基于超级电容的电梯节能控制系统研究与设计
摘要
随着经济的发展,能源需求量越来越高,能源紧缺成为限制各个领域发展的主要因素之一。近些年来建筑业和交通业得到长足发展,电梯也得到越来越广泛的应用,而作为耗能大户的电梯其运行能耗十分惊人。因此,研究电梯节能控制技术,具有十分重要的社会意义和经济价值。
本文研究、设计了基于超级电容的电梯节能控制系统,主要工作如下：
首先对系统的总体需求进行了分析,在此基础上完成了节能控制系统总体设计,包括系统整体结构和功能设计、系统控制结构设计和软硬件总体设计。
详细分析了电梯系统运行特点、电梯运行过程中速度和功率特性,对运行过程中的能量需求和反馈电能进行了计算,在此基础上完成了对系统关键部件-超级电容的选型；同时,对超级电容装置中的均压装置也进行了分析、比较与选型。
完成了系统硬件电路设计：详细介绍了BUCK/BOOST变换器和各种信号传感器的选型,以高性能DSP芯片为控制核心,设计了控制系统硬件电路,分别开发了电源模块、隔离驱动、通讯和显示等硬件电路模块。
设计了系统节能控制算法并完成了软件系统的开发,针对DC/DC变换器开关器件通断控制,设计PI算法,完成系统控制；采用模块化软件设计方法,分别开发了控制模块、通讯模块、显示模块、信号调理模块和保护等模块等程序模块。
对系统的软硬件模块进行了调试,并对结果进行了分析。最后对研究工作进行了总结和展望。
With the development of economic, energy shortages as one of the main factors limit the development in every fields. In recent years the construction industry and transport industry has made rapid progress, and the elevator has also been more and more widely used, but energy-hungry as the elevator of its energy consumption is very alarming. Therefore, the study on energy-saving elevator control technology is of great social significance and economic value.
In this paper, energy-saving control system of elevator is designed based on the super-capacitor, and the main jobs are as follows:
First of all, the overall demand on the system is analyzed, based on which the overall energy saving control system is designed, including the structure and function of the whole system design, system control structure design, hardware and software design.
The operational characteristics of the elevator system, elevator running speed and power characteristics of the process are detailed analyzed, and the energy needs and feedback power during the running process were calculated and based on the completion of which the key component of the system-super-capacitor is selected; at the same time, voltage balanced devices in super-capacitors have also been analyzed and compared with the selection.
The hardware circuit design is completed:the details of the BUCK/BOOST converter and a variety of signal transducer selection are presented, and using the high performance DSP chip as the core of the control system, the control system hardware circuit is designed including power modules, segregation-driven, communications and display hardware module, and so on.
Energy saving control system algorithm is designed and software system is developed; design PI for DC/DC converter control switch off the device and complete system control; modular software design methods are used to develop control module, communication module, display module, signal conditioning modules and protection module program, etc.
The hardware and software modules of the system are debugged, and the results are analyzed. Finally, research is summarized and prospects.
本文研究、设计了基于超级电容的电梯节能控制系统,主要工作如下：
首先对系统的总体需求进行了分析,在此基础上完成了节能控制系统总体设计,包括系统整体结构和功能设计、系统控制结构设计和软硬件总体设计。
详细分析了电梯系统运行特点、电梯运行过程中速度和功率特性,对运行过程中的能量需求和反馈电能进行了计算,在此基础上完成了对系统关键部件-超级电容的选型；同时,对超级电容装置中的均压装置也进行了分析、比较与选型。
完成了系统硬件电路设计：详细介绍了BUCK/BOOST变换器和各种信号传感器的选型,以高性能DSP芯片为控制核心,设计了控制系统硬件电路,分别开发了电源模块、隔离驱动、通讯和显示等硬件电路模块。
设计了系统节能控制算法并完成了软件系统的开发,针对DC/DC变换器开关器件通断控制,设计PI算法,完成系统控制；采用模块化软件设计方法,分别开发了控制模块、通讯模块、显示模块、信号调理模块和保护等模块等程序模块。
对系统的软硬件模块进行了调试,并对结果进行了分析。最后对研究工作进行了总结和展望。
With the development of economic, energy shortages as one of the main factors limit the development in every fields. In recent years the construction industry and transport industry has made rapid progress, and the elevator has also been more and more widely used, but energy-hungry as the elevator of its energy consumption is very alarming. Therefore, the study on energy-saving elevator control technology is of great social significance and economic value.
In this paper, energy-saving control system of elevator is designed based on the super-capacitor, and the main jobs are as follows:
First of all, the overall demand on the system is analyzed, based on which the overall energy saving control system is designed, including the structure and function of the whole system design, system control structure design, hardware and software design.
The operational characteristics of the elevator system, elevator running speed and power characteristics of the process are detailed analyzed, and the energy needs and feedback power during the running process were calculated and based on the completion of which the key component of the system-super-capacitor is selected; at the same time, voltage balanced devices in super-capacitors have also been analyzed and compared with the selection.
The hardware circuit design is completed:the details of the BUCK/BOOST converter and a variety of signal transducer selection are presented, and using the high performance DSP chip as the core of the control system, the control system hardware circuit is designed including power modules, segregation-driven, communications and display hardware module, and so on.
Energy saving control system algorithm is designed and software system is developed; design PI for DC/DC converter control switch off the device and complete system control; modular software design methods are used to develop control module, communication module, display module, signal conditioning modules and protection module program, etc.
The hardware and software modules of the system are debugged, and the results are analyzed. Finally, research is summarized and prospects.
引文
[1]钟海云,李荐等.新型能源器件-超级电容器研究发展现状.电源技术.2001,25(5)：367-369
[2]国产超级电容器已进入实用化阶段.电池工业.2004,9(6)：331-332
[3]马仁志,魏秉庆等.基于碳纳米管的超级电容器.中国科学.2000,30(2)：112～115
[4]邓海根.电化学电容器电极材料研究.合肥：中国科学技术大学出版社,2009
[5]袁国辉.电化学电容器.北京：化学工业出版社,2006
[6]陈永真.电容器及其应用.北京：科学出版社,2005
[7]张伟,张莹等.活性炭超级电容器自放电的研究.电池工业.2008,13(5)：331-334
[8]孙立新.超级电容储能是电梯节电装置.用户时空.2009,20(20)：18-19
[9]赵川虹,徐德鸿等.PWM加相移控制的双向DC/DC变换器.中国机电工程学报,第23卷第10期,72-76
[10]陈永真,宁武等.超级电容器串联应用[J].辽宁工学院学报.2005,25(1)：1-3
[11]耿建明,李体明等.超级电容器的储能特性研究.低压电器.2008(5)：15～18
[12]钟云,张建成.基于超级电容器储能电压暂降补偿分析[J].电力自动化设备.2005(6)：43-44
[13]田艳红,付旭涛等.超级电容器用多孔碳材料的研究进展[J].电源技术.2002,26(6)：466-479
[14]李忠学,彭启立等.超级电容器端电压动态特性的研究.电池.2005,35(2)：85-86
[15]蔡国营,王亚军等.超级电容器储能特性研究.电源世界.2009(1)：33-38
[16]于凌宇.世界超级电容器发展动态.今日电子.2008(12)：53-55
[17]孟丽囡.超级电容器组及能量管理系统.辽宁工学院学报.2005,25(2)：71-74
[18]李晓娜.超级电容器在变电站直流系统中的应用.宁夏电力.2008(5)：16-19
[19]王雪迪,杨中平.超级电容在城市轨道交通中改善电网电压的研究.电气传动.2009,39(3)：77-80
[20]曹秉刚,曹建波等.超级电容在电动车中的应用研究.2008,11(42)：1317-1322
[21]李贵远,陈勇.动力电池与超级电容混合驱动系统设计与仿真[J].系统仿真学报.2007,19(1)：101-105
[22]南金瑞,王建群等.电动汽车能量管理系统的研究[J].北理工学报.2005,25(5)：384-389
[23]马侨.超级电容电车快速充电站系统研制[J].城市公共交通.2005(3)：19-21
[24]王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,2002
[25]薛世龙,郑开宇等.超级电容及能量管理系统在起重机中的应用.上海海事大学学 报.2008,29(4)：45-48
[26]冷超.超级电容器储能系统发电控制的研究[D].华北电力大学学报.2004(4)：19-21
[27]李奇瑞.基于超级电容器的统一电源质量调节器的研发[D].华北电力大学学报.2005(6)：29-34
[28]张臣,陈杰.车用超级电容器应用设计.电源技术.2006,30(9)：740-743
[29]李军求,孙逢春等.纯电动大客车超级电容器参数匹配与实验.电源技术.2004,28(8)：483-487
[30]张慧妍,齐智平.超级电容器储能单元的设计分析.电源技术.2006,30(4)：322-325
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[32]苏奎峰,吕强等.TMS320X281xDSP原理及C程序开发.北京：北京航天航空大学出版社,2008
[33]张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用.北京：电子工业出版社,1997
[34]刘和平.TMS320LF240xDSP结构原理与应用.北京：北京航天航空大学出版社,2002
[35]孙丰强,姚晓东等.基于DSP的电动汽车超级电容控制器.机电一体化.2004(5)：58-61
[36]王念旭等.DSP基础与应用系统设计.北京：北京航天航空大学出版社,2001
[37]徐海平.大功率双向DC/DC变换器拓扑结构及其分析理论研究.中国博士学位论文，2005
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[40]祝诗平,李鸿征等.传感器与检测技术.北京：北京大学出版社,2006
[41]蔡萍,赵辉.现代检测技术与系统.北京：高等教育出版社,2002
[42]金发庆.传感器技术与应用.北京：机械工业出版社,2005
[43]李科杰等.新编传感器技术手册.北京：国防工业出版社,2002
[44]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京：北京航天航空大学出版社,2001
[45]史久根,张培仁等.CAN总线系统设计技术.北京：国防工业出版社,2004
[46]B.J.Arnet,L.P.Haines. High Power DC-to-DC Converter For Supercapacitors. IEEE International Conference on Industrial Technology,2004
[47]C.Attainaese,V.Nardi. Virtual Testing of High Speed Elevators Using Supercapactor Recovery System. IEEE International Conference on Industrial Technology,2004.
[48]Zhe Zhang,Ole C.Thomsen. A Two-stage DC-DC Converter for the Fuel Cell-Supercapcaitor Hybrid System. IEEE International Conference on Industrial Technology,2009
[49]T.Mishima,Eiji Hiraki. ZVS-SR Bidirectional DC-DC Converter for Supercapacitor-Applied Automative Electric Energy Storage Systems. IEEE International Conference on Industrial Technology,2005
[50]Texas Instruments. TMS320X28xx,28xxx Serial Communications Interface(SCI) Reference Guide.2004
[51]Texas Instruments. TMS320X28xx,28xxx Controller Area Netwok(CAN) Reference Guide.2005
[52]Texas Instruments. TMS320X281x Analog-to-Digital Converter(ADC) Reference Guide. 2004
[53]Texas Instruments. TMS320X281x,280x Serial Peripheral Interface(SPI) Reference Guide.2004
[54]Shinji Tominaga,at all. Development of Energy Saving Elevator Using Regenerated Power Storage System. Proceedings of the International Conference PCC02,pp.890-896
[55]陈新,稽保健.DC/DC变换器数字PID控制方法研究.技术研究.2009(4)：21-26
[56]王楠,吴庆彪等.双向双重DC/DC变换器及其在超级电容储能系统中的应用.电气自动化.2007,29(6)：30-32
[57]胡寿松.自动控制原理(第四版).北京：科学出版社,2001
[58]熊军华,王廷岭等.基于TMS320F2812直流操作电源系统的设计与开发.电力系统保护与控制.2009,37(20)：113-118
[59]陈灵敏.一种应用于电动汽车的双向DC/DC变换器研究.通信电源技术.2009,26(4)：11-13
[60]李军,李骥.基于DSP的双向DC/DC变换器控制系统设计.仪表技术.2009(9)：68-70
[61]周明,俞寿意等.基于DSP的双向DC/DC变换器移相控制算法研究.广西工学院学报.2009,20(4)：53-56
[62]赵振民,冯福生.移相PWM DC/DC全桥变换器的简述与发展.煤炭技术.2008,27(5)：30-32
[63]陈伟山,程伟等.燃料电池汽车用DC/DC变换器的应用与发展：新能源汽车.2008(10)：3-6
[64]刘晨曦,赵莉华等.一种融合开关电源和线性电源优点的DC/DC变换器.设计与工艺.2008(11)：52-54
[65]齐铂金,王殿龙.燃料电池客车大功率DC/DC变换器关键问题的分析与研究.汽车工程.2007,29(6)：482-485
[66]尹华,刘锐.PWM型DC/DC变换器过流／短路保护电路的设计.微电子学.2008,38(1)：108-111
[67]李彩侠,王毅.一种基于LM3485芯片的双路非隔离DC/DC变换器的设计.新特器件应用.2008,10(6)：31-33
[68]李春华,张生.新型移向全桥ZVS-PWM DC/DC变换器的仿真.机电一体化.2009(8)：76-78
[69]张家胜,平朝春.DC/DC变换器PWM控制的一种死区时间调制方法.交流技术与电力牵引.2008(1)：33-36
[70]马丽梅,张少如.Buck-Boost DC/DC变换器的控制.河北工业大学学报.2008,37(4)：100-105
[71]高志刚,李建林.LEM电压传感器在直接驱动型风力发电系统中的应用.电子元器件应用.2006,8(12)：62-64
[72]Texas Instruments. TMS320X28xx Optimizing C++ Compiler User's Guide.2005
[73]谭浩强.C程序设计.北京：清华大学出版社,2009
[74]徐宝文,李志.C程序设计语言.北京：机械工业出版社,2007
[75]徐波.C专家编程.北京：人民邮电出版社,2008
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