永磁電梯門機多參數(shù)在線檢測研究

黃根法 翁曉偉 徐華月 項京成

（1.臺州方圓質(zhì)檢有限公司，浙江臺州 318000；2.臺州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江臺州 318000）

0 引言

近年來，隨著人們對設(shè)備、人身安全的愈加重視，加上穩(wěn)定性和節(jié)能高效性需求，各類動力系統(tǒng)電力執(zhí)行部件的電機類型逐漸從傳統(tǒng)的直流電機、交流感應電機發(fā)展到高效的交流永磁同步電機，其控制方式也從簡易的開關(guān)啟?？刂?，發(fā)展到以高性能處理器為核心的變頻智能控制[1]。電機門機普遍采用隱極式永磁同步電機，與傳統(tǒng)的“交流異步+減速器+異步帶”結(jié)構(gòu)不同，永磁同步電機的電梯門機采用直驅(qū)傳動形式，由低轉(zhuǎn)速、大扭矩同步電機直接牽引同步帶，帶動門刀作往復水平運動，從而帶來運行效率和控制性能的提升。

電梯作為特種設(shè)備，其產(chǎn)品質(zhì)量與使用者的人身安全息息相關(guān)，而門機作為電梯產(chǎn)品的核心部件，決定了開關(guān)門速度、開關(guān)力矩、耐久性等性能。電梯門開合運行過程中，速度范圍在0.3～0.8 m/s；另外，電梯電機所面對的場景和工況較為復雜，主要表現(xiàn)為重量差異、傳動結(jié)構(gòu)不確定、自閉裝置等引起的慣量變化、溫濕度和風壓引起的環(huán)境參數(shù)波動以及初始安裝位置差異引起的不確定性等因素[2]，這些變化使得電機運行狀態(tài)實時變化，存在較多不確定性，且不利于精準控制和研判。因此，迫切需要研制實時在線辨識系統(tǒng)來監(jiān)測復雜多變的電梯門機工作環(huán)境，提升現(xiàn)場使用和系統(tǒng)維護的安全性，而其關(guān)鍵技術(shù)是獲得準確的系統(tǒng)參數(shù)。

1 永磁電梯門機檢測現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)關(guān)于永磁電機的相關(guān)標準有《三相永磁同步電動機技術(shù)條件（機座號80～355）》（GB/T 22711—2019）、《記錄儀表用永磁同步電動機》（JB/T 7805—2007）、《外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機》（JB/T 12227—2015）等，其中對于永磁電機性能指標的規(guī)定及存在的問題如表1所示。

從表1可見，國內(nèi)無專用的永磁電梯門機相關(guān)標準，現(xiàn)有的標準也不完善，為三相或外轉(zhuǎn)子或特定產(chǎn)品的專用標準，與復雜的電梯門機產(chǎn)品不相適應。且最突出的問題是，目前國內(nèi)永磁電機相關(guān)標準主要是在特定的環(huán)境溫度、濕度下，在測功機或模擬負載情況下進行相關(guān)的測試，無法檢測產(chǎn)品運行狀態(tài)下的性能參數(shù)，與復雜的門機運行環(huán)境存在不相適應性。

表1 國內(nèi)常見永磁電機標準存在的問題

2 永磁電梯門機在線檢測方法的構(gòu)建

本方法將設(shè)計一種“成果借鑒”—“參數(shù)預辨識方法研究”—“在線修正與優(yōu)化方法研究”相結(jié)合的整定流程。首先通過現(xiàn)有文獻分析比對確定目前電機參數(shù)在線檢測的技術(shù)指標及存在的缺陷，并對比較的結(jié)論進行分析、整理；然后采用典型工況測試法獲取電機關(guān)鍵參數(shù)并使系統(tǒng)具備自運行能力，將預辨識參數(shù)值作為初始條件代入模型參考自適應算法中，通過可調(diào)的自適應律校驗并修正電機參數(shù)和控制參數(shù)，從而解決多參數(shù)辨識過程中辨識模型的非滿秩不收斂的問題。在永磁電機參數(shù)中，繞組相電阻、軸電感、系統(tǒng)慣量是永磁電機的關(guān)鍵參數(shù)，其值與矢量控制的電流環(huán)、速度環(huán)PI參數(shù)密切相關(guān)。永磁門機在線關(guān)鍵參數(shù)預辨識機制，將根據(jù)辨識需求由電機控制器逐步給出信號，采用差分測試法來獲取電壓、電流、轉(zhuǎn)速及響應時間等關(guān)鍵信息，考慮逆變器非線性、鐵芯磁飽和、負載工況對參數(shù)辨識精度的影響，基于永磁電機數(shù)學模型辨識出繞組相電阻、交直流軸電感、反電勢常數(shù)及轉(zhuǎn)動慣量等關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)二階振動控制模型整定電流環(huán)與速度環(huán)PI參數(shù)。最后，通過MRAS模型參考自適應法優(yōu)化辨識精度，實現(xiàn)在線修正與優(yōu)化，可大量減少人工干預，提高辨識速度與精度。具體流程如圖1所示。

圖1 永磁電梯門機在線檢測方法流程圖

3 電梯門機試驗系統(tǒng)的設(shè)計

電梯門機試驗系統(tǒng)的設(shè)計分為硬件和軟件兩個方面。

在硬件設(shè)備方面，其核心要點為搭建永磁伺服電機參數(shù)修正與優(yōu)化在線辨識平臺，包含系統(tǒng)上位機、供電電源、控制電路（含主控芯片）、驅(qū)動電路以及被試電機等，具體如圖2所示。在硬件設(shè)計中，控制器將電網(wǎng)系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化為機械動能傳遞到驅(qū)動電機上，使電梯門達到期望輸出的扭矩，實現(xiàn)轎廂門的穩(wěn)定平移運行。電機控制器主要由電源轉(zhuǎn)換單元、母線儲能單元、處理器單元、功率變換單元、監(jiān)控檢測單元及帶有接口和散熱功能的外殼組成。當驅(qū)動系統(tǒng)工作時，電機控制器接收來自電梯總控制PLC的運行信號，由內(nèi)部的處理器單元進行計算，再依靠功率變換單元實現(xiàn)變流，將交流市電變?yōu)橹绷麟?，然后轉(zhuǎn)換成所需要的交流電傳遞給電機；監(jiān)控單元檢測母線電壓、電機電流、溫度等并在異常情況下進行保護，同時采集速度/位置信號反饋給PLC。

圖2 電梯門機試驗系統(tǒng)設(shè)計

在軟件方面，主要在控制電路的主控芯片中完成測量方法的軟件程序編寫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、試驗數(shù)據(jù)處理模型與算法。主控程序采用C語言編寫，其流程如圖3所示?？刂瞥绦蚧赟T的芯片配置工具CubeMX開發(fā)，通過圖形界面生成初始化代碼，可以大大減少開發(fā)工作時間。

圖3 控制程序流程圖

4 結(jié)語

本文所探究的電機及其智能化參數(shù)辨識機制，無須人工干預系統(tǒng)參數(shù)整定，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)實時監(jiān)測，降低了系統(tǒng)調(diào)試的難度和風險，進一步保障了安裝調(diào)試者和使用者的人身安全，且節(jié)省了企業(yè)調(diào)試時間和次數(shù)，減少了各類永磁伺服電控設(shè)備的維護及檢測成本。該系統(tǒng)可用于第三方檢測機構(gòu)快速對企業(yè)新研發(fā)電磁電機的各項指標進行確定，又可對在用的產(chǎn)品進行風險監(jiān)控，還可在企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和售后檢修過程中幫助快速確認并解決問題；對于我國的電機企業(yè)特別是體量巨大的中小型電機企業(yè)，該設(shè)備可作為企業(yè)常規(guī)檢驗設(shè)備，方便地進行永磁電機性能試驗，全面快速檢測電機的各項性能，以提升電機產(chǎn)品的出廠質(zhì)量和一致性，從而推動中小型電機制造企業(yè)以質(zhì)量為導向的品牌建設(shè)。