永磁同步电梯曳引机的变频驱动系统设计

张光明

金碧物业有限公司

永磁同步电梯曳引机的变频驱动系统设计

张光明

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三相永磁同步电动机由于其突出的优点，已经逐渐成为交流伺服控制领域发展的方向。而近年来，随着电动机制造技术、大功率电力电子器件的飞速发展以及交流电气传动技术和各种先进智能控制理论的日益成熟，因此使得研究和设计出更高性能的交流伺服驱动系统成为现实，进一步加强电梯曳引机的永磁同步电动机变频驱动系统的研究非常有必要。基于此本文分析了永磁同步电梯曳引机的变频驱动系统设计。

永磁同步电梯；曳引机；变频驱动系统；设计

1、永磁同步电梯曳引机的变频驱动系统设计意义

20世纪末期和21世纪初，随着电梯市场需求的不断更新和科学技术的飞速进步人们对电梯产品的规格和性能提出了更高的要求，有力的推动了电梯设备的发展。于是诸如无机房电梯、小机房电梯等新产品不断涌向市场。为了满足这些新产品的配套需求作为电梯动力源的驱动结构必须要具有体积更小、效率更高、低速大转矩等一些特点。而一直以来因为具有传动比大、结构紧凑、传动平稳等优点，在电梯行业被公认为电梯驱动机构首选的蜗轮、蜗杆传动方式的曳引机已经远远不能满足市场的需求。尽管目前世界各国著名电梯公司纷纷着手开发各种新型的曳引机，但随着钕铁硼等稀土永磁材料的广泛应用和价格的降低，无齿轮永磁同步电梯曳引机开始受到青睐而在电梯行业得到广泛应用。目前，无齿轮永磁同步电梯曳引机已经在垂直载客电梯占据了绝大部分市场。

2、永磁同步无齿轮电梯曳引机的基本结构

无齿轮永磁同步电梯曳引机主要由电动机、制动器和曳引轮组成，和有齿轮曳引机相比，省去了复杂的减速箱，同时也不需要把电机轴和减速箱输入轴连接起来的联轴器因此体积大为减小。图1是典型电梯曳引机的外形结构图，主要由电动机本身、电磁制动器和曳引轮组成。

电磁制动器是电梯曳引机的一个特殊装置，在非运行情况下，总是处于关闭状态。在非运行情况下，电磁制动器通过两侧安装的导向压缩弹簧给曳引轮施加一个很大的制动摩擦力，从而将电机曳引轮牢牢抱住。制动器的打开，可以通过往下压住制动器上的手动松闸手柄，手动松开抱闸。在实际使用时，运行前我们需要给制动器上的电磁线圈通入一个较大的交流电或者直流电，通过电磁力的作用将制动器迅速打开，之后只需一个较低的维持电压就可以使制动器维持打开状态。在永磁同步电梯曳引机运行前，我们一定要检查制动器是否已经打开，否则容易造成严重后果，因为在制动器打开前，若驱动器给电机发出运行指令但制动器处于闭合状态，曳引轮由于受到一个很大的制动摩擦力，相当于一个很大的负载，因此如果驱动器没有一定的过流保护措施，很有可能因电流够过大导致损坏，同时由于驱动器强行驱动电机运行，极易导致制动器的机械损坏。

图1 永磁同步电梯曳引机的外形图

3、永磁同步电梯曳引机的变频驱动系统设计

3.1 主功率变换电路和驱动电路设计

3.1.1 永磁同步电梯曳引机矢量控制系统硬件设计

在本系统设计的电路中，我们将主功率变换电路、开关电源电路和模块驱动电路设计在一张电路板上，而控制电路则设计在另外一张电路板上，两张电路板留出共同的信号接口，由排线相连接，这样的设计有效的减小了驱动电路的强电信号对控制系统弱电信号的干扰，且控制电路相对独立，因此对系统仿真调试非常方便。本系统功率电路采用典型的交-直-交电压型变压变频电路，直流环节采用大电容进行滤波，使直流环节的电压非常稳定，相当于一个恒压源。功率模块选用的是富士IGBT模块7MBR100U4B120-50，该模块将整流、逆变、温度检测、能耗制动集成在一起，极大的简化了硬件电路的设计。

3.1.2 控制电路设计

本系统控制电路主要包括电压电流采样电路、PWM波形处理电路、故障保护电路、故障综合电路和编码器处理电路，以下主要分析了PWM波形处理电路设计。

图2是PWM波形处理电路，74ACT244是一个电平转换芯片，输入端的电压范围为O-VCC，供电电压为2V-6。SVPWMI-2到SVPWM6-2是从DSP引脚输出的六路PWM波形，且波形是电平为3.3V的方波，由于后续的电路要求所处理信号的电平为SV，因此我们需要对PWM波形进行电平转换，将电平为3.3V的方波转换成电平为SV的方波，输出端Y1-Y6均为5V电平的方波。

上图中74ACT244的使能端连接的DRIVE信号，当系统出现故障时，通过软件可将DRIVE信号置高，这样一来74ACT244将不会被使能，无论输入端的波形是什么状态，输出端的状态将维持高电平，从而在这一级进一步封锁PWM波形，高保护的可靠性。

图3 主程序软件流程图

3.2 电梯曳引机矢量控制系统软件设计

本系统软件的主程序主要包括系统初始化和主循环两部分。系统初始化主要负责系统运行所需要的各种初始化设置，包括系统各外设时钟、外设I/O引脚功能、中断向量表、外设模块初始化、参数初始化等。主循环主要包括运行时序控制、操作器扫描与显示、系统各运行参数的刷新显示、上位机通信等。中断程序主要用来实现一些主要控制算法，包括矢量控制算法、SVPWM技术、PID调节、转速与转子位置计算、故障保护等一些重要部分。(见图3)

在系统上电之后，DSP将根据CMD文件的配置信息，首先进行变量地址分配，之后跳入MAIN函数，开始执行主程序，待初始化操作结束后，进入主循环，在主循环中执行各种操作，同时等待各个中断，当中断发生时，则离开主程序去执行中断服务子程序，执行完毕后返回之前的断点继续执行主程序。

总之，交流伺服驱动系统可以有不同的控制对象，根据控制对象的不同，主要可分为异步电动机伺服驱动系统和永磁同步伺服电动机驱动系统。本文主要分析了永磁同步电梯曳引机的变频驱动系统设计相关方面，以期提供一些借鉴。

[1]王苏华.新型电梯曳引机驱动与控制系统设计与实现[D].南京理工大学，2013.

[2]郑严.永磁同步电动机在天平游梁式抽油机上的应用研究[D].华北电力大学，2013.