交流永磁同步电动机伺服驱动系统在电梯上的应用

曹奕刚

(上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062)

0 引 言

目前，国外很多生产厂商正致力于将永磁交流伺服系统应用于电梯驱动的研究。在我国交流伺服驱动系统主要是应用于杂物电梯驱动。随着这几年城市快速发展，小功率同步电动机逐渐成为电梯制造业的香饽饽。为了能够降低能耗、节约机房空间，采用交流伺服系统驱动的三相永磁同步电动机逐渐开始进入国内各家电梯制造厂家的视野之中。

1 电梯驱动永磁同步电动机伺服系统的特点

电梯驱动永磁同步电动机伺服系统具有如下特点。

(1) 舒适性好。

电力驱动系统对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起着控制作用。驱动系统的优劣直接影响电梯的加减速度、平层精度、轿厢舒适感等重要技术指标。传统的电梯驱动系统主要有： 直流驱动系统、交流变极调速系统、交流调压调速系统、变频变压调速系统等。其特点一般多为四象限运行、运行速度高，有着对速度控制要求不高、定位精度较差、能耗高、体积大等缺点。

采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动可解决传统电梯驱动系统固有的缺陷。一般其调速比可达到1∶ 5000，最高转速比达到3000r/min，回转定位精度可达1/10000转。因此，使得采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动的电梯相比较采用传统驱动方式的电梯，拥有更宽广的调速范围、更快的响应速度以及更精确的平层精度，能够基本达到S形曲线加减速功能，电梯的舒适感也得到大幅提高。

(2) 安全性高。

采用传统驱动方式的电梯一般是由PLC或电梯主板发出指令、电梯轿厢碰触行程开关等方式进行位置确认，一旦电梯制动器发生故障或者运行速度过快，会导致行程开关来不及反应，轿厢发生冲顶、蹲底等事故。在交流伺服系统中，由于永磁同步电动机的结构特点，除必须控制三相电枢绕组外，还须具有检测转子磁极位置的电路、速度(位置)检测电路、电流检测电路等。这就使得采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动的电梯在采用行程开关保护的基础上，增加速度环、位置环、电流环等多环节保护，即使最坏情况通信总线指令发错，通过多环节保护依然能够确保电梯不发生事故，大大提高了电梯的安全性与稳定性。

(3) 节能性优越。

永磁同步电动机由定子和转子两大部分组成。转子上装有特殊形状的永磁体，用来产生恒定磁场。转子上的永磁材料可以采用铁氧体或稀土永磁材料。高性能而价格适宜的永磁材料为提高电动机的伺服性能和实用化提供了条件。由于转子上没有励磁绕组，由永磁体产生磁场，因而无需引入励磁电流，电动机内部的发热只取决于电枢电流。在电动机的定子铁心上绕有三相电枢绕组，接在可控制的变频电源上。与采用传统驱动方式的电梯电动机相比，它出力大、体积小、耗电少、结构简单、可靠性高，是同步伺服电动机中最主要的品种。目前，功率从几瓦到几百瓦，甚至可达几千瓦，在各种自动控制系统中得到广泛的应用。因此使得采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动的电梯拥有更好的节能效果。

(4) 性价比高。

与传统驱动的电梯电动机相比，永磁同步电动机体积小，在机房中占用的有效面积也比普通电动机要小，在房价节节攀高、寸土寸金的大城市里，这一优势无疑会得到开发商的注意。另外，永磁同步电动机结构简单，无需很高的维护成本。由于是通过转子上装有特殊形状的永磁体产生恒定磁场，在日常使用过程中不会产生油封漏油、联轴器磨损等问题，不需要更换油封、轴承等易损件，使得采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动的电梯比采用传统驱动方式的电梯拥有更高的性价比。

2 电梯驱动永磁同步电机伺服系统的总体结构框图

电梯驱动交流永磁同步电动机伺服系统总体上来说是一个闭环位置伺服控制系统。它主要由位置控制器、速度控制器、电流控制器、力矩补偿处理器等部件组成。总体结构框图如图1所示。

图1 电梯驱动永磁同步电动机驱动系统的总体结构框图

(1) 位置控制器。

位置控制器即旋转编码器。电机的位置检测在电机控制中是十分重要的，特别是在位置伺服控制系统中需要检测精确的转子位置来控制电机的运动状态。在电梯运行过程当中，旋转编码器给出了满足速度大小和方向以及舒适感要求的位置和速度反馈值，使永磁电动机在各反馈环的作用下带动轿厢跟随指令变化，实现乘坐舒适、精确平层的安全运行。

(2) 速度控制器。

速度控制器采用数字PI调节器形式。速度的负反馈控制模式，速度指令和电机实际转速作为输入量参与比例积分调节器运算(PI模式)，力矩指令作为运算结果输出，完成速度环子程序的运算。

(3) 电流控制器。

电流控制器与电流可控PWM逆变器一起构成电流环节的反馈与调节。其算法主要是PI调节器算法。电流闭环控制具有抑制起、制动电流，加速电流的响应过程等作用。对于交流伺服电机，电流闭环还能改造对象，实现励磁分量和转矩分量的解耦，得到等效的直流电机的模型。

(4) 力矩补偿处理器。

力矩补偿处理器是为提高电机转速位置跟踪精度而设计的一种自适应补偿方法。主要包含一个参数自适应律和等效PID控制律，利用前馈补偿原理，来估计永磁同步电机中未知参数以及波动力矩和负载力矩参数并给与补偿。力矩补偿处理器保证了闭环系统全局稳定性和对期望位置信号的渐进跟踪，有效提高了电梯运行过程中永磁同步电机转速的跟踪精度。

3 电梯驱动永磁同步电动机伺服系统的应用结果

3.1 电梯运行性能试验

用速度检测仪器进行检测。当电源为额定频率，同步电动机施以额定电压时，轿厢承载0.5倍额定载重量，向下运行至行程中段(除去加速和减速段)时的速度，不得大于额定速度的105%，不宜小于额定速度的92%。起动加、减速度必须在0.48～1.50m/s。

当电梯轿厢中放置500kg额定负载后，使用速度检测仪器测得该电梯轿厢运行最大速度为1.66m/s，为其额定速度1.60m/s的103.75%，符合GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中规定的92%～105%标准范围内。最大加速度为0.644，符合标准规定的0.48～1.50范围。因此判定该型式试验结果合格。

3.2 电梯超载试验

电梯轿厢在110%额定载荷，通电持续率40%的情况下，起、制动运行至少30次。电梯驱动永磁同步电机伺服系统以轿厢实际面积对应的1.25倍额定载重量进行超载试验，以110%额定载重量，通电持续率40%的情况下，起、制动运行30次，电梯应能可靠地起动、运行和停止(平层不计)，同步曳引机工作正常。

当电梯轿厢承载110%额定载重量进行超载试验时，在通电持续率≥40%的情况下，起、制动运行30次，电梯基本能做到可靠地起、制动及运行，同步曳引机组未出现异常,对比采用异步交流变频驱动方式的电梯具有更高的安全性,故此判定该试验结果合格。

3.3 电梯驱动永磁同步电机伺服系统可靠性试验

电梯轿厢分别以空载、50%额定载荷和额定载荷3种工况，并在通电持续率40%情况下，到达全程范围，按120次/h，每天8h以上，各起、制动运行100次。

电梯驱动永磁同步电机伺服系统当电梯轿厢分别以空载、50%额定载荷和额定载荷3种工况，并在通电持续率40%情况下，到达全行程范围，按120次/h，每天8h以上，各起、制动运行1000次，电梯应运行平稳、制动可靠、连续运行无故障。制动器温升不应超过60K，同步曳引机组油温温升不应低于60K，其温度不应低于85℃，同步曳引机组各处不应有严重渗漏油情况发生。

一周的时间里，在满足每天保持通电持续率≥40%、电梯运行时间≥8h/d，每天运行次数≥120次/h的基本条件下，分别连续起、制动运行3种工况下(空载、50%额定载荷和额定载荷)的电梯。经过连续昼夜试验数据分析，发现该电梯驱动永磁同步电机伺服系统基本能满足电梯正常条件下的使用要求，其同步电动机最高转速能达到3000r/min,明显优于采用异步交流变频驱动方式的电梯(2300r/min),且具有更快的动态响应性能；在连续不间断工作条件下，制动器温升、同步曳引机组油温皆能保持在正常可允许范围内；同步曳引机组各处无严重渗漏油情况发生；电梯其他动态部件皆未有异常情况发生，磨损程度亦在标准允许范围之内。据此判定该电梯平台可靠性试验合格。

3.4 电梯耗能情况分析比较

将相同楼层、相同额定速度和额定载重量条件下采用异步交流变频调速方式的电梯，与采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动的电梯进行耗能情况分析汇总。将两种驱动方式下运行的电梯连续正常运行两个多月，并根据使用能耗情况进行比较获得数据。

通过比较能耗情况分析(见表1)，可以很清楚地看出，采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动的电梯月消耗能量为937kWh，明显比采用异步交流变频驱动方式的电梯月消耗能量少(1107kWh)。由此可以看出，采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动的电梯在日常使用过程中更加节能。

表1 两种驱动方式电梯性能对比

4 结 语

通过试验对比采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动方式和采用异步交流变频驱动方式的电梯各项技术性能指标可以发现，采用永磁同步电动机交流伺服系统驱动方式后电梯的控制效率明显提升，可靠性也有了显著的提高，功能更完善，保护措施也进一步提高，系统成本也明显降低，能耗水平也显著降低，完全达到了国外同类产品的先进水平。

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