CN108155839B - 电梯专用的交流永磁同步电机反电动势系数的测量方法及电梯运行维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电梯专用的交流永磁同步电机反电动势系数的测量方法，包括以下步骤：1)首先初始化测量算法的各个变量，通过前期获得的电机电阻、电感计算出PI电流环控制器的参数；2)使用Id＝0的矢量控制策略，使用双闭环电机控制方法，使用PI控制器作为电流环控制控制器和速度环控制器，使交流永磁同步电机运行到第一速度v1；3)当第一速度平稳以后，并记录此时的第一电压u1；4)改变电机的转速，使得电机平稳运行在另一个第二速度v2；5)使用如3)步骤相同的参数的低通滤波器对此时q轴输出电压进行滤波，并记录第二电压u2；将两次测量的值计算得出发电动势系数。本发明还公开了一种电梯运行维护方法。

Description

电梯专用的交流永磁同步电机反电动势系数的测量方法及电 梯运行维护方法

技术领域

本发明涉及电机和电梯曳引控制领域，特别涉及一种电梯专用的交流永磁同步电机反电动势系数的测量方法及基于该测量方法的电梯运行维护方法。

背景技术

在电梯领域中交流永磁同步电机大量使用，其有效率高，低速力矩大，转矩平稳等优点。但是日常使用过程中，由于电梯的负载不定，电梯的摩擦系数不定等原因，传统方法测量电机的反电动势的方法比较困难；然而反电动势又是永磁同步电机运行时的一个非常重要的参数，精确的反电动势数值具有使电机运行平稳，加速响应快，减小电流噪声等作用。

反电动势也是反映电机性能的一个重要参数，当电机磁力变弱时，此参数也会相应变小。能在很大的程度上反应电机的性能和状态，如果此数值大幅变小则表明，电机的磁钢退磁严重。

目前的测量方法主要有对拖法和单相测试法等，但是这些方法大多需要脱离负载，甚至需要用对拖电机，对被测电机进行对拖。使得被测机进行发电，然后通过测量被测机的发电情况来推算出电机的反电动势。

另一种是单相注入电压法，此种方法对于多级数电机或者是大电流电机的测量效果比较差。另外此种方法需要精确求得电机定子和转子电阻电感，受永磁同步电机本身凸极效应的影响，因此精度相对较差。

发明内容

本发明的目的是为了能够使永磁同步电机驱动控制器在电机调试过程和日常使用过程中，快速精确的测量出电机的反电动势，并通过反电动势的变化情况，对电梯实施保护措施，而提供一种电梯专用的交流永磁同步电机反电动势系数的测量方法及基于该测量方法的电梯运行维护方法。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

电梯专用的交流永磁同步电机反电动势系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先初始化测量算法的各个变量，通过前期获得的电机电阻、电感计算出PI电流环控制器的参数；

2)使用id＝0的矢量控制策略，使用双闭环电机控制方法，使用PI控制器作为电流环控制器和速度环控制器，使交流永磁同步电机运行到第一速度 v1，当达到给定速度以后，经过一定延时，等待由于电机转速不稳定造成的超调、波动等一系列情况，直到电机平稳运行；

3)当第一速度平稳以后，使用低通滤波器对q轴的输出电压进行低通滤波,将由于PI控制器造成的电压抖动以及现场环境造成的抖动进行滤除，并记录此时的第一电压u1；

4)改变电机的转速，使得电机平稳运行在另一个第二速度v2,当达到给定速度以后，经过一定延时，等待由于电机转速不稳定造成的超调、波动等一系列情况，直到电机平稳运行；

5)使用如3)步骤相同的参数的低通滤波器对此时q轴输出电压进行滤波，并记录第二电压u2；

将两次测量的值通过以下的公式进行计算得出反电动势系数Ψ_f：

其中，P_n为电机的极对数。

在本发明的一个优选实施例中，包括以下步骤：

步骤一，参数初始化算法，通过前期获得的电机电阻、电感计算出PI电流环控制器的参数，PI电流环控制器的控制方程为；

其中，K_P＝L×α， (3)，

α是电流带宽系数，Kp是比例系数，Ki是积分时间，R_s电机定子电阻，fs 是采样时间；

步骤二，采用id＝0的矢量控制策略，并使用双闭环控制算法，使驱动电机运行在平稳运行在第一速度v1，由于使用了PI控制器的电流环控制器和 PI速度环控制器，因此反电动势产生的补偿电压会在PI调节器的自动调节中得到自适应，在经过足够拍数的PI调节次数以后，电机会达到设定需要的第一速度v1；

步骤三，采用低通滤波器对q轴输出电压Uq进行滤波，并记录此时滤波后的q轴电压u1，通过如下的电机磁链公式的：

Ψ_d＝L_di_d+Ψ_f (7)，

Ψ_q＝L_qi_q (8)，

整理公式(5)至(8)可得：

通过滤波后：

其中，U_d，U_q分别是d、q轴电压，i_d，i_q分别是d、q轴电流，L_d，L_q分别是d、 q轴电感，R_s是定子电阻，ω_e是电角速度，Ψ_f是反电动势系数；

步骤四，在电流环PI调节器不变的情况下，改变电机的速度，使其匀速稳定运行在另一个速度v2，再通过低通滤波器对q轴输出的电压进行滤波，并记录被滤波后的q轴输出电压u2；

步骤五，计算，由于电梯的工况可知，电梯的负载，在一次不开门的运行时是恒定的，当电梯低速运行时，电梯空气摩擦力可以忽略不计，导轨的滑动摩擦力不会随速度变化而变化，且相对于整个电机力矩可以忽略不计，通过电机运动方程可知：

当电机在匀速运行过程中，

T_e＝T_L+f (12)，

虽然前面两次运行的速度不同，但是由于电梯的负载T_L相同，f为摩擦力，因此T_e相同，

由于采用的是id＝0的矢量控制策略，因为电机的电磁转矩Te方程：

可知，电机输出转矩与电机的转速无关，当两次不同转速电机运行由于负载相同，因此他们的iq也相同，

通过公式

可知当id＝0时两种不同转速且负载相同的永磁同步电机运行时两次运行的Uq等于：

把由于iq也是相同的，因此：

Δu＝u1-u2＝ω_e1Ψ_f-ω_e2Ψ_f (16)，

由于ω_e1，ω_e2已知，即

ω_e1＝V1*P_n (17)，

ω_e2＝V2*P_n (18)，

因此可得到公式(1)：

Ψ_f是反电动势系数，P_n是极对数。

基于上述测量方法的电梯运行维护方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在电梯刚安装调试完以后使用上述测量方法对电机进行一次反电动势测量，测量完成以后，把此值保存起来，记此时测量到的反电动势值为基准值；

2)在电梯日常使用过程中，经过一个固定的周期或者使用次数以后，再次使用上述测量方法对电机进行测试，得到反电动势的测量值；

3)当发现步骤2)的测量值明显下降或者测量值与基准值的差值超过设定阈值时，停止电梯正常运行，并发出警告，保证电梯的正常运行。

本发明的优点：本发明解决了永磁同步电机在线测试反电动势难的问题，本发明的测量精度有很大的提高，算法简单，实施方便，对负载不敏感，可以是带载重，也可以是空载，只要是单一负载就可以，非常适用于电梯这样的工况，通过本算法使得电梯驱动控制器能够方便地测得电机的反电动势，并且通过电压前馈等补偿方案能够有效的提高电机的响应速度和运行曲线。另外通过对于反电动势衰减情况的比较，驱动控制系统也能及时了解电机磁钢性能的衰减情况，提前报警，提醒用户以免电机完全失效以后造成困人等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明永磁同步电机反电动势测试的流程图。

图2是本发明电梯运行维护方法的保护流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

参见图1所示，电梯专用的交流永磁同步电机反电动势系数的测量方法，包括以下步骤：

1)首先初始化测量算法的各个变量，通过前期获得的电机电阻、电感计算出PI电流环控制器的参数；

2)使用id＝0的矢量控制策略，使用双闭环电机控制方法，使用PI控制器作为电流环控制器和速度环控制器，使交流永磁同步电机运行到第一速度 v1，当达到给定速度以后，经过一定延时，等待由于电机转速不稳定造成的超调、波动等一系列情况，直到电机平稳运行；

3)当第一速度平稳以后，使用低通滤波器对q轴的输出电压进行低通滤波,将由于PI控制器造成的电压抖动以及现场环境造成的抖动进行滤除，并记录此时的第一电压u1；

4)改变电机的转速，使得电机平稳运行在另一个第二速度v2,当达到给定速度以后，经过一定延时，等待由于电机转速不稳定造成的超调、波动等一系列情况，直到电机平稳运行；

5)使用如3)步骤相同的参数的低通滤波器对此时q轴输出电压进行滤波，并记录第二电压u2；

将两次测量的值通过以下的公式进行计算得出反电动势系数Ψ_f：

其中，P_n为极对数。

具体地，上述公式(1)的推到过程，包括以下步骤：

步骤一，参数初始化算法，通过前期获得的电机电阻、电感计算出PI电流环控制器的参数，PI电流环控制器的控制方程为；

其中，K_P＝L×α， (3)，

α是电流带宽系数，Kp是比例系数，Ki是积分时间，R_s是电机定子电阻， fs是采样时间；

步骤二，采用id＝0的矢量控制策略，并使用双闭环控制算法，使驱动电机运行在平稳运行在第一速度v1，由于使用了PI控制器的电流环控制器和 PI速度环控制器，因此反电动势产生的补偿电压会在PI调节器的自动调节中得到自适应，在经过足够拍数的PI调节次数以后，电机会达到设定需要的第一速度v1；

步骤三，采用低通滤波器对q轴输出电压Uq进行滤波，并记录此时滤波后的q轴电压u1，通过如下的电机磁链公式的：

Ψ_d＝L_di_d+Ψ_f (7)，

Ψ_q＝L_qi_q (8)，

整理公式(5)至(8)可得：

通过滤波后：

其中，U_d，U_q分别是d、q轴电压，i_d，i_q分别是d、q轴电流，L_d，L_q分别是d、 q轴电感，R_s是定子电阻，ω_e是电角速度，Ψ_f是反电动势系数。

步骤四，在电流环PI调节器不变的情况下，改变电机的速度，使其匀速稳定运行在另一个速度v2，再通过低通滤波器对q轴输出的电压进行滤波，并记录被滤波后的q轴输出电压u2；

步骤五，计算，由于电梯的工况可知，电梯的负载，在一次不开门的运行时是恒定的，当电梯低速运行时，电梯空气摩擦力可以忽略不计，导轨的滑动摩擦力不会随速度变化而变化，且相对于整个电机力矩可以忽略不计，通过电机运动方程可知：

当电机在匀速运行过程中，

T_e＝T_L+f (12)，

虽然前面两次运行的速度不同，但是由于电梯的负载T_L相同，f为摩擦力，因此T_e相同，

由于采用的是id＝0的矢量控制策略，因为电机的电磁转矩方程：

可知，电机输出转矩与电机的转速无关，当两次不同转速电机运行由于负载相同，因此他们的iq也相同，

通过公式

可知当id＝0时两种不同转速且负载相同的永磁同步电机运行时两次运行的Uq等于：

把由于Iq也是相同的，因此：

Δu＝u1-u2＝ω_e1Ψ_f-ω_e2Ψ_f (16)，

由于ω_e1，ω_e2已知，即

ω_e1＝V1*P_n (17)，

ω_e2＝V2*P_n (18)，

因此可得到公式(1)：

Ψ_f是反电动势系数，P_n，是极对数。

参见图2所示，基于上述测量方法的电梯运行维护方法，包括如下步骤：

1)在电梯刚安装调试完以后使用上述测量方法对电机进行一次反电动势测量，测量完成以后，把此值保存起来，记此时测量到的反电动势值为基准值；

2)在电梯日常使用过程中，经过一个固定的周期或者使用次数以后，再次使用上述测量方法对电机进行测试，得到反电动势的测量值；

3)当发现步骤2)的测量值明显下降或者测量值与基准值的差值超过设定阈值时，停止电梯正常运行，并发出警告，保证电梯的正常运行。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.电梯专用的交流永磁同步电机反电动势系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先初始化测量算法的各个变量，通过前期获得的电机电阻、电感计算出PI电流环控制器的参数；

2)使用id＝0的矢量控制策略，使用双闭环电机控制方法，使用PI控制器作为电流环控制器和速度环控制器，使交流永磁同步电机运行到第一速度v1，当达到给定速度以后，经过一定延时，等待由于电机转速不稳定造成的超调、波动情况，直到电机平稳运行；

3)当第一速度平稳以后，使用低通滤波器对q轴的输出电压进行低通滤波，将由于PI控制器造成的电压抖动以及现场环境造成的抖动进行滤除，并记录此时的第一电压u1；

4)改变电机的转速，使得电机平稳运行在另一个第二速度v2，当达到给定速度以后，经过一定延时，等待由于电机转速不稳定造成的超调、波动情况，直到电机平稳运行；

5)使用如3)步骤相同的参数的低通滤波器对此时q轴输出电压进行滤波，并记录第二电压u2；

将两次测量的值通过以下的公式进行计算得出反电动势系数Ψ_f：

其中，P_n为电机的极对数，两次不同转速电机运行时iq相同，i_q是q轴电流。

2.如权利要求1所述的电梯专用的交流永磁同步电机反电动势系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，参数初始化算法，通过前期获得的电机电阻、电感计算出PI电流环控制器的参数，PI电流环控制器的控制方程为；

其中，K_P＝L×α， (3)，

α是电流带宽系数，Kp是比例系数，Ki是积分时间，R_s是定子电阻，fs是采样时间；

步骤二，采用id＝0的矢量控制策略，并使用双闭环控制算法，使驱动电机平稳运行在第一速度v1，由于使用了PI控制器的电流环控制器和PI速度环控制器，因此反电动势产生的补偿电压会在PI调节器的自动调节中得到自适应，在经过足够拍数的PI调节次数以后，电机会达到设定需要的第一速度v1；

步骤三，采用低通滤波器对q轴输出电压Uq进行滤波，并记录此时滤波后的q轴电压u1，通过如下的电机磁链公式的：

Ψ_d＝L_di_d+Ψ_f (7)，

Ψ_q＝L_qi_q (8)，

整理公式(5)至(8)可得：

通过滤波后：

其中，U_d，U_q分别是d、q轴电压，i_d，i_q分别是d、q轴电流，L_d，L_q分别是d、q轴电感，R_s是定子电阻，ω_e是电角速度，Ψ_f是反电动势系数；

步骤四，在电流环PI调节器不变的情况下，改变电机的速度，使其匀速稳定运行在另一个速度v2，再通过低通滤波器对q轴输出的电压进行滤波，并记录被滤波后的q轴输出电压u2；

步骤五，由于电梯的工况可知，电梯的负载，在一次不开门的运行时是恒定的，当电梯低速运行时，电梯空气摩擦力可以忽略不计，导轨的滑动摩擦力不会随速度变化而变化，且相对于整个电机力矩可以忽略不计，通过电机运动方程可知：

当电机在匀速运行过程中，

T_e＝T_L+f (12)，

虽然前面两次运行的速度不同，但是由于电梯的负载T_L相同，f为摩擦力，因此T_e相同，

由于采用的是id＝0的矢量控制策略，因为电机的电磁转矩T_e方程：

可知，电机输出转矩与电机的转速无关，当两次不同转速电机运行由于负载相同，因此他们的iq也相同，

通过公式

可知当id＝0时两种不同转速且负载相同的永磁同步电机运行时两次运行的Uq等于：

由于iq也是相同的，因此：

Δu＝u1-u2＝ω_e1Ψ_f-ω_e2Ψ_f (16)，

由于ω_e1，ω_e2已知，即

ω_e1＝v1*P_n (17)，

ω_e2＝v2*P_n (18)，

因此可得到公式(1)：

Ψ_f是反电动势系数，P_n是极对数。

3.基于如权利要求1或2所述的测量方法的电梯运行维护方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在电梯刚安装调试完以后使用如权利要求1或2所述的测量方法对电机进行一次反电动势测量，测量完成以后，把此值保存起来，记此时测量到的反电动势值为基准值；

2)在电梯日常使用过程中，经过一个固定的周期或者使用次数以后，再次使用如权利要求1或2所述的测量方法对电机进行测试，得到反电动势的测量值；

3)当发现步骤2)的测量值明显下降或者测量值与基准值的差值超过设定阈值时，停止电梯正常运行，并发出警告，保证电梯的正常运行。

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