电梯专用永磁同步电机变频调速系统的实现

摘 要： 本文针对电梯电气拖动的要求，基于DSP嵌入式芯片实现了一种永磁同步电机变频调速系统。系统涉及了微计算机技术、现代功率电子技术、电机技术和控制理论。本文介绍了系统的设计框架、硬件结构以及相关的控制理论和方法。实际系统在工业现场达到了令人满意的效果。 关键词： 无齿轮电梯 变频调速 DSP 矢量控制 1 引 言 电梯是为高层建筑交通运输服务的比较复杂的机电一体化设备。近年来，随着城市的发展，高层建筑的迅速增多，对高性能电梯的电力拖动系统提出了新的要求。更加舒适、小型、节能、可靠和精确有效的速度控制是其发展方向。而电机技术、功率电子技术、微计算机技术及电机控制理论的发展，使其实现成为了可能。 传统的电梯变频调速电气拖动系统一般采用交流异步电机，需要齿轮减速设备，结构复杂，成本高，效率低。近年来发展起来的永磁同步电机具有体积小、惯性低、效率和功率因数高等显著特点。将永磁同步电机应用于电梯拖动系统优点更加明显：1）永磁同步电机产生较小的谐波噪音，应用于电梯系统中，可以带来更佳的舒适感。2）永磁同步电机与感应电机相比更加紧凑、体积更小。通过设计多极对数可以进一步减小电机体积，同时可以提供较大的转矩。现在的电机制造技术使的永磁同步电动机低速下能够产生足够大的转矩。3）永磁同步电机转子没有损耗，效率更高；而感应电机功率因数和效率随极对数增加迅速降低。由于以上优点，使用永磁同步电机的无齿轮传动系统成为了电梯电力拖动系统发展的方向。 本文介绍的永磁同步电机变频调速系统，基于先进的DSP嵌入式处理器，采用矢量控制原理，实现了电流、速度双闭环控制，较好的实现了同步电机的低速控制、有良好的抗扰性能，满足了无齿轮电梯电气拖动系统的要求。本文介绍了系统的硬件构成，控制方法，以及针对电梯用永磁同步电机电气拖动系统特点实现的特殊功能，并通过现场实验测试了系统动态、静态性能，试验证明系统达到了设计性能。 2 无齿轮传动电梯拖动系统 2.1 系统硬件结构 根据系统硬件结构，整个系统可以分为主回路和控制回路两部分部分，硬件结构构成简图如图1所示。 图1 系统硬件结构简图 (1) 主回路部分： 输入侧采用了简单的三相整流电路，输出侧采用智能化IGBT模块，提高了系统的可靠性，起到了令人满意的效果。 (2) 控制回路部分： 系统需完成的功能比较复杂，包括电梯的运行逻辑、速度曲线的设定、控制方案的实现、反馈信号的处理等，同时，系统对运算的实时性要求很高。为了满足这些要求，本系统采用了双CPU系统。以两个CPU为核心，系统可划分为下面两个部分。 主控制部分: 以主处理器为核心，主控制部分包括面板键盘输入输出、端子（模拟及开关）输入输出、上位机通讯端口、电流采样以及主处理器。主处理器采用TI公司的TMS320F240。F240处理器具有高速结构和精简的指令集，并具有面向电机控制的PWM输出单元，电压、电流采样用的多路高速A/D转换器，精简的DSP内核使面向电机控制的较为复杂的控制算法得以实现。设计了标准的RS485/232通讯端口可以实现上位机控制。系统充分考虑了扩展性和通用型的要求。 位置检测部分: 位置检测部分包括位置信号调理电路和位置检测及处理MCU。系统运行中产生强烈的电磁干扰，所以信号条理电路的设计充分考虑到EMC并做了适当的处理。为了得到高精度、高实时性的位置反馈信号，一块独立的MCU专门处理位置传感器的模拟信号，将处理得到数字位置信息传送给DSP使用。MCU作为DSP的外围设备供DSP访问。 (3) 其他重要硬件设备： 为了达到理想的控制性能，位置传感器和电机的选择是非常重要的。 电梯控制系统对位置反馈信号要求很高，特别是同步电机低速运行时，位置信号的误差对系统性能有很大的影响。本系统采用进口高精度正余弦编码器作为位置传感器。采用相关的软、硬件处理后，可以得到相当高精度的机械位置信号。此外, 针对电梯拖动系统的要求, 永磁同步电机采用扁平结构，并实现了多极对数的设计，使其低速运行时有良好的转矩性能。该电机12对极，额定转速189rpm，额定功率有11,14Kw等。 2.2 系统控制原理 本系统采用矢量控制原理，将电机模型建立在与转子磁链同步旋转的旋转座标上，分别对速度、转矩实现闭环控制。双闭环系统中外环为速度环，内环为电流环。转矩控制在电流环上实现，采用最大转矩控制方法，系统原理如图2所示。 图中： n*：转速控制命令 n^：实际转速采样值 I­­t*：转矩电流控制命令 I­­t^：转矩电流采样值 I­­m*：励磁电流控制命令 I­­m^：励磁电流采样值 Um*：励磁电压控制命令 Ut*：转矩电压控制命令 图2 系统控制框图 (1) 电流环：控制回路的内环为电流环，应用d-q变换将采样到的电流值从三相静止坐标系分解到与转子磁链同步旋转的两相直角坐标系的的d、q轴，实际上得到了转矩电流采样分量I­­t^和励磁电流采样分量I­­m^。采用最大转矩控制方式时，励磁电流给定分量I­­m*为零，使转矩电流分量达到最大。转矩电流给定分量I­­t*由外环速度环计算给出。电流环中给定电流分量与实际电流分量的差值经过PI调节器以后得到输出的d、q轴电压分量Ut*和Um*，即得到了输出的电压空间矢量。 (2) 速度环：外环为速度环，计算转矩电流给定分量I­­t*，其值为转速指令n*和转速反馈n^­的差值经过PI调节器计算出的结果。控制过程中，转矩的扰动通过速度的变化传递给电流环进行补偿。 (3) PWM空间矢量输出：计算得到的电压空间矢量应用空间矢量法[6]进行矢量分解后，以PWM方式输出三相电压信号，经过逆变器功率输出部分后，即得到了电机的三相控制电压。 2.3 需要实现的特殊功能 针对用于电梯电气拖动系统的要求和永磁同步电机的特点，需要考虑以下一些特殊功能的实现： (1) 转子初始位置辨识功能 与异步感应电机不同，永磁同步电机转子磁链的位置由转子的实际位置确定。电机运行前，需要辨识并记录转子磁链的初始位置。通常的做法是电机三相加直流电压，直流锁定转子并记录转子位置。对于永磁同步电机控制系统，转子磁链初始位置的精度直接影响到控制性能。 (2) 预转矩补偿功能 电梯运行过程中，由于轿箱本身重力的原因，机械抱闸打开的瞬时，相当于系统加入了一个阶跃转矩扰动。这个阶跃扰动使整个电梯拖动系统动态性能变差。为了改善系统动态性能，需要加入预转矩补偿功能。补偿的好坏，很大程度上的影响了电梯系统的舒适性。 2.3 低速性能的提高 为了使无齿轮电梯系统达到满意的效果，低速性能的提高是关键。解决这个问题设计到位置信号处理方法、EMC干扰、数字控制器的计算精度以及控制方式等多方面因素。 (1) 高精度的位置检测 系统采用高精度正余弦编码器作为位置传感器，使用1枚处理器单独处理位置信号，信号处理电路充分考虑了EMC干扰，软件编写采用了实时性很高的位置检测算法。经过以上处理后，目前位置检测精度可达 。 (2) 高分辨率的速度检测 位置检测精度的提高使得速度检测的分辨率大大提高，在充分考虑计算误差并做相应处理后，速度检测的分辨率可达到 。 (3) 参数可变的PI控制器 拖动系统高速、低速运行时控制对象的参数有较大差别，通常情况下设计的固定参数的PI调节器不能满足系统要求。为此我们采用独立的在线连续可调整的PI参数，改善了系统动态性能。 3 试验结果 3.1 动态性能 速度阶跃响应、转矩阶跃响应试验结果如图3、图4所示。由图可以看出，速度阶跃响应时间为200ms左右，转矩阶跃响应时间为30ms左右，均为无差控制，可以满足系统动态性能的要求。 图3 速度阶跃响应 图4 转矩阶跃响应 3.2 稳态性能 根据现场试验得出系统的稳态性能指标如下： 电机加额定负载情况下： 最大转速：200rpm； 最小转速：0.5rpm； 稳速精度：0.4%； 最大静差：0.6%。 电机额定速度运行情况下： 负载转矩：0~160%额定转矩。 系统在额定转速、额定负载情况下运行时的电流波形如图5所示。 4 结 论 本系统充分考虑了永磁同步电机和电梯电力拖动系统的特点，基于先进的DSP嵌入式处理器技术和功率电子技术，采用矢量控制原理和最大转矩控制方法，实现速度、转矩双闭环反馈控制。试验证明，本系统对转矩扰动和速度扰动均有良好的动态性能，特别具有良好的低速性能，可以实现电梯无齿轮转动，满足电梯电气拖动系统的要求。 图5 U相电流波形 参考文献： [1] M. Hirose, A. Oomiya, and K. Miyoshi, “New speed control techniques for high-speed elevators”, Elevator World, pp. 132-135,1992. [2] 方凯, 金如麟, 谭娃, 董隆予, 现代交流调速