【毕业设计论文】观光电梯的电气控制系统设计说明书【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕业设计说明书 观光电梯的电气控制系统设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 观光电梯的电气控制系统设计 摘要：本设计电梯采用了线性调速的调压调频调速 (VVVF)技术，并且 VVVF 电梯采用 PLC 控制，有完善的自检测、自诊断、自保护功能，因而十分安全可靠。而且本电梯是按照理想 的电梯运行曲线，通过矢量控制软件对电动机进行精确调节，因而电梯平稳、舒适。另外， 本设计采用交流调压调频调速与同规格的传统电梯相比，可节能 40%。 本设计还重点研究了电梯门机拖动控制系统的设计，包括两大部分即硬件设计和软件设计， 使其运行安全可靠、性能稳定。本设计的门拖动控制系统采用了当前最新的永磁同步伺服系 统，这是本设计的重点和创新点。 本设计的研究成果若在实际电梯工程中得到应用，必将取得良好的经济效益和社会效益。 关键词：调压调频调速，可编程控制器（PLC） ，永磁同步电机，电梯门机 Sightseeing lift the elrctrical control system design Abstract：The design elevator has adopted the VVVF that varies motors speed linearly.Because the VVVF elevator controlled by PLC has the perfect self- inspection, self- diagnosis,and self- protection, it is perfect safety and very refability.Also the elevator complies with the ideal elevator running curve, and the motor is accurately adjusted by the vector control software, so it is more comfortable. In addition, the VVVF elevator is 40% more power saving than the traditional one. This design also studies the design of the elevators door- motor control system, includes two part hardware design and software design, make it a stable and reliable door- motor controlling system. The door- motor control system of this design adopts the newest Permanent Magnet Synchronous Motor, which is a important and newest point. The research mentioned in this design if applied to the elevator project, will win economic and 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 social benefit well. KEY WORDS:VVVF，PLC, elevator, Permanent Magnet Synchronous Motor, elevator door- motor 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 目 录 第一章 引言 1 1 . 1 创新设计 1 1 . 2 技术要求 1 第二章 电梯拖动系统方案设计 3 2 . 1 电梯门拖动系统方案的创新性设计3 2 . 1 . 1 电梯门机系统简介3 2 . 1 . 2 电梯门拖动系统方案设计4 2 . 2 电梯主拖动系统方案设计1 0 2 . 2 . 1 单、双速交流电动机拖动系统1 0 2 . 2 . 2 交流电动机定子调压调速拖动系统1 0 2 . 2 . 3 直流发电机- 电动机可控硅励磁拖动系统1 0 2 . 2 . 4 可控硅直接供电拖动系统1 1 2 . 2 . 5 V V V F变频变压调速拖动系统1 1 第三章 电梯控制系统方案设计1 3 3 . 1 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较1 3 3 . 2 PLC 控制系统与计算机控制系统的比较 1 5 3 . 3 电梯控制系统方案设计 1 6 第四章 控制系统框图的设计1 7 4.1 电梯控制系统原理框图设计17 4.2 电梯控制系统硬件结构框图设计1 7 第五章 主要器件的选择1 8 5 . 1 门拖动主要元器件的重点选择 1 8 5.1.1 永磁同步伺服系统的重点选择1 8 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 5 . 1 . 2 变 频 器 的 选 择 2 1 5.1.3 旋转编码器的选择 2 1 5.1.4 可编程控制器的选择2 1 5 . 2 主拖动主要元器件的选择2 2 5.2.1 曳引电动机的选择 2 2 5.2.2 主拖动变频器的选择2 2 5.2.3 旋转编码器的选择 2 4 5.2.4 光电开关的选择2 5 5.2.5 可编程控制器的选择2 6 5 . 3 其他元器件的选择2 6 5.3.1 交流接触器的选择 2 6 5 . 3 . 2 电 梯 空 调 的 选 择 2 7 5 . 3 . 3 红外光幕的选择 2 8 5 . 3 . 4 语 音 报 站 钟 的 选 择 3 0 第六章 硬件设计 3 2 6 . 1 门拖动 I / O接口电路设计3 2 6 . 2 主拖动 I / O接口电路设计3 2 第七章 系统软件设计3 4 7 . 1 门拖动控制系统软件设计3 4 7.1.1 门拖动控制系统原理3 4 7.1.2 门拖动控制系统软件设计3 4 7 . 1 . 3 软 件 调 试 3 5 7 . 1 . 4 小结 3 5 7 . 2 主拖动控制系统软件设计3 5 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 7.2.1 主拖动控制系统原理3 5 7.2.2 主拖动控制系统软件设计3 6 7 . 2 . 3 程 序 设 计 说 明 3 7 第八章 总结4 1 参 考 文 献 42 致谢 4 3 第一章 引言 舒适的电梯系统应该有较短的候梯时间，门运行快捷、安静，使乘客不会觉得候梯和运 行时间过长，因此，高效的电梯应该有一个良好的门机驱动系统。基于以上考虑，本设计将 重点研究门控系统，计划采用目前最先进的永磁同步门控系统。 观光电梯井道和轿箱一般为太阳直射，热量在井道内聚集，在夏季温度较高时，电梯内 温度远远高于人的舒适温度。在观光电梯内安装空调是必然的选择，这也是本设计人性化设 计之一。 本观光电梯为某大型商厦设计，周围环境嘈杂，计划安装语音到站钟，用于中（英）文 报上行、下行、超载等语音，为乘客提供优美的到站提示音，体现个性化设计。另外，为安 全考虑，还应设计好入口安全保护系统，计划安装红外线光幕式保护装置，以保证乘客安全。 1 . 1 创新设计： （1 ）永磁同步门控系统：目前最先进的门控系统，充分体现了本观光电梯的高档性。 （2 ）入口安全保护：将安装红外线光幕式保护装置，以提高安全可靠性。 （3 ）电梯专用空调：观光电梯内安装空调，满足人性化设计要求。 （4 ）语音到站钟：在嘈杂的商厦中，大功率语音报站钟是个性化的设计体现 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 本设计的电梯要求为某大型商场的观光电梯(panoramic lift;observation lift)。因为乘客一 般希望在轿内多逗留片刻，以观赏轿外风景，所以不要求高运行速度，以低于同类客梯的速 度为宜，故可 v=1m/s。楼层数为 10 层；额定载重量为 800kg。 1.2 技术要求： 1、电梯停止运行后，经预定时间自动关闭通风装置和空调。 2、考虑商场嘈杂，人性化的设计语音到站钟。 3、入口安全保护 。 为保证乘客安全，应设有入口安全保护，例如安装红外线光幕式保护装置。 4、防超载装置。 当电梯载重量超过额定载重量时，电梯停止运行并将门开启，同时警告铃响起警示，直 到乘客疏散到额定范围后继续运行。 5、超速保护系统 。 当电梯下降运行，速度超过额定速度 1.3 倍时，便自动切断控制电源，超过额定速度 1.4 倍时，限速器? ? 安全钳动作，防止轿厢继续下滑，可靠地制停。 6、轿内指令的登记与清除。 7、轿外召唤的登记与清除。 有司机状态下，厅外召唤不参与选向而由司机控制。无司机状态下，轿内指令具有优先 权，即电梯停靠后，从电梯自动开门开始到自动关门结束前，轿内指令优先与召唤信号。这 段时间内，召唤信号不参与选向控制。 8、自动开关门 电梯到达预定层并停靠后应自动将门打开。电梯未平层后运行时，开门按钮和关门按钮 均不起作用。有专职司机状态下，按下关门按钮，关门后自动运行；无专职司机状态下，延 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 时后自动运行。 9、楼层指示。电梯运行层显示为数字显示。 10、自动选向 电梯应根据所处楼层和轿内指令确定的目的楼层（无司机状态还应包括召唤信号 确定的目的楼层）自动的选择运行方向。实现顺向截车和最远层站的反向截车。 11、自动运行。运行过程中的加速、减速等速度变化应该自动进行。换层、平层等位置 控制应该采用较、先进的相对计数方式。 12、应具有各种相应的安全保护以及报警、照明等功能。如电梯具有消防运行控制，具 有超载不开电梯功能，具有防夹人功能等。 13、电梯运行状态由三挡位钥匙开关实现。电梯运行状态由司机，无司机和检修三种状 态组成。检修状态时，点动控制开门，电梯慢速点动上下，以利于维修。 14、在电梯轿厢运行过程中，轿厢上升（后下降）途中，任何方向下降（或上升）的外 呼梯信号均不响应，但如果某反向外呼梯信号前方再无其他内、外呼梯信号时，则电梯响应 应该外呼梯信号。 15、电梯应当具有最远反向外呼梯响应功能。如，在电梯轿厢在一楼，而同时有二层向 下外呼梯信号。 16、设置停电时电梯就近平层和开门装置。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第二章 电梯的电力拖动系统方案设计 电力拖动系统是电梯的动力来源，它驱动电梯部件完成相应的运动。在电梯中主要有如 下两个运动：轿厢的升降运动，轿门及厅门的开关运动。轿厢的运动由曳引电动机产生动力， 经曳引传动系统进行减速、改变运动形式（将旋转运动改变为直线运动）来实现驱动，其功 率在几千瓦到几十千瓦，是电梯的主驱动。轿门及厅门的开与关则由开门电动机产生动力， 经开门机构进行减速、改变运动形式来实现驱动，其驱动功率较小（通常在 200W 以下）， 是电梯的辅助驱动。本部分内容主要是电梯的电力拖动系统方案设计。 2 . 1 电梯门机拖动系统方案的创新性设计 2.1.1 电梯门机系统简介 在电梯系统中，为了使其能够正常工作，也为了提高电梯系统的可靠性一般在电梯系统 中都有一些附属装置，电梯门机系统即是其中一个。舒适的电梯系统应该有较短的候梯时间， 门运行快捷、安静，使乘客不会觉得候梯和运行时间过长，因此，高效的电梯应该有一个良 好的门机驱动系统。 在电梯中，门机系统的主要任务是接收来自上位管理与调度系发送的门机控制信号，驱 动门电动机运行，以控制电梯轿厢门和厅门的联动开关。电梯门机系统主要由门电动机、门 电动机控制器、门电动机驱动装置、门结构(门系统机械部分)、安全检测系统、大厅内乘客 监测系统等组成。下面简单介绍各个组成部分及其速度曲线和运行过程。 (1) 梯门电机控制系统这部分主要由门电机控制器、门电机驱动装置以及门电动机等组 成。其中门电机控制器主要用来控制门电机，使其沿给定门机曲线运行，以快速、安静、准 确的开关电梯轿厢门和厅门。这部分如同一个小型的电机拖动控制系统。 (2) 电梯的门结构此部分主要由门扇、导轨、厅门门锁等构成，目前主要采用单扇门和 中分门两种结构。为了提高门系统的快捷性，高性能的电梯系统多采用中分门结构。其中门 扇必须具有坚固、防火的特点；导轨用来支撑门扇，故必须表面光滑、坚固且足够大，以便 门扇可靠的移动；厅门门锁必须满足安全要求，当门扇到达关门点时应及时的锁住门。这部 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 分对乘客安全非常重要。 (3) 安全检测在电梯控制系统中，为了避免乘客被正在关闭的门扇伤害，在门系统中大 都设置安全检测系统，以检测关门时是否还有乘客从电梯门上通过。当轿厢门正在关闭时， 如果此时有乘客欲进、出入电梯轿厢(包括乘客位于轿厢门前某段距离或乘客阻挡轿厢门关 闭)，则轿厢门应该停止关闭，且重新打开。轿厢门打开则不必有此过程。目前的安全系统主 要大都采用光电式装置(如光敏元件)，也有的采用电磁式装置。 (4) 大厅内乘客检测系统在一些高性能的电梯系统中，都设置了大厅内乘客检测装置， 确定乘客是否全部进入电梯。当乘客或物体仍在门检测区域内时，电梯的门系统能自动延时 关门，确保乘客全部进入电梯。目前主要采用光电装置和红外光幕保护装置来检测乘客或物 体。有的门机系统还采用热敏电磁装置和图像采集系统检测乘客或物体，由于受到性能和成 本的限制，应用的并不多。 (5) 门过载保护装置有的门系统设有门过载保护开关装置，当电梯在开关门过程中，因 轿厢门受阻而导致动作力矩过大，梯门会自动向反方向动作，从而达到保护门电机的作用。 (6) 速度曲线及运行过程电梯门机系统的速度曲线如图 1- 1 所示。 速度曲线大致可分为四 个阶段：加速阶段、匀速阶段、减速阶段和厅门锁定阶段。t l - t 2 时间段为加速阶段；t 2 - t 5 为匀速阶段；t 5 - t 6为减速阶段；t 6 - t 7 为门锁定阶段。以关轿厢门为例，在 t 1 时刻，门电 机得到控制信号(一般为脉冲信号)，经过一段时间延迟，轿厢门开始动作，一直到 t 2 时刻， 此段时间为加速阶段，其运行距离一般较短。从 t 4开始到 t 5时刻，为匀速阶段。此时，如 果有乘客在轿厢门前一定距离内或者在门扇中间阻挡轿厢门的关闭，则电机得到一个脉冲信 号，则电机提前进入减速阶段，如 t 3 - t 4时刻所示，然后反转，轿厢门重新打开。直到全部 乘客进入轿厢， 从时刻 t 5 开始进入减速阶段。 在 t 6 时刻， 轿厢门实际已经关闭。 在 t 6- t 7 的 门锁定阶段电机继续转动， 轿厢门被压紧， 门刀关门同时通过机械结构关闭厅门直到 t 7 时刻， 电机停止转动，门关闭过程结束。 1 v 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 1- 1 电梯门机运行速度曲线 以上简要叙述了电梯门系统的组成和功能。在电梯门系统中，还有一个重要的问题就是 门保持时间的选择。因为门的保持时间过长，会影响电梯的运行效率，而保持时间过短又不 能保证乘客全部安全的进入轿厢。因此应对门保持时间进行很好的选择：在保证乘客全部安 全进出电梯的情况下，尽可能的缩短电梯开关门时间。 2.1.2 门机拖动系统方案设计 电梯门机拖动系统作为一个子系统，相对整个电梯系统来说，是不容忽视的。它是电梯 系统中动作最频繁，也是直接面对乘客的部分。因此在实际应用中需要一个运行安全可靠、 性能稳定的电梯门机控制系统，其设计就显得尤为重要。 一、各种门机拖动系统的比较 门机拖动系统从电流型式上分为直流调速拖动和交流调速拖动两大类，在交流调速拖动 中，异步电动机门机调速拖动系统和同步电动机门机调速拖动系统已发展成为占有相当比例 的两类调速拖动系统。目前有三大类门机拖动系统：直流电动机门机拖动系统、异步电动机 门机拖动系统、永磁同步门机拖动系统。 最老式的用传统直流电动机调速的电梯门机一般由电动机配以继电器、限位开关和电 阻实现开关门的控制，由于控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速系 统领域里占统治地位。但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量 大，经常因火花大而影响生产；机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度;接 v 1 v 2 v 2 t 1 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场合；电枢在转子上，电动机效率低，散热条件 差，冷却费用高，这些固有的缺点限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。 在交流电网上，因异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简 单等优点，所以长期以来，在不要求调速的场合，异步电动机占有主导地位，例如风机、水 泵、普通机床的驱动中，人们广泛使用交流异步电动机来拖动机械工作。但是，它调速性能 差，起动转矩小，过载能力和效率低，并且在这类拖动中，其旋转磁场的产生需从电网吸取 无功功率，故功率因数低，轻载时尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗，无形中损失了大 量电能。 当前，电梯门机控制系统主要有由交流电机及其 VVVF 调速系统构成的， 也有少数由 直流电机及其调速系统构成的。这些系统均有其固有的缺陷。除整套系统的成本较高外，前 者虽然体积小，寿命长，但控制较复杂，对控制系统中的处理器性能要求较高，而且如果为 同步电机，在带载情况下还易出现失步现象。而后者尽管控制简单，但直流电机体积大，维 护困难，寿命短，电刷结构带来电磁火花，易形成干扰。这些缺陷在电梯实际运行中就表现 为电梯门开关不正常，维护工作量大等困扰操作人员的问题，进一步可造成严重经济损失甚 至人身伤害。 相对而言，永磁同步电机结合了直流电机与交流同步电机的优点，具有体积小，寿命长， 控制简单，调速精度高，且不会失步的特点。而且，从提高效率，节约能量方面看，永磁同 步电机也有优势。据报道，美国 55%以上的电力是消耗在电动机运行上，因此提高电动机的 效率很有意义。在所有类型电机中，永磁同步电动机的损耗最小、效率最高。有资料做过对 比分析，对于 7.5kW 的异步电机系统效率可达 86.4%，但是同样容量的永磁同步电动机效率 可达 92.4%。随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断下降。考虑综 合指标(系统性能、重量、能量消耗等)之后，永磁同步电机的应用正处于上升趋势，其主要 的原因有： （1）高性能永磁材料的发展 1983 年问世的钦铁硼永磁材料，由于其磁特性和物理特性优异，成本低廉且材料来源有 保证 (我国占有世界蕴藏量 8%以上的钦资源)，所以在开发高磁场永磁材料(特别是钦铁硼永 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 磁材料)方面具有得天独厚的有利条件，我国的钦铁硼永磁材料特性水平已达到世界的先进水 平，为永磁同步电机的发展提供了物质基础。 永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取 代传统的电励磁磁极的好处是：简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构， 缩小了转子体积:省去励磁直流电源，消除了励磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝 大多数已采用永磁式结构。 （2）新型电力电子技术器件和脉宽调制 (PWM)技术应用 电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自 1958 年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式 晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合场控器件直至 90 年代出现的第四代 功率集成电路 IPM。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电 路日趋完善，它极大地推动了各类电机的控制。70 年代出现了通用变频器的系列产品，为交 流电机的变频调速创造了条件。同时对同步电动机而言解决了起动问题。对最新的自同步永 磁同步电动机， 高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统中必不可少的功率环节。 （3）电子技术和控制理论的发展 集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，规模集成电路和计算机技术的发展完全 改观了现代永磁同步电动机的控制。随着电子技术的发展，各种集成化的数字信号处理器 (DSP)发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，数字式控制处理芯片的运算能力 和可靠性得到了很大提高，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的 DSP。这使以单片 机为核心的全数字控制系统取代模拟器件控制系统成为可能。计算机技术的应用除了实现复 杂控制规律，便于故障监视、诊断和保护等功能外，还可以用于计算机辅助分析和数字仿真。 集成电路和计算机技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。它们的飞 速发展促进了电机控制理论的发展与创新。70 年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。 这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和 转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动，获得与直流电动机一样良好的动态调速 特性。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 目前，交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻；结构简单，运行可靠；损耗小，效 率高等一系列优点，越来越引起人们重视。永磁电机几乎遍及航空，国防，工农业生产和 日 常生活的各个领域。如汽车工业，电机现以永磁电机为主;数控和精密机床也大量应用永磁电 机;信息产业中永磁电机的应用面广、类型多;家用电器中永磁电机取代异步电机的地方也不 少，如空调器己开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机，洗衣机用永磁直流无 刷电动机带动洗衣桶旋转等。随着高磁场永磁材料价格和电动机转子制造价格降低，以及驱 动系统的理论研究和实践应用的不断完善与提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进 一步的发展及应用。可以毫不夸张地说，永磁同步电动机己从小到大，从一般控制驱动到高 精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而 且前景会越来越明显。 为便于比较，永磁同步电动机与其它电动机的综合特性比较如下表 1- 1。 表 1- 1 三种伺服系统控制方案比较 伺服系统 直流伺服系统 永磁同步伺服系统 异步交流伺服系统 电机结构 有电刷和换向器，结构复杂 比较简单 简单 最大转矩约束 整流火花，永磁体退磁 永磁体退磁 无特殊要求 发热情况 转子发热，不利 只有定子线圈发 热，有利 定转子均发热， 需要采取措施 高速化 稍有困难 比较容易 容易 大容量化 难 稍微困难 容易 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 制动 容易 容易 较容易 控制方法 简单 稍复杂 复杂 磁通产生 永磁体 永磁体 二次感应磁通 环境适应性 受火花限制 好 好 维护性 较麻烦 无需保护 无需保护 以上分析可以看出，在工业应用及民用中，永磁同步电动机在快速性、可控性、可靠性、 体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。但是随着交流伺服 在国内的成熟发展，三相交流电机伺服控制器控制三相永磁伺服电机应用于电梯开门机将是 一大趋势，它是继 VVVF 驱动技术后的、更新一代的驱动和控制技术。 正是在这一背景下，电梯技术的门控电机也逐渐向永磁无刷化方向发展。随着我国国民 经济的蓬勃发展，高层建筑如雨后春鱼般涌现，对电梯的需求就越来越大以及对电梯系统的 性能要求也越来越高。然而，据统计，电梯故障的 75%出在轿门处，即电梯门控系统。 因此 对电梯门控系统，具有相当高的要求。开发硬件体积小、运行可靠、开关快速性、智能化更 高、易维护的门机控制系统是势在必行的，发展永磁同步电动机控制系统是一大趋势，它不 仅能实现了门机的全电动控制(包括检测门位移参数的闭环控制)，而且开关门无碰撞、噪声 小，开关速度快；另外相对于数控机床方面伺服控制系统，伺服控制精度不要求那么高，成 本也相对低很多；同时也采用了限位开关位置检测和光幕传感器，起到多重保护功能；最后 很容易实现门机堵转力矩保护，实现多重保护措施，安全性和可靠性相当高。 二、永磁同步电动机的分类 根据永磁同步电动机变频调速系统的控制方式不同，可将其分为两大类：一类是他控式 变频调速系统；另一类是自控式变频调速系统。他控式变频调速系统中所用的变频装置是独 立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属于速度开环控制系统。他控式变频调速虽然 能够解决永磁同步电机的起动问题，但仍存在失步、振荡等问题，因此永磁同步电机变频调 速系统一般采用自控式运行。 根据逆变器组成器件和工作方式的不同，可将自控式永磁同步电机作如下简单分类：一 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 类电机为晶闸管无换向器电机，又称为负载换向同步电机调速系统：另一类电机称为自控式 永磁同步电动机或者永磁无刷直流电动机。 根据电动机反电势的波形形状又可分为无刷直流电动机(简称 BLDCM)调速系统和三相 永磁同步电动机(简称 PMSM)调速系统两种，它们的区别在于前者的感应电动势为梯形波， 电流为方波，而后者的感应电动势和电流都为正弦波。尽管 BLDCM 有调速系统位置传感器 简单、成本较低、材料利用率高、控制简单等优点，但由于其原理上存在固有缺陷，使得转 矩脉动较大，铁心附加损耗较大，因此只适用一般精度及性能要求低的场合;而 PMSM 不需 要励磁电流，逆变器供电的情况下，不需要阻尼绕组，效率和功率因数都比较高，而且体积 较之同容量的异步电机小，能克服 BLDCM系统的不足，常用于高精度、高性能的场合。 三、PMSM 伺服系统的研究现状 纵观 PMSM 伺服系统的研究现状，国内外在围绕提高 PMSM 性能及性价比目标从不同 角度着手进行了大量的研究和实践，并取得了一些令人可喜的成果；尤其是近年来围绕提高 其伺服控制器性能目标在系统控制策略上作了大胆的探索和研究，提出了一些新的思路，采 用了一些具有智能性的先进控制策略并取得了一些具有实用性意义的成果。 但是 PMSM 自身 就是具有一定非线性、强祸合性及时变性的“系统”，同时其伺服对象也存在较强的不确定 性和非线性，加之系统运行时还受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能 PMSM 伺服系统的控制要求)a)。为此，结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控 制策略”以改进 PMSM 伺服系统控制性能。 随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速、高集成度、低成本的微处理器问世及商 品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的 提高，使复杂的矢量控制得以实现，大大简化硬件，降低成本，提高控制精度，还能具有保 护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参 数和模型也简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。近几年，在先进的 数控交流伺服系统中已采用高速数字信号处理芯片(Digital SignalProcesso:简称 DSP )。目前， 多家公司都推出了专门用于电机控制的 DSP。它的指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具 有适合于矩阵运算的指令，可实时产生平滑的参考信号，适应不同的控制要求，完成系统速 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制算法，并产生高分辨率的 PWM 输出;集成的电机控制所需的外设，如 A/D. 1/O、定时器、PWM 发生器、串口通讯等等，使 得应用 DSP 的系统所需器件很少， 可靠性增强， 且可以满足越来越小型化的要求;在极端环境 温度条件下，仍具有良好的稳定性和线性性，可提供可预计的输出特性。这些特性保证了用 于电机控制的算法，如 PID 控制、矢量控制、滑模变结构控制等可以高速、高精度的完成。 因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服系统是交流伺服系统的重要发展方 向之一。 国外最新推出的高性能交流伺服系统几乎全都实现了数字化，并且都采用了 16 位或 32 位高速信号处理器芯片，有的还采用了运算速度更快的 RISC 芯片。国内在这方面的研制工 作也取得了长足的进步，目前己有全数字化交流伺服系统的系列产品问世。但我国的电机控 制技术，与国外还有很大的差距，并且这种差距又有逐渐增大的趋势。 四、PMSM 伺服系统的发展趋势及意义 永磁同步（PMSM）伺服驱动技术是一门包含着丰富内容的综合性技术，自世界上第一 台伺服控制系统出现以来，伺服驱动技术就一直不断发展，尤其是各种现代控制理论的产生 和广泛的具体应用，一方面为高性能伺服驱动系统的研制提供了理论依据，另一方面也使高 性能伺服系统实现全数字化、智能化、微型化成为可能。高性能伺服系统的发展趋势主要表 现在： (1) 永磁同步电机的应用越来越广泛。永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度大、 效率高、转子消耗小等一系列优点，在医疗器械、仪器仪表、化工轻纺以及家用电器等方面 正得到日益广泛的应用，并且成为新一代的航空，航天和航海用电机，加上我国又是永磁材 料的生产大国。所以，在我国永磁电机的应用有着广阔的发展前景。 (2) 高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。传统控制器的设计通常需要被控对象有 非常精确的数学模型，而永磁电机是一个非线性多变量系统，难以精确的确定其数学模型， 按照近似模型得到的最优控制在实际上往往不能保证最优，受建模动态，非线性及其他一些 不可预见参数变化的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证，所以有 必要研究一种新型的高性能的控制策略，来弥补这种缺陷和不足。随着高性能的微处理器应 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 用于 AC 伺服系统，在控制上由通常所采用的 PID 控制规律，开始转向现代控制理论，如自 适应控制、人工智能、模糊控制、变结构控制、神经元网络等新型控制系统;而且采用高性能 控制策略的控制系统具有很好自适应能力和抗干扰能力，能够在参数时变及干扰等恶劣的工 况下保证系统良好的动态和稳态性能。 (3) 伺服系统向着全数字化的方向发展。全数字交流伺服系统就是将伺服电机的位置环、 速度环、电流环控制和监控通讯功能全部由软件完成。交流伺服系统全数字化之后不仅使其 控制系统的体积大大缩小，可靠性明显提高，而且还便于一些自适应控制等先进控制策略的 实现，极大增强了 AC 伺服系统设计与使用的柔性，可满足高精度数控机床、机器人、特种 加工装备精细进给的需要，代表 AC 伺服系统的发展水平和主导方向。 (4) DSP 在交流伺服系统中得到广泛的应用。传统的基于单片机的电机控制系统，需要 较多的外部硬件，运算速度不高，难以实现一些较为复杂的控制算法，实时性很难得到保证， 因而随着对控制性能越来越高的要求和控制方法复杂度的提高已经很难适应实际的要求。 DSP 控制器由于其本身的特点成为永磁电机控制的必然选择。DSP 具有超强的数据处理能力 和很快的数据处理速度，由 DSP 来实现控制算法，大大的简化了硬件，降低了成本，提高了 系统的控制精度和可靠性。基于 DSP 的永磁电机控制系统满足现代电机控制的基本要求：信 号处理快而准确;实时完成复杂的控制算法；精确而快的 PWM 输出；能满足要求增加功能和 智能的需求；性能价格比高。 (5) 伺服系统中所用的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能功率模块(IPM)将进一 步得到普遍应用，逆变器逐渐转变为高频化、小型化的无噪声逆变器;伺服系统中所用的位置 与速度传感器由单一功能向多功能一体化方向发展。光电编码器的分辨率将大幅度提高，传 感器的电子信号处理部分将以微处理器为核心构成独立的微机系统，成为高性能伺服系统的 一个关键组成部分；永磁同步电机转子磁钢由采用铁氧体、稀土钻转向更多的应用钦铁硼， 使电机具有更好的性能价格比;伺服系统控制器的制造上，结构日趋小型化，采用多单元组合 构成多坐标轴控制器，可靠性进一步提高，便于维护及扩充。 控制系统的主要技术要求有：适用范围广，适用于开门宽度在 350mm- 2400mm 之间的 电梯门；电动机起动、停止，各段速度的转换要求加减速过程平滑，具有 S 曲线的加减速过 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 程；门扇运行各状态点速度可设置；加减速时间可设置；有很强的输入过电压，欠电压，输 出过电流保护功能；具有自整定功能，并可在一定范围内修改自整定值。 综上所述，电梯门机是电梯的重要组成部分，是电梯系统中动作最频繁，也是直接面对 乘客的部分。因此在实际应用中需要一个运行安全可靠、性能稳定的电梯门机控制系统。这 就要求电动机控制系统具有精度高、响应快、鲁棒性好、计算简单等特点。为使门机拖动系 统满足设计要求，并收到良好的效果，以体现本观光电梯的高档性，本设计门机拖动系统采 用永磁同步（PMSM）伺服系统。 门机拖动系统方案图见附图 1。 2 . 2 电梯主拖动方案设计 电梯的电力拖动系统对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起着控制作用。拖动系统 的优势直接影响电梯的起动，制动加减速度，平层精度，乘坐的舒适性等指标。 电梯的拖动系统经历了由简单到复杂的过程。 到目前为止应用于电梯的拖动系统主要有： ( 1 ) 单、双速交流电动机拖动系统；( 2 ) 交流电动机定子调压调速拖动系统；( 3 ) 直流发电机- 电动机可控硅励磁拖动系统； ( 4 ) 可控硅直接供电拖动系统； ( 5 ) V V V F 变频变压调速拖动系统。 2 . 2 . 1 单、双速交流电动机拖动系统 交流电动机具有结构紧凑，维修简单等特点。单、双速交流电动机拖动系统采用开环方 式控制，线路简单，价格较低，因此目前仍在电梯上广泛应用。但它的缺点是舒适感较差， 所以一般被用于载货电梯上。这种系统控制的电梯速度在 1 米/ 秒以下。 2 . 2 . 2 交流电动机定子调压调速拖动系统 交流电动机定子调压调速拖动系统国外已大量应用于电梯。这种系统采用可控硅闭环调 速，加上能耗或涡流等制动方式，使得它所控制的电梯能在中低速范围内大量取代直流快速 和交流双速电梯。它的舒适感好，平层准确度高，而造价却比直流电梯低，结构简单，易于 维护，多用于 2 米/ 秒以下的电梯。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 2 . 2 . 3 直流发电机- 电动机可控硅励磁拖动系统 直流电动机具有调速性能好，调速范围大的特点，因此很早就应用于电梯，采用发电机- 电动机组形式驱动。它控制的电梯速度达 4米/ 秒，但是, 机组结构体积大，耗电大，维护工 作量较大，造价高，因此常用于对对速度，舒适感要求较高的建筑物中。 2 . 2 . 4 可控硅直接供电拖动系统 可控硅直接供电拖动系统在工业上早有应用，但用于电梯上却要解决舒适感问题。( 尤其 是低速段) 应此应用较晚，它几乎与微机同时应用，比起电动机- 发电机组形式的直流电梯， 它有很多优点。如：机房占地节省 3 5 % ，重量减轻 4 0 % ，节能 2 5 % 到 3 5 % 。世界上最高速度的 1 0 米/ 秒电梯就是采用这种系统，其调速比达 1 : 1 2 0 0 。 2 . 2 . 5 V V V F 变频变压调速拖动系统 8 0 年代初，V V V F 变频变压系统控制的电梯问世。它采用交流电动机驱动，却可以达到直 流电动机的水平，目前控制速度已达 6 米/ 秒。它的体积小，重量轻，效率高，节省能源等几 乎包括了以往电梯的所有优点。是目前最新的电梯拖动系统，以下简要介绍其优点。 V V V F 电梯，采用交流单速电动机，通过对交流电动机调节供电电压、供电频率来调节电 动机的转速达到线性化，将交流电动机转速运行曲线线性段区域扩大。由于系统采用高精度 电光码盘，全数字化控制，使电梯平层精度达到毫米级，并且绝对保证电动机零速下闸，舒 适感非常好。 V V V F 控制的电梯相对于交流双速电梯、交流调压调速电梯( A C V V ) 都有十分突出的优点。 下面与 A C V V 控制的电梯相比较。 安全可靠。先进的电脑控制技术，完善的检测、自诊断、自保护功能最大限度地考虑了 电梯在任何情况下出现故障的可能性， 设置了各种防故障和应急装置; 倘若井道内某个安全装 置出现故障，电脑将保护不冲顶、不蹲底、不关人。 舒适感好。理想的电梯运行速度曲线，根据人体生理适应能力由高性能的微电脑设计而 成，采用矢量控制技术对交流电动机进行精确调节，使电梯运行极其平衡、舒适。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 高速高性能。高速运行，最佳召唤应答处理和分配方式，根据乘客人流情况快速反应自 动调节，使电梯运行迅速、合理，最大限度地缩短乘客候梯时间，使电梯运行效率得到充分 发挥。 节约电能。全电脑控制的调节调频调速( V V V F ) 系统，不仅性能优异、 功能齐全、质量可 靠，而且具有优异的节能效果，与目前同规格的 A C V V 相比，节能约 4 0 % ，并可使用户电源容 量也大量减小。 节省机房空间。 超小型的机房全电脑控制系统与传统的机房控制系统相比， 体积减少 1 / 2 以上，重量大大减轻。因此，节省机房空间，减轻机房承重，提高建筑利用率，从而可节约 建筑费用。 利用率高。全电脑控制可以方便地使两台、三台、四台以上的电梯进行群控，合理安排， 合理分配，提高电梯的运行效率。 准确的平层精度。经过电脑的高速、大量运算，采用高精度光电码盘，将速度转矩 位置全闭环，停车时零速抱闸，平层精度在士 2 m m 以内。 自学习井道信息功能。自动学习电梯的提升高度、楼层间距，自动根据停靠距离选择运 行曲线。 维护方便。现代化高科技设计，全电脑控制，大规模集成电路和半导体大功率模块在电 梯控制中的应用， 使现代电梯控制部份的可靠性、 免维护性大大提高; 新技术、 新材料的应用， 加强了电梯机械部件的耐磨损程度，提高了机械可靠性; 自诊断能力和远程报警功能的实现， 使得电梯维修保养工作越来越简单，越来越有针对性，越来越快速。 无噪声机房和小噪声运行，大大降低了对环境的影响。 综上所述，本设计采用调频调压调速（VVVF）电机拖动控制系统，以期达到预期的目 的。 电梯主拖动系统方案图见附图 2。 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 第三章 电梯控制系统方案设计 3 . 1 P L C 控制系统与继电器控制系统的比较 继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代， 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越 高，继电器控制的弱点就越来越明显。