基于安全轉矩取消（STO）和矢量控制（FOC）的電梯主動安全技術研究

摘要：目前電梯主要通過各種電氣安全裝置及安全部件的配合使用來保障運行安全，各類安全保護裝置基本采用電氣技術或機械技術的被動安全保護措施。特別是永磁同步電動機作為曳引主機時，許多功能嚴重依賴制動器本身的安全可靠程度，當制動器失效時，采用制動器作為制停部件的安全保護裝置也隨之失效。在即將實施的新標準《電梯制造與安裝安全規范 第1部分：乘客電梯和載貨電梯》（GB/T 7588.1—2020）中增加了安全轉矩取消（STO）功能作為斷開電動機運轉供電的方法之一。現對該技術進行了介紹，此新功能結合目前先進的矢量控制（FOC）技術，為電梯采用主動安全保護措施提供了堅實基礎，在未來具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：安全轉矩取消;矢量控制;主動安全;電梯

0 引言

安全轉矩取消（Safe Torque Off，STO）功能是指電動機停止運行時能控制變頻器關閉轉矩輸出，避免意外啟動造成安全事故。在電梯應用中，STO功能與制動器最大的區別在于，STO功能可以在不關閉電源的情況下切斷電動機的動力來源，而制動器是在特定情況下（斷電、未有使能狀態）抱住制動輪或軸。在新標準《電梯制造與安裝安全規范第1部分：乘客電梯和載貨電梯》（GB/T 7588.1—2020）中增加了關于斷開電動機運轉供電的規定：“5.9.2.5.4 d）具有符合GB/T 12668.502—2013中的4.2.2.2規定的安全轉矩取消（STO）功能的調速電氣傳動系統，該安全轉矩取消（STO）功能的安全完整性等級應達到SIL3，且硬件故障裕度應至少為1。”[1]

目前永磁同步電動機采用的控制方法主要有三種：變頻變壓（VVVF）、直接轉矩（DTC）和矢量控制（FOC）[2]。FOC技術主要是將電壓、電流通過分解變換表示在旋轉坐標系里，通過改變旋轉坐標系里面直軸和交軸的分量來控制力矩和磁通。該技術具備直接控制電動機電流和響應快速的優點，在零速—低速階段能實現軟啟動和滿負載啟動[3]。因此，矢量控制（FOC）技術可以實現對電磁轉矩和位置信息的精準控制，在緊急狀況下進行快速動態響應。

1 安全轉矩取消（STO）技術在電梯中的應用

STO技術目前在電梯中主要應用于控制柜無接觸器系統方案，作為接觸器的替代方案，當出現故障導致安全回路斷開時，觸發STO功能控制變頻器關斷力矩輸出，保障電梯曳引機能安全制動。

以某公司具備STO功能的一體機加STO卡的技術方案為例，STOA、STOB為雙通道冗余設計，作為STO的兩條通道，STOA、STOB均能實現控制變頻器關斷力矩輸出的功能;DNS+、DNS-為STO的反饋，連接到監控控制器，用于檢測STO部分電路是否存在損壞，如圖1所示。因此，該設計能滿足SIL3安全等級和至少為1的硬件故障裕度。

當使用STO功能替代運行接觸器時，STO卡接線方式與運行接觸器相同。采用24 V低壓安全回路時，可將STO卡直接連接在安全回路上;采用110 V等其他電壓安全回路時，可通過一個安全繼電器進行轉換匹配，如圖2所示。DNS+、DNS-與運行接觸器反饋觸點接法相似。

2 永磁同步電動機矢量控制（FOC）方法

2.1? ? 永磁同步電動機轉子類型

根據永磁體在電動機中的結構分布，永磁同步電動機轉子可劃分為三種類型：內埋式、內嵌式和表貼式，如圖3所示。

其中，表貼式永磁同步電動機的永磁體裝配在轉子外表面，如圖3（c）所示，此時d軸和q軸的電感關系為Ld=Lq。由于該類型電動機的永磁體緊密貼合在轉子表面，不僅使其磁極最優，而且氣隙磁密曲線與正弦波相似度極高，因此能獲得最佳的控制效果。目前，應用最廣泛的電梯永磁同步電動機都采用表貼式結構，不僅控制方便，而且經濟實用、結構簡單，本文講述皆為表貼式結構。

2.2? ? 坐標系建立

矢量控制的實質是對直流電動機優異解耦能力的精準模擬，直流電動機可以通過控制電樞電流和勵磁電流來精確控制電機轉矩，因此可以通過坐標變換的方法將交流模型等效為直流模型。以克拉克（Clark）變換方式為例，采用空間上相差90°的兩相電流iα、iβ替代iA、iB、iC三相平衡電流，如圖4所示。

同理，定義d軸為N極的所在位置，q軸與d軸成90°電角度，可將α-β兩相坐標系旋轉θ角度求得d-q兩相旋轉坐標系，電動機轉子與d-q兩相坐標系同步旋轉，如圖5所示。

2.3? ? 矢量控制策略

由公式（4）可知，因為np、ψf、Ld、Lq常規狀態為常量，因此通過控制id、iq就可以實現對電磁轉矩的控制，這就是矢量控制的基礎。不同的應用場景對id、iq采用不同的控制方式，常用的幾種控制策略有id=0控制、MPTA控制、磁鏈恒定控制、cos φ=1控制等[4]。

電梯永磁同步電動機一般采用表貼式電動機，Ld=Lq，磁阻轉矩為0，廣泛應用id=0控制策略，該控制策略簡單實用，定子電流基本上絕大部分用來提供電磁轉矩。此時，永磁同步電動機的轉矩方程可用公式（5）表達：

由公式（5）可知，采用id=0控制策略，電磁轉矩正比于電樞電流iq，在變頻器采用閉環矢量控制狀態下，通過給定電樞電流iq可以無偏差輸出相應的電磁轉矩。

3 電梯主動安全技術方案

目前，永磁同步電動機作為電梯曳引機時，制動器除了控制電動機的運轉和停止功能，同時也作為上行超速保護裝置和轎廂意外移動保護裝置的制停部件使用。原理上采用冗余設計的制動器，制動器失效的風險是極低的，但實際使用過程中依舊存在機械卡阻或拆解、調整保養不當等人為因素導致的制動器失效，造成電梯上行超速沖頂或意外移動等情況發生，這類事故往往伴隨著人員傷亡，會造成非常惡劣的社會影響。因此，有必要在目前各類被動安全保護功能的基礎上，增加電梯主動安全保護功能，實現在制動器失效時，變頻器主動對曳引機進行供電，輸出零速轉矩，使得轎廂持續制停，或者在疏散乘客后低速沖擊極限制停。

基于《電梯制造與安裝安全規范》（GB 7588—2003）標準設計制造的電梯，在制動器失效保護上不盡如人意。特別是永磁同步電動機作為曳引主機時，制動器承擔的功能過于繁重，即便是擁有制動器自監測功能，也不能避免制動器發生機械卡阻等制動力失效風險。而制動器故障失效時，通過變頻器主動輸出電磁轉矩穩定電梯轎廂的做法與GB 7588—2003標準存在沖突，無法落地實施。日前正式公布的電梯新標準GB/T 7588.1—2020引入了安全轉矩取消（STO）功能，為該技術的應用創造了基本條件。正常運行時，控制器不發送STO信號，電梯啟動或停止時，變頻器輸出零速力矩防止倒溜，當抱閘完全釋放之后控制器才發送STO信號，安全關斷電磁轉矩輸出，如圖6所示。

以雙處理器冗余控制系統為例，主處理器優先響應電機控制信號，協處理器優先響應STO信號，主處理器信號響應優先級高于協處理器，并檢測協處理器是否響應過STO信號。當控制器未發送相關運行控制信息（含制動器開啟、門鎖閉合等），而制動器又因為機械卡阻等原因失效時，可以利用速度與位置傳感器（旋轉編碼器）實時監測轎廂存在的不正常位移及速度變化，并通過控制器發送電機控制信號，輸出零速力矩或運行控制指令;當制動器完全釋放制停轎廂或轎廂沖擊極限停止運行時，控制器輸出STO信號，安全關斷電磁轉矩輸出。雙處理器冗余控制系統主要工作流程如圖7所示。

因此，本文設想的主動安全保護功能主要有兩種運行狀態：

（1）當電梯停止時，控制器發送STO信號，在響應STO信號的過程中，如果某個瞬間旋轉編碼器監測到超過設定值的位移變化，就可以假定制動器發生失效故障。此時轎廂處于失控溜車狀態，并存在加速向非控制方向預運行的趨勢，如圖8中的A階段。控制器馬上停止向協處理器發送STO信號，通過稱重傳感器等手段迅速識別電動機是處于制動狀態還是驅動狀態，自動計算轉矩的補償值，向主處理器發送電機控制信號，輸出零速轉矩制停轎廂，如圖8中的B階段。在電梯穩定下來時，通過聲光報警等方式通知乘客迅速離開轎廂，檢測到無人時自動關閉轎門。在轎門關閉之后，控制器輸出制動器開啟、釋放控制指令，經過設定次數開啟、釋放之后，控制器切斷電機控制信號，向協處理器發送STO信號，檢測轎廂是否還存在失控溜車趨勢，如故障消失則恢復正常運行。

（2）當上述故障依舊存在時，控制器停止向協處理器發送STO信號，向主處理器發送電機控制信號，輸出順溜車方向運行控制指令，以低速V2沖擊極限，如圖8所示。待速度減速到零時維持零速力矩一段時間，然后控制器向協處理器發送STO信號，安全關斷電磁轉矩輸出。

從上文不難看出，本文提出的主動安全保護技術方案不僅能有效消除剪切或擠壓等意外移動風險，而且能夠避免電梯高速溜車沖頂或蹲底造成的沖擊事故傷害。

4 結語

本文通過研究安全轉矩取消（STO）和矢量控制（FOC）技術的原理和應用，結合新標準《電梯制造與安裝安全規范 第1部分：乘客電梯和載貨電梯》（GB/T 7588.1—2020）的相關要求，提出電梯主動安全技術方案，在現有被動保護措施的基礎上，可以進一步降低制動器故障失效的風險，特別是在防止轎廂意外移動和失速沖頂、蹲底等方面具有獨到的效果，為電梯的安全運行提供了新的保障手段，具有非常積極的意義。

[參考文獻]

[1] 電梯制造與安裝安全規范 第1部分：乘客電梯和載貨電梯：GB/T 7588.1—2020[S].

[2] 陳原，曾憲文，徐英杰.介于全速度范圍的三相PMSM無位置傳感器控制研究[J].科技展望，2017，27（27）：177.

[3] 劉計龍，肖飛，沈洋，等.永磁同步電機無位置傳感器控制技術研究綜述[J].電工技術學報，2017，32（16）：76-88.

[4] 黃健.儲緯器PMSM電機驅動器的設計[D].蘇州：蘇州大學，2014.

收稿日期：2021-02-22

作者簡介：何比干（1989—），男，廣東佛山人，機電工程師，研究方向：特種設備檢驗檢測。