涂傳魁

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院福建省350008）

試論無齒輪電梯專用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

涂傳魁

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院福建省350008）

作為當(dāng)前電機(jī)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究項(xiàng)目，無齒輪電梯專用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究具有重大意義。近年來，永磁同步電機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，因此，這項(xiàng)研究對(duì)人們的日常生活來說也非常具有實(shí)用價(jià)值。由于電梯電氣拖動(dòng)的要求，基于先進(jìn)的DSP嵌入式芯片實(shí)現(xiàn)了一種永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用了微計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代功率電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)和控制理論。本文重點(diǎn)從無齒輪電梯專用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和基本理論這幾個(gè)方面闡述了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和實(shí)際系統(tǒng)在現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)效果。

無齒輪電梯；永磁同步電機(jī)；變頻調(diào)速；DSP

隨著我國改革開放和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高樓大廈在城市中猶如叢林般存在。對(duì)于每一棟大樓來說，電梯的使用都是不可或缺的。隨著人們生活水平的提高，對(duì)電梯的使用也越來越廣泛，在使用過程中，人們對(duì)質(zhì)量的要求也逐漸增高，這使得各企業(yè)也必須提高電梯的各方面性能來滿足消費(fèi)者的要求。我國作為世界電梯銷售最大的市場，卻大量引用進(jìn)口產(chǎn)品，國外的電梯品牌仍然是主導(dǎo)。由此可見，國內(nèi)的電梯行業(yè)并沒有真正獨(dú)立。一味的依靠別人的先進(jìn)技術(shù)，在費(fèi)用和操作上都受到限制，是無法推動(dòng)本國電梯市場的發(fā)展實(shí)現(xiàn)自主獨(dú)立的。所以，對(duì)無齒輪電梯用永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究是當(dāng)前的重要任務(wù)。

1　永磁同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)的硬件設(shè)施

內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)分主回路和控制回路，系統(tǒng)也是通過主回路和控制回路來運(yùn)行的，具體作用體現(xiàn)詳見圖1。

圖1　基于TMS320LF2407A的永磁同步電機(jī)硬件系統(tǒng)框圖

1.1.1主回路

主回路是提高系統(tǒng)運(yùn)行的保證，在進(jìn)行輸入和輸出時(shí)，都引進(jìn)了很多高新技術(shù)，特別是在輸出側(cè)，運(yùn)用了智能模塊，最大限度的將效果達(dá)到極致。

1.1.2控制回路

一般包括兩個(gè)方面：即主控制和部分控制，其中主控制主要范圍包括：面板鍵盤的常規(guī)輸入、輸出、電流采樣以及主處理器等，是控制的核心內(nèi)容，其設(shè)備質(zhì)量和性能直接關(guān)系著系統(tǒng)的運(yùn)行，一般我們常用的設(shè)備有TMS32OF240.F240，該設(shè)備具有高速處理性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，得到人們的廣泛認(rèn)可；而部分控制主要包括：電路信號(hào)控制和位置檢測、處理等。部分控制中應(yīng)用比較廣泛的設(shè)備為獨(dú)立的MCU處理器，能對(duì)電路信號(hào)進(jìn)行傳輸，將信息直接傳遞給DPS，完成系統(tǒng)的部分控制。整個(gè)控制回路的設(shè)計(jì)和控制設(shè)備的選擇，都應(yīng)該根據(jù)整體系統(tǒng)的使用需求，以滿足電梯運(yùn)行為目標(biāo)，確保系統(tǒng)運(yùn)行邏輯、速度等方面的基本作業(yè)，實(shí)現(xiàn)信息的反饋和處理，提高系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率。

1.1.3其他硬件設(shè)備

由于電梯控制系統(tǒng)在信號(hào)的準(zhǔn)確性方面要求很高，特別是對(duì)低速運(yùn)行的同步電機(jī)，位置信號(hào)是否準(zhǔn)確，是直接威脅到系統(tǒng)的性能。因此，在保證控制性能的同時(shí)，也要選擇對(duì)應(yīng)適用的設(shè)備。一般情況下，我們都是引進(jìn)國外的編碼器來確保整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。要想轉(zhuǎn)矩性能在運(yùn)行是達(dá)到最佳效果，還必須采用扁平結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多級(jí)對(duì)數(shù)的設(shè)計(jì)要求。

1.2系統(tǒng)控制原理

無齒輪電梯專用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用的原理是矢量控制，運(yùn)行理論是在轉(zhuǎn)子磁鏈的基礎(chǔ)上建立對(duì)電機(jī)模型的坐標(biāo)控制，將速度和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)包括兩部分：其中一個(gè)是中外環(huán)，中外環(huán)主要是進(jìn)行速度控制，因此也稱速度環(huán)；另外一個(gè)是內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)的工作是通過最大轉(zhuǎn)矩控制法來運(yùn)行，也稱為電流環(huán)。

（1）電流環(huán)也稱控制回路的內(nèi)環(huán)，巧妙地運(yùn)用坐標(biāo)原理的轉(zhuǎn)換將電值流進(jìn)行分解，從而得到轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流的采樣分量和數(shù)據(jù)分析。在控制轉(zhuǎn)矩過程中，為了達(dá)到轉(zhuǎn)矩電流分量的最大值，必須要把勵(lì)磁電流分量控制為零。在對(duì)給定電流和實(shí)際電流的分量差值進(jìn)行矢量分解時(shí)，普遍利用PI調(diào)節(jié)器來得到數(shù)據(jù)，然后通過逆變器來給出信號(hào)。

（2）外環(huán)即速度環(huán)，它的運(yùn)作原理也是和內(nèi)環(huán)一樣利用PI調(diào)節(jié)器給出轉(zhuǎn)矩電流給定分量的數(shù)據(jù)，再通過轉(zhuǎn)速和反饋的指令程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)輸和分析。在這一過程中，轉(zhuǎn)矩對(duì)電流環(huán)會(huì)通過變化速度給它進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）PWM空問矢量輸出是一種特殊的輸出方式，即以PWM方式對(duì)一系列通過空間矢量法計(jì)算的數(shù)據(jù)輸出三相電壓信號(hào)，借助逆變器，實(shí)現(xiàn)控制電壓的全過程。

1.3其他特殊功能

1.3.1預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能

由于電梯本身承載重量較高，在上升階段，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)加入擾動(dòng)程序，阻礙階躍轉(zhuǎn)矩的運(yùn)行。因此，使用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，就必須重視所有對(duì)控制性能產(chǎn)生影響的元素。為了改善這一情況，就需要加入預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能。

1.3.2檢測功能

電機(jī)位置的精確度是編碼器安裝初始位置決定的，為了保證這一準(zhǔn)確度，在運(yùn)行前，就需要檢測編碼器的安裝初始位置。因此編碼器安裝位置的檢測功能是非常重要的。

1.3.3保護(hù)功能

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一些故障時(shí)，如過流、過壓和過載缺相的情況，為了保證電拖動(dòng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)提供輸入故障信號(hào)的保護(hù)。

2　永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1低溫升、小體積

永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)不同，能降低一到兩個(gè)機(jī)座號(hào)碼。

2.2效率高且節(jié)能

從效率上來說，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率值接近1，在去除電勵(lì)磁的基礎(chǔ)上可以相對(duì)減少定子電流和轉(zhuǎn)子電阻的消耗，數(shù)據(jù)顯示，效率高達(dá)95%以上。當(dāng)永磁同步電機(jī)用在無齒輪電梯時(shí)，即使是滿載，效果也比異步顯著，能達(dá)到40%以上。

2.3調(diào)速范圍廣永磁同步電機(jī)調(diào)速范圍高達(dá)1：1000，甚至更高，而且能準(zhǔn)確把握速度調(diào)控上，促進(jìn)系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足人們對(duì)電梯品質(zhì)的新要求。

2.4由于永磁同步電梯電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速是保持恒轉(zhuǎn)矩，這就提高了電梯的穩(wěn)定性，避免了電梯在啟動(dòng)緩速過程抖動(dòng)的情況，增加了電梯乘坐的舒適感。

2.5成本低永磁同步電機(jī)在滿載的情況下，即使不提高配置變頻器的功率，啟動(dòng)運(yùn)行的電流也不會(huì)超過額定電流的1.5倍。

2.6利用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)可以做成多極，特別適用于無齒輪電梯。

2.7永磁同步電梯電機(jī)要想降低各方面的不良反應(yīng)，就必須在設(shè)計(jì)上對(duì)反電動(dòng)勢進(jìn)行改良，達(dá)到正弦波狀態(tài)。

3　無齒輪電梯系統(tǒng)低速性能的提高

3.1提高位置檢測的精確度

為了完善無齒輪電梯系統(tǒng)，確保位置信號(hào)的準(zhǔn)確，引進(jìn)先進(jìn)的正余弦編碼器，對(duì)位置檢測從系統(tǒng)中分離出來，進(jìn)行獨(dú)立處理。在操作過程中，考慮到EMC干擾，采用了精確的位置檢測算法進(jìn)行編程。

3.2提高速度檢測的分辨率

在提高了位置檢測的基礎(chǔ)上，也使得速度檢測的分辨率得到提升，在作出相應(yīng)的處理后，速度完全可以達(dá)到要求。

3.3調(diào)整PI控制器

由于普遍情況下的參數(shù)在運(yùn)行過程中在受到速度和控制對(duì)象的影響后產(chǎn)生各種差異，而且經(jīng)常變化，所以需要PI控制器能適合作出調(diào)整，但目前的PI調(diào)整器并不具有此項(xiàng)功能，為達(dá)到這一要求，要我們要采用獨(dú)立的在線連續(xù)可調(diào)整的PI參數(shù)，來完善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

4　試驗(yàn)結(jié)果

4.1動(dòng)態(tài)性能

（1）試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，詳見圖2。

圖2　速度階躍響應(yīng)

圖像數(shù)據(jù)表明速度階躍響應(yīng)時(shí)間需保持在200ms左右。

（2）轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果詳見圖3。

圖3　轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)

由圖得知，轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間大約在10ms。

（3）轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)速度響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果詳見圖4。

4.2穩(wěn)態(tài)性能

在試驗(yàn)時(shí)，分類進(jìn)行處理：①在額定負(fù)載條件下，最大轉(zhuǎn)速是200r/min，最小轉(zhuǎn)速是0.5/min，穩(wěn)速精度是0.4%，最大靜差是0.6%；②在額定速度運(yùn)行下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0～160%額定轉(zhuǎn)矩，具體電流波形詳見圖5。

5　結(jié)束語

無齒電梯專用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過運(yùn)用多種先進(jìn)手法來提高了電梯在使用過程中的控制性能和對(duì)各項(xiàng)功能的改善，在技術(shù)方面主要依賴DSP處理器，在控制方法上采用的是矢量控制和最大轉(zhuǎn)矩控制，從而保證電梯的品質(zhì)和運(yùn)營效果，達(dá)到市場要求和人民對(duì)生活質(zhì)量的期望。綜上所述，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)永磁具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能和較好的低速性能，完全能夠達(dá)到無齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)電梯的所有基本要求。此外，通過各種試驗(yàn)表明，無齒電梯專用永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)和速度擾動(dòng)在各方面都具有良好的動(dòng)態(tài)性能和低速性能。

圖4　轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)速度響應(yīng)

圖5　U相電流波形

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TM341

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1673-0038（2015）16-0092-03

2015-3-22

涂傳魁（1984-），男，助理工程師，本科，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)員工作。