(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030619)

引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，全國范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)規(guī)模不斷增大，為了提高土地的利用率，高層建筑隨之增加。因此，電梯行業(yè)得到了迅速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模得到了進(jìn)一步提升。我國電梯行業(yè)的特點是：起步晚，技術(shù)能力和自主研發(fā)能力薄弱，電梯控制的關(guān)鍵技術(shù)被國外所壟斷，外資及國外生產(chǎn)廠家掌握著電梯控制的前沿技術(shù)，如三菱、日立、奧的斯等企業(yè)，國內(nèi)的大部分市場，特別是中高端市場主要被這些廠家所占據(jù)。國內(nèi)自主研發(fā)和生產(chǎn)的電梯公司缺乏核心競爭力，在生產(chǎn)制造方面以零部件的生產(chǎn)為主，對于控制系統(tǒng)方面研發(fā)偏少，為了提高電梯的控制技術(shù)，我國正積極推進(jìn)控制系統(tǒng)的自主研發(fā)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

市場上現(xiàn)有的電梯主要有臺箱式和自動扶梯兩種，自動扶梯的用途面窄，主要用于商場，臺箱式電梯主要用于樓層較高的大廈。電梯節(jié)能的關(guān)鍵在于控制，基于永磁同步曳引機垂直升降電梯節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計是本文研究的重點。電梯控制系統(tǒng)的主要功能與結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，此次所設(shè)計的電梯控制系統(tǒng)主要由電梯門廳、電梯井道以及控制機房三部分組成。門廳是電梯與用戶之間建立交互聯(lián)系的地方，主要由電梯門框等機械結(jié)構(gòu)部分和電梯呼叫按鈕、電梯運行指示燈等電氣控制部分組成；機械結(jié)構(gòu)部分用于承載客人或者貨物；電氣控制部分用于呼叫電梯以及控制電梯的運行、顯示電梯的運行狀態(tài)等，所有的控制部分均由控制機房來實現(xiàn)。

1.2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案

如何驅(qū)動是實現(xiàn)電梯節(jié)能的關(guān)鍵，此次設(shè)計的節(jié)能控制系統(tǒng)，能夠?qū)㈦娞葸\行時的反饋能量充分應(yīng)用于電梯曳引機的驅(qū)動控制，該系統(tǒng)的優(yōu)點在于通過儲能裝置回收電梯的能量，從而解決控制系統(tǒng)中的節(jié)能系統(tǒng)驅(qū)動能量的問題，儲能裝置主要由超級電容組成。驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)是整個驅(qū)動系統(tǒng)的核心部分。由圖2可知，主控部分主要包括電源、DSP芯片、FPGA處理芯片、信號的采集處理、通訊、隔離以及輸出等部分組成。其主要功能為：接受工作指令(包括門廳指令、急停指令、報警指令等)、獲取電梯運行信息、輸出控制指令，同時根據(jù)具體情況及預(yù)先內(nèi)置的控制邏輯作出相應(yīng)的決策，實現(xiàn)超級電容模組。

1.2.2 驅(qū)動子系統(tǒng)

驅(qū)動子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)節(jié)能實現(xiàn)的關(guān)鍵所在。目前主流的設(shè)計方法是交-直-交，因此，此次驅(qū)動系統(tǒng)也采用了該方法，主要包括整流、逆變和信號采集等部分，利用市電的380 V交流電為電梯曳引機供電，具體如下：

(1)整流模塊。將電網(wǎng)輸入的380 V三相交流電進(jìn)行整流，獲得540 V的直流電到直流母線。

(2)逆變模塊。通過DSP模塊的輸出的PWM波對直流母線上的電源進(jìn)行逆變，變換為所需要的交流電，從而驅(qū)動曳引機。

(3)信號采集模塊。為了精準(zhǔn)控制電梯的運行，系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制，實時檢測驅(qū)動系統(tǒng)的電壓和電流，并作為DSP的輸入信號，根據(jù)芯片的內(nèi)置程序進(jìn)行邏輯運算，并根據(jù)運算結(jié)果反饋補償電梯的運行控制信號。

1.2.3 節(jié)能系統(tǒng)

節(jié)能系統(tǒng)主要包括直流變換器模塊和傳感器模塊。其主要功能是完成節(jié)能的任務(wù)。首先是把電梯反饋的能量進(jìn)行儲蓄，這主要是在電機制動過程中完成的，在電機工作狀態(tài)時，把儲存的能量回饋，保證母線電壓可以保持在穩(wěn)定區(qū)間，并且可以實現(xiàn)能量的雙向流動。

(1)Buck-Boost變換器模塊。超級電容的充放電功能由此實現(xiàn)。主要是通過控制模塊輸出PWM波形實現(xiàn)在Buck電路和Boost電路之間的轉(zhuǎn)換。

(2)傳感器模塊。包括電壓傳感器和電流傳感器，可以采集雙向直流兩側(cè)電壓、電流信號，作為DSP控制芯片的反饋輸入信號，從而控制驅(qū)動系統(tǒng)的輸出。

2 電梯節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

主控制系統(tǒng)是電梯驅(qū)動系統(tǒng)的的核心，主要用于接收工作指令、采集電壓電流信號、輸出速度控制信號，同時通過變換器和傳感器實時監(jiān)控電梯的運行情況并對電容進(jìn)行充放電控制。DSP芯片運算速度快，數(shù)據(jù)處理量大，因此，控制系統(tǒng)采用DSP芯片控制、FPGA芯片輔助運算與通信的控制模式。DSP芯片由兩塊芯片組成，一主一從，主芯片用于整體控制，從芯片用于曳引機控制。FPGA作為輔助的運算工具，處理運算過程中的邏輯判斷工作和數(shù)據(jù)通信工作。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

電梯的運行由驅(qū)動系統(tǒng)直接控制，曳引機是電梯運動的輸出機構(gòu)，是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。在驅(qū)動系統(tǒng)的內(nèi)部，首先通過全橋整流模塊，將三相交流電整流為直流，然后通過控制系統(tǒng)輸出的PWM波形對直流電進(jìn)行控制輸出，從而獲得頻率可變的交流電，實現(xiàn)曳引機的控制。為了保障曳引機的控制穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)擬采用閉環(huán)控制，通過電流傳感器監(jiān)測曳引機的工作電流，從而實時掌握曳引機的工作狀態(tài)。

2.3 節(jié)能系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

Buck-Boost變換器為節(jié)能系統(tǒng)的核心部分，其作用是對節(jié)能模塊進(jìn)行充放電。變換器由主控制系統(tǒng)控制，主控制系統(tǒng)根據(jù)曳引機的工作狀態(tài)和運行情況，作出邏輯判斷，輸出變換器的控制信號。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，主控制器會輸出切斷信號，將節(jié)能系統(tǒng)與直流母線斷開，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3 測試及分析

系統(tǒng)的整體試驗主要包括電梯的運行控制和節(jié)能效率兩方面。在電梯的運行控制方面，通常采用“S”形速度曲線對電梯的運行速度進(jìn)行控制，從而保證電梯內(nèi)人員的舒適性和電梯本身運行的安全性。

在控制試驗時，分別將電機的勻速運轉(zhuǎn)速度設(shè)置為20 r/min、50 r/min和100 r/min，根據(jù)電梯曳引機輪子的半徑(0.25 m)計算出電梯運行的線速度分別為：0.52 m/s，1.37 m/s和2.61 m/s。利用試驗塔監(jiān)測上位機對電梯的速度進(jìn)行跟蹤觀察的曲線得知：在加速和勻速階段速度跟蹤能夠滿足要求，即運行速度和輸出控制的理論云速度能夠匹配。

節(jié)能效率分析是在電梯運行10次的情況下，測量電梯的空載節(jié)能情況。比較在使用節(jié)能裝置前后的電梯能源消耗。每次試驗過程包括以下步驟：開門、關(guān)門、電梯上行5層，開門、關(guān)門、電梯下行5層，開門。通過上位機觀察，使用節(jié)能裝置前，電梯系統(tǒng)的最大電流為19.8 A，電力消耗為0.140 kW·h；使用節(jié)能裝置后，電梯系統(tǒng)的最大電流為13.2 A，電能消耗0.100 kW·h。通過計算可知，采用節(jié)能裝置控制之后，系統(tǒng)的電力消耗下降了28.6%。

由此可見，采用了此次設(shè)計后，電梯系統(tǒng)在節(jié)能和控制方面都取得了較大改善。

4 結(jié)語

通過對電梯驅(qū)動系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，制定出電梯驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案，闡述了驅(qū)動系統(tǒng)的組成部分及其作用，并進(jìn)行了硬件設(shè)計，包括主控、驅(qū)動和節(jié)能部分，最終通過對驅(qū)動系統(tǒng)的整體測試，驗證了該系統(tǒng)在電梯運行控制和電力節(jié)能方面的優(yōu)越性。