试论无齿轮电梯专用永磁同步电机调速系统的实现

2015-10-31涂传魁

建材与装饰 2015年16期

关键词：阶跃同步电机永磁

涂传魁

（福建省特种设备检验研究院福建省350008）

试论无齿轮电梯专用永磁同步电机调速系统的实现

涂传魁

（福建省特种设备检验研究院福建省350008）

作为当前电机领域的重点研究项目，无齿轮电梯专用永磁同步电机调速系统的研究具有重大意义。近年来，永磁同步电机在运动控制系统中被广泛应用，因此，这项研究对人们的日常生活来说也非常具有实用价值。由于电梯电气拖动的要求，基于先进的DSP嵌入式芯片实现了一种永磁同步电机调速系统。该系统主要采用了微计算机技术、现代功率电子技术、电机技术和控制理论。本文重点从无齿轮电梯专用永磁同步电机调速系统的设计、结构和基本理论这几个方面阐述了系统的实现和实际系统在现场的实验效果。

无齿轮电梯；永磁同步电机；变频调速；DSP

随着我国改革开放和社会经济的快速发展，高楼大厦在城市中犹如丛林般存在。对于每一栋大楼来说，电梯的使用都是不可或缺的。随着人们生活水平的提高，对电梯的使用也越来越广泛，在使用过程中，人们对质量的要求也逐渐增高，这使得各企业也必须提高电梯的各方面性能来满足消费者的要求。我国作为世界电梯销售最大的市场，却大量引用进口产品，国外的电梯品牌仍然是主导。由此可见，国内的电梯行业并没有真正独立。一味的依靠别人的先进技术，在费用和操作上都受到限制，是无法推动本国电梯市场的发展实现自主独立的。所以，对无齿轮电梯用永磁同步电动机调速系统的研究是当前的重要任务。

1　永磁同步机调速系统的原理及结构

1.1系统的硬件设施

内部硬件结构分主回路和控制回路，系统也是通过主回路和控制回路来运行的，具体作用体现详见图1。

图1　基于TMS320LF2407A的永磁同步电机硬件系统框图

1.1.1主回路

主回路是提高系统运行的保证，在进行输入和输出时，都引进了很多高新技术，特别是在输出侧，运用了智能模块，最大限度的将效果达到极致。

1.1.2控制回路

一般包括两个方面：即主控制和部分控制，其中主控制主要范围包括：面板键盘的常规输入、输出、电流采样以及主处理器等，是控制的核心内容，其设备质量和性能直接关系着系统的运行，一般我们常用的设备有TMS32OF240.F240，该设备具有高速处理性能，结构设计简单，得到人们的广泛认可；而部分控制主要包括：电路信号控制和位置检测、处理等。部分控制中应用比较广泛的设备为独立的MCU处理器，能对电路信号进行传输，将信息直接传递给DPS，完成系统的部分控制。整个控制回路的设计和控制设备的选择，都应该根据整体系统的使用需求，以满足电梯运行为目标，确保系统运行逻辑、速度等方面的基本作业，实现信息的反馈和处理，提高系统整体的运行效率。

1.1.3其他硬件设备

由于电梯控制系统在信号的准确性方面要求很高，特别是对低速运行的同步电机，位置信号是否准确，是直接威胁到系统的性能。因此，在保证控制性能的同时，也要选择对应适用的设备。一般情况下，我们都是引进国外的编码器来确保整个系统的运行效果。要想转矩性能在运行是达到最佳效果，还必须采用扁平结构来实现多级对数的设计要求。

1.2系统控制原理

无齿轮电梯专用永磁同步电机调速系统采用的原理是矢量控制，运行理论是在转子磁链的基础上建立对电机模型的坐标控制，将速度和转矩进行闭环控制。双闭环系统包括两部分：其中一个是中外环，中外环主要是进行速度控制，因此也称速度环；另外一个是内环，内环的工作是通过最大转矩控制法来运行，也称为电流环。

（1）电流环也称控制回路的内环，巧妙地运用坐标原理的转换将电值流进行分解，从而得到转矩电流和励磁电流的采样分量和数据分析。在控制转矩过程中，为了达到转矩电流分量的最大值，必须要把励磁电流分量控制为零。在对给定电流和实际电流的分量差值进行矢量分解时，普遍利用PI调节器来得到数据，然后通过逆变器来给出信号。

（2）外环即速度环，它的运作原理也是和内环一样利用PI调节器给出转矩电流给定分量的数据，再通过转速和反馈的指令程序对数据进行系统的运输和分析。在这一过程中，转矩对电流环会通过变化速度给它进行补偿。

（3）PWM空问矢量输出是一种特殊的输出方式，即以PWM方式对一系列通过空间矢量法计算的数据输出三相电压信号，借助逆变器，实现控制电压的全过程。

1.3其他特殊功能

1.3.1预转矩补偿功能

由于电梯本身承载重量较高，在上升阶段，很容易导致系统自动加入扰动程序，阻碍阶跃转矩的运行。因此，使用永磁同步电机控制系统，就必须重视所有对控制性能产生影响的元素。为了改善这一情况，就需要加入预转矩补偿功能。

1.3.2检测功能

电机位置的精确度是编码器安装初始位置决定的，为了保证这一准确度，在运行前，就需要检测编码器的安装初始位置。因此编码器安装位置的检测功能是非常重要的。

1.3.3保护功能

当系统出现一些故障时，如过流、过压和过载缺相的情况，为了保证电拖动系统的安全运行，系统会提供输入故障信号的保护。

2　永磁同步电机调速系统的特点

2.1低温升、小体积

永磁同步电机与感应电机不同，能降低一到两个机座号码。

2.2效率高且节能

从效率上来说，永磁同步电机调速系统的功率值接近1，在去除电励磁的基础上可以相对减少定子电流和转子电阻的消耗，数据显示，效率高达95%以上。当永磁同步电机用在无齿轮电梯时，即使是满载，效果也比异步显著，能达到40%以上。

2.3调速范围广永磁同步电机调速范围高达1：1000，甚至更高，而且能准确把握速度调控上，促进系统安全运转，满足人们对电梯品质的新要求。

2.4由于永磁同步电梯电机在额定转速是保持恒转矩，这就提高了电梯的稳定性，避免了电梯在启动缓速过程抖动的情况，增加了电梯乘坐的舒适感。

2.5成本低永磁同步电机在满载的情况下，即使不提高配置变频器的功率，启动运行的电流也不会超过额定电流的1.5倍。

2.6利用永磁同步电机调速系统，电机可以做成多极，特别适用于无齿轮电梯。

2.7永磁同步电梯电机要想降低各方面的不良反应，就必须在设计上对反电动势进行改良，达到正弦波状态。

3　无齿轮电梯系统低速性能的提高

3.1提高位置检测的精确度

为了完善无齿轮电梯系统，确保位置信号的准确，引进先进的正余弦编码器，对位置检测从系统中分离出来，进行独立处理。在操作过程中，考虑到EMC干扰，采用了精确的位置检测算法进行编程。

3.2提高速度检测的分辨率

在提高了位置检测的基础上，也使得速度检测的分辨率得到提升，在作出相应的处理后，速度完全可以达到要求。

3.3调整PI控制器

由于普遍情况下的参数在运行过程中在受到速度和控制对象的影响后产生各种差异，而且经常变化，所以需要PI控制器能适合作出调整，但目前的PI调整器并不具有此项功能，为达到这一要求，要我们要采用独立的在线连续可调整的PI参数，来完善系统的动态性能。

4　试验结果

4.1动态性能

（1）试验结果数据，详见图2。

图2　速度阶跃响应

图像数据表明速度阶跃响应时间需保持在200ms左右。

（2）转矩阶跃响应试验结果详见图3。

图3　转矩阶跃响应

由图得知，转矩阶跃响应时间大约在10ms。

（3）转矩扰动速度响应试验结果详见图4。

4.2稳态性能

在试验时，分类进行处理：①在额定负载条件下，最大转速是200r/min，最小转速是0.5/min，稳速精度是0.4%，最大静差是0.6%；②在额定速度运行下，负载转矩在0～160%额定转矩，具体电流波形详见图5。

5　结束语

无齿电梯专用永磁同步电机调速系统通过运用多种先进手法来提高了电梯在使用过程中的控制性能和对各项功能的改善，在技术方面主要依赖DSP处理器，在控制方法上采用的是矢量控制和最大转矩控制，从而保证电梯的品质和运营效果，达到市场要求和人民对生活质量的期望。综上所述，永磁同步电机调速系统永磁具有良好的动静态性能和较好的低速性能，完全能够达到无齿轮转动电梯的所有基本要求。此外，通过各种试验表明，无齿电梯专用永磁同步电机调速系统对转矩扰动和速度扰动在各方面都具有良好的动态性能和低速性能。