机电一体化技术在电梯中的应用研究与实践

金美琴

（南通科技职业学院，江苏 南通 226007）

0 引言

随着城市建设的不断发展，高层建筑不断涌现，作为垂直运行的交通工具，电梯在国民经济和居民的日常生活中有着广泛的应用，安全可靠、高效高速和舒适节能是电梯永恒的主旋律。经过150 多年的发展，现代电梯的技术含量日益提高。全球超过60%的电梯都在中国制造和生产[1]，研究电梯技术，改善电梯性能，具有极其广阔的前景。

1 机电一体化技术

机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等有关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。随着电子技术的发展，人们发现可以用轻便的电子调速装置来替代过去笨重的齿轮调速箱，通过计算机的软件可以调节精确的运动规律，因此，可以从机械、电子、硬件、软件四个方面去进行有机的渗透和综合，以构成一个整体最优的产品或系统。机电一体化技术的应用，在简化产品结构、增强系统功能、改善操作性和使用性、提高安全性和可靠性、节能降耗、增强柔性和智能化程度等诸多方面都取得了显著成效。

电梯是机电一体化的大型复杂产品，如果以人作比，机械部分相当于人的躯体，电气部分相当于人的神经系统，机与电的高度结合，使电梯成为现代科技的综合产品[2]。在电子、信息、通讯和控制等技术快速发展的推动下，电梯日益发展，使得电梯的舒适性、快速性、安全性、停层准确性及节能降耗、环保性能等都得到了很大的改善。

2 电梯中应用的机电一体化技术

电梯将机械技术、电气技术、微处理器技术、系统工程学等多学科和技术集于一体。人们要求电梯具有安全、舒适、速度快、振荡小、平层精度高等性能；还要求具有成本低、效率高、维护方便、空间占据体积小等特点[3]。机电一体化新技术，包括变频驱动技术、智能控制技术、通信技术、安全技术、节能技术以及新技术材料的应用等，已经成为电梯技术发展的主流。限于篇幅，本文主要介绍机电一体化技术在电梯曳引系统、电气控制系统等几个方面的应用。

2.1 曳引系统

曳引系统的功能是输出和传递动力，使电梯上下运行，曳引机又称电梯主机。因为电梯实际运行的速度较低，永磁同步电动机具有低速大转矩、不需要减速机构等优越性能，成为继VVVF 技术之后，电梯行业又一次重大的技术进步。以苏州帝奥电梯有限公司开发的PTM-1 永磁同步无齿轮曳引机（如图1 所示）为例，节能、省空间、降低建筑建造成本和电梯运行成本是该技术的最大特点，并彻底解决了传统曳引机漏油造成的环境污染问题，达到电机的免维护及环保要求。

较之于以往交流异步电动机电梯拖动系统，永磁同步无齿轮曳引机主要特点[4]：

（1）噪音小，响应快。以永磁同步电机为主要技术的无齿轮曳引技术减少了笨重庞大的机械传动系统，使机械转矩波动小，转速平稳，动态响应快速准确。

（2）体积小，重量轻。永磁同步电机应用了高性能永磁材料，相对同容量的异步电机，它的体积、重量都要减小许多，实现了无机房化，减小了建筑面积，降低了成本，并且维护方便。

（3）损耗小，效率高。永磁同步电机无需励磁电流，减小了无功电流分量，显著地提高了功率因数，可以相应地减少电负荷。

图1 帝奥PTM-1 永磁同步无齿轮曳引机Fig.1 The PTM-1 type PMSM of Diao Elevator Co.

2.2 电气控制系统

电梯控制系统可分为拖动系统的调速控制与选层系统的逻辑控制两大部分。电梯一体化控制系统，将驱动系统与电梯管理、控制系统集成为一体机，以其显著的性能集成特性引领市场和技术走向，使系统结构紧凑体积小，安装维护便捷省时，且工作稳定、节省能源[5]。

（1）高集成的一体化控制器。DA7000 系列电梯一体化驱动控制器是苏州帝奥电梯有限公司专业设计的新一代电梯驱动控制集成装置，采用双32 位网络化、智能型串行通讯电梯专用一体化控制系统，该系统结构框图如图2 所示，其中应用的机电一体化技术主要有： ①机械技术： 控制驱动架构基于一体。模块化结构设计，使整个装置结构紧凑、接线减少、可靠性增加、操作更简易；②控制技术： 全电脑智能型控制系统。32 位双CPU 通过并行通讯进行高速数据交换，采用直接停靠技术和轿厢位移记忆技术，高精度的定位控制和速度控制，确保了电梯停站提前开门和平层安全的功能，对电梯运行实施最安全、精确、高效的管理控制，使电梯运行更平稳，使乘客得到更佳的乘坐舒适感；③驱动技术： 变频电源驱动永磁同步电机。通过先进的矢量变换技术，采用旋转编码器反馈电梯的实时运行速度给驱动控制单元，设计了基于剩余距离的电梯速度控制，可按人体舒适要求实时进行速度调节。加入新型PWM 死区补偿技术，降低电机噪音和电机损耗；④信息处理技术： 高速数字式信号处理系统。根据轿厢的实际负载、上下行速度，通过对电流大小和相位的适时调整，更为灵敏地控制曳引机的速度，实时精确控制主机转动力矩，保证电梯运行状态平稳。

图2 DA7000 一体化驱动控制系统框图Fig.2 The system chart of DA7000 integrated controller

（2）超高速的串行通讯。电梯控制系统是一个相当复杂的逻辑控制系统，系统要同时对几百个信号进行接收、处理，新一代的电梯控制系统采用CAN 总线技术，各控制器之间只需一对双绞线通过网络拓扑结构连接即可，从而使整个控制系统的信号线数从数百根减少到几根。CAN 总线提升了数据传输能力，使电梯控制系统降低了成本、增强了可靠性。对于不同楼层数的电梯，只需加入相应数目的呼梯控制器即可，主控制器硬件不需做任何改动[6]，对系统进行扩展、升级，具有很好的灵活性，使生产、安装、调试和维护都方便许多，提高了自动化水平。

2.3 节能环保装置

（1）能量再生回馈装置。电梯驱动控制系统是电梯节能的关键技术之一，除了前述的永磁同步电机的应用，能量回馈技术也有利于提高电梯系统的整体节能效果。由于电梯空载上行和满载下行时电动机处于发电状态，采用能量回馈的制动方式，可让高达30%以上的被电梯消耗的能量重新回收再使用，取得显著的节能效果[7]。

（2）软件控制。如建立实时控制的交通模式，以较少的运行次数来运载较多的乘客，尽可能使电梯的停站次数减至最少。此外，用仿真软件模拟，以确定出不同楼层之间的最佳运行曲线，不但能提高乘坐的舒适度，还能节省电能。

（3）电梯照明。使用轿内自动照明技术，确保无人使用时照明灯处于熄灭状态，不消耗电能。以直流驱动的LED 照明作为轿内照明灯具，在相同的照明效果下，相比传统光源可节能80%以上。

3 电梯技术的发展趋势

机电一体化技术的应用已经成为电梯发展的主要趋势，更智能、更高效、更安全已成为当今世界电梯发展的主要研究方向。另外，经济节能、绿色环保等方面也是必须注意的问题。

（1）趋于智能化。随着互联网信息服务的市场推进，智能化成为电梯企业的转型改革的主方向[8]。电梯的优质服务不再是单一的 “时间最短” 概念，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统、遗传算法等人工智能方法，使电梯成为更加安全、舒适、高效、优质的服务工具[2]。

（2）超高速电梯。随着高层建筑增多，超高速电梯仍旧是研究热点。曳引式超高速电梯的研究在采用超大容量电动机、高性能的微处理器、减振技术、新式滚轮导靴和安全钳等方面继续推进。

（3）绿色电梯。绿色电梯已被广泛关注，主要是在电梯的制造、配置以及安装与使用过程中，要求电梯节能、电磁兼容性强、噪声低、长寿命、采用绿色装潢材料、与建筑物协调等。

4 结束语

机电一体化技术在电梯上的广泛应用，使电梯的运行质量、可靠性、节能降耗等特性有了很大的提高。近20年来，微机控制的电梯以优异的控制性能得到了长足的发展，而且已成为当前电梯发展的主流。串行通信以其布线简单、信息传输量大等优点，在电梯控制系统中的应用日益增多。随着机电一体化技术的发展，电梯控制越来越智能，给人提供的服务越来越人性化，乘坐电梯的安全系数越来越高。

[1] 顾德仁.电梯电气原理与设计[M].苏州：苏州大学出版社，2013.

[2] 魏孔平，朱蓉.电梯技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[3] 杨国生.电梯曳引驱动系统的现状及发展前景[J].太原科技，2006，7.

[4] 李跃进.永磁同步电动机在电梯中的应用[J].科技致富向导，2010，26.

[5] 周威威.电梯一体化控制系统的研究[D].华中科技大学，2012.

[6] 郑建彬，王绍维，秦娟英.CAN 总线在电梯控制系统中的应用[J].电气自动化，2003，1.

[7] 林梅丽.四象限变频器与传统变频器在电梯应用上的节能效果及输入指标对比[J].电气应用，2012，8.

[8] 宋绍彩.2014 中国国际电梯展专题： 智能化与超高速成电梯发展趋势[J/OL].[2014-5-21]. http://www.caigou2003.com/suppliers/elevator/topics/20140521/topics_863291.html.