張光明

金碧物業(yè)有限公司

永磁同步電梯曳引機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張光明

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三相永磁同步電動(dòng)機(jī)由于其突出的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為交流伺服控制領(lǐng)域發(fā)展的方向。而近年來(lái)，隨著電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)、大功率電力電子器件的飛速發(fā)展以及交流電氣傳動(dòng)技術(shù)和各種先進(jìn)智能控制理論的日益成熟，因此使得研究和設(shè)計(jì)出更高性能的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)電梯曳引機(jī)的永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究非常有必要?；诖吮疚姆治隽擞来磐诫娞菀芬龣C(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

永磁同步電梯；曳引機(jī)；變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1、永磁同步電梯曳引機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義

20世紀(jì)末期和21世紀(jì)初，隨著電梯市場(chǎng)需求的不斷更新和科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步人們對(duì)電梯產(chǎn)品的規(guī)格和性能提出了更高的要求，有力的推動(dòng)了電梯設(shè)備的發(fā)展。于是諸如無(wú)機(jī)房電梯、小機(jī)房電梯等新產(chǎn)品不斷涌向市場(chǎng)。為了滿足這些新產(chǎn)品的配套需求作為電梯動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)必須要具有體積更小、效率更高、低速大轉(zhuǎn)矩等一些特點(diǎn)。而一直以來(lái)因?yàn)榫哂袀鲃?dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在電梯行業(yè)被公認(rèn)為電梯驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)首選的蝸輪、蝸桿傳動(dòng)方式的曳引機(jī)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需求。盡管目前世界各國(guó)著名電梯公司紛紛著手開發(fā)各種新型的曳引機(jī)，但隨著釹鐵硼等稀土永磁材料的廣泛應(yīng)用和價(jià)格的降低，無(wú)齒輪永磁同步電梯曳引機(jī)開始受到青睞而在電梯行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前，無(wú)齒輪永磁同步電梯曳引機(jī)已經(jīng)在垂直載客電梯占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)。

2、永磁同步無(wú)齒輪電梯曳引機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

無(wú)齒輪永磁同步電梯曳引機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器和曳引輪組成，和有齒輪曳引機(jī)相比，省去了復(fù)雜的減速箱，同時(shí)也不需要把電機(jī)軸和減速箱輸入軸連接起來(lái)的聯(lián)軸器因此體積大為減小。圖1是典型電梯曳引機(jī)的外形結(jié)構(gòu)圖，主要由電動(dòng)機(jī)本身、電磁制動(dòng)器和曳引輪組成。

電磁制動(dòng)器是電梯曳引機(jī)的一個(gè)特殊裝置，在非運(yùn)行情況下，總是處于關(guān)閉狀態(tài)。在非運(yùn)行情況下，電磁制動(dòng)器通過(guò)兩側(cè)安裝的導(dǎo)向壓縮彈簧給曳引輪施加一個(gè)很大的制動(dòng)摩擦力，從而將電機(jī)曳引輪牢牢抱住。制動(dòng)器的打開，可以通過(guò)往下壓住制動(dòng)器上的手動(dòng)松閘手柄，手動(dòng)松開抱閘。在實(shí)際使用時(shí)，運(yùn)行前我們需要給制動(dòng)器上的電磁線圈通入一個(gè)較大的交流電或者直流電，通過(guò)電磁力的作用將制動(dòng)器迅速打開，之后只需一個(gè)較低的維持電壓就可以使制動(dòng)器維持打開狀態(tài)。在永磁同步電梯曳引機(jī)運(yùn)行前，我們一定要檢查制動(dòng)器是否已經(jīng)打開，否則容易造成嚴(yán)重后果，因?yàn)樵谥苿?dòng)器打開前，若驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)發(fā)出運(yùn)行指令但制動(dòng)器處于閉合狀態(tài)，曳引輪由于受到一個(gè)很大的制動(dòng)摩擦力，相當(dāng)于一個(gè)很大的負(fù)載，因此如果驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有一定的過(guò)流保護(hù)措施，很有可能因電流夠過(guò)大導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)由于驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，極易導(dǎo)致制動(dòng)器的機(jī)械損壞。

圖1 永磁同步電梯曳引機(jī)的外形圖

3、永磁同步電梯曳引機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主功率變換電路和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1.1 永磁同步電梯曳引機(jī)矢量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路中，我們將主功率變換電路、開關(guān)電源電路和模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)在一張電路板上，而控制電路則設(shè)計(jì)在另外一張電路板上，兩張電路板留出共同的信號(hào)接口，由排線相連接，這樣的設(shè)計(jì)有效的減小了驅(qū)動(dòng)電路的強(qiáng)電信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)弱電信號(hào)的干擾，且控制電路相對(duì)獨(dú)立，因此對(duì)系統(tǒng)仿真調(diào)試非常方便。本系統(tǒng)功率電路采用典型的交-直-交電壓型變壓變頻電路，直流環(huán)節(jié)采用大電容進(jìn)行濾波，使直流環(huán)節(jié)的電壓非常穩(wěn)定，相當(dāng)于一個(gè)恒壓源。功率模塊選用的是富士IGBT模塊7MBR100U4B120-50，該模塊將整流、逆變、溫度檢測(cè)、能耗制動(dòng)集成在一起，極大的簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。

3.1.2 控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制電路主要包括電壓電流采樣電路、PWM波形處理電路、故障保護(hù)電路、故障綜合電路和編碼器處理電路，以下主要分析了PWM波形處理電路設(shè)計(jì)。

圖2是PWM波形處理電路，74ACT244是一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片，輸入端的電壓范圍為O-VCC，供電電壓為2V-6。SVPWMI-2到SVPWM6-2是從DSP引腳輸出的六路PWM波形，且波形是電平為3.3V的方波，由于后續(xù)的電路要求所處理信號(hào)的電平為SV，因此我們需要對(duì)PWM波形進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將電平為3.3V的方波轉(zhuǎn)換成電平為SV的方波，輸出端Y1-Y6均為5V電平的方波。

上圖中74ACT244的使能端連接的DRIVE信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)軟件可將DRIVE信號(hào)置高，這樣一來(lái)74ACT244將不會(huì)被使能，無(wú)論輸入端的波形是什么狀態(tài)，輸出端的狀態(tài)將維持高電平，從而在這一級(jí)進(jìn)一步封鎖PWM波形，高保護(hù)的可靠性。

圖3 主程序軟件流程圖

3.2 電梯曳引機(jī)矢量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件的主程序主要包括系統(tǒng)初始化和主循環(huán)兩部分。系統(tǒng)初始化主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行所需要的各種初始化設(shè)置，包括系統(tǒng)各外設(shè)時(shí)鐘、外設(shè)I/O引腳功能、中斷向量表、外設(shè)模塊初始化、參數(shù)初始化等。主循環(huán)主要包括運(yùn)行時(shí)序控制、操作器掃描與顯示、系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)的刷新顯示、上位機(jī)通信等。中斷程序主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些主要控制算法，包括矢量控制算法、SVPWM技術(shù)、PID調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置計(jì)算、故障保護(hù)等一些重要部分。(見圖3)

在系統(tǒng)上電之后，DSP將根據(jù)CMD文件的配置信息，首先進(jìn)行變量地址分配，之后跳入MAIN函數(shù)，開始執(zhí)行主程序，待初始化操作結(jié)束后，進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中執(zhí)行各種操作，同時(shí)等待各個(gè)中斷，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，則離開主程序去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行完畢后返回之前的斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行主程序。

總之，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以有不同的控制對(duì)象，根據(jù)控制對(duì)象的不同，主要可分為異步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文主要分析了永磁同步電梯曳引機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)方面，以期提供一些借鑒。

[1]王蘇華.新型電梯曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京理工大學(xué)，2013.

[2]鄭嚴(yán).永磁同步電動(dòng)機(jī)在天平游梁式抽油機(jī)上的應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)，2013.