【正文】 成果。 根據(jù)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(diào)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。開發(fā)硬件體積小、運行可靠、開關(guān)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)展永磁同步電動機控制系統(tǒng)是一大趨勢，它不僅能實現(xiàn)了門機的全電動控制 (包括檢測門位移參數(shù)的閉環(huán)控制 )，而且開關(guān)門無碰撞、噪聲小，開關(guān)速度快 ； 另外相對于數(shù)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(guān)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(xiàn)門機堵轉(zhuǎn)力矩保護，實現(xiàn)多重保護措施，安全性和可靠性相當(dāng)高。 正是 在這一背景下，電梯技術(shù)的門控電機也逐漸向永磁無刷化方向發(fā)展?？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(qū)動到高精度的伺服驅(qū)動，從人們?nèi)粘Ｉ畹礁鞣N高精尖的科技領(lǐng)域作為最主要的驅(qū)動電機出現(xiàn)，而且前景會越來越明顯。數(shù)控和精密機床也大量應(yīng)用永磁電機 。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(biāo)變換分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)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(diào)速特性。計算機技術(shù)的應(yīng)用除了實現(xiàn)復(fù)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(shù)字仿真。對最新的自同步永磁同步電動機，高性能電力半導(dǎo)體開關(guān)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)。自 1958 年世界上第一個功率半導(dǎo)體開關(guān)晶閘管發(fā)明以來，電力電子元件已經(jīng)歷了第一代半控式晶閘管，第二代有自關(guān)斷能力的半導(dǎo)體器件、第三代復(fù)合場 控器件直至 90 年代出現(xiàn)的第四代功率集成電路 IPM。 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(yīng)用。在所有類型電機中，永磁 同步 電動機的損耗最小、效率最高。這些缺陷在電梯實際運行中就表現(xiàn)為電梯 門開關(guān)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(yán)重經(jīng)濟損失甚至人身傷害。 當(dāng)前，電梯門機控制系統(tǒng)主要有由交流電機及其 VVVF 調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成的， 也有少數(shù)由直流電機及其調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成的。但是由于直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、故障多、維護困難且工作量大，經(jīng)常因火花大而影響生產(chǎn) ； 機械 換向器的換向能力限制了電動機的容量、電壓和速度 。因 此在實際應(yīng)用中需要一個運行安全可靠、性能穩(wěn)定的電梯門機控制系統(tǒng)，其設(shè)計就顯得尤為重要。 因為門的保持時間過長，會影響電梯的運行效率，而保持時間過短又不能保證乘客全部安全的進入轎廂。在 t6 時刻，轎廂門實際已經(jīng)關(guān)閉。 以關(guān)轎廂門為例，在 t1 時刻，門電機得到控制信號 (一般為脈沖信號 )，經(jīng)過一段時間延遲，轎廂門開始動作，一直到 t2 時刻，此段時間為加速階段，其運行距離一般較短。 (5) 門過載保護裝置有的門系統(tǒng)設(shè)有門過載保護開關(guān)裝置，當(dāng)電梯在開關(guān)門過程中，因轎廂門受阻而導(dǎo)致動作力矩過大，梯門會自動 向反方向動作，從而達到保護門電機的作用。 (4) 大廳內(nèi)乘客檢測系統(tǒng)在一些高性能的電梯系統(tǒng)中，都設(shè)置了大廳內(nèi)乘客檢測裝置，確定乘客是否全部進入電梯。 (3) 安全檢測在電梯控制系統(tǒng)中，為了避免乘客被正在關(guān)閉的門扇傷害，在門系統(tǒng)中大都設(shè)置安全檢測系統(tǒng)，以檢測關(guān)門時是否還有乘客從電梯門上通過。 (2) 電梯的門結(jié)構(gòu)此部分主要由門扇、導(dǎo)軌、廳門門鎖等構(gòu)成，目前主要采用單扇門和中分門兩種結(jié)構(gòu)。下面簡單介紹各個組成部分及其速度曲線和運行過程。 電梯門 機 拖動系統(tǒng)方案 的創(chuàng)新性 設(shè)計 電梯門機系統(tǒng)簡介 在電梯系統(tǒng)中，為了使其能夠正常工作 ， 也為了提高電梯系統(tǒng)的可靠性一般在電梯系統(tǒng)中都有一些附屬裝置，電梯門機系統(tǒng)即是其中一個。在電梯中主要有如下兩個運動：轎廂的升降運動，轎門及廳門的開關(guān)運動。轎廂的運動由曳引電動機產(chǎn)生動力，經(jīng)曳引傳動系統(tǒng)進行減速、改變運動形式（將旋轉(zhuǎn)運動改變?yōu)橹本€運動）來實現(xiàn)驅(qū)動，其功率在幾千瓦到幾十千瓦，是電梯的主驅(qū)動。舒適的電梯系統(tǒng)應(yīng)該有較短的候梯時間，門運行快捷、安靜，使乘客不會覺得候梯和運行時間過長 ， 因此，高效的電梯應(yīng)該有一個良好的門機驅(qū)動系統(tǒng)。 (1) 梯門電機控制系統(tǒng)這部分主要由門電機控制器、門電機驅(qū)動裝置以及門電動機等組成。為了提高門系統(tǒng)的快捷性，高性能的電梯系統(tǒng)多采用中分門結(jié)構(gòu)。當(dāng)轎廂門正在關(guān)閉時，如果此時有乘客欲進、出入電梯轎廂 (包括乘客位于轎廂門前某段距離或乘客阻擋轎廂門關(guān)閉 )，則轎廂門應(yīng)該停止關(guān)閉，且重新打開。當(dāng)乘客或物體仍在門檢測區(qū)域內(nèi)時，電梯的門系統(tǒng)能自動延時關(guān)門，確保乘客全部進入電梯。 (6) 速度曲線及運行過程電梯門機系統(tǒng)的速度曲線如圖 11 所示。從 t4 開始到 t5時刻，為勻速階段。在 t 6 t 7 的門鎖定階段電機繼續(xù)轉(zhuǎn) 動，轎廂門被壓緊，門刀關(guān)門同時通過機械結(jié)構(gòu)關(guān)閉廳門 直到 t 7 時刻，電機停止轉(zhuǎn)動，門關(guān)閉過程結(jié)束。因此應(yīng)對門保持時間進行很好的選擇 ： 在保證乘客全部安全進出電梯的情況下，盡可能的縮短電梯開關(guān)門時間。 一、各種門機拖動系統(tǒng)的比較 門機拖動 系統(tǒng)從電流型式上分為直流調(diào)速 拖動 和交流調(diào)速 拖動 兩大類，在交流調(diào)速 拖動 中，異步電動機 門機 調(diào)速 拖動 系統(tǒng)和同步電動機 門機 調(diào)速 拖動 系統(tǒng) 已發(fā)展成為占有相當(dāng)比例的兩類調(diào)速 拖動 系統(tǒng) 。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(zhuǎn)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(zhuǎn)速、高電壓、大容量方向發(fā)展。這些系統(tǒng)均有其固有的缺陷。 相對而言，永磁 同步 電機結(jié)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(diào)速精度高，且不會失步的特點。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 %。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(jié)構(gòu)，消除了轉(zhuǎn)子的滑環(huán)、電刷，實現(xiàn)了無刷結(jié)構(gòu)，縮小了轉(zhuǎn)子體積 :省去勵磁直流電源，消除了勵磁損耗和發(fā)熱。半導(dǎo)體開關(guān)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。 （ 3）電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展 集成電路和計算機技術(shù)是電子技術(shù)發(fā)展的代表，規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展完全改觀了現(xiàn)代永磁同步電動機的控制。集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展對永磁同步電動機控制技術(shù)起到了重要的推動作用。 目前，交流永磁同步電動機由于其體積小、重量輕 ； 結(jié)構(gòu)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。信息產(chǎn)業(yè)中永磁電機的應(yīng)用面廣、類型多 。 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。隨著我國國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，高層建筑如雨后春魚般涌現(xiàn)，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。 二、永磁同步電動機的分類 根據(jù)永磁同步電動機變頻調(diào)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(diào)速系統(tǒng) ； 另一類是自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。 根據(jù)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(diào)速系統(tǒng)和三相永磁同步電動機 (簡稱 PMSM)調(diào)速系統(tǒng)兩種，它們的區(qū)別在于前者的感應(yīng)電動勢為梯形波，電流為方波，而后者的感應(yīng)電動勢和電流都為正弦波。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)。另外，改變控制策略、修正控制參數(shù)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。集成的電機控制所需的 外設(shè)，如 A/D. 1/O、定時器、PWM 發(fā)生器、串口通訊等等，使得應(yīng)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 。 國外最新推出的高性能交流伺服系統(tǒng)幾乎全都實現(xiàn)了數(shù)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。高性能伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在 ： (1) 永磁同步電機的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)控制器的設(shè)計通常需要被控對象有非常精確的數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)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(yù)見參數(shù)變化的影響，有時甚至?xí)鹂刂破焚|(zhì)嚴(yán)重下降，魯棒性得不到保證，所以有必要研究一種新型的高性能的控制策略，來彌補這種缺陷和不足。全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)就是將伺服電機的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制和監(jiān)控通訊功能全部由軟件完成。 DSP 控制器由于其本身的特點成為永磁電機控制的必然選擇。 (5) 伺服系統(tǒng)中所用的電力電 子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能功率模塊(IPM)將進一步得到普遍應(yīng)用，逆變器逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l化、小型化的無噪聲逆變器 。 控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求有 ： 適用范圍廣，適用于開門寬度在 350mm 2400mm之間的電梯門 ； 電動機起動、停止，各段速度的轉(zhuǎn)換要求加減速過程平滑，具有 S 曲線的加減速過程 ； 門扇運行各狀態(tài)點速度可設(shè)置 ； 加減速時間可設(shè)置 ； 有很強的輸入過電壓，欠電壓，輸出過電流保護功能 ； 具有自整定功能，并可在一定范圍內(nèi)修改自整定值。 為使門機拖動系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，并收到良好的效果，以體現(xiàn)本觀光電梯的高檔性，本設(shè)計門機拖動系統(tǒng)采用永磁同步（ PMSM） 伺服系統(tǒng) 。 電梯的拖動系統(tǒng)經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的過程。 但它的缺點是舒適感較差 ， 所以一般被用于載貨電梯上 。 它的舒適感好 ， 平層準(zhǔn)確度高 ， 而造價卻比直流電梯低 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 易于維護 ， 多用于 2米 /秒以下的電梯 。 (尤其是低速段 )應(yīng)此應(yīng)用較晚 ， 它幾乎與微機同時應(yīng)用 ， 比起電動機 發(fā)電機組形式的直流電梯 ， 它有很多優(yōu)點 。 它采用交流電動機驅(qū)動 ，卻可以達到直流電動機的水平 ， 目前控制速度已達 6 米 /秒 。由于系統(tǒng)采用高精度電光碼盤，全數(shù)字化控制，使電梯平層精度達到毫米級，并且絕對保證電動機零速下閘，舒適感非常好。先進的電腦控制技術(shù)，完善的檢測、自診斷、自 保護功能最大限度地考慮了電梯在任何情況下出現(xiàn)故障的可能性，設(shè)置了各種防故障和應(yīng)急裝置 。 高速高性能。 節(jié)省機房空間。全電腦控制可以方便地使兩臺、三臺、四臺以上的電梯進行群控，合理安排，合理分配，提高電梯的運行效率。自動學(xué)習(xí)電梯的提升高度、樓層間距，自動根據(jù)?？烤嚯x選擇運行曲線。自診斷能力和遠程報警功能的實現(xiàn)，使得電梯維修保養(yǎng)工作越來越簡單，越來越有針對性，越來越快速。 第二章 電梯控制系統(tǒng)方案設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較 繼電器組成的順序控制系統(tǒng)是最早的一種實現(xiàn)電梯控制的方法。同時，由于電機交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，電梯的拖動方式已由原來直流調(diào)速逐漸過渡到了交流變頻調(diào)速。 電梯繼電器控制系 統(tǒng)故障率高，大大降低了電梯的可靠性和安全性，經(jīng)常造成停梯，給乘用人員帶來不便和驚憂。 PLC控制一般具有可靠性高、易操作、維修、編程簡單、靈活性強等特點。 3） PLC 有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不易發(fā)生操作的錯誤。例如，采用可靠性的元件 。 6） PLC的軟件方面，也采取了一系列提高系統(tǒng)可靠性的措施。 其次，易操作性， PLC 的易操作性表現(xiàn)在下列幾個方面 :： 1）操作方便 對PLC 的操作包括程序輸入和程序更改的操作。更改的信息可在液晶屏或 CRT 上顯示。 3）維修方便 PLC 具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低。編程方法的多樣性使編程方便、應(yīng)用面拓展。 3）操作的靈活性。 (3)PLC 可實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能。為便于比較 PLC 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)優(yōu)缺點 現(xiàn)列表如下，詳見表 21。但是，它的使用和維護要求工作人員應(yīng)具有一定的專業(yè)知識，技術(shù)水平較高，且工控機在整機水平上尚不能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境。 表 22 PLC 控制系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的比較 比較項目 通用計算機系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng) 工作目的 科學(xué)計算 工業(yè)自動控制 工作環(huán)境 對工作環(huán)境要求高 對工作環(huán)境要求低，可在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場工作 工作方式 中斷處理方式 循環(huán)掃描方式 系統(tǒng)軟件 需配備功能較強的系統(tǒng)軟件 一般只需簡單的監(jiān)控程序 采用的特殊措施 掉電保護等一般性措施 采用多種抗干擾措施，自診斷，斷電保護，可在線維修 編程語言 匯編語言，高級語言，如 BASIC，C 等 梯形圖，助記符語言， SFC 標(biāo)準(zhǔn)化語言 對操作人 員的要求 需專門培訓(xùn)，并具有一定的計算機基礎(chǔ) 一般的技術(shù)人員，稍加培訓(xùn)即可操作使用 對內(nèi)存的要求 容量大 容量小 價格 價格高 價格低 其他 若用于控制，一般需自行設(shè)計 機種多，模塊種類多，易于集成系統(tǒng) 電梯控制系統(tǒng)方案設(shè)計 本設(shè)計通過多種方案的比較和參照， 可看出 PLC 控制具有顯著的優(yōu)點： 在電梯控制中采用了 PLC，用軟件實現(xiàn)對電梯運行的自動控制