永磁同步電梯曳引機的變頻驅動系統設計

張光明

金碧物業有限公司

永磁同步電梯曳引機的變頻驅動系統設計

張光明

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三相永磁同步電動機由于其突出的優點，已經逐漸成為交流伺服控制領域發展的方向。而近年來，隨著電動機制造技術、大功率電力電子器件的飛速發展以及交流電氣傳動技術和各種先進智能控制理論的日益成熟，因此使得研究和設計出更高性能的交流伺服驅動系統成為現實，進一步加強電梯曳引機的永磁同步電動機變頻驅動系統的研究非常有必要?；诖吮疚姆治隽擞来磐诫娞菀芬龣C的變頻驅動系統設計。

永磁同步電梯；曳引機；變頻驅動系統；設計

1、永磁同步電梯曳引機的變頻驅動系統設計意義

20世紀末期和21世紀初，隨著電梯市場需求的不斷更新和科學技術的飛速進步人們對電梯產品的規格和性能提出了更高的要求，有力的推動了電梯設備的發展。于是諸如無機房電梯、小機房電梯等新產品不斷涌向市場。為了滿足這些新產品的配套需求作為電梯動力源的驅動結構必須要具有體積更小、效率更高、低速大轉矩等一些特點。而一直以來因為具有傳動比大、結構緊湊、傳動平穩等優點，在電梯行業被公認為電梯驅動機構首選的蝸輪、蝸桿傳動方式的曳引機已經遠遠不能滿足市場的需求。盡管目前世界各國著名電梯公司紛紛著手開發各種新型的曳引機，但隨著釹鐵硼等稀土永磁材料的廣泛應用和價格的降低，無齒輪永磁同步電梯曳引機開始受到青睞而在電梯行業得到廣泛應用。目前，無齒輪永磁同步電梯曳引機已經在垂直載客電梯占據了絕大部分市場。

2、永磁同步無齒輪電梯曳引機的基本結構

無齒輪永磁同步電梯曳引機主要由電動機、制動器和曳引輪組成，和有齒輪曳引機相比，省去了復雜的減速箱，同時也不需要把電機軸和減速箱輸入軸連接起來的聯軸器因此體積大為減小。圖1是典型電梯曳引機的外形結構圖，主要由電動機本身、電磁制動器和曳引輪組成。

電磁制動器是電梯曳引機的一個特殊裝置，在非運行情況下，總是處于關閉狀態。在非運行情況下，電磁制動器通過兩側安裝的導向壓縮彈簧給曳引輪施加一個很大的制動摩擦力，從而將電機曳引輪牢牢抱住。制動器的打開，可以通過往下壓住制動器上的手動松閘手柄，手動松開抱閘。在實際使用時，運行前我們需要給制動器上的電磁線圈通入一個較大的交流電或者直流電，通過電磁力的作用將制動器迅速打開，之后只需一個較低的維持電壓就可以使制動器維持打開狀態。在永磁同步電梯曳引機運行前，我們一定要檢查制動器是否已經打開，否則容易造成嚴重后果，因為在制動器打開前，若驅動器給電機發出運行指令但制動器處于閉合狀態，曳引輪由于受到一個很大的制動摩擦力，相當于一個很大的負載，因此如果驅動器沒有一定的過流保護措施，很有可能因電流夠過大導致損壞，同時由于驅動器強行驅動電機運行，極易導致制動器的機械損壞。

圖1 永磁同步電梯曳引機的外形圖

3、永磁同步電梯曳引機的變頻驅動系統設計

3.1 主功率變換電路和驅動電路設計

3.1.1 永磁同步電梯曳引機矢量控制系統硬件設計

在本系統設計的電路中，我們將主功率變換電路、開關電源電路和模塊驅動電路設計在一張電路板上，而控制電路則設計在另外一張電路板上，兩張電路板留出共同的信號接口，由排線相連接，這樣的設計有效的減小了驅動電路的強電信號對控制系統弱電信號的干擾，且控制電路相對獨立，因此對系統仿真調試非常方便。本系統功率電路采用典型的交-直-交電壓型變壓變頻電路，直流環節采用大電容進行濾波，使直流環節的電壓非常穩定，相當于一個恒壓源。功率模塊選用的是富士IGBT模塊7MBR100U4B120-50，該模塊將整流、逆變、溫度檢測、能耗制動集成在一起，極大的簡化了硬件電路的設計。

3.1.2 控制電路設計

本系統控制電路主要包括電壓電流采樣電路、PWM波形處理電路、故障保護電路、故障綜合電路和編碼器處理電路，以下主要分析了PWM波形處理電路設計。

圖2是PWM波形處理電路，74ACT244是一個電平轉換芯片，輸入端的電壓范圍為O-VCC，供電電壓為2V-6。SVPWMI-2到SVPWM6-2是從DSP引腳輸出的六路PWM波形，且波形是電平為3.3V的方波，由于后續的電路要求所處理信號的電平為SV，因此我們需要對PWM波形進行電平轉換，將電平為3.3V的方波轉換成電平為SV的方波，輸出端Y1-Y6均為5V電平的方波。

上圖中74ACT244的使能端連接的DRIVE信號，當系統出現故障時，通過軟件可將DRIVE信號置高，這樣一來74ACT244將不會被使能，無論輸入端的波形是什么狀態，輸出端的狀態將維持高電平，從而在這一級進一步封鎖PWM波形，高保護的可靠性。

圖3 主程序軟件流程圖

3.2 電梯曳引機矢量控制系統軟件設計

本系統軟件的主程序主要包括系統初始化和主循環兩部分。系統初始化主要負責系統運行所需要的各種初始化設置，包括系統各外設時鐘、外設I/O引腳功能、中斷向量表、外設模塊初始化、參數初始化等。主循環主要包括運行時序控制、操作器掃描與顯示、系統各運行參數的刷新顯示、上位機通信等。中斷程序主要用來實現一些主要控制算法，包括矢量控制算法、SVPWM技術、PID調節、轉速與轉子位置計算、故障保護等一些重要部分。(見圖3)

在系統上電之后，DSP將根據CMD文件的配置信息，首先進行變量地址分配，之后跳入MAIN函數，開始執行主程序，待初始化操作結束后，進入主循環，在主循環中執行各種操作，同時等待各個中斷，當中斷發生時，則離開主程序去執行中斷服務子程序，執行完畢后返回之前的斷點繼續執行主程序。

總之，交流伺服驅動系統可以有不同的控制對象，根據控制對象的不同，主要可分為異步電動機伺服驅動系統和永磁同步伺服電動機驅動系統。本文主要分析了永磁同步電梯曳引機的變頻驅動系統設計相關方面，以期提供一些借鑒。

[1]王蘇華.新型電梯曳引機驅動與控制系統設計與實現[D].南京理工大學，2013.

[2]鄭嚴.永磁同步電動機在天平游梁式抽油機上的應用研究[D].華北電力大學，2013.