以永磁同步电机实现电梯智能调速的硬件设计

2022-11-16范峰辉

电子技术与软件工程 2022年16期

范峰辉

（东营市特种设备检验研究院山东省东营市 257000）

电梯属于垂直交通设备，一般安装于各类居民建筑和公共建筑。电梯的使用者看重电梯的快速性和舒适性，即电梯轿厢在从静止状态加速到额定速度状态，又或者从额定速度状态减速到静止状态，整个过程需要充分考虑到使用者对加速或者减速过程的承受力及适应力。要达成这一目标，优化电梯的调速性能成为关键。当前的调速控制系统是依靠变频技术完成，故在分析和设计电梯的调速系统时，也要注意电梯的硬件设计，通过合理的硬件组成实现对电梯加速及减速的智能化调控。

1 硬件组成

（1）智能调速控制系统包含继电器、网络线以及主机等部分。在相关调速回路中对继电器进行安装，借助五类双绞线将各个模块连接起来，然后组成一个互联网系统来顺利实现调速控制[1]。各模块对一个单元地址进行设置，接着输入至控制主机，创建有关控制关系，经过输出单元由继电器进一步控制电梯。各继电器是独立存在的，属于对等关系，能够采取集中控制以及现场分散控制。

（2）BAS 系统与智能调速系统连接，能够在BAS 控制面板里面全面监控调速系统的实际情况。

（3）系统采取相应的编程软件，操作者能够对系统实施编程。这有利于更好地适应未来可能出现的系统改变，在改造电梯调速系统的过程中，仅需修改编程就能够实现。

（4）借助PC 接头模块，将计算机以及系统充分联系起来。第五，在控制室安装一台调速用的后台计算机，借助网络对系统实施编程，通过图形模拟更好地展现设备平面图，在图上显示各设备的具体使用情况。在网络的界面上，不仅能够对各区域的电梯状态进行全面监控，而且可以实施关闭、开启动作。操作者能够借助界面进一步监视调速系统的实际情况，使用鼠标对图形进行点击，然后实施控制。系统组成如图1 所示。

图1：智能调速控制系统组成图

2 硬件设计

2.1 PID控制器设计

实验远程移动监控系统中，由于不能在现场实施，且由于电梯井作业和矿井环境的特殊性，无法在实验中用其他小规模容器代替。以组态王软件为客户端通过OPC 的方式将电梯井位置动态变化的脚本公式，从组态王软件发送到云端服务器，在云端组态界面实现当前电梯井位置的动态显示，模拟电梯井位置传感器显示实时电梯井位置的过程。脚本公式由分析软件AFT Impulse 对输送控制系统进行仿真试验而得出。然后PID 比较当前电梯井位置的和设定电梯井位置的数值，当前电梯井位置和设定电梯井位置数值一致时，控制调速系统和永磁同步电机的到位停止。

硬件设计中，控制芯片选择了FPGA 芯片，FPGA 芯片的特点是其I/O 接口的电压在3V，所以必须要满足3V 电压才能保证I/O 接口的运转，故硬件系统的电源电压被设计为3.5V 电源的双电压供电模式，系统的存储器采取FLASH 格式设定，存储芯片根据预设要求与主控芯片对接，让中央控制器得到充分的优化。

设备的主控系统主要与PMS2.0 系统及电梯指挥系统进行数据交互。与PMS2.0 系统数据交互包含基础人员结构、运行信息、调速信息、修试记录、设备数据等数据。与电梯指挥系统数据交互主要是向该系统推送井下作业计划执行情况、调速完成情况、检测计划完成情况、班组应用情况等信息并在电梯指挥系统以图表形式展示查询以上数据。

NB‐IOT 网关配置了互联网流量卡槽，通过接入互联网的方式进行数据传输，保证了远距离数据传输的信号稳定性。该网关配置了一个RS485 接口端子，下位控制器采用欧姆龙cp1e 型PID,该PID 配置一个RS232 端口，因此中间采用一个RS485 转RS232 转换器将NB‐IOT 网关与PID 串口连接，同时用网络数据线将NB‐IOT 网关与测试电脑相连接，在电脑上打开NB‐IOT 网关配置软件，在配置软件和PID 中建立相应的点位，从配置软件中下载至NB‐IOT 网关里，网关对应显示灯亮表示与PID 通讯成功。通过互联网进入NB‐IOT 网关配置的云端传感器，在云端传感器中建立与PID 中相应的点位并进行读写操作，云端传感器显示“成功”表明，PID 通过NB‐IOT 网关已经成功和云端传感器进行数据交互，云端传感器可将对应的点位数据信息写入PID，PID 对应的输出点位指示灯亮，则表示成功。

2.2 传感器设计

传感器工设计四层，第一层是现场设备控制层，现场设备控制层由现场控制核心PID、1 至3 号电机等组成。PID用于采集各种电动执行元件和电梯井位置传感器的数据，永磁同步电机执行器用于控制永磁同步电机的启停，调速系统电动执行器用于控制调速系统的开关，电梯井位置传感器用于测量矿井和电梯井刮板调速系统的高度[2]。

数据传输层由NB‐IOT 网关构成，NB‐IOT 网关是连接现场设备控制层的控制核心PID 与传感器之间的桥梁，是整个控制系统调度和控制的核心，在此改进方案中NB‐IOT网关与PID 通过RS485 串口通讯在网关配置软件中建立与PID 里相应的I/O 点位然后上传至传感器，实现PID 和传感器之间的数据交互，是实现移动远程控制的核心设备之一。

物联层由传感器构成，其作为现场设备与移动终端之间的数据交互平台以及监控数据存储平台。移动远程监控用户层可以由各种移动终端设备及与传感器匹配的应用软件组成，其作用是实现移动终端设备与传感器之间的数据交互、实际远程移动监控系统对于电梯井位置的控制需要PID 实时读取电梯井位置传感器的数值，然后PID 比较当前电梯井位置的和设定电梯井位置的数值，当前电梯井位置和设定电梯井位置数值一致时，控制调速系统和永磁同步电机的到位停止。PID 采集到的通过数据传输层上传到云端服务器，移动终端访问云端组态界面上可实时观察到电梯井位置的动态变化。

2.3 变频器设计

在转速和电流的调整上要秉承“降低转速，增大电流”的原则。调速系统的永磁同步电机为了提供足够的动力源输出，其输出动力被设计成电流小、转速高，且两者变化范围不大的模式，这种做法会增加传动系统的动力输出，增加调速系统的运作效率，但会造成耗能增大。平衡的设计是遵循和传统设计相反的“大电流、低转速”思路，且电流和转速的变化范围也要增大。故在设计中要适当降低永磁同步电机的转速，提高永磁同步电机电流[3]。

在永磁同步电机额定功率不改变的前提下，降低转速后输出电流就会增加，低速永磁同步电机和原变频器之间的匹配度也会变差，导致性能下降，故重新选择永磁同步电机后，匹配的变频器也要转化，选择的变频器必须吸收永磁同步电机输出电流增大的部分，才能保持性能的稳定。

要实现变频器对永磁同步电机输出电流增大部分的吸收，设计师需要调整变频器循环圆的有效直径，变频器的有效直径增加后自身的综合变矩能力会得到提高，节油率也就因此提高，此处以MB、λB、γB、nB、D 代表永磁同步电机的力矩、力矩系数、传动密度、永磁同步电机转速和变频器循环圆有效直径，其永磁同步电机输出的电流如公式（1）所示：

根据公式获得变频器直径对吸收电流的影响，以保证直接调整的合理性以及有效性。

变频器的输入电流提高，传动系统中的传动部件，如传动桥等的电流也会因此增大，这导致了这些部件的可靠性降低，且调速系统在转速调整的情况下，会发生行驶速度减小的问题，所以根据永磁同步电机与变频器的匹配，设计者还要调整驱动桥速比。

所有设备的运作都由PID 控制系统操控，硬件部分共有主控制器、通讯装置和车载控制装置三大部分，通讯装置采取无线通讯模式，主控器装设在地表的中心控制室内，由工作人员通过操纵PID 控制系统对电机编组进行调度，同时设置电机编组的运行线路。因为井下的通信环境不佳，电池信号干扰过大，拟采用无线网格网，即Wi‐Fi 技术进行操作指令传递，整个通信技术为双频，可以支持12 跳无线组网，传输距离能达到20km 左右，方便电梯的指令传输。

基于永磁同步电机智能调速采用APN+VPN 通道，实现移动终端与主站端之间的数据交互，数据传输全过程加密，即使传输过程中数据被盗用，也无法使用数据。大大提高了传输数据的安全性[3]。通过线下线上双结合的管理策略，严格执行终端登记使用制度，将移动终端的主机号与用户人员进行绑定。移动终端数据安全保护：一是移动终端操作系统加密，二是移动终端应用登录加密，三是移动终端应用数据库加密。三次以上输入错误应用密码后数据自动摧毁。主机系统安全防护包括对服务器、桌面终端和操作系统的防护。开启系统防火墙并配置最小访问权限设置（IPtables、Windows 防火墙），目录访问控制（SELinux）；不必要系统服务的关闭（如：ftp，nfs，Sendmail 等服务器）；禁用危险命令（如：rm ‐rf、reboot、halt 等）。

3 电流电压检测

借助Q=2 ∏fCU2 公式可计算出电容器调速的出力大小与电压、频率、容量大小的关系。从公式中能够得知，只需要改变C 数值，就能够自动控制电容器，使Q 值发生改变，具体原理如图2。

图2：原理接线图

3.1 电压装置构造

电梯使用的是直流电，共装置了两套上直流电电源装置来进行供电工作，两套装置分为两路，以电梯端端的动力连接器为媒介，通过连接器向电梯实现供电；电梯的直流电按照车厢号的次序由综合控制柜对其进行自动操作，综合控制柜会按照楼层号的奇偶数将一路直流电传输到电源装置中，传输的电源装置分逆变电源装置和电源装置两种。在逆变电源装置中，逆变器会将综合控制柜输入的直流电逆变成两路交流电，一路是三相50Hz 交流电，另一路是AC380V 交流电，两路交流电会分别向电梯的调速装置、开关门装置等供电；8kW 充电器则会将直流电变换成直流电，该直流电用于给蓄电池组充电，负责电梯上的照明设备运作以及供电控制等，电梯的升降运动不采用转换后的交流电或直流电，而是直接使用采用直流电进行上下运动。

电压装置的组成部分主要有三个：

（1）控制器，立足于九区图原理，将系统的电流、电压等信号联系起来，对电压值和cosφ 值予以设定，再展开分析，若电压与cosφ 均未达到相关标准，则利用对变压器进行调节来将电容器中调速的输出改变，从而使电压和cosφ 都能够与设备的使用要求相符。且控制器拥有显示以及运动接口，让系统运动的需要得到了满足。

（2）电压调节器，该设备属于有载自耦的调压器，通过优化计算，能够得出调节器中输出的电压是母线电压的1005～60%。通过对其进行控制，采用9 档，每档调节额定电压的5%。选择额定电压，调速输出容量是100%～36 额定容量。

（3）电容器，电容器主要利用对主变分接头进行控制来达到对母线电压进行控制的效果，但线路型却不具备；与此同时，永磁同步电机可通过对型号的控制，将主变电源侧三相电流电压实现，而线路型则是通过对BC 相线电压A 相电流予以控制，来确保电容器调速输出的实现。

在电梯中正确、合理运用电压检测装置主要涉及以下优点。其一，接入电容器时，不必进行分组和投切就能够达到9 档调速输出的情况，容量控制则能够由36%到额定容量；其二，电容器在进行调节时，不会产生电压以及涌流等状况，确保电容器能够维持在额定电压之中进行运转，进而让设备能够安全使用，并使其寿命得到延长；其三，立足于低压合闸的方法，将调速装置输出电压控制在60‐70%的额定电压之中，进而降低合闸时涌流对电容器以及电压系统的冲击；其四，对电压进行调节时，不会产生冲击放电的情况，设备能够进行反复的调节，使用过程中形成的附加损耗低。

3.2 系统设计

通过两台电脑构建调速优化系统，其中一台主要作用在于状态预计、数据储存以及负荷预测等，一台则开展调速优化以及计算数据等相关工作。对于控制系统而言，每小时都会对数据进行刷新，确保数据在更新方面的准确性、实时性，通过拓扑分析之后在数据库中进行储存，并采取数据计算、状态分析等形成调速功率分布状态以及状态曲线。

就调速控制系统而言，主要涉及优化计算、负荷预测等相关功能，可以对高压调速调节装置功能进行全面优化。

设电网包含的调速节点有n 个，然后将24h 电能损耗作为目标函数，控制变量分别是变压器分接头位置、调速补偿量。模型如下：

在上述模型中，V、Q、T、Si 指的是电压、调速量、变压器接头位置、永磁同步电机VQC 限值，另外Δt 指的是负荷近似维持不变的时间段，通过Δt=1h；ft（Qt，Tt）=0 来反映t 时段功率平衡方程式组。

调速系统有很多显著特征，如难度高、计算复杂。基于此，能够采取推动潮流计算效率提高以及优化编码等措施，对计算方法进行全面、科学的优化。

（1）提高潮流计算效率，应用遗传算法，能够有效合理的解决调速优化存在的问题，推动潮流计算效率的加强。其一，进行迭代计算的过程中对需要对潮流计算精度进行全面调整，诸如在计算初始阶段对精度进行降低，后期则相反；其二，进行具体计算前需要进行比较检查，重点内容在于计算个体和计算完成个体是否存在相同亦或是相似的地方，然后结合计算经验对计算群体予以调整，进而让计算工作量得到降低。对于一样的个体来说，必须要进行一次潮流计算；若个体彼此之间相似，则可以展开初始值计算，促进计算速度的加快。

（2）利用专业知识指导变异位置和方向，对于全局最优而言，指的是需要防止，亦或是降低调速功率远距离输送，需要对本地调速补偿与平衡进行全面平衡，同时选择最近地点调整控制变量，避免优化出现盲目性的状况，推动计算速度的增快。

（3）优化编码，调速优化系统主要将并列运行的变压器作为控制变量，电容器补偿容量以及变比等，通过多个数组予以编制，同时注明然后下标，以便于查找与换算，促进搜索以及计算速度的增快。

4 设备故障检测

4.1 故障扫描

运维人员要针对调速回路故障建立完善的检验系统，故障检修系统的主要功能模块共有激光相位扫描模块、自动/手动触发模块和便携式手推小车测量平台三部分。激光相位扫描模块的封装系统硬件核心零部件和核心算法采用高频激光相位扫描雷达实时对调速及其相关设备实时动态扫描，根据三点定位原理、三角函数关系和高斯滤波算法进行二维建模并生成回路系统关键设备的调速运行图像，通过可视化调速运行图像的提供，帮助检测人员判断调速的运行情况。激光相位扫描模块以扫描信号为触发点，每当收到自动或者手动限界扫描触发信号时，该模块立即对触发点0.5m～1.2m 范围内的截面以20mm 为步进单位进行覆盖式扫描检测，确保检测中不会出现扫描盲区和漏检部分。另一个必备的模块是自动/手动触发模块，系统采用巡检线路跨距信息、回路累计光电编码器和左右激光测距传感器相结合的组合定位方式实现系统的全自动触发扫描。系统光电编码器具有自动记录和存储功能，可以自动累计检测调速的回路，并将累计的回路与线路的跨距信息进行自动化对比。当对比信息达到跨距的距离时，电编码器就会向激光相位扫描模块发送一个调速扫描信号。接受到信号的激光相位扫描模块便会开始扫描检测。因为光电编码器累计的回路有一定几率发生累计误差问题，左右激光测距仪会在扫描到定位点的同时发送处理MCU 校准信号，接受到信号的系统就会自动对跨距信息进行重新计算，这种自我校准的设计有助于消除累计误差，提高定位的精度，避免因为累计误差发生检测失准的情况[2]。

但所检测的线路存在的基础数据跨距误差较大，也会造成激光测距仪无法自动发送处理MCU 校准信号。为了应对这种情况，该模块也提供了手动触发的备用选项，当自动触发无法执行时，操作人员可以通过手动触发来执行调速扫描测量。此时结合光电编码器自动累计的回路信息，系统可以自动对当前线路基础数据中的跨距信息进行校准。

有了完善的检测系统，检修人员对发现的故障和确定的故障原因需要根据调速说明书、检修图纸、检修规程，执行科学的故障处理操作。调速故障是因为轿厢的运行不当引发，轿厢安全回路是影响调速正常运行的关键回路，大部分的电梯运行问题是因为回路断开引起，检测人员验证两大回路的检测功能时，要注意电气安全装置被短接的故障问题，可采用短接线对两个回路进行短接，模拟短接故障的发生情况，如果系统能够监测到故障，且电梯运行异常可以被及时阻止，表明检测系统无问题，反之则需要调整系统。回路断开的原因和轿厢监控信号有关，调速回路常用的信号开关为磁感应开关，可以通过选择导磁率较好的材料，进而影响磁力线感应达到良好的屏蔽作用[4]。在高频情况下，通过采用低电阻金属进行电磁屏蔽，有利于通过产生金属电流实现磁屏蔽的有效功能，减少电磁干扰对调速回路运行质量的影响。针对电场干扰屏蔽，其与磁屏蔽较为相似。在实际应用过程中，可以利用金属电流有效防止高压场强对设备元件造成干扰。尤其是在高频状况下，运用低电阻金属实现电磁屏蔽具有重要作用[5]。

4.2 系统建模

运维人员要建立PHM 比例故障率模型，根据从运维工作中搜集到的气象数据以及故障数据间的关系设立函数模型，用函数模型将监测数据以协变量进行考虑，并将得到的协变量添加到故障率函数中，以此获取永磁同步电机的威布尔基本故障率函数，此处以h0(t)表示模型的威布尔基本故障率函数、以Z(t)=[Z1(t),Z2(t),...,Zn(t)]表示模型的协变量、以y=[y1,y2,...,yn]表示协变量系数，y 表示协变量的表征选取环境因素对风电场设备运行的影响，最终得到模型如下：

函数模型①中，y 如果在0 以下，表明此时的协变量有利于电梯的电机正常运行，运维部门不必立刻执行运维措施，永磁同步电机部件暂时不受劣化影响，当y 等于0 时，表明协变量对电机故障并不产生影响，是否进行运维工作根据当时的电梯运行情况决定，若y 大于0，表明协变量会让电机中的部件加速劣化，最终影响到电机的正常运转，因此要立刻进行运维。根据威布尔基本故障率函数模型，运维人员可适当调整运维频次，减少不必要的运维工作，节省运维成本。