向更绿色的建筑迈进——电梯降耗新方法
2010-12-18 11:35:05
来源：《半导体器件应用》2009年03月刊
点击：1011
1 简介
环保是 21 世纪的新潮流。社会、政府和企业最近都认识到建立环保社会的重要性。这种态度的转变是很多因素作用的结果，例如由于浪费造成传统资源缺乏，聚乙烯、电路板等废弃物处理造成的问题，气候变化带来的全球变暖威胁。很多企业已经开始采取措施应对这些问题，包括使用可再生能源（太阳能板）、在产品制造过程使用无毒材料、传播意识、设计环保产品（产品符合 RoHS 规范就是一个例子）。在产品设计的每个环节都关注能效已经成为准则。
通过优化工业、商业设施和办公室中的电力设施，可以节省大量的能源。微处理器和微控制器的出现使这种节省成为可能。
建筑中的很大一部分电力都是电梯消耗的。电梯的驱动类型、容量和满载人员总数、服务的楼层数、电梯系统效率、建筑中的通信模式都会影响电梯系统的能耗。过去，很多针对机械控制（三菱的 VVVF 变频器控制技术）、制造流程（使用的铅数量减少）和电子控制（非高峰期的待机模式）创新，以降低电梯的功耗。
但是，我们常常忽略高峰时期电梯的使用模式造成的功率浪费。本文的重点是分析、讨论并建议一种能减少电梯总体功耗的控制算法，并提供一种基于适当微控制器的解决方案，同时考虑计算复杂性、电机驱动能力和成本。这种建议的算法在节省功耗的同时，还能减少办公楼高峰时段和非高峰时段的电梯等待时间以及等待者的沮丧情绪。
2 降耗挑战
电梯从一开始就面临不断提高能效的挑战。我们看到电梯的驱动系统从 AC 双速控制切换到主电压控制，1984 年又切换为变频器驱动控制。这些变化大大减少了电梯对能源的消耗。安装在低于 12 层的建筑中的普通电梯在 20 世纪 70 年代到 90 年代间的能耗已经降低了大约 32%[1]。为了进一步节省能源，人们还在牵引机（牵引电机）上进行了大量改进。20 世纪 90 年代，我们看到了从蜗轮方法到齿轮方法的进步，最近又向无齿轮方法转变。还有更高能效的 VVVF（可变电压可变频率）驱动可用于取代 MG （电机发生器）驱动[2]。
工程师一直致力于优化电梯调度的控制算法，减少乘客等待时间和电梯运行的总次数，提高了单部电梯或电梯组的运输效率[3] [4]。为了实现这一目标，人们开发了先进的人工智能中枢网络、复杂的启发式算法，并已在现代电梯中广泛使用。由于此类控制已经实施，所以所需的计算能力也得到了很大提高。
3 电梯功能和电机理论
商业建筑中普遍使用的齿轮牵引电梯由 AC/DC 电动机驱动。典型牵引电梯系统如图 1 所示。齿轮机使用蜗轮控制电梯轿箱的机械运行，在驱动滑轮上滚动曳引钢绳，驱动滑轮连接高速电机驱动的变速箱。制动器安装在电机和变速箱之间，以保证电梯能停驻在楼层。这种制动器通常是外滚筒式类型，由弹簧力传动，并以电动方式保持打开。电缆固定到轿箱顶部的铰链板，然后将驱动滑轮卷到与电缆另一端连接的对重缓冲器，从而减少移动轿箱所需的功率。轿箱和对重缓冲器采用独立的轨道系统，呈相反方向移动。牵引电机通过微控制器控制，控制电梯轿箱的启动、加速、减速和停止。
电梯内的控制面板包含楼层选择按钮、电梯门控制按钮、警报和保持按钮。有些电梯还有超载指示灯。外部控制按钮用于请求电梯上下运行。
三相永磁同步电机（PMSM）通常用于驱动牵引电梯。三相 PMSM 是永久他励电机，其超高功率密度、超高效率和高响应性使之适合机械工程中的最复杂的应用。它还具有高超载能力。PMSM 几乎不需要任何维护，从而确保了最有效运行。PMSM 的动力-重量比也高于感应机器。电力电子学和微电子学方面的进步实现了 PMSM 在高性能驱动中的应用。
4 降耗方法
控制单部电梯的简单算法如下。
伪算法：
(1) 在零楼层保持 IDLE（闲置）、ready to serve（随时准备服务）状态，直到被中断信号中断；
(2) 移动到发出请求的楼层，等待楼层按钮激活；
(3) 服务相同方向的外部请求，停在楼层；
(4) 按递减/递增顺序停在楼层，分别完成上行/下行的所有内部请求。
现在，想象一下办公楼底层在早间的拥挤情况，下午大量的电梯下行流量，午饭时的混合流量。电梯经常是在开始楼层（低层或顶层）就满载。
根据上面提到的控制算法，在下行高峰时段，电梯要停靠在每个楼层，服务相同下行方向的请求，但却不能容纳太多，因为已经载满。这样就增加了每个楼层人员的等待时间，造成轿箱内人员的沮丧情绪，最重要的是由于轿箱加速和减速及电梯的额外电梯门运动，导致大量电力浪费。
通常假设牵引电梯系统的最大占空比为 35%，这意味着轿厢可以移动，并在某一特定时段产生最大 35% 的满载电流。我们也可以看到，峰值电流由正在进行加速或减速运动的电梯的电机吸收。这些峰值通常持续 (3-5) 秒，电流振幅通常是满载电流的 (2-2.5) 倍[5]。
将上述算法做些调整可用于解决前面提到的问题。现代的电梯配有超载指示灯。当电梯满载时，超载指示灯可以用于忽略外部中断请求。因此上述算法的第三步将变成“如果电梯小于 90% 满载，服务相同方向的外部请求，停在相应的楼层（因为 100% 满载电梯不应运行）。”
使用三菱电梯在一座 10 层高的大楼中进行的实验，结果显示，电梯从顶层运行到底层所需的时间，如果电梯在每层都停靠为 85 秒，不在中间任何一层停靠为 40 秒，前者是后者的两倍。这表明在电梯上下运行过程中，只有一半时间是恒速运行，另一半时间花在加速和/或减速上（假设开/关门时间忽略不计，实际上也消耗电力）。因此通过在高峰时段采用建议方法，可以节省 40%-50% 的能源。
三菱电梯的技术规格显示，在典型综合办公楼中使用永磁同步牵引电机的电梯每年的功耗估计为 3000kWh。通过以上算法，节省绝对功率可以达到惊人的 (1200-1500)kWh。
5 可行的解决方案
图 2 所示的状态机解释了所建议方案的实施方法。
(1)中断
CALL(x) = 楼层‘x’发出呼叫电梯的外部中断
GO(x) = 电梯内部发出的内部中断；当按下一个楼层按钮，到达特殊楼层时出现
(2)函数
Ascend( ) = 控制 PMSM 电机朝上行方向旋转滑轮的函数
Descend( ) = 控制 PMSM 电机朝下行方向旋转滑轮的函数
Stop(x) = 电梯停靠在楼层 ‘x’
Overload ( ) = 如果电梯负荷达到最大负荷的 90%，返回一个 1。（因为电梯的最大容量为 1000 千克）
(3)状态描述
IDLE = 电梯固定在楼层 Y
ASCEND = 电梯上行，Ascend( )函数在该状态下执行
DESCEND = 电梯下行，Descend( )函数在该状态下执行
CALL_ISR = 如果外部呼叫中断请求，进行处理
GO_ISR = 处理楼层按钮发出的内部中断
STO = 执行 Stop(x) 函数
(4)电机控制电路
实施 Ascend/Descend 函数的 PMSM 驱动电路如图 3 所示。它包含一个用于整流的二极管桥电路和一个用于滤波的电容组。总体来说，这些无源组件组成了简易的交直流转换器。转换电路的右侧是“完整三相电桥”， 进行直交流转换。高端晶体管将正电压应用到电机相位，而低端晶体管采用负电压。通过控制电桥晶体管的开关状态，驱动让电流流入或流出三个电机相位的任何一个。
数字 PMSM 驱动通过脉宽调制（PWM）控制所有晶体管。PWM 电压调节相位电流，这反过来又产生电机扭矩。模拟 FEEDBACK VOLTAGE 反馈电压和电流在被处理前，首先进行数字化处理。软件处理所有电机控制函数，包括调制、磁场方向、电流和速度回路控制。通过减少我们在早期设计中发现的很多离散成分，数字控制提高了驱动可靠性，促进了高级算法，实现了最佳电机性能。
要实施上面建议的方法，需要一个具有以下功能的微控制器：
① 脉宽调制器模块；
② 高优先级中断控制器，用于管理过载传感器、制动和保险丝开关；
③ 快速 ADC 模块；
④ 连接显示面板的串行端口；
⑤ 进行精确速度控制、厢门、轿厢定位的高度处理能力；
⑥ 充足的 RAM 和片上存储，保存从传感器采集来的数据。
MCF5213 是 ColdFire系®列精简指令集计算（RISC）微处理器的成员。这款 32 位器件基于 2.0 版 ColdFire 内核，最高可运行在 80MHz 的频率上，具有高性能和低功耗的特点。与处理器内核相连的片上存储器包括高达 256kB 的闪存和 32kB 的静态随机存取存储器（SRAM）。片上模块包括：
① V2 ColdFire 内核，76 个 MIPS（Dhrystone 2.1），80MHz，从内部闪存运行，带有乘加（MAC）单元和硬件除法器；
② 3 个通用异步/同步接收器/发射器（UART）；
③ 内置集成电路（Inter-integrated circuit ，I2C）总线控制器；
④ 排队串行外设接口（Queued serial peripheral interface，QSPI）模块；
⑤ 8 通道 12 位快速模数转换器（ADC）；
⑥ 4 通道直接存储器存取（DMA）控制器；
⑦ 4 个 32 位输入捕捉/输出比较定时器，具有 DMA 支持（DTIM）；
⑧ 4 通道通用定时器（GPT），支持输入捕捉/输出比较、脉宽调制（PWM）和脉冲累积；
⑨ 8 通道/ 4 通道、8 位/ 16 位脉宽调制定时器；
⑩ 2 个 16 位定期中断定时器（PIT）；
可编程软件看门狗定时器；
能够处理 57 个中断源的中断控制器；
具有 8MHz 片上张弛振荡器和集成锁相环（PLL）的时钟模块；
测试接入/调试端口（JTAG、BDM）。
6 结论
在本文，我们讨论了现代社会对环保产品的需求和快速城市化对电力需求的影响。我们论证了降低生活各个方面功耗的需要。为了让建筑更为绿色环保，我们建议了一种降低高峰时段电梯功耗的方法。
由于飞思卡尔的 MCF5213 具有的电机驱动能力、高处理能力和大量外设，本文以此为例来讨论可行解决方案。
参考书目
[1]《Development of Energy-Saving Elevator Using Regenerated Power Storage System》，Shinji Tominaga、Ikuro Suga、Hiroshi Araki、Hiroyuki Ikejima、Makoto Kusuma和Kazuyuki Kobayashi；工业电子学和系统实验室，三菱电气公司。
[2]《Energy Consumption Analysis for Geared Elevator Modernization: Upgrade from DC Ward Leonard System to AC Vector Controlled Drive》，多快电梯公司 Ashok B. Kulkarni Thyssen。
[3]《Dynamic Optimized Dispatching System for Elevator Group Based on Artificial Intelligent Theory》，北京联合大学 Cao Liting、Zhang Zhaoli、Hou Jue
[4]《Elevator Group Control Scheduling Approach Based on Multi-Agent Coordination》，中国天津大学电气和自动化工程学院 Qun Zong Liqian Dou、Weijia Wang
[5]《电梯世界》杂志，1996 年第一期
作者简介
Akshat Mittal 是飞思卡尔半导体印度公司的 ASIC 设计工程师，已经在公司工作了近两年的时间。他拥有信息和通信技术学士学位，擅长数字IP设计。
环保是 21 世纪的新潮流。社会、政府和企业最近都认识到建立环保社会的重要性。这种态度的转变是很多因素作用的结果，例如由于浪费造成传统资源缺乏，聚乙烯、电路板等废弃物处理造成的问题，气候变化带来的全球变暖威胁。很多企业已经开始采取措施应对这些问题，包括使用可再生能源（太阳能板）、在产品制造过程使用无毒材料、传播意识、设计环保产品（产品符合 RoHS 规范就是一个例子）。在产品设计的每个环节都关注能效已经成为准则。
通过优化工业、商业设施和办公室中的电力设施，可以节省大量的能源。微处理器和微控制器的出现使这种节省成为可能。
建筑中的很大一部分电力都是电梯消耗的。电梯的驱动类型、容量和满载人员总数、服务的楼层数、电梯系统效率、建筑中的通信模式都会影响电梯系统的能耗。过去，很多针对机械控制（三菱的 VVVF 变频器控制技术）、制造流程（使用的铅数量减少）和电子控制（非高峰期的待机模式）创新，以降低电梯的功耗。
但是，我们常常忽略高峰时期电梯的使用模式造成的功率浪费。本文的重点是分析、讨论并建议一种能减少电梯总体功耗的控制算法，并提供一种基于适当微控制器的解决方案，同时考虑计算复杂性、电机驱动能力和成本。这种建议的算法在节省功耗的同时，还能减少办公楼高峰时段和非高峰时段的电梯等待时间以及等待者的沮丧情绪。
2 降耗挑战
电梯从一开始就面临不断提高能效的挑战。我们看到电梯的驱动系统从 AC 双速控制切换到主电压控制，1984 年又切换为变频器驱动控制。这些变化大大减少了电梯对能源的消耗。安装在低于 12 层的建筑中的普通电梯在 20 世纪 70 年代到 90 年代间的能耗已经降低了大约 32%[1]。为了进一步节省能源，人们还在牵引机（牵引电机）上进行了大量改进。20 世纪 90 年代，我们看到了从蜗轮方法到齿轮方法的进步，最近又向无齿轮方法转变。还有更高能效的 VVVF（可变电压可变频率）驱动可用于取代 MG （电机发生器）驱动[2]。
工程师一直致力于优化电梯调度的控制算法，减少乘客等待时间和电梯运行的总次数，提高了单部电梯或电梯组的运输效率[3] [4]。为了实现这一目标，人们开发了先进的人工智能中枢网络、复杂的启发式算法，并已在现代电梯中广泛使用。由于此类控制已经实施，所以所需的计算能力也得到了很大提高。
3 电梯功能和电机理论
商业建筑中普遍使用的齿轮牵引电梯由 AC/DC 电动机驱动。典型牵引电梯系统如图 1 所示。齿轮机使用蜗轮控制电梯轿箱的机械运行，在驱动滑轮上滚动曳引钢绳，驱动滑轮连接高速电机驱动的变速箱。制动器安装在电机和变速箱之间，以保证电梯能停驻在楼层。这种制动器通常是外滚筒式类型，由弹簧力传动，并以电动方式保持打开。电缆固定到轿箱顶部的铰链板，然后将驱动滑轮卷到与电缆另一端连接的对重缓冲器，从而减少移动轿箱所需的功率。轿箱和对重缓冲器采用独立的轨道系统，呈相反方向移动。牵引电机通过微控制器控制，控制电梯轿箱的启动、加速、减速和停止。
电梯内的控制面板包含楼层选择按钮、电梯门控制按钮、警报和保持按钮。有些电梯还有超载指示灯。外部控制按钮用于请求电梯上下运行。
三相永磁同步电机（PMSM）通常用于驱动牵引电梯。三相 PMSM 是永久他励电机，其超高功率密度、超高效率和高响应性使之适合机械工程中的最复杂的应用。它还具有高超载能力。PMSM 几乎不需要任何维护，从而确保了最有效运行。PMSM 的动力-重量比也高于感应机器。电力电子学和微电子学方面的进步实现了 PMSM 在高性能驱动中的应用。
4 降耗方法
控制单部电梯的简单算法如下。
伪算法：
(1) 在零楼层保持 IDLE（闲置）、ready to serve（随时准备服务）状态，直到被中断信号中断；
(2) 移动到发出请求的楼层，等待楼层按钮激活；
(3) 服务相同方向的外部请求，停在楼层；
(4) 按递减/递增顺序停在楼层，分别完成上行/下行的所有内部请求。
现在，想象一下办公楼底层在早间的拥挤情况，下午大量的电梯下行流量，午饭时的混合流量。电梯经常是在开始楼层（低层或顶层）就满载。
根据上面提到的控制算法，在下行高峰时段，电梯要停靠在每个楼层，服务相同下行方向的请求，但却不能容纳太多，因为已经载满。这样就增加了每个楼层人员的等待时间，造成轿箱内人员的沮丧情绪，最重要的是由于轿箱加速和减速及电梯的额外电梯门运动，导致大量电力浪费。
通常假设牵引电梯系统的最大占空比为 35%，这意味着轿厢可以移动，并在某一特定时段产生最大 35% 的满载电流。我们也可以看到，峰值电流由正在进行加速或减速运动的电梯的电机吸收。这些峰值通常持续 (3-5) 秒，电流振幅通常是满载电流的 (2-2.5) 倍[5]。
将上述算法做些调整可用于解决前面提到的问题。现代的电梯配有超载指示灯。当电梯满载时，超载指示灯可以用于忽略外部中断请求。因此上述算法的第三步将变成“如果电梯小于 90% 满载，服务相同方向的外部请求，停在相应的楼层（因为 100% 满载电梯不应运行）。”
使用三菱电梯在一座 10 层高的大楼中进行的实验，结果显示，电梯从顶层运行到底层所需的时间，如果电梯在每层都停靠为 85 秒，不在中间任何一层停靠为 40 秒，前者是后者的两倍。这表明在电梯上下运行过程中，只有一半时间是恒速运行，另一半时间花在加速和/或减速上（假设开/关门时间忽略不计，实际上也消耗电力）。因此通过在高峰时段采用建议方法，可以节省 40%-50% 的能源。
三菱电梯的技术规格显示，在典型综合办公楼中使用永磁同步牵引电机的电梯每年的功耗估计为 3000kWh。通过以上算法，节省绝对功率可以达到惊人的 (1200-1500)kWh。
5 可行的解决方案
图 2 所示的状态机解释了所建议方案的实施方法。
(1)中断
CALL(x) = 楼层‘x’发出呼叫电梯的外部中断
GO(x) = 电梯内部发出的内部中断；当按下一个楼层按钮，到达特殊楼层时出现
(2)函数
Ascend( ) = 控制 PMSM 电机朝上行方向旋转滑轮的函数
Descend( ) = 控制 PMSM 电机朝下行方向旋转滑轮的函数
Stop(x) = 电梯停靠在楼层 ‘x’
Overload ( ) = 如果电梯负荷达到最大负荷的 90%，返回一个 1。（因为电梯的最大容量为 1000 千克）
(3)状态描述
IDLE = 电梯固定在楼层 Y
ASCEND = 电梯上行，Ascend( )函数在该状态下执行
DESCEND = 电梯下行，Descend( )函数在该状态下执行
CALL_ISR = 如果外部呼叫中断请求，进行处理
GO_ISR = 处理楼层按钮发出的内部中断
STO = 执行 Stop(x) 函数
(4)电机控制电路
实施 Ascend/Descend 函数的 PMSM 驱动电路如图 3 所示。它包含一个用于整流的二极管桥电路和一个用于滤波的电容组。总体来说，这些无源组件组成了简易的交直流转换器。转换电路的右侧是“完整三相电桥”， 进行直交流转换。高端晶体管将正电压应用到电机相位，而低端晶体管采用负电压。通过控制电桥晶体管的开关状态，驱动让电流流入或流出三个电机相位的任何一个。
数字 PMSM 驱动通过脉宽调制（PWM）控制所有晶体管。PWM 电压调节相位电流，这反过来又产生电机扭矩。模拟 FEEDBACK VOLTAGE 反馈电压和电流在被处理前，首先进行数字化处理。软件处理所有电机控制函数，包括调制、磁场方向、电流和速度回路控制。通过减少我们在早期设计中发现的很多离散成分，数字控制提高了驱动可靠性，促进了高级算法，实现了最佳电机性能。
要实施上面建议的方法，需要一个具有以下功能的微控制器：
① 脉宽调制器模块；
② 高优先级中断控制器，用于管理过载传感器、制动和保险丝开关；
③ 快速 ADC 模块；
④ 连接显示面板的串行端口；
⑤ 进行精确速度控制、厢门、轿厢定位的高度处理能力；
⑥ 充足的 RAM 和片上存储，保存从传感器采集来的数据。
MCF5213 是 ColdFire系®列精简指令集计算（RISC）微处理器的成员。这款 32 位器件基于 2.0 版 ColdFire 内核，最高可运行在 80MHz 的频率上，具有高性能和低功耗的特点。与处理器内核相连的片上存储器包括高达 256kB 的闪存和 32kB 的静态随机存取存储器（SRAM）。片上模块包括：
① V2 ColdFire 内核，76 个 MIPS（Dhrystone 2.1），80MHz，从内部闪存运行，带有乘加（MAC）单元和硬件除法器；
② 3 个通用异步/同步接收器/发射器（UART）；
③ 内置集成电路（Inter-integrated circuit ，I2C）总线控制器；
④ 排队串行外设接口（Queued serial peripheral interface，QSPI）模块；
⑤ 8 通道 12 位快速模数转换器（ADC）；
⑥ 4 通道直接存储器存取（DMA）控制器；
⑦ 4 个 32 位输入捕捉/输出比较定时器，具有 DMA 支持（DTIM）；
⑧ 4 通道通用定时器（GPT），支持输入捕捉/输出比较、脉宽调制（PWM）和脉冲累积；
⑨ 8 通道/ 4 通道、8 位/ 16 位脉宽调制定时器；
⑩ 2 个 16 位定期中断定时器（PIT）；
可编程软件看门狗定时器；
能够处理 57 个中断源的中断控制器；
具有 8MHz 片上张弛振荡器和集成锁相环（PLL）的时钟模块；
测试接入/调试端口（JTAG、BDM）。
6 结论
在本文，我们讨论了现代社会对环保产品的需求和快速城市化对电力需求的影响。我们论证了降低生活各个方面功耗的需要。为了让建筑更为绿色环保，我们建议了一种降低高峰时段电梯功耗的方法。
由于飞思卡尔的 MCF5213 具有的电机驱动能力、高处理能力和大量外设，本文以此为例来讨论可行解决方案。
参考书目
[1]《Development of Energy-Saving Elevator Using Regenerated Power Storage System》，Shinji Tominaga、Ikuro Suga、Hiroshi Araki、Hiroyuki Ikejima、Makoto Kusuma和Kazuyuki Kobayashi；工业电子学和系统实验室，三菱电气公司。
[2]《Energy Consumption Analysis for Geared Elevator Modernization: Upgrade from DC Ward Leonard System to AC Vector Controlled Drive》，多快电梯公司 Ashok B. Kulkarni Thyssen。
[3]《Dynamic Optimized Dispatching System for Elevator Group Based on Artificial Intelligent Theory》，北京联合大学 Cao Liting、Zhang Zhaoli、Hou Jue
[4]《Elevator Group Control Scheduling Approach Based on Multi-Agent Coordination》，中国天津大学电气和自动化工程学院 Qun Zong Liqian Dou、Weijia Wang
[5]《电梯世界》杂志，1996 年第一期
作者简介
Akshat Mittal 是飞思卡尔半导体印度公司的 ASIC 设计工程师，已经在公司工作了近两年的时间。他拥有信息和通信技术学士学位，擅长数字IP设计。
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