电梯驱动与能量回馈一体化控制系统设计

李 朋 罗 飞 许玉格 郭智于

(华南理工大学自动化科学与工程学院1，广东 广州 510640;广州市富菱达电梯有限公司2，广东 广州 510290)

0 引言

随着现代化生产规模的不断扩大和人们生活水平的不断提高，电能供需矛盾日益突出，对于节电的呼声日益高涨，这使得国内外电梯厂商也开始关注电梯的节能问题。现在大部分电梯厂家的节能方式是选用永磁同步无齿轮主机。因为永磁材料可在电机中产生磁场，节省部分电能，但其效果并不太明显。如今，也有极少部分的电梯加装了能量回馈装置，但由于加装的能量回馈装置控制算法不先进，导致产品质量不稳定，回馈的电能对电网及其他用电设备产生较大干扰。

目前，国际上只有少数几家公司电梯厂商，如日本三菱、美国OTIS等在大规格电梯中采用了双PWM控制技术;在国内，上海交通大学和上海三菱电梯有限公司也在合作进行双PWM可逆整流技术的研究。本文根据目前国内电梯的现状，采用比较先进的双PWM控制技术，设计了一套合理的电梯控制、驱动与能量回馈一体化控制系统。

1 系统工作原理

电梯节能能量回馈的本质是将直流电能转换为交流电能的有源逆变［1－3］，其目的是将电动机在发电状态下产生的直流电能回馈到交流电网，实现节能，并尽量减少对电网的污染。

在电梯直流电能逆变回馈过程中，系统要求在相位、电压、电流等方面应满足以下各控制条件:①逆变过程必须与电网相位保持同步关系;②当直流母线电压超过设定值时，才启动逆变装置进行能量回馈;③逆变电流必须满足回馈功率的要求，但不大于逆变电路所允许的最大电流;④应尽量减少逆变过程对电网的污染。

为实现以上要求，本系统采用双PWM控制技术实现能量回馈。能量回馈装置主要由PWM整流和PWM逆变两部分组成。双PWM控制技术的工作原理为:当电机处于拖动状态时，能量由交流电经整流器向滤波电容充电，能量通过PWM逆变器传送到电机;当电机处于减速运行、轻载向上、重载向下状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，使滤波电容电压升高，此时整流器中开关元件在PWM控制下将能量回馈到交流电网，实现能量的双向流动。同时由于PWM整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了电网侧的谐波污染，形成了清洁高质量的能量，并回馈到电网。

控制方法的优劣直接影响逆变系统的性能。本设计采用三相变频技术中的空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术［4］，使电梯节能能量逆变器的节能效果更加显著，并且减少了逆变电能对电网造成的冲击，使直流电压利用率更高，逆变电能的总谐波失真更小。

2 系统结构设计

本系统采用双PWM控制技术，在三相电源输入端与PWM整流IPM模块之间设有被控电抗，对电梯输入电流和驱动电机电流、转速进行精确计算，达到精确控制电梯速度、加速度以及能量回馈于电网的目的。

2.1 硬件结构设计

本系统采用32位ARM CPU+32位DSP CPU+FPGA硬件结构［5－7］，两 CPU 通过并行通信高速交换数据，电梯主控板与呼梯工作站通过CAN总线串行交换信息［8］。这种硬件结构包含一个能量回馈装置［9］，可以采用双PWM控制技术，实现节能和降低电梯系统对公用电网的谐波干扰。

系统模块结构如图1所示，其中R、S、T和U、V、W均表示三相电的端子。

图1 系统模块结构图Fig.1 Structural modules of the system

由图1可知，本系统的驱动电机为永磁同步电机，制动方式为能量回馈。

系统的硬件结构设置具体介绍如下。

采用32位ARM CPU作为系统逻辑控制部分的CPU，采用32位DSP CPU作为系统驱动及能量回馈部分的CPU;采用250000门的门电路FPGA作为系统主板的逻辑电路、两CPU之间的高速通信电路、系统主板的输入/输出电路;采用PSD4235作为系统参数存储器;采用手持式操作器对系统参数进行调试;采用三菱IPM模块作为系统驱动元件;采用TI公司DC/DC电源模块作为直流电源控制器;采用韩国三和电容器作为系统主电路滤波电容器;采用日本和泉继电器作为系统输出继电器;采用日本富士接触器作为系统输出接触器。

2.2 软件结构设计

系统软件主要包括控制模块与驱动模块两部分［10］。

2.2.1 控制模块

控制模块包括电梯逻辑控制软件(即电梯的操作系统)、通信软件以及电机运动控制软件和同步电机的初始磁通角整定等模块。其中，电梯逻辑控制模块包括电梯的集选控制、参数调试与存储、电梯故障处理、系统自检与处理等。通信模块包括主板与呼梯工作站、轿顶工作站、操作器、群控板、远程监控板之间的通信，以及两个32位CPU的高速通信。电梯电机运动控制模块包括电梯电机速度检测、电机电角检测、电梯运行曲线生成、电梯速度、加速度控制、力矩控制等模块。

2.2.2 驱动模块

驱动模块包括电梯的能量回馈软件(矢量控制PWM整流器软件)和电梯电机变频驱动软件(即矢量控制PWM软件)。驱动模块结构如图2所示。

图2 驱动模块结构图Fig.2 Architecture of diver module

图2中，PWM整流为系统提供直流电源，同时也可将能量回馈到电网;PWM逆变为电梯曳引机提供电源，使电梯按设定曲线运行，同时，当电梯减速、轻载上行、重载下行时，将机械能转化为电能，以泵升电压的形式将能量储存于电容中。

PWM整流与PWM逆变的控制软件基本相似，只不过PWM逆变控制对象为永磁同步电机(以永磁同步电机为控制模型)，而PWM整流控制的对象为被控电抗(以电抗为控制模型)。这两部分对象均包括矢量变换、PI调节和双闭环控制等。

PWM整流部分包括矢量变换、PI调节和双闭环控制，其控制对象为被控电抗，内环为电流环，外环为电压环(系统的直流母线电压)。

通过双闭环保证当电梯运行时，系统的直流母线电压不变，保持为630 V。

PWM整流的工作过程具体过程如下。①外环(电压环):系统将检测到的母线电压Vd与设置的直线母线电压(630 V)作比较，将误差通过PI运算后，产生q轴电流指令。②内环(电流环):系统把检测到的R相、S相电流通过Clark变换、Park变换后，产生检测的q轴、d轴电流iq1、id1。和 iq1比较(设=0)和id1比较，分别将比较后的误差信号通过PI运算，将其结果解耦后，得到q轴、d轴电压 Uq1、Ud1。④将 Uq1、Ud1通过 Park逆变换、SVPWM运算后，产生PWM脉冲信号，将PWM脉冲隔离放大后驱动IPM模块，从而实现整流和能量回馈。Park变换和Park逆变换中的电角度θ1由PLL输出积分(1/S为积分环节)得到。

PWM逆变也包括矢量变换、PI调节和双闭环控制，其控制对象为永磁同步电机，PWM逆变器的软件流程与PWM整流器的软件流程基本相似。

3 测试分析

设定直流母线的基准电压为630 V，测得在直流母线的实际电压为660 V时，经逆变后的a相电流波形如图3所示。

图3 逆变后a相电流波形Fig.3 a-phase current waveform after inversion

由图3中的25个周期信号可以看出，回馈到交流电网的a相电流波形为近似正弦波，对其中的15个周期信号进行快速傅里叶变换(FFT)分析，逆变后a相的电流谐波波形如图4所示。

图4 逆变后a相电流谐波波形Fig.4 a-phase current harmonic analysis after inversion

4 结束语

本系统驱动电机为永磁同步电机，采用能量回馈的制动方式，并采用双PWM控制结构，集电梯控制、驱动和能量回馈于一体，其具有以下优点和特点:①节能效果好，节能高达40%;②无制动电阻，进一步节省电能，改善系统的运行环境;③功率因数约为1，最大程度地降低了电梯系统对电网的谐波干扰;④省去了昂贵的高耗能装置，降低了生产成本。

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