CN104242773B - 用于控制电梯的电动机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明用于控制电梯的电动机的方法和设备。在方法中，当制动装置(3A、3B)被接合以对电梯电动机(6)转子制动时，利用信号注入法确定电梯电动机(6)转子的初始角度(θ0)；借助确定的初始角度(θ0)以使d轴在电动机的磁轴(Ψ)方向上的方式表示出dq坐标系；选择电梯轿厢(7)的驱动方向，并在开始运行前还测量电梯的负载；基于电梯负载并基于电梯驱动方向形成q轴方向上的电流的基准值还形成d轴的方向上的电流的基准值以抵抗由电梯失衡的突然增加所引起的负载角度的变化(θ’)；还使对电梯电动机的转子进行制动的制动装置(3A、3B)打开并通过根据基准值(I*)控制到电梯电动机(6)的电流来驱动电梯轿厢(7)。

Description

用于控制电梯的电动机的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于控制电梯的电动机的方法和设备。
背景技术
响应于给出的电梯呼叫利用电动机在电梯井道内对电梯轿厢进行驱动。电梯轿厢的开始移动速度被均匀地加速至最大速度，并且当电梯轿厢到达停止楼层时，速度被再次均匀地减速至零。
电梯轿厢的速度通常利用来自电动机的转子轴端的编码器进行测量，并且通过用频率转换器调节电动机的电流将测得的速度调节成期望的速度。
如果编码器发生故障或者如果编码器的操作被中断，例如断电期间，则电梯的操作也被中断。安装期间使用电梯也需要在电动机上安装编码器或相应的运动传感器。
发明内容
本发明的目的是公开一种用于在无编码器或相应运动传感器的情况下驱动电梯的解决方案。为实现该目的，本发明公开了一种根据权利要求1的用于控制电梯的电动机的方法以及一种根据权利要求11的电梯的控制设备。在从属权利要求中说明了本发明的优选实施例。在本申请的说明部分和附图中也表示了一些创新性的实施例以及创新性的各种实施例的组合。
在根据本发明的用于控制电梯的电动机的方法中，当制动装置被接合以对电动机的转子进行制动时，用信号注入法确定电动机的转子的初始角度；借助于指定的初始角度以使得d轴在转子的磁轴的方向上的方式表示出正交的dq坐标系；选择电梯轿厢的驱动方向并且在开始运行之前还确定电梯的负载；基于电梯的驱动方向并且与电梯的负载成比例地形成在q轴的方向上的电流的基准值；还形成在d轴的方向上的电流的基准值以抵抗由电梯的失衡的突然增加引起的负载角度的变化；还使对电动机的转子进行制动的制动装置打开，并且通过根据基准值控制到电动机的电流来驱动电梯轿厢。结果，即使电梯的控制没有可从编码器或相应装置得到的与电动机的转子的运动或角度有关的信息，也能够在制动装置打开时，平稳地启动电梯的运行，而速度不会失控。
在本发明的优选实施例中，电梯的失衡意味着牵引绳索中的在相反方向上作用在牵引滑轮的不同侧上的力的合力，该力差试图使牵引滑轮转动。
在本发明的优选实施例中，d轴的方向上的电流的基准值包括q轴的方向上的电流的基准值的分数。在该情况中，d轴的方向上的电流对转子的运动的稳定效果随着q轴的方向上的电流增加而增加、并因此随着被升降的负载增加而增加，这有效地使被升降的负载的移动稳定。
在本发明的优选实施例中，电动机是永磁同步电动机。
在本发明的一个优选实施例中，在d轴的方向上的电流的基准值还包括单独的常数项。常数项特别地用q轴方向上的小电流值使转子的转动稳定。
在本发明的一个优选实施例中，形成速度基准，响应于该速度基准在电梯井道内对电梯轿厢进行驱动；借助于速度基准形成电流的基准值的频率；并且还根据基准值通过控制到电动机的电流来驱动电梯轿厢。这意味着，即使电梯的控制没有可从编码器或相应装置得到的与电动机的转子的运动或角度有关的信息，也能够以根据基准值的频率、并由此以根据速度基准的频率平稳且可靠地驱动电梯轿厢。
在本发明的一个优选实施例中，形成用于电动机的转子的转速的刻画，所述刻画基于电源电压、电动机的电流和电感；借助于形成的刻画测量转子的转速，并且当测量出的转子的转速超过阈值时，还启动用于将转子的转速朝向速度基准调节的调节回路。
在本发明的一个优选实施例中，当测量出的转子的转速降到设定的阈值之下时，将前述调节回路中断。
在本发明的一个优选实施例中，在启动调节回路之前，将调节回路的初始值设定为与被供给至电动机的电流的基准值对应。
在本发明的优选实施例中，电梯的运行序列是两相或多相的。在一些实施例中，基于电梯轿厢的运动状态将运行序列的不同相彼此区分开，在该情况中，运行序列可以包括以下相：开始移动、均匀地增加加速度(急动(jerk)1)、匀加速、均匀地减小加速度(急动2)、匀速、均匀地增加减速度(急动3)、匀减速、均匀地减小减速度(急动4)、停在楼层。在本发明的优选实施例中，当从速度基准的一个相移至另一相时，调节在q轴的方向上的电流的基准值。
实施根据说明的方法的电梯的控制设备可以包括：电动机，利用该电动机响应于电梯呼叫在电梯井道内对电梯轿厢进行驱动；电动机桥，其包括用于将电流供给至电动机的可控开关；电流传感器，其用于测量电动机内流动的电流；机械制动装置，其用于对电动机的转子进行制动；制动控制器，其用于控制机械制动装置；电梯的负载确定器；以及处理器，其包括连接至电动机桥、电流传感器、制动控制器并且还连接至电梯的负载确定器的信号接口；该处理器被配置成执行所说明的方法，用于控制电动机。
借助下列一些实施例的说明将更好地理解前面的概要以及在下面表示出的本发明的附加特征和附加优点，所述说明不限制发明的应用范围。
附图说明
图1图示根据一个实施例的电梯的简图。
图2a、图2b、图2c、图2d图示根据一个实施例的电动机的控制的矢量图。
具体实施方式
图1图示一种电梯，其中，电梯轿厢7是利用电动机6、更准确地利用永磁同步电动机而在电梯井道10内被驱动的。电动机6可以布置在单独的机房内，或者在无机房电梯的情况中，电动机可以布置在电梯井道的顶部、电梯井道的底部或者电梯轿厢的轨道旁边。在电动机6的轴上固定有牵引滑轮。在牵引滑轮的绳索槽内行进的牵引绳索被连接至电梯轿厢，并且通过利用牵引滑轮拉动牵引绳索/电梯轿厢而对电梯轿厢7进行驱动。电梯轿厢7的速度利用频率转换器1来调节。通过切换频率转换器1中的电动机桥的IGBT晶体管，能够以期望的方式无级调节待供给至电动机6的电流/电力。响应于由处理器11控制计算出的速度基准v*来控制电梯轿厢的速度。速度基准v*形成为使得能够基于电梯乘客给出的电梯呼叫利用电梯轿厢7将乘客从一个楼层9轻轻地传送至另一楼层的方式。电动机6一般还包括两个机械制动器3A、3B，利用这两个机械制动器对牵引滑轮进行制动，并由此对电梯轿厢7进行制动。通过利用制动控制器4将电流选择性地供给至制动器的电磁体来控制制动器3A、3B。
在传统的解决方案中，在电动机轴上有编码器，利用该编码器测量出电梯轿厢的速度以及负载角度，并且用调速器对测量出的电梯轿厢的速度进行调节。如果编码器发生故障或者编码器的操作被中断，例如在断电期间，则电梯的操作也被中断。在安装期间使用电梯也需要在电动机上安装编码器。另一方面，编码器的测量信号的精度影响着电梯的乘坐舒适度，致使例如与编码器的测量电缆有关的干扰可能会引起电梯轿厢中的明显振动。编码器还需要空间，特别是在电动机的轴向上的空间，这在例如要求尽可能大的空间效率的无机房电梯中可能会是缺陷。
图1中的电梯设置有无传感器控制，在该控制中，能够在电动机6的轴上不安装编码器或相应传感器并且不测量转速/负载角度的情况下对电动机6进行驱动。同时，还可以避免由使用编码器引起的问题。无传感器控制实施为记录在频率转换器1的软件内的处理器11控制。在下文中，还参照图示出在关于电梯的运行期间无传感器控制的矢量图的图2a至图2d更加详细地表示了控制方法。
在电梯轿厢7开始移动之前，当机械制动器3A、3B被接合以将电动机6的轴/牵引滑轮保持为在电梯井道中静止不动时，通过处理器11利用信号注入法(signal injectionmethod)确定出电动机6的初始角度θ0。初始角度θ0意味着与运行开始前转动的转子的励磁轴Ψ的位置有关的信息。励磁轴Ψ位于转子上的永磁体的中心点。在信号注入法中，利用频率转换器1将作为定子的电角度α的函数的电压矢量供给至定子绕组，使得电压矢量在电动机6的磁极分布以均匀角速度转动，在该情况中电角度α接收到0..2π之间的值。同时，利用电流传感器2测量出定子电流，并用处理器11的A/D转换器对测量出的电流进行采样。电动机的初始角度的确定是基于由永磁体产生的电动机磁路的饱和度，并且初始角度θ0可以由待从电流采样检测出的电流波动来确定。在国际专利申请WO2009/130363中也说明了该信号注入法，该公开由此包括在本发明的说明中作为参考。
在图2a和图2c中，借助于指定的初始角度θ0表示出处理器11控制所使用的正交dq坐标系，使得d轴位于转子的磁轴Ψ的方向上。三相定子电流Ir、Is、It和相应的定子电压Ur、Us、Ut在dq坐标系中表示为作为初始角度θ0的函数的DC幅度Id、Iq、Ud、Uq。通过利用如下变换而实现该dq坐标系表示，首先利用Clarke变换：
并接着利用Park变换：
图2a和图2c表示了运行开始时dq坐标系的位置。将d轴的方向选为与励磁轴Ψ的方向相同，在该情况中，与d轴正交的q轴在永磁同步电动机的转矩轴T的方向上(转矩轴T与励磁轴Ψ正交)。
图2a和图2b描述了电梯在重载方向上驱动的情形，在该情况中，电梯的失衡、即牵引绳索中的作用在牵引滑轮的相反两侧上力的合力位于与电梯轿厢的移动方向相反的方向上。另一方面，图2c和图2d描述了轻载方向上的运行，在该情况中，前述电梯的失衡在电梯轿厢的移动方向上。
在以下说明中，假定：待用频率转换器1供给的电动机电流在关于电梯的运行期间与用符号“*”标出的电流的基准值相对应。
基于电梯的负载确定出图2a和图2c中标出的在q轴方向上的对于定子电流的基准值在图2a和图2c中，转矩轴T的方向与q轴的方向相同，所以电流Iq产生电动机的驱动扭矩。通过利用负载传感器12测量加载到电梯轿厢上的负载而确定出电梯的失衡。失衡的确定也考虑电梯轿厢的重量和配重的重量、以及电梯绳索的重量和可能的补偿绳索的重量。另外，在确定电流Iq时考虑待移动的电梯轿厢和负载的加速度。作为可替换方案，维修人员可以从手动用户接口13输入电梯轿厢的负载值，在该情况中，负载传感器12不是必要的。将电流的基准值确定成：使得由电流产生的电动机扭矩足以抵抗确定出的电梯的失衡并且由此足以驱动电梯轿厢7。在电梯的运行期间，改变电流的基准值例如当速度基准v*从电梯轿厢的加速相移至匀速相并接着变换至减速相时，在该情况中所需的扭矩是变化的。
另外，在d轴的方向上形成对于定子电流的电流基准电流的基准值的幅度和方向选择成抵抗由电梯的失衡的突然增加而引起的负载角度的变化θ’。负载角度的变化θ’在图2b和图2d中标出，负载角度的变化θ’意味着当励磁轴Ψ相对于dq参考系转动时所产生的角度差。
电流的基准值包括电流的基准值的分数K1(＜1)以及单独的常数项
在一个优选实施例中，电流的基准值的参数接收的值为：
K1＝0.75
在定子电流的基准值I*形成为d和q电流基准的矢量和。
电流矢量的作为逆时针方向的转动方向用箭头标出在图2a至图2d中。转子的转动方向与电流矢量的转动方向相同，并且转子以平均频率转动，该平均频率是电角频率f除以电动机的磁极对数。在该情况中，速度基准v*、牵引滑轮的半径r和电角频率的基准值f*的关系由下面的等式示出：
利用上述等式借助于速度基准v*得到基准值f*。在该情况中，牵引滑轮以根据电流矢量以频率f*转动时的速度基准v*的频率而转动。同时，电梯轿厢利用根据速度基准v*的运动而均匀地从一个楼层平稳地移动至另一楼层。
处理器11通过利用频率转换器1将根据电流的基准值的电流矢量供给至电动机6并且还通过用制动器控制装置4控制机械制动器3A、3B打开从而启动电梯的运行。
图2b图示了定子电流对运行稳定性的影响。当在重载方向上驱动的电梯的失衡、即在牵引滑轮的相反两侧上的力差突然增加时，从图2a的情形向图2b中的情形的移动。例如如果电梯轿厢与导轨之间的摩擦阶跃地增加或者如果电梯轿厢中的负载突然移动时，这可能会发生。在该情况中，转子并且同时磁轴Ψ能够相对于由处理器11控制所控制的dq坐标系突然转动，这是因为控制处理器没有与转子的运动有关的直接测量反馈。在该情况中，电动机的负载角度产生变化。在图2b中标出了负载角度的变化θ’；同样，在图2b中标出了磁轴Ψ的新位置。
随着磁轴Ψ转动，转矩轴T的方向也以图2中表示出的方式变化。从图2b中可以看出，当磁轴转动时，在电动机中产生扭矩的定子电流的投影到电流矢量的转矩轴T上的分量由于电流的影响而增加。这意味着当磁轴Ψ转动时，电动机的驱动转矩由于电流的影响而增加。驱动扭矩的迅速增加使磁轴的转动停止，从而能够借助于电流有效地防止由电梯的失衡的突然增大而引起的电动机同步的波动和脱离。利用根据说明的与无传感器运行有关的方法还能够显著增加电梯的运行稳定性。
图2c和图2d描述了当电梯在轻载方向上被驱动时由电梯的失衡的突然增加引起的磁轴Ψ的转动。在图2c中，定子电流的方向位于与图2a中的重载方向上驱动时的相反方向上。在轻载方向上驱动时的失衡的突然增加试图使励磁轴Ψ在与重载方向上驱动时不同的方向上转动，参见图2d。由此可以得出，在图2c中，尽管电流的方向已经变化了，但是定子电流的方向还是与图2a中的相同。然而，当电梯轿厢7的驱动方向改变时，在d轴方向上的定子电流的方向(即基准值的极性)也改变。改变驱动方向意味着电流矢量的转动方向在图2至图2d中变成顺时针方向。
在一个实施例中，通过用频率转换器1的电动机桥从定子电压和定子电流测量电动机的有功功率进一步增加运行稳定性。将q轴的方向上的电流的基准值调节成使得电动机的有功功率的波动受抑制。在该情况中，当有功功率瞬间减小时，电流的基准值增加并由此使q轴的方向上的定子电流的分量增加，并且当有功功率瞬间增加时，电流的基准值/q轴的方向上的定子电流的分量减小。有功功率的波动的抑制也使负载角度θ的波动减小并因此提高了电梯的运行稳定性。
在一个实施例中，形成了用于永磁同步电动机6的转子的转速v的刻画，所述刻画基于电源电压Ud、Uq、测量出的电流Id、Iq和电动机的电感L。转速与由永磁体在定子绕组中感应出的源电压E直接成比例，并且大致遵循等式：
E＝Uq-RIq-2πf*LId
在该情况中，利用上述刻画，从电动机的电流和电压测量出转子的转速。当转子的转速增加并由此使转子的源电压增加时，源电压的测量精度提高。当转子的转速超过指定阈值时，源电压的测量足够精确地用于电动机的速度调节。在该情况中，处理器11的程序启动速度调节回路，其中，借助于源电压将测量出的转子的转速朝向速度基准v*调节，在该情况中，不再需要定子电流中的使转子的移动稳定的成分的分量并且电动机的电流消耗减小。相应地，当电梯轿厢7减速至停止楼层时，测量出的转子的转速v再次降到的上述阈值之下时，上述调节回路被中断。
当从一个控制模式变为另一控制模式时，处理器11将调节回路的初始值和(另一方面的)待供给至电动机的电流的基准值I*设定为以使得在电动机的电流/扭矩中不出现突然变化的方式彼此相对应。
以上借助本发明的实施例的几个示例对本发明进行了描述。对本领域技术人员而言显而易见的是：本发明不限于上述实施例，而是能够在由随附权利要求书所限定的发明构思的范围内的许多其他应用。
对本领域技术人员而言显而易见的是：根据本发明的电梯可以设置有配重或者可以是没有配重的电梯。

Claims (10)

1.一种用于控制电梯的电动机的方法，在所述方法中：
-当机械制动装置(3A、3B)被连接成对所述电动机(6)的转子进行制动时，用信号注入法确定所述电动机(6)的所述转子的初始角度(θ0)；
-借助于确定出的初始角度(θ0)以使得d轴在所述转子的磁轴(Ψ)的方向上的方式表示出dq坐标系；
-选择电梯轿厢(7)的驱动方向并且在开始运行之前还确定所述电梯的负载；
-基于所述电梯的所述驱动方向并且与所述电梯的所述负载成比例地形成在q轴的方向上的电流的基准值
其特征在于，
-还形成在所述d轴的方向上的电流的基准值以抵抗由所述电梯的失衡的突然增加所引起的负载角度的变化(θ’)；
-使对所述电动机的所述转子进行制动的所述机械制动装置(3A、3B)打开，并且通过根据在q轴的方向上的电流的基准值和在所述d轴的方向上的电流的基准值所合成的合成基准值(I*)控制到所述电动机(6)的电流来驱动所述电梯轿厢(7)；
-形成速度基准(v*)，所述电梯轿厢(7)响应于所述速度基准而在电梯井道(10)内被驱动；
-借助于所述速度基准(v*)形成所述电流的所述合成基准值(I*)的频率(f*)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-基于所述电梯的所述驱动方向选择在所述d轴的方向上的所述电流的基准值的极性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述d轴的方向上的所述电流的基准值包括在所述q轴的方向上的所述电流的基准值的分数(K1)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在所述d轴的方向上的所述电流的基准值包括常数项
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-形成用于所述电动机(6)的所述转子的转速的刻画，所述刻画基于电源电压(Ud、Uq)、所述电动机的电流(Id、Iq)和电感(L)；
-借助于所形成的所述刻画测量所述转子的所述转速(v)；
-当测量出的所述转子的所述转速(v)超过阈值时，启动调节回路以用于将所述转子的所述转速(v)朝向所述速度基准(v*)调节。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
-当测量出的所述转子的所述转速(v)降到阈值之下时，使前述调节回路中断。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，
-在启动所述调节回路之前，将所述调节回路的初始值设定成与待供给至所述电动机的所述电流的所述合成基准值(I*)对应。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述电梯的运行序列是两相或多相的，并且在所述方法中：
-当从所述速度基准(v*)的一个相移至另一相时，调节在所述q轴的方向上的所述电流的基准值
9.根据权利要求1-3、5和6中的任一项所述的方法，其特征在于，
-测量所述电动机(6)的有功功率；
-对在所述q轴的方向上的所述电流的基准值进行调节以用于抑制所述电动机的所述有功功率的波动。
10.一种电梯的控制设备，包括：
电动机(6)，利用所述电动机(6)，响应于电梯呼叫在电梯井道(10)内对电梯轿厢(7)进行驱动；
电动机桥(1)，所述电动机桥(1)包括用于将电流供给至所述电动机(6)的可控开关；
电流传感器(2)，所述电流传感器(2)用于测量所述电动机(6)内流动的电流；
机械制动装置(3A、3B)，所述机械制动装置(3A、3B)用于对所述电动机(6)的转子进行制动；
制动控制器(4)，所述制动控制器(4)用于控制所述机械制动装置(3A、3B)；
所述电梯的负载确定器(12、13)；
其特征在于，电梯的所述控制设备包括处理器(11)，所述处理器(11)包括连接至所述电动机桥(1)、所述电流传感器(2)、所述制动控制器(4)并且还连接至所述电梯的所述负载确定器(12、13)的信号接口；并且
其中，所述处理器(11)被配置成执行根据权利要求1至9任一项所述的方法以用于控制所述电动机(6)。
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