电梯曳引驱动系统的现状及发展前景

2006年7月第7期

应用技术T A I Y U A N S C I -T E C H

文章编号：１００６－４８７７（２００６）０７－００７４－０２

电梯曳引驱动系统的现状及

发展前景

杨国生

摘

要：介绍了电梯曳引驱动系统的发展现状，着重论述了

点。采用现代矢量控制方法，可以使感应电机获得良好的调速性能。感应电机的缺点有：一是损耗大、效率较低、温度较高；二是必须从电网吸取滞后电流，使电网功率因数降低。因此感应电机在电梯曳引系统中将逐渐退出。

曳引电动机及其控制技术，并进一步阐述了永磁同步直接驱动所涉及的技术问题。

关键词：永磁同步电机；矢量控制；直接转矩控制技术中图分类号：TM 3

文献标识码：A

电梯的性能对于乘坐者而言，要求能够具有安全、舒适、速度快、振荡小、平层精度高等性能；对于使用单位而言，还要求能够具有成本低、效率高、维护方便、空间占据体积小等特点。为此，一部优质电梯系统需要同时满足这两方面的性能要求，这就对电机性能及其控制模式提出了新的挑战［１］。

１．３永磁同步电机

电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、

定位都有一定的要求。２０世纪７０年代随着变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而近几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小，控制性能好，将能做到低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机曳引技术采用高性能的永磁同步电动机、磁场定向的矢量变换控制技术、快速电流跟踪变频装置以及低摩擦的无齿轮结构，它是电梯驱动技术的飞跃，它完全可以取代现有的曳引技术。

1电机结构概述

电梯系统的性能在很大程度上取决于电动机的性能，所以选择理想的电机结构对于电梯的正常运行起到举足轻重的作用，因此结构的选择非常重要。电梯中常用的电机形式包括：交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机（包括无刷直流电动机）。各种电机的优缺点如下［２］。

１．１直流电机

由于直流电机具有良好的起动性能，能在宽广

2永磁同步电动机的先进控制技术［３］

电梯系统的性能在很大程度上取决于电机性能及其采用的控制模式，所以选择理想电机的控制模式对于电梯的正常运行起到举足轻重的作用。

的范围内平滑而迅速地调速，所以曾被广泛用于电梯系统中。但近几年有刷直流电机的机械换向器限制了功率的提高，给维护和检修带来了极大的困难，同时换向火花所带来的无线电干扰，又会影响曳引驱动系统的正常运行。由于这些缺陷，直流电机在电梯曳引系统中已退出主流。

２．１矢量控制

在逆变器供电情况下，对永磁同步电动机的分

析，通常是采用同步旋转的ｄ，ｑ坐标系统下的

Ｐａｒｋ模型。在此模型中，同步电机的电压、电流和

磁通都可分解为相互解耦的ｄ，ｑ轴分量。对永磁同步电动机的输出转矩的控制，可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。采用矢量控制的交流调速系统，其性能超过直流电机的调速性能。

１．２感应电机

感应电机和其他电机比较，它具有结构简单、

运行可靠、制造容易、成本较低、坚固耐用等优

收稿日期：２００６－０４－０７；修回日期：２００６－０４－１７

作者简介：杨国生（1970-），男，山东淄博人。2003年3月就

读于天津大学，攻读硕士学位。

２．２直接转矩控制

直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的一

种新型的高性能交流变频调速技术。其基本思想是

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应用技术

在维持定子磁链幅值恒定的前提下，通过调整定子磁链在空间的旋转速度，进而调整滑差频率以控制电动机的转矩及转速。该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省略了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。

目前，直接转矩控制主要应用于感应电机，应用于永磁同步电机的研究较少，原因是由于转子结构的差异，使感应电机的直接转矩控制手段不能直接应用于永磁同步电机。另外，直接转矩控制虽然对电机参数的依赖性较小（仅需知道定子电阻），但算法较复杂，否则造成转矩脉动，需在电机设计与控制手段上进行改善。

２．５智能控制

智能控制理论是自动控制学科发展里程中的一

个崭新阶段，与传统的经典、现代控制方法相比，具有一系列独到之处。首先，它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架，不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制。其次，继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性特征；同时，利用计算机控制的便利，可以根据当前状态切换控制器的结构，用变结构的方法改善系统的性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理功能和决策功能。利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等功能来克服交流伺服系统变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性。

目前智能控制在交流伺服系统应用中较为成熟，有模糊控制和神经网络控制，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。

模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法，它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。早期的模糊控制器只是以取代传统ＰＩＤ控制器为目的，鲁棒性虽有所加强，但一般模糊控制器没有积分作用，在传动系统有负载扰动时会出现静差，而增加了积分效应的模糊控制器，虽然相当于变系数ＰＩＤ调节器，可以实现无静差控制，但是单纯地将一个简单的传统模糊控制器用于高精度电机传动系统，还得不到令人十分满意的性能。模糊控制系统只有与其他控制方法相结合，才能获得优良的性能。

神经网络是指用工程技术手段模拟人脑神经的结构和功能的一种信息处理系统。神经网络的研究从２０世纪４０年代初开始，２０世纪８０年代神经网络理论取得了突破性进展，成为智能控制的一个重要分支。神经网络模型用于模拟人脑神经元活动过程，其中包括信息的加工、处理，存储等。神经网络控制在交流传动中的应用主要有以下几个方面：

２．３自适应控制

自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关

模型的信息，使模型逐渐完善，所以是克服参数变化影响的有力手段。自适应控制方法有：模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。这些方法存在的问题是：一是数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化；二是辨识和校正都需要一个过程，对于一些参数变化较快的系统，因来不及校正而难以产生很好的效果。

２．４滑模变结构控制

滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策

略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。它的主要特点是：根据被调量的偏差及其导数，有目的地使系统沿着设计好的“滑动模态”轨迹运动。

这种滑动模态是可以通过设计来完成的，它与系统的参数及扰动无关，它可以使系统具有很强的鲁棒性。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以很容易实现。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题，主要原因是：一是对于实际的滑模变结构系统，其控制力总是受到限制的，从而使系统的加速度有限；二是系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差，对于计算机的采样系统，当采样时间较长时，形成“准滑模”等。所以，在实际系统中抖振必定存在且无法消除，这就限制了它的应用。

１）代替传统的ＰＩＤ控制；

２）由于实际的矢量控制效果对传动系统参数

很敏感，将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整；

３）感应电机矢量控制需要知道

（下转第78页）

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求河床完全消除冲刷，则海漫必须做得很长，这样做既不经济，又无必要。解决的方法通常是在海漫的末端设置下游防冲槽，当下游河床形成最终冲刷状态时，确保海漫不致破坏［４］。所以，在昆都仑河橡胶坝设计中，根据结构防冲要求及洪水泥沙冲刷分析，对４＃橡胶坝下游的防冲工程，用水闸设计经验公式计算，经计算得出，海漫长度需要２２．５～

依据其运行方案，选择合理的设计流量，以便使设计方案更加合理可靠。

参考文献:

[1]中华人民共和国水利部. SL 227-98橡胶坝技术规范

北京:中国水利水电出版社, [S]. 1999.

[2]中华人民共和国水利部. SL 265-2001水闸设计规范

北京:中国水利水电出版社, [S]. 2001.

水利学[北京:高等教育出版社, [3]吴持恭. M ]. 1983. 橡胶坝工程技术指南[北京:中国水利水电出[4]高本虎. M ].

版社, 2004.

太原市水利勘测设计院，山西(

太原

４４．０ｍ。综合考虑可在消力池下游应设３６ｍ的长浆

砌石及干砌石海漫，厚为０．５ｍ，海漫后设长１０．０

ｍ、深１．６ｍ的防冲槽。

总之，消能防冲设计关系到橡胶坝工程能否安全、稳定、有效的运行，因此，针对具体的工程，

030002)

赵

娟）

（责任编辑

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄｓｃｏｕｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＲｕｂｂｅｒＤａｍｏｎ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄｓｃｏｕｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｒｕｂｂｅｒｄａｍｏｎＫｕｎＤｕＬｕｎＲｉｖｅｉｎｔｈｅｃｉｔｙｏｆＢａｏｔｏｕ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｈｏｏｓｅｏｆｄｅｓｉｇｎｅｄｄｉｓｃｈａｒｇｅａｎｄｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｗｈｅｎｆｌｏｏｄａｃｒｏｓｓｒｕｂｂｅｒｄａｍ．

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（上接第75页）

转子磁通的瞬时幅值与位置，无速度传感器矢量控制还需要知道转速，神经网络被用来精确转子磁通幅值、位置及转速；

耗、噪声和电磁干扰等方面也有相应要求。无机房和小机房、无齿轮、电磁兼容性、远程监控等技术将是电梯工业今后的主要研究方向。

参考文献：

电梯控制技术[北京:机械工业出版社, [1]李惠异. M ], 2003:

４）结合模型参考自适应控制，将神经网络控

制器应用于自适应速度控制器。

虽然智能控制用于交流传动系统的研究已取得了一些成果，但是有许多问题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能（如稳定性和鲁棒性）缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易产生振荡。

总之，对现代电梯性能的衡量主要着重于安全的可靠性和乘坐的舒适性。另外，对经济性、能

61-63.

于慎波, 徐衍亮. 伺服电机驱动系统的现状及发[2]许家群,

微特电机, 展前景[J ]. 2002(3) :1-2.

永磁同步电动机在无齿轮曳引电梯中的应用前[3]戴玉英.

电机技术, 景[J ]. 2002(3) :2-3. （山西工程职业技术学院，山西

太原

030009）

赵

娟）

（责任编辑

ＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｅａｎｄＰｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓｏｆＤｒｉｖｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＥｌｅｖａｔｏｒ

ＹａｎｇＧｕｏｓｈｅｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｅｌｅｖａｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｅｍｐｈａｓｉｚｅｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆ

Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｓｏｍｅｒｅｌａｔｅｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｑｕｅｓｔｉｏｎｓａｂｏｕｔａｎｅｗｄｒｉｖｉｎｇｍｏｄｅ

ｔｒａｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒａｎｄｉｔｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂｙｔｈｅｐａｐｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ；ｆｉｅｌｄｏｒｉｅｎｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ；ＤＴＣ

ｗｉｔｈｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｈａｖｅｂｅｅｎｓｕｍｍｏｎｓｅｄ．