醫(yī)用電梯機械系統(tǒng)啟動自動節(jié)能改造硬件體系的建立

摘要:近些年來我國醫(yī)院高層建筑業(yè)到長足發(fā)展，醫(yī)用電梯也得到越來越廣泛的應用，而作為耗能大戶的醫(yī)用電梯其運行能耗十分驚人。因此，研究醫(yī)用電梯機械系統(tǒng)節(jié)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(yī)用電梯機械系統(tǒng)啟動自動節(jié)能改造硬件體系。

關鍵詞:醫(yī)用電梯機械系統(tǒng)節(jié)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(xù)發(fā)展社會的建立，電梯使用過程中存在的節(jié)能問題也得到越來越廣泛的關注。本文為此具體探討了醫(yī)用電梯機械系統(tǒng)啟動自動節(jié)能改造硬件體系的建立。

1 電梯與節(jié)能

1.1 當前我國醫(yī)用電梯機械系統(tǒng)節(jié)能要求

根據電梯運行原理，電梯減速制動時，電機處于發(fā)電工作狀態(tài)。目前電梯一般將制動產生的能量回饋到變頻器直流環(huán)節(jié)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(yī)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(fā)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(lián)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(yī)用電梯機械系統(tǒng)的能耗組成及影響因素

醫(yī)用電梯機械系統(tǒng)的主要耗能部件或系統(tǒng)可分為:變頻驅動系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、控制顯示、通風照明、門機系統(tǒng)等。這些部件或系統(tǒng)的能耗特性存在一定規(guī)律，可以從相關部件或系統(tǒng)的試驗數據或數學模型中獲取。其中電梯的變頻驅動系統(tǒng)和曳引系統(tǒng)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(qū)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(tài)密切相關。電梯的工作狀態(tài)可分為休眠、待機、運行。有研究表明，醫(yī)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(tài)按順序又分為:開門關門-加速-勻速-減速-開門關門。區(qū)分這些狀態(tài)，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(jié)能。

1.3 醫(yī)用電梯機械系統(tǒng)啟動硬件體系發(fā)展現狀

醫(yī)用電梯機械系統(tǒng)啟動硬件體系包括轎廂以及其內部負載、對重系統(tǒng)和曳引機機構三個部分。其中對重系統(tǒng)是介于轎廂滿載與轎廂空載之間的，根據醫(yī)用電梯實際應用過程中的載重情況，可以對對重系統(tǒng)的重量進行調整。在醫(yī)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(tǒng)可以保證轎廂以及負載上升和下降到某一個位置保持穩(wěn)定。

2 醫(yī)用電梯機械系統(tǒng)啟動自動節(jié)能改造硬件體系的建立

2.1 系統(tǒng)硬件結構

本文所研究的利用超級電容對醫(yī)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(tǒng)。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(tǒng)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(tǒng)硬件結構見圖2。

2.2 主要硬件選型

本文主要對系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(jié)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(tài)，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(tǒng)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(tǒng)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(yī)用電梯機械系統(tǒng)啟動自動節(jié)能改造硬件體系的調試-定時器中斷控制調試

在系統(tǒng)軟件調試過程中．為了保證系統(tǒng)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(tài)。通過示波器測得燈兩端的電壓狀態(tài)。調試結果每1ms燈的狀態(tài)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(yī)用電梯機械系統(tǒng)啟動自動節(jié)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(tǒng)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(jié)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(fā)[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(tǒng)設計[J]．儀表技術，2009(9):68-70．