电梯交直流兼容型到站钟低功耗控制及工程测试

0引言

随着城市化进程加速与电梯保有量激增,电梯辅助设备的运行稳定性、能耗特性及场景适配性成为行业优化焦点。作为传递楼层到达信息的核心部件,到站钟需长期处于待机与工作交替状态,其性能直接影响乘梯体验与运维成本。当前主流到站钟多采用单一交流供电,虽能满足常规需求,但在断电、应急救援等工况下,依赖直流备用电源切换时,传统机制常存在响应延迟,易导致提示音中断或误触发,且电压波动可能损坏音频部件[1];同时,常通电设计产生的无效能耗显著,不符合行业“轻量化、低功耗”发展趋势。基于此,本文以“交直流兼容”“低功耗控制”为核心,结合工程需求设计到站钟控制系统,旨在解决传统设备兼容性差、能耗高的问题,为电梯辅助设备节能化升级提供实用路径。

1 电梯交直流兼容型到站钟系统架构

电梯交直流兼容型到站钟系统以“供电双模式兼容、能耗动态可控”为核心设计要点,在保障交流常规供电与直流应急供电稳定切换的同时,通过模块化架构实现功能协同与低功耗运行。其系统需兼顾日常音质清晰度、应急不间断工作及不同电梯的安装适配需求,整体由四大功能单元构成控制闭环(图1),各单元通过标准化接口实现数据互通与联动。

1)供电切换单元:采用双向晶闸管与二极管整流电路,接入AC220 V交流与DC24 V直流供电,经电压监测芯片进行实时监测,交流正常时优先供电并为直流电池补能,异常时0.5 S内切换至直流[2]。

2)核心控制单元:以低功耗STM32L431单片机为核心,集成多类模块,解析楼层信号、生成音频指令,同时自动切换“工作—待机—休眠”模式调节能耗。

3)音频驱动单元:选用D类放大器(功耗较传统降40%以上)输出不同频率提示音,支持30~80 dB音量调节,平衡清晰度与节能。

4)状态监测单元:通过采样电阻与传感器采集供电、电流、功率数据,反馈至核心单元,同时具备异常报警功能。

2 电梯交直流兼容型到站钟低功耗控制策略

2.1 多模式动态功耗调节策略

针对电梯到站钟“间歇工作、长期待机”的运行特性(图2),设计“工作—待机—休眠”三模式动态切换机制,通过核心控制单元的定时器与外部中断逻辑,实现能耗按需分配。

三种模式的触发条件与能耗控制目标如下:

1)工作模式:当核心控制单元接收到电梯控制器发出的楼层触发信号(如抵达目标楼层前3 s),会迅速唤醒音频驱动单元,依照规范输出提示音[3]。此刻,系统全面开启所有功能模块,核心控制单元维持高频时钟运行,确保信号解析与指令输出的及时性。此模式下,交流供电功耗控制在1.2 W以内,直流供电功耗控制在0.8 W以内。

2)待机模式:提示音播放结束1 s后,系统自动切换至待机模式。在此模式下,音频驱动单元供电关闭,核心控制单元主频从80 MHz降至16 MHz,仅保留楼层信号接收与供电状态监测功能。交流静态功耗降低至0.3 W,直流静态功耗降低至0.2 W,大幅减少非工作时段的能耗。

3)休眠模式:若连续30 min未检测到楼层触发信号(判定电梯处于停运或夜间闲置状态),系统便会进入休眠模式。此时,核心控制单元关闭定时器与多数外设,仅保留供电检测电路(电流≤50μA),通过

外部中断引脚监测电梯启动信号或供电模式切换事件。一旦监测到唤醒触发信号,能在0.1 s内完成系统复位与模块唤醒,恢复至待机模式。

为精准控制模式切换时机,引入“触发信号间隔阈值”算法,定义相邻两次楼层触发信号的时间间隔为Tint,设定休眠触发阈值Tsleep=30min,待机触发阈值Tstandby=1 s,模式切换逻辑如式(1)所示:

Tint由核心控制单元的定时器实时统计,通过软件中断实现阈值比对与模式切换,确保切换响应延迟≤100 ms。

2.2 供电模式自适应调节算法

为实现交直流供电模式下的能耗优化与功能一致性,设计供电模式自适应调节算法,核心在于根据当前供电类型动态调整音频驱动功率与核心单元工作参数,避免无效能耗与功能失真。

2.2.1供电模式识别逻辑

供电切换单元输出端设置电压采样电路,核心控制单元通过ADC模块采集供电电压值UsUp,设定交流供电识别阈值UAC-low=198 V[AC220×(1±10%)V下限]、直流供电识别阈值UDC-low=21.6V[DC24 ×(1±10%)V下限],供电模式识别如式(2)所示:

当识别为“供电异常”时,系统触发声光报警,同时启动备用电容储能模块(容量1 000 μF),维持核心单元与报警电路工作≥5 S,确保故障信息有效传递[4]。

2.2.2驱动功率动态调节

音频驱动单元采用PWM(脉冲宽度调制)控制方式,核心控制单元根据供电模式输出不同占空比的PWM信号,调节驱动功率[5]。定义交流供电时PWM占空比为DAC,直流供电时为DDC,功率调节关系如式(3)所示:

式中:P为音频驱动功率;,drive为驱动电路额定电流(固定为50 mA)。

通过实验标定,当DAC=50%时,交流供电 (USUP=220V)功率PAC=220 ×0.05 ×50%=5.5W,此功率下提示音音量稳定在50~60 dB,满足乘梯识别需求;当DDC=67%时 ,直流供电 (USUP=24V)功率PDC=24 × 0.05× 67%≈0.8 W,相较交流模式实现显著能耗降低,同时保障音质与音量符合使用标准。

2.3 关键电路低功耗优化

为配合低功耗控制措施落地,对系统关键电路进行硬件级深化优化,进一步降低静态与动态能耗,具体如下:

1)核心控制电路优化:基于STM32L431单片机,软件上关闭冗余代码段与非必要外设,启用低功耗定时器精准控制唤醒,减少待机电流0.3μA;硬件上微调时钟晶振负载电容,提升时钟精度至±5× 10-5,降低频率波动能耗。

2)供电切换电路优化:为双向晶闸管BT136设计软启动电路,通过PWM控制导通角抑制浪涌电流,降低启动功耗30%;优化整流滤波电容布局,将直流电压纹波降至± 10 mV,减少电压波动能耗;同时加入故障自恢复机制,避免故障导致的无效功耗[6]。

3)音频驱动电路优化:针对D类放大器TPA3116,采用自适应PWM调制,按需调整载波频率,降低驱动功耗8%;增加动态阻抗匹配电路,提升音频传输效率至92%,并联动核心电路实现过热降功率保护,保障高效运行。

3 工程应用与试验验证

3.1 工程适配试验方案

工程适配围绕多品牌兼容与低功耗落地优化:

1)尺寸与安装:模块80 mm×60 mm×25mm,可嵌入电梯控制柜预留空间,无须改造,单台安装≤20min;

2)接口设计:端子排式接线,分供电(AC220V/DC24V,防反接)、信号(RS422)、音频接口,接线无须编程,≤30 min/台;3)环境适配:ABS阻燃外壳(IP44)+温度补偿模块,适应-20~60℃、湿度≤95%环境,避免功耗异常。

试验平台为验证多品牌适配性与低功耗策略搭建:

1)供电模拟:可编程AC电源(IT6534,AC85~265 V)模拟正常/电压波动,DC电源(E36312A,DC12~36V)模拟应急供电;2)信号模拟:电梯信号模拟器(TS-200)生成楼层、启停及切换信号,适配多品牌协议;3)参数监测:功率分析仪(WT310E)测功耗,示波器捕波形,音频分析仪测提示音,确保功能不受影响。

3.2 测试工况与结果

针对低功耗控制策略的核心 目标,基于不同品牌电梯共性运行场景设计8类典型测试工况,每类工况重复测试50次,取平均值作为最终结果,具体数据如表1所示。

由表1可知,系统在所有测试工况下均满足设计要求:工作模式功耗精准控制在目标范围内,待机与休眠模式能耗较传统设备降低60%以上;供电切换响应迅速且功耗波动小,验证了多模式动态调节、供电自适应等低功耗策略的有效性,同时提示音频率与音量稳定,未因功耗优化影响功能正常性。

3.3 现场应用效果

选取某商业综合体三台运行年限2~5年的奥的斯Gen2系列电梯进行现场改造,安装本文设计的交直流兼容型到站钟,连续运行3个月(三台电梯累计运行时长约5 000 h)后,从能耗、可靠性、运维三方面统计应用效果,具体数据如表2所示(表中数据为三台电梯运行对应指标平均值)。

由上述数据可知,改造后系统能耗优化显著,低功耗控制策略落地效果突出,同时可靠性与运维效率大幅提升。现场反馈显示,系统运行期间无因能耗异常导致的故障,运维人员通过RS422接口可直接读取实时功耗数据与模式状态,无须拆机即可完成参数监测与故障排查;在两次交流供电中断场景中,系统均快速切换至直流供电,提示音连续无中断,充分验证了低功耗控制策略在实际应用中的稳定性与实用性。

4 结束语

本文以电梯交直流兼容型到站钟为研究对象,讨论其系统架构、低功耗控制策略及工程适配方案,通过多模式调节、供电自适应算法与硬件优化的协同,有效解决传统到站钟兼容性差、能耗高的问题,实现了交直流稳定运行与节能目标,且适配多品牌电梯,具备较强的工程实用性。未来,可进一步拓展至电梯其他辅助设备,形成一体化低功耗方案,同时优化模式切换阈值动态调整逻辑,结合电梯运行频次细化能耗控制,提升节能效率与适配灵活性。

[参考文献]

[1]王庚,李化,张国豪,等.交直流叠加工况下金属化膜电容器电热寿命特性[J].电力电容器与无功补偿,2025,46(4):33-39.

[2]周传博,黎达.交直流配电网优化设计方法及系统[J].通讯世界,2025,32(4):112-114.

[3]赵继超,李金科,田清.交流线引起同塔的嵌入式直流工频感应及直流偏磁研究[J].电工电气,2025(8):24-29.

[4] 刘堃,路成龙.基于LPWAN的物联网技术在电梯中的应用研究[J].工程机械,2024,55(8):1-6.

[5]李亚伟,王尚.浅析交直流两用钳形表在电梯检验中的应用[J].特种设备安全技术,2021(1):31-32.

[6]浙江埃能德电气有限公司.交直流电梯控制变压器[Z],2020.

《机电信息》2025年第23期第14篇