某大型商厦观光电梯的电气控制系统设计（优秀毕业设计论文）

某大型商厦观光电梯的电气控制系统设计第一章 电梯的电力拖动系统方案设计电力拖动系统是电梯的动力来源，它驱动电梯部件完成相应的运动。在电梯中主要有如下两个运动：轿厢的升降运动，轿门及厅门的开关运动。轿厢的运动由曳引电动机产生动力，经曳引传动系统进行减速、改变运动形式（将旋转运动改变为直线运动）来实现驱动，其功率在几千瓦到几十千瓦，是电梯的主驱动。轿门及厅门的开与关则由开门电动机产生动力，经开门机构进行减速、改变运动形式来实现驱动，其驱动功率较小（通常在200W以下），是电梯的辅助驱动。本部分内容主要是电梯的电力拖动系统方案设计。1.1 电梯门机拖动系统方案的创新性设计1.1.1 电梯门机系统简介在电梯系统中，为了使其能够正常工作，也为了提高电梯系统的可靠性一般在电梯系统中都有一些附属装置，电梯门机系统即是其中一个。舒适的电梯系统应该有较短的候梯时间，门运行快捷、安静，使乘客不会觉得候梯和运行时间过长，因此，高效的电梯应该有一个良好的门机驱动系统。在电梯中，门机系统的主要任务是接收来自上位管理与调度系发送的门机控制信号，驱动门电动机运行，以控制电梯轿厢门和厅门的联动开关。电梯门机系统主要由门电动机、门电动机控制器、门电动机驱动装置、门结构(门系统机械部分)、安全检测系统、大厅内乘客监测系统等组成。下面简单介绍各个组成部分及其速度曲线和运行过程。(1) 梯门电机控制系统这部分主要由门电机控制器、门电机驱动装置以及门电动机等组成。其中门电机控制器主要用来控制门电机，使其沿给定门机曲线运行，以快速、安静、准确的开关电梯轿厢门和厅门。这部分如同一个小型的电机拖动控制系统。(2) 电梯的门结构此部分主要由门扇、导轨、厅门门锁等构成，目前主要采用单扇门和中分门两种结构。为了提高门系统的快捷性，高性能的电梯系统多采用中分门结构。其中门扇必须具有坚固、防火的特点；导轨用来支撑门扇，故必须表面光滑、坚固且足够大，以便门扇可靠的移动；厅门门锁必须满足安全要求，当门扇到达关门点时应及时的锁住门。这部分对乘客安全非常重要。(3) 安全检测在电梯控制系统中，为了避免乘客被正在关闭的门扇伤害，在门系统中大都设置安全检测系统，以检测关门时是否还有乘客从电梯门上通过。当轿厢门正在关闭时，如果此时有乘客欲进、出入电梯轿厢(包括乘客位于轿厢门前某段距离或乘客阻挡轿厢门关闭)，则轿厢门应该停止关闭，且重新打开。轿厢门打开则不必有此过程。目前的安全系统主要大都采用光电式装置(如光敏元件)，也有的采用电磁式装置。(4) 大厅内乘客检测系统在一些高性能的电梯系统中，都设置了大厅内乘客检测装置，确定乘客是否全部进入电梯。当乘客或物体仍在门检测区域内时，电梯的门系统能自动延时关门，确保乘客全部进入电梯。目前主要采用光电装置和红外光幕保护装置来检测乘客或物体。有的门机系统还采用热敏电磁装置和图像采集系统检测乘客或物体，由于受到性能和成本的限制，应用的并不多。(5) 门过载保护装置有的门系统设有门过载保护开关装置，当电梯在开关门过程中，因轿厢门受阻而导致动作力矩过大，梯门会自动向反方向动作，从而达到保护门电机的作用。(6) 速度曲线及运行过程电梯门机系统的速度曲线如图1-1所示。速度曲线大致可分为四个阶段：加速阶段、匀速阶段、减速阶段和厅门锁定阶段。tl-t2时间段为加速阶段；t2-t5为匀速阶段；t5-t 6为减速阶段；t6-t7为门锁定阶段。以关轿厢门为例，在t1时刻，门电机得到控制信号(一般为脉冲信号)，经过一段时间延迟，轿厢门开始动作，一直到t2时刻，此段时间为加速阶段，其运行距离一般较短。从t4开始到t5时刻，为匀速阶段。此时，如果有乘客在轿厢门前一定距离内或者在门扇中间阻挡轿厢门的关闭，则电机得到一个脉冲信号，则电机提前进入减速阶段，如t3-t4时刻所示，然后反转，轿厢门重新打开。直到全部乘客进入轿厢，从时刻t5 开始进入减速阶段。在t6时刻，轿厢门实际已经关闭。在t 6- t 7 的门锁定阶段电机继续转动，轿厢门被压紧，门刀关门同时通过机械结构关闭厅门直到t 7时刻，电机停止转动，门关闭过程结束。图1.1 电梯门机运行速度曲线以上简要叙述了电梯门系统的组成和功能。在电梯门系统中，还有一个重要的问题就是门保持时间的选择。因为门的保持时间过长，会影响电梯的运行效率，而保持时间过短又不能保证乘客全部安全的进入轿厢。因此应对门保持时间进行很好的选择：在保证乘客全部安全进出电梯的情况下，尽可能的缩短电梯开关门时间。1.1.2 门机拖动系统方案设计电梯门机拖动系统作为一个子系统，相对整个电梯系统来说，是不容忽视的。它是电梯系统中动作最频繁，也是直接面对乘客的部分。因此在实际应用中需要一个运行安全可靠、性能稳定的电梯门机控制系统，其设计就显得尤为重要。一、各种门机拖动系统的比较门机拖动系统从电流型式上分为直流调速拖动和交流调速拖动两大类，在交流调速拖动中，异步电动机门机调速拖动系统和同步电动机门机调速拖动系统已发展成为占有相当比例的两类调速拖动系统。目前有三大类门机拖动系统：直流电动机门机拖动系统、异步电动机门机拖动系统、永磁同步门机拖动系统。 最老式的用传统直流电动机调速的电梯门机一般由电动机配以继电器、限位开关和电阻实现开关门的控制，由于控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速系统领域里占统治地位。但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因火花大而影响生产；机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度;接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场合；电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高，这些固有的缺点限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。 在交流电网上，因异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简单等优点，所以长期以来，在不要求调速的场合，异步电动机占有主导地位，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，人们广泛使用交流异步电动机来拖动机械工作。但是，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低，并且在这类拖动中，其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因数低，轻载时尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗，无形中损失了大量电能。当前，电梯门机控制系统主要有由交流电机及其VVVF调速系统构成的， 也有少数由直流电机及其调速系统构成的。这些系统均有其固有的缺陷。除整套系统的成本较高外，前者虽然体积小，寿命长，但控制较复杂，对控制系统中的处理器性能要求较高，而且如果为同步电机，在带载情况下还易出现失步现象。而后者尽管控制简单，但直流电机体积大，维护困难，寿命短，电刷结构带来电磁火花，易形成干扰。这些缺陷在电梯实际运行中就表现为电梯门开关不正常，维护工作量大等困扰操作人员的问题，进一步可造成严重经济损失甚至人身伤害。相对而言，永磁同步电机结合了直流电机与交流同步电机的优点，具有体积小，寿命长，控制简单，调速精度高，且不会失步的特点。而且，从提高效率，节约能量方面看，永磁同步电机也有优势。据报道，美国55%以上的电力是消耗在电动机运行上，因此提高电动机的效率很有意义。在所有类型电机中，永磁同步电动机的损耗最小、效率最高。有资料做过对比分析，对于7.5kW的异步电机系统效率可达86.4%，但是同样容量的永磁同步电动机效率可达92.4%。随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断下降。考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗等)之后，永磁同步电机的应用正处于上升趋势，其主要的原因有： （1）高性能永磁材料的发展 1983年问世的钦铁硼永磁材料，由于其磁特性和物理特性优异，成本低廉且材料来源有保证 (我国占有世界蕴藏量8%以上的钦资源)，所以在开发高磁场永磁材料(特别是钦铁硼永磁材料)方面具有得天独厚的有利条件，我国的钦铁硼永磁材料特性水平已达到世界的先进水平，为永磁同步电机的发展提供了物质基础。 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电励磁磁极的好处是：简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积:省去励磁直流电源，消除了励磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。 （2）新型电力电子技术器件和脉宽调制 (PWM)技术应用 电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自1958年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合场控器件直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，它极大地推动了各类电机的控制。70年代出现了通用变频器的系列产品，为交流电机的变频调速创造了条件。同时对同步电动机而言解决了起动问题。对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统中必不可少的功率环节。 （3）电子技术和控制理论的发展 集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制。随着电子技术的发展，各种集成化的数字信号处理器 (DSP)发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大提高，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。这使以单片机为核心的全数字控制系统取代模拟器件控制系统成为可能。计算机技术的应用除了实现复杂控制规律，便于故障监视、诊断和保护等功能外，还可以用于计算机辅助分析和数字仿真。集成电路和计算机技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。它们的飞速发展促进了电机控制理论的发展与创新。70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动，获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。 目前，交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻；结构简单，运行可靠；损耗小，效率高等一系列优点，越来越引起人们重视。永磁电机几乎遍及航空，国防，工农业生产和 日常生活的各个领域。如汽车工业，电机现以永磁电机为主;数控和精密机床也大量应用永磁电机;信息产业中永磁电机的应用面广、类型多;家用电器中永磁电机取代异步电机的地方也不少，如空调器己开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机，洗衣机用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等。随着高磁场永磁材料价格和电动机转子制造价格降低，以及驱动系统的理论研究和实践应用的不断完善与提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展及应用。可以毫不夸张地说，永磁同步电动机己从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。 为便于比较，永磁同步电动机与其它电动机的综合特性比较如下表1-1。表1-1 三种伺服系统控制方案比较伺服系统直流伺服系统永磁同步伺服系统异步交流伺服系统电机结构有电刷和换向器，结构复杂比较简单简单最大转矩约束整流火花，永磁体退磁永磁体退磁无特殊要求发热情况转子发热，不利只有定子线圈发热，有利定转子均发热，需要采取措施高速化稍有困难比较容易容易大容量化难稍微困难容易制动容易容易较容易控制方法简单稍复杂复杂磁通产生永磁体永磁体二次感应磁通环境适应性受火花限制好好维护性较麻烦无需保护无需保护以上分析可以看出，在工业应用及民用中，永磁同步电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。但是随着交流伺服在国内的成熟发展，三相交流电机伺服控制器控制三相永磁伺服电机应用于电梯开门机将是一大趋势，它是继VVVF驱动技术后的、更新一代的驱动和控制技术。正是在这一背景下，电梯技术的门控电机也逐渐向永磁无刷化方向发展。随着我国国民经济的蓬勃发展，高层建筑如雨后春鱼般涌现，对电梯的需求就越来越大以及对电梯系统的性能要求也越来越高。然而，据统计，电梯故障的75%出在轿门处，即电梯门控系统。 因此对电梯门控系统，具有相当高的要求。开发硬件体积小、运行可靠、开关快速性、智能化更高、易维护的门机控制系统是势在必行的，发展永磁同步电动机控制系统是一大趋势，它不仅能实现了门机的全电动控制(包括检测门位移参数的闭环控制)，而且开关门无碰撞、噪声小，开关速度快；另外相对于数控机床方面伺服控制系统，伺服控制精度不要求那么高，成本也相对低很多；同时也采用了限位开关位置检测和光幕传感器，起到多重保护功能；最后很容易实现门机堵转力矩保护，实现多重保护措施，安全性和可靠性相当高。二、永磁同步电动机的分类根据永磁同步电动机变频调速系统的控制方式不同，可将其分为两大类：一类是他控式变频调速系统；另一类是自控式变频调速系统。他控式变频调速系统中所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属于速度开环控制系统。他控式变频调速虽然能够解决永磁同步电机的起动问题，但仍存在失步、振荡等问题，因此永磁同步电机变频调速系统一般采用自控式运行。根据逆变器组成器件和工作方式的不同，可将自控式永磁同步电机作如下简单分类：一类电机为晶闸管无换向器电机，又称为负载换向同步电机调速系统：另一类电机称为自控式永磁同步电动机或者永磁无刷直流电动机。 根据电动机反电势的波形形状又可分为无刷直流电动机(简称BLDCM)调速系统和三相永磁同步电动机(简称PMSM)调速系统两种，它们的区别在于前者的感应电动势为梯形波，电流为方波，而后者的感应电动势和电流都为正弦波。尽管BLDCM有调速系统位置传感器简单、成本较低、材料利用率高、控制简单等优点，但由于其原理上存在固有缺陷，使得转矩脉动较大，铁心附加损耗较大，因此只适用一般精度及性能要求低的场合;而PMSM不需要励磁电流，逆变器供电的情况下，不需要阻尼绕组，效率和功率因数都比较高，而且体积较之同容量的异步电机小，能克服BLDCM系统的不足，常用于高精度、高性能的场合。三、PMSM伺服系统的研究现状纵观PMSM伺服系统的研究现状，国内外在围绕提高PMSM性能及性价比目标从不同角度着手进行了大量的研究和实践，并取得了一些令人可喜的成果；尤其是近年来围绕提高其伺服控制器性能目标在系统控制策略上作了大胆的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先进控制策略并取得了一些具有实用性意义的成果。但是PMSM 自身就是具有一定非线性、强祸合性及时变性的“系统”，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时还受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能PMSM伺服系统的控制要求)a)。为此，结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进PMSM 伺服系统控制性能。随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制得以实现，大大简化硬件，降低成本，提高控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中已采用高速数字信号处理芯片(Digital SignalProcesso:简称DSP )。目前，多家公司都推出了专门用于电机控制的DSP。它的指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令，可实时产生平滑的参考信号，适应不同的控制要求，完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制算法，并产生高分辨率的PWM输出;集成的电机控制所需的外设，如A/D. 1/O、定时器、PWM发生器、串口通讯等等，使得应用DSP的系统所需器件很少，可靠性增强，且可以满足越来越小型化的要求;在极端环境温度条件下，仍具有良好的稳定性和线性性，可提供可预计的输出特性。这些特性保证了用于电机控制的算法，如PID控制、矢量控制、滑模变结构控制等可以高速、高精度的完成。因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服系统是交流伺服系统的重要发展方向之一。国外最新推出的高性能交流伺服系统几乎全都实现了数字化，并且都采用了16位或32位高速信号处理器芯片，有的还采用了运算速度更快的RISC芯片。国内在这方面的研制工作也取得了长足的进步，目前己有全数字化交流伺服系统的系列产品问世。但我国的电机控制技术，与国外还有很大的差距，并且这种差距又有逐渐增大的趋势。四、PMSM伺服系统的发展趋势及意义永磁同步（PMSM）伺服驱动技术是一门包含着丰富内容的综合性技术，自世界上第一台伺服控制系统出现以来，伺服驱动技术就一直不断发展，尤其是各种现代控制理论的产生和广泛的具体应用，一方面为高性能伺服驱动系统的研制提供了理论依据，另一方面也使高性能伺服系统实现全数字化、智能化、微型化成为可能。高性能伺服系统的发展趋势主要表现在：(1) 永磁同步电机的应用越来越广泛。永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度大、效率高、转子消耗小等一系列优点，在医疗器械、仪器仪表、化工轻纺以及家用电器等方面正得到日益广泛的应用，并且成为新一代的航空，航天和航海用电机，加上我国又是永磁材料的生产大国。所以，在我国永磁电机的应用有着广阔的发展前景。(2) 高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。传统控制器的设计通常需要被控对象有非常精确的数学模型，而永磁电机是一个非线性多变量系统，难以精确的确定其数学模型，按照近似模型得到的最优控制在实际上往往不能保证最优，受建模动态，非线性及其他一些不可预见参数变化的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证，所以有必要研究一种新型的高性能的控制策略，来弥补这种缺陷和不足。随着高性能的微处理器应用于AC伺服系统，在控制上由通常所采用的PID控制规律，开始转向现代控制理论，如自适应控制、人工智能、模糊控制、变结构控制、神经元网络等新型控制系统;而且采用高性能控制策略的控制系统具有很好自适应能力和抗干扰能力，能够在参数时变及干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态和稳态性能。(3) 伺服系统向着全数字化的方向发展。全数字交流伺服系统就是将伺服电机的位置环、速度环、电流环控制和监控通讯功能全部由软件完成。交流伺服系统全数字化之后不仅使其控制系统的体积大大缩小，可靠性明显提高，而且还便于一些自适应控制等先进控制策略的实现，极大增强了AC伺服系统设计与使用的柔性，可满足高精度数控机床、机器人、特种加工装备精细进给的需要，代表AC伺服系统的发展水平和主导方向。(4) DSP 在交流伺服系统中得到广泛的应用。传统的基于单片机的电机控制系统，需要较多的外部硬件，运算速度不高，难以实现一些较为复杂的控制算法，实时性很难得到保证，因而随着对控制性能越来越高的要求和控制方法复杂度的提高已经很难适应实际的要求。DSP控制器由于其本身的特点成为永磁电机控制的必然选择。DSP具有超强的数据处理能力和很快的数据处理速度，由DSP来实现控制算法，大大的简化了硬件，降低了成本，提高了系统的控制精度和可靠性。基于DSP的永磁电机控制系统满足现代电机控制的基本要求：信号处理快而准确;实时完成复杂的控制算法；精确而快的PWM 输出；能满足要求增加功能和智能的需求；性能价格比高。(5) 伺服系统中所用的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能功率模块(IPM)将进一步得到普遍应用，逆变器逐渐转变为高频化、小型化的无噪声逆变器;伺服系统中所用的位置与速度传感器由单一功能向多功能一体化方向发展。光电编码器的分辨率将大幅度提高，传感器的电子信号处理部分将以微处理器为核心构成独立的微机系统，成为高性能伺服系统的一个关键组成部分；永磁同步电机转子磁钢由采用铁氧体、稀土钻转向更多的应用钦铁硼，使电机具有更好的性能价格比;伺服系统控制器的制造上，结构日趋小型化，采用多单元组合构成多坐标轴控制器，可靠性进一步提高，便于维护及扩充。控制系统的主要技术要求有：适用范围广，适用于开门宽度在350mm- 2400mm之间的电梯门；电动机起动、停止，各段速度的转换要求加减速过程平滑，具有S曲线的加减速过程；门扇运行各状态点速度可设置；加减速时间可设置；有很强的输入过电压，欠电压，输出过电流保护功能；具有自整定功能，并可在一定范围内修改自整定值。 综上所述，电梯门机是电梯的重要组成部分，是电梯系统中动作最频繁，也是直接面对乘客的部分。因此在实际应用中需要一个运行安全可靠、性能稳定的电梯门机控制系统。这就要求电动机控制系统具有精度高、响应快、鲁棒性好、计算简单等特点。为使门机拖动系统满足设计要求，并收到良好的效果，以体现本观光电梯的高档性，本设计门机拖动系统采用永磁同步（PMSM）伺服系统。门机拖动系统方案图见附图1-1。1.2 电梯主拖动方案设计电梯的电力拖动系统对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起着控制作用。拖动系统的优势直接影响电梯的起动，制动加减速度，平层精度，乘坐的舒适性等指标。电梯的拖动系统经历了由简单到复杂的过程。到目前为止应用于电梯的拖动系统主要有：(1)单、双速交流电动机拖动系统；(2)交流电动机定子调压调速拖动系统；(3)直流发电机-电动机可控硅励磁拖动系统；(4)可控硅直接供电拖动系统；(5)VVVF变频变压调速拖动系统。1.2.1单、双速交流电动机拖动系统交流电动机具有结构紧凑，维修简单等特点。单、双速交流电动机拖动系统采用开环方式控制，线路简单，价格较低，因此目前仍在电梯上广泛应用。但它的缺点是舒适感较差，所以一般被用于载货电梯上。这种系统控制的电梯速度在1米/秒以下。1.2.2 交流电动机定子调压调速拖动系统交流电动机定子调压调速拖动系统国外已大量应用于电梯。这种系统采用可控硅闭环调速，加上能耗或涡流等制动方式，使得它所控制的电梯能在中低速范围内大量取代直流快速和交流双速电梯。它的舒适感好，平层准确度高，而造价却比直流电梯低，结构简单，易于维护，多用于2米/秒以下的电梯。1.2.3 直流发电机-电动机可控硅励磁拖动系统直流电动机具有调速性能好，调速范围大的特点，因此很早就应用于电梯，采用发电机-电动机组形式驱动。它控制的电梯速度达4米/秒，但是,机组结构体积大，耗电大，维护工作量较大，造价高，因此常用于对对速度，舒适感要求较高的建筑物中。1.2.4 可控硅直接供电拖动系统可控硅直接供电拖动系统在工业上早有应用，但用于电梯上却要解决舒适感问题。(尤其是低速段)应此应用较晚，它几乎与微机同时应用，比起电动机-发电机组形式的直流电梯，它有很多优点。如：机房占地节省35%，重量减轻40%，节能25%到35%。世界上最高速度的10米/秒电梯就是采用这种系统，其调速比达1:1200。1.2.5 VVVF变频变压调速拖动系统80年代初，VVVF变频变压系统控制的电梯问世。它采用交流电动机驱动，却可以达到直流电动机的水平，目前控制速度已达6米/秒。它的体积小，重量轻，效率高，节省能源等几乎包括了以往电梯的所有优点。是目前最新的电梯拖动系统，以下简要介绍其优点。VVVF电梯，采用交流单速电动机，通过对交流电动机调节供电电压、供电频率来调节电动机的转速达到线性化，将交流电动机转速运行曲线线性段区域扩大。由于系统采用高精度电光码盘，全数字化控制，使电梯平层精度达到毫米级，并且绝对保证电动机零速下闸，舒适感非常好。 VVVF控制的电梯相对于交流双速电梯、交流调压调速电梯(ACVV)都有十分突出的优点。下面与ACVV控制的电梯相比较。 安全可靠。先进的电脑控制技术，完善的检测、自诊断、自保护功能最大限度地考虑了电梯在任何情况下出现故障的可能性，设置了各种防故障和应急装置;倘若井道内某个安全装置出现故障，电脑将保护不冲顶、不蹲底、不关人。舒适感好。理想的电梯运行速度曲线，根据人体生理适应能力由高性能的微电脑设计而成，采用矢量控制技术对交流电动机进行精确调节，使电梯运行极其平衡、舒适。 高速高性能。高速运行，最佳召唤应答处理和分配方式，根据乘客人流情况快速反应自动调节，使电梯运行迅速、合理，最大限度地缩短乘客候梯时间，使电梯运行效率得到充分发挥。 节约电能。全电脑控制的调节调频调速(VVVF)系统，不仅性能优异、 功能齐全、质量可靠，而且具有优异的节能效果，与目前同规格的ACVV相比，节能约40%，并可使用户电源容量也大量减小。 节省机房空间。超小型的机房全电脑控制系统与传统的机房控制系统相比，体积减少1/2以上，重量大大减轻。因此，节省机房空间，减轻机房承重，提高建筑利用率，从而可节约建筑费用。 利用率高。全电脑控制可以方便地使两台、三台、四台以上的电梯进行群控，合理安排，合理分配，提高电梯的运行效率。 准确的平层精度。经过电脑的高速、大量运算，采用高精度光电码盘，将速度转矩位置全闭环，停车时零速抱闸，平层精度在士2mm以内。 自学习井道信息功能。自动学习电梯的提升高度、楼层间距，自动根据停靠距离选择运行曲线。 维护方便。现代化高科技设计，全电脑控制，大规模集成电路和半导体大功率模块在电梯控制中的应用，使现代电梯控制部份的可靠性、免维护性大大提高;新技术、新材料的应用，加强了电梯机械部件的耐磨损程度，提高了机械可靠性;自诊断能力和远程报警功能的实现，使得电梯维修保养工作越来越简单，越来越有针对性，越来越快速。 无噪声机房和小噪声运行，大大降低了对环境的影响。综上所述，本设计采用调频调压调速（VVVF）电机拖动控制系统，以期达到预期的目的。电梯主拖动系统方案图见附图1-2。第二章 电梯控制系统方案设计2.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。 可编程序控制器(PLC)最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制所代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。电梯继电器控制系统的优点：所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握；系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器；大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜；多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。但是，电梯继电器控制系统存在很多的问题：系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高；普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高；系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高，而且检查故障困难，费时费工。电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。首先，可靠性，对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件;采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。6）PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如：采用软件滤波;软件自诊断;简化编程语言等。 其次，易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面:：1）操作方便 对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。2）编程方便 PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握f地解。采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程。3）维修方便 PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。 最后，灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面:：1）编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图，功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。2）扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。3）操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。PLC控制电梯的优点：(1)在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。(2)去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。(3)PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。 (4)PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。(5)用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。(6)更改控制方案时不需改动硬件接线。为便于比较PLC控制系统与继电器控制系统优缺点现列表如下，详见表2-1。从表2-1可以看出，PLC控制系统具有继电器控制系统无法比拟的优点，因此传统的继电器控制系统将逐渐被PLC控制系统所取代是大势所趋。表2-1 PLC控制系统与继电器控制系统比较项目继电器控制系统PLC控制系统控制功能实现有许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能各种控制功能通过编制的程序来实现对控制要求变更适应性适应性差，需要重新设计，改变继电器和接线适应性强，只需针对程序进行修改控制速度 低，靠机械动作实现极快，靠微处理器进行处理特殊功能一般没有有安装，施工 连线多，施工繁安装容易，施工方便可靠性差，触点多，故障多高，因元器件采取了筛选和抗老化等可靠性措施寿命短长可扩展性困难容易维护工作量大，故障不易查找有自诊能力，维护工作量小2.2 PLC控制系统与计算机控制系统比较计算机控制系统在工业控制领域中，其主机一般采用能够在恶劣工业环境下可靠运行的工控机。工控机有通用微机应用发展而来，在硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，能提供实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势。但是，它的使用和维护要求工作人员应具有一定的专业知识，技术水平较高，且工控机在整机水平上尚不能适应恶劣工作环境。可编程控制器对此进行了改进，变通用为专用，有利于降低成本，缩小体积，提高可靠性等特性，更适应过程控制的要求。PLC控制系统与计算机系统比较见表2-2。从表2-2可见，在控制功能方面，PLC与通用计算机相比，工作更稳定可靠，而且编程简单，使用方便，应用设计和调试周期可大大缩短，加之又能在恶劣的工业环境下和强电一起工作，容易实现机电一体化。表2-2 PLC控制系统与通用计算机系统的比较比较项目通用计算机系统PLC控制系统工作目的科学计算工业自动控制工作环境对工作环境要求高对工作环境要求低，可在恶劣的工业现场工作工作方式中断处理方式循环扫描方式系统软件需配备功能较强的系统软件一般只需简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一般性措施采用多种抗干扰措施，自诊断，断电保护，可在线维修编程语言汇编语言，高级语言，如BASIC，C等梯形图，助记符语言，SFC标准化语言对操作人员的要求 需专门培训，并具有一定的计算机基础一般的技术人员，稍加培训即可操作使用对内存的要求容量大容量小价格价格高价格低其他若用于控制，一般需自行设计机种多，模块种类多，易于集成系统2.3 电梯控制系统方案设计本设计通过多种方案的比较和参照，可看出PLC控制具有显著的优点：在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高；可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能；可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性和可靠性，并便于检修；用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。综上所述，本设计采用PLC控制。第三章 电梯控制系统框图设计3.1 电梯控制系统原理框图设计电梯控制系统原理框图如图3.2所示，主要由轿箱内指令电路、门厅呼叫电路、主拖动电机电路、开关门电路、档层显示电路、按钮记忆灯电路、楼层检测与平层检测传感器及PLC电路等组成的。平层感应器平层拖动减速减速点信号定向平层楼层信号位置信号起动指层轿内指令、厅内召唤图3.1 电梯控制系统原理框图3.2 电梯控制系统硬件结构框图系统由轿厢、开关门机构、曳引机构、控制系统等组成，如图3.1所示。曳引机门机显示现场信号PLC变频器电源PGggGgGGFGGG图3.2 电梯控制系统硬件结构框图第四章 主要元器件选型4.1 门拖动元器件的选择4.1.1 永磁同步伺服系统的重点选择电梯门机控制系统要使电梯门开关动作时快速起、停、加速、减速，且运行平稳，到位准确。要实现这个目标，需解决好电机的选择问题，控制电路的选择及设计问题。 众所周知，在所有的电机中，直流电机的调速特性最好，但其不可避免的有刷结构制约了其应用场合。在工业生产中大量应用的交流异步电机虽然控制简单，却有着调速精度不高的问题，而交流同步电机存在着控制复杂，容易失步的缺点。相对而言，永磁同步电机结合了直流电机与交流同步电机的优点，具有体积小，寿命长，控制简单，调速精度高，且不会失步的特点。因此，门拖动系统采用三相交流永磁同步伺服电机。三相交流永磁同步伺服电机简称交流伺服电机（AC server motor)或伺服电机，由于它具有高响应、高精度、运行平稳、恒转矩输出、能过载、低噪声、结构简介、可靠性高、免维护等优点，是目前旋转电机中最佳的控制电机。 伺服电机的电源及运转状态是由驱动器提供和控制的。驱动器的驱动能力及驱动指标的优异，影响伺服电机的机械输出特性；伺服电机性能参数的优异，影响驱动器的驱动和控制效果。伺服电机的选型是多个因素综合考虑、合理选择的过程，一般应着重注意这几个参数的选择：电机的额定转矩、电机运行的最高转速、负载惯量及电机转子惯量、加减速时所需要的过载能力、电机起停频率等。综合考虑各种因素，为满足设计要求，采用安川-系列伺服系统。本系统的伺服驱动器内置了伺服电机全部的参数，采用先进的控制算法及伺服电机优良的性能，性价比极佳。安川-系列伺服系统不仅具有伺服快速响应性、高速高精度的特性，而且具有如下优点： 1、简单（1）设定简单在线自学习功能能够自动测定机械的必要参数，自动设定必要的伺服增益，初学者也能很快得心应手的应用。（2）电机自动识别自动识别伺服电机的容量和型号，自动设定电机参数。（3）维护简单主控回路分离布线，用户参数可在控制器上直接设定，减少了配线（绝对编码器配线数从15减少到7根，增量式从9根减少到5根），这些都使配线、维护更加简单方便。2、高性能 （1）整定时间短扩充了新的控制算法，实现了模式跟踪控制、制振控制，强化了对振动的抑制。对于低刚性机械，定位时间比原产品缩短了2/3。（2）高速高精度采用高分辨率的编码器（16位、17位），提高了位置控制精度。采用d-p轴变换电流控制法，将转矩控制精度从5%提高到2%。（3）平稳运行采用速度跟踪控制技术，减小了电机转速波动，低速下也能极平稳地运行。3、柔性化设计（1）多合一控制转矩控制、位置控制和速度控制三位一体，控制方位切换采用参数设定切换。（2）广泛适用伺服控制器有基本功能型、扩展功能型，伺服电机从小容量到大容量，制动器和减速机都可选，充分考虑各种控制要求和安装场合。（3）环境适用性强保护等级：IP55标准，IP67标准。耐振性： 耐振强度达到了49m/s2以下。（4）符合国际主要安全标准一、安川-系列伺服系统伺服电机介绍伺服电机采用Yaskawa安川电机SGMSH型 。SGMSH型伺服电机特性见表4-3。表4-3 SGMSH伺服电机特性电压等级200V级 400V级额定功率 / W1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0额定转矩 / Nm 3.18 4.90 6.36 9.80 12.6 15.8 瞬间最大转矩 / Nm9.54 14.7 19.1 29.4 37.8 47.6 额定转速 / r/min13000最高转速 / r/min15000允许负载惯量电机惯量5倍以下额定功率响应率 / kW/s57.9 97.2 127 137 166 202适用编码器标准增量式，或选项绝对式，所选编码器的基本指标如下：工作时间连接 耐热等级F 环境温度040 环境湿度2080%（不结露） 振动等级V15保护方式全封闭自冷IP67（除输出轴承）抗振性能振动加速度24.5m/s2(2.5G)安装方式法兰安装二、安川-系列伺服系统伺服驱动器介绍安川-系列伺服系统伺服驱动器使用选件单元，扩张功能、性能强，主要包括： （1） MECHATROLINK I/F 单元 伺服信息（位置、速度、输入输出）的读出和各种指令的变更，可以通过实时控制来实现。一个上位控制器可以最多实现15站点的多轴运动控制。 （2） DeviceNet I/F 单元 PROFIBUS-DP I/F 单元 对应DeviceNet及PROFIBUS-DP通信网络。Point-to-Point定位（可多段速定位）和站编号方式内置丰富的定位功能，因此可以用PLC或PC进行设定和保养。 （3） 全闭 I/F 单元 在机械前端所发生的位置偏移，可以用最近的方式 。用脉冲指令可以对应闭环位置控制，即使精度上升，仍能高速驱动并且在安全上也能起到作用。伺服驱动器详图见图4.1。图4.1 安川-系列伺服系统伺服驱动器 为了实现更高的生产效率，-系列以最佳的控制机械的最高性能，与原有机型相比，CPU运算时间为其1/2，通过扩充新控制算法，定位时间缩短到原有产品的1/3，实现了出类拔萃的响应性。与其他系统比较其优点有：1、整定时间缩短 由于新控制算法的扩充，实现了模式跟踪控制，制振控制，强化了对振动的控制。因此，即使低刚性机械其定位整定时间亦可缩短1/3(与本公司产品相比较)。 2、高速高精度驱动 实现了最高转速6000/rpm(SGMUH形)。此外，因采用了高分辨率串行编码器(16，17bits)，提高了定位精度。d-q轴变换电流控制系统的采用，转矩控制精度(重复性)亦提高了5%至2%。 3、平滑运转 采用了速度观测控制，使电机的速度波动大幅度减低，低速下亦可平滑运转。 4、设定简单 为了在短时间内建立高度系统，-系列彻底追求了使用的简便性。灵活使用“在线自动调整功能”，自动的进行与机械特性相吻合的伺服系统的调整。 5、在线自动调整 自动测定机械特性，设置所需要的伺服增益。即使初次接触，亦可在短时间内完成最佳设定。 6、电机自动识别 伺服驱动器自动判别伺服电机的功率、规格，自动设定电机参数。 7、再生电阻连接端子标准配备 配备了外置再生电阻的连接端子，可简便的连接再生电阻器。 8、维护简便 利用主回路控制回路电源分离及报警跟踪记忆功能等，可简便的进行维护。 9、主回路控制回路电源分离 主回路与控制回路的电源完全分离，报警时可只关断主回路电源，容易维护。4.1.2 变频器的选择电机加减速过程中良好的运行特性可使电梯门开关平稳，减小电机所受的负载冲击，增加系统的寿命和可靠性。因此如何实现加减速过程中的S曲线控制至关重要。门拖动变频器选用安川公司的676GL5-IP电梯专用矢量控制变频器。除了具备通用变频器的功能外，还具有启动力矩补偿、停电时控制(蓄电池运转)、自动加减速运行、抱闸控制、超速检测等电梯专用功能 。可使用普通A、B、Z相编码器检测目前所有永磁同步电动机的磁极位置。4.1.3 旋转编码器的选择编码器有两方面的作用，一是用于位置的检测；二是用于测量转差。在关门过程钟，当转差大于设置值时 (即编码器输入的转速与变频器输出的频率相差大于一定值时)，控制门停止关门，并反向开门。在开门过程中，出现转差大于设置值，则停止开门。在本设计中，永磁同步电动机所使用的编码器，不仅仅要向拖动控制系统提供速度反馈，而且需要提供电动机磁极位置检测功能。只有检测出转子的磁极位置后，才能确定变频器的通电方式、控制模式以及输出电流的频率和相位， 以保证永磁同步电动机的正常工作。根据安川676GL5-IP变频器的需求，选用海德汉公司的ERN 461型A、B、Z三相编码器，安装于永磁同步电机转子轴端。4.1.4 可编程控制器的选择根据输人信号及输出信号的数量，经过初略计算， 输人点数为10点，输出点数为8点；输人、输出信号都是数字量。增加20%备用量，以便随时增加控制功能：输入点数为： 10(1+20%)=12输出点数为： 8(1+20%)=9.6根据I/O点数，可选FX0N-24MR-001型可编程控制器，其输入点14点，输出点10点，扩展模块可用点数为32点。4.2 主拖动元器件的选择4.2.1 曳引电动机的选择本设计电梯采用有齿曳引机，1:1绕法的曳引系统，额定梯速为1m/s，额定载重量800kg，则电动机额定功率为： （公式4-1）根据实际电动机额定功率系列，粗选11kW电动机即可满足要求，相当于系数k取1.4。由电动机选型参数表，选YPTD160M2-4。表4-1 电动机选型参数表型号功率/kW电压/V电流/A转速/r/min频率/Hz功率因数cos噪声dB(A)额定工作制YPTD160M1-4938018.51456500.8560S2/1hYPTD160M2-41138022.31456500.8660S2/1hYPTD160L1-41338025.91456500.86560S2/1h4.2.2 变频器的选择随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。目前，有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。这是本设计的特点之一。电梯的调速要求除了一般工业控制的静态、动态性能外，他的舒适度指标往往是选择中的一项重要内容。本设计中拖动调速系统的关键在于保证电梯按理想的给定速度曲线运行，以改善电梯运行的舒适感;另外，由于电梯在建筑物内的耗电量占建筑物总用电量的相当比例，因此，电梯节约用电日益受到重视。考虑以上各种因素，本设计选用安川VS-616G5型全数字变频器，它具有磁通矢量控制、转差补偿、负载转矩自适应等一系列先进功能，可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率，同时降低了电机运行损耗，特别适合电梯类负载频繁变化的场合。同时安川VS616-G5变频器是一类 “多控制方式”通用变频器，它有：(1)无PG(速度传感器)V/f控制；(2)有PGV/f控制；(3)无PG矢量控制；(4)有PG矢量控制等四种控制方式。通过控制面板，可以控制上述四种控制方式中的一种。 另外，616G5变频器的起动、制动具有可任意调节的S曲线和零频仍可输出150%力矩的特点，配以高精度的旋转编码器，控制精度可达0.01-0.02%, 使得电梯运行舒适感好，零速抱闸，平层精度高。无须配专用电机，可自学习所配电机的各个参数，精确控制任何品牌的电机。采用高性能IGBT，载波频率20KHZ，从而使变频器输出一个不失真的正弦流波形，使电机始终运行于静噪音状态。VS-616G5变频器的特点如下：(1)包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。 (2)有丰富的内藏与选择功能。(3)由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。 (4)保护功能完善、维修性能好。(5)通过LCD操作装置，可提高操作性能。VS-616G5变频器的标准规格如表4-2。表4-2 VS-616G5变频器的标