客梯用永磁同步電動機(jī)數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：為了能夠讓客梯更好的為人們服務(wù)，本文對客梯用永磁同步電動機(jī)數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究，首先詳細(xì)了解電梯硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，接下來分析了永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型以及控制策略，并在此基礎(chǔ)上研究了主功率電源電路的設(shè)計(jì)，為后續(xù)相關(guān)工作的開展提供了一定的參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：客梯；永磁同步電動機(jī)；數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)

中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）29-0264-02

1 引 言

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國各種發(fā)電機(jī)的總耗電量占全國總發(fā)電量的60%左右，為了能夠有效緩解能源緊張狀況，就應(yīng)該加強(qiáng)對電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能損耗的重視程度。但是根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，現(xiàn)階段我國依然存在一些問題阻礙了永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。為了能夠有效推動永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，本文對客梯用永磁同步電動機(jī)數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究，對永磁同步電動機(jī)數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)在客梯中的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。

2 電梯硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)的硬件電路中，系統(tǒng)硬件主要包括以下幾部分：①核心控制單元；②主功率電路；③集成驅(qū)動模塊；④檢測和保護(hù)電路；⑤以及按鍵、顯示、通信以及調(diào)試等外設(shè)；⑥接口電路等。在本系統(tǒng)當(dāng)中，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所使用的主要核心器件有以下幾種：a.主控芯片；b.逆變電路功率開關(guān)管，其在配合集成驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動控制；c.電流檢測芯片；d.則是位置檢測器件。

3 永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型以及相關(guān)控制策略

永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型：

通常情況下，會將產(chǎn)生恒定磁場的永磁體以及三相對稱繞組（又稱電樞繞組）分別安裝在調(diào)速永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子和定子。對于電樞繞組來說，其可以通入三相對稱電流的方式得到同步速旋轉(zhuǎn)磁場。而對于定轉(zhuǎn)子磁場來說，其氣隙磁場是通過氣隙相互耦合而得到的。在三相靜止的坐標(biāo)系當(dāng)中，永磁磁場會隨著轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使得電動機(jī)狀態(tài)方程當(dāng)中的定轉(zhuǎn)子間的互感參數(shù)會發(fā)生實(shí)時(shí)的變化。在一定程度上增加了分析求解工作的難度，因此，為了能夠?qū)⒍ㄞD(zhuǎn)子間互感參數(shù)實(shí)現(xiàn)常數(shù)化，從而進(jìn)一步簡化電動機(jī)狀態(tài)方程矩陣，比較常用的是通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)在兩相坐標(biāo)系中建立電動機(jī)數(shù)學(xué)模型。

對各個(gè)控制方法過程的分析主要包括以下幾方面：

（1）對恒壓頻比的有效控制。在進(jìn)行恒壓頻比控制的時(shí)候，對于表面凸出式正弦波永磁同步電動機(jī)來說，其在dq0坐標(biāo)系下所具有的空間矢量圖如圖1所示。對于恒壓頻比控制方法而言，其電端口的約束條件主要指的是電動機(jī)的電樞繞組端電壓。其之所以會出現(xiàn)比較復(fù)雜的啟動現(xiàn)象，主要是因?yàn)殡姶帕Φ拇笮∫约靶再|(zhì)在以下兩者之間存在很明顯的不同：①定子磁場；②轉(zhuǎn)子磁場。為了能夠更好的建立分析過程，首先假設(shè)電動機(jī)的啟動位置是固定的，即位于定轉(zhuǎn)子磁場軸線重合位置。以上述假設(shè)為主要依據(jù)，在結(jié)合以下幾部分內(nèi)容：a.穩(wěn)態(tài)運(yùn)行相量圖；b.永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)所具有的基本電磁方程；c.永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)所得到的運(yùn)動方程，進(jìn)一步完成對恒壓頻比控制方法啟動過程的合理研究與分析，電動機(jī)通過階躍速度指令啟動的過程主要如下：首先是將位于電樞繞組處的全部電壓都加到直軸電感上，接下來在定轉(zhuǎn)子磁場軸線重合的時(shí)候，對電樞繞組而言，其所具有的瞬時(shí)沖擊電流將全部轉(zhuǎn)變成為直軸分量|id|，這種情況下就能夠有效避免驅(qū)動性質(zhì)的電磁的產(chǎn)生。

（2）對電流矢量的控制。在dq0坐標(biāo)系下，正弦波調(diào)速永磁同步電動機(jī)所有的空間矢量圖如圖2所示。在電流矢量控制系統(tǒng)中，如果轉(zhuǎn)速處于閉環(huán)的狀態(tài)，那么經(jīng)過對初始定位環(huán)節(jié)的相關(guān)處理，可以實(shí)現(xiàn)以下兩種坐標(biāo)系之間的同步重合：①邏輯坐標(biāo)系DQ0；②同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq0。對于正弦波調(diào)速永磁同步電動機(jī)來說，其電流矢量控方法制主要是建立在以下兩種模型上：a.空間矢量坐標(biāo)變換模型；b.電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并且為了能夠達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，主要是通過對由定子電樞繞組合成磁勢的以下幾方面進(jìn)行調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)：①電流空間矢量is的幅值；②電流空間矢量is的相位；③電流空間矢量is的頻率的控制。

4 主功率電源電路相關(guān)設(shè)計(jì)

4.1 對整流單元電路的設(shè)計(jì)

對于該功率電源電路來說，其能夠?yàn)楹罄m(xù)逆變電源持續(xù)輸送需要的穩(wěn)定直流電源主要是通過以下兩部分實(shí)現(xiàn)：①整流模塊；②穩(wěn)壓大電容。除了上述所提到的基本模塊之外，該設(shè)計(jì)當(dāng)中包括以下幾方面內(nèi)容：①軟啟動環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)主要作用是可以在電動機(jī)啟動階段通過減少大電流對系統(tǒng)的沖擊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)延長系統(tǒng)使用時(shí)間的目的；②電磁干擾抑制環(huán)節(jié)，主要由共模電感進(jìn)行，該環(huán)節(jié)的主要作用是可以有效避免系統(tǒng)高頻諧波污染電網(wǎng)，也防止大容量用電設(shè)備對系統(tǒng)工作環(huán)境的不利作用；③有源功率因數(shù)校正（PFC）環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的主要作用是能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)功率因數(shù)以及直流電源電壓；④保護(hù)和顯示環(huán)節(jié)，主要包括熔斷器以及上電指示燈等。

4.2 逆變單元以及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

對于系統(tǒng)驅(qū)動電路來說，其設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是集成驅(qū)動芯片，逆變單元以及驅(qū)動電路。對于主控芯片來說，其保護(hù)系統(tǒng)直流母線欠壓的方式是對以下兩部分的監(jiān)控：①Fault Port端子，該部分的低電平能夠反映出直流母線的欠壓；②En Port端子，該部分的高電平能夠驅(qū)動芯片進(jìn)行工作。

4.3 開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)

對于開關(guān)電源來說，其主要作用包括以下幾方面：①控制系統(tǒng)中除功率電源以外部件；②保護(hù)系統(tǒng)中除功率電源以外部件；③驅(qū)動單元進(jìn)行供電。因?yàn)槊總€(gè)單元對工作頻率以及電壓等級等方面的具體要求不同，因此，開關(guān)電源核心器件指的是多路隔離變壓器。以實(shí)際需要為依據(jù)，該電路主要提供四路電源信號。

5 討 論

基于永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢，本文通過對客梯用永磁同步電動機(jī)數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，為后續(xù)相關(guān)工作的開展提供了相關(guān)參考和依據(jù)，具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]韓群勇，王志雄，王 賓.新型永磁同步電動機(jī)曳引電梯后備電源設(shè)計(jì)[J].閩南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（4）：36～39.

[2]寧昭義.大功率永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)[D].沈陽航空航天大學(xué)，2018.

收稿日期：2018-9-20

作者簡介：張權(quán)國（1973-），男，工程師，本科，主要從事電梯檢驗(yàn)方面工作。