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 753000）

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，同时由于变频器还具有过流、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。

图1 变频调速液压电梯控制系统原理图

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［1］。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。

变频器的转速控制信号为0～10 V的模拟电压信号，本设计中采用PWM方式来实现D/A输出［2］。因此需要合理的设计PWM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PSP接口反馈到从处理器PIC16F877A，从处理器通过PSP接口从主处理器AT89S52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PWM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 PWM的滤波电路

PWM波的解调过程如下（图3）:首先由PICl6F877 CCP2端口输出的高速PWM波首先经过6N137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MAX4599，由PWM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PWM波，该PWM波与CCP2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PWM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REF02提供的。由模拟开关输出的PWM波经过两级RC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0～10 V，所以在RC滤波器后采用了一个放大倍数为2的同相放大器［3］。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。

图3PWM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［4］。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PWM实现的D/A输出毛刺过多的问题，用仿真和实验的手段对滤波器的阶数对PWM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:PWM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;PWM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;PWM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10 μ电解电容、l μ电解电容、1 μ 钽电容、0.1 μ 钽电容、0.1 μ 瓷片电容等几种形式［5］;电阻选取了 1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ 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 kΩ电阻和1 μF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。

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

3 PWM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PWM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10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

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

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PWM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PWM输出模拟电流信号进行校正［6］。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 LS-SVM理论建模方法

LS-SVM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［7］。而且，相对于常用的线性不敏感损失函数，LS-SVM不需要制定逼近精度e，只是LS-SVM的解不具有稀疏性。其目标函数是

最小二乘支持向量机优化问题转化为求解线性方程:

因此得到最小二乘支持向量机LS-SVM的非线性函数估计为:

3.2 具体的实现方法

以设定的输出电压为自变量x，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+bx，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=a+bx，根据最小二乘法可以得到

对方程求解可得到回归系数a、b的计算式

将表1的数据带入式（6），（7）可以得到

单片机D/A输出的回归方程为

在不采用软件校正的时候，如果想输出X1（U）的控制电压，则直接将根据X1的值来设定PWM波的占空比，但这样输出的控制电压并不是X1，而是通过回归方程Y=－0.165+1.004X求 出 的Y1（U）（Y= － 1.065+1.004X1）。

可以采用如下的方法来提高输出电压的线性度:将想要得到的输出电压X1（U）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X＇，然后X＇11为校正后的设定输出电压，根据X1＇来设定PWM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X1的控制电压。

4 样梯实验效果

将该控制器用于实验样梯［8］，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。

5 结语

文中通过对PWM电路的设计和优化，改善了由PWM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］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，2001.

［2］韦波.用PWM实现隔离型标准电流输出D/A转换器［J］.电子工程师，2004（6）.

［3］李小京，石金桥.利用单片机构成高精度PWM式12位D/A［J］.自动化与仪器仪表，1993（4）.

［4］秦健.一种基于PWM的电压输出DAC电路设计［J］.现代电子技术，2004（14）.

［5］向先波，徐国华，张琴.TMS320F240内PWM实现D/A扩展功能［J］.单片机与嵌入式系统应用，2003（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，2002（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，2003，18（3）:358-360.

［8］ Bcringer.VVVF controlled hydraulic power Unit SATURN q［M］.产品样本.