基于AVR的自动扶梯

第一部分  总体概述

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。

图1-1  电机的功率流向图

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。

图1-2 运行特性曲线