基于AVR的自动扶梯 (一)

1.1 研究背景

自动扶梯广泛应用于大型商场、超市、机场、地铁、宾馆等场合，大多数扶梯在客流量大的时候，工作于额定的运行状态，在没有乘客时仍以额定速度运行，具有耗能大、机械磨损严重、使用寿命低、运行不够安全等缺点，为此我们设计了利用ATmega128开发板和EVK1100与变频控制相结合的节能及安全监控系统以改善扶梯以往的缺点，我们期望通过本项目的设计与实施，来掌握利用ATMEL UC3A0512和ATmega128芯片完成项目，使ATMEL芯片在中国应用得更加广泛。

1.2 自动扶梯使用现状分析

随着自动扶梯的拥有量不断的上升和前段时间各地频发的自动扶梯运行事故，扶梯节能降耗和安全运行的研究已引起社会各界的关注，研究扶梯的节能降耗方法和加强扶梯的安全性能已经是大势所趋。

1.3 节能原理及运行监控分析

节能原理：大多数自动扶梯驱动系统的核心是一个交流(AC)感应电机。尽管交流感应电机是可靠的动力源，许多"终端用户"却不知交流电机在载荷较轻时，其效率很低。 由于大多数交流电机固有的设计，交流电机20% ～40%做的是无用功，这部分能量常常以热量的形式白白被浪费掉，在谈节能方式之前，首先对自动扶梯的电机能耗进行分析。

从图1-1中可以看出，电动机在正常运行状态下的功率损耗主要有3个部分:即定子铜耗定子铁耗和转子铜耗。由于转子中的电流频率很低， 因此转子的铁耗较小，可以忽略不计，另外，机械损耗和附加损耗也是较小的将可其忽略。而定子铜耗和转子铜耗分别与定子和转子中的电流的平方成正比，因此，减小电流将显著降低这两种损耗。至于定子中的铁耗，包括磁滞损耗和涡流损耗， 两者都近似地与电源频率成正比， 与铁芯中的磁感应强度的平方成正比由此可见，减小频率和降低铁芯磁通密度将会显著降低定子铁耗。

根据电机学原理可知：

输入功率=定子铜耗+铁耗+转子铜耗+机械损耗+附加损耗+输出功率= (定子铜耗+转子铜耗) + (铁耗+机械损耗+附加损耗) +输出功率=可变损耗+损耗+输出=损耗+输出功率从以上分析可知，要想使自动扶梯电机节能，就必须从减少电机损耗和减少输出功率两方面进行。

1)减少损耗：减少损耗也就是提高电机的工作效率。通常电机的工作效率在75% ～80%额定负载时效率最高。 在轻载时可调整输入电压来减少损耗，当可变损耗等于不变损耗时，异步电机的效率达到最大值。

2)减少输出功率：电机的输出功率与转速成正比，采用变频调速可线性减少自动扶梯的输出功率，而达到节能的目的。微机变频调速是通过调节电源的频率来改变异步电机的转速，在自动扶梯无人空载时可降低扶梯的转速(如20%或50%额定转速) ，进行节能，在扶梯检测到需要载人时再事前恢复到正常速度， 变频器在轻载时，可自行调整输入电压来降低损耗。

根据异步电机的等效电路可以计算电机的各种运行性能，也可以通过空载试验和短路试验做出异步电机的“圆图”，进而得到电机输出转矩M2、效率η、转差率s、定子电流I1、功率因数cosθ等参数与电机输出功率P2 的关系曲线，典型异步电机的运行性能，如图所示。

由图1-2可见，异步电机在轻载或空载时的效率是很低的，理由是电机的激磁电流即电机的空载电流较大，电机的定子铜耗，特别是定子铁耗在轻载时并不比额定载荷时降低多少，因为空载电流较大，导致电机在轻载时功率因数很低。异步电机的这一运行特性，正是能在自动扶梯上实现降压节能的基础。

运行监控原理：自动扶梯发生事故的主要原因有：扶梯逆转、扶梯电机过热引起火灾、扶梯上人数过多引发扶梯事故。本项目通过局域网通信将自动扶梯的运行情况通过局域网传输到监控中心，监控中心人员在扶梯不正常运行时在监控中心可通过局域网控制自动扶梯的运行，从而在第一时间解决危险。

1.4 系统控制分析

1.4.1 系统节能运行方案

当有乘客进入扶梯入口处时，光电感应装置检测到有效信号，此信号被送入ATmega128，经过处理输出一个控制信号，经过继电器模块使变频器按照设定的加速度进行无极变速，达到一个稳定的速度开始正常运行。同时定时器T1清零并开始计时，当T1在小于系统设置的T2时间段内，光电感应装置检测到一个新的乘客进入，则T1又清零并重新开始计时，如果T1一直运行到大于T2的时间段后，表明在设置的T2时间内没有新的乘客进入，此时扶梯通过变频器切换到低频运行，开始进入低速节能运行状态。此后若T1在小于系统设置的T3时间段内，光电感应装置检测到新的乘客进入，则T1再度清零并计时，同时变频器从低速节能运行状态开始缓慢加速到额定速度运行，若T1