电梯中的传感器.docx

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电梯中的传感器

电梯行业是一个自上世纪90年代就开始飞速发展的行业。

二十年以来，电梯技术更迭迅速，客户对电梯的装潢、舒适性、价格、环境保护等方面提出了越来越高越来越多样化的要求，整个电梯产业正向着系统越来越稳定、运行越来越平稳、成本越来越低廉、控制越来越精确的方向发展。

随着电力电子技术的迅猛发展，PWM变频器在电梯中应用越来越广泛。

为确保电梯的安全性和舒适性，PWM变频器的保护和运行状态监测显得尤为重要。

由于电梯可能被安装在世界各地，各个地方的环境各不相同，在不同环境下让PWM变频器能良好运行成为PWM变频器设计时考虑的重要方面，因此对变频器的电压电流等物理量进行实时监测也成为电梯变频器设计时必须考虑的一点。

以下介绍一个变频器为保护和精确控制设置而选择传感器的方案，这是一个试验方案，到目前为止运行良好。

PWM变频器检测点具体分析和设置

我们设计的PWM变频器其拓扑如下图所示：

　　　　　　　　　　　　　　　图一  变频器系统拓扑

　　为保护IGBT模块，系统需要在主回路直流侧检测流入IGBT的电流，当某一相出现过流或短路时，控制回路能够在足够短的时间内关闭IGBT模块，以防止模块烧毁或爆炸。

同时为了保护电容系统需要检测主回路直流侧的电容，当电压出现异常时能够通知控制系统关闭逆变器以检查问题。

同时系统需要检测输入电动机的电流用于控制电机。

通常情况下由于三相平衡，电机电流检测只需要检测两相，另一相电流由计算得出。

　　因此在这个变频器中一共需要三个电流传感器，图一中三个椭圆环表示检测位置。

其检测点A用于保护电容和IGBT模块，检测点B和C是为精确控制电机而设置的。

　　根据控制程序和控制电路的设定，A点的电压被控制在一定的范围之内。

当电动机处于电动状态时，电压会降低；而当电动机处于再生状态时，A点的电压将上升。

如果A点的电压达到某一限定值，控制电路将IGBT 7开通，将电能释放到再生电阻上，如果再生电阻的上消耗的功率能够满足设计要求，此时的A点的电压将回落，回落至一定的电压后控制电路将IGBT 7关闭。

　　由上可知检测点A的电压是一个直流脉动电压。

检测A点电压有如下两个目的：

（1）检测主回路电容是否存在异常。

　　主回路电容可能会因为设计失误电容容量不足或者长期运行导致电容容量下降，而电容容量下降到一定程度时可能会影响变频器正常运行，因此检测电容是否正常十分重要。

电容容量过小会使主回路直流侧的电压在电容充电过程中上升得非常快，控制电路在检测A点电压过程中就可以大致判断电容容量是否正常，如果不正常就停止变频器运行。

（2）主回路电压异常升高时保护主回路电容和IGBT模块

主回路电压出现异常大致有以下两种情况：

　　①IGBT 7出现异常，无法正常开通或关断IGBT，或者由于再生电阻的接线错误无法及时释放电动机再生运行时产生的能量，致使主回路的电压异常升高。

　　②变频器输入电源电压出现异常升高。

变频器输入电源电压升高也会导致主回路直流侧电压升高，控制回路在接受到异常的电压信号以后可以及时地关断变频器。

　　根据以上的目的我们可以对该点的电压传感器提出以下的要求

（1）高精度。

通常AC 380V输入的逆变器在直流侧的工作电压会被设定到500V至700V之间。

而主回路直流侧电压波动直接影响电容发热和寿命，10V和20V的电压波动会给电容寿命带来很大的差别。

而该电压传感器直接控制电容上的纹波电压，因此传感器需要很高的精度。

（2）高速度

电压异常升高时升高的速度可能非常快，因此需要一个足够快的传感器及时把电压信息传递给控制电路。

　　（3）低温度漂移。

电梯可能被安装在世界各地，工作环境大不相同，因此传感器应在不同的工作温度情况下都能提供较高的精度。

　　（4）允许在较高的温度下正常运行

　　逆变器是一个发热量较高的部件。

出于安装和制造方便，该传感器会被安装在离IGBT模块、电容、散热器很近的温度较高的部位，当外界环境温度在40℃以上时温度会更高，传感器应能在这样恶劣的环境下正常工作。

　　通常情况下在A点检测电流也是必须的。

设置在A点的电流传感器用于实时检测主回路直流侧的电流，当后端短路时（电动运行时监测流入IGBT模块的电流，再生运行时检测流入再生电阻的电流）该传感器应该能及时地把电流信号传送给控制电路。

　　因为设计原因（比如死区时间设置得不够长）或者一些外部因素（比如说天气恶劣导致结露）使上下桥臂出现瞬时短路时，在A点会出现一个很大的电流，这个电流经过IGBT模块会导致模块急剧发热而损坏模块甚至爆炸。

因此在A点的电流传感器需要能够及时响应母线上的电流变化，以供控制电路及时关断模块

　　因此我们可以对该点的电流传感器提出以下的要求

（1）较高精度

　　为避免IGBT在系统出现问题时因传感器的误差而无法及时保护，或者系统在正常运行时因传感器的误差使得保护电路误动作，A点电流互感器需要有较高的精度。

（2）高速度

　　当IGBT出现过流时，传感器是否能快速响应该电流并及时把信号传送给控制电路成为保护IGBT模块不受损害的关键。

一个高速的传感器可以避免成为保护系统的速度瓶颈。

　　（3）低温度漂移

　　（4）允许在较高的温度下正常运行

　　设置在B点和C点的电流传感器用于精确控制电动机。

传感器给出的电流值送入电机闭环控制系统，用来检测当前电机的运行状况，同时控制系统根据该电流值对系统进行修正，以更好的控制电机。

这两个传感器在安装位置上可以远离IGBT等发热量较大的部件。

这样我们可以对该传感器提出以下要求：

（1） 较高精度，较高速度

要精确控制电动机，电流的反馈信号应该足够准确，速度也应该足够快，至少能让控制系统采样时能够得到足够的采样信号。

（2）低温度漂移

　　根据以上要求，选择A点的电压传感器为LEM的CV3-1000。

该电压传感器具有原副边的屏蔽层，能大大降低IGBT逆变器高速开关信号所产生的干扰。

CV3-1000采用±15V双电源供电，输出-10~10V，可测量1000V电压，测量电压频率可达500kHz（1000V时），25℃时的误差为±0.2%（1000V），温度漂移被控制在5mV，允许工作温度为-40℃~85℃，完全符合电梯变频器的使用要求。

使用CV3-1000传感器的后续电路就十分简单（如图二所示）。

其中REF1为IGBT 7开通时的参考电压，REF2为IGBT 7关断时的参考电压，REFC用于检测电容容量是否足够。

　　为了能够检测电容容量，我们给电容提供了一个充电回路，在变频器尚未开始工作时就以一定的电流给电容充电，同时检测电容的电压，如果电压升高过快则由控制系统输出错误信号。

　　　　　　　　　　　　　图二  A点电压传感器后续电路简图

　　A点的电流传感器的选择根变频器的IGBT模块选择有关。

如果我们选择100A的IGBT模块，可以把过流设置在100A至120A之间。

根据要求选择LEM LA 200-P电流传感器。

该传感器可以测量200A的电流，采用±15V双电源供电，测量200A电流时输出100mA的电流，25℃时的误差为±0.4%，捡测90A电流的时候其响应速度被控制在了1μs之内，如果控制回路响应速度足够快就能够避免IGBT模块因长时过流而烧毁。

该传感器需在印刷电路板安装，可工作于-40~85℃的环境。

LA 200-P是闭环电流传感器，和开环传感器相比有精度高、响应时间短、温度漂移低，线性度好等优点，其缺点是成本较高。

使用LA 200-P传感器的后续电路简图如图三所示。

其中REF3为主回路过流时的参考电压。

　　　　　　　　　　　　图三 A点电流传感器后续电路简图

　　设置在B点和C点的电流传感器的选择需要根据电动机的电流大小，并且需要考虑电机启动或者发生异常时出现大电流时可以正常检测，不至于传感器饱和。

上面的100A逆变器可以选用LEM HAS 100-S电流传感器。

该传感器使用±15V双电源供电，可以测量100A电流，电流100A时输出4V电压，25℃时的误差为±1%，响应时间在3μs以内。

，可用于-10~80℃的环境。

HAS 100-S是一个开环传感器，体积小重量轻成本较低，精度基本能满足使用需求。

后续电电路如图四所示。

　　　　　　　　　　图四 B、C点的电流传感器后续电路简图

　　本方案选用的传感器均为LEM公司的产品。

该公司在传感器行业遥遥领先，几乎处于一个半垄断的地位。

LEM公司为全世界传感器市场提供了各种各样的传感器，被广泛应用于电力电子、机器人、电梯、医疗等行业，相比其他传感器公司的产品有技术领先成本低廉种类多样等优势。

这是我们在本方案中选择LEM传感器的原因。

目前本方案仍处于开发阶段。

由于安装位置的不同，设置在A点的两个传感器工作温度大致在30~80℃之间，而设置在B、C点的传感器工作温度在10~60℃之间，从试验的情况来看各个传感器工作良好，为系统可靠而良好运行提供了快速准确的电压电流信息。

参考文献

[1] 吴金宏、倪向阳、吴昊，霍尔电流电压传感器/变送器模块的性能及应用，国外电子元器件，2001 No.01

1电梯控制简介

   电梯是现代建筑内关系到人民生命财产安全的重要交通工具。

如何提高电梯的运行效率、降低电梯能耗以及减少机械磨损、延长电梯的使用寿命，都是非常重要的研究课题。

电梯是楼层用以固定提升的成套设备，具有安全可靠、乘坐舒适、停层准确、操作简便、运输效率高等特点。

它由提升曳引系统、引导系统、安全装置和电控系统组成。

   目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。

从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。

国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活。

本设计在用三菱FX2系列PLC控制静磁栅位移传感器实现电梯平层控制。

   静磁栅位移传感器在电梯控制系统中的作用为电梯平层控制的调整，电控系统是电梯的“中枢神经”，其质量的好与坏直接影响电梯质量。

客梯和医用梯都讲究乘坐舒适，而舒适感与运行时间有关。

要想乘坐舒适，就要延长加、减速时间，因而使运行时间随之延长，电梯运行效率降低。

所以，为了使电梯具有较高的运行效率，加减速度应该有一个合适的限度，而且变化要平稳，这就对电控系统提出了如下要求：

∙安全可靠，排除故障方便，在满足使用要求前提下，线路越简单越好。

∙噪声和振动小，选择元件要合理，电磁声不能大，安装零件的结构件要有足够刚度，且有防松措施。

∙能适应频繁起动、停止、调整及换向的工作要求，调速性能好，工作方式易于转换。

加、减速和等速要平稳，速度曲线平滑，到站前无微动。

∙能实现自动平层，且平层必须准确。

∙能适应在较大范围内变动地提升载荷，能重载起动。

   根据电梯运行的特点及以上要求，电梯的运行速度应当符合图1所示曲线。

平层误差应符合表1规定。

电梯运行速度曲线图1

Vm电梯运行额定速度Vp平行爬层慢车速度

表1平层误差范围mm

   2静磁栅位移传感器简介

   静磁栅位移传感器由“静磁栅源”和“静磁栅尺”两部分结合使用。

“静磁栅源”使用铝合金压封无源钕铁硼磁栅组成磁栅编码阵列；“静磁栅尺”用内藏嵌入式微处理器系统的特制高强度铝合金管材封装，使用开关型霍尔传感器件组成霍尔编码阵列，铝合金管材外部使用防氧化镀塑处理。

“静磁栅源”沿“静磁栅尺”轴线作无接触（相对间隙宽容度和相对姿态宽容度达50mm）相对运动时，由“静磁栅尺”解析出数字化位移信息，直接产生高于毫米数量级的位移量数字信号。

充分发掘嵌入式微处理器的资源，将数据更新速度提高到毫秒数量级，以便能适应5m/S以下运动速度的位移响应。

   3产品综合特点

∙使用寿命长:

无接触检测位置及角度，避免了机械损伤，理论上无寿命极限;

∙抗恶劣环境:

－40℃至＋100℃工作温度范围，连续高粉尘、泥浆、水下及高撞击、强振动工作环境;

∙直接绝对型测量:

直接指示位移毫米数或旋转角度数，无需换算，不怕掉电，任意定位控制;

∙量程极长，分辨率适中:

260毫米-2000米长度量程，分辨率0.2mm-1mm;

∙极丰富的数据接口:

4-20mA、1-5V等模拟量输出，各类串并行数据接口以及PROFIBUS等各种现场总线;

∙安装维护方便:

在保持适度间隙的条件下,无约束安装运行。

   4PLC控制静磁栅位移传感器实现电梯平层控制

   要使电梯到达平层区域后能自动平层，必须有一套自动控制系统，即电梯的自动控制装置。

该装置的控制部分是静磁栅位移传感器，以30层电梯为例，安装图如下图所示。

   上图所示轿厢处于地下层上面的第一层，静磁栅源安装于电梯井道和室外层平行，每层一个，静磁栅尺安装于轿厢上，长度为1.2米，地下层安装两个静磁栅源，用于检测轿厢是否到底位和运动方向。

   由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号、行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。

即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。

另外，轿厢的位置是由静磁栅位移传感器确定，并送PLC的计数器来进行控制。

同时，每层楼设置一个静磁栅源用于检测系统的楼层信号。

   a.当电梯定向上行时，静磁栅尺上行方向检测到静磁栅源，抱闸打开，电梯上行。

当轿厢碰到上强迫换速开关时，PLC内部锁存继电器得电吸合，定时器Tim10、Tim11开始定时，其定时的时间长短可视端站层距和梯速设定。

上强迫换速开关动作后，电梯由快车运行转为慢车运行，正常情况下，上行平层时电梯应停车。

如果轿厢未停而继续上行，当Tim10设定值减到零时，其常闭点断开，慢车接触器和上行接触器失电，电梯停止运行。

在骄厢碰到上强迫换速开关后，由于某些原因电梯未能转为慢车运行，及快车运行接触器未能释放，当Tim11　设定值减到零时，其常闭点断开，快车运行接触器和上行接触器均失电，电梯停止运行。

因此，不管是慢车运行还是快车运行，只要上强迫换速开关发出信号，不论端站其他保护开关是否动作，借助Tim10和Tim11均能使电梯停止运行，从而使电梯端站保护更加可靠。

   b.当电梯需要下行，只要有了选梯指令，下行方向继电器得电其常开点闭合，锁存继电器被复位，Tim10和Tim11均失电，其常闭点闭合为电梯正常下行做好了准备。

下端站的保护原理与上端站保护类似不再重复。

   c.楼层计数采用相对计数方式。

运行前通过自学习方式，测出相应楼层高度脉冲数，对应30层电梯分别存入30个内存单元DM06～DM21。

楼层计数器（CNT46）为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加1或减1计数。

运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计数信号，上行加1，下行减1。

为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计数信号上沿触发楼层计数。

   d.当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信号，发快速换速信号。

若电梯中速运行或虽快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。

   e.门区信号；当高速计数器CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号。

   5软件设计特点

   根据电梯所处的位置和运行方向，在编程中，采用了四个优先级队列，即上行优先级队列、上行次优先级队列、下行优先级队列、下行次优先级队列。

其中，上行优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以上楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层静磁栅源存放的寄存器所构成的阵列。

上行次优先级队列为电梯向上运行时，在电梯所处位置以下楼层所发出的向上运行的呼叫信号，该呼叫信号所对应的楼层静磁栅源存放的寄存器所构成的队列。

控制系统在电梯运行中实时排列的四个优先级陈列，为实现随机逻辑控制提供了基础。

   采用先进先出队列，根据电梯的运行方向，将同向的优先级队列中的非零单元（有呼叫时此单元为七零单元，无呼叫时则此单元为零）送入寄存器队列（先进先出队列FIFO），利用先进先出读出指令SFRDP指令，将FIFO第一个单元中的数据送入比较寄存器。

   采用随机逻辑控制，当电梯以某一运行方向接近某楼层的减速位置时，判别该楼层是否有同向的呼叫信号（上行呼叫标志寄存器、下行呼叫标志寄存器、有呼叫请求时，相应寄存器为l，否则为0），如有，将相应的寄存器的脉冲数与比较寄存器进行比较，如相同，则在该楼层减速停车：

如果不相同，则将该寄存器数据送入比较寄存器，并将原比较寄存器数据保存，执行该楼层的减速停车。

该动作完毕后，将被保存的数据重新送入比较寄存器，以实现随机逻辑控制。