直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在電梯門機系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

鄭曉芳

(華東交通大學(xué)教務(wù)處，江西南昌330013)

電梯門機控制系統(tǒng)是典型的電機伺服系統(tǒng)，是電梯設(shè)備中動作最頻繁的部分，其運行特性直接影響到電梯運行過程的快速性和可靠性。傳統(tǒng)的電梯門機控制系統(tǒng)，常采用V/F控制變頻器與控制器組成的交流控制系統(tǒng)，由于執(zhí)行環(huán)節(jié)多造成系統(tǒng)的可靠性差，調(diào)試較為困難。另外V/F控制的變頻器運行不夠平穩(wěn)，在遇阻重開門或者光幕、觸板保護動作的過程中反應(yīng)遲鈍容易傷人[1，2]。

隨著科學(xué)技術(shù)和工藝水平的提高，當前調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)了:(1)采用微型控制器為核心，基于異步電機變壓變頻的電機控制系統(tǒng);(2)利用無刷直流電機來取代普通交直流電機的控制系統(tǒng);(3)采用PLC+變頻器+交流異步機的電機控制系統(tǒng);(4)采用矢量或直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器的電機控制系統(tǒng)等等。但任何一種控制系統(tǒng)都有其固有的優(yōu)缺點，如何設(shè)計一種適合電梯門機控制要求的控制系統(tǒng)有較強的理論研究和實用價值。

1 電機控制理論

20世紀70年代初西德和美國的學(xué)者在交流電機和直流電機的比擬中，提出了把交流電機當作直流電機一樣通過坐標變換進行磁場和轉(zhuǎn)矩獨立控制的思想，即矢量控制原理。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是近十年來繼矢量控制之后迅速發(fā)展起來的一種新型的高性能交流調(diào)速傳動控制系統(tǒng)，其思路是把電動機與逆變器看作一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系進行磁通、轉(zhuǎn)矩的計算，通過磁通跟蹤型PWM逆變器的開關(guān)輸出電動機定子電壓，直接控制電機轉(zhuǎn)矩[3，4]。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制的電機調(diào)速系統(tǒng)

2.1 傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本工作原理

直接轉(zhuǎn)矩控制原理如圖1所示。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，進而確定電磁轉(zhuǎn)矩，將磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的計算值與給定值比較，把誤差分別送入磁鏈控制單元和轉(zhuǎn)矩控制單元，兩者的輸出信號與磁通角共同作為控制逆變器的開關(guān)信號，驅(qū)動逆變器產(chǎn)生三相電壓作用電機。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用電壓型逆變器，如圖2所示。

對于逆變器開關(guān)信號的形成采用空間電壓矢量調(diào)制方法，空間電壓矢量調(diào)制方法是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機所產(chǎn)生的理想磁通園為基準，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準園磁通，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)。圖2所示的位于同一橋臂的功率管的導(dǎo)通狀態(tài)是相反的，當位于同一橋臂上面的功率管是導(dǎo)通，下橋臂的功率管一定是關(guān)斷的。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，逆變器有6個開關(guān)的8種組合輸出的不同電壓矢量u(i=0，1，2，…，7)。這些不同的電壓狀態(tài)分成兩類:一類是零電壓矢量(u，u);一類是工作電壓矢量(u，u)。忽略定子電阻壓降，定子磁鏈的運動方向基本沿u進行的，因此合理選擇電壓矢量的施加順序使得u的運行軌跡形成六邊形，為便于控制將磁鏈旋轉(zhuǎn)軌跡分成6個扇區(qū)，根據(jù)磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的計算值與給定值比較得出的誤差，并結(jié)合定子磁鏈所在區(qū)域從開關(guān)表中選擇合適的電壓矢量控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)[5]。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

圖2 電壓型逆變器

直接轉(zhuǎn)矩控制從總體上來說是采用電壓空間矢量控制，其電壓矢量不像PWM那樣有規(guī)律的給出;與PWM控制相比它更像一種隨機的過程，它根據(jù)定子磁鏈位置、轉(zhuǎn)矩變化、定子磁鏈變化實時的給出空間電壓矢量。

2.2 存在的問題

直接轉(zhuǎn)矩控制經(jīng)過近20年的發(fā)展，各方面的性能都在不斷提高并已進入實用階段，國外目前已成功應(yīng)用在大功率高速電力機車上等主傳動系統(tǒng)中，德國和日本在這方面的研究居領(lǐng)先地位。但直接轉(zhuǎn)矩控制一直存在轉(zhuǎn)矩脈動大(尤其低速時)、開關(guān)頻率不恒定等問題。在低速階段，由于采用兩個滯環(huán)比較器以及選擇開關(guān)表所得到的只有8個基本電壓矢量實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的分別控制，導(dǎo)致存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動。另一方面，在直接轉(zhuǎn)矩控制中，開關(guān)頻率是通過轉(zhuǎn)矩容差的調(diào)節(jié)而定的，轉(zhuǎn)矩容差設(shè)定的值較小，對于抑制轉(zhuǎn)矩的脈動是有利的，但同時增加了逆變器的開關(guān)頻率。為了解決直接轉(zhuǎn)矩存在的問題，很多學(xué)者致力于改善相關(guān)性能的研究，提出很多改進思路。有的在直接轉(zhuǎn)矩控制中引入智能算法優(yōu)化其性能;有的引入模糊集合理論，采用模糊控制器來選擇開關(guān)狀態(tài);有的將模糊算法和與遺傳算法相結(jié)合實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩智能控制，這些方法都有其各自的優(yōu)缺點及適應(yīng)場合[6，7]。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制在電梯門機系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 電梯門機系統(tǒng)簡介

電梯的門有門扇、門滑輪、門地坎、門導(dǎo)軌架等部件組成。門關(guān)、啟的動力源是門電機，通過傳動機構(gòu)驅(qū)動轎門運動再由轎門帶動層門一起運動。門具有啟閉迅速同時又要避免在起端和終端發(fā)生沖撞，要求電梯門應(yīng)按理想速度曲線自動調(diào)節(jié)門啟閉運行速度曲線。由于電梯門機控制系統(tǒng)中其轎廂門運動速度值不是很大，因此需要變速裝置，使得電動機的輸出速度在額定值范圍內(nèi)，而轎廂門運動速度遠小于電動機的輸出速度，這樣，當轎廂門有較小速度變化時，電動機可以在很大的速度范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，使得調(diào)速變得容易;同時電動機有轉(zhuǎn)矩或速度波動時，反映在轎廂門上的速度變化就不明顯，利于轎廂門平滑運動。

3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制在門機系統(tǒng)中的應(yīng)用

雖然矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制是目前研究的熱點，很多學(xué)者都對此作了大量的研究與探索，但在大量的文獻資料中的研究都是針對大功率的交流電機，因為此類控制系統(tǒng)通常要求高、造價高，適合采用較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，而對電梯門電機由于不屬于電梯的核心部件且電機功率較小因此研究的很少。針對電梯門機控制系統(tǒng)采用矢量控制或其它相關(guān)文獻提到的改進型直接轉(zhuǎn)矩控制方案可以達到要求，但其結(jié)果不是結(jié)構(gòu)復(fù)雜化就是加入大量的復(fù)雜運算，從造價、系統(tǒng)的復(fù)雜程度方面看并不合算。作為一種新興的控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中很多控制環(huán)節(jié)有不同的處理方法，為此，必須結(jié)合電梯門機控制系統(tǒng)的特點針對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)作進一些合理改進，使之能完全滿足電梯門機控制系統(tǒng)的需要且系統(tǒng)易于實現(xiàn)又有合理的成本。下面結(jié)合電梯門梯控制系統(tǒng)的特點，在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，針對兩個主要環(huán)節(jié)即轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制采取改進的控制方法，使其控制系統(tǒng)較為簡單而又能達到工程要求。

(1)采用三點式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器—滯環(huán)比較器。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對轉(zhuǎn)矩的控制采用轉(zhuǎn)矩控制器，多數(shù)控制器采用兩點式進行調(diào)節(jié)即采用施密特觸發(fā)器，輸出狀態(tài)量1和0，轉(zhuǎn)矩容差為ε且可調(diào)，如圖3所示[4]。

圖3 轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)器

圖4 三點式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器

用滯環(huán)比較器代替施密特觸發(fā)器，輸出-1、0、1三個量，把轉(zhuǎn)矩變化的范圍細化，不同的范圍實施不同的控制策略(即施加不同的電壓向量)，使得調(diào)節(jié)過程縮短，有較好的調(diào)節(jié)效果。其工作原理為:ε為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器容差給定值。

(2)采用圓形磁鏈控制。由于直接轉(zhuǎn)矩控制是從大功率牽引出發(fā)的，因其開關(guān)頻率受器件水平的限制不能太高，所有傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對磁鏈控制通常采用六邊形磁鏈進行控制，這樣雖然可以降低功率器件的頻率但引起轉(zhuǎn)矩的波動也較大。在系統(tǒng)控制中磁鏈軌跡越接近園形，磁鏈幅值越接近恒定，對轉(zhuǎn)矩的控制效果就越好，同時電機的諧波分量越小，但逆變器的開關(guān)頻率也會越高。鑒于門電機的功率較小頻率高對其影響不是很大，故選擇圓形磁鏈方案。為了更好的控制效果必須對傳統(tǒng)的兩點式磁鏈調(diào)節(jié)器進行改進，考慮到算法的復(fù)雜性與可行性采用如圖5所示的三點式磁鏈滯環(huán)比較器進行調(diào)節(jié)。

其工作原理如下:εQ為磁鏈調(diào)節(jié)器容差的給定值，磁鏈調(diào)節(jié)器的開關(guān)信號設(shè)置為:ΔΨs為磁鏈給定值Ψ*s與實際值Ψs的差值，即ΔΨ*s=Ψ*s-Ψs。當ΔΨs＞εΨ，磁鏈調(diào)節(jié)器的開關(guān)信號ΨQ=1，施加增加磁鏈的電壓矢量;當ΔΨs=0，磁鏈調(diào)節(jié)器的開關(guān)信號ΨQ=0，不需要電壓矢量;當ΔΨs＜-εQ，磁鏈調(diào)節(jié)器的開關(guān)信號ΨQ=-1，施加減少磁鏈的電壓矢量。根據(jù)這樣的控制方式，就可以使磁鏈幅值在給定范圍內(nèi)變化，Ψs(t)軌跡近似為圓。

圖5 三點式磁鏈調(diào)節(jié)器

4 未來展望

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有一系列的優(yōu)點，對交流驅(qū)動調(diào)速是一種很好的電機控制方法，目前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展，由原來主要應(yīng)用于異步電機擴展到其它種類的電機，而且隨著電力電子器件不斷向大功率和高頻化發(fā)展，大容量的直接轉(zhuǎn)矩控制的性能將進一步得到提高。直接轉(zhuǎn)矩控制作為一門新興的控制技術(shù)雖已取得很多成果，還是存在很多問題(例如低速轉(zhuǎn)矩脈動問題等)制約了直接轉(zhuǎn)矩控制在實際工業(yè)當中的廣泛應(yīng)用。當前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)正向著智能化、集中化發(fā)展，雖然不少研究還局限于理論研究和仿真階段但其前景還是極其光明的。

[1] 尹志英，謝栓勤.自適應(yīng)控制在電梯門機系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動自動化，2006，28(1):29-31.

[2] 何志明，劉宏鑫.采用TD3200矢量控制變頻器的電梯門機控制系統(tǒng)[J].中國電梯，2003，14(24):23-24.

[3] 李永東.交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002:21-27.

[4] 李鳳.異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001:35-47.

[5] 騰泓弘，余天才.空間電壓矢量算法在電梯門機系統(tǒng)上的實現(xiàn)[J].中國電梯，2004，15(5):16-17.

[6] 王瑜.基于預(yù)測控制的直接轉(zhuǎn)矩控制空間電壓矢量脈寬調(diào)制方法[D].長沙:中南大學(xué)，2006:2-5.

[7] 曹承志，時洪圖.基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制新方案[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20(21):5 924-5 928.

[8] 梁延?xùn)|.電梯控制技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:7-20.

[9] 魏娜，王忠慶.直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)綜述[J].機械管理開發(fā)，2009，24(3):11-12.