變頻調速液壓電梯中單片機控制器的設計與優化

張麗杰

（寧夏理工學院，寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

目前，變頻調速是電動機調速常用方式，而且變頻調速技術在液壓電梯的控制中有很大的優勢，不僅節能，同時由于變頻器還具有過流、過載、電動機過熱、過壓及欠壓、超速及失速等保護功能，使得電動機的啟動電流大為減小，從而延長了電動機的壽命。因此，變頻調速技術是液壓電梯領域中最具有前途的一個發展方向，通過對單片機控制器的優化實現了變頻調速對液壓電梯的穩定控制。

圖1 變頻調速液壓電梯控制系統原理圖

1 系統設計

1.1 系統框圖

變頻調速液壓電梯系統主要由轎廂及傳動裝置、動力泵站、電梯控制柜、變頻器、單片機控制器、編碼器等幾個部分組成［1］。單片機控制器是控制系統中的核心部件，它采集各種參與控制的信號，并經過綜合處理向各執行部件輸出所需的控制信號。變頻器在單片機控制器的控制下，將來自電網的能量按所需的電壓、電流和頻率輸出給動力泵站中的電動機。變頻調速液壓電梯控制系統原理如圖1。

變頻器的轉速控制信號為0～10 V的模擬電壓信號，本設計中采用PWM方式來實現D/A輸出［2］。因此需要合理的設計PWM的濾波電路來得到精密的輸出電壓。

逆變器主電路如圖2。

圖2 逆變器主電路

系統工作原理:在新的采樣周期到來時，從光電編碼器測得的電動機速度反饋信號通過PSP接口反饋到從處理器PIC16F877A，從處理器通過PSP接口從主處理器AT89S52處獲得電動機給定速度，或是由單片機系統自行給定速度。單片機系統根據給定的運動速度與速度的反饋信號相減，得出偏差，經過各種算法得出控制量，再把控制量以PWM的形式輸出，經過脈沖分配延時，功率放大驅動交流電動機。

1.2 PWM的濾波電路

PWM波的解調過程如下（圖3）:首先由PICl6F877 CCP2端口輸出的高速PWM波首先經過6N137高速光耦進行隔離，經過隔離后的脈沖驅動單刀雙擲模擬開關MAX4599，由PWM脈沖控制模擬開關公共點使之與+5 V和地接通，從而在模擬開關的輸出端得到整定后的PWM波，該PWM波與CCP2端口輸出的波形相比，它們的占空比是一致的，但經過模擬開關后輸出的PWM波形更為精密，因為模擬開關+5 V電壓是由精密基準電壓參考芯片REF02提供的。由模擬開關輸出的PWM波經過兩級RC低通濾波后得到0～5 V的模擬電壓。由于控制變頻器所需的電壓為0～10 V，所以在RC濾波器后采用了一個放大倍數為2的同相放大器［3］。同時為了提高電路的帶載能力，將放大后的電壓經過一個電壓跟隨器后再輸出到變頻器。

圖3PWM濾波電路

2 系統優化

2.1 單片機控制器D/A輸出曲線的分析

對單片機控制器的D/A輸出控制電壓進行采集，經對比發現單片機控制器的D/A輸出電壓所含毛刺尖峰過大、數量過多，雖然在電梯多次運行的過程中，并未發生失控現象，但輸出控制電壓中過多毛刺的存在對控制系統而言仍然是一種隱患，而且由于輸出的控制電壓曲線不夠平滑，會影響到單片機控制器輸出的控制電壓的精度，從而對電梯的控制性能產生不良影響。因此仍然有必要提高單片機控制器輸出的控制電壓的品質。

通過采集多個實驗樣本對系統的進行驗證發現，大量毛刺是單片機控制器D/A輸出控制電壓不夠純凈，主要是由轉換電路本身的設計缺陷引起的［4］。所以有必要對單片機控制器的D/A輸出電路進行改進。對于由PWM實現的D/A輸出毛刺過多的問題，用仿真和實驗的手段對濾波器的階數對PWM方式實現D/A轉換所得到的電壓輸出品質的影響做了分析，得出了如下的結論:PWM信號通過一階模擬低通濾波器后的D/A輸出波形為一鋸齒波，可用性極差;PWM信號通過二階模擬低通濾波器后的D/A輸出波形尖峰毛刺較大，但具有一定的可用性;PWM信號通過三階模擬低通濾波器后的D/A輸出波形毛刺很小，非常接近理想的D/A輸出，可用性強。

2.2 優化方法

綜合以上的分析，決定采用增加一階阻容濾波的方法來改善D/A輸出電壓中毛刺數量過多、幅值過大的問題。對于阻容濾波中的電容選取了10 μ電解電容、l μ電解電容、1 μ 鉭電容、0.1 μ 鉭電容、0.1 μ 瓷片電容等幾種形式［5］;電阻選取了 1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ 三種，每種電容和電阻都相互組合進行實驗驗證其濾波效果，最終在幾十種組合情況中選擇出最好的一種組合:1 kΩ電阻和1 μF電解電容。圖4為增加一階濾波后，在變頻器正常工作的情況下單片機控制器輸出的D/A控制電壓曲線。可以看出經改善后的單片機控制器的輸出電壓的質量已經達到預期控制電壓的水平。

圖4 增加一級濾波后的單片機控制器的D/A控制電壓輸出曲線

3 PWM實現D/A轉換的精度和線性度分析

為了進一步保證單片機PWM方式輸出的控制電壓更具可用性，在實驗中針對0 V，0.5 V，1.0 V，1.5 V，2.0 V，2.5 V，3.0 V，3.5 V，4.5 V，5.0 V 的指定控制電壓，對單片機控制器的輸出進行采樣，每個輸出值連續采樣10次，求其平均值，以平均值表示該值對應的輸出。實驗結果如表1所示。

表1 單片機的輸出電壓數據表

4.0 3.985 －0.015 4.5 4.481 －0.019 5.0 4.978 －0.022

將以上樣本，通過一定的補償方法驗證增加一階阻容濾波的方法，提高了單片機PWM方式輸出模擬電壓的線性度，文中采用軟件線性回歸的方法對PWM輸出模擬電流信號進行校正［6］。采用最小二乘支持向量機優化方式來校正單片機控制器的輸出誤差。

3.1 LS-SVM理論建模方法

LS-SVM將不等式約束改為等式約束，它需要求解的最優化問題是只含一個等式約束的凸二次規劃問題，所以求解比較簡單，很大程度上降低了運算時間，為在線估計創造了有利條件［7］。而且，相對于常用的線性不敏感損失函數，LS-SVM不需要制定逼近精度e，只是LS-SVM的解不具有稀疏性。其目標函數是

最小二乘支持向量機優化問題轉化為求解線性方程:

因此得到最小二乘支持向量機LS-SVM的非線性函數估計為:

3.2 具體的實現方法

以設定的輸出電壓為自變量x，以單片機控制器的輸出電壓為因變量y，采用基于最小二乘支持向量機優化的線性回歸方法求其回歸方程y=a+bx，通過回歸方程便可以求得對于任意的設定輸出電壓，單片機對應的輸出電壓。

設單片機輸出電壓的回歸方程形式為y=a+bx，根據最小二乘法可以得到

對方程求解可得到回歸系數a、b的計算式

將表1的數據帶入式（6），（7）可以得到

單片機D/A輸出的回歸方程為

在不采用軟件校正的時候，如果想輸出X1（U）的控制電壓，則直接將根據X1的值來設定PWM波的占空比，但這樣輸出的控制電壓并不是X1，而是通過回歸方程Y=－0.165+1.004X求 出 的Y1（U）（Y= － 1.065+1.004X1）。

可以采用如下的方法來提高輸出電壓的線性度:將想要得到的輸出電壓X1（U）賦給回歸方程（3－8）的Y，通過回歸方程可以求出與之對應的指定輸出電壓X＇，然后X＇11為校正后的設定輸出電壓，根據X1＇來設定PWM波的占空比，在單片機控制器的D/A輸出端便可以得到最初想要的值為X1的控制電壓。

4 樣梯實驗效果

將該控制器用于實驗樣梯［8］，從圖5，圖6中可以看出，電梯啟動時無明顯垂直方向的加速度突變，從水平方向加速度來看，整個運行過程平穩，舒適感良好。

5 結語

文中通過對PWM電路的設計和優化，改善了由PWM實現D/A轉換電路的輸出性能，實現了變頻調速技術在液壓電梯應用中的平穩控制、安全可靠、增加舒適度等優點，為今后提高和改善變頻調速的液壓電梯性能提供參考依據。

［1］張漢杰，王錫仲，朱學莉，編著.現代電梯控制技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2001.

［2］韋波.用PWM實現隔離型標準電流輸出D/A轉換器［J］.電子工程師，2004（6）.

［3］李小京，石金橋.利用單片機構成高精度PWM式12位D/A［J］.自動化與儀器儀表，1993（4）.

［4］秦健.一種基于PWM的電壓輸出DAC電路設計［J］.現代電子技術，2004（14）.

［5］向先波，徐國華，張琴.TMS320F240內PWM實現D/A擴展功能［J］.單片機與嵌入式系統應用，2003（1）.

［6］劉濱，楊梅.廉價隔離型高精度D/A轉換器［J］.單片機與嵌入式系統應用，2002（1）.

［7］閻威武，邵慧鶴.支持向量機和最小二乘支持向量機的比較及應用研究［J］.控制與決策，2003，18（3）:358-360.

［8］ Bcringer.VVVF controlled hydraulic power Unit SATURN q［M］.產品樣本.