘要
本设计采用单片机控制交流电动机拖动电梯系统，实现电梯自动控制系统。
该系统以单片机技术为核心并与其它电子技术相结合，设计出一种较贴近实际的电机拖动系统。
可以实现电梯的平滑起动和稳态运行。
采用转子串电阻实现电梯的速度调节。
也可实现越限、过载、过压和过热等故障报警，排除故障后解除警报，恢复电梯正常工作。
最大限度减少硬件设备，将软件功能最大化，增强了系统安全性、可靠性。
关键词：
位能负载，平滑起动，交流电动机速度调节，故障报警。
abstract
ThisdesignUSESthesingle-chipmicrocomputercontrolacmotordrivesystem,andrealizationofelevatorlifttheautomaticcontrolsystem.
Thesystemtakesmicrocontrollertechnologyasthecoreandcombiningwithotherelectronictechnology,designakindofrelativelyclosetotheactualmotordrivesystem.Torealizethesmoothstart-upandsteady-stateoperation.Usingtherotorresistanceofrealizationofelevator'sspeedadjustment.Alsocanrealizethelimit,overload,over-voltageandoverheatingfaultalarmetc,trouble-shooting,restoreelevatorliftalertafterwork.Minimizehardware,softwarefunction,strengthenthemaximizationofsystemsafetyandreliability.
Keywords:
Canload,smoothstart-up,acmotorspeedadjustment,faultalarm.
第一章绪论
1.1选题背景
随着现代高科技的发展，住房和办公用楼都已经逐渐向高层发展。
电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。
1889年美国奥梯斯升降机公司推出的世界上第一部以电动机为动力的升降机，同年在纽约市马累特大厦安装成功。
随着建筑物规模越来越大，楼层也越来越高，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性都提出了更高的要求。
由于传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。
采用这种控制线路,存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。
从技术发展来看,这种系统将逐渐被淘汰。
目前，由可编程控制器（PLC）或微型计算机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。
可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机，它有良好的抗干扰性能，适应很多工业控制现场的恶劣环境，所以现在的电梯控制系统主要还是由可编程控制器控制。
但是由于PLC的针对性较强，每一台PLC都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。
而单片机价格相当便宜，如果在抗干扰功能上有所提高的话完全可以代替PLC实现对工控设备的控制。
当然单片机并不象PLC那么有针对性，所以由单片机设计的控制系统可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级。
电梯控制系统是比较复杂的一个大型系统，在计算机诞生的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展做了巨大的贡献，但在性能上和PLC还是有本质上的差距。
在科技的不断发展下，我想单片机控制系统很快可以解决抗扰性，成为方便有效的电梯控制系统。
1.2我国电梯的发展
追溯电梯这种提升设备的历史，早在公元前1100年左右的周朝我国就有利用人力作动力的简单提升设备，直到现在我国北方部分农村仍用于手摇辘轳提取井水的升降提水装置，所以说，我国是世界上最早出现这种提升设备—电梯雏形的国家之一。
我国电梯事业起步较晚，但发展较快。
1952-1954年先后在上海、天津、沈阳建立了三家电梯厂，并先后成立有关科研单位，独立自主制造各类电梯产品，如交流货梯、客梯，直流快速、高速客梯等。
用我们自己生产的电梯产品装备了人民大会堂、北京饭店等政府机关和国家宾馆。
60年代开始批量生产自动扶梯和自动人行道，用我们自己生产的自动扶梯装备了北京地铁站，用我们自己生产的自动人行道装备了北京首都机场。
随着我国对外开放、对内搞活经济的政策深入贯彻执行，吸取和引进了国外先进的电梯技术、先进的电梯制造工艺与设备、先进的科学管理，使我国电梯工业又取得巨大发展。
产品连续多年连续增长，产品质量和整机性能明显提高。
为了进一步推动和发展电梯工业，在上海、北京、天津、广州等地先后建立中外合资电梯制造公司，使电梯的制造和驱动技术达到了国际先进水平，先后向市场推出了一批能耗小、效率高、速度快、平层和舒适感好的交流调速电梯、直流高速电梯（包括机群控制电梯）。
为了进一步提高和控制产品质量，近年颁布一批具有国际水平的电梯制造等级标准，使个制造厂家用新标准去更新、设计电梯产品，加强管理，促进电梯工业新发展。
硬件系统
1.3课题任务分析
图1.1电梯示意图
课题要求实现四级调速，以
稳定速度提升吊厢，以速度
稳速下放吊厢过载停车、越限停车。
基本设计思路：
采用交流电动转子串电阻调速实现转子的四级调速（如图1.2），用测速发电机（如图1.3）实现稳速提升和下放，采集吊厢的质量并进行计算，实现过载停车，建立限位开关实现越限停车。
M
3~
图1.2转子串电阻电路图
交流测速发电机又可分为两大类，一类为异步测速发电机，一类为同步测速
发电机因前者使用较广泛。
交流异步测速发电机的一般用途及特点:
交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机的结构完全相同．其转子可以做成非磁杯形，也可以做成鼠笼形，鼠笼形转子异步测速发电机输出斜率大，但特性差，误差大，转子惯量大，一般仅用于精度要求不高的系统中。
非磁杯形转子异步测速发电机的精度要高得多，转子惯量也小．是目前应用最广泛的一种交流测速发电机，交流测速发电机主要用于交流伺服系统和解算装置中。
选用时应根据系统的频率、电压、工作转速的范周和具体用途选择交流测速发电机的规格。
用作解算元件时，应着重考虑精度要高，输出电压稳定性要好。
用作一般转速检测或作阻尼元件时，应着重考虑输出斜率要大，而不宜既要精度高，又要输出斜率大。
与直流测速发电机相比，交流异步测速发电机的主要优点是，①不需电刷和换向器，构造简单，维护容易，运行可靠。
②无滑动接触，输出特性稳定，精度高。
③摩擦阻力矩小，惯量小不④产生干扰无线电的火花。
⑤正、反转输出电压对称其缺点是，存在相位误差和剩余电压，输出斜率小，其输出特性因负载的性质不同而有所不同。
交流异步测速发电机工作原理
交流异步测速发电机与交流伺服电动机的结构相似，其转子结构有笼型的，也有杯型的，在自动控制系统中多用空心杯转子异步测速发电机。
空心杯转子异步测速发电机定子上有两个在空间上互差90°电角度的绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组。
空心杯转子异步测速发电机原理：
当定子励磁绕组外接频率为f的恒压交流电源u，励磁绕组中有电流i流过，在直轴（即轴）上产生以频率f脉振的磁通。
在转子不动时，脉振磁通在空心杯转子中感应出变压器电势（空心杯转子可以看成有无数根导条的笼式转子，相当于变压器短路时的二次绕组，而励磁绕组相当于变压器的一次绕组），产生的磁场与励磁电源同频率的脉振磁场，在转子转动时，转子切割直轴磁通，在杯型转子中感应产生旋转电势，其大小正比于转子转速，并以励磁磁场的脉振频率交变，又因空心杯转子相当于短路绕组，故旋转电势在杯型转子中产生交流短路电流，若忽视杯型转子的漏抗的影响，那么此短路电流所产生的脉振磁通在空间位置上与输出绕组的轴线一致，因此转子脉振磁场与输出绕组相交链而产生感应电势。
输出绕组感应产生的电势实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压，其大小正比于转速，其频率为励磁电源的频率。
交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机完全一样。
其工作原理如图1.3所示。
图1.3交流异步测速发电机的工作原理
气隙脉振磁密：
旋转电动势：
第二章方案论证
2.1电机的选择与论证
电力拖动系统是电梯的动力来源，它驱动电梯部件完成相应的运动。
在电梯中主要有如下两个运动：
轿厢的升降运动，轿门及厅门的开关运动。
轿厢的运动由曳引电动机产生动力，经曳引传动系统进行减速、改变运动形式（将旋转运动改变为直线运动）来实现驱动，其功率在几千瓦到几十千瓦，是电梯的主驱动
方案一：
采用直流电动机。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转。
方案二：
采用交流电动机。
其显著特点是具有快速的起停能力，若够负载不超过交流电动机所能提供的动态转矩值，就能够立即使电机起动后反转，且转换精度高、正反转控制灵活。
直流电动机与交流电动机都可以提供动力，在大容量、高转速、高电压以及环境恶劣的场合，直流电动机调速达不到要求，本设计中转换速度和起停要迅速，所以采用交流电动机更为合适。
2.2交流电动机调速模块
2.2.1降压调速
根据三相异步电动机降低电源电压人为机械特性（如图2.1，2.2），其同步转速
不变，
不变，电磁恒转矩负载，调速范围很窄。
图2.1图2.2
若拖动泵类，调速效果较好，但在低速运行时电流过大和功率因数低。
如果求拖动恒转矩负载并且有较好的调速效果，则应选择高转差率电动机。
采用速度闭环控制系统（如图2.3），提高调压调速机械特性（如图2.4）的硬度。
图2.3速度闭环控制系统
图2.4速度闭环控制系统电动机的机械特性
降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏。
2.2.2：
转子电路串联电阻调速
根据转子回路串电阻人为机械特性，拖动恒转矩负载时，所串电阻越大，转速越低。
T∝ФmＩ2cos2
当电源电压一定时，Фm基本不变，转子电流维持在额定值。
在额定电压时，磁通定值，调速时
转子损耗功率为：
输出功率为：
调速时转子电路的效率为:
图2.5转速逐级提升的机械特性
在空厢下放时也属电动状态。
此时不但有空厢重量产生的位能力矩，而且有摩擦力产生的阻力矩，而阻力矩又比位能力矩大，将二者叠加即为电动机轴上的负载转矩。
图2.6反接制动状态下
空厢提升与下放时的负载转矩特性
图2.7回馈制动状态
提升和下放空厢时的机械特性与负载转矩特性
2.2.3：
鼠笼式三相异步电动机变极对数调速
根据异步电动机同步转速
与电机极对数成反比，改变定子绕组的极对数（如图2.8），就可以改变同步转速
，实现变极调速。
图2.8鼠笼式三相异步电动机
2.24：
电磁调速
电磁转差离合器（如图2.9）与异步电动机装成一体，称为滑差电机或电磁调速电动机。
图2.9电磁转差离合器
电磁离合器主要由电枢与磁极（如图2.10）
两个旋转部分组成。
电枢随异步
电动机转子同速旋转。
图2.10电枢与磁
电磁转差离合器理想空载的转速为异步电动机转速n而不是同步转速
。
改变
就可以调节负载的转速。
电磁转差离合器控制方便，可实现平滑调速，其机械特性（如图2.11）较软转速稳定性差，调速范围小。
低速时，效率较低。
图2.11电磁转差离合器机械特性
2.2.5：
串级调速
根据双馈调速（如图2.12）要求加在转子绕组的电压频率与转子绕组感应电动势同频率。
把异步电动机转子感应电动势变为直流电动势，同时把转子外加电压也变为直流量，实现串级调速。
图2.12异步电动机双馈调速系统
整流桥把异步电动机转子的转差电动势、电流变成直流，逆变器的作用是给电动机转子回路提供直流电动势，同时给转子电流提供通路并把转差功率
大部分送回交流电源。
异步电动机转子电动势为：
逆变器直流电动势为：
直流回路直流电流为：
R是直流回路等效电阻。
因R较小，可忽略不计。
可得：
当整流器、逆变器都为三相桥式电路时，
，
得转差率：
从上式可知，改变逆变角的大小，就能改变电动机的转差率s.
这种调速方法合适于高压、大容量绕线式异步电动机、拖动风机、泵类负载等要求调速不高的场合。
图2.13串级调速功率流程图
电梯的电力拖动系统对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起着控制作用。
拖动系统的优势直接影响电梯的起动，制动加减速度，平层精度，乘坐的舒适性等指标。
将以上五种方案进行比较后，采用转子串电阻速度调节方案。
2.3各模块简要说明及主要器件
2.3.1A/D转换硬件分析
ADC0809是美国国家半导体公司生产的8位ADC，采用逐次逼近的方法完成A/D转换。
ADC0809的内部结构如图5.1.2-1所示。
ADC0809由单一+5V电源供电，片内有带锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转化，完成一次转换约需100μs；输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。
通过适当的外接电路，ADC0809可对0-5V的双极性模拟信号进行转换。
ADC0809是28脚双列直插式封装，引脚如图2.14所示。
各引脚功能如下：
图2.14-1ADC0809引脚图
IN7～IN0——模拟量输入通道
ALE——地址锁存允许信号。
对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START——转换启动信号。
START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。
本信号有时简写为ST.
A、B、C——地址线。
通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。
CLK——时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHz的时钟信号
EOC——转换结束信号。
EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。
使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。
D7～D0——数据输出线。
为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。
D0为最低位，D7为最高
OE——输出允许信号。
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。
Vcc——+5V电源。
Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。
其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）.
ADC0809的内部逻辑结构图如图2.15所示：
图2.15ADC0809内部逻辑结构
图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。
地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。
图2.16ADC0809硬件接线
2.3.2AT89S51单片机介绍
AT89S51是具有8051内核的，由美国ATMEL公司生产的8位单片机。
它采用低功耗的CMOS设计，具有良好的使用性能，并且与国际工业标准的MCS一51指令系统和引脚完全兼容。
AT89S51引脚结构如图2.17所示。
各引脚功能说明如下：
图2.17AT89S51单片机引脚图
I/O端口：
89S51共有四个I/O端口，为P0、P1、P2、P3，4个I/O口都是双向的，且每个口都具有锁存器。
每个口有8条线，共计32个I/0口。
各端口的功能叙述如下：
1．P0口有三个功能：
1）外部扩充存储器时，当作数据总线（D0～D7）。
2）外部扩充存储器时，当作地址总线（A0～A7）。
3）不扩充时，可做一般I／O口使用，但内部无上拉电阻，作为输入输出时应在外
部接上拉电阻。
2．P1口：
只做I／O口使用，其内部有上拉电阻。
3．P2口有两个功能：
1）外部扩充存储器时，当作地址总线（A8～A15）使用。
2）做一般I／O口使用，其内部有上拉电阻。
4．P3口有两种功能：
除了作为I／O口使用外，还有一些特殊功能，如表3．1所示，由特殊寄存器来设置。
表1P3口引脚的特殊功能
端口引脚
特殊功能
P3.0
RXD串行输入口
P3.1
TXD串行输出口
P3.2
／INT0外部中断0
P3.3
／INT1外部中断1
P3.4
T0定时器O的外部输入脚
P3.5
T1定时器1的外部输入脚
P3.6
／WR外部数据存储器的写入控制信号
P3.7
／RD外部数据存储器的读取控制信号
5．VDD：
电源，接+5V。
VSS：
接地。
6．RST：
此脚为高电平时（约两个机器周期），可将CPU复位。
7．ALE／PROG地址锁存使能信号端，有三种功能：
1）89S51外接RAM／ROM：
ALE接地址锁存器，当CPIJ对外部数据进行存取时，用以锁住地址的低位地址。
2）89S51未外接RAM／ROM：
在系统中未使用外部存储器时，ALE脚也会有1／6石英晶体的振荡频率，可作为外部时钟。
3）在烧写EPR．OM时：
ALE作为烧写时钟的输入端。
8．PSEN：
程序储存使能端
1）内部程序存储器读取：
不动作。
2）外部程序存储器读取（ROM）：
在每个机器周期会动作两次。
3）外部程序存储器读取（RAM）：
两个／PSEN脉冲被跳过不会输出。
4）外接ROM时，与ROM的／OE脚连接。
9．EA／VPP
1）接高电平时：
·CPU读取内部程序存储器（ROM）
·外部扩充ROM：
当读取内部程序存储器超过0FFFH时，自动读取外部ROM。
2）接低电平时：
CPU读取外部程序存储器（ROM）。
10．XTALl，XTAL2：
接石英晶体振荡器。
2.3.3单片机时钟电路和复位电路的设计
1．单片机时钟电路的设计
单片机是程序控制式计算机，它的运行过程就是在控制器的控制下逐条执行指令的过程，从程序存储器中读取指令送指令存储器，然后指令译码器进行译码，产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机各部分的工作。
时钟是产生定时动作的基础，时钟频率直接影响单片机的速度，其质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式：
内部时钟方式和外部时钟方式。
这里，采用内部方式产生时钟。
该方式利用片内振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接石英晶体振荡器做定时元件。
由于单片机内部有一个高增益反向放大器，当外接晶振后就能够组成自激振荡器，并产生时钟信号。
本设计采用11．0592MHz晶振频率，电容C1，C2选择30Pf，单片机时钟电路如图2.18所示。
图2.18单片机内部时钟电路
2．单片机复位电路的设计
通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。
复位的作用是单片机在工作中遇到问题和故障时，可以使单片机从故障中跳出并重新工作。
如果无复位电路，单片机工作的初始状态就处于未知状态，在程序执行时就会造成逻辑混乱，从而导致硬件电路运行错误，所以单片机复位电路是必不可少的。
它的主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了使系统初始化之外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱死锁状态，也需要按复位键重新启动。
复位电路一般可以分为上电自动复位和按钮复位两种。
上电自动复位是通过对外部复位电路的电容充电来实现的，而按钮复位则是通过手动来实现的。
复位电路的作用是使单片机片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。
89S51单片机第9脚RST端为复位端。
当该引脚出现两个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
在复位电路中，电阻R选10K，电容C选47uF，如图2.19所示。
图2.19单片机按钮复位电路
2.3.4异步电动机
电动运转状态：
电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同。
电动状态下异步电动机的机械特性如图2.20所示。
图2.20电动状态下异步电动机的机械特性
制动运转状态：
异步电动机可工作于回馈制动，反接制动及能耗制动三种制动状态。
其共同特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制动。
此时，电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能。
回馈制动状态：
当异步电动机由于某种原因（例如位能负载的作用），使其转速高于同步速度时，转子感应电动势反向，转子电流的有功分量也改变了方向，其无功分量的方向则不变。
此时异步电动机既回馈电能，又在轴上产生机械制动转矩，即在制动状态下工作。
位能负载带动异步电动机进入回馈制动状态如图2.21所示。
异步电动机回馈制动时的机械特性如图2.22所示。
当时
图2.21位能负载带动异步电动机进入回馈制动状态
转子电流的有功分量为：
转子电流的无功分量为：
也为负，与转速方向相反
图2.22异步电动机回馈制动时的机械特性
如果异步机定子脱离电网，又希望它能发电，则必须在异步机定子三相之间接上连接成三角形或者星形的三组电容器。
这时电容器组可供给异步电动机发电所需要的无功功率，即供给建立磁场所需要的励磁电流。
电容器接成三角形时如图2.23所示：
图2.23电容器接成三角形
电容器接成星形时：
反接制动状态：
转速反向的反接制动
图2.24转速反向的反接制动时的异步电动机特性
图2.25异步电动机转速反向反接制动电路图
此时的转差率：
转子由定子输入的电功率即为电磁功率：
为正
转子轴上机械功率为负
转子电路的损耗为两者之和，因此
-
能量损耗极大。
定子两相反接的反接制动，如图2.26所示：
为了迅速停车或反向，可将定子两相反接，
工作点由A转移到B此时转差率为
在两相反接时，电动机的转矩为－T，与负载转矩共同作用下，电动机转速很快下降，这相当于图中机械特性（如图2.26）的BC段。
在转速为零的C点，如不切断电源，电动机即反向加速，进入反向的电动状态（对应于特性CD段），加速到D点时，电动机将稳定运转，实现了电动机的逆转过程。
图2.26异步电动机定子两相反接的电路图与机械特性与电路图
能耗制动状态：
图2.27异步电动机能耗制动的机械特性与电路图
当K1断开，电动机脱离电
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