電梯應急救援裝置的柔性控制

肖紅軍 李先祥 肖曉

（1.佛山科學技術學院 2.91630部隊）

1 問題描述

隨著現(xiàn)代化進程的推進，電梯使用越來越廣泛，其安全問題也越來越受到重視，如何主動避險是電梯行業(yè)的熱門研究課題。隨著科技日新月異的發(fā)展，各種新材料、新工藝、新技術不斷地被應用到電梯中，使電梯向著更安全、更快捷、智能化程度更高的方向發(fā)展。因電梯本身的故障導致停梯困人的情況雖然日益減少，但因其它因素導致電梯供電中斷以致停梯困人的問題則日益凸現(xiàn)。為最大限度地減小停梯對被困乘客心理和生理上的不利影響，電梯應急救援裝置應運而生。該裝置能夠在電梯供電中斷的情況下自動投入應急救援，將電梯轎廂慢速運行到就近層停靠，打開轎門和廳門，放出受困的乘客，主動避免由于電梯供電中斷故障造成乘客的人身傷害和設備的損壞。

20世紀，電梯拖動系統(tǒng)絕大部分使用異步電動機。21世紀，由于永磁同步電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、出力大、效率高等特點，新增的電梯拖動系統(tǒng)大部分使用永磁同步電動機。因此，研制一種適合各種永磁同步電動機的電梯應急救援裝置具有廣泛的應用前景。對于廠家來說，該裝置最好能同時兼容異步電動機拖動系統(tǒng)。

該裝置設計難點在于存在太多不確定因素，這些不確定因素分為兩類：第一類是該裝置裝配前不能確定，裝置運行時可以確定的因素，如拖動設備可能是永磁同步電動機也可能是異步電動機，電梯用的永磁同步電動機還分凹極式和凸極式，電機功率、電機額定電壓、額定電流不確定，抱閘所需時間不確定，平層時間不確定，電梯配比不確定等；第二類是裝置運行時還不確定的因素，如轎廂承重不確定，以致運行方向不確定，且由于鋼絲的存在，轎廂承重隨著電梯上下行也會不同等。

本文根據(jù)需要提出了總體設計方案，然后重點針對兩種不確定情況提出具體的解決方法，以滿足不同類型的電梯拖動系統(tǒng)的柔性控制。

2 總體設計方案

應急救援裝置包括中控板、操作盒、檢測驅動板、接口板、蓄電池組及充電板，總體設計方案原理框圖如圖1所示。中控板是該裝置的核心功能部件，實現(xiàn)電機控制算法、裝置的邏輯控制、通信、數(shù)據(jù)存儲等功能，其中虛線框內(nèi)為DSP TMS320lf 2407軟件實現(xiàn)的功能。操作盒用于參數(shù)設置、運行和顯示等。檢測驅動板包括電梯邏輯信號檢測，電壓、電流檢測保護等。接口板包括控制繼電器等。檢測驅動板輸出的信號接至IGBT功率器件，直接對蓄電池供電電壓實現(xiàn)逆變。因此該裝置控制電機在低頻低壓的工況下運行。

一般情況下，電梯供應商不允許應急救援裝置安裝位置傳感器，因此無法得到位置信號，從而無法實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。而電梯只有運行在平穩(wěn)的速度下才能滿足轎廂乘客的舒適要求。因此，裝置以采集母線電流值作為反饋信號，設計一個改進的模糊控制器，控制電壓調整度，最終實現(xiàn)電機控制。

3 裝置柔性控制設計

該裝置針對兩類不同的不確定因素，采用不同的解決方法，實現(xiàn)裝置的柔性控制，以滿足不同電梯應急救援的要求。

圖1 應急救援裝置總體設計方案原理框圖

3.1 第一類不確定因素

該類不確定因素在裝置安裝時可以確定或者裝置調試時可以得到實驗值，只需通過操作盒設置參數(shù)，上傳至中控板保存，下次運行時調用保存在EEPROM里面的參數(shù)即可正常運行。

3.2 第二類不確定因素

此類不確定因素是指某些運行參數(shù)隨著運行狀態(tài)的變化而不可預知，這里主要討論蓄電池電量不確定和轎廂承重不確定兩種因素。

蓄電池電量和外接蓄電池數(shù)量有關，這在裝置安裝時可以確定，屬于第一類不確定因素。一般使用四個12V蓄電池，特殊情況下小功率電機的拖動系統(tǒng)只需三個12V蓄電池，特大功率電機則用五個或者六個12V蓄電池。但是蓄電池充電后的電量會隨著使用年限增加而減少，且隨著裝置運行而減少。因此在安裝調試時設置的參數(shù)只能作為參考值。該參數(shù)實際是控制調制電壓，考慮到蓄電池電量不確定，將該參數(shù)歸一化處理，即選電壓調制度作為參數(shù)。從圖 1虛線框內(nèi)可知，模糊控制器輸出是電壓調制度的增量。

轎廂承重的不確定是影響裝置正常運行的主要因素。它主要由以下原因造成：轎廂所載乘客數(shù)量未知，轎廂所處位置未知，啟動時轎廂運行方向不確定，轎廂運行時位置變化等。轎廂承重的不確定直接導致電流不確定。因此，系統(tǒng)采用二維模糊控制器來實現(xiàn)，拖動系統(tǒng)控制結構圖如圖2 所示。

電流和電流變化率作為模糊控制器的輸入，電壓調制度增量作為模糊控制器的輸出。給定電壓調制度為裝置安裝時根據(jù)現(xiàn)場調試情況在操作盒設定的。一般情況下，該設定調制度在調試時能滿足電梯輕載和重載運行要求。模糊控制器的作用是根據(jù)電流和電流變化率調整輸出增量調制度，保證開機時電梯不會因為調制度過低而飛車。

圖2 拖動系統(tǒng)控制結構圖

根據(jù)仿真和實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，若電梯正常運行，則母線電流比較平穩(wěn)。因此模糊控制狀態(tài)如表1。其中，電流I的基準點（即語言變量0的隸屬度為1時）取值為0.9×Inom（Inom為電動機電流額定值，由操作盒設定），論域為 [ 0.6×Inom,1.2×Inom]，當電流超出此范圍，裝置直接剎車，并放抱閘，以防電梯飛車。△I的論域由操作盒根據(jù)現(xiàn)場調試情況設定，同樣，當△I超出設定范圍，裝置直接剎車，并放抱閘。

表1 模糊控制狀態(tài)表

4 試驗結果

現(xiàn)場試驗拽引電機參數(shù)如下：PN=11.2kW，VN=176V，IN=43A，fN=17kW，p =20，采用四節(jié)12V、12安時的蓄電池供電。先設定操作盒的參數(shù)，如電梯運行時間、過電流保護值、欠電流保護值、低壓保護值、開門延時時間等26個參數(shù)。其中包括頻率f取4Hz，調制度M取0.85，電流檢測延時時間取0.5s，輕載方向運行。檢測單相電流波形如圖3 所示。

圖3 的單相電流波形表明，隨著電機啟動后的逐步加速，電流也會先增大后逐步減小，電機達到制定運行頻率時，電流趨于穩(wěn)定。

5 結論

本裝置針對兩類不同的不確定因素，采用不同的解決方法，實現(xiàn)裝置的柔性控制，以滿足不同電梯應急救援的要求。該裝置現(xiàn)已成為產(chǎn)品，廣泛安裝在酒店、公寓、敬老院、住宅等電梯房。必須說明的是，該裝置并不能保證適用于所有電梯應急救援，因為蓄電池電量有限，對一些特殊電梯拖動電機，即使功率不大，但其額定頻率低，額定電壓也低，所以采用48V電池供電，也難以實施應急救援。但該裝置較以前裝置拖動能力已大大增強，實施救援時轎廂更加平穩(wěn)。

圖3 單相電流波形

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