CN1323920C - 稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统 - Google Patents
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Abstract
稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，属于电力电子技术和电机拖动控制技术领域，适于电梯无齿轮1∶1拖动。主要特征是设置以稀土永磁交流同步电机、同步角位移传感器、直流无刷测速单元、速度控制器和三个电流控制方式的电压型SPWM逆变通道组成四象限运转执行核心；以上位计算机、I/O锁定控制器、运动控制单元、系统状态检测单元、显示单元等组成电梯运动控制核心；以制动控制器、能耗箱、冷却控制器和风机组成热交换核心。本发明解决了传统的有减速机构的电梯耗能高、效率低的问题，并且安全可靠，成本低，实现了超低转速、超大转矩输出，小转矩波动和超低噪声，适于新生产电梯配装，也适于老梯旧梯改造，经济、社会效益显著。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术和电机拖动控制技术领域，适于电梯拖动控制，尤其适于1∶1无齿轮电梯曳引方式的拖动控制。
背景技术
现代电梯不仅应该具有很高的安全性、可靠性、乘坐舒适度及平稳性，还应要求其耗能低、效率高。传统电梯的曳引机都带有减速机构，如涡轮涡杆减速机构、多级行星减速机构，多级斜柱齿轮减速机构等等，这些减速机构消耗能量多，因而这类曳引方式的电梯效率低。目前，将稀土永磁交流同步电机及相应的同步变频调速技术应用于电梯拖动，受到该行业普遍关注，是当前电机拖动界最前沿的技术，其系统构成框架方案很多，但尚无优劣之分的较为统一的标准。而其中方波形稀土永磁交流同步电机及与之对应的直流无刷调速系统，其结构简单，技术难度小，性能指标明显优于传统的异步电机变频变压调速系统，但由于存在着运行噪声大、输出力矩波动的问题，不利于其在电梯场合应用。
发明内容
本发明就是要解决上述已有技术存在的问题，提供一种对电梯1∶1无齿轮拖动的稀土永磁自同步无齿电梯拖动系统，该系统实现了超低转速、大转矩输出，小转矩波动和超低噪声。
本发明的技术方案如下：
设置稀土永磁交流同步电机及相应的拖动控制系统，所述稀土永磁交流同步电机是超低速、大转矩正弦波型永磁交流同步电机(以下简称电机)，拖动控制系统是正弦波交流同步变频调速系统，由四象限运转执行、运动控制、热交换三个核心部分构成，还设有系统状态检测、监控、显示单元及保护电路；
a、四象限运转执行部分：包括驱动电机，并设有与电机同轴安装的同步角位移传感器、直流无刷测速单元，还有三个独立的电流控制方式的电压型正弦脉冲宽度调制(SPWM)逆变通道，及向逆变通道输出信息的速度传感器，所述逆变通道由电流控制器组、逆变器组的前置通道、逆变器组顺次连接组成，逆变器组向电机的三相绕组注入与电机磁场保持90°夹角关系的三相正弦波电流；在四象限运转执行部分设置系统的内、外环闭环控制通道，内环是电流控制环，即对逆变器组输出的三相正弦波电流相位及幅值进行监测调控的闭环通道，外环是速度控制环，即对电机轴角速度进行监测调控的闭环通道，另外还设有同步位置控制环，在逆变器组的前置通道设有对逆变器进行桥选控制的电路；上述三个电流控制方式的电压型SPWM逆变通道结合速度控制器和桥选控制电路共同完成四象限运转；
b、运动控制部分：设有输入输出接口锁定控制器，运动控制单元，机械制动器，与电机同轴安装的光学编码器；运动控制单元经输入输出接口与电梯调度系统的上位计算机进行信息往来，并向四象限运转执行部分发送相应的运行命令和运行曲线，运动控制单元还判读光学编码器送来的电梯位移情况及系统状态检测单元的信息，发现异常即撤消发出的命令，并启动机械制动器刹车，直流无刷测速单元向速度控制器、锁定控制器实时提供电机轴的角速度信息，当电梯开始运动即转速Nf≠0时，输入输出口被关断，转速Nf＝0时输入输出口被打开；
c、热交换部分：设有插接在电网交/直流转换器与逆变器组之间的制动控制器、能耗箱，还设有冷却控制器，风机。
本发明的主要优点是：1、本方案的正弦波形稀土永磁同步电机及调速系统，实现了超低转速、大转矩输出，小转矩波动和超低噪声，解决了电梯拖动控制系统中的难题；2、结构简单，成本低，电梯耗能低，效率高；3、本方案的1∶1电梯曳引方式，不仅新生产的电梯产品可以很容易配装此系统，过去生产的老梯旧梯也能直接进行改造，因此经济效益和社会效益显著。
附图说明
图1是本发明控制系统结构框图
图2是稀土永磁同步电机结构剖视图
图3是速度控制器及一个电流控制方式的电压型SPWM逆变通道(包括电流控制器、正弦脉冲宽度调制、驱动器、逆变器以及桥选控制器、正/反转控制器、四象限控制器等)实施例电路原理图
图4是锁定控制器电路原理图
图5是制动控制器、能耗箱电路原理图
图6是断相检测电路原理图
图7是过热保护电路原理图
图中：41-定子槽，42-磁钢，43-电机轴，44-控制槽，45-转子，46-定子
具体实施方式
参见图2，所述的超低速、大转矩正弦波交流同步电机定子为多齿槽(120个槽)、斜槽，绕组为分布短距方式，电机转子为均匀气隙结构，具有16-24个磁极(本实施例用20个磁极)，磁钢为切向布置，在安放磁钢的转子铁芯槽内布有特殊的气隙磁场分布控制槽，转子铁芯与电机轴之间不设隔磁套结构件，转子端板用不锈钢或非金属材料制成，用螺杆固定，转子不设冷却风扇叶片。电机采用铷铁硼材料制作。
参见图1、图3，所述逆变器组的前置通道的构成是：设有正弦脉冲宽度调制电路11、12、13，其输入端分别接电流控制器8、9、10及三角波发生器29，其输出端分别接对应的驱动器14、15、16，驱动器的输出端再分别接对应的逆变器17、18、19，还设置受控于运动控制单元32的正/反转控制器26、四象限控制器27，四象限控制器还受控于速度控制器25，正/反转控制器26及四象限控制器25分别向桥选控制器28输出信息，桥选控制器还接受由同步角位移传感器21向其输出的固定相位差为120°的三组正弦信号，综合上述情况后桥选控制器28向驱动器组14、15、16发出逻辑指令；同步角位移传感器21还分别向电流控制器8、9、10的前级乘法器输送其固定相位差为120°的三组正弦信号，经运算后输入电流控制器，构成同步位置控制环。
所述逆变器组的前置通道中，正弦脉冲宽度调制电路11采用积分器IC4C，驱动器14采用IGBT专用驱动器IC7、IC8，桥选控制器28、正/反转控制器26、四象限控制器27由受控于逻辑控制计算机IC11的两组与门电路IC6A、IC6B及反向门IC5A、相应的A/D转换器IC12、IC13、IC14、IC15、IC16构成，积分器IC4C的正输入端接电流控制器8的输出端，负输入端接三角波发生器29的输出端，积分器IC4C的输出端分别接与门IC6A、IC6B的一个输入端，与门IC6A的另一个输入端接逻辑控制计算机IC11的O/I接口P10，与门IC6B的另一个输入端接反向门IC5A的输出端，反向门IC5A的输入端接逻辑控制计算机IC11的同一个O/I接口P10，与门IC6A、IC6B的输出端分别经电阻R20、R21、晶体管T4、T5接IGBT专用驱动器IC7、IC8，逻辑控制计算机IC11的接口P00接运动控制单元32，接口P01经A/D转换器IC14接速度控制器25，接口P02、P03、P04分别经A/D转换器IC15、IC16、IC13接同步角位移传感器21，接口P05、P13经A/D转换器IC12接电流传感器CT4，电流传感器CT4再接制动控制器2；其它两组正弦脉冲宽度调制12、13与驱动器15、16电路结构与上述相同。
所述的电流控制器8采用积分器IC4B，其正输入端接地，负输入端经电子开关K1与乘法器IC3或称重放大单元39相接；所述逆变器17采用绝缘栅双极晶体管T6、T7，两个晶体管T6、T7的基极分别经电阻R14、R15接IGBT专用驱动器IC7、IC8的输出端，在基极上还分别跨接稳压管D4、D5、D6、D7，晶体管T6的发射极接晶体管T7的集电极，作为逆变器的输出端，并在该输出端挂接电流传感器CT1；其它两组逆变器18、19的电路结构与上述相同；三支电流传感器CT1、CT2、CT3的信号，经相电流检测单元24回送到电流控制器8、9、10的负输入端，由此构成系统的电流控制环。本实施例中电流传感器采用霍尔电流传感器。通过相电流检测单元实时监控三支电流传感器的信号，以确定三者相位关系和三相电流矢量是否与磁场形成90°夹角的关系，一旦有所偏离，电流控制器组便产生调控作用，电流控制器组在完成自身的相位调整功能的同时，还接受速度控制器的指令，以满足电机拖动负载的需求。
在速度控制环中，无刷直流测速单元实时地、无时间滞后地反映电机轴的角速度，并将角速度的变化送至速度控制器的输入端，由速度控制器根据速度指令与速度反馈的差值进行适当的比例积分运算，运算结果送到电流控制器组。速度指令来源于运动控制单元。电流控制器组的输出信号送至逆变器组的前置通道。
所述的运动控制单元32采用16位单片机IC10，速度控制器25采用比例积分调节器IC4D，由单片机IC10给出的速度指令经过D/A转换器IC9输出并与由直流无刷测速单元23反馈回来的速度值比较后的差值送比例积分调节器IC4D的负输入端，经其运算后的结果输出到乘法器IC3与同步角位移传感器21送来的信号相乘后，送电流控制器8，由此构成系统的速度控制环；其它两组电流控制器9、10的输入前级结构与上述相同。本发明的逆变器组工作于电流控制方式之下，不论电机工作于低速或高速，电机均可得到高质量的正弦电流，由于同步角位移传感器已对电机磁场分布做了精确的解析，并回送到逆变通道，可使这组按正弦波规律变化的电流矢量与电机磁场形成90°夹角，该90°夹角固定下来，则交流同步电机的工作特性就和传统的直流电机一样，电机电枢电流与电机输出转矩保持线性关系。
参见图4，所述的输入输出接口锁定控制器30、31由电压比较器IC23与8总线锁存驱动器IC24顺次连接构成，驱动器IC24接作为运动控制单元的单片机IC10；当电梯开始运动电机转速Nf过零点的信息输入比较器IC23时，即产生一个锁存信号使驱动器IC24的输入输出口关断，锁定电梯的运行方向和运行状态；所述制动控制器2由电压比较器IC1、IGBT专用驱动器IC2、绝缘栅双极晶体管T3逐级连接构成，电网供电电压经分压电阻R4、R5送到比较器IC1的正输入端，其输出端经电阻R8接IGBT专用驱动器IC2的一个输入端，同时经晶体管T2接驱动器IC2的另一个输入端，驱动器IC2经电阻R9接晶体管T3的基极，在该基极上还跨接稳压管D2、D3。
所述能耗箱3是一种电阻箱与制动控制器2的绝缘栅双极晶体管T3的集电极相接；该能耗箱为一密闭容器，内置大功率裸体电阻，箱体和裸体电阻之间充满绝缘冷却油，箱体外部设有散热片，箱体上还设有测温元件；所述的冷却控制器35和冷却风机40为间歇工作方式，只有当拖动系统散热器温度过高时冷却风机才工作；所述的同步角位移传感器为绝对型角位移传感器，其输出的三组正弦信号固定相位差为120°电角度，三组信号的周波数均是机械角周波数的16-24倍整数；所述直流无刷测速单元的磁钢为扇形平面布置，其绕组为相差90°电角的四相平面绕组，该测速单元通过磁感应方式测取角速度，测取的感应电势通过电子开关按设定的逻辑关系以电流信号方式输出，其电流的流向反映传感器输入轴的转向。
所述的系统状态检测、监控单元，仅以逆变器母线上挂接的电流传感器CT4的信号作为电机过载、过电流及输出短路故障的判定依据。
本发明设置的各种保护功能有：电网过电压保护、电网欠电压保护、电网断相保护、电机过载保护、散热系统过热保护、拖动控制器输出短路保护、最大电流边界保护、功率电子开关直通保护、系统异常高压保护、系统上电保护、四象限过界保护、测速传感器故障保护、角位移传感器故障保护、光学编码器故障保护、机械制动器故障保护、电梯运行冲顶、蹲底保护、电梯换速失败保护、运行中上位计算机指令丢失保护。
在所述的保护电路中，断相检测电路的构成是：在电网三相线上分别引出检测电阻R29、R30、R31并接后经限流电阻R32接光电耦合器IC19，光电耦合器IC19的输出送计算机IC11，在光电耦合器IC19的输入端还跨接有二极管D8；过热保护电路的构成是：设有热敏开关RT与继电器JC2的线圈串接的电路，继电器JC2的接点串接在冷却风扇FJ的供电电路中，在热敏开关RT上还并接有电阻R28与稳压管D10串联的支路，二者中间抽头接计算机IC11，经计算机IC11接显示屏DS。
在本实施例中，各集成电路芯片型号为：单片机IC10用80C196KC，D/A转换器IC9用AD667，乘法器IC3用AD534，积分器IC4B、IC4C、IC4D用LM324，反向门IC5A用74ALS04，与门IC6A、IC6B用74ALS08，IGBT专用驱动器用M57962，逻辑控制计算机IC11用8951，各A/D转换器用TLC548，电压比较器IC1、IC23用LM311，8总线锁存驱动器用74HC573，所用光学编码器的周转脉冲密1024P/r。
Claims (10)
1、一种稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，包括稀土永磁交流同步电机及相应的拖动控制系统，其特征在于：所述稀土永磁交流同步电机是超低速、大转矩正弦波型永磁交流同步电机(以下简称电机)，拖动控制系统是正弦波交流同步变频调速系统，由四象限运转执行、运动控制、热交换三个核心部分构成，还设有系统状态检测、监控、显示单元及保护电路；
a、四象限运转执行部分：包括驱动电机，并设有与电机同轴安装的同步角位移传感器、直流无刷测速单元，还有三个独立的电流控制方式的电压型正弦脉冲宽度调制(SPWM)逆变通道，及向逆变通道输出信息的速度传感器，所述逆变通道由电流控制器组、逆变器组的前置通道、逆变器组顺次连接组成，逆变器组向电机的三相绕组注入与电机磁场保持90°夹角关系的三相正弦波电流；在四象限运转执行部分设置系统的内、外环闭环控制通道，内环是电流控制环，即对逆变器组输出的三相正弦波电流相位及幅值进行监测调控的闭环通道，外环是速度控制环，即对电机轴角速度进行监测调控的闭环通道，另外还设有同步位置控制环，在逆变器组的前置通道设有对逆变器进行桥选控制的电路；上述三个电流控制方式的电压型SPWM逆变通道结合速度控制器和桥选控制电路共同完成四象限运转；
b、运动控制部分：设有输入输出接口锁定控制器，运动控制单元，机械制动器，与电机同轴安装的光学编码器；运动控制单元经输入输出接口与电梯调度系统的上位计算机进行信息往来，并向四象限运转执行部分发送相应的运行命令和运行曲线，运动控制单元还判读光学编码器送来的电梯位移情况及系统状态检测单元的信息，发现异常即撤消发出的命令，并启动机械制动器刹车，直流无刷测速单元向速度控制器、锁定控制器实时提供电机轴的角速度信息，当电梯开始运动即转速Nf≠0时，输入输出口被关断，转速Nf＝0时输入输出口被打开；
c、热交换部分：设有插接在电网交/直流转换器与逆变器组之间的制动控制器、能耗箱，还设有冷却控制器，风机。
2、根据权利要求1所述的稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，其特征在于：所述的超低速、大转矩正弦波永磁交流同步电机定子为多齿槽、斜槽，绕组为分布短距方式，电机转子为均匀气隙结构，具有16-24个磁极，磁钢为切向布置，在安放磁钢的转子铁芯槽内布有特殊的气隙磁场分布控制槽，转子铁芯与电机轴之间不设隔磁套结构件，转子端板用不锈钢或非金属材料制成，用螺杆固定。
3、根据权利要求1所述的稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，其特征在于：所述逆变器组的前置通道的构成是：设有正弦脉冲宽度调制电路(11、12、13)，其输入端分别接电流控制器(8、9、10)及三角波发生器(29)，其输出端分别接对应的驱动器(14、15、16)，驱动器的输出端再分别接对应的逆变器(17、18、19)，还设置受控于运动控制单元(32)的正/反转控制器(26)、四象限控制器(27)，四象限控制器还受控于速度控制器(25)，正/反转控制器(26)及四象限控制器(25)分别向桥选控制器(28)输出信息，桥选控制器还接受由同步角位移传感器(21)向其输出的固定相位差为120°的三组正弦信号，综合上述情况后桥选控制器(28)向驱动器组(14、15、16)发出逻辑指令；同步角位移传感器(21)还分别向电流控制器(8、9、10)的前级乘法器输送其固定相位差为120°的三组正弦信号，经运算后输入电流控制器，构成同步位置控制环。
4、根据权利要求1或3所述的稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，其特征在于：所述逆变器组的前置通道中，正弦脉冲宽度调制电路(11)采用积分器(IC4C)，驱动器(14)采用IGBT专用驱动器(IC7、IC8)，桥选控制器(28)、正/反转控制器(26)、四象限控制器(27)由受控于逻辑控制计算机(IC11)的两组与门电路(IC6A、IC6B)及反向门(IC5A)、相应的A/D转换器(IC12、IC13、IC14、IC15、IC16)构成，积分器(IC4C)的正输入端接电流控制器(8)的输出端，负输入端接三角波发生器(29)的输出端，积分器(IC4C)的输出端分别接与门(IC6A、IC6B)的一个输入端，与门(IC6A)的另一个输入端接逻辑控制计算机(IC11)的O/I接口(P10)，与门(IC6B)的另一个输入端接反向门(IC5A)的输出端，反向门(IC5A)的输入端接逻辑控制计算机(IC11)的同一个O/I接口(P10)，与门(IC6A、IC6B)的输出端分别经电阻(R20、R21)、晶体管(T4、T5)接IGBT专用驱动器(IC7、IC8)，逻辑控制计算机(IC11)的接口(P00)接运动控制单元(32)，接口(P01)经A/D转换器(IC14)接速度控制器(25)，接口(P02、P03、P04)分别经A/D转换器(IC15、IC16、IC13)接同步角位移传感器(21)，接口(P05、P13)经A/D转换器(IC12)接电流传感器(CT4)，电流传感器(CT4)再接制动控制器(2)；其它两组正弦脉冲宽度调制(12、13)与驱动器(15、16)电路结构与上述相同。
5、根据权利要求1所述的稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，其特征在于：所述的电流控制器(8)采用积分器(IC4B)，其正输入端接地，负输入端经电子开关(K1)与乘法器(IC3)或称重放大单元(39)相接；所述逆变器(17)采用绝缘栅双极晶体管(T6、T7)两个晶体管(T6、T7)的基极分别经电阻(R14、R15)接IGBT专用驱动器(IC7、IC8)的输出端，在基极上还分别跨接稳压管(D4、D5、D6、D7)，晶体管(T6)的发射极接晶体管(T7)的集电极，作为逆变器的输出端，并在该输出端挂接电流传感器(CT1)；其它两组逆变器(18、19)的电路结构与上述相同；三支电流传感器(CT1、CT2、CT3)的信号，经相电流检测单元(24)回送到电流控制器(8、9、10)的负输入端，由此构成系统的电流控制环。
6、根据权利要求1所述的稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，其特征在于：所述的运动控制单元(32)采用16位单片机(IC10)，速度控制器(25)采用比例积分调节器(IC4D)，由单片机(IC10)给出的速度指令经过D/A转换器(IC9)输出并与由直流无刷测速单元(23)反馈回来的速度值比较后的差值送比例积分调节器(IC4D)的负输入端，经其运算后的结果输出到乘法器(IC3)与同步角位移传感器(21)送来的信号相乘后，送电流控制器(8)，由此构成系统的速度控制环；其它两组电流控制器(9、10)的输入前级结构与上述相同。
7、根据权利要求1所述的稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，其特征在于：所述的输入输出接口锁定控制器(30、31)由电压比较器(IC23)与8总线锁存驱动器(IC24)顺次连接构成，驱动器(IC24)接作为运动控制单元的单片机(IC10)；当电梯开始运动电机转速Nf过零点的信息输入比较器(IC23)时，即产生一个锁存信号使驱动器(IC24)的输入输出口关断，锁定电梯的运行方向和运行状态；所述制动控制器(2)由电压比较器(IC1)、IGBT专用驱动器(IC2)、绝缘栅双极晶体管(T3)逐级连接构成，电网供电电压经分压电阻(R4、R5)送到比较器(IC1)的正输入端，其输出端经电阻(R8)接IGBT专用驱动器(IC2)的一个输入端，同时经晶体管(T2)接驱动器(IC2)的另一个输入端，驱动器(IC2)经电阻(R9)接晶体管(T3)的基极，在该基极上还跨接稳压管(D2、D3)。
8、根据权利要求1所述的稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，其特征在于：所述的能耗箱(3)是一种电阻箱与制动控制器(2)的绝缘栅双极晶体管(T3)的集电极相接；该能耗箱为一密闭容器，内置大功率裸体电阻，箱体和裸体电阻之间充满绝缘冷却油，箱体外部设有散热片，箱体上还设有测温元件；所述的冷却控制器(35)和冷却风机(40)为间歇工作方式，只有当拖动系统散热器温度过高时冷却风机才工作。
9、根据权利要求1所述的稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，其特征在于：所述的同步角位移传感器为绝对型角位移传感器，其输出的三组正弦信号固定相位差为120°电角度，三组信号的周波数均是机械角周波数的16-24倍整数；所述直流无刷测速单元的磁钢为扇形平面布置，其绕组为相差90°电角的四相平面绕组，该测速单元通过磁感应方式测取角速度，测取的感应电势通过电子开关按设定的逻辑关系以电流信号方式输出，其电流的流向反映传感器输入轴的转向。
10、根据权利要求1所述的稀土永磁自同步无齿电梯拖动控制系统，其特征在于：所述的系统状态检测、监控单元，仅以逆变器母线上挂接的电流传感器(CT4)的信号作为电机过载、过电流及输出短路故障的判定依据；在所述的保护电路中，断相检测电路的构成是：在电网三相线上分别引出检测电阻(R29、R30、R31)并接后经限流电阻(R32)接光电耦合器(IC19)，光电耦合器(IC19)的输出送计算机(IC11)，在光电耦合器(IC19)的输入端还跨接有二极管(D8)；过热保护电路的构成是：设有热敏开关(RT)与继电器(JC2)的线圈串接的电路，继电器(JC2)的接点串接在冷却风扇(FJ)的供电电路中，在热敏开关(RT)上还并接有电阻(R28)与稳压管(D10)串联的支路，二者中间抽头接计算机(IC11)，经计算机(IC11)接显示屏(DS)。
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