直線電機(jī)的發(fā)展及其在電梯行業(yè)的應(yīng)用

摘 要：直線電機(jī)可以不用借助任何中間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，與傳統(tǒng)的方式相比，具有噪音低、無磨損、無接觸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、精度高等方面的優(yōu)點(diǎn)。基于此本文對(duì)直線電機(jī)的發(fā)展及其在電梯行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行探討，闡述了直線電機(jī)在電梯中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、門機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用前景，為工程技術(shù)人員對(duì)直線電機(jī)的研發(fā)指明了方向。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；電梯；應(yīng)用

傳統(tǒng)的電梯曳引系統(tǒng)和門機(jī)利用交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行工作，為了實(shí)現(xiàn)電梯門的開和關(guān)，需要借助一些比較復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)。就電梯的曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，無論是交流電機(jī)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或是交流調(diào)速系統(tǒng)、或是永磁馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)，因?yàn)榻涣麟姍C(jī)響應(yīng)速度慢，控制起來比較復(fù)雜，無法滿足未來對(duì)電梯性能的要求。而直線電機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，不易被環(huán)境影響，受到了行業(yè)的廣泛關(guān)注，正逐漸成為主流的電梯產(chǎn)品。

1.直線電機(jī)的發(fā)展和研究情況

1.1.直線電機(jī)的發(fā)展史

直線電機(jī)的概念是在1840年被提出來的，距今有一百多年的歷史。可以將其發(fā)展史大致分成三個(gè)階段，分別為：探索實(shí)驗(yàn)階段、開發(fā)應(yīng)用階段和實(shí)用商品化階段。其中第一個(gè)階段指的是直線電機(jī)的探索和實(shí)驗(yàn)階段，在這個(gè)階段直線電機(jī)的設(shè)計(jì)還存在一定的問題，也沒有找到直線電機(jī)合適的應(yīng)用領(lǐng)域，因此直線電機(jī)一直沒有被廣泛使用。在開發(fā)階段科學(xué)家在直線電動(dòng)機(jī)研究的基礎(chǔ)上，取得了非常大的研究成果，發(fā)表了一些比較系統(tǒng)的電機(jī)類著作和文章，極大的推進(jìn)了直線電機(jī)的發(fā)展，同時(shí)也引起了廣大研究人員對(duì)直線電機(jī)的重視[1]。從1971年開始對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行了獨(dú)立應(yīng)用，在這個(gè)階段，研究人員選擇了出了適合直線電機(jī)使用的途徑，各種各樣的直線電機(jī)被廣泛的推廣，研究出了非常多的具有使用價(jià)值的產(chǎn)品，比如沖壓機(jī)、空壓機(jī)、煤機(jī)等。

1.2.近年來國內(nèi)外對(duì)直線電機(jī)的研究情況

近年來，直線電機(jī)得到了迅速的發(fā)展，很多人都開始對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行研究。國際上很多公司也逐漸開始研發(fā)直線電機(jī)類的產(chǎn)品，比如日本的三井精機(jī)公司、美國的Koll-morgen公司、各國的Wesitinghouse公司等等。各種各樣質(zhì)量良好的直線電機(jī)產(chǎn)品也出現(xiàn)在了人們的視野中。比如Indramat公司研究出了非常完整的直線電機(jī)系列，其中包含了封閉式異步直線電機(jī)和無罩殼異步直線電機(jī)。在直線電機(jī)的控制系統(tǒng)中設(shè)置了非常標(biāo)準(zhǔn)的接口，可以更好的保證各種景觀改型的程序控制器和數(shù)字變換器相兼容。

我國對(duì)直線電機(jī)的研究發(fā)展比較晚，大概是從70年代發(fā)展起來的。不過在國外直線電機(jī)使用潮流的影響下，我國國內(nèi)也出現(xiàn)了很多直線電機(jī)開發(fā)使用的單位，例如浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)等。我國第一個(gè)直線電機(jī)研究所在浙江大學(xué)誕生，并且此研究取得了非常不錯(cuò)的研究成果。目前我國在直線電機(jī)方面的研究成果主要有摩擦壓力機(jī)、沖壓機(jī)、礦山運(yùn)輸系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)門、自動(dòng)繪圖儀等[2]。這些產(chǎn)品已經(jīng)得到了應(yīng)用推廣。本文主要對(duì)直線電機(jī)在電梯行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2.電梯行業(yè)中直線電機(jī)的應(yīng)用

2.1.電梯控制系統(tǒng)的基本要求

因?yàn)殡娞菔且粋€(gè)需要頻繁制動(dòng)和起動(dòng)的設(shè)備，在運(yùn)行的過程中，加速時(shí)間和減速時(shí)間占據(jù)了很大一部分的比例。特別在單層運(yùn)行時(shí)，幾乎完全處于制動(dòng)和起動(dòng)的狀態(tài)。如果可以對(duì)電梯的制動(dòng)和起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行降低，就可以極大的節(jié)約乘客的時(shí)間。從這個(gè)方面來說，在對(duì)電梯的運(yùn)行進(jìn)行控制時(shí)，要對(duì)其運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。另外，乘客在減速下降和加速上升的時(shí)候，在加速度的影響下，會(huì)有超重的感覺，人體的器官也受到了更大的重力。會(huì)出現(xiàn)頭暈的情況。經(jīng)研究證明，電梯在使用的過程中生理系數(shù)一般要控制到1.31m/s以下。所以，電梯在減速和加速的過程中，要在保證舒適度的基礎(chǔ)上對(duì)速度進(jìn)行控制。除了需要控制運(yùn)動(dòng)以外，還需要對(duì)通訊、監(jiān)控、顯示等方面的內(nèi)容進(jìn)行控制。

2.2.電梯運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

一般情況下，可以把電梯控制系統(tǒng)分成拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)兩個(gè)方面的內(nèi)容，根據(jù)控制需求的不同，在應(yīng)用的過程中，要選擇對(duì)應(yīng)的控制芯片。在控制系統(tǒng)中主要有電梯運(yùn)行邏輯功能的控制、電梯群的監(jiān)控調(diào)度、電梯交通分析的計(jì)算三個(gè)方面，因此在選擇芯片時(shí)要選擇可以同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)和有著良好計(jì)算能力的芯片，要可以實(shí)時(shí)的對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行控制，及時(shí)的響應(yīng)輸入信號(hào)。當(dāng)前拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和操作系統(tǒng)主要是使用微處理器控制的全數(shù)字化電梯控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要是由PLC控制系統(tǒng)或者繼電器控制系統(tǒng)構(gòu)成，屬于集中控制系統(tǒng)。在使用的過程中，常常需要把控制電路信號(hào)、強(qiáng)迫換信號(hào)、急停回路信號(hào)、換速和平層信號(hào)等發(fā)送到同一個(gè)控制器，此控制器在進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行執(zhí)行。使用控制系統(tǒng)，控制器的運(yùn)算量非常大，極大的限制了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，而且控制器的功能無法進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)充，線路非常復(fù)雜，出現(xiàn)故障后維修非常困難[3]。特別對(duì)于高層電梯來說，有非常多的信號(hào)線，維修起來就更加麻煩了。

而直線電機(jī)電梯使用全數(shù)字微處理器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，對(duì)調(diào)速的問題進(jìn)行解決。根據(jù)實(shí)際的控制需求，對(duì)應(yīng)的選擇處理器。比如在對(duì)電梯門廳進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制操作時(shí)，可使用51系列的芯片，如果有多個(gè)控制任務(wù)和電梯群控需求，可以使用ARM控制芯片。使用微機(jī)控制系統(tǒng)可以對(duì)電梯進(jìn)行群控管理，對(duì)電梯進(jìn)行合理的調(diào)配，提高電梯運(yùn)行的效率，降低電梯等候的時(shí)間，節(jié)省電能。為了對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行提升，可以使用無觸點(diǎn)的邏輯線路，維修費(fèi)用不高，產(chǎn)品質(zhì)量非常不錯(cuò)。有較常大的靈活性，可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)控制程序進(jìn)行改變，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以對(duì)故障進(jìn)行顯示，使維修變得更加的容易，對(duì)電梯的運(yùn)行效率進(jìn)行提升，降低故障的時(shí)間。拖動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)通常由80c196mc（16位單片機(jī)）構(gòu)成。隨著控制算法的復(fù)雜程度逐漸提升，16位單片機(jī)逐漸被性能更高的DSP芯片取代，這種控制系統(tǒng)主要是由電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、速度檢測(cè)等參數(shù)構(gòu)成。

2.3.硬件平臺(tái)的搭建

2.3.1.主控系統(tǒng)的搭建

在早期對(duì)電梯進(jìn)行控制、管理和測(cè)量的過程中，主要使用高檔的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)在應(yīng)用的過程中會(huì)受到資源和速度的限制，很難實(shí)現(xiàn)電梯的通信管理、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采樣和控制的任務(wù)。為了更好的將電梯控制系統(tǒng)的任務(wù)完成，就需要應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)。目前DSP處理器和32位數(shù)據(jù)處理的ARM核處理器是兩種比較重要的嵌入式系統(tǒng)的處理器。因?yàn)樵趯?duì)電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的過程中，控制、管理和數(shù)據(jù)通信是幾個(gè)非常重要的方面，因此ARM是非常不錯(cuò)的選擇。ARM主要是由一片ARM9芯片構(gòu)成，通過在嵌入式操作系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用可以將電梯運(yùn)行的指令發(fā)送到拖動(dòng)控制系統(tǒng)，達(dá)到橋廂控制系統(tǒng)和各門廳控制系統(tǒng)串行通信的目的，將電梯的運(yùn)行狀態(tài)和轎廂的位置發(fā)送到各個(gè)門廳控制系統(tǒng)，為了方便對(duì)電梯進(jìn)行調(diào)度和群控，可以和監(jiān)控PC進(jìn)行連接。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

2.3.2.拖動(dòng)控制系統(tǒng)的搭建

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無繩電梯和傳統(tǒng)曳引式電梯相比，不需要進(jìn)行配重，不需要一個(gè)專門的機(jī)房來安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以節(jié)省大量的空間，在安裝的過程中，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)無繩電梯不需要使用很長(zhǎng)的鋼絲繩，使用的機(jī)械部分非常簡(jiǎn)單，在運(yùn)行過程中故障點(diǎn)非常少，電梯安裝起來非常簡(jiǎn)單，維護(hù)工作比較少。在搭建拖動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)候，主要使用DSP芯片。和其他處理器相比，DSP芯片更加適合對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，DSP芯片主要是由一片TI的DSP芯片構(gòu)成，主要具有下面幾個(gè)方面的功能：（1）可以根據(jù)信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)行邏輯的判斷，對(duì)車廂位置和實(shí)際速度進(jìn)行計(jì)算。（2）可以檢測(cè)主回路電壓電流的信號(hào)，可以對(duì)井道位置和光電旋轉(zhuǎn)編碼器位置的信號(hào)進(jìn)行接收。（3）通過控制直接推力，來對(duì)變頻調(diào)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)、電流閉環(huán)和位置閉環(huán)，更加精準(zhǔn)的對(duì)電梯的運(yùn)行進(jìn)行控制[4]。（4）對(duì)各種故障進(jìn)行處理，比如功率模塊故障、上下沖頂、消防運(yùn)行等。（5）實(shí)現(xiàn)橋廂控制系統(tǒng)的串行通信對(duì)轎廂位置的運(yùn)行狀態(tài)信息和位置進(jìn)行發(fā)送。所以拖動(dòng)控制系統(tǒng)主要使用DSP芯片進(jìn)行搭建。

2.3.3.廳門和轎廂控制系統(tǒng)的搭建

在對(duì)廳門和轎廂控制系統(tǒng)進(jìn)行搭建的時(shí)候，要使用三角載波和正弦波進(jìn)行比較，然后產(chǎn)生PWM脈沖序列，當(dāng)正弦波小于三角載波時(shí)，對(duì)應(yīng)的開關(guān)器會(huì)關(guān)閉，當(dāng)正弦波大于三角載波的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件會(huì)處于連通的情況，產(chǎn)生的脈沖序列會(huì)對(duì)逆變器的功率開關(guān)器件進(jìn)行控制。通常情況下，廳門和轎廂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致相同，可以使用PHILIPS的LPC941x系列的單片機(jī)組成控制系統(tǒng)，其中LPC941X可以在成本要求低、集成度要求高的場(chǎng)合進(jìn)行使用，可以對(duì)各種性能要求進(jìn)行滿足。只需要2～4個(gè)時(shí)鐘周期，就可以將指令執(zhí)行完畢，不僅可以極大的降低元件的數(shù)目，而且還可以有效的降低系統(tǒng)的成本。在LPC940x中，內(nèi)置了LCD段驅(qū)動(dòng)器。具有spI、nc、uart接口。

3.結(jié)語

總而言之，直線電梯是未來電梯的主要發(fā)展方向，就目前對(duì)直線電梯的開發(fā)而言，大噸位（譬如美國對(duì)航空母艦戰(zhàn)斗機(jī)的提升系統(tǒng)）、多轎廂（在一個(gè)井道布置若干個(gè)電梯轎廂）對(duì)直線電梯的開發(fā)具有誘人的應(yīng)用前景；在直線電梯應(yīng)用的過程中，直線電機(jī)的控制是非常關(guān)鍵的一個(gè)問題。在直線電機(jī)控制理論的不斷發(fā)展下，在材料科學(xué)不斷發(fā)展的今天，隨著永磁材料成本的降低，在不久的將來，直線電機(jī)的潛能會(huì)更加充分的被挖掘出來。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉云岳.直線電機(jī)原理與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2000，6.

[2]周勇.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)電梯門機(jī)及其控制系統(tǒng)[D].浙江：浙江大學(xué)，2006，2.

[3]郎東革.電梯門機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2007，3.

[4]管小川.無刷直流電機(jī)在電梯門機(jī)系統(tǒng)中的控制原理[J].魅力中國，2010（02）：78-79.

作者簡(jiǎn)介：

朱廣慧（1965-）男，河南鄭州人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，研究方向：電氣控制。