電梯驅動與能量回饋一體化控制系統設計

李 朋 羅 飛 許玉格 郭智于

(華南理工大學自動化科學與工程學院1，廣東 廣州 510640;廣州市富菱達電梯有限公司2，廣東 廣州 510290)

0 引言

隨著現代化生產規模的不斷擴大和人們生活水平的不斷提高，電能供需矛盾日益突出，對于節電的呼聲日益高漲，這使得國內外電梯廠商也開始關注電梯的節能問題。現在大部分電梯廠家的節能方式是選用永磁同步無齒輪主機。因為永磁材料可在電機中產生磁場，節省部分電能，但其效果并不太明顯。如今，也有極少部分的電梯加裝了能量回饋裝置，但由于加裝的能量回饋裝置控制算法不先進，導致產品質量不穩定，回饋的電能對電網及其他用電設備產生較大干擾。

目前，國際上只有少數幾家公司電梯廠商，如日本三菱、美國OTIS等在大規格電梯中采用了雙PWM控制技術;在國內，上海交通大學和上海三菱電梯有限公司也在合作進行雙PWM可逆整流技術的研究。本文根據目前國內電梯的現狀，采用比較先進的雙PWM控制技術，設計了一套合理的電梯控制、驅動與能量回饋一體化控制系統。

1 系統工作原理

電梯節能能量回饋的本質是將直流電能轉換為交流電能的有源逆變［1－3］，其目的是將電動機在發電狀態下產生的直流電能回饋到交流電網，實現節能，并盡量減少對電網的污染。

在電梯直流電能逆變回饋過程中，系統要求在相位、電壓、電流等方面應滿足以下各控制條件:①逆變過程必須與電網相位保持同步關系;②當直流母線電壓超過設定值時，才啟動逆變裝置進行能量回饋;③逆變電流必須滿足回饋功率的要求，但不大于逆變電路所允許的最大電流;④應盡量減少逆變過程對電網的污染。

為實現以上要求，本系統采用雙PWM控制技術實現能量回饋。能量回饋裝置主要由PWM整流和PWM逆變兩部分組成。雙PWM控制技術的工作原理為:當電機處于拖動狀態時，能量由交流電經整流器向濾波電容充電，能量通過PWM逆變器傳送到電機;當電機處于減速運行、輕載向上、重載向下狀態時，由于負載慣性作用進入發電狀態，使濾波電容電壓升高，此時整流器中開關元件在PWM控制下將能量回饋到交流電網，實現能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環控制作用，使電網電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了電網側的諧波污染，形成了清潔高質量的能量，并回饋到電網。

控制方法的優劣直接影響逆變系統的性能。本設計采用三相變頻技術中的空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術［4］，使電梯節能能量逆變器的節能效果更加顯著，并且減少了逆變電能對電網造成的沖擊，使直流電壓利用率更高，逆變電能的總諧波失真更小。

2 系統結構設計

本系統采用雙PWM控制技術，在三相電源輸入端與PWM整流IPM模塊之間設有被控電抗，對電梯輸入電流和驅動電機電流、轉速進行精確計算，達到精確控制電梯速度、加速度以及能量回饋于電網的目的。

2.1 硬件結構設計

本系統采用32位ARM CPU+32位DSP CPU+FPGA硬件結構［5－7］，兩 CPU 通過并行通信高速交換數據，電梯主控板與呼梯工作站通過CAN總線串行交換信息［8］。這種硬件結構包含一個能量回饋裝置［9］，可以采用雙PWM控制技術，實現節能和降低電梯系統對公用電網的諧波干擾。

系統模塊結構如圖1所示，其中R、S、T和U、V、W均表示三相電的端子。

圖1 系統模塊結構圖Fig.1 Structural modules of the system

由圖1可知，本系統的驅動電機為永磁同步電機，制動方式為能量回饋。

系統的硬件結構設置具體介紹如下。

采用32位ARM CPU作為系統邏輯控制部分的CPU，采用32位DSP CPU作為系統驅動及能量回饋部分的CPU;采用250000門的門電路FPGA作為系統主板的邏輯電路、兩CPU之間的高速通信電路、系統主板的輸入/輸出電路;采用PSD4235作為系統參數存儲器;采用手持式操作器對系統參數進行調試;采用三菱IPM模塊作為系統驅動元件;采用TI公司DC/DC電源模塊作為直流電源控制器;采用韓國三和電容器作為系統主電路濾波電容器;采用日本和泉繼電器作為系統輸出繼電器;采用日本富士接觸器作為系統輸出接觸器。

2.2 軟件結構設計

系統軟件主要包括控制模塊與驅動模塊兩部分［10］。

2.2.1 控制模塊

控制模塊包括電梯邏輯控制軟件(即電梯的操作系統)、通信軟件以及電機運動控制軟件和同步電機的初始磁通角整定等模塊。其中，電梯邏輯控制模塊包括電梯的集選控制、參數調試與存儲、電梯故障處理、系統自檢與處理等。通信模塊包括主板與呼梯工作站、轎頂工作站、操作器、群控板、遠程監控板之間的通信，以及兩個32位CPU的高速通信。電梯電機運動控制模塊包括電梯電機速度檢測、電機電角檢測、電梯運行曲線生成、電梯速度、加速度控制、力矩控制等模塊。

2.2.2 驅動模塊

驅動模塊包括電梯的能量回饋軟件(矢量控制PWM整流器軟件)和電梯電機變頻驅動軟件(即矢量控制PWM軟件)。驅動模塊結構如圖2所示。

圖2 驅動模塊結構圖Fig.2 Architecture of diver module

圖2中，PWM整流為系統提供直流電源，同時也可將能量回饋到電網;PWM逆變為電梯曳引機提供電源，使電梯按設定曲線運行，同時，當電梯減速、輕載上行、重載下行時，將機械能轉化為電能，以泵升電壓的形式將能量儲存于電容中。

PWM整流與PWM逆變的控制軟件基本相似，只不過PWM逆變控制對象為永磁同步電機(以永磁同步電機為控制模型)，而PWM整流控制的對象為被控電抗(以電抗為控制模型)。這兩部分對象均包括矢量變換、PI調節和雙閉環控制等。

PWM整流部分包括矢量變換、PI調節和雙閉環控制，其控制對象為被控電抗，內環為電流環，外環為電壓環(系統的直流母線電壓)。

通過雙閉環保證當電梯運行時，系統的直流母線電壓不變，保持為630 V。

PWM整流的工作過程具體過程如下。①外環(電壓環):系統將檢測到的母線電壓Vd與設置的直線母線電壓(630 V)作比較，將誤差通過PI運算后，產生q軸電流指令。②內環(電流環):系統把檢測到的R相、S相電流通過Clark變換、Park變換后，產生檢測的q軸、d軸電流iq1、id1。和 iq1比較(設=0)和id1比較，分別將比較后的誤差信號通過PI運算，將其結果解耦后，得到q軸、d軸電壓 Uq1、Ud1。④將 Uq1、Ud1通過 Park逆變換、SVPWM運算后，產生PWM脈沖信號，將PWM脈沖隔離放大后驅動IPM模塊，從而實現整流和能量回饋。Park變換和Park逆變換中的電角度θ1由PLL輸出積分(1/S為積分環節)得到。

PWM逆變也包括矢量變換、PI調節和雙閉環控制，其控制對象為永磁同步電機，PWM逆變器的軟件流程與PWM整流器的軟件流程基本相似。

3 測試分析

設定直流母線的基準電壓為630 V，測得在直流母線的實際電壓為660 V時，經逆變后的a相電流波形如圖3所示。

圖3 逆變后a相電流波形Fig.3 a-phase current waveform after inversion

由圖3中的25個周期信號可以看出，回饋到交流電網的a相電流波形為近似正弦波，對其中的15個周期信號進行快速傅里葉變換(FFT)分析，逆變后a相的電流諧波波形如圖4所示。

圖4 逆變后a相電流諧波波形Fig.4 a-phase current harmonic analysis after inversion

4 結束語

本系統驅動電機為永磁同步電機，采用能量回饋的制動方式，并采用雙PWM控制結構，集電梯控制、驅動和能量回饋于一體，其具有以下優點和特點:①節能效果好，節能高達40%;②無制動電阻，進一步節省電能，改善系統的運行環境;③功率因數約為1，最大程度地降低了電梯系統對電網的諧波干擾;④省去了昂貴的高耗能裝置，降低了生產成本。

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