【正文】 ： 直流電動機 門機 拖動 系統(tǒng)、異步電動機 門機 拖動 系統(tǒng)、永磁同步 門機 拖動 系統(tǒng)。 最老式的用傳統(tǒng)直流電動機調速的電梯門機一般由電動機配以繼電器、限位開關 和電阻實現開關門的控制 ，由于 控制簡單，調速性能好，變流裝置結構簡單，長期以來在調速系統(tǒng)領域里占統(tǒng)治地位。但是由于直流電動機結構復雜、成本高、故障多、維護困難且工作量大，經常因火花大而影響生產 ； 機械換向器的換向能力限制了電動機的容量、電壓和速度 。接觸式的電流傳輸又限制了直流電動機的使用場合 ； 電樞在轉子上，電動機效率低，散熱條件差，冷卻費用高，這些固有的缺點限制了直流電動機向高轉速、高電壓、大容量方向發(fā)展。 在交流電網上，因異步電動機具有結構簡單，工作可靠、壽命長、成本低，保養(yǎng)維護簡單等優(yōu)點，所以長期以來，在 不要求調速的場合，異步電動機占有主導地位，例如風機、水泵、普通機床的驅動中，人們廣泛使用交流異步電動機來拖動機械工作。但是，它調速性能差，起動轉矩小，過載能力和效率低，并且在這類拖動中，其旋轉磁場的產生需從電網吸取無功功率，故功率因數低，輕載時尤甚，這大大增加了線路和電網的損耗，無形中損失了大量電能。 當前，電梯門機控制系統(tǒng)主要有由交流電機及其 VVVF 調速系統(tǒng)構成的， 也有少數由直流電機及其調速系統(tǒng)構成的。這些系統(tǒng)均有其固有的缺陷。除整套系統(tǒng)的成本較高外，前者雖然體積小，壽命長，但控制較復雜，對控制系統(tǒng)中的 處理器性能要求較高，而且如果為同步電機，在帶載情況下還易出現失步現象。而后者盡管控制簡單，但直流電機體積大，維護困難，壽命短，電刷結構帶來電磁火花，易形成干擾。這些缺陷在電梯實際運行中就表現為電梯門開關不正常，維護工作量大等困擾操作人員的問題，進一步可造成嚴重經濟損失甚至人身傷害。 相對而言，永磁 同步 電機結合了直流電機與交流同步電機的優(yōu)點，具有體積小，壽命長，控制簡單，調速精度高，且不會失步的特點。而且，從提高效率，節(jié)約能量方面看，永磁 同步 電機也有優(yōu)勢。據報道，美國 55%以上的電力是消耗在電動機運行上，因此 提高電動機的效率很有意義。在所有類型電機中，永磁 同步 電動機的損耗最小、效率最高。有資料做過對比分析，對于 的異步電機系統(tǒng)效率可達 %，但是同樣容量的永磁 同步 電動機效率可達 %。隨著電子技術的進步，電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件的價格不斷下降?？紤]綜合指標 (系統(tǒng)性能、重量、能量消耗等 )之某大型商廈觀光電梯的電氣控制系統(tǒng)設計 8 后，永磁 同步 電機的應用正處于上升趨勢，其 主要的原因有： （ 1）高性能永磁材料的發(fā)展 1983 年問世的欽鐵硼永磁材料，由于其磁特性和物理特性優(yōu)異，成本低廉且材料來源有保證 (我國占有世界蘊藏量 8%以上的欽資源 )，所以在開發(fā)高磁場永磁材料(特別是欽鐵硼永磁材料 )方面具有得天獨厚的有利條件，我國的 欽 鐵硼永磁材料特性水平已達到世界的先進水平，為永磁同步電機的發(fā)展提供了物質基礎。 永磁材料的發(fā)展極大地推動了永磁同步電動機的開發(fā)應用。在同步電動機中用永磁體取代傳統(tǒng)的電勵磁磁極的好處是：簡化了結構，消除了轉子的滑環(huán)、電刷，實現了無刷結構，縮小了轉子體積 :省去勵磁直流電源，消除了勵磁損耗和發(fā)熱。當今中小功率的同步電動機絕大多數已采用永磁式結構。 （ 2）新型電力電子技術器件和脈寬調制 (PWM)技術應用 電力電子技術是信 息產業(yè)和傳統(tǒng)產業(yè)間重要的接口，是弱電與被控強電之間的橋梁。自 1958 年世界上第一個功率半導體開關晶閘管發(fā)明以來，電力電子元件已經歷了第一代半控式晶閘管，第二代有自關斷能力的半導體器件、第三代復合場控器件直至 90 年代出現的第四代功率集成電路 IPM。半導體開關器件性能不斷提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制電路日趨完善，它極大地推動了各類電機的控制。 70年代出現了通用變頻器的系列產品，為交流電機的變頻調速創(chuàng)造了條件。同時對同步電動機而言解決了起動問題。對最新的自同步永磁同步電動機，高性能電力半導體開關組成的逆 變電路是其控制系統(tǒng)中必不可少的功率環(huán)節(jié)。 （ 3）電子技術和控制理論的發(fā)展 集成電路和計算機技術是電子技術發(fā)展的代表，規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展完全改觀了現代永磁同步電動機的控制。隨著電子技術的發(fā)展，各種集成化的數字信號處理器 (DSP)發(fā)展很快，性能不斷改善，軟件和開發(fā)工具越來越多，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到了很大提高，出現了專門用于電機控制的高性能、低價位的 DSP。這使以單片機為核心的全數字控制系統(tǒng)取代模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。計算機技術的應用除了實現復雜控制規(guī)律，便于故障監(jiān)視、診斷 和保護等功能外，還可以用于計算機輔助分析和數字仿真。集成電路和計算機技術的發(fā)展對永磁同步電動機控制技術起到了重要的推動作用。它們的飛速發(fā)展促進了電機控制理論的發(fā)展與創(chuàng)新。 70 年代人們對交流電機提出了矢量控制的概念。這種理論的主要思想是將交流電機電樞繞組的三相電流通過坐標變換分解成勵磁電流分量和轉矩電流分量，從而將交流電動機 模擬 成直流電動，獲得與 直流電動機 一樣良好的動態(tài)調速特性。 目前，交流永磁同步電動機由于其體積小、重量輕 ； 結構簡單，運行可靠 ； 損耗小，效率高等一系列優(yōu)點，越來越引起人們重視。永磁電機幾乎遍 及航空，國防，工農業(yè)生產和 日常生活的各個領域。如汽車工業(yè)，電機現以永磁電機為主 。數控和精密某大型商廈觀光電梯的電氣控制系統(tǒng)設計 9 機床也大量應用永磁電機 。信息產業(yè)中永磁電機的應用面廣、類型多 。家用電器中永磁電機取代異步電機的地方也不少，如空調器己開始用永磁直流無刷電動機帶動空調壓縮機和通風機，洗衣機用永磁直流無刷電動機帶動洗衣桶旋轉等。隨著高磁場永磁材料價格和電動機轉子制造價格降低，以及驅動系統(tǒng)的理論研究和實踐應用的不斷完善與提高，永磁同步電動機及其驅動系統(tǒng)將會得到進一步的發(fā)展及應用?？梢院敛豢鋸埖卣f，永磁同步電動機己從小到大，從一般控制驅動到 高精度的伺服驅動，從人們日常生活到各種高精尖的科技領域作為最主要的驅動電機出現，而且前景會越來越明顯。 為便于比較， 永磁同步電動機 與其它電 動 機的綜合特性比較 如下 表 11。 表 11 三種 伺服系統(tǒng)控制方案比較 伺服系統(tǒng) 直流伺服系統(tǒng) 永磁同步伺服系統(tǒng) 異步交流伺服系統(tǒng) 電機結構 有電刷和換向器，結構復雜 比較簡單 簡單 最大轉矩約束 整流火花，永磁體退磁 永磁體退磁 無特殊要求 發(fā)熱情況 轉子發(fā)熱，不利 只有定子線圈發(fā) 熱，有利 定轉子均發(fā)熱， 需要采取措施 高速化 稍有困難 比較容易 容易 大 容量化 難 稍微困難 容易 制動 容易 容易 較容易 控制方法 簡單 稍復雜 復雜 磁通產生 永磁體 永磁體 二次感應磁通 環(huán)境適應性 受火花限制 好 好 維護性 較麻煩 無需保護 無需保護 以上分析可以看出，在工業(yè)應用及民用中，永磁 同步 電動機在快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率、耐受環(huán)境和經濟性等方面具有明顯優(yōu)勢。但是隨著交流伺服在國內的成熟發(fā)展，三相交流電機伺服控制器控制三相永磁伺服電機應用于電梯開門機將是一大趨勢，它是繼 VVVF 驅動技術后的、更新一代的驅動和控制技術 。 正是 在這一背景下，電梯技術的門控電機也逐漸向永磁無刷化方向發(fā)展。隨著我國國民經濟的蓬勃發(fā)展，高層建筑如雨后春魚般涌現，對電梯的需求就越來越大以及對電梯系統(tǒng)的性能要求也越來越高。然而，據統(tǒng)計，電梯故障的 75%出在轎門處，即電梯門控系統(tǒng)。 因此對電梯門控系統(tǒng)，具有相當高的要求。開發(fā)硬件體積小、運行可靠、開關快速性、智能化更高、易維護的門機控制系統(tǒng)是勢在必行的，發(fā)展永磁同某大型商廈觀光電梯的電氣控制系統(tǒng)設計 10 步電動機控制系統(tǒng)是一大趨勢，它不僅能實現了門機的全電動控制 (包括檢測門位移參數的閉環(huán)控制 )，而且開關門無碰撞、噪聲小，開關速度快 ； 另外相對于數控機床方面伺服控制系統(tǒng)，伺服控制精度不要求那么高，成本也相對低很多 ； 同時也采用了限位開關位置檢測和光幕傳感器，起到多重保護功能 ； 最后很容易實現門機堵轉力矩保護，實現多重保護措施，安全性和可靠性相當高。 二、永磁同步電動機的分類 根據永磁同步電動機變頻調速系統(tǒng)的控制方式不同，可將其分為兩大類 ： 一類是他控式變頻調速系統(tǒng) ； 另一類是自控式變頻調速系統(tǒng)。他控式變頻調速系統(tǒng)中所用的變頻裝置是獨立的，其輸出頻率直接由速度給定信號決定，屬于速度開環(huán)控制系統(tǒng)。他控式變頻調速雖然能夠解決永磁同步電機的起動問題，但仍存在失步、振蕩等問 題，因此永磁同步電機變頻調速系統(tǒng)一般采用自控式運行。 根據逆變器組成器件和工作方式的不同， 可將自控式永磁同步電機作如下簡單分類 ： 一類電機為晶閘管無換向器電機，又稱為負載換向同步電機調速系統(tǒng) ： 另一類電機稱為自控式永磁同步電動機或者永磁無刷直流電動機。 根據電動機反電勢的波形形狀又可分為無刷直流電動機 (簡稱 BLDCM)調速系統(tǒng)和三相永磁同步電動機 (簡稱 PMSM)調速系統(tǒng)兩種，它們的區(qū)別在于前者的感應電動勢為梯形波，電流為方波，而后者的感應電動勢和電流都為正弦波。盡管 BLDCM 有調速系統(tǒng)位置傳感器簡單、成本較低 、材料利用率高、控制簡單等優(yōu)點，但由于其原理上存在固有缺陷，使得轉矩脈動較大，鐵心附加損耗較大，因此只適用一般精度及性能要求低的場合 。而 PMSM 不需要勵磁電流，逆變器供電的情況下，不需要阻尼繞組，效率和功率因數都比較高，而且體積較之同容量的異步電機小，能克服 BLDCM系統(tǒng)的不足， 常用于高精度、高性能的場合。 三、 PMSM 伺服系統(tǒng)的研究現狀 縱觀 PMSM 伺服系統(tǒng)的研究現狀，國內外在圍繞提高 PMSM 性能及性價比目標從不同角度著手進行了大量的研究和實踐，并取得了一些令人可喜的成果 ； 尤其是近年來圍繞提高其伺服控制器 性能目標在系統(tǒng)控制策略上作了大膽的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先進控制策略并取得了一些具有實用性意義的成果。但是 PMSM 自身就是具有一定非線性、強禍合性及時變性的“系統(tǒng)”，同時其伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時還受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策略很難滿足高性能 PMSM 伺服系統(tǒng)的控制要求 )a)。為此，結合控制理論新的發(fā)展，引進一些先進的“復合型控制策略”以改進 PMSM 伺服系統(tǒng)控制性能。 隨著微電子學及計算機控制技術的發(fā)展，高速、高集成度、低成本的微處理器問世及商品化，使全數字化的交流伺服系統(tǒng)成為可能。通過微機控制，可使電機的調速某大型商廈觀光電梯的電氣控制系統(tǒng)設計 11 性能有很大的提高，使復雜的矢量控制得以實現，大大簡化硬件，降低成本，提高控制精度，還能具有保護、顯示、故障監(jiān)視、自診斷、自調試及自復位等功能。另外，改變控制策略、修正控制參數和模型也簡單易行，這樣就大大提高了系統(tǒng)的柔性、可靠性及實用性。近幾年，在先進的數控交流伺服系統(tǒng)中已采用高速數字信號處理芯片(Digital SignalProcesso:簡稱 DSP )。目前，多家公司都推出了專門用于電機控制的DSP。它的指令執(zhí)行速度達到每秒數百兆 以上，且具有適合于矩陣運算的指令 ，可實時產生平滑的參考信號，適應不同的控制要求，完成系統(tǒng)速度環(huán)、 電流環(huán)以及位置環(huán)的精密快速調節(jié)和復雜的矢量控制算法，并產生高分辨率的 PWM 輸出 。集成的電機控制所需的外設，如 A/D. 1/O、定時器、 PWM 發(fā)生器、串口通訊等等，使得應用 DSP的系統(tǒng)所需器件很少，可靠性增強，且可以滿足越來越小型化的要求 。在極端環(huán)境溫度條件下，仍具有良好的穩(wěn)定性和線性性，可提供可預計的輸出特性。這些特性保證了用于電機控制的算法，如 PID 控制、矢量控制、滑模變結構控制等可以高速、高精度的完成。因此， 采用高性能數字信號處理器的全數字交流永磁伺服系統(tǒng)是交流伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一 。 國外最新推出的高性能交流伺服系統(tǒng)幾乎全都實現了數字化，并且都采用了 16位或 32 位高速信號處理器芯片，有的還采用了運算速度更快的 RISC 芯片。國內在這方面的研制工作也取得了長足的進步，目前己有全數字化交流伺服系統(tǒng)的系列產品問世。但我國的電機控制技術，與國外還有很大的差距，并且這種差距又有逐漸增大的趨勢。 四、 PMSM 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及意義 永磁同步（ PMSM） 伺服驅動技術是一門包含著豐富內容的綜合性技術，自世界上第一臺伺服控 制系統(tǒng)出現以來，伺服驅動技術就一直不斷發(fā)展，尤其是各種現代控制理論的產生和廣泛的具體應用，一方面為高性能伺服驅動系統(tǒng)的研制提供了理論依據，另一方面也使高性能伺服系統(tǒng)實現全數字化、智能化、微型化成為可能。高性能伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要表現在 ： (1) 永磁同步電機的應用越來越廣泛。永磁同步電機具有體積小、重量輕、功率密度大、效率高、轉子消耗小等一系列優(yōu)點，在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工輕紡以及家用電器等方面正得到日益廣泛的應用，并且成為新一代的航空，航天和航海用電機，加上我國又是永磁材料的生產大國。所以，在我國永磁 電機的應用有著廣闊的發(fā)展前景。 (2) 高性能控制策略廣泛應用于交流伺服系統(tǒng)。傳統(tǒng)控制器的設計通常需要被控對象有非常精確的數學模型，而永磁電機是一個非線性多變量系統(tǒng)，難以精確的確定其數學模型，按照近似模型得到的最優(yōu)控制在實際上往往不能保證最優(yōu)，受建模動態(tài)，非線性及其他一些不可預見參數變化的