摘 要：直線電機可以不用借助任何中間轉換結構把電能轉變成直線運動，與傳統(tǒng)的方式相比，具有噪音低、無磨損、無接觸、結構簡單、速度快、精度高等方面的優(yōu)點?；诖吮疚膶χ本€電機的發(fā)展及其在電梯行業(yè)的應用進行探討，闡述了直線電機在電梯中驅動系統(tǒng)、門機系統(tǒng)的應用前景，為工程技術人員對直線電機的研發(fā)指明了方向。

關鍵詞：直線電機；電梯；應用

傳統(tǒng)的電梯曳引系統(tǒng)和門機利用交流旋轉電機進行工作，為了實現(xiàn)電梯門的開和關，需要借助一些比較復雜的轉動機構來把旋轉運動的電機轉變成直線運動。就電梯的曳引驅動系統(tǒng)而言，無論是交流電機蝸輪蝸桿驅動系統(tǒng)或是交流調(diào)速系統(tǒng)、或是永磁馬達調(diào)速系統(tǒng)，因為交流電機響應速度慢，控制起來比較復雜，無法滿足未來對電梯性能的要求。而直線電機因為其結構的特殊性，不易被環(huán)境影響，受到了行業(yè)的廣泛關注，正逐漸成為主流的電梯產(chǎn)品。

1.直線電機的發(fā)展和研究情況

1.1.直線電機的發(fā)展史

直線電機的概念是在1840年被提出來的，距今有一百多年的歷史?？梢詫⑵浒l(fā)展史大致分成三個階段，分別為：探索實驗階段、開發(fā)應用階段和實用商品化階段。其中第一個階段指的是直線電機的探索和實驗階段，在這個階段直線電機的設計還存在一定的問題，也沒有找到直線電機合適的應用領域，因此直線電機一直沒有被廣泛使用。在開發(fā)階段科學家在直線電動機研究的基礎上，取得了非常大的研究成果，發(fā)表了一些比較系統(tǒng)的電機類著作和文章，極大的推進了直線電機的發(fā)展，同時也引起了廣大研究人員對直線電機的重視[1]。從1971年開始對直線電機進行了獨立應用，在這個階段，研究人員選擇了出了適合直線電機使用的途徑，各種各樣的直線電機被廣泛的推廣，研究出了非常多的具有使用價值的產(chǎn)品，比如沖壓機、空壓機、煤機等。

1.2.近年來國內(nèi)外對直線電機的研究情況

近年來，直線電機得到了迅速的發(fā)展，很多人都開始對直線電機進行研究。國際上很多公司也逐漸開始研發(fā)直線電機類的產(chǎn)品，比如日本的三井精機公司、美國的Koll-morgen公司、各國的Wesitinghouse公司等等。各種各樣質(zhì)量良好的直線電機產(chǎn)品也出現(xiàn)在了人們的視野中。比如Indramat公司研究出了非常完整的直線電機系列，其中包含了封閉式異步直線電機和無罩殼異步直線電機。在直線電機的控制系統(tǒng)中設置了非常標準的接口，可以更好的保證各種景觀改型的程序控制器和數(shù)字變換器相兼容。

我國對直線電機的研究發(fā)展比較晚，大概是從70年代發(fā)展起來的。不過在國外直線電機使用潮流的影響下，我國國內(nèi)也出現(xiàn)了很多直線電機開發(fā)使用的單位，例如浙江大學、沈陽工業(yè)大學、浙江大學、西安交通大學等。我國第一個直線電機研究所在浙江大學誕生，并且此研究取得了非常不錯的研究成果。目前我國在直線電機方面的研究成果主要有摩擦壓力機、沖壓機、礦山運輸系統(tǒng)、直線電機驅動門、自動繪圖儀等[2]。這些產(chǎn)品已經(jīng)得到了應用推廣。本文主要對直線電機在電梯行業(yè)的應用進行探討。

2.電梯行業(yè)中直線電機的應用

2.1.電梯控制系統(tǒng)的基本要求

因為電梯是一個需要頻繁制動和起動的設備，在運行的過程中，加速時間和減速時間占據(jù)了很大一部分的比例。特別在單層運行時，幾乎完全處于制動和起動的狀態(tài)。如果可以對電梯的制動和起動時間進行降低，就可以極大的節(jié)約乘客的時間。從這個方面來說，在對電梯的運行進行控制時，要對其運行時間進行優(yōu)化。另外，乘客在減速下降和加速上升的時候，在加速度的影響下，會有超重的感覺，人體的器官也受到了更大的重力。會出現(xiàn)頭暈的情況。經(jīng)研究證明，電梯在使用的過程中生理系數(shù)一般要控制到1.31m/s以下。所以，電梯在減速和加速的過程中，要在保證舒適度的基礎上對速度進行控制。除了需要控制運動以外，還需要對通訊、監(jiān)控、顯示等方面的內(nèi)容進行控制。

2.2.電梯運動控制系統(tǒng)方案的設計

一般情況下，可以把電梯控制系統(tǒng)分成拖動調(diào)速系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)兩個方面的內(nèi)容，根據(jù)控制需求的不同，在應用的過程中，要選擇對應的控制芯片。在控制系統(tǒng)中主要有電梯運行邏輯功能的控制、電梯群的監(jiān)控調(diào)度、電梯交通分析的計算三個方面，因此在選擇芯片時要選擇可以同時處理多個任務和有著良好計算能力的芯片，要可以實時的對直線電機進行控制，及時的響應輸入信號。當前拖動調(diào)速系統(tǒng)和操作系統(tǒng)主要是使用微處理器控制的全數(shù)字化電梯控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要是由PLC控制系統(tǒng)或者繼電器控制系統(tǒng)構成，屬于集中控制系統(tǒng)。在使用的過程中，常常需要把控制電路信號、強迫換信號、急?；芈沸盘?、換速和平層信號等發(fā)送到同一個控制器，此控制器在進行邏輯運算后，對此信號進行執(zhí)行。使用控制系統(tǒng)，控制器的運算量非常大，極大的限制了系統(tǒng)的實時響應速度，而且控制器的功能無法進一步進行擴充，線路非常復雜，出現(xiàn)故障后維修非常困難[3]。特別對于高層電梯來說，有非常多的信號線，維修起來就更加麻煩了。

而直線電機電梯使用全數(shù)字微處理器對系統(tǒng)進行控制，對調(diào)速的問題進行解決。根據(jù)實際的控制需求，對應的選擇處理器。比如在對電梯門廳進行簡單的控制操作時，可使用51系列的芯片，如果有多個控制任務和電梯群控需求，可以使用ARM控制芯片。使用微機控制系統(tǒng)可以對電梯進行群控管理，對電梯進行合理的調(diào)配，提高電梯運行的效率，降低電梯等候的時間，節(jié)省電能。為了對系統(tǒng)的可靠性進行提升，可以使用無觸點的邏輯線路，維修費用不高，產(chǎn)品質(zhì)量非常不錯。有較常大的靈活性，可根據(jù)實際需求對控制程序進行改變，當出現(xiàn)故障時，可以對故障進行顯示，使維修變得更加的容易，對電梯的運行效率進行提升，降低故障的時間。拖動調(diào)速控制系統(tǒng)通常由80c196mc（16位單片機）構成。隨著控制算法的復雜程度逐漸提升，16位單片機逐漸被性能更高的DSP芯片取代，這種控制系統(tǒng)主要是由電流檢測、電壓檢測、速度檢測等參數(shù)構成。

2.3.硬件平臺的搭建

2.3.1.主控系統(tǒng)的搭建

在早期對電梯進行控制、管理和測量的過程中，主要使用高檔的單片機來實現(xiàn)，單片機在應用的過程中會受到資源和速度的限制，很難實現(xiàn)電梯的通信管理、人機界面、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采樣和控制的任務。為了更好的將電梯控制系統(tǒng)的任務完成，就需要應用嵌入式系統(tǒng)。目前DSP處理器和32位數(shù)據(jù)處理的ARM核處理器是兩種比較重要的嵌入式系統(tǒng)的處理器。因為在對電梯控制系統(tǒng)進行控制的過程中，控制、管理和數(shù)據(jù)通信是幾個非常重要的方面，因此ARM是非常不錯的選擇。ARM主要是由一片ARM9芯片構成，通過在嵌入式操作系統(tǒng)中進行應用可以將電梯運行的指令發(fā)送到拖動控制系統(tǒng)，達到橋廂控制系統(tǒng)和各門廳控制系統(tǒng)串行通信的目的，將電梯的運行狀態(tài)和轎廂的位置發(fā)送到各個門廳控制系統(tǒng)，為了方便對電梯進行調(diào)度和群控，可以和監(jiān)控PC進行連接。控制系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的總體結構圖

2.3.2.拖動控制系統(tǒng)的搭建

直線電機驅動的無繩電梯和傳統(tǒng)曳引式電梯相比，不需要進行配重，不需要一個專門的機房來安裝驅動電機，可以節(jié)省大量的空間，在安裝的過程中，直線電機驅動無繩電梯不需要使用很長的鋼絲繩，使用的機械部分非常簡單，在運行過程中故障點非常少，電梯安裝起來非常簡單，維護工作比較少。在搭建拖動控制系統(tǒng)的時候，主要使用DSP芯片。和其他處理器相比，DSP芯片更加適合對數(shù)字信號進行處理，DSP芯片主要是由一片TI的DSP芯片構成，主要具有下面幾個方面的功能：（1）可以根據(jù)信號，進行運行邏輯的判斷，對車廂位置和實際速度進行計算。（2）可以檢測主回路電壓電流的信號，可以對井道位置和光電旋轉編碼器位置的信號進行接收。（3）通過控制直接推力，來對變頻調(diào)速進行控制，實現(xiàn)速度閉環(huán)、電流閉環(huán)和位置閉環(huán)，更加精準的對電梯的運行進行控制[4]。（4）對各種故障進行處理，比如功率模塊故障、上下沖頂、消防運行等。（5）實現(xiàn)橋廂控制系統(tǒng)的串行通信對轎廂位置的運行狀態(tài)信息和位置進行發(fā)送。所以拖動控制系統(tǒng)主要使用DSP芯片進行搭建。

2.3.3.廳門和轎廂控制系統(tǒng)的搭建

在對廳門和轎廂控制系統(tǒng)進行搭建的時候，要使用三角載波和正弦波進行比較，然后產(chǎn)生PWM脈沖序列，當正弦波小于三角載波時，對應的開關器會關閉，當正弦波大于三角載波的時候，對應的開關器件會處于連通的情況，產(chǎn)生的脈沖序列會對逆變器的功率開關器件進行控制。通常情況下，廳門和轎廂系統(tǒng)的結構大致相同，可以使用PHILIPS的LPC941x系列的單片機組成控制系統(tǒng)，其中LPC941X可以在成本要求低、集成度要求高的場合進行使用，可以對各種性能要求進行滿足。只需要2～4個時鐘周期，就可以將指令執(zhí)行完畢，不僅可以極大的降低元件的數(shù)目，而且還可以有效的降低系統(tǒng)的成本。在LPC940x中，內(nèi)置了LCD段驅動器。具有spI、nc、uart接口。

3.結語

總而言之，直線電梯是未來電梯的主要發(fā)展方向，就目前對直線電梯的開發(fā)而言，大噸位（譬如美國對航空母艦戰(zhàn)斗機的提升系統(tǒng)）、多轎廂（在一個井道布置若干個電梯轎廂）對直線電梯的開發(fā)具有誘人的應用前景；在直線電梯應用的過程中，直線電機的控制是非常關鍵的一個問題。在直線電機控制理論的不斷發(fā)展下，在材料科學不斷發(fā)展的今天，隨著永磁材料成本的降低，在不久的將來，直線電機的潛能會更加充分的被挖掘出來。

參考文獻：

[1]葉云岳.直線電機原理與應用[M].機械工業(yè)出版社，2000，6.

[2]周勇.直線電機驅動電梯門機及其控制系統(tǒng)[D].浙江：浙江大學，2006，2.

[3]郎東革.電梯門機控制系統(tǒng)的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2007，3.

[4]管小川.無刷直流電機在電梯門機系統(tǒng)中的控制原理[J].魅力中國，2010（02）：78-79.

作者簡介：

朱廣慧（1965-）男，河南鄭州人，高級工程師，大學本科，研究方向：電氣控制。