Sistema integrado de controle de elevadores

Combinar o controlador com o driver do motor em uma única unidade oferece muito mais do que apenas simplicidade.

Este artigo foi apresentado pela primeira vez no Simpósio Internacional de Elevadores e Escadas Rolantes de 2018, em Istambul. Para mais informações sobre o evento de novembro de 2019 em Las Vegas e para participar, visitar www.elevatorsymposium.org.

Um sistema integrado de controle de elevadores consiste em um controlador de elevador e um driver de motor combinados em um único dispositivo. À primeira vista, essa nova tendência pode parecer apenas uma questão de simplificar a fiação do controlador do elevador, mas a presença dos controladores integrados trouxe muitas outras mudanças. Neste artigo, explicaremos as estruturas dos controladores integrados de elevadores, bem como as mudanças que eles introduziram. Para entender a transição para os dispositivos integrados, devemos primeiro analisar a comunicação entre o controlador do elevador e o driver do motor.

Controlador de elevador elétrico

Um controlador de elevador possui duas unidades principais: a placa eletrônica do controlador e o driver do motor. Outros elementos na caixa do controlador incluem interruptores, fiação e limitadores. A placa do controlador coleta todas as informações da caixa do elevador, envia comandos e gerencia o driver do motor, bem como outras unidades do sistema. Qualquer solicitação de movimento é avaliada pelo controlador, que envia os comandos apropriados ao driver do motor. O driver do motor atua como um dispositivo escravo, e o controlador atua como um gerenciador.

A função do controlador do motor é apenas realizar a rotação do motor de acordo com os comandos do controlador. Os componentes básicos do sistema de controle do elevador são mostrados na Figura 1.

Todas as informações do eixo, incluindo a posição da cabina, chegam ao controlador do elevador. O driver do motor não sabe nada sobre o eixo. Ele apenas recebe comandos do controlador; recebe a velocidade e a posição do rotor do motor. O driver do motor gera a tensão necessária para girar o motor na velocidade desejada.

Comunicação entre o controlador e o driver do motor

O fluxo de informações mais simples entre o controlador e o driver é mostrado na Figura 2. O controlador envia a velocidade de deslocamento, a direção e o sinal de habilitação para o driver, e o driver envia a velocidade real e o status do dispositivo para o controlador. Pode haver muito mais dados trafegando, mas esses são os comandos e informações básicos. Essa comunicação pode ocorrer em paralelo ou em série.

Conexão Paralela

No modo paralelo, as saídas de um dispositivo são conectadas às entradas do outro e vice-versa. Nesse modo, cada comando ou informação requer uma entrada no primeiro dispositivo, uma saída no segundo e a fiação entre eles. Portanto, existe um limite físico para o número de canais que podem ser implementados entre esses dois dispositivos, sendo que o dispositivo com o menor número de terminais define esse limite. Além disso, as funções de entrada e saída fornecidas pelo controlador e pelo driver do motor variam de acordo com a marca ou o modelo do dispositivo selecionado. Ademais, não é possível utilizar uma função a menos que ela já esteja implementada em ambos os dispositivos, e não é possível transferir dados numéricos em uma conexão paralela, visto que cada terminal pode transportar apenas um bit de dados. Por exemplo, a velocidade real não pode ser enviada ao controlador em formato numérico pelo inverso. Apenas informações que indicam se a velocidade está acima ou abaixo de um valor definido, e não o valor da velocidade em si, podem ser enviadas. Por outro lado, todos os controladores e drivers de motor suportam conexão paralela, a maneira mais simples de conectar um controlador e um driver de motor. Ela não requer a configuração de protocolos ou canais de comunicação.

Conexão Serial

Na conexão serial, apenas os terminais de comunicação serial são conectados entre o controlador e o driver do motor (Figura 3). Todas as informações e comandos entre os dois dispositivos são transmitidos pela conexão serial. Quaisquer dados podem ser transferidos para o outro dispositivo, desde que este possa utilizá-los ou interpretá-los. Em teoria, compartilhar informações parece muito fácil; na prática, porém, não é tão simples.

Dispositivos com padrões seriais idênticos, como CAN ou RS485, e estruturas de dados idênticas. Embora a maioria dos controladores e drivers possua portas seriais, nem todos suportam o mesmo padrão. Quando o canal de comunicação é estabelecido, o próximo problema é o protocolo. Dois dispositivos devem suportar o mesmo protocolo; ou seja, falar a mesma língua. Caso contrário, não conseguirão se entender.

Uma vez que os dois dispositivos consigam se comunicar, eles podem compartilhar dados, o que aumenta o controle sobre o motor e o eixo. O controlador do elevador pode gerenciar o percurso do elevador de forma muito mais eficiente, recebendo informações sobre a velocidade real e a distância de frenagem do sistema de reversão. Os dispositivos podem compartilhar seus dados via barramento serial para aprimorar o controle do sistema.

A comunicação serial entre dois dispositivos parece ser a melhor opção. No entanto, também apresenta alguns problemas. Existem vários protocolos de comunicação, mas alguns fabricantes de drivers e controladores de motores não os suportam todos. Pode ser que dois dispositivos não consigam se comunicar, a menos que sejam cuidadosamente testados antes de serem usados ​​em uma aplicação. Nenhuma outra entrada ou saída é necessária para transmitir mais dados. O software pode aprimorar a comunicação o suficiente para transmitir novos dados.

Controle e posicionamento do veículo (DCP) e CANopen

Os sistemas DCP e CANopen Profile Position Mode foram desenvolvidos especialmente para aplicações em elevadores, facilitando a comunicação entre o controlador e o driver do motor. Eles também utilizam um encoder absoluto para obter dados de posição da cabina. Isso permite que o controlador e o driver do motor tenham informações sobre velocidade, posição atual da cabina, posição desejada e distância de frenagem. Ambos utilizam esses dados para controlar o movimento adequadamente e alcançar a precisão de nivelamento.

Controladores de elevador integrados

Surgimento de dispositivos integrados

Os primeiros dispositivos integrados no mercado eram, na verdade, dois dispositivos acondicionados em uma única caixa, como mostrado na Figura 6. A maneira mais fácil e rápida de se ter um controlador integrado é simplesmente montar uma placa controladora de elevador em um driver de motor, conectar os terminais entre eles e colocar todas as peças em uma caixa. Isso pode ser facilmente implementado usando qualquer driver de motor e qualquer placa controladora de elevador. No entanto, esse método resultará apenas em economia de espaço e fiação dentro da caixa do controlador. A placa controladora e o driver de motor geralmente são produzidos por dois fabricantes diferentes.

Dispositivos Integrados Distintivos

Dispositivos integrados, produzidos em uma única caixa e por uma única fábrica ou fabricante, surgiram depois que alguns fabricantes de controladores começaram a produzir também drivers de motor. Esses fabricantes adquiriram o conhecimento necessário para projetar um único dispositivo eletrônico capaz de acionar tanto o motor quanto o elevador (Figura 7). Neste exemplo, um único microcontrolador controla todas as operações do elevador, bem como a rotação do motor.

Agora podemos falar de um dispositivo completamente novo. Como você pode ver facilmente, não há necessidade de um caminho de comunicação ou protocolo. Um único microcontrolador sabe tudo e faz tudo. Ele não precisa de mais nada.

No entanto, o controle preciso do motor é realizado por meio de um método de controle vetorial. O desempenho do acionamento do motor está altamente relacionado à velocidade dos cálculos para avaliar as tensões do motor. Muitas transformações espaciais e funções trigonométricas devem ser realizadas periodicamente em um intervalo de tempo menor que o período da frequência portadora. Um controlador de sinal digital (DSC) é tipicamente usado para controle vetorial. O DSC é projetado para executar operações matemáticas em um período de tempo muito menor do que um microcontrolador. Um DSC dedicado deve ser empregado na seção de controle do motor se uma frequência portadora de 16 kHz for suportada. Caso contrário, o sistema dificilmente atinge 10 kHz. Um controlador de elevador integrado com um microcontrolador e um DSC é mostrado na Figura 8.

Neste dispositivo, ambos os microcontroladores podem acessar todas as variáveis ​​do sistema, mas não compartilham tarefas. O DSC lida apenas com os cálculos de controle vetorial e feedback do motor, enquanto o microcontrolador lida com as tarefas do elevador. Eles enviam comandos ou confirmações um para o outro por meio de comunicação interna em altíssima velocidade.

Na Figura 9, podemos ver o controlador com o dispositivo integrado. É fácil perceber, à primeira vista, que o sistema é simplificado.

No entanto, há mais — agora podemos listar os benefícios:

• A fiação elétrica é mais simples. Há menos dispositivos, conexões e fios.
• O espaço necessário dentro da caixa de controle é menor.
• Não há necessidade de interface com dispositivos, protocolos de comunicação ou configuração serial.
• Tanto o controlador quanto o driver do motor têm conhecimento de todas as informações, podendo utilizar quaisquer dados quando necessário.
• Um encoder incremental pode ser usado de forma muito eficiente, já que ambos os dispositivos podem obter informações imediatamente. Periféricos dedicados para encoders DSC permitem que o dispositivo avalie a posição do carro com muita precisão.
• O número de parâmetros é reduzido e eles são mais eficientes.
• Não há necessidade de dois painéis de monitoramento; um é suficiente.