CN1159203C - 升降机电机起动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及升降机牵引电机的起动控制技术，具体涉及一种采用变频器控制的升降电机在起动时，对变频器输出的预转矩进行自动补偿的控制方法，该方法包括以下步骤：使起动前的升降电机保持静止不动；在起动瞬间使升降电机在负载的作用下自由转动；在固定时间内，由变频器检测电机转过的角度；变频器根据设定的预转矩增益(可调整)，经过限幅放大，计算出需与负载匹配的输出转矩；通过起动瞬间检测电机的转动情况，计算电机负载转矩的大小。检测时间很短，变频器能够快速地输出平衡负载的电磁转矩，保证电机带负载起动过程过渡平稳，冲击小。利用这种预转矩的估算方法，节省了控制系统的压力传感器等设备，减少系统调试的工作量，降低系统成本。

Description

升降机电机起动控制方法

技术领域

本发明涉及升降机控制技术，具体涉及升降机中牵引电机的起动控制技术，更具体地说，涉及一种采用变频器控制的升降机电机在起动时，可对变频器输出的预转矩进行自动估算的控制方法。

背景技术

在现有技术中，由变频器驱动的升降机，在由静止到转动的启动过程中，如果其负载转矩为未知的固定值(如不断变化负载的升降电梯)，变频器所控制的电机起动需要预转矩的补偿输出，以保证升降电机的转速平滑切换。在现有的预转矩估算方法中，一般采用压力传感器(包括张力传感器等，下同)反馈的方式，即在电机起动前，传感器将电机的负载反馈到变频器中，使变频器在运行前知道负载情况。这样，变频器在起动过程中将补偿的转矩直接输出，使变频器输出的转矩与负载转矩相平衡。此过程要求电机由静止到转动能平滑切换，速度变化率、加速度变化率均较小。现行方案可以明显降低起动的冲击，使速度过渡平缓。但是此方案存在如下缺点：

(1)压力传感器的安装、维护、调试增加了控制系统的工作量；

(2)安装压力传感器增加了控制系统的费用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种升降机电机起动控制方法，通过估算升降机电机起动时的预转矩，实现在无压力传感器情况下，自动补偿升降机的负载转矩，且无须使用压力传感器，降低控制系统的成本，避免采用压力传感器带来的维护、保养等工作量。

本发明提供的技术方案是，提供一种升降机电机起动控制方法，可以在电机起动时的瞬间估算出与负载转矩相匹配的转矩输出，包括以下步骤：a)通过机械方式使起动前的升降电机保持静止不动；b)在起动前的较短的时间T内使升降电机在负载作用下处于转动角度小于等于10度的自由转动状态；c)由变频器检测出升降电机在起动前较短时间T内自由转动的角度大小；d)根据检测出的角度大小及设定的预转矩增益，经过限幅放大，计算出与负载匹配的输出转矩；e)变频器直接输出计算出的转矩，控制升降电机的平稳起动运行。

在上述升降机电机起动控制方法中，所述升降电机自由转动的方向由负载情况决定，与升降电机即将运行的方向相反或相同。

在上述升降机电机起动控制方法中，由系统及变频器根据应用情况分别在电动机的电动运行状态或发电运行状态设置所述限幅放大的限幅；也可以根据实际情况设置不同的转矩增益。

在上述升降机电机起动控制方法中，所述设定预转矩增益可根据实际情况进行调整。

在上述升降机电机起动控制方法中，所述起动的瞬间只有外力作用在电动机上，变频器不对电动机进行速度控制，只检测电动机的自由转动角度。

在上述升降机电机起动控制方法中，所述通过机械方式使起动前的升降电机保持静止不动是通过抱闸使曳引机滑轮静止不动的。

在上述升降机电机起动控制方法中，所述由变频器检测出升降电机在起动前较短时间T内自由转动的角度大小是通过检测曳引机码盘脉冲数n实现的。

实施本发明的升降机电机起动控制方法，控制系统在开始起动瞬间(固定时间T)，允许电机自由运动，在升降电机轴向受力F大小不同的情况下，T时间内电机转动的角度也有差别。变频器可根据起动瞬间的电机转动情况，估算出当前电机的负载转矩，并马上输出补偿转矩。只要保证检测时间T很小，转速波动也就很小。本发明的预转矩估算方法，不需要安装压力传感器，可使控制系统的构成相对简洁，节约了成本。

附图说明

图1为升降电机的控制系统示意图；

图2为本发明升降机电机起动控制方法的流程示意图；

图3为图1所示升降电机的受力结构示意图；

图4为升降电机应用在电梯结构中的受力示意图。

具体实施方式

按照本发明提供的升降机电机起动控制方法，是根据图3所示升降电机的受力示意图，采用如下方程得出。其中具有一定转动惯量J的轴(等效电动机及相连传动部件的转动惯量)，其受力半径为R。F1、F2为作用在轴上的外力，假设电机准备按箭头方向转动：

根据电动机的运动方程：

$\mathrm{Te}=\mathrm{Tl}+\frac{J\·\mathrm{dw}}{\mathrm{Pn}\·\mathrm{dt}}----\left(1\right)$

其中T_e为电动机电磁转矩，T_l为电动机负载转矩，P_n为电机极对数，ω为角速度。图3中，

Tl＝(F2-F1)·R                   (2)

在上述的步骤a中，Te＝0，因此

$0=(F2-F1)\·R+\frac{J\·\mathrm{dw}}{\mathrm{Pn}\·\mathrm{dt}}----\left(3\right)$

令F＝F2-F1，公式(3)可变换为

$\frac{\mathrm{dw}}{\mathrm{dt}}=\frac{-F\·R\·\mathrm{Pn}}{J}----\left(4\right)$

系统检测的时间相当小，即T＝Δt，故有

$\frac{\mathrm{\Δw}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{-F\·R\·\mathrm{Pn}}{J}----\left(5\right)$

$\mathrm{\Δw}=\frac{-F\·R\·\mathrm{Pn}}{J}\·\mathrm{\Δt}=\frac{-F\·R\·\mathrm{Pn}}{J}\·T----\left(6\right)$

因此，角速度的加速度

$\mathrm{\β}=\frac{-F\·R\·\mathrm{Pn}}{J}----\left(7\right)$

时间T内的转过的角度为

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\·\mathrm{\β}\·T^2=\frac{1}{2}\·\frac{-F\·R\·\mathrm{Pn}}{J}\·T^2----\left(8\right)$

从公式(8)中可以看出，在某一控制系统中，当检测时间T为已知，电动机转过的角度θ与所受外力F成正比，即根据检测的角度θ与变频器中预设的转矩增益(比例系数)可以得到合适的电磁转矩，从而平衡负载转矩，使速度平稳过渡。

在起动的瞬间电动机仅受外力作用，此时变频器并没有对电动机进行速度控制，仅检测电动机的转动情况。

检测时间在调试时可以灵活调整，以此来保证在不同的控制系统中能够检测电机有适当的转动量。

检测时间不能太长，否则电动机的转动波动大，此方法将失去意义。在系统的起动瞬间应该保证电动机轴向转动角小于10度。

计算均由变频器软件来完成，其转矩增益(补偿系数)可以在调试过程中灵活调整。

如图2所示，由本发明提供的方法，其具体步骤如下：

A、起动前使升降电机受固定外力F(如图1所示)，靠机械装置等设备保持静止不动。首先撤掉机械装置的作用，此时电机在外力F下自由转动。

B、在固定时间T内(起动前的瞬间，如0.5秒以内)，变频器检测升降电机转动的角度。当外力F较大时，时间T内转动的角度也较大

C、转矩限幅放大，即变频器根据内部设定的预转矩增益(可调整)，经过限幅放大，计算输出转矩。

D、变频器直接输出计算的转矩，控制电机的起动运行。

E、变频器控制电机，进行速度闭环控制(PID调节)运行。

具体应用实例：

可将本发明应用于安圣TD3100电梯专用变频器控制系统中，在电梯起动的瞬间进行预转矩补偿输出：

如图4所示，电梯的曳引机滑轮两边分别是轿厢、配重，两者用钢丝连接，曳引机转动时牵引钢丝上下移动。其起动过程如下：电梯起动之前，电梯的曳引机(电动机与减速装置构成)滑轮两端分别受配重和轿厢(包括乘客)的重量G1、G2，两个重量并不相等。此时曳引机滑轮靠抱闸的作用保持静止不动。当电梯运行时，抱闸打开，变频器控制曳引机旋转，从而完成电梯轿厢的上下运动。

由于电梯轿厢的乘客数量不确定，即轿厢与配重的重量关系不确定。两者差别最大可达到电梯额定载重的50％，因此，如果不采取措施，在起动的瞬间轿厢的速度变化率很大，乘客在轿厢内能够感觉到突然抖动，很不舒服。

在目前所使用的电梯系统为解决这个问题，通常是在轿厢底部加装称重装置(压力传感器等)。电梯运行前，称重装置将轿厢中乘客信息以模拟量或数字量的方式传递给变频器。因此，在抱闸打开之前，变频器就已经知道了曳引机的负载情况。于是曳引机起动时，变频器能够根据称重增益(比例系数)和称重信号估算负载转矩，直接输出相反方向的平衡转矩，使电梯速度变化平稳。在上述方案中，由于在系统中采用了称重装置(如压力传感装置)，提高了的电梯系统的成本，增加电梯调试、维护、维修的工作量。

根据本发明提供的方法，变频器在升降电机的抱闸(定位装置)打开瞬间(可设定在时间T内，如0.5秒以内)检测电梯曳引机的码盘脉冲。由于码盘的每转脉冲数为已知，因此检测时间T内码盘的输出脉冲就能够折算出电机的瞬间旋转角度。同样，电梯轿厢(包括乘客)的重量与配重重量差越大，变频器检测的脉冲数就越多。调试时，根据脉冲的数量与预转矩增益能够估算出合适的预转矩。具体的推导如下(电梯的绕绳方式如图4)：

在电梯系统中，电梯与配重的重量均很大，为计算的方便现在忽略曳引机的转动惯量。打开抱闸时，电梯的加速度为(其中g为重力加速度)

$a=\frac{G1-G2}{G1+G2}\·g----\left(9\right)$

时间T内电梯向下的位移

$S=$ $\frac{1}{2}\·a\·T^2=\frac{G1-G2}{2\·(G1+G2)}\·g\·T^2----\left(10\right)$

当检测的码盘脉冲数为n，其与电梯位移S的关系为

$\frac{S}{2\·\mathrm{\π}\·R}=\frac{n}{N}\·i----\left(11\right)$

其中，N为码盘的每转脉冲数，i为电梯曳引机的减速比，R为曳引轮半径。

由式(9)、(10)、(11)得到

$\frac{\frac{G1-G2}{2\·(G1+G2)}\·g\·T^2}{2\·\mathrm{\π}\·R}=\frac{n}{N}\·i----\left(12\right)$

由式(12)化简得到

$G1=\frac{g\·T^2\·N+4\·\mathrm{\π}\·R\·i\·n}{g\·T^2\·N-4\·\mathrm{\π}\·R\·i\·n}\·G2----\left(13\right)$

从上式可以看出，G1、n为变量，其余均为已知量。也就是说，根据本发明提供的方法，变频器只要检测曳引机在起动瞬间T内的码盘脉冲，就能计算出轿厢的重量G1，及时反映轿厢内乘客的情况。这与电梯系统采用称重装置完成的功能相同。

由本发明提供的预转矩估算方法，检测时间不能太长，否则电动机的转动波动大，此方法将失去意义。具体的检测时间可在调试时灵活调整，以此来保证在不同的控制系统中能够检测电机有适当的转动量。

在本实施例中，采用本发明提供的预转矩估算方法，能够为变频器反映出轿厢内的乘客信息。电梯可以在起动瞬间及时输出电磁转矩，因而电梯轿厢速度过渡平稳，冲击小，轿厢内乘客基本感觉不到电梯的速度变化。由于没有了称重装置，降低了系统成本，使系统的安装、调试等工作大大简化。

实施本发明提供的预转矩估算方法，控制系统中的变频器能够在起动瞬间估算出负载转矩的大小，并及时输出电磁转矩。因此系统可以在起动瞬间平稳加速，冲击小。系统的构造相对简单，节省成本，减少系统的工程量，可广泛应用于采用变频器控制的升降电机的控制系统中。

Claims (7)

1、一种升降机电机起动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、通过机械方式使起动前的升降电机保持静止不动；

b、在起动前的较短的时间T内使升降电机在负载作用下处于转动角度小于等于10度的自由转动状态；

c、由变频器检测出升降电机在起动前较短时间T内自由转动的角度大小；

d、根据检测出的角度大小及设定的预转矩增益，经过限幅放大，计算出与负载匹配的输出转矩；

e、变频器直接输出计算出的转矩，控制升降电机的平稳起动运行。

2、根据权利要求1所述升降机电机起动控制方法，其特征在于，所述升降电机自由转动的方向由负载情况决定，与升降电机即将运行的方向相反或相同。

3、根据权利要求1所述升降机电机起动控制方法，其特征在于，由系统及变频器根据应用情况分别在电动机的电动运行状态或发电运行状态设置所述限幅放大的限幅；也可以根据实际情况设置不同的转矩增益。

4、根据权利要求1所述升降机电机起动控制方法，其特征在于，所述设定预转矩增益可根据实际情况进行调整。

5、根据权利要求1所述升降机电机起动控制方法，其特征在于，所述起动的瞬间只有外力作用在电动机上，变频器不对电动机进行速度控制，只检测电动机的自由转动角度。

6、根据权利要求1所述升降机电机起动控制方法，其特征在于，所述通过机械方式使起动前的升降电机保持静止不动是通过抱闸使曳引机滑轮静止不动的。

7、根据权利要求1所述升降机电机起动控制方法，其特征在于，所述由变频器检测出升降电机在起动前较短时间T内自由转动的角度大小是通过检测曳引机码盘脉冲数n实现的。

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