电梯专用永磁同步电机变频调速系统的

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1、电梯专用永磁同步电机变频调速系统的实现 何 罡 黄大为 黎 坚 杨 耕 清华大学摘 要：  本文针对电梯电气拖动的要求，基于DSP嵌入式芯片实现了一种永磁同步电机变频调速系统。系统涉及了微计算机技术、现代功率电子技术、电机技术和控制理论。本文介绍了系统的设计框架、硬件结构以及相关的控制理论和方法。实际系统在工业现场达到了令人满意的效果。关键词：  无齿轮电梯 变频调速 DSP 矢量控制1 引 言电梯是为高层建筑交通运输服务的比较复杂的机电一体化设备。近年来，随着城市的发展，高层建筑的迅速增多，对高性能电梯的电力拖动系

2、统提出了新的要求[1]。更加舒适、小型、节能、可靠和精确有效的速度控制是其发展方向。而电机技术、功率电子技术、微计算机技术及电机控制理论的发展，使其实现成为了可能。传统的电梯变频调速电气拖动系统一般采用交流异步电机[2]，需要齿轮减速设备，结构复杂，成本高，效率低。近年来发展起来的永磁同步电机具有体积小、惯性低、效率和功率因数高等显著特点。将永磁同步电机应用于电梯拖动系统优点更加明显：1）永磁同步电机产生较小的谐波噪音，应用于电梯系统中，可以带来更佳的舒适感。2）永磁同步电机与感应电机相比更加紧凑、体积更小。通过设计

3、多极对数可以进一步减小电机体积，同时可以提供较大的转矩。现在的电机制造技术使的永磁同步电动机低速下能够产生足够大的转矩。3）永磁同步电机转子没有损耗，效率更高；而感应电机功率因数和效率随极对数增加迅速降低。由于以上优点，使用永磁同步电机的无齿轮传动系统成为了电梯电力拖动系统发展的方向[3]。本文介绍的永磁同步电机变频调速系统，基于先进的DSP嵌入式处理器，采用矢量控制原理，实现了电流、速度双闭环控制，较好的实现了同步电机的低速控制、有良好的抗扰性能，满足了无齿轮电梯电气拖动系统的要求。本文介绍了系统的硬件构成，控制方

4、法，以及针对电梯用永磁同步电机电气拖动系统特点实现的特殊功能，并通过现场实验测试了系统动态、静态性能，试验证明系统达到了设计性能。2 无齿轮传动电梯拖动系统2.1 系统硬件结构根据系统硬件结构，整个系统可以分为主回路和控制回路两部分部分，硬件结构构成简图如图1所示。图1 系统硬件结构简图(1)主回路部分：输入侧采用了简单的三相整流电路，输出侧采用智能化IGBT模块，提高了系统的可靠性，起到了令人满意的效果。(2)控制回路部分：系统需完成的功能比较复杂，包括电梯的运行逻辑、速度曲线的设定、控制方案的实现、反馈信号的处理

5、等，同时，系统对运算的实时性要求很高。为了满足这些要求，本系统采用了双CPU系统。以两个CPU为核心，系统可划分为下面两个部分。主控制部分:以主处理器为核心，主控制部分包括面板键盘输入输出、端子（模拟及开关）输入输出、上位机通讯端口、电流采样以及主处理器。主处理器采用TI公司的TMS320F240。F240处理器具有高速结构和精简的指令集，并具有面向电机控制的PWM输出单元，电压、电流采样用的多路高速A/D转换器，精简的DSP内核使面向电机控制的较为复杂的控制算法得以实现。设计了标准的RS485/232通讯端口可以实

6、现上位机控制。系统充分考虑了扩展性和通用型的要求。位置检测部分:位置检测部分包括位置信号调理电路和位置检测及处理MCU。系统运行中产生强烈的电磁干扰，所以信号条理电路的设计充分考虑到EMC并做了适当的处理。为了得到高精度、高实时性的位置反馈信号，一块独立的MCU专门处理位置传感器的模拟信号，将处理得到数字位置信息传送给DSP使用。MCU作为DSP的外围设备供DSP访问。(3)其他重要硬件设备：为了达到理想的控制性能，位置传感器和电机的选择是非常重要的。电梯控制系统对位置反馈信号要求很高，特别是同步电机低速运行时，位置

7、信号的误差对系统性能有很大的影响。本系统采用进口高精度正余弦编码器作为位置传感器。采用相关的软、硬件处理后，可以得到相当高精度的机械位置信号。此外,针对电梯拖动系统的要求,永磁同步电机采用扁平结构，并实现了多极对数的设计，使其低速运行时有良好的转矩性能。该电机12对极，额定转速189rpm，额定功率有11,14Kw等。2.2 系统控制原理本系统采用矢量控制原理[4]，将电机模型建立在与转子磁链同步旋转的旋转座标上，分别对速度、转矩实现闭环控制。双闭环系统中外环为速度环，内环为电流环。转矩控制在电流环上实现，采用最大转

8、矩控制方法[5]，系统原理如图2所示。图中：n*：转速控制命令n^：实际转速采样值It*：转矩电流控制命令It^：转矩电流采样值Im*：励磁电流控制命令Im^：励磁电流采样值Um*：励磁电压控制命令Ut*：转矩电压控制命令图2 系统控制框图(1)电流环：控制回路的内环为电流环，应用d-q变换将采样到的电流值从三相静止坐标系分解到