電梯專用永磁同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)

1、電梯專用永磁同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)    摘  要：本文針對電梯電氣拖動的要求，基于DSP嵌入式芯片實現(xiàn)了一種永磁同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)涉及了微計算機技術(shù)、現(xiàn)代功率電子技術(shù)、電機技術(shù)和控制理論。本文介紹了系統(tǒng)的設(shè)計框架、硬件結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的控制理論和方法。實際系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場達到了令人滿意的效果。 關(guān)鍵詞：無齒輪電梯  變頻調(diào)速  DSP  矢量控制1  引  言 電梯是為高層建筑交通運輸服務(wù)的比較復(fù)雜的機電一體

2、化設(shè)備。近年來，隨著城市的發(fā)展，高層建筑的迅速增多，對高性能電梯的電力拖動系統(tǒng)提出了新的要求1。更加舒適、小型、節(jié)能、可靠和精確有效的速度控制是其發(fā)展方向。而電機技術(shù)、功率電子技術(shù)、微計算機技術(shù)及電機控制理論的發(fā)展，使其實現(xiàn)成為了可能。傳統(tǒng)的電梯變頻調(diào)速電氣拖動系統(tǒng)一般采用交流異步電機2，需要齒輪減速設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，效率低。近年來發(fā)展起來的永磁同步電機具有體積小、慣性低、效率和功率因數(shù)高等顯著特點。將永磁同步電機應(yīng)用于電梯拖動系統(tǒng)優(yōu)點更加明顯：1）永磁同步電機產(chǎn)生較小的諧波噪音，應(yīng)用于電梯系統(tǒng)中，可以帶來更佳的舒適感。2）永磁同步電機與感應(yīng)電機相比更加緊湊、體積更小。通過設(shè)計多極對數(shù)可

3、以進一步減小電機體積，同時可以提供較大的轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)在的電機制造技術(shù)使的永磁同步電動機低速下能夠產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩。3）永磁同步電機轉(zhuǎn)子沒有損耗，效率更高；而感應(yīng)電機功率因數(shù)和效率隨極對數(shù)增加迅速降低。由于以上優(yōu)點，使用永磁同步電機的無齒輪傳動系統(tǒng)成為了電梯電力拖動系統(tǒng)發(fā)展的方向3。 本文介紹的永磁同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，基于先進的DSP嵌入式處理器，采用矢量控制原理，實現(xiàn)了電流、速度雙閉環(huán)控制，較好的實現(xiàn)了同步電機的低速控制、有良好的抗擾性能，滿足了無齒輪電梯電氣拖動系統(tǒng)的要求。本文介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，控制方法，以及針對電梯用永磁同步電機電氣拖動系統(tǒng)特點實現(xiàn)的特殊功能，并通過現(xiàn)場實驗測試

4、了系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)性能，試驗證明系統(tǒng)達到了設(shè)計性能。 2  無齒輪傳動電梯拖動系統(tǒng) 2.1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)可以分為主回路和控制回路兩部分部分，硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成簡圖如圖1所示。 圖1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖 （1） 主回路部分： 輸入側(cè)采用了簡單的三相整流電路，輸出側(cè)采用智能化IGBT模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性，起到了令人滿意的效果。 (2) 控制回路部分： 系統(tǒng)需完成的功能比較復(fù)雜，包括電梯的運行邏輯、速度曲線的設(shè)定、控制方案的實

5、現(xiàn)、反饋信號的處理等，同時，系統(tǒng)對運算的實時性要求很高。為了滿足這些要求，本系統(tǒng)采用了雙CPU系統(tǒng)。以兩個CPU為核心，系統(tǒng)可劃分為下面兩個部分。 主控制部分: 以主處理器為核心，主控制部分包括面板鍵盤輸入輸出、端子（模擬及開關(guān)）輸入輸出、上位機通訊端口、電流采樣以及主處理器。主處理器采用TI公司的TMS320F240。F240處理器具有高速結(jié)構(gòu)和精簡的指令集，并具有面向電機控制的PWM輸出單元，電壓、電流采樣用的多路高速A/D轉(zhuǎn)換器，精簡的DSP內(nèi)核使面向電機控制的較為復(fù)雜的控制算法得以實現(xiàn)。設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)的RS485/232通訊端口可以實現(xiàn)上位機控制。系統(tǒng)充分考慮了擴展性和

6、通用型的要求。 位置檢測部分: 位置檢測部分包括位置信號調(diào)理電路和位置檢測及處理MCU。系統(tǒng)運行中產(chǎn)生強烈的電磁干擾，所以信號條理電路的設(shè)計充分考慮到EMC并做了適當(dāng)?shù)奶幚?。為了得到高精度、高實時性的位置反饋信號，一塊獨立的MCU專門處理位置傳感器的模擬信號，將處理得到數(shù)字位置信息傳送給DSP使用。MCU作為DSP的外圍設(shè)備供DSP訪問。 (3) 其他重要硬件設(shè)備： 為了達到理想的控制性能，位置傳感器和電機的選擇是非常重要的。 電梯控制系統(tǒng)對位置反饋信號要求很高，特別是同步電機低速運行時，位置信號的誤差對系統(tǒng)性能有很大的影響。本系統(tǒng)采

7、用進口高精度正余弦編碼器作為位置傳感器。采用相關(guān)的軟、硬件處理后，可以得到相當(dāng)高精度的機械位置信號。此外, 針對電梯拖動系統(tǒng)的要求, 永磁同步電機采用扁平結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了多極對數(shù)的設(shè)計，使其低速運行時有良好的轉(zhuǎn)矩性能。該電機12對極，額定轉(zhuǎn)速189rpm，額定功率有11,14Kw等。 2.2  系統(tǒng)控制原理 本系統(tǒng)采用矢量控制原理4，將電機模型建立在與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)座標(biāo)上，分別對速度、轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)閉環(huán)控制。雙閉環(huán)系統(tǒng)中外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。轉(zhuǎn)矩控制在電流環(huán)上實現(xiàn)，采用最大轉(zhuǎn)矩控制方法5，系統(tǒng)原理如圖2所示。 圖中：n

8、*：轉(zhuǎn)速控制命令n：實際轉(zhuǎn)速采樣值It*：轉(zhuǎn)矩電流控制命令I(lǐng)t：轉(zhuǎn)矩電流采樣值Im*：勵磁電流控制命令I(lǐng)m：勵磁電流采樣值Um*：勵磁電壓控制命令Ut*：轉(zhuǎn)矩電壓控制命令 (1) 電流環(huán)：控制回路的內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，應(yīng)用d-q變換將采樣到的電流值從三相靜止坐標(biāo)系分解到與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)的兩相直角坐標(biāo)系的的d、q軸，實際上得到了轉(zhuǎn)矩電流采樣分量It和勵磁電流采樣分量Im。采用最大轉(zhuǎn)矩控制方式時，勵磁電流給定分量Im*為零，使轉(zhuǎn)矩電流分量達到最大。轉(zhuǎn)矩電流給定分量It*由外環(huán)速度環(huán)計算給出。電流環(huán)中給定電流分量與實際電流分量的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器以后得到輸出的d、q軸電壓分量Ut*和Um*，即

9、得到了輸出的電壓空間矢量。 (2) 速度環(huán)：外環(huán)為速度環(huán)，計算轉(zhuǎn)矩電流給定分量It*，其值為轉(zhuǎn)速指令n*和轉(zhuǎn)速反饋n的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器計算出的結(jié)果?？刂七^程中，轉(zhuǎn)矩的擾動通過速度的變化傳遞給電流環(huán)進行補償。 (3) PWM空間矢量輸出：計算得到的電壓空間矢量應(yīng)用空間矢量法6進行矢量分解后，以PWM方式輸出三相電壓信號，經(jīng)過逆變器功率輸出部分后，即得到了電機的三相控制電壓。 2.3  需要實現(xiàn)的特殊功能 針對用于電梯電氣拖動系統(tǒng)的要求和永磁同步電機的特點，需要考慮以下一些特殊功能的實現(xiàn)： (1) 

10、;轉(zhuǎn)子初始位置辨識功能 與異步感應(yīng)電機不同，永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈的位置由轉(zhuǎn)子的實際位置確定。電機運行前，需要辨識并記錄轉(zhuǎn)子磁鏈的初始位置。通常的做法是電機三相加直流電壓，直流鎖定轉(zhuǎn)子并記錄轉(zhuǎn)子位置。對于永磁同步電機控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子磁鏈初始位置的精度直接影響到控制性能。 (2) 預(yù)轉(zhuǎn)矩補償功能 電梯運行過程中，由于轎箱本身重力的原因，機械抱閘打開的瞬時，相當(dāng)于系統(tǒng)加入了一個階躍轉(zhuǎn)矩擾動。這個階躍擾動使整個電梯拖動系統(tǒng)動態(tài)性能變差。為了改善系統(tǒng)動態(tài)性能，需要加入預(yù)轉(zhuǎn)矩補償功能。補償?shù)暮脡?，很大程度上的影響了電梯系統(tǒng)的舒適性。 2.3 

11、60;低速性能的提高 為了使無齒輪電梯系統(tǒng)達到滿意的效果，低速性能的提高是關(guān)鍵。解決這個問題設(shè)計到位置信號處理方法、EMC干擾、數(shù)字控制器的計算精度以及控制方式等多方面因素。 (1) 高精度的位置檢測 系統(tǒng)采用高精度正余弦編碼器作為位置傳感器，使用1枚處理器單獨處理位置信號，信號處理電路充分考慮了EMC干擾，軟件編寫采用了實時性很高的位置檢測算法。經(jīng)過以上處理后，目前位置檢測精度可達  。 (2) 高分辨率的速度檢測 位置檢測精度的提高使得速度檢測的分辨率大大提高，在充分考慮計算誤差并做相應(yīng)處理后，速度檢

12、測的分辨率可達到  。 (3) 參數(shù)可變的PI控制器 拖動系統(tǒng)高速、低速運行時控制對象的參數(shù)有較大差別，通常情況下設(shè)計的固定參數(shù)的PI調(diào)節(jié)器不能滿足系統(tǒng)要求。為此我們采用獨立的在線連續(xù)可調(diào)整的PI參數(shù)，改善了系統(tǒng)動態(tài)性能。 3  試驗結(jié)果 3.1  動態(tài)性能 速度階躍響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)試驗結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖可以看出，速度階躍響應(yīng)時間為200ms左右，轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時間為30ms左右，均為無差控制，可以滿足系統(tǒng)動態(tài)性能的要求。 圖3  速度階躍響應(yīng) 圖

13、4  轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)3.2  穩(wěn)態(tài)性能 根據(jù)現(xiàn)場試驗得出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)如下：電機加額定負載情況下：最大轉(zhuǎn)速：200rpm；最小轉(zhuǎn)速：0.5rpm；穩(wěn)速精度：0.4%；  最大靜差：0.6%。電機額定速度運行情況下：負載轉(zhuǎn)矩：0160%額定轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速、額定負載情況下運行時的電流波形如圖5所示。4  結(jié)  論 本系統(tǒng)充分考慮了永磁同步電機和電梯電力拖動系統(tǒng)的特點，基于先進的DSP嵌入式處理器技術(shù)和功率電子技術(shù)，采用矢量控制原理和最大轉(zhuǎn)矩控制方法，實現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)反

14、饋控制。試驗證明，本系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩擾動和速度擾動均有良好的動態(tài)性能，特別具有良好的低速性能，可以實現(xiàn)電梯無齒輪轉(zhuǎn)動，滿足電梯電氣拖動系統(tǒng)的要求。 圖5   U相電流波形 參考文獻： 1   M. Hirose, A. Oomiya, and K. Miyoshi, “New speed control techniques for high-speed elevators”, El

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