基于AVR的自動扶梯 (一)

1.1 研究背景

自動扶梯廣泛應(yīng)用于大型商場、超市、機場、地鐵、賓館等場合，大多數(shù)扶梯在客流量大的時候，工作于額定的運行狀態(tài)，在沒有乘客時仍以額定速度運行，具有耗能大、機械磨損嚴(yán)重、使用壽命低、運行不夠安全等缺點，為此我們設(shè)計了利用ATmega128開發(fā)板和EVK1100與變頻控制相結(jié)合的節(jié)能及安全監(jiān)控系統(tǒng)以改善扶梯以往的缺點，我們期望通過本項目的設(shè)計與實施，來掌握利用ATMEL UC3A0512和ATmega128芯片完成項目，使ATMEL芯片在中國應(yīng)用得更加廣泛。

1.2 自動扶梯使用現(xiàn)狀分析

隨著自動扶梯的擁有量不斷的上升和前段時間各地頻發(fā)的自動扶梯運行事故，扶梯節(jié)能降耗和安全運行的研究已引起社會各界的關(guān)注，研究扶梯的節(jié)能降耗方法和加強扶梯的安全性能已經(jīng)是大勢所趨。

1.3 節(jié)能原理及運行監(jiān)控分析

節(jié)能原理：大多數(shù)自動扶梯驅(qū)動系統(tǒng)的核心是一個交流(AC)感應(yīng)電機。盡管交流感應(yīng)電機是可靠的動力源，許多"終端用戶"卻不知交流電機在載荷較輕時，其效率很低。 由于大多數(shù)交流電機固有的設(shè)計，交流電機20% ～40%做的是無用功，這部分能量常常以熱量的形式白白被浪費掉，在談節(jié)能方式之前，首先對自動扶梯的電機能耗進行分析。

從圖1-1中可以看出，電動機在正常運行狀態(tài)下的功率損耗主要有3個部分:即定子銅耗定子鐵耗和轉(zhuǎn)子銅耗。由于轉(zhuǎn)子中的電流頻率很低， 因此轉(zhuǎn)子的鐵耗較小，可以忽略不計，另外，機械損耗和附加損耗也是較小的將可其忽略。而定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗分別與定子和轉(zhuǎn)子中的電流的平方成正比，因此，減小電流將顯著降低這兩種損耗。至于定子中的鐵耗，包括磁滯損耗和渦流損耗， 兩者都近似地與電源頻率成正比， 與鐵芯中的磁感應(yīng)強度的平方成正比由此可見，減小頻率和降低鐵芯磁通密度將會顯著降低定子鐵耗。

根據(jù)電機學(xué)原理可知：

輸入功率=定子銅耗+鐵耗+轉(zhuǎn)子銅耗+機械損耗+附加損耗+輸出功率= (定子銅耗+轉(zhuǎn)子銅耗) + (鐵耗+機械損耗+附加損耗) +輸出功率=可變損耗+損耗+輸出=損耗+輸出功率從以上分析可知，要想使自動扶梯電機節(jié)能，就必須從減少電機損耗和減少輸出功率兩方面進行。

1)減少損耗：減少損耗也就是提高電機的工作效率。通常電機的工作效率在75% ～80%額定負(fù)載時效率最高。 在輕載時可調(diào)整輸入電壓來減少損耗，當(dāng)可變損耗等于不變損耗時，異步電機的效率達到最大值。

2)減少輸出功率：電機的輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，采用變頻調(diào)速可線性減少自動扶梯的輸出功率，而達到節(jié)能的目的。微機變頻調(diào)速是通過調(diào)節(jié)電源的頻率來改變異步電機的轉(zhuǎn)速，在自動扶梯無人空載時可降低扶梯的轉(zhuǎn)速(如20%或50%額定轉(zhuǎn)速) ，進行節(jié)能，在扶梯檢測到需要載人時再事前恢復(fù)到正常速度， 變頻器在輕載時，可自行調(diào)整輸入電壓來降低損耗。

根據(jù)異步電機的等效電路可以計算電機的各種運行性能，也可以通過空載試驗和短路試驗做出異步電機的“圓圖”，進而得到電機輸出轉(zhuǎn)矩M2、效率η、轉(zhuǎn)差率s、定子電流I1、功率因數(shù)cosθ等參數(shù)與電機輸出功率P2 的關(guān)系曲線，典型異步電機的運行性能，如圖所示。

由圖1-2可見，異步電機在輕載或空載時的效率是很低的，理由是電機的激磁電流即電機的空載電流較大，電機的定子銅耗，特別是定子鐵耗在輕載時并不比額定載荷時降低多少，因為空載電流較大，導(dǎo)致電機在輕載時功率因數(shù)很低。異步電機的這一運行特性，正是能在自動扶梯上實現(xiàn)降壓節(jié)能的基礎(chǔ)。

運行監(jiān)控原理：自動扶梯發(fā)生事故的主要原因有：扶梯逆轉(zhuǎn)、扶梯電機過熱引起火災(zāi)、扶梯上人數(shù)過多引發(fā)扶梯事故。本項目通過局域網(wǎng)通信將自動扶梯的運行情況通過局域網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心人員在扶梯不正常運行時在監(jiān)控中心可通過局域網(wǎng)控制自動扶梯的運行，從而在第一時間解決危險。

1.4 系統(tǒng)控制分析

1.4.1 系統(tǒng)節(jié)能運行方案

當(dāng)有乘客進入扶梯入口處時，光電感應(yīng)裝置檢測到有效信號，此信號被送入ATmega128，經(jīng)過處理輸出一個控制信號，經(jīng)過繼電器模塊使變頻器按照設(shè)定的加速度進行無極變速，達到一個穩(wěn)定的速度開始正常運行。同時定時器T1清零并開始計時，當(dāng)T1在小于系統(tǒng)設(shè)置的T2時間段內(nèi)，光電感應(yīng)裝置檢測到一個新的乘客進入，則T1又清零并重新開始計時，如果T1一直運行到大于T2的時間段后，表明在設(shè)置的T2時間內(nèi)沒有新的乘客進入，此時扶梯通過變頻器切換到低頻運行，開始進入低速節(jié)能運行狀態(tài)。此后若T1在小于系統(tǒng)設(shè)置的T3時間段內(nèi)，光電感應(yīng)裝置檢測到新的乘客進入，則T1再度清零并計時，同時變頻器從低速節(jié)能運行狀態(tài)開始緩慢加速到額定速度運行，若T1的值大于T3，則表明扶梯在節(jié)能運行狀態(tài)下經(jīng)過等待后還無乘客進入，此時扶梯就從低速節(jié)能運行狀態(tài)變?yōu)橥Ｖ?，從而達到最大節(jié)能。

安全方面：系統(tǒng)通過攝像頭和溫度傳感器、人數(shù)計數(shù)傳感器監(jiān)檢測，將扶梯現(xiàn)場運行情況和具體數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控中心的PC機，監(jiān)控人員在監(jiān)控室可以通過局域網(wǎng)觀察扶梯運行數(shù)據(jù)，當(dāng)扶梯運行數(shù)據(jù)超出了設(shè)定值時現(xiàn)場會發(fā)出警報，并在顯示屏上顯示故障。中心人員可通過局域網(wǎng)在網(wǎng)頁上觀察扶梯運行情況，從而在第一時間通過在局域網(wǎng)網(wǎng)頁上的操作對扶梯進行控制。另外扶梯上安裝了急停按鈕，當(dāng)發(fā)生是事故時扶梯乘客可按下急停按鈕，使扶梯停止運行。

1.4.2 自動運行的要求

當(dāng)運行方向設(shè)定后，打開電源，扶梯處于停止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)安裝在扶梯入口的光電檢測裝置檢測到有乘客正向進入扶梯入口時，扶梯開始緩慢加速至額定速度運行，進入高速運行狀態(tài)。

在預(yù)先設(shè)定的高速運行等待時間內(nèi)，沒人乘梯時，扶梯開始減速為低速運行，進入低速運行等待狀態(tài)。

扶梯在預(yù)先設(shè)定的低速運行等待時間內(nèi)時，若又有人進入扶梯，此時扶梯緩慢加速至額定速度運行狀態(tài);若沒人乘梯，則扶梯自動停止運行，進入停止待機狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)運行。

在扶梯運行過程中，扶梯非正常減速或非正常加速時，系統(tǒng)會發(fā)出警報并停止運行。

當(dāng)溫度傳感器檢測到扶梯電機溫度過高時，會發(fā)出語音警報“扶梯非正常運行，現(xiàn)暫停使用”。

當(dāng)扶梯上檢測到的人數(shù)高于設(shè)定的人數(shù)時扶梯會液晶屏上會顯示“扶梯已達額定人數(shù)，請乘客稍后使用”。等乘客走出扶梯是出口處的光電傳感器會使顯示屏上的人數(shù)減一，提示自動解除。1.4.3 電氣控制要求

扶梯啟動運行平穩(wěn) ，無抖動。

無人乘梯時，扶梯自動平穩(wěn)過渡到節(jié)能狀態(tài)。

1.4.4 檢測裝置滿足的要求

安裝在扶梯入口處的乘客檢測裝置檢測是否有人乘梯。但是為了確保乘客的安全， 按照《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規(guī)范》的要求自啟動的扶梯，應(yīng)在該使用者走到梳齒相交線之前啟動運行， 故乘客檢測裝置應(yīng)滿足以下要求。

(1)光束， 應(yīng)設(shè)置在梳齒相交線之前至少1.3m外。

(2)觸點踏墊， 其外緣應(yīng)設(shè)置在梳齒相交線之前至少1.8m處， 沿運行方向的觸點踏墊長度至少為0.85m處。

在實際設(shè)計時可選擇安裝在扶手進出口處的光電漫發(fā)射裝置來實現(xiàn)改要求，本系統(tǒng)設(shè)計時選擇光電漫反射裝置， 能夠確保每一個從不同方向走過來的乘客都能被有效的探測到， 從而實現(xiàn)自啟動的功能。

1.5 項目實現(xiàn)的功能

節(jié)能方面：通過增加變頻器來控制扶梯運行的速度，當(dāng)梯上有乘客時，扶梯以高速運行(例如額定速度)，提高客流量，當(dāng)乘客檢測裝置在一段時間內(nèi)沒有檢測到乘客通過時，扶梯開始減速轉(zhuǎn)為低速運行(例如0.2m/s，參數(shù)可設(shè)置)，此時一直處于待機運行中，即為非自啟動節(jié)能。

(1)運行狀態(tài)描述

變頻控制，無人時低速，有人時高速。高速運行時間記為T1，可通過ATmaga128開發(fā)板程序進行設(shè)置，具體時間根據(jù)梯的提升高度和速度而定。

(2)運行步驟

當(dāng)扶梯上電停止等待，有方向(比如上行)開始運行時，此時扶梯以低速開始節(jié)能運行進入待機等待。下方光電傳感器檢測是否有人通過，當(dāng)有人通過時，控制器內(nèi)部的定時器(記為T)清零，此時扶梯開始緩慢加速至額定速度運行。額定運行時定時器(記為T)開始計時.當(dāng)有一段時間沒人乘梯即T≥T1時，扶梯又開始減速進入低速運行待機等待狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)運行。

安全監(jiān)控方面：局域網(wǎng)安全監(jiān)控主要使用了EVK1100開發(fā)板，用于局域網(wǎng)通信，通過網(wǎng)線可與上位機完成數(shù)據(jù)交換。通過攝像頭監(jiān)控中心的人員可以看到扶梯的運行情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)扶梯有危險時監(jiān)控中心的人員可以通過局域網(wǎng)網(wǎng)頁上的STOP按鈕讓扶梯停止運行。當(dāng)故障確定解除后工作人員可以通過RUN按鈕讓扶梯重新工作。

另外，當(dāng)扶梯的電機超負(fù)荷運行導(dǎo)致溫度高于100℃時，溫度傳感器會發(fā)出警報(模擬時設(shè)定40℃)。當(dāng)扶梯運行速度過快和過慢時，單片機通過讀取速度傳感器反饋的速度判斷險情從而報警。當(dāng)扶梯上人數(shù)達到系統(tǒng)設(shè)定的最高人數(shù)時會提醒乘客稍后再使用，當(dāng)出口處的光電傳感器檢測到有人出扶梯時，人數(shù)會自動減一，提示會自動解除。

1.6 系統(tǒng)總體分析

1.6.1 系統(tǒng)框圖

自動扶梯變頻控制系統(tǒng)是在原工頻控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝光電探測傳感器、變頻器、攝像頭、溫度傳感器、ATMEGA128開發(fā)板、ATmega128以及其他必要的輔助元件，進行變頻運行及安全監(jiān)控。

ATmega128開發(fā)板是控制系統(tǒng)的核心，它的作用是對各種輸入信號如乘客光電檢測，控制扶梯節(jié)能運行，并對扶梯運行情況進行檢測與顯示。EVK1100進行安全監(jiān)測并對信號進行處理，控制危險情況下時扶梯的停止并發(fā)出警報等。變頻器的作用是根據(jù)ATmega128的輸入控制信號改變扶梯驅(qū)動電機的電源頻率，使扶梯能夠以一定的加速度進行軟啟動或進入低速節(jié)能狀態(tài)運行。故障顯示裝置的作用是對各種故障現(xiàn)象進行顯示。

該控制系統(tǒng)主要由紅外探測傳感器、變頻器、ATmega128開發(fā)板、EVK1100開發(fā)板和其他必要輔助元件等組成。安裝在入梯口的光電探測傳感器，隨時監(jiān)測自動扶梯的載客情況;ATmega128開發(fā)板是控制系統(tǒng)的核心，它接收光電探測傳感器、溫度傳感器、速度傳感器等裝置送來的各種輸入信號，并對接收的輸入信號進行處理，實現(xiàn)運行、停止、故障判斷及記錄、狀態(tài)顯示等功能;變頻器主要是根據(jù)ATmega128開發(fā)板的輸出控制信號改變電源頻率，自動調(diào)節(jié)扶梯的運行速度，保證啟動運行平穩(wěn)。

1.6.2 系統(tǒng)主電路分析

由于自動扶梯使用場合的特殊性，相當(dāng)一部分扶梯的空載時間往往大于載客時間，為了提高整個系統(tǒng)的安全可靠性，降低成本，本設(shè)計采用旁路變頻控制。即在原來工頻空載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上(即保留主電機原工頻空載系統(tǒng))加裝光電感應(yīng)開關(guān)、變頻器和ATmega128芯片等裝置。其主電路圖如圖1-7所示。

變頻器的R、S、T端子與市網(wǎng)的三相電源通過保護開關(guān)相連，U、V、W與扶梯的電機電源端通過交流接觸器KM1相連接，扶梯的上行和下行方向通過切換KM3與KM4主觸點分別導(dǎo)通來控制。為了嚴(yán)格防止扶梯由于程序故障導(dǎo)致逆行，KM3(上行)和KM4(下行)導(dǎo)通與否不通過程序控制，而是由工作人員手動控制，同時為了防止工作人員誤操作，可設(shè)置二次確認(rèn)的方式以保證絕對安全，即必須依次按下兩個按鈕才可確保扶梯改變運行方向。檢修模式下，扶梯由變頻器供電，以設(shè)定的低速運行。FR為市網(wǎng)供電工作時扶梯電機過載保護裝置熱繼電器，M為扶梯三相驅(qū)動電機。

旁路變頻控制的優(yōu)點是實現(xiàn)了無人乘梯時低速運行或停止，達到節(jié)能、降低噪聲、減少機械磨損的目的。由于采用了變頻控制，使系統(tǒng)的啟動平穩(wěn)，降低了對電網(wǎng)和機械設(shè)備的沖擊。