变频调速液压电梯中单片机控制器的设计与优化.pdf

电气与自动化 张丽杰 变频调速液压电梯中单片机控制器的设计与优化 变频调速液压 电梯 中单片机控 制器 的设计与优化 张 丽杰 宁夏理工学 院。 宁夏 石嘴 山 7 5 3 0 0 0 摘要 针 对采 用 P WM方式来 实现 D ／ A输 出方式 ， 使得模 拟电压信 号的精度和 线性度达到预 定的标准 ， 采用增加 一阶阻容 滤波的方法 ， 改善 了控制 器输 出控 制 电压 品质 ， 又采 用最小二 乘 支持向量机优化方式来校正了单片机控制器的输出误差。通过液压电梯控制实验， 验证了优 化后的单片机控制器对改善变频调速技术性能具有可用性。 关键 词 变频调速 ； P WM； 最小二 乘支持 向量机 ； D ／ A转换 中图分类号 ． T H1 2 ； T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 3 0 3 0 1 7 1 0 4 M i c r o- c o n t r o l l e r De s i g n a nd Op t i mi z a t i o n i n VVVF Hy dr a u l i c El e v a t o r Z H A N G L i - j i e N i n g x ia I n s t it u t e o f S c ie n c e a n d T e c h n o lo g y ， S h i z u i s h a n 7 5 3 0 0 0 ，C h in a Ab s t r a c t T h is p a p e r u s e s P WM me t h o d t o a c h i e v e t h e D ／ A o u t p u t mo d e， t h e a c c u r a c y a n d li n e a d ty o f t h e a n a lo g v o R a g e s i g n a l a r e ma d e me e f t he p r ed e t er mine da n da r d．Fi t o r de r RC f i lt er is a pp l ie d t o i mpr o v i n g t h e qu a l it y o f t h e c on t r ol v o ff a g e of t h e c o n t rell e r ou t p u t an d t h e lea s t s qu ares s up p ed v e c t o r ma ch in es a re u s e d t o op t i mi z e t h e me t h o d an d to c al ibr a t e t h e o u t p u t e r r o r o f s ing le- c hip c o n t r o l l e r ．Th rou g h h y dr au l ic e l e v a t or c o n t rol ex p er i me n t s，t h e o p t imiz e d s in gle- ch i p c o n t r o l ler is v e r if ie d a n d t h e t e c hn ic al p er f orm a n c e of t h e f requ e n c y c o n t r o l a v a i lab i li t y is i mp r o v e d． Ke y wo r d s f req u e n c y c o n t rol ；P WM ；le a s t s q u a res s u p p o d v e c t o r ma c h in e s ；D ／ A t r a n s f o r m 0 引言 目前， 变频调速是电动机调速常用方式， 而且变频调 速技术在液压 电梯的控制中有很大的优势 ， 不仅节能， 同时由于变频器还 有过流、 过载、 电动机过热、 过压及 欠压、 超速及失速等保护功能 ， 使得 电动机的启动电流 大为减小 ， 从而延长了电动机的寿命。因此， 变频调速 技术是液压电梯领域 中最具有前途的一个发展方 向， 通 过对单片机控制器 的优化实现了变频调速对液压电梯 的稳定控制 。 1 系统设计 1 ． 1 系统框 图 变频调速 液压 电梯 系统主要 由轿厢及传动装置 、 动力 泵站、 电梯控制柜、 变频器、 单片机控制器、 编码器等几个 部分组成⋯。单片机控制器是控制系统中的核心部件， 它采集各种参与控制的信号 ， 并经过综合处理向各执行部 件输出所需的控制信号。变频器在单片机控制器的控制 下 ， 将来 自电网的能量按所 需 的电压 、 电流和频 率输 出给 动力泵站中的电动机。变频调速液压电梯控制系统原理 如 图 1 。 图1 变频调速液压电梯控制系统原理图 变频器的转速控制信号为 0 1 O V的模拟电压信号， 本设计中采用 P WM方式来实现 D ／ A输出 。因此需要 合理的设计 P WM的滤波电路来得到精密的输出电压。 逆变器 主电路如 图 2 。 图 2 逆变器主电路 系统工作原理 在新的采样周期到来时， 从光电编码 器测得的电动机速度反馈信号通过 P S P接口反馈到从处 理器 P I C 1 6 F 8 7 7 A。 从 处 理器 通 过 P S P接 口从 主 处 理 器 作者简介 张丽杰 1 9 7 4 - ， 女 ， 宁夏石嘴 山人 ， 高级工程师 。主要研究方向电路 与系统 ， 电机调速 。 M h m e B u i l d i n g 8 Au t o m a t i o n ， ”2 0 1 3 ， 4 2 3 J ～1 7 4 1 7 1 电气与自动化 张丽杰 变频调速液压电梯中单片机控制器的设计与优化 A T 8 9 S 5 2处获得电动机给定速度 ， 或是 由单片机 系统 自行 给定速度。单片机系统根据给定的运动速度与速度的反 馈信号相减， 得出偏差， 经过各种算法得出控制量， 再把控 制量以P WM的形式输出， 经过脉冲分配延时， 功率放大 驱动交流 电动机 。 1 ． 2 P WM 的滤 波电路 P WM波的解 调 过程 如 下 图 3 首先 由 P I C 1 6 F 8 7 7 C C P 2端口输出的高速 P WM波首先经过 6 N 1 3 7高速光耦 进行 隔离 ， 经过 隔离 后 的脉 冲驱 动 单 刀 双 掷 模 拟 开 关 M A X 4 5 9 9 ， 由 P WM脉 冲控 制模 拟开关公共点使之 与 5 V 和地接通 ， 从而在模拟开关的输出端得到整定后的 P WM 波 ， 该 P WM 波与 C C P 2端 口输 出的波形相 比， 它们的 占空 比是一致的， 但经过模拟开关后输 出的P WM波形更为精 密 ， 因为模拟开关 5 V 电压是 由精密基 准 电压参 考芯片 R E F 0 2提供 的。由模拟开关输 出的 P WM波 经过两级 R C 低通滤波后得到 0 5 V的模拟电压。由于控制变频器所 需的电压为 0 1 0 V， 所以在 R C滤波器后采用 了一个放 大倍数为 2的同相放大器 。同时为了提高电路的带载 能力， 将放大后的电压经过一个电压跟随器后再输出到变 频器 。 1 _ ． 1 卜 N D C 2 0 1 1 L LF 稚 。 I墨2里 二 l I 1 j 图 3 P WM 滤 波电路 2 系统优化 2 ． 1 单片机控制器 D／ A输 出 曲线 的分析 对单片机控制 器 的 D ／ A输 出控 制 电压进 行采 集 ， 经 对比发现单片机控制器的 D ／ A输出电压所含毛刺尖峰过 大、 数量过多， 虽然在电梯多次运行的过程中， 并未发生失 控现象 ， 但输出控制电压中过多毛刺的存在对控制系统而 言仍然 是一种隐患 ， 而且 由于输 出的控制 电压 曲线不够平 滑 ， 会影响到单片机控 制器输 出 的控制 电压 的精 度 ， 从而 对电梯的控制性能产生不良影响。因此仍然有必要提高 单片机控制器输 出的控制 电压的品质 。 通过采集多个实验样本对系统的进行验证发现， 大量 毛刺是 单片机控 制器 D ／ A输 出控制 电压 不够纯净 ， 主要 是由转换电路本身的设计缺陷引起的 。所以有必要对 单 片机控制器 的 D ／ A输 出 电路进 行改 进。对 于 由 P WM 实现 的 D ／ A输 出毛刺过 多 的问题 ， 用 仿真 和实验 的手 段 1 7 2 对滤波器 的阶数对 P WM方 式实现 D ／ A转 换所得 到 的电 压输 出品质 的影响做 了分析 ， 得 出了如 下的结论 P WM信 号通过一阶模拟低通滤波器后的 D ／ A输出波形为一锯齿 波 ， 可用性极差 ； P WM信号通过二阶模拟低通滤波器后的 D ／ A输出波形尖峰毛刺较大， 但具有一定的可用性； P WM 信号通过三阶模拟低通滤波器后的 D ／ A输 出波形毛刺很 小 ， 非常接近理想的D ／ A输出， 可用性强。 2 ． 2 优化方 法 综合以上的分析 ， 决定采用增加一阶阻容滤波的方法 来改善 D ／ A输出电压中毛刺数量过多、 幅值过大的问题。 对于阻容滤波中的电容选取了 1 0 电解电容、 l 电解电 容、 1 钽电容、 0 ． 1 钽 电容、 0 ． 1 瓷片电容等几种形 式 ； 电阻选取了 1 k l q ， 1 0 k Q， 1 0 0 k lq三种 ， 每种电容和 电阻都相互组合进行实验验证其滤波效果， 最终在几十种 组合情况中选择出最好的一种组合 1 k n 电阻和 1 Ix F电 解 电容 。图 4为增加一阶滤波后 ， 在变频器正 常工作 的情 况下单片机控制器输出的D ／ A控制电压曲线。可以看出 经改善后的单片机控制器的输出电压的质量已经达到预 期控制电压的水平。 t ／ s 图 4 增加一级滤波后的单片机控制 器 的 D ／ A控制 电压输 出曲线 2 3 P WM 实现 D ／ A转换 的精 度和线 性度分 析 为了进一步保证单片机 P WM方式输出的控制电压更 具可用性 ， 在实验中针对 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的指定控制电压， 对单片机控制器的 输出进行采样， 每个输出值连续采样 1 O次， 求其平均值， 以平 均值表示该值对应的输出。实验结果如表 1 所示。 表 1 单片机的输 出电压数据表 h t t p ∥Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - ma i l Z Z HD e h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 ● 0 C 上T G L锶 丑 哆 一 一一 V 电气与自动化 张丽杰 变频调速液压电梯 中单片机控制器的设计与优化 4 ． O 4 ． 5 5 ． 0 3 ． 9 8 5 4． 4 8l 4． 9 7 8 一 O ． 01 5 一 O ． 01 9 0 ． 0 2 2 将以上样本 ， 通过一定的补偿方法验证增加一阶阻容 滤波 的方法 ， 提高 了单片机 P WM 方式输 出模拟 电压的线 性度， 文中采用软件线性回归的方法对 P WM输出模拟电 流信号进行校正 。采用最小二乘支持向量机优化方式 来校正单片机控制器 的输 出误差 。 3 ． 1 L S S Ⅵ 理论建模方法 L S - S V M将不等式约束改为等式约束， 它需要求解 的 最优化问题是只含一个等式约束的凸二次规划问题 ， 所以 求解比较简单， 很大程度上降低了运算时间， 为在线估计 创 造了有利条 件 ] 。而且 ， 相 对 于常用 的线性 不 敏感 损 失函数 ， L S S V M不需要制定逼近精度 e， 只是 L S S V M的 解不具有稀疏性。 其目标函数是 m in J ，6 ， ll z 1 G N 1 S ． T 一 ． q , x k 6 k 1 ， 2 ， ⋯， Ⅳ 2 最／ b- - 乘支持向量机优化问题转化为求解线性方程 F o Y ⋯ ] I Y l Y lY lK x l ，X 1 I／ C⋯Y ly N K X l ， l y l ； ⋯ ； I l y ／ V Y N Y 1 K Ⅳ ， 、 1 ／ C ⋯Y N Y Ⅳ ， Ⅳ j 3 因此得到最小二乘支持向量机 L S S V M的非线性 函 数估计为 N ．∑a i K ， x k 6 。 4 ’ 1 3 ． 2 具体 的实现 方法 以设定的输出电压为 自变量 ， 以单片机控制器的输 出电压为因变量 Y ， 采用基于最小二乘支持 向量机优化的 线性回归方法求其回归方程 y a b x ， 通过回归方程便可以 求得对于任意的设定输出电压， 单片机对应的输出电压。 设单片机输出电压的回归方程形式为 Y 。 ， 根据 最小二乘法可以得到 5 a i曼l 6 蓍n 2 n 1 i 1 1 ⋯ 对方程求解可得到回归系数 n 、 b的计算式 ．n 蚤 一 ． 互 ； 一 n b ■ 一■■_ 二 一■■ ■了 n _∑ n _1 X i 2 -- Xx f i 2 - 将表 1 的数据带入式 6 ， 7 可 以得 到 6 9 5 ． 8 7 4-6 9． 76 4 2 6． 1 1 9 6-2 5 -71 ．2 4 7 丽 1 ． 0 4 4 Ma c h i n e B u il d in g Au to m a t io n ， J u n 2 0 1 3 ， 4 2 3 J 一 1 7 4 27 ． ． 4 ． 1 __ 5 一 b1 282． 49 22． 5 4b a 1 一 1_ 一 ． 1 l l l l ‘ 单片机 D ／ A输出的回归方程为 y 口 一 0 ． 1 6 5 1 ． 0 0 4 X 8 在 不采 用软件校正的时候 ， 如果想输 出 X ． U 的控制 电压 ， 则直接将根据 ． 的值来设定 P WM波的占空比， 但 这样输 出的控制 电压 并 不是 ． ， 而是 通过 回归 方程 y - 0 ． 1 6 5 1 ． o o 4 x 出的 y 1 y 一 1 ． 0 6 5 1 ． 0 0 4 X 】 。 可 以采用如下 的方法来提 高输 出电压 的线性度 将想 要得到 的输 出电压 ∽ 赋给 回归方 程 3 - 8 的 y ， 通过 回归方程可以求出与之对应的指定输出电压 。 ， 然后 。 为校正后的设定输出电压， 根据 来设定 P WM波的占 空 比， 在单 片机控 制器 的 D ／ A输 出端便可 以得 到最 初想 要 的值为 置 的控 制电压。 4 样梯实验效果 将该控制器用于实验样梯 ， 从 图 5 ， 图 6中可以看 出 ， 电梯启动时无 明显 垂直方 向 的加 速度突变 ， 从水 平方 向加速度来看 ， 整个运行 过程平稳 ， 舒适感 良好。 ‰ ， ⋯⋯⋯| ； MH M s ， 2 I B _ l ⋯ 『 Ⅲ ⋯⋯ ⋯ ‘ M u ⋯．1 6⋯B 5 ， ． ． 1 ； 2 ] ， ～ I 口 图 5 上行加速度 曲线 0 2 ， 3 ， 7 。 ⋯． ⋯ ， ＼ 』 ’ ⋯ ． i ㈣m 1 6 B 6． 0“ ．⋯5 2， A95 i40⋯， l厂 ． 踟 0 ● - - V 一一一 - H { 。 ‘ 6 5结语 j l 口 图 6 下行加速度 曲线 7 文中通过对 P WM电路的设计和优化 ，改善了由P WM 实现 D ／ A转换电路的输出性能 ， 实现了变频调速技术在液压 电梯应用中的平稳控制、 安全可靠、 增加舒适度等优点 ， 为今 后提高和改善变频调速的液压电梯性能提供参考依据。 1 73 电气与自动化 张丽杰 变频调速液压电梯中单片机控制器的设计与优化 参考文献 [ 1 ]张汉杰 ， 王锡 仲， 朱 学莉 ， 编著 ． 现代 电梯控 制技 术 [ M] ． 哈尔 滨 哈尔滨工业大学 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ]韦波． 用 P WM实现 隔离型标 准电流输 出 D ／ A转换器 [ J ] ． 电 子工程师 ， 2 0 0 4 6 ． [ 3 ]李小京 ， 石金桥． 利 用单片机 构成 高精度 P WM式 1 2位 D ／ A [ J ] ． 自动化与仪器仪表 ， 1 9 9 3 4 ． [ 4 ]秦健． 一种基 于 P WM的电压输 出 D AC电路设计 [ J ] ． 现代 电 子技术 ， 2 o o 4 1 4 ． [ 5 ]向先波 ， 徐国华 ， 张琴． T MS 3 2 0 F 2 4 0内 P WM实现 D ／ A扩展功 能 [ J ] ． 单片机与嵌入式系统应用 ， 2 0 0 3 1 ． [ 6 ]刘滨 ， 杨梅． 廉价 隔离型高精 度 D ／ A转换器 [ J ] ． 单 片机 与嵌 入式系统应用 ， 2 0 0 2 1 ． [ 7 ]阎威武 ， 邵慧鹤 ． 支持向量 机和最小二乘支持 向量机的 比较及 应用研究 [ J ] ． 控制与决策 ， 2 0 0 3 ， 1 8 3 3 5 8 ． 3 6 0 ． [ 8 ]B c fi n g e r ． V V V F c o n t r o l l e d h y d r a u l i c p o w e r U n i t S A T UR N q [ M] ． 产 品样本． 收稿 日期 2 0 1 2 0 62 5 上接第 1 6 8页 t ／ s b 悬架动挠度 比较结果 f ／ s C 轮胎动载荷 比较 结果 图 5 车身加速度 、 悬架动扰 度及 轮胎 动载 荷比较结 果 4 结论 本文设计 了滤波器重构系统 的状态 ， 并用这个重构 的 状态来代替系统的真实状态来实现所需的状态反馈， 探讨 了基于 K a l m a n滤波器以及滑模观测器的天棚控制算法， 从 仿真结果上可 以看出 K a l m a n滤波器 以及 滑模观测器 可以 较为精确的对系统进行状态估计。此外， 还可以得出， 相比 于 K a l m a n滤波器 ， 滑模滤波器能更好地 克服一般状 态观测 1 7 4 器受到的非线性、 参数变化以及干扰等因素的影响， 在悬架 绝对速度、 相对速度的观测上都比 K a l m a n滤波器更加接近 实际值。基于观测器的“ 天棚” 阻尼控制方法较被动悬架 的振动加速度明显减 弱 ， 说 明天棚 阻尼控 制可以提高 汽车 的平顺性 ， 它为进一步的实车试验研究打下了基础 。 参考 文献 [ 1 ] 姚嘉凌， 蔡伟义， 陈宁． 汽车半主动悬架系统发展状况[ J ] ． 汽 车工程 ， 2 0 0 6， 2 8 3 2 7 6 2 8 0 ． [ 2 ]D ． K a mo p p ， M． C ros b y ， a n d R ． Ha r w o o d ， Vi b r a t io n C o n t rol U s - i n g S e mi Ac t i v e F o r c e Ge n e r a t o m．Tr a n s a c t i o n o f the ASME J o u r - n a l o f En g i n e e rin g f o r I n d u s t r y，v o 1 ． 9 6，P P ．6 1 9-6 2 6，1 9 7 4． [ 3 ]Hs u L i n g Y u a n，C h e n T s u n g L i n ．V e h i c l e F u l l S t a t e E s t i m a t i o n a n d P r e d i c t i o n S y s t e m U s i n g S t a t e O b s e r v e r s [ J ] ． I E E E T RA N S AC TI ONS ON VEHI CUL AR TE CHNOL OGY． J UL 2 0 0 9，5 8 6 2 6 5 1 2 6 6 2 ． [ 4 ]H s u L in g - Y u an，C h e n T s u n g - “n ． E s t i m a t i n g Ro a d A n gl e s Wi t h the K n o w l e d g e o f t h e Ve h i c l e Y a w A n g l e [ J ] ． J O UR N A L O F D Y NAMI C S YS TE MS MEAS URE MENT AND C 0NTROL．． TRANS ． A C T I O N S O F T HE A S ME，MA Y 2 0 1 0， 1 3 2 3 ． [ 5 ]S h a r ma KC r o l l a ， D ．A． D ．A． Wi l s o n ． T h e d e s i g n o f a f u l l y a c t i v e S U S - p e n s i o n s y s t e m i n c o r p o r a t i n g a K al ma n fi l t e r f o r s t a t e e s t i m a t io n [ P] ． N o ． 3 8 9 ． I E EE C o n t r o l 94，C o n f e r e n c e P u b l i c a t i o n，3 4 4～3 4 9 ． [ 6 ]R a g h a v a n ，S ． and J ．K ．H e d r i c k ，J ． K． ，O b s e rve r d e s i g n f o r a c l a s s o f n o n l i n e a r s y s t e ms ． I n t e r n a t i o n a l J o u rnal o f Co n t r o l ， 1 9 9 4，5 9，5 1 55 2 8． [ 7 ]M i s a wa ， E ． A． and H e d r i c k ， J ． K． ， N o n l i n e ar o b s e rve rs a s t a t e o f t h e s u r v e y [ J ] ． A MS E J o u rna l o f D y n a m i c S y s t e m s Me a s u r e me n t a n d Co n t r o l ，1 98 9， 1 1 1 3 4 4～3 5 2 ． [ 8 ]R． K． D I XIT a n d G ． D． B U C K N E R ． S l i d i n g mo d e o b s e rva t i o n a n d c o n t rol for s e m i a c t i v e v e h i c l e s u s p e n s i o n s [ J ] ． T a y l o r ＆ F r anc i s ．／ V e h ic l e S y s t e m D y n a mic s ， 2 0 0 5 ， 4 3 2 8 3 ～1 0 5 ． [ 9 ]He n r y ， R ． R． and Z e i d， A． A ． ， A n o n l i n e ar s u b o p t i ma1． o b s e rve r b a s e d c o n t r o l fo r s e m i a c t i v e s u s p e n s i o n[ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f the AS ME，T r an s p o r t a t i o n S y s t e ms ， Dy n a mi c S y s t e ms an d C o n t r o l Di v i s i o n，1 9 9 2， 44 1 8 1～1 8 9 ． 收稿 日期 2 0 1 20 5 1 4 h t t p FZ Z H D． c h i n o u rna 1 ． n e t ． c n E - ma i l Z Z HD c h ain a j o u rna1． n e t ． c n 机械制造与 自动化 嚣 臀 啪