醫用電梯機械系統啟動自動節能改造硬件體系的建立

摘要:近些年來我國醫院高層建筑業到長足發展，醫用電梯也得到越來越廣泛的應用，而作為耗能大戶的醫用電梯其運行能耗十分驚人。因此，研究醫用電梯機械系統節能控制技術，具有十分重要的價值。本文為此設計了基于TMS320F2812 DSP芯片為核心醫用電梯機械系統啟動自動節能改造硬件體系。

關鍵詞:醫用電梯機械系統節能硬件體系

中圖分類號:TP13文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0246-02

隨著電梯的普及與可持續發展社會的建立，電梯使用過程中存在的節能問題也得到越來越廣泛的關注。本文為此具體探討了醫用電梯機械系統啟動自動節能改造硬件體系的建立。

1 電梯與節能

1.1 當前我國醫用電梯機械系統節能要求

根據電梯運行原理，電梯減速制動時，電機處于發電工作狀態。目前電梯一般將制動產生的能量回饋到變頻器直流環節的電容中存儲，為防止變頻器中電容過壓，對于這部分反饋制動能量，現有技術往往是將其通過大功率電阻耗散掉，這樣不僅對能量造成大量浪費，同時由于電阻耗散會產生大量熱能，為了避免因高溫對醫用電梯機房其他部分組件產生消極影響還需要裝空調等散熱設備，這會導致能量的二次浪費[1-2]。隨著電力電子技術的發展，能量回饋裝置應運而生[3]。目前主要有兩種類型的電能回饋裝置。一種為適用于普通變頻器，即將IGBT模塊組成的有源逆變單元直接作為變頻器的一個外圍裝置，并聯到變頻器的直流側，同時取消能耗制動電阻，將再生能量回饋到電網中。該裝置成本低、結構簡單、可靠性高，但是功率因數低、網側諧波污染較大[4]。另一種在整流部分采用可關斷器件，應用PWM控制技術，使直流側的能量直接回饋到電網上。

1.2 醫用電梯機械系統的能耗組成及影響因素

醫用電梯機械系統的主要耗能部件或系統可分為:變頻驅動系統、曳引系統、控制顯示、通風照明、門機系統等。這些部件或系統的能耗特性存在一定規律，可以從相關部件或系統的試驗數據或數學模型中獲取。其中電梯的變頻驅動系統和曳引系統是能耗的主要部分。圖1列舉了電梯能耗的部分影響因素。電梯能耗模型準確與否取決于對這些因素的考慮和處理。區分這些因素也有利于從電梯能耗測試曲線中提取電梯的能耗信息。另外，電梯的能耗和其工作狀態密切相關。電梯的工作狀態可分為休眠、待機、運行。有研究表明，醫用電梯制動頻繁，運行時間長，機械性大，電動機拖動負載消耗占總量的70%以上。電梯的運行狀態按順序又分為:開門關門-加速-勻速-減速-開門關門。區分這些狀態，有利于對測試的電梯能耗曲線分段處理。由于電梯的休眠、待機、開關門的能耗相對簡單和固定，可以對它們單獨測量與合理進行節能。

1.3 醫用電梯機械系統啟動硬件體系發展現狀

醫用電梯機械系統啟動硬件體系包括轎廂以及其內部負載、對重系統和曳引機機構三個部分。其中對重系統是介于轎廂滿載與轎廂空載之間的，根據醫用電梯實際應用過程中的載重情況，可以對對重系統的重量進行調整。在醫用電梯的實際運行過程中，通過外部電源對曳引機機構進行供電，利用曳引機機構中電機帶動轎廂以及負載運行，對重系統可以保證轎廂以及負載上升和下降到某一個位置保持穩定。

2 醫用電梯機械系統啟動自動節能改造硬件體系的建立

2.1 系統硬件結構

本文所研究的利用超級電容對醫用電梯機械能量通過回饋變換成再生電能進行存儲利用的系統。在硬件設計方面集信號采樣處理、顯示、通訊和控制等功能為一體。在硬件結構中，除了核心DSP芯片和超級電容器組及其均壓裝置之外。硬件系統中還包括信號采樣電路、信號調理電路、電源電路、顯示電路、隔離驅動電路和通訊電路等。具體系統硬件結構見圖2。

2.2 主要硬件選型

本文主要對系統硬件中的主要器件進行選型，包括DSP芯片選型、DC/DC變換器設計選型以及傳感器選型進行探討。

2.2.1 DSP芯片選型

本文采用的TMS320F2812是基于TMS320C2XX內核的64位定點DSP芯片，最新的64位定點DSP芯片可以提供150MIPS，這樣既保證了運算精度同時也提升了系統的處理能力。此外，TMS320F2812還包括一系列功能強大的外圍設備。同時本系統利用所選擇的DSP芯片中的SCI串口和CAN總線接口進行數據的傳輸，完成通訊的功能。

2.2.2 DC/DC變換器設計選型

本文所研究的系統中采用雙向DC/DC變換器，這樣可以保證超級電容與外部電網之間的能量傳遞。為此，需要雙向DC/DC變換器具有較大的功率和高效率。因此在選擇雙向DC/DC變換器時，功率參數和能耗問題是需要考慮的因素，除此之外，還需要分析選定輸入輸出電壓等參數。

2.2.3 傳感器選型

本系統中采用LEM電壓傳感器，起工作原理基于霍爾電磁效應，該傳感器的額定電壓可以達到500V以上，對于直流電壓信號和交流電壓信號都可以進行測量，與其他同類型的電壓傳感器相比，其具有測量精度高、測量過程線性度好、溫漂低、抗干擾能力強以及耗能小等優點。

2.3 DC/DC變換器控制

DC/DC變換器是一個周期通斷的電壓調節裝置，當超級電容中的能量達到一定的水平，通過DC/DC變換器對外放電。在控制中，當前常用的軟開關電路控制主要有以下三種:準諧振電路、零轉換PWM電路和零開關PWM電路。準諧振電路諧振電壓峰值較大，要求開關器件必須具有較高的耐壓值，諧振電流的有效值也很大，會造成損耗增加。零轉換PWM電路產生的損耗較小，而且可以保證開關器件從始至終都保持軟開關狀態，但是零轉換PWM電路有一個很大的缺陷，構成電路所需要的器件多，雖然可以減少器件上面的電壓和電流的應力，整體電路構成價格昂貴。本文為此所采用的為零開關PWM電路。

2.4 電路模塊設計

本系統的硬件電路中，除了核心DSP芯片和超級電容器組以外，還包括實現各個子功能的硬件模塊電路，包括電源模塊、隔離驅動模塊、信號調理模塊、CAN總線通訊串口模塊、SCI串口通訊模塊等。比如本系統硬件電路中，主電路與開關器件之間需要設計一個驅動電路，驅動電路的選擇除了需要滿足能夠精確控制、開關時間短和開關損耗低等要求以外，還需要具有隔離作用，故本文采用具有隔離作用的驅動電路，可以保證驅動作用的同時在主電路與變換器之間形成電氣隔離。通常是采用光電器件或者光耦芯片來實現光隔離。

3 醫用電梯機械系統啟動自動節能改造硬件體系的調試-定時器中斷控制調試

在系統軟件調試過程中．為了保證系統控制精度，采用定時器中斷方式，每1ms產生一次中斷，為了檢測定時器中斷程序的正確性。程序通過電路板上的指示燈來觀察，每產生一次中斷，調試程序改變一次指示燈的狀態。通過示波器測得燈兩端的電壓狀態。調試結果每1ms燈的狀態改變一次，定時器中斷程序正確。

4 結語

總之，本文所設計的系醫用電梯機械系統啟動自動節能改造硬件體系選擇TMS320F2812 DSP芯片為核心，利用該芯片的強大配置和功能，大大減少了系統的能量消耗，并且回送電能給電網促進了能量的再利用，值得推廣應用。

參考文獻

[1]孫立新．超級電容儲能是電梯節電裝置[J]．用戶時空．2009，20(20):18-19．

[2]耿建明，李體明等．超級電容器的儲能特性研究[J]．低壓電器，2008(5):15-18．

[3]蘇奎峰，呂強．TMS320F2812 DSP原理及C程序開發[M]．北京:北京航天航空大學出版社．2008．

[4]李軍，李驥．基于DSP的雙向DC/DC變換器控制系統設計[J]．儀表技術，2009(9):68-70．