基于AVR的自動扶梯 (一)

1.1 研究背景

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

1.2 自動扶梯使用現狀分析

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

1.3 節能原理及運行監控分析

節能原理：大多數自動扶梯驅動系統的核心是一個交流(AC)感應電機。盡管交流感應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。 由于大多數交流電機固有的設計，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下的功率損耗主要有3個部分:即定子銅耗定子鐵耗和轉子銅耗。由于轉子中的電流頻率很低， 因此轉子的鐵耗較小，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。而定子銅耗和轉子銅耗分別與定子和轉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。

根據電機學原理可知：

輸入功率=定子銅耗+鐵耗+轉子銅耗+機械損耗+附加損耗+輸出功率= (定子銅耗+轉子銅耗) + (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%額定負載時效率最高。 在輕載時可調整輸入電壓來減少損耗，當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速成正比，采用變頻調速可線性減少自動扶梯的輸出功率，而達到節能的目的。微機變頻調速是通過調節電源的頻率來改變異步電機的轉速，在自動扶梯無人空載時可降低扶梯的轉速(如20%或50%額定轉速) ，進行節能，在扶梯檢測到需要載人時再事前恢復到正常速度， 變頻器在輕載時，可自行調整輸入電壓來降低損耗。

根據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矩M2、效率η、轉差率s、定子電流I1、功率因數cosθ等參數與電機輸出功率P2 的關系曲線，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，導致電機在輕載時功率因數很低。異步電機的這一運行特性，正是能在自動扶梯上實現降壓節能的基礎。

運行監控原理：自動扶梯發生事故的主要原因有：扶梯逆轉、扶梯電機過熱引起火災、扶梯上人數過多引發扶梯事故。本項目通過局域網通信將自動扶梯的運行情況通過局域網傳輸到監控中心，監控中心人員在扶梯不正常運行時在監控中心可通過局域網控制自動扶梯的運行，從而在第一時間解決危險。

1.4 系統控制分析

1.4.1 系統節能運行方案

當有乘客進入扶梯入口處時，光電感應裝置檢測到有效信號，此信號被送入ATmega128，經過處理輸出一個控制信號，經過繼電器模塊使變頻器按照設定的加速度進行無極變速，達到一個穩定的速度開始正常運行。同時定時器T1清零并開始計時，當T1在小于系統設置的T2時間段內，光電感應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，表明在設置的T2時間內沒有新的乘客進入，此時扶梯通過變頻器切換到低頻運行，開始進入低速節能運行狀態。此后若T1在小于系統設置的T3時間段內，光電感應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能運行狀態開始緩慢加速到額定速度運行，若T1的值大于T3，則表明扶梯在節能運行狀態下經過等待后還無乘客進入，此時扶梯就從低速節能運行狀態變為停止，從而達到最大節能。

安全方面：系統通過攝像頭和溫度傳感器、人數計數傳感器監檢測，將扶梯現場運行情況和具體數據傳輸的監控中心的PC機，監控人員在監控室可以通過局域網觀察扶梯運行數據，當扶梯運行數據超出了設定值時現場會發出警報，并在顯示屏上顯示故障。中心人員可通過局域網在網頁上觀察扶梯運行情況，從而在第一時間通過在局域網網頁上的操作對扶梯進行控制。另外扶梯上安裝了急停按鈕，當發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

當運行方向設定后，打開電源，扶梯處于停止狀態。

當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。

在預先設定的高速運行等待時間內，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。

扶梯在預先設定的低速運行等待時間內時，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;若沒人乘梯，則扶梯自動停止運行，進入停止待機狀態，如此循環往復運行。

在扶梯運行過程中，扶梯非正常減速或非正常加速時，系統會發出警報并停止運行。

當溫度傳感器檢測到扶梯電機溫度過高時，會發出語音警報“扶梯非正常運行，現暫停使用”。

當扶梯上檢測到的人數高于設定的人數時扶梯會液晶屏上會顯示“扶梯已達額定人數，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 ，無抖動。

無人乘梯時，扶梯自動平穩過渡到節能狀態。

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范》的要求自啟動的扶梯，應在該使用者走到梳齒相交線之前啟動運行， 故乘客檢測裝置應滿足以下要求。

(1)光束， 應設置在梳齒相交線之前至少1.3m外。

(2)觸點踏墊， 其外緣應設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。

在實際設計時可選擇安裝在扶手進出口處的光電漫發射裝置來實現改要求，本系統設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， 從而實現自啟動的功能。

1.5 項目實現的功能

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

(1)運行狀態描述

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開發板程序進行設置，具體時間根據梯的提升高度和速度而定。

(2)運行步驟

當扶梯上電停止等待，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，當有人通過時，控制器內部的定時器(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，如此循環往復運行。

安全監控方面：局域網安全監控主要使用了EVK1100開發板，用于局域網通信，通過網線可與上位機完成數據交換。通過攝像頭監控中心的人員可以看到扶梯的運行情況，當發現扶梯有危險時監控中心的人員可以通過局域網網頁上的STOP按鈕讓扶梯停止運行。當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，當扶梯的電機超負荷運行導致溫度高于100℃時，溫度傳感器會發出警報(模擬時設定40℃)。當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。當扶梯上人數達到系統設定的最高人數時會提醒乘客稍后再使用，當出口處的光電傳感器檢測到有人出扶梯時，人數會自動減一，提示會自動解除。

1.6 系統總體分析

1.6.1 系統框圖

自動扶梯變頻控制系統是在原工頻控制系統的基礎上，加裝光電探測傳感器、變頻器、攝像頭、溫度傳感器、ATMEGA128開發板、ATmega128以及其他必要的輔助元件，進行變頻運行及安全監控。

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

該控制系統主要由紅外探測傳感器、變頻器、ATmega128開發板、EVK1100開發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，隨時監測自動扶梯的載客情況;ATmega128開發板是控制系統的核心，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，實現運行、停止、故障判斷及記錄、狀態顯示等功能;變頻器主要是根據ATmega128開發板的輸出控制信號改變電源頻率，自動調節扶梯的運行速度，保證啟動運行平穩。

1.6.2 系統主電路分析

由于自動扶梯使用場合的特殊性，相當一部分扶梯的空載時間往往大于載客時間，為了提高整個系統的安全可靠性，降低成本，本設計采用旁路變頻控制。即在原來工頻空載系統的基礎上(即保留主電機原工頻空載系統)加裝光電感應開關、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端子與市網的三相電源通過保護開關相連，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主觸點分別導通來控制。為了嚴格防止扶梯由于程序故障導致逆行，KM3(上行)和KM4(下行)導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，可設置二次確認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，以設定的低速運行。FR為市網供電工作時扶梯電機過載保護裝置熱繼電器，M為扶梯三相驅動電機。

旁路變頻控制的優點是實現了無人乘梯時低速運行或停止，達到節能、降低噪聲、減少機械磨損的目的。由于采用了變頻控制，使系統的啟動平穩，降低了對電網和機械設備的沖擊。