一一一一一一二竖色理翌进竺竺竺竺电棒专用永磁同步电机变频调速系统的实现 何里黄大为黎坚杨耕清华大学摘要；本文针对电梯电气拖动的要求，基于ＤＳＰ嵌入式芯片实现了一种永磁同步电机变频调速系统。系统涉及了微计算机技术、现代功率电子技术、电机技术和控制理论。本文介绍了系统的设计框架、硬件结构以及相关的控制理论和方法。实际系统在工业现场达到了令人满意的效果。关锐词：无齿轮电梯变颜调谏ＤＳＰ矢母神制）引言能，并通过现场实验测试了系统动态、静态性能，电梯是为高层建筑交通运输服务的比较复杂 试验证明系统达到了设计性能。的机电一体化设备。近年来，随着城市的发展，２无齿轮传动电梯拖动系统高层建筑的迅速增多，对高性能电梯的电力拖动系统提出了新的要求Ｏ１更加舒适、小型、节能、２．１系统硬件结构可靠和精确有效的速度控制是其发展方向。而电 根据系统硬件结构，整个系统可以分为主回机技术、功率电子技术、微计算机技术及电机控路和控制回路两部分部分，硬件结构构成简图如制理论的发展，使其实现成为了可能。图１所示。传统的电梯变频调速电气拖动系统一般采用 交流异步电机［２１需要齿轮减速设备，结构复杂，成本高，效率低。近年来发展起来的永磁同步电机具有体积小、惯性低、效率和功率因数高等显著特点。将永磁同步电机应用于电梯拖动系统优点更加明显：１）永磁同步电机产生较小的谐波噪音，应用于电梯系统中，可以带来更佳的舒适感。２）永磁同步电机与感应电机相比更加紧凑、体积更小。通过设计多极对数可以进一步减小电机体积，同时可以提供较大的转矩、现在的电机制造技术使的永磁同步电动机低速下能够产生足够大的转矩。３）永磁同步电机转子没有损耗，效率更图１系统硬件结构简图高；而感应电机功率因数和效率随极对数增加迅速降低。由于以上优点，使用永磁同步电机的无 （１）主回路部分：齿轮传动系统成为了电梯电力拖动系统发展的方输入侧采用了简单的三相整流电路，输出侧 向［３１采用智能化ＩＧＢＴ模块，提高了系统的可靠性，本文介绍的永磁同步电机变频调速系统，基 起到了令人满意的效果。于先进的ＤＳＰ嵌入式处理器，采用矢皿控制原（ ２）控制回路部分：理，实现了电流、速度双闭环控制，较好的实现系统需完成的功能比较复杂，包括电梯的运 了同步电机的低速控制、有良好的抗扰性能，满行逻辑、速度曲线的设定、控制方案的实现、反足了无齿轮电梯电气拖动系统的要求。本文介绍馈信号的处理等，同时，系统对运算的实时性要了系统的硬件构成，控制方法，以及针对电梯用求很高。为了满足这些要求，本系统采用了双永磁同步电机电气拖动系统特点实现的特殊功ＣＰＵ系统。以两个ＣＰＵ为核心，系统可划分为．“３．一一一一一一止埋皇型竺进宜竺竺绝竺丝全星鬓鸯士艺岔迁．＿一＿一＿二＿＿下面两个部分。主控制部分：以主处理器为核心，主控制部 分包括面板键盘输入输出、端子（模拟及开关）输入输出、上位机通讯端口、电流采样以及主处理器。主处理器采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０．Ｆ２４０１子：励磁电流采样值Ｕ盆励磁电压控制命令ｕ：转矩电压控制命令处理器具有高速结构和精简的指令集，并具有面向电机控制的ＰＷＭ输出单元，电压、电流采样用的多路高速Ａ／Ｄ转换器，精简的ＤＳＰ内核使面向电机控制的较为复杂的控制算法得以实现。设计了标准的ＲＳ４８５／２３２通讯端口可以实现上位机控制。系统充分考虑了扩展性和通用型的要求。位置检测部分：位置检测部分包括位置信号 调理电路和位置检测及处理ＭＣＵ。系统运行中产生强烈的电磁干扰，所以信号条理电路的设计充分考虑到ＥＭＣ并做了适当的处理。为了得到高精度、高实时性的位置反馈信号，一块独立的ＭＣＵ专门处理位置传感器的模拟信号，将处理得到数字位置信息传送给ＤＳＰ使用。ＭＣＵ作为ＤＳＰ的外围设备供ＤＳＰ访问。（ ３）其他重要硬件设备：为了达到理想的控制性能，位置传感器和电 机的选择是非常重要的。电梯控制系统对位置反馈信号要求很高，特 别是同步电机低速运行时，位置信号的误差对系统性能有很大的影响。本系统采用进口高精度正余弦编码器作为位置传感器。采用相关的软、硬件处理后，可以得到相当高精度的机械位置信号。此外，针对电梯拖动系统的要求，永磁同步电机采用扁平结构，并实现了多极对数的设计，使其低速运行时有良好的转矩性能。该电机１２对极，额定转速１８９ｒｐｍ，额定功率有１１，１４Ｋｗ等。２．２系统左制原理本系统采用矢量控制原理［ １４１，将电机模型建立在与转子磁链同步旋转的旋转座标上，分别对速度、转矩实现闭环控制。双闭环系统中外环为速度环，内环为电流环。转矩控制在电流环上实现，采用最大转矩控制方法（６），系统原理如图２所示。图中： ｎ：转速控制命令ｎ：实际转速采样值 ’ｔｌ：转矩电流控制命令＾ｔｌ ：转矩电流采样值Ｉ ｍ：励磁电流控制命令图２系统控制框图 （１）电流环：控制回路的内环为电流环，应用ｄ－ｑ变换将采样到的电流值从三相静止坐标系分解到与转子磁链同步旋转的两相直角坐标系的的ｄ，ｑ轴，实际上得到了转矩电流采样分量Ｉ；和励磁电流采样分量Ｉｍ＾ｕ采用最大转矩控制方式时，励磁电流给定分量Ｉｍ‘为零，使转矩电流分量达到最大。转矩电流给定分量Ｉ；由外环速度环计算给出。电流环中给定电流分量与实际电流分量的差值经过ＰＩ调节器以后得到输出的ｄ， ｑ轴电压分量Ｕ；和Ｕ ，ｎ，即得到了输出的电压空间矢量。（ ２）速度环：外环为速度环，计算转矩电流给定分量Ｉ；，其值为转速指令矿和转速反馈ｎ的差值经过ＰＩ调节器计算出的结果。控制过程中，转矩的扰动通过速度的变化传递给电流环进行补偿。（ ３） ＰＷＭ空问矢量榆出：计算得到的电压空间矢量应用空间矢量法［６１进行矢量分解后，以ＰＷＭ方式输出三相电压信号，经过逆变器功率输出部分后，即得到了电机的三相控制电压。２．３需要实现的特殊功能 针对用于电梯电气拖动系统的要求和永磁同步电机的特点，需要考虑以下一些特殊功能的实现： （１）转子初始位呈辫识功能与异步感应电机不同，永磁同步电机转子磁 链的位置由转子的实际位置确定。电机运行前，需要辨识并记录转子磁链的初始位置。通常的做６６４一一一一一一二竺丝泛生望竺生塑竺丝竺竺、星些叁生创竺进．＿．一法是电机三相加直流电压，直流锁定转子并记录转子位置。对于永磁同步电机控制系统，转子磁链初始位置的精度直接影响到控制性能。（ ２）预转矩补偿功能０寸内０中一０内内已叨 之Ｐ、 反二＿ 电梯运行过程中，由于轿箱本身重力的原因，机械抱闸打开的瞬时，相当于系统加入了一个阶跃转矩扰动。这个阶跃扰动使整个电梯拖动系统动态性能变差。为了改善系统动态性能，需要加入预转矩补偿功能。补偿的好坏，很大程度上的影响了电麒统的舒适性。２．３低速性能的提高 为了使无齿轮电梯系统达到满意的效果，低速性能的提高是关键。解决这个问题设计到位置信号处理方法、ＥＭＣ干扰、数字控制器的计算精度以及控制方式等多方面因素。（ １）高精度的位１检测系统采用高精度正余弦编码器作为位置传感 器，使用１枚处理器单独处理位置信号，信号处理电路充分考虑了ＥＭＣ干扰，软件编写采用了实时性很高的位置检测算法。经过以上处理后，目前位置检测精度可达２ ｘ １０－４ ｒａｄ。 （２）高分辫率的速度检测位置检测精度的提高使得速度检测的分辨 率大大提高，在充分考虑计算误差并做相应处理后，速度检测的分辨率可达到２ｘ１０－＇Ｈｚ。 （３）参教可变的ＰＩ拉制器拖动系统高速、低速运行时控制对象的参数 有较大差别，通常情况下设计的固定参数的ＰＩ调节器不能满足系统要求。为此我们采用独立的在线连续可调整的ＰＩ参数，改善了系统动态性能。３试验结果３．１动态性能 速度阶跃响应、转矩阶跃响应试验结果如图３、图４所示。由图可以看出，速度阶跃响应时间为２００ｍｓ左右，转矩阶跃响应时间为３０ｍｓ左右，均为无差控制，可以满足系统动态性能的要求。 』 ０ 十 ０［ 内甲１土土１占 吕卜十１上 丫 字 毕」０２００ ４００ Ｌ「「 ６００８００ 「．！，」１０００ １２００ １４００＿时间ｎｓ／ａｉｖ图３ 速度阶跃响应０００｝０山卜００山，「勺、．０山创Ｍ裂０耸旧入１００盯１口一＿人’ 仪二一旧卜。一一Ｑ吕一・时１ 旬ｎｓ／ａｉｖ图４转矩阶跃响应３．２稳态性能根据现场试验得出系统的稳态性能指标如 下：电机加额定负载情况下： 最大转速：２００ｒｐｍ；最小转速：Ｏ． Ｓｒｐｍ；稳速精度：０． ４％； 最大静差：。石％。电机额定速度运行情况下： 负载转矩：０－１ ６０％额定转矩。 系统在额定转速、额定负载情况一「运行时的电流波形如图５所示。４结论本系统充分考虑了永磁同步电机和电梯电 力拖动系统的特点，基于先进的ＤＳＰ嵌入式处理器技术和功率电子技术，采用矢量控制原理和最大转矩控制方法，实现速度、转矩双闭环反馈控制。试验证明，本系统对转矩扰动和速度扰动均中目电』二执术学．念电方电子学会第，届－＊｝年．会论Ｒ－３％６有良好的动态性能，特别具有良好的低速性能，可以实现电梯无齿轮转动，满足电梯电气拖动系统的要求。流调速系统在现代电梯中的应用．微特电机。２０００．５．｛’”’｛ ［３］ Ｄａｅ－Ｗｏｏｎｇ Ｃｈｕｎｇ， Ｈｙｕｎｇ－Ｍｉｎ Ｂｙｕ，Ｙｏｕｎｇ－Ｍｉｎ Ｌｅｅ， ａｎｄ ｅｔｃ． ＂Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｇｅａｒｌｅｓｓ Ｅｌｅｖａｔｏｒｓ＂， ＩＥＥＥ ＩｎｄｕｓｔｙｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ， ｐｐ． ５２－５６， Ｓｅｐｔ．／ Ｏｃｔ．，２００１．鑫“喊０仲卜０甲・足吕． ｌ」｝０ 二「２０，「．４０ ：． 「．「ｓｏ：二００ １００１４０ １６０时同 二１．．１２ｄ０ｉ．图ＳＵ相参考文献：［ １］ Ｍ． Ｈｉｒｏｓｅ， Ａ． Ｏｏｍｉｙａ， ｎａｄ Ｋ． Ｍｉｙｏｓｈｉ，＂Ｎｅｗ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｅｌｅｖａｔｏｒｓ＂， Ｅｌｅｖａｔｏｒ Ｗｏｒｌ氏ｐｐ． １３２－１３５，１９９２．１ ２１方凯．金如麟．谭娃．１隆予。现代交［ ４］ Ｊｏｓｅ Ａｎｄｒｄｓ Ｓａｎｔｉｓｔｅｂａｎ， Ｒｉｃｈａｒｄ ＭＳｔｅｐｈａｎ． ＂Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭａｃｈｉｎｅｓ： Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ＂， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ｐｐ． １７０－１７５， Ｖｏｌ．４４， ＮＯ．２，２００１． ［５］ Ｔｕｎｇ－Ｈａｉ Ｃｈｉｎ， Ｍｏｔｏｍｕ Ｎａｋａｎｏ， ＧｕａｎｇＺｅｎｇ， ＂Ｎｏｖｅｌ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ ＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ＭａｇｎｅｔｉｃＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｈｉｎｅ Ｄｒｉｖｅｓ＂， Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＳｏｃｉｅｔｙ， ２０００． ＩＥＣＯＮ ２０００． ２６ｔｈ ＡｎｎｕａｌＣｏｎｆｅｅｒｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ， ｐｐ． １３７７ －１３８２， Ｖｏｌ．２，２０００ ［６］ Ｈ． Ｗ． Ｖａｎ ｄｅｒ Ｂｒｏｅｃｋ， Ｈ．Ｃ． Ｓｋｕｄｅｌｎｙ，ａｎｄ Ｇ． Ｖ． Ｓｔａｎｋｅ， ＂Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｓ，＂ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ［ＡＳ， ｖｏｌ． ２４， ｐｐ． １４２－１５０，Ｊａｎ．／Ｆｅｂ． １９８８．
