电梯抱闸线圈对地漏电自动检测方法及电路设计

杨清云 吴开斌



电梯抱闸线圈对地漏电自动检测方法及电路设计

杨清云 吴开斌

（快意电梯股份有限公司）

针对老旧电梯抱闸线圈对地漏电引起抱闸回路控制空气开关不断开进而导致电梯发生拖闸运行或溜车问题，以霍尔传感器为检测部件，提出一种电梯抱闸线圈对地漏电自动检测方法。首先，研究电梯对地漏电机理，发现其漏电时抱闸电源正负极导线中存在50 Hz交流纹波分量；其次，基于霍尔传感器设计传感器电路与信号转换电路，将对地漏电信号转化为脉冲信号；最后，设计检测电路与检测单片机程序，实现电梯抱闸线圈对地漏电自动检测。试验结果表明，本文提出方法在不同接地电阻的情况下均能准确检测到抱闸线圈漏电。

抱闸线圈；漏电；霍尔传感器；自动检测

0　引言

电梯在城市建筑中的使用日益广泛，随着使用时间增长，出现因零部件老化、接触不良等引起的电梯故障也随之增多。其中老旧电梯采用漆包线绕制而成的电梯抱闸线圈受工艺水平限制或绝缘部件老化等影响，容易引起抱闸线圈绝缘变差，引发线圈内部对地漏电[1]。若漏电发生在电梯运行时，可能导致电梯拖闸运行[2]；若漏电发生在电梯停止时，可能导致抱闸微微张开而使电梯发生溜车[3]，这对人身财产安全造成极大隐患。当前对老旧电梯安全监测更多采用在线监测故障报警、远程监控电梯运行状况等事后监管方式，但抱闸线圈对地漏电可能产生重大危害，故如何有效防止因线圈对地漏电而产生的拖闸、溜车等问题对老旧电梯安全运行有着重要意义。为有效消除此类隐患，本文对电梯对地漏电产生机理进行研究，以霍尔传感器为检测部件，提出一种电梯抱闸线圈对地漏电自动检测方法并设计其自动检测电路。

1　电梯抱闸线圈对地漏电自动检测方法

1.1电梯抱闸线圈对地漏电机理

老旧电梯常见的抱闸回路和安全及门锁回路如图1所示。老旧电梯的抱闸电源电路、安全及门锁回路共用电源变压器的一组次级绕组[4]。通电情况下，当线圈L2中间某处（如A点）发生对大地PE漏电时（漏电时，图中虚线变为实线），由于变压器的次级绕组有一端接大地PE，以致空气开关F1没有跳闸。此时电流在抱闸电源输出端就会形成三条回路：1) 交流上半周期：DC+→K1→K2→L2上半部分→大地PE（交流下半周期时该回路没有电流）；2) 交流下半周期：大地PE→L2下半部分→DC-（交流上半周期时该回路没有电流）；3) 整个交流周期：DC+→K1→K2→L1→DC-。

由于在设计抱闸电源时，考虑到抱闸线圈的维持电压较低[5]，故没有做滤波处理，其输出电压仅仅是AC/DC整流而来的全波或半波的低频直流电压。这样就会造成抱闸线圈L1、L2不同步，即一个交流周期内，L1通过两个波电流而工作时，L2仅有上半部分工作，而下半部分不工作。

1.2电梯抱闸线圈对地漏电自动检测方法

电梯抱闸线圈对地漏电自动检测电路采用LTS6-NP霍尔传感器作为检测部件。该传感器中心有一个穿线孔，在传感器得电时，若有电流流过该穿线孔的导线，则自动检测出电流并输出直流电压信号，其输入输出曲线如图2所示。电梯抱闸线圈对地漏电自动检测方法将抱闸电源的DC+、DC-两条输出线穿过霍尔传感器的中心孔。通过试验发现，当抱闸线圈发生对大地PE漏电时，直流电压信号中带有50 Hz的交流电压纹波分量，如图3所示。

图1　老旧电梯常见的抱闸回路和安全及门锁回路

图2　LTS6-NP的输入输出曲线

对该交流分量信号再进行隔离直流分量、信号变换等处理，最后将信号输入到ATmega8单片机。当电梯抱闸线圈对地漏电时，单片机接收到的信号为持续的矩形脉冲信号；没有发生漏电时，单片机接收到的信号为持续的直线低电平信号。因此单片机即可判断出是否发生漏电，并输出指令控制继电器。

2　电梯抱闸线圈对地漏电自动检测电路设计

2.1电源电路

电梯抱闸线圈对地漏电自动检测电路采用DC24 V直流电源供电，利用电源芯片、电源模块等设计3组电源：模拟电源5 V、模拟电源DC12 V和数字隔离电源VDD（DC5 V）。

2.2信号检测电路

信号检测电路主要包括传感器电路、信号转换电路。

1)传感器电路

信号检测电路采用LTS6-NP霍尔传感器作为检测传感器，采用模拟5 V电源，LTS6-NP的输出引脚VOUT作为信号输出端。C2、R9、D3作为一级隔离直流电路，R17、D3作为二级隔离直流电路。通过隔离直流电压分量，信号达到VOUT_0时，变成小信号交流电压。LTS6-NP传感器电路如图4所示。

图4　LTS6-NP传感器电路

2)信号转换电路

LM258是一个双通道的集成运算放大器，采用模拟12 V电源。本文利用该集成运算放大器的非线性应用电路[6]，将其A通道设计为一个小信号整流电路，目的是将交流小信号整流为直流小信号；VOUT_0的信号经过该整流电路后，输出到VOUT_1时，变成直流小信号；然后利用其线性运算放大器的特性，将其通道B设计为一个线性运算放大电路；VOUT_1的信号经过放大到VOUT_2时，由mV级信号放大到V级信号。最后利用NE555定时器的波形变换电路，将VOUT_2输出的信号，转换为矩形脉冲信号。在设计过程中，发现单片机的输入信号容易受外部干扰，因此使用光耦U9、三极管Q2等进行信号隔离。信号VOUT_3经过隔离后，再进入ATmega8的外部中断输入引脚PD2。信号转换电路如图5所示。

图5　信号转换电路

2.3最小系统与输出电路

最小系统采用数字隔离电源VDD，微处理器U7采用ATmega8单片机，其采用RISC指令集，运算速度快；可以采用ISP编程和JTAG调试，便于软、硬件联机调试。外部时钟晶振为8 MHz的石英晶振，其旁路电容C13、C14为20 pF。单片机的PB0作为输出端口，控制继电器K1输出。单片机最小系统电路如图6所示。

图6　单片机最小系统电路

3　电梯抱闸线圈对地漏电自动检测软件设计

电梯抱闸线圈对地漏电自动检测主程序[7]处理流程如下：

1)初始化，I/O端口初始化、中断的初始化等；

2)延时，延时500 ms，增强检测板的抗干扰性能；

3)定时，定时器Timer1计时100 ms；

4)计数，计数器在100 ms内，记录PD2端口输入的上升沿脉冲个数；

5)判断，在100 ms内，计数器记录上升沿脉冲≥4个，说明有漏电，则发出指令驱动继电器动作；若不满足，则重复计时与计数。

软件主函数流程图如图7所示，其中中断服务程序分别为1) interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr (void)；2) interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr (void)。

4　测试验证

测试的电路原理如图8所示。按照图8测试的电路接线后，开始上电测试。

1)K1断开：VD1~VD4亮灯，LED灯条亮灯；用示波器检测PD2端口的信号波形如图9所示；说明没有发生抱闸线圈L2内部对大地PE漏电现象。

2)K1闭合：VD1、VD4亮灯，VD2、VD3不亮灯，LED灯条不亮灯；用示波器检测PD2端口的信号波形如图10所示；说明发生抱闸线圈L2内部对大地PE漏电现象。

图8　测试的电路原理

图9为正常时PD2端口波形，图10为漏电时 PD2端口波形。

图9　正常时PD2端口波形

图10　漏电时 PD2端口波形

此外，在图8的电路中，先后在K1与地PE之间串联0 Ω、10 Ω、20 Ω、30 Ω、40 Ω和50 Ω的电阻再进行实验，发现当K1闭合时均能够检测到漏电情况。

5　结语

老旧电梯存在抱闸线圈对地漏电现象，不易被发现，导致电梯存在拖闸运行或者溜车风险。本文研究发现漏电时抱闸电源存在50 Hz交流纹波分量，以霍尔传感器为检测部件，提出一种电梯抱闸线圈对地漏电自动检测方法，并设计了对应传感器电路、信号转换电路、检测电路与检测单片机程序。实验表明在不同接地电阻情况下，所提出的方法均可有效实现电梯抱闸线圈对地漏电自动检测。

[1] 陈淑萍.探讨老旧电梯使用安全隐患的防范与控制措施[J].低碳世界,2016(4):208-209.

[2] 邓贤远,江爱华,何山.制动器对电梯安全的影响分析[J].机电工程技术,2016,45(4):129-132.

[3] 俞培华.电梯突发停车故障的一些原因分析[J].机电技术,2013(3):132-134.

[4] 赖颖东.电梯液压抱闸制动系统检验要点分析[J].技术与市场,2013,20(4):30+33.

[5] 郑坤,金川.电梯曳引系统抱闸控制分析[J].农机使用与维修,2013(8):94-95.

[6] 赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].3版.刘树棠,朱茂林,荣玫,译.西安:西安交通大学出版社,2004.

[7] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

Automatic Detection Method and Circuit Design of Elevator Leakage Coil to Ground

Yang Qingyun Wu Kaibin

（Dongguan IFE ELEVATORS Co., Ltd.）

Focus on the trailer run or slide car problem of elevator resulted from the air control switch not open caused by leakage of elevator brake coiling to ground, an automatic detecting method using Hall sensors as the detection components to detect leakage of elevator brake coiling to ground was proposed. Firstly, the mechanism of elevator leakage to the ground was studied, finding that there is 50Hz AC ripple component exist in the positive and negative wire when the leakage happens; Secondly, based on the Hall sensor, a sensor circuit and a signal conversion circuit were designed, which will change the leakage signal into a pulse signal; Finally, design a detection circuit and the detection of single-chip software, to achieve the elevator holding coil to ground leakage automatic detection. The experimental results show that the proposed method can accurately detect the leakage of the holding brake coil under the condition of different grounding resistances.

Brake Coil; Leakage; Hall Sensor; Automatic Detection

杨清云，男，1986年生，本科，工程师，主要研究方向：电梯电子与电气系统技术等。