基于安全转矩取消（STO）和矢量控制（FOC）的电梯主动安全技术研究

摘要：目前电梯主要通过各种电气安全装置及安全部件的配合使用来保障运行安全，各类安全保护装置基本采用电气技术或机械技术的被动安全保护措施。特别是永磁同步电动机作为曳引主机时，许多功能严重依赖制动器本身的安全可靠程度，当制动器失效时，采用制动器作为制停部件的安全保护装置也随之失效。在即将实施的新标准《电梯制造与安装安全规范 第1部分：乘客电梯和载货电梯》（GB/T 7588.1—2020）中增加了安全转矩取消（STO）功能作为断开电动机运转供电的方法之一。现对该技术进行了介绍，此新功能结合目前先进的矢量控制（FOC）技术，为电梯采用主动安全保护措施提供了坚实基础，在未来具有广阔的应用前景。

关键词：安全转矩取消;矢量控制;主动安全;电梯

0 引言

安全转矩取消（Safe Torque Off，STO）功能是指电动机停止运行时能控制变频器关闭转矩输出，避免意外启动造成安全事故。在电梯应用中，STO功能与制动器最大的区别在于，STO功能可以在不关闭电源的情况下切断电动机的动力来源，而制动器是在特定情况下（断电、未有使能状态）抱住制动轮或轴。在新标准《电梯制造与安装安全规范第1部分：乘客电梯和载货电梯》（GB/T 7588.1—2020）中增加了关于断开电动机运转供电的规定：“5.9.2.5.4 d）具有符合GB/T 12668.502—2013中的4.2.2.2规定的安全转矩取消（STO）功能的调速电气传动系统，该安全转矩取消（STO）功能的安全完整性等级应达到SIL3，且硬件故障裕度应至少为1。”[1]

目前永磁同步电动机采用的控制方法主要有三种：变频变压（VVVF）、直接转矩（DTC）和矢量控制（FOC）[2]。FOC技术主要是将电压、电流通过分解变换表示在旋转坐标系里，通过改变旋转坐标系里面直轴和交轴的分量来控制力矩和磁通。该技术具备直接控制电动机电流和响应快速的优点，在零速—低速阶段能实现软启动和满负载启动[3]。因此，矢量控制（FOC）技术可以实现对电磁转矩和位置信息的精准控制，在紧急状况下进行快速动态响应。

1 安全转矩取消（STO）技术在电梯中的应用

STO技术目前在电梯中主要应用于控制柜无接触器系统方案，作为接触器的替代方案，当出现故障导致安全回路断开时，触发STO功能控制变频器关断力矩输出，保障电梯曳引机能安全制动。

以某公司具备STO功能的一体机加STO卡的技术方案为例，STOA、STOB为双通道冗余设计，作为STO的两条通道，STOA、STOB均能实现控制变频器关断力矩输出的功能;DNS+、DNS-为STO的反馈，连接到监控控制器，用于检测STO部分电路是否存在损坏，如图1所示。因此，该设计能满足SIL3安全等级和至少为1的硬件故障裕度。

当使用STO功能替代运行接触器时，STO卡接线方式与运行接触器相同。采用24 V低压安全回路时，可将STO卡直接连接在安全回路上;采用110 V等其他电压安全回路时，可通过一个安全继电器进行转换匹配，如图2所示。DNS+、DNS-與运行接触器反馈触点接法相似。

2 永磁同步电动机矢量控制（FOC）方法

2.1    永磁同步电动机转子类型

根据永磁体在电动机中的结构分布，永磁同步电动机转子可划分为三种类型：内埋式、内嵌式和表贴式，如图3所示。

其中，表贴式永磁同步电动机的永磁体装配在转子外表面，如图3（c）所示，此时d轴和q轴的电感关系为Ld=Lq。由于该类型电动机的永磁体紧密贴合在转子表面，不仅使其磁极最优，而且气隙磁密曲线与正弦波相似度极高，因此能获得最佳的控制效果。目前，应用最广泛的电梯永磁同步电动机都采用表贴式结构，不仅控制方便，而且经济实用、结构简单，本文讲述皆为表贴式结构。

2.2    坐标系建立

矢量控制的实质是对直流电动机优异解耦能力的精准模拟，直流电动机可以通过控制电枢电流和励磁电流来精确控制电机转矩，因此可以通过坐标变换的方法将交流模型等效为直流模型。以克拉克（Clark）变换方式为例，采用空间上相差90°的两相电流iα、iβ替代iA、iB、iC三相平衡电流，如图4所示。

同理，定义d轴为N极的所在位置，q轴与d轴成90°电角度，可将α-β两相坐标系旋转θ角度求得d-q两相旋转坐标系，电动机转子与d-q两相坐标系同步旋转，如图5所示。

2.3    矢量控制策略

由公式（4）可知，因为np、ψf、Ld、Lq常规状态为常量，因此通过控制id、iq就可以实现对电磁转矩的控制，这就是矢量控制的基础。不同的应用场景对id、iq采用不同的控制方式，常用的几种控制策略有id=0控制、MPTA控制、磁链恒定控制、cos φ=1控制等[4]。

电梯永磁同步电动机一般采用表贴式电动机，Ld=Lq，磁阻转矩为0，广泛应用id=0控制策略，该控制策略简单实用，定子电流基本上绝大部分用来提供电磁转矩。此时，永磁同步电动机的转矩方程可用公式（5）表达：

由公式（5）可知，采用id=0控制策略，电磁转矩正比于电枢电流iq，在变频器采用闭环矢量控制状态下，通过给定电枢电流iq可以无偏差输出相应的电磁转矩。

3 电梯主动安全技术方案

目前，永磁同步电动机作为电梯曳引机时，制动器除了控制电动机的运转和停止功能，同时也作为上行超速保护装置和轿厢意外移动保护装置的制停部件使用。原理上采用冗余设计的制动器，制动器失效的风险是极低的，但实际使用过程中依旧存在机械卡阻或拆解、调整保养不当等人为因素导致的制动器失效，造成电梯上行超速冲顶或意外移动等情况发生，这类事故往往伴随着人员伤亡，会造成非常恶劣的社会影响。因此，有必要在目前各类被动安全保护功能的基础上，增加电梯主动安全保护功能，实现在制动器失效时，变频器主动对曳引机进行供电，输出零速转矩，使得轿厢持续制停，或者在疏散乘客后低速冲击极限制停。

基于《电梯制造与安装安全规范》（GB 7588—2003）标准设计制造的电梯，在制动器失效保护上不尽如人意。特别是永磁同步电动机作为曳引主机时，制动器承担的功能过于繁重，即便是拥有制动器自监测功能，也不能避免制动器发生机械卡阻等制动力失效风险。而制动器故障失效时，通过变频器主动输出电磁转矩稳定电梯轿厢的做法与GB 7588—2003标准存在冲突，无法落地实施。日前正式公布的电梯新标准GB/T 7588.1—2020引入了安全转矩取消（STO）功能，为该技术的应用创造了基本条件。正常运行时，控制器不发送STO信号，电梯启动或停止时，变频器输出零速力矩防止倒溜，当抱闸完全释放之后控制器才发送STO信号，安全关断电磁转矩输出，如图6所示。

以双处理器冗余控制系统为例，主处理器优先响应电机控制信号，协处理器优先响应STO信号，主处理器信号响应优先级高于协处理器，并检测协处理器是否响应过STO信号。当控制器未发送相关运行控制信息（含制动器开启、门锁闭合等），而制动器又因为机械卡阻等原因失效时，可以利用速度与位置传感器（旋转编码器）实时监测轿厢存在的不正常位移及速度变化，并通过控制器发送电机控制信号，输出零速力矩或运行控制指令;当制动器完全释放制停轿厢或轿厢冲击极限停止运行时，控制器输出STO信号，安全关断电磁转矩输出。双处理器冗余控制系统主要工作流程如图7所示。

因此，本文设想的主动安全保护功能主要有两种运行状态：

（1）当电梯停止时，控制器发送STO信号，在响应STO信号的过程中，如果某个瞬间旋转编码器监测到超过设定值的位移变化，就可以假定制动器发生失效故障。此时轿厢处于失控溜车状态，并存在加速向非控制方向预运行的趋势，如图8中的A阶段。控制器马上停止向协处理器发送STO信号，通过称重传感器等手段迅速识别电动机是处于制动状态还是驱动状态，自动计算转矩的补偿值，向主处理器发送电机控制信号，输出零速转矩制停轿厢，如图8中的B阶段。在电梯稳定下来时，通过声光报警等方式通知乘客迅速离开轿厢，检测到无人时自动关闭轿门。在轿门关闭之后，控制器输出制动器開启、释放控制指令，经过设定次数开启、释放之后，控制器切断电机控制信号，向协处理器发送STO信号，检测轿厢是否还存在失控溜车趋势，如故障消失则恢复正常运行。

（2）当上述故障依旧存在时，控制器停止向协处理器发送STO信号，向主处理器发送电机控制信号，输出顺溜车方向运行控制指令，以低速V2冲击极限，如图8所示。待速度减速到零时维持零速力矩一段时间，然后控制器向协处理器发送STO信号，安全关断电磁转矩输出。

从上文不难看出，本文提出的主动安全保护技术方案不仅能有效消除剪切或挤压等意外移动风险，而且能够避免电梯高速溜车冲顶或蹲底造成的冲击事故伤害。

4 结语

本文通过研究安全转矩取消（STO）和矢量控制（FOC）技术的原理和应用，结合新标准《电梯制造与安装安全规范 第1部分：乘客电梯和载货电梯》（GB/T 7588.1—2020）的相关要求，提出电梯主动安全技术方案，在现有被动保护措施的基础上，可以进一步降低制动器故障失效的风险，特别是在防止轿厢意外移动和失速冲顶、蹲底等方面具有独到的效果，为电梯的安全运行提供了新的保障手段，具有非常积极的意义。

[参考文献]

[1] 电梯制造与安装安全规范 第1部分：乘客电梯和载货电梯：GB/T 7588.1—2020[S].

[2] 陈原，曾宪文，徐英杰.介于全速度范围的三相PMSM无位置传感器控制研究[J].科技展望，2017，27（27）：177.

[3] 刘计龙，肖飞，沈洋，等.永磁同步电机无位置传感器控制技术研究综述[J].电工技术学报，2017，32（16）：76-88.

[4] 黄健.储纬器PMSM电机驱动器的设计[D].苏州：苏州大学，2014.

收稿日期：2021-02-22

作者简介：何比干（1989—），男，广东佛山人，机电工程师，研究方向：特种设备检验检测。