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1、一 一 一 一 一 一 二 竖 色 理 翌 进 竺 竺 竺 竺电棒专用永磁同步电机变频调速系统的实现何里 黄大为 黎坚 杨 耕清华大学摘 要; 本文针对电 梯电 气拖动的要求， 基于D S P 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。 关锐词: 无齿轮电梯变颜调谏D S P 矢母神制) 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
2、 梯的电 力拖动 系统提出了 新的 要求O 1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2 1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
3、 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 3 1本文介绍的永磁同 步电机变频调速系统， 基 于先进的 D S P嵌入式处理器，采用矢皿控制原 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。
4、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I G B T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
5、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 C P U系统。以 两个C P U为核心， 系统可划分为. “ 3.一 一一 一 一 一止 埋 皇 型竺 进 宜 竺竺 绝 竺 丝全 星 鬓 鸯 士 艺 岔 迁._ 一_ 一_ 二 _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T I 公司的T MS 3 2 0 F 2 4 0 . F 2 4 0 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P
6、 W M 输出单元，电 压、电流采样用 的多路高速A / D 转换器，精简的D S P 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R S 4 8 5 / 2 3 2 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 M C U 。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 E M C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 M C U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D S P 使用。M C U作
7、为 D S P 的外围设备供D S P 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 1 2 对极， 额定 转速1 8 9 r p m , 额定 功率有1 1 , 1 4 K w等。
8、 2 . 2 系统左制原理本 系 统 采 用矢 量控 制原理 14 1 ， 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 (6 ) ， 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lt : 转矩电 流控制命令lt : 转矩电 流采 样值I m : 励磁电 流控制命令1 子 : 励磁电 流 采样 值 U 盆 励磁电 压 控制 命 令 u: 转矩电 压 控制 命 令图2 系统控制框图( 1 )电流环:
9、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I ; 和 励磁电 流采样 分量I m u 采用最大转矩控制方式 时， 励 磁电 流 给 定 分 量I m 为 零， 使 转 矩电 流 分 量 达 到 最 大 。 转 矩电 流 给 定 分 量I ; 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P I 调 节器以 后得到输出的d , q 轴电 压 分 量U ; 和U ,n ， 即 得到了 输出 的电 压空间 矢量。(
10、 2 )速度环:外环为 速度环， 计算转矩电 流 给 定 分 量I ; ， 其 值 为 转 速 指 令矿 和 转 速 反 馈n 的 差值经过P I 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 ) P W M空问矢量榆出:计算得到的电压空 间矢量应用空间矢量法6 1 进行矢量分解后，以 P WM 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 )转子初始位呈辫识功能与异步感应电机不同， 永
11、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6 6 4一 一 一 一 一 一 二 竺 丝 泛 生 望 竺 生 塑 竺 丝 竺 竺、 星 些 叁 生 创竺进._ . 一二_0寸内0中一0内内已叨0之P、反十土土1占十上2 0 0 4 0 0 6 0 0图 38 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 时间n s / a i vL . ! ， _1卜10 0内甲吕丫字毕速度阶跃响应人一一 _仪二一一0000山卜00山0山创 ，勺、.M0旧入100盯1 裂耸口旧卜。Q吕一法是电 机三相加直流电压， 直流锁定转子并记录 转
12、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 麒 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、 E M C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1检测
13、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E MC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 x 1 0 - 4 r a d 。( 2 )高分辫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时1旬n s / a i v图4 转矩阶跃响应后， 速 度 检 测 的 分 辨 率 可 达 到2 x 1 0 - H z 。( 3 )参 教可变的P I 拉制器拖动系统高速、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
14、数的 P I 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 P I 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2 0 0 m s 左右， 转矩阶跃响应时间为3 0 m s 左右， 均为无差控制，可以 满足系统动态性能的要求。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: 2 0 0 r p m ;最小 转速: O .S r p m ;稳速精度: 0 .4 % ;最大静差: 。 石 % 。电机额定速度运行情况下
15、:负载转矩:0 - 1 6 0 % 额定转矩。系统在额定转速、额定负载情况一 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D S P 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中目 电 二 执 术 学. 念电方 电子 学会 第 , 届 -* 年. 会论 R-3 % 6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。 ” 鑫 “流调速系统 在现代电 梯中的应用.
16、微特电 机。 2 0 0 0 . 5 . 3 D a e - W o o n g C h u n g , H y u n g - Mi n B y u , Y o u n g - Mi n L e e , a n d e t c . “ D r i v e S y s t e m s f o r H i g h - S p e e d G e a r l e s s E l e v a t o r s “ , I E E E I n d u s t ry A p p l i c a t i o n s M a g a z i n e , p p . 5 2 - 5 6 , S e p t ./ O c t . , 2 0 0 1 . 4 J o s e A n d r d s S a n t i s t e b a n , R i c h a r d M S t e p h a n . “ V e c t o r C o n t r o l M e t h o d s f o r I n d u c
