基于安全轉(zhuǎn)矩取消（STO）和矢量控制（FOC）的電梯主動安全技術(shù)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(shù)或機械技術(shù)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(guī)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(zhuǎn)矩取消（STO）功能作為斷開電動機運轉(zhuǎn)供電的方法之一?，F(xiàn)對該技術(shù)進行了介紹，此新功能結(jié)合目前先進的矢量控制（FOC）技術(shù)，為電梯采用主動安全保護措施提供了堅實基礎(chǔ)，在未來具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：安全轉(zhuǎn)矩取消;矢量控制;主動安全;電梯

0 引言

安全轉(zhuǎn)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(guān)閉轉(zhuǎn)矩輸出，避免意外啟動造成安全事故。在電梯應(yīng)用中，STO功能與制動器最大的區(qū)別在于，STO功能可以在不關(guān)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(tài)）抱住制動輪或軸。在新標準《電梯制造與安裝安全規(guī)范第1部分：乘客電梯和載貨電梯》（GB/T 7588.1—2020）中增加了關(guān)于斷開電動機運轉(zhuǎn)供電的規(guī)定：“5.9.2.5.4 d）具有符合GB/T 12668.502—2013中的4.2.2.2規(guī)定的安全轉(zhuǎn)矩取消（STO）功能的調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)，該安全轉(zhuǎn)矩取消（STO）功能的安全完整性等級應(yīng)達到SIL3，且硬件故障裕度應(yīng)至少為1?！盵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(zhuǎn)矩（DTC）和矢量控制（FOC）[2]。FOC技術(shù)主要是將電壓、電流通過分解變換表示在旋轉(zhuǎn)坐標系里，通過改變旋轉(zhuǎn)坐標系里面直軸和交軸的分量來控制力矩和磁通。該技術(shù)具備直接控制電動機電流和響應(yīng)快速的優(yōu)點，在零速—低速階段能實現(xiàn)軟啟動和滿負載啟動[3]。因此，矢量控制（FOC）技術(shù)可以實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩和位置信息的精準控制，在緊急狀況下進行快速動態(tài)響應(yīng)。

1 安全轉(zhuǎn)矩取消（STO）技術(shù)在電梯中的應(yīng)用

STO技術(shù)目前在電梯中主要應(yīng)用于控制柜無接觸器系統(tǒng)方案，作為接觸器的替代方案，當出現(xiàn)故障導(dǎo)致安全回路斷開時，觸發(fā)STO功能控制變頻器關(guān)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(shù)方案為例，STOA、STOB為雙通道冗余設(shè)計，作為STO的兩條通道，STOA、STOB均能實現(xiàn)控制變頻器關(guān)斷力矩輸出的功能;DNS+、DNS-為STO的反饋，連接到監(jiān)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子類型

根據(jù)永磁體在電動機中的結(jié)構(gòu)分布，永磁同步電動機轉(zhuǎn)子可劃分為三種類型：內(nèi)埋式、內(nèi)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(zhuǎn)子外表面，如圖3（c）所示，此時d軸和q軸的電感關(guān)系為Ld=Lq。由于該類型電動機的永磁體緊密貼合在轉(zhuǎn)子表面，不僅使其磁極最優(yōu)，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(yīng)用最廣泛的電梯永磁同步電動機都采用表貼式結(jié)構(gòu)，不僅控制方便，而且經(jīng)濟實用、結(jié)構(gòu)簡單，本文講述皆為表貼式結(jié)構(gòu)。

2.2? ? 坐標系建立

矢量控制的實質(zhì)是對直流電動機優(yōu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)θ角度求得d-q兩相旋轉(zhuǎn)坐標系，電動機轉(zhuǎn)子與d-q兩相坐標系同步旋轉(zhuǎn)，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(guī)狀態(tài)為常量，因此通過控制id、iq就可以實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，這就是矢量控制的基礎(chǔ)。不同的應(yīng)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(zhuǎn)矩為0，廣泛應(yīng)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(zhuǎn)矩。此時，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩正比于電樞電流iq，在變頻器采用閉環(huán)矢量控制狀態(tài)下，通過給定電樞電流iq可以無偏差輸出相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩。

3 電梯主動安全技術(shù)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(zhuǎn)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(shè)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(diào)整保養(yǎng)不當?shù)热藶橐蛩貙?dǎo)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(fā)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(chǔ)上，增加電梯主動安全保護功能，實現(xiàn)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(zhuǎn)矩，使得轎廂持續(xù)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(guī)范》（GB 7588—2003）標準設(shè)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(jiān)測功能，也不能避免制動器發(fā)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(zhuǎn)矩穩(wěn)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(zhuǎn)矩取消（STO）功能，為該技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了基本條件。正常運行時，控制器不發(fā)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(fā)送STO信號，安全關(guān)斷電磁轉(zhuǎn)矩輸出，如圖6所示。

以雙處理器冗余控制系統(tǒng)為例，主處理器優(yōu)先響應(yīng)電機控制信號，協(xié)處理器優(yōu)先響應(yīng)STO信號，主處理器信號響應(yīng)優(yōu)先級高于協(xié)處理器，并檢測協(xié)處理器是否響應(yīng)過STO信號。當控制器未發(fā)送相關(guān)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(zhuǎn)編碼器）實時監(jiān)測轎廂存在的不正常位移及速度變化，并通過控制器發(fā)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(guān)斷電磁轉(zhuǎn)矩輸出。雙處理器冗余控制系統(tǒng)主要工作流程如圖7所示。

因此，本文設(shè)想的主動安全保護功能主要有兩種運行狀態(tài)：

（1）當電梯停止時，控制器發(fā)送STO信號，在響應(yīng)STO信號的過程中，如果某個瞬間旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測到超過設(shè)定值的位移變化，就可以假定制動器發(fā)生失效故障。此時轎廂處于失控溜車狀態(tài)，并存在加速向非控制方向預(yù)運行的趨勢，如圖8中的A階段?？刂破黢R上停止向協(xié)處理器發(fā)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(tài)還是驅(qū)動狀態(tài)，自動計算轉(zhuǎn)矩的補償值，向主處理器發(fā)送電機控制信號，輸出零速轉(zhuǎn)矩制停轎廂，如圖8中的B階段。在電梯穩(wěn)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(guān)閉轎門。在轎門關(guān)閉之后，控制器輸出制動器開啟、釋放控制指令，經(jīng)過設(shè)定次數(shù)開啟、釋放之后，控制器切斷電機控制信號，向協(xié)處理器發(fā)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(fù)正常運行。

（2）當上述故障依舊存在時，控制器停止向協(xié)處理器發(fā)送STO信號，向主處理器發(fā)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(xié)處理器發(fā)送STO信號，安全關(guān)斷電磁轉(zhuǎn)矩輸出。

從上文不難看出，本文提出的主動安全保護技術(shù)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(jié)語

本文通過研究安全轉(zhuǎn)矩取消（STO）和矢量控制（FOC）技術(shù)的原理和應(yīng)用，結(jié)合新標準《電梯制造與安裝安全規(guī)范 第1部分：乘客電梯和載貨電梯》（GB/T 7588.1—2020）的相關(guān)要求，提出電梯主動安全技術(shù)方案，在現(xiàn)有被動保護措施的基礎(chǔ)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(guī)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(shù)研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2017，32（16）：76-88.

[4] 黃健.儲緯器PMSM電機驅(qū)動器的設(shè)計[D].蘇州：蘇州大學(xué)，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(shè)備檢驗檢測。