基于神经网络的电梯用无齿轮永磁同步曳引机速度控制系统研究.pdf
张迪 张殿明
[摘 要]电梯是一种特殊的设备，电梯的可靠性与安全性对核心部件曳引机及其控制的要求很高，永磁同步曳引机因为具有优良的控制性能、较高效率以及体积紧凑等特点，因为这些优点的存在，永磁同步曳引机在电梯领域中得到了广泛的推广和应用。本文对曳引机控制系统进行分析研究，并在以后的实践中对电梯技术进行不断的探索与研究，使电梯的安全性不断加强。
[关键词]电梯曳引机；永磁同步电动机；安全保护
中图分类号：G156 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）30-0225-01
20世纪90年代以来，随着永磁材料性价比的不断提升，永磁同步电动机伺服驱动系统由于其本身突出优点而获得广泛应用，是现代高性能伺服系统的发展方向。对于永磁同步曳引机的制造，国内出现了很多相关的制造企业。下面本文对走进新型电梯曳引机驱动与控制系统电路设计与实现进行分析探讨。
1.电梯系统的整体结构
目前使用的电梯系统涉及生活的方方面面，比如高层建筑的乘客电梯、建筑工地的货运电梯和医院运送病床的医用电梯等等。不同种类的电梯在设计上也不尽相同，特别是在安全保护系统，货运电梯和载人电梯存在较大区别。本文所指的电梯是指适用于一般高层建筑载人的垂直式电梯。曳引机是电梯的心脏，是电梯的动力部件，其应用和发展已经有近百年的历史。电梯运行的舒适性和安全性很大程度都是由曳引机直接相关，电梯曳引机技术的发展直接关系电梯的运行性能。电梯整体系统较为复杂，一般的电梯厂商都会建有自己的试验塔以对设计的电梯系统进行整体测试。
2.对永磁同步曳引机进行分析
电梯在设计时加速度的上限和下限值会明确，同时根据负载要求电梯的载重量也会确定，那么电梯的总飞轮转矩基本确定，根据这些参数电梯的动态转矩的大小就可以确定。曳引机电机是电梯的关键部件，它是整个电梯的动力来源。目前市场上曳引机电机的种类繁杂，有很多不同类型的曳引机电机，其中永磁同步曳引机是将无轴承技术运用到永磁同步电机上的新型无轴承电动机。19世纪20年代的世界第一台永磁电机由于采用天然磁铁矿，磁能密度低，不久就被电励磁电机所取代，但是进入20世纪90年代，永磁材料性能不断提升和价格的逐步下降，特别是高磁能积、高矫顽力而价格相对低廉的钕铁硼（NdFeB）永磁材料的出现，极大的推动了永磁电机在工业生产的各领域的广泛应用。将永磁电动机分无刷直流电动机（BLDC）和永磁同步电动机（PMSM）两类。无刷直流电动机采用永磁转子取代电励磁直流电动机的定子磁极，定子绕组采用集中绕组，在定子相绕组中感应反电动势波型为梯形波，要求通入三相对称方波电流，以产生恒定电磁转矩。永磁同步曳引机以其体积小、能耗低、低速输出转矩大且运行平稳、噪声低、免维护等优点，已经引起整个电梯行业的普遍关注，所以本项目选择永磁同步曳引机作为电梯的动力装置。目前电梯曳引机系统使用比较普遍的是电磁制动器。当电梯保持静止时，电磁制动器的线圈中无电流通过，电磁铁芯间没有吸引力，制动瓦块在制动弹簧作用下抱紧制动轮，使电机不旋转；当曳引机通电旋转的瞬间，电磁制动器电磁铁中的线圈同时通电，电磁铁芯迅速吸合，使制动弹簧受作用力，制动瓦块张开，与制动轮脱离，电梯得以运行；当电梯轿厢到达所需楼层时，曳引电动机失电、制动器电磁铁中的线圈也同时失电，电磁铁芯中的磁力迅速消失，铁芯在制动弹簧的作用下通过制动臂复位，使制动瓦块再次将制动轮抱住，电梯停止运行。
3.对控制系统电路进行分析
永磁同步电机可以采用V/F开环控制，这种方式最简单，这种方式一般应用于带鼠笼的永磁同步电动机，这种特别的结構，使得电磁转矩中附加一个异步转矩分量，能使永磁同步电动机在没有位置传感器的情况下稳定运行，而且这种控制方式实现也不难，只需实现V/F恒定的控制算法，通过SPWM调制法，控制供电电压的基波幅值按照给定成比例的线性增长，同时保持磁通的恒定，这种方式适合对动态特性要求不高的泵机、风机等负载。
3.1 控制系统电源电路
控制系统电路是整个电梯的核心，对系统各个动作部件发出运行指令，使系统安全高效运行。控制系统电路主要由DSPTMS320F28335最小系统电路、电源管理电路、霍尔传感器信号调理电路、编码器信号调理电路、RS232通讯电路等组成。整个控制系统有多款不同的芯片，还有诸多的运算放大器件，所以必然需要不同等级的电压，在系统设计之初，就要考虑应尽可能使用相同电压等级的器件降低电源电路的复杂程度，提高系统的可靠性。控制系统电路板采用一个24V开关电源作为总的外部电源.对控制板各部分进行供电，包括小型继电器的线圈供电也是由此开关电源完成。开关电源通过一个标准接口与控制板串联，在进线端并联一个1000F的电容以稳定输出；并联一个电容以滤除其中的高频干扰，使输出的电压更加纯净。
3.2 驱动系统电路
控制系统属于弱电输出，功率较小，无法直接控制曳引机系统，所以采用可控的功率驱动器件来构建驱动系统，通过间接控制的方式实现控制系统对曳引机系统的控制。
整流电路。整流电路就是将三相电网交流电转换成直流电。鉴于电网的电能质量和整流模块的整流稳定性存在一定波动，这里对整流输出直流电进行必要的稳压处理，以保证输入智能功率模块的电能质量稳定可靠。
IPM电路。IPM本身具有高度的集成性，为了保证IPM各路IGBT工作的稳定性，一般要求各路IGBT采用单独的供电单元。
能耗制动电路。电梯在实际的使用过程中，需要频繁制动，在制动的过程中，电机会向母线反馈电能，使母线电压升高，如果不采取任何保护措施，则有可能对IPM模块造成损坏。这里采用接入大功率电阻的方法将多余的能量及时消耗，达到保护的目的。
3.3 电气安全保护系统
电梯作为日常使用极为频繁的一种载人工具，给我们的生活提供了极大的便利，但是电梯曳引机在运行的过程中，要频繁进行启动与制动，而且负载不停变化，对整个电梯系统的安全运行是个巨大的挑战。在安全保护控制系统中，这里引入EPM3128ACPLD作为电气安全保护决策芯片，以提高控制系统的安全可靠性，在电机发生缺相、过载、堵转或者驱动系统、控制系统出现故障等情况下提供必要的保护。
安全制动系统。当电梯需要制动时，如果采用直接制动的方式，那么轿厢将在极短的时间内静止，对于普通的工业设备来说，可以采用这样的方法，但是电梯系统作为一个载人工具，如若轿厢瞬间静止，必然引起乘客的不适，而且楼层的停靠容易出现错误，发生不能平层的状况。这里采用在制动器线圈两端并联一个续流二极管的方法来改进电路，延长制动器的复位时间，从而提高乘客的舒适感，同时可以对电梯轿厢位置进行调整，在完全平层后再使轿厢静止。
安全保护系统。为了提高电梯系统的安全等级，并且方便对系统的整个回路进行控制和监测.这里引入专用的安全保护回路，以将其他安全保护模块的功能进行整合，并且对各个模块的保护动作加以监测和控制。
4.讨论
现阶段，电梯在日常生活中经常使用，经常出现于商场、住宅楼以及机场等场所中，随着科学技术的不断发展，电梯在实际的应用中也实现了多次的跨越式发展。因此，永磁同步曳引机控制系统的研究已经成为电梯设备关键技术研究的重点。本文以电梯的实际运行环境为设计出发点，对电梯技术的安全性进行了全面的分析，我们在以后的实践中要对电梯技术进行不断的探索与研究，使电梯的安全性不断加强。
参考文献
[1] 韩方阵，李国勇，牛楠楠，等.电梯永磁电机曳引机速度性能优化控制研究[J].计算机仿真，2017，34（3）：321-325.
[2] 罗飞，曾齐高，闫莉丽.电梯曳引机实验台控制系统的设计[C].中国职协2016年度优秀科研成果获奖论文集.2016.
