直線電機的發(fā)展及其在電梯行業(yè)的應(yīng)用

摘 要：直線電機可以不用借助任何中間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)變成直線運動，與傳統(tǒng)的方式相比，具有噪音低、無磨損、無接觸、結(jié)構(gòu)簡單、速度快、精度高等方面的優(yōu)點?；诖吮疚膶χ本€電機的發(fā)展及其在電梯行業(yè)的應(yīng)用進行探討，闡述了直線電機在電梯中驅(qū)動系統(tǒng)、門機系統(tǒng)的應(yīng)用前景，為工程技術(shù)人員對直線電機的研發(fā)指明了方向。

關(guān)鍵詞：直線電機；電梯；應(yīng)用

傳統(tǒng)的電梯曳引系統(tǒng)和門機利用交流旋轉(zhuǎn)電機進行工作，為了實現(xiàn)電梯門的開和關(guān)，需要借助一些比較復(fù)雜的轉(zhuǎn)動機構(gòu)來把旋轉(zhuǎn)運動的電機轉(zhuǎn)變成直線運動。就電梯的曳引驅(qū)動系統(tǒng)而言，無論是交流電機蝸輪蝸桿驅(qū)動系統(tǒng)或是交流調(diào)速系統(tǒng)、或是永磁馬達調(diào)速系統(tǒng)，因為交流電機響應(yīng)速度慢，控制起來比較復(fù)雜，無法滿足未來對電梯性能的要求。而直線電機因為其結(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.直線電機的發(fā)展和研究情況

1.1.直線電機的發(fā)展史

直線電機的概念是在1840年被提出來的，距今有一百多年的歷史?？梢詫⑵浒l(fā)展史大致分成三個階段，分別為：探索實驗階段、開發(fā)應(yīng)用階段和實用商品化階段。其中第一個階段指的是直線電機的探索和實驗階段，在這個階段直線電機的設(shè)計還存在一定的問題，也沒有找到直線電機合適的應(yīng)用領(lǐng)域，因此直線電機一直沒有被廣泛使用。在開發(fā)階段科學(xué)家在直線電動機研究的基礎(chǔ)上，取得了非常大的研究成果，發(fā)表了一些比較系統(tǒng)的電機類著作和文章，極大的推進了直線電機的發(fā)展，同時也引起了廣大研究人員對直線電機的重視[1]。從1971年開始對直線電機進行了獨立應(yīng)用，在這個階段，研究人員選擇了出了適合直線電機使用的途徑，各種各樣的直線電機被廣泛的推廣，研究出了非常多的具有使用價值的產(chǎn)品，比如沖壓機、空壓機、煤機等。

1.2.近年來國內(nèi)外對直線電機的研究情況

近年來，直線電機得到了迅速的發(fā)展，很多人都開始對直線電機進行研究。國際上很多公司也逐漸開始研發(fā)直線電機類的產(chǎn)品，比如日本的三井精機公司、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系列，其中包含了封閉式異步直線電機和無罩殼異步直線電機。在直線電機的控制系統(tǒng)中設(shè)置了非常標準的接口，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。

我國對直線電機的研究發(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使用潮流的影響下，我國國內(nèi)也出現(xiàn)了很多直線電機開發(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。我國第一個直線電機研究所在浙江大學(xué)誕生，并且此研究取得了非常不錯的研究成果。目前我國在直線電機方面的研究成果主要有摩擦壓力機、沖壓機、礦山運輸系統(tǒng)、直線電機驅(qū)動門、自動繪圖儀等[2]。這些產(chǎn)品已經(jīng)得到了應(yīng)用推廣。本文主要對直線電機在電梯行業(yè)的應(yīng)用進行探討。

2.電梯行業(yè)中直線電機的應(yīng)用

2.1.電梯控制系統(tǒng)的基本要求

因為電梯是一個需要頻繁制動和起動的設(shè)備，在運行的過程中，加速時間和減速時間占據(jù)了很大一部分的比例。特別在單層運行時，幾乎完全處于制動和起動的狀態(tài)。如果可以對電梯的制動和起動時間進行降低，就可以極大的節(jié)約乘客的時間。從這個方面來說，在對電梯的運行進行控制時，要對其運行時間進行優(yōu)化。另外，乘客在減速下降和加速上升的時候，在加速度的影響下，會有超重的感覺，人體的器官也受到了更大的重力。會出現(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)上對速度進行控制。除了需要控制運動以外，還需要對通訊、監(jiān)控、顯示等方面的內(nèi)容進行控制。

2.2.電梯運動控制系統(tǒng)方案的設(shè)計

一般情況下，可以把電梯控制系統(tǒng)分成拖動調(diào)速系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)兩個方面的內(nèi)容，根據(jù)控制需求的不同，在應(yīng)用的過程中，要選擇對應(yīng)的控制芯片。在控制系統(tǒng)中主要有電梯運行邏輯功能的控制、電梯群的監(jiān)控調(diào)度、電梯交通分析的計算三個方面，因此在選擇芯片時要選擇可以同時處理多個任務(wù)和有著良好計算能力的芯片，要可以實時的對直線電機進行控制，及時的響應(yīng)輸入信號。當(dāng)前拖動調(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、強迫換信號、急停回路信號、換速和平層信號等發(fā)送到同一個控制器，此控制器在進行邏輯運算后，對此信號進行執(zhí)行。使用控制系統(tǒng)，控制器的運算量非常大，極大的限制了系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度，而且控制器的功能無法進一步進行擴充，線路非常復(fù)雜，出現(xiàn)故障后維修非常困難[3]。特別對于高層電梯來說，有非常多的信號線，維修起來就更加麻煩了。

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

2.3.硬件平臺的搭建

2.3.1.主控系統(tǒng)的搭建

在早期對電梯進行控制、管理和測量的過程中，主要使用高檔的單片機來實現(xiàn)，單片機在應(yīng)用的過程中會受到資源和速度的限制，很難實現(xiàn)電梯的通信管理、人機界面、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。因為在對電梯控制系統(tǒng)進行控制的過程中，控制、管理和數(shù)據(jù)通信是幾個非常重要的方面，因此ARM是非常不錯的選擇。ARM主要是由一片ARM9芯片構(gòu)成，通過在嵌入式操作系統(tǒng)中進行應(yīng)用可以將電梯運行的指令發(fā)送到拖動控制系統(tǒng)，達到橋廂控制系統(tǒng)和各門廳控制系統(tǒng)串行通信的目的，將電梯的運行狀態(tài)和轎廂的位置發(fā)送到各個門廳控制系統(tǒng)，為了方便對電梯進行調(diào)度和群控，可以和監(jiān)控PC進行連接?？刂葡到y(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.拖動控制系統(tǒng)的搭建

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

2.3.3.廳門和轎廂控制系統(tǒng)的搭建

在對廳門和轎廂控制系統(tǒng)進行搭建的時候，要使用三角載波和正弦波進行比較，然后產(chǎn)生PWM脈沖序列，當(dāng)正弦波小于三角載波時，對應(yīng)的開關(guān)器會關(guān)閉，當(dāng)正弦波大于三角載波的時候，對應(yīng)的開關(guān)器件會處于連通的情況，產(chǎn)生的脈沖序列會對逆變器的功率開關(guān)器件進行控制。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、集成度要求高的場合進行使用，可以對各種性能要求進行滿足。只需要2～4個時鐘周期，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，就目前對直線電梯的開發(fā)而言，大噸位（譬如美國對航空母艦戰(zhàn)斗機的提升系統(tǒng)）、多轎廂（在一個井道布置若干個電梯轎廂）對直線電梯的開發(fā)具有誘人的應(yīng)用前景；在直線電梯應(yīng)用的過程中，直線電機的控制是非常關(guān)鍵的一個問題。在直線電機控制理論的不斷發(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，直線電機的潛能會更加充分的被挖掘出來。

參考文獻：

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

[2]周勇.直線電機驅(qū)動電梯門機及其控制系統(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.無刷直流電機在電梯門機系統(tǒng)中的控制原理[J].魅力中國，2010（02）：78-79.

作者簡介：

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