電梯驅動系統控制技術的現狀與發展前景

杜貴明 龐麗芹

（長春職業技術學院，吉林 長春 130033）

電梯是高層建筑不可缺少的交通運輸設備。隨著建筑物規模越來越大，對電梯的調速精度、調速范圍等特性提出了更高的要求。電梯的性能對于乘坐者而言，要求能夠具有安全、舒適、速度快、振蕩小、平層精度高等性能。對于使用單位而言，還要求能夠具有成本低、效率高、維護方便、空間占據體積小等特點。為此，一部優質電梯系統需要同時滿足這兩方而的性能要求，這就對電機性能及其控制模式提出了新的挑戰。

1 曳引電動機的常用類型

電梯系統的性能在很大程度上取決于電動機的性能，所以選擇理想的曳引電動機結構對于電梯的正常運行起到舉足輕重的作用，因此結構的選擇非常重要。電梯中常用的曳引電動機類型包括:交流異步電動機、有刷直流電動機和永磁同步電動機，各種電機的有各自的特點。

1.1 交流異步電動機

交流異步電動機也叫感應電機，它和其他電機比較，它具有結構簡單、運行可靠、制造容易、成本較低、堅固耐用等優點。采用現代矢量控制方法，可以使感應電機獲得良好的調速性能。感應電機的缺點一是損耗大、效率較低、溫度較高;二是必須從電網吸取滯后電流，使電網功率因數降低。因此感應電機在電梯曳引系統中將逐漸退出。

1.2 有刷直流電動機

由于直流電機具有良好的起動性能，能在寬廣的范圍內平滑而迅速地調速，所以曾被廣泛用于電梯系統中。但近幾年有刷直流電機的機械換向器限制了功率的提高，給維護和檢修帶來了極大的困難，同時換向火花所帶來的無線電干擾，又會影響曳引驅動系統的正常運行。由于這些缺陷，直流電機在電梯曳引系統中已退出主流。

1.3 永磁同步電動機

電梯的驅動系統對電機的加速、穩速、制動、定位都有一定的要求。20世紀70年代隨著變頻技術發展成熟，異步電動機的變頻調速驅動迅速取代了電梯行業中的直流調速系統。而近幾年電梯行業中最新驅動技術就是永磁同步電動機調速系統，其體積小，控制性能好，將能做到低速直接驅動，消除齒輪減速裝置；其低噪聲、平層精度和舒適性都優于以前的驅動系統，適合在無機房電梯中使用。永磁同步電動機曳引技術采用高性能的永磁同步電動機、磁場定向的矢量變換控制技術、快速電流跟蹤變頻裝置以及低摩擦的無齒輪結構，它是電梯驅動技術的飛躍，有很好的發展前景。

2 驅動系統的控制技術

電梯系統的性能在很大程度上取決于電機性能及其采用的控制模式，所以選擇理想電機的控制模式對于電梯的正常運行起到舉足輕重的作用。目前，常用的控制方式有以下幾種。

2.1 矢量控制

在逆變器供電情況下，對永磁同步電動機的分析，通常是采用同步旋轉的d-q坐標系下的Park模型。在此模型中，同步電機的電壓、電流和磁通都可分解為相互解耦的d、q軸分量。對永磁同步電動機的輸出轉矩的控制，可歸結為對交軸電流和直軸電流的控制。采用矢量控制的交流調速系統，其性能超過直流電機的調速性能。

2.2 直接轉矩控制

直接轉矩控制是繼矢量控制之后發展起來的一種新型的高性能交流變頻調速技術。其基本思想是在維持定子磁鏈幅值恒定的前提下，通過調整定子磁鏈在空間的旋轉速度，進而調整滑差頻率以控制電動機的轉矩及轉速。該方法是在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，強調對電機的轉矩進行直接控制，省略了矢量旋轉變換等復雜的變換和計算。因此，直接轉矩控制大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題，很大程度上克服了矢量控制的缺點。

目前，直接轉矩控制主要應用于感應電機，應用于永磁同步電機的研究較少，原因是由于轉子結構的差異，使感應電機的直接轉矩控制手段不能直接應用于永磁同步電機。另外，直接轉矩控制雖然對電機參數的依賴性較小（僅需知道定子電阻），但算法較復雜，否則造成轉矩脈動，需在電機設計與控制手段上進行改善。

2.3 自適應控制

自適應控制能在系統運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善，所以是克服參數變化影響的有力手段。自適應控制方法有:模型參考自適應、參數辨識自校正控制以及新發展的各種非線性自適應控制。這些方法存在的問題是:一是數學模型和運算繁瑣，使控制系統復雜化；一是辨識和校正都需要一個過程，對于一些參數變化較快的系統，因來不及校正而難以產生很好的效果。

2.4 智能控制

智能控制理論是自動控制學科發展里程中的一個嶄新階段，與傳統的經典、現代控制方法相比，具有一系列獨到之處。首先，它突破了傳統控制理論中必須基于數學模型的框架，不依賴或不完全依賴于控制對象的數學模型，只按實際效果進行控制。其次，繼承了人腦思維的非線性，智能控制器也具有非線性特征；同時，利用計算機控制的便利，可以根據當前狀態切換控制器的結構，用變結構的方法改善系統的性能。在復雜系統中，智能控制還具有分層信息處理功能和決策功能。利用智能控制的非線性、變結構、自尋優等功能來克服交流伺服系統變參數與非線性等不利因素，可以提高系統的魯棒性。

目前智能控制在交流伺服系統應用中較為成熟，有模糊控制和神經網絡控制，而且大多是在模型控制基礎上增加一定的智能控制手段，以消除參數變化和擾動的影響。模糊控制是利用模糊集合來刻畫人們日常所使用的概念中的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟練操作人員和專家的控制經驗與方法，它包括精確量的模糊化、模糊推理、模糊判決二部分。模糊控制系統只有與其他控制方法相結合，才能獲得優良的性能。神經網絡是指用工程技術手段模擬人腦神經的結構和功能的一種信息處理系統。神經網絡的研究從20世紀40年代初開始，20世紀80年代神經網絡理論取得了突破性進展，成為智能控制的一個重要分支。神經網絡模型用于模擬人腦神經元活動過程，其中包括信息的加工、處理，存儲等。

雖然智能控制用于交流傳動系統的研究已取得了一些成果，但是有許多問題尚待解決，如智能控制器主要憑經驗設計，對系統性能（如穩定性和魯棒性）缺少客觀的理論預見性，且設計一個系統需獲取大量數據，設計出的系統容易產生振蕩。

總之，對現代電梯性能的衡量主要著重于安全的可靠性和乘坐的舒適性。另外，對經濟性、能耗、噪聲和電磁干擾等方而也有相應要求。無機房和小機房、無齒輪、電磁兼容性、遠程監控等技術將是電梯工業今后的主要研究方向。多品種、智能化和綠色環保將是電梯的發展方向。

[1]許家群.電梯曳引拖動系統的發展現狀及前景[J].微特電機,2002,3

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