（控制科学与工程专业论文）直线电机的控制策略及其在电梯上的应用研究.pdf

摘要 用直线电机驱动的电梯与传统的电梯相比有很大的优势，它将逐 步取代传统电梯成为电梯的主流产品。随着控制技术和材料学的发 展，用直线电机作为驱动的设备越来越多。我国对直线电机的研究起 步较晚，但经过几十年的研究已经取得不少成果。因此，对直线电机 的研究是很有意义的。 由于直线电机结构的特殊性，其性能容易受环境的影响，使得它 的特性难以用精确的模型表示，给控制带来一定难度。本文对常用的 控制策略作了比较，并根据直线电机的特点选择直接推力控制方法。 分析了d q 坐标系下直线电机模型与旋转电机模型的区别，为直接转 矩应用到直线电机上奠定了基础。为达到良好的控制效果，在传统 p i d 的基础上增加了模糊控制策略，使得控制方法有较强的适应能力。 对存在边端效应的直线电机模型和经过补偿的直线电机模型分别作 了仿真试验，并对仿真结果进行了比较分析。 最后本文设计了直线电梯全数字控制系统。采用a r m ，d s p 和m c s 5 1 等芯片，并结合分布式控制理论，将整个电梯的控制功能分为若干模 块，分别由不同的控制器来实现。 关键字直线感应电机，动态边端效应，直接推力控制，直线电梯 a bs t r a c t c o m p a r i n g w i t ht h et r a d i t i o n a l e l e v a t o r , t h el i n e a r i n d u c t i o n m o t o r - d r i v e n se l e v a t o rh a sv e r yb i gs u p e r i o r i t y , a n dw i l ls u b s t i t u t ef o r t h et r a d i t i o n a le l e v a t o r , a n db e c o m ee l e v a t o r sm a i n s t r e a mp r o d u c t g r a d u a l l y a l o n gw i t hc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dm a t e r i a ls t u d yd e v e l o p m e n t ， t h ee q u i p m e n tw h i c hi sd r i v e db yt h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri sg e t t i n g m o r ea n dm o r e o u rc o u n t r yi sl a t ea tt h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r s r e s e a r c h ，a n di np a s ts e v e r a ly e a r sh a sm a d em a n yp r o g r e s s e s t h e r e f o r e ， t os t u d yl i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri sv e r ym e a n i n g f u l a sar e s u l to fl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ss t r u c t u r ep a r t i c u l a r i t y , i t s p e r f o r m a n c e s a r e e a s i l y i n f l u e n c e db ye n v i r o n m e n t a n dm a k ei t s c h a r a c t e r i s t i ch a r dt oe x p r e s s i o nb yt h ep r e c i s em o d e l ，a n db r i n gc e r t a i n d i m c u l t yt ot h ec o n t r 0 1 t h i sa r t i c l eh a sm a d et h ec o m p a r i s o nb e t w e e n c o m m o n l yc o n t r o lm e t h o d s a n da c c o r d i n gt ot h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r s f e a t u r et h ed i r e c tt h r u s tc o n t r o lm e t h o di ss e l e c t e d u n d e rt h ed q c o o r d i n a t es y s t e mt h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r sm o d e la n dt h er o t a t i n g m a c h i n em o d e ld i f f e r e n c eh a sb e e na n a l y z e d ，a n dm a k e st h ef o u n d a t i o n o fd i r e c tt o r q u e i no r d e rt oa c h i e v et h eg o o dc o n t r o le f f e c t i n c r e a s e st h e f u z z yc o n t r o lm e t h o d si n t ot h et r a d i t i o n a lp i df o u n d a t i o n ，a n de n a b l e s t h ec o n t r o lm e t h o dt oh a v et h es t r o n ga d a p t i v e n e s s t h el i n e a ri n d u c t i o n m o t o r sm o d e l s ，w h i c hw i t ha n dw i t h o u tm a r g i ne f f e c t ，a r es i m u l a t e d ，a n d h a v ec a r r i e do nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i st ot h es i m u l a t i o nr e s u l t f i n a l l yt h ea r t i c l eh a sd e s i g n e dt h e1 i n e a ri n d u c t i o nm o t o r sc o n t r o l s y s t e m w i t ht h ed i s t r i b u t i o n a lc o n t r o lt h e o r y , t h ee n t i r ee l e v a t o r sc o n t r o l f u n c t i o ni sd i v i d e si n t os e v e r a lm o d u l e s a n dr e a l i z e ss e p a r a t e l yb yt h e d i f f e r e n tc o n t r o l l e r , s u c ha sari 、僵d s pa n dm c s 51 k e yw o r d sl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r , d y n a m i cm a r g i ne f f e c t ，d i r e c t t h r u s tc o n t r o l ，l i n e a re l e v a t o r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另w i , d n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者繇捧新签名烨吼肚啦月l 日一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，我国城市建筑用地越来越紧张，使得楼房层次不断增加，电梯已经 成为现代楼宇的必备之品。每一部传统电梯不仅需要电梯间、钢缆和配重，还需 要升降道、电梯竖井和一台驱动电机( 通常安装在专用机房内) 。如果超高层建 筑物使用传统的曳引式电梯，当提升高度增加时，总垂直载荷中钢丝绳重量所占 比例成正比例增加。如要满足电梯标准中规定的钢丝绳极限强度的安全系数为 l o 倍以上的话，受现行钢丝绳的构造和材料的限制，电梯提升高度的实用界限 为7 0 0 - 8 0 0 米。况且，在电梯载重和钢丝绳拉长系数不变的情况下，当钢丝绳 的长度增加时，其实际拉长的值也成正比例增加。到一定长度后，钢丝绳就像一 根弹簧，使得电梯轿箱的速度变得不稳，给电梯的速度控制带来了很大的难度。 此外，绳式传统电梯一般在一个井道内只能运行一个轿箱，假如要限制和缩短等 候电梯时间就得增加电梯台数。因此建筑物层数越多，则电梯的数量要求就越多， 使得辅助建筑面积增加。可以测算，1 0 0 层高的大厦电梯用地面积就会超过3 0 【1 】1 1 3 1 1 4 2 1 ，这样是非常不经济的。直线电机驱动的无绳电梯可以改变这种状态，打 破现行绳式电梯的界限。直线电机驱动的电梯是一种先进的电梯，它将是未来电 梯的发展方向o s j 1 6 m 1 7 l 。 与传统的曳引式电梯相比，直线电机驱动的无绳电梯有以下优点。其一， 节省空间。传统的曳引式电梯运行时需要配重，并且需要一个专用机房安装驱动 电机，而且机房最好在梯道的正上方，这可以说是传统电梯的固有缺点。直线电 机驱动的无绳电梯无需机房，也没有配重占用梯道位置，这样节省了大量的空间， 还降低了成本。其二，安装和维护简单。与传统的电梯相比，直线电机驱动的无 绳电梯不需要很长的钢丝绳，也不需要很多变速箱，只使用很简单的机械部分。 这使得电梯的安装简单，电梯运行过程中故障点减少，电梯的维护工作减少 1 4 l 。 正是由于这些优点，无绳电梯引起了国内外学术界、产业界的极大关注0 3 1 。 国外从1 9 8 3 年开始将直线电机应用于电梯驱动的研究，1 9 9 0 年4 月，第一 台使用直线电机驱动的电梯被安装在日本东京都丰岛区万世大楼，它的载重量为 6 0 0 k g ，速度为1 0 5 m m i n ，提升高度为2 2 9 m 。在这方面，欧美及日本走在前列， 其中奥利斯公司开发的直线电机驱动的电梯已在日本的上千座大厦里运行了，他 的现行方案仍需要钢索，只是直线电机作为配重的一部分，但这样已经省掉了机 房，做到了无机房运行【1 7 1 i l s l 。 直线电机驱动的电梯在我国才刚刚起步，对它的研究寥寥无几。浙江大学的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 叶云岳教授所带领的直线电梯研究团队，和哈尔滨泰富科技实业公司合作开发了 国内第一部直线感应电机双边驱动的电梯，填补了国内直线电梯的空白。 可见直线电机驱动的电梯作为一种先进的电梯将逐步取代传统的电梯进入 人们的生活，它的市场潜能和经济效益是显而易见的，因此值得研究。 1 2 直线电机的发展及工作原理 1 2 1 直线电机的发展 直线电机是一种将电能直接转变成直线运动的机械能，而不需要任何中间转 换机构的感应电机。直线电机的发展经历了漫长的历史，据有关文献记载最早可 追溯到1 8 4 0 年惠斯特( w h e a t s t o n e ) 开始提出和制作的略具雏形但并不成功的 直线电机。直线电机的发展经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个时期1 2 l 。 1 探索实验时期( 1 8 4 0 - 1 9 5 5 年) 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年，直线电机从设想到实验再到部分实验性应用，经历了 一个不断探索，屡遭失败的过程。1 8 9 5 曾发表了关于直线电机用在织布机上的 专利，这也是有关直线电机最早的一个专利。1 9 0 5 年，有人曾提出用直线电机 作为机车的推进机构的想法，但这两者都停留在试验论证阶段。1 9 1 7 年出现了 第一台圆筒型直线电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超 出模型阶段。在以后很长的一段时间内，科研人员致力于将直线电机理论及各种 设想模型予以证实的工作，即实验研究工作，虽有少量的研究成果，但都未超出 试验阶段。 从美国专利上看，二十世纪三、四十年代，直线电机进入实验研究阶段，科 研人员获取了大量的实验数据，从而对己有理论有了更深一层的认识，奠定了直 线电机在以后的应用基础。 从1 9 4 0 - - 1 9 5 5 年期间，世界一些发达国家的科研人员，在前人实验的基础 上，又进行了一些新的实验应用工作，如直线电机牵引的飞机弹射器、电磁泵、 发射导弹器。 直线电机的发展与当时社会的生产力水平有着密切的关系，其发展缓慢主要 有以下几个方面的原因： ( 1 ) 直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高于相应的旋转电机，导致其 激磁电流较大。另外由于铁芯两端开断，存在着特有的边端效应，使得直线电机 的效率和功率因数比同容量旋转电机的低。而当时的传统概念是以效率和功率因 数来衡量电机性能优劣的。因此，传统观念牢固地束缚了直线电机的应用。 ( 2 ) 当时的工业发展只是用机械装置来代替手工操作，并不把降低成本、 节能等作为更高的要求。而直线电机均可用相应的旋转电机加上传动机构来代 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 替，没有找到直线电机独特的适用领域。 ( 3 ) 直线电机的应用总是和自动控制技术及其控制元器件有关。当时的开关 技术水平低下，电气系统的成本太高，因此，不完善控制线路及其装置费用成为 它发展的障碍。 ( 4 ) 直线电机理论发展缓慢。由于它的独特结构，使其存在着旋转电机所没有 的边端效应。所以，旋转电机的理论不能直接应用到直线电机上，而且直线电机 的设计过程仍然存在很多缺陷，因此无法对直线电机的应用起到促进和预见作 用，使得人们对直线电机一度失去信心。 2 开发应用期( 1 9 5 6 1 9 7 0 年) 二十世纪五十年代以来，科学技术水平的发展带动了半导体技术和自动控制 技术的飞速发展，新型控制元器件的不断出现为直线电机的广泛应用打开了方便 之门。人们的观念也发生了变化，认为直线电机的较低效率可以用增加整个装置 的传动效率来补偿，在不连续使用的情况下，效率退居第二位，整个装置的简单 和经济显示了直线电机的优越。人们观念的改变更促进了直线电机的发展。 英国莱斯维特( e l a i t h w a i t e ) 教授等人在强调直线电动机基础研究的情况 下，取得了不少研究成果，1 9 5 6 年莱斯维特出版了介绍直线电机的专著 ( i n d u c t i o n m a c h i n e sf o rs p e c i a lp u r p o s e ) ) 。 1 9 6 2 年，w e s t 和j a y a w a n t 设计了作 为铁磁谐振器的单相直线电动机。 到1 9 6 5 年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实 用设备被逐步开发出来。例如采用直线电机的磁流体( m h d ) 泵、自动绘图仪、 磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。 3 实用商品时期( 1 9 7 1 年至今) 从1 9 7 1 年开始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用阶段，在 这个时期，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的 装置和产品。例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压 机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动编织机等等。特别可喜的是利用直线电 机驱动的磁悬浮列车，其速度己超过5 0 0 k m h ，接近了航空的飞行速度，且运 行行程己达数十万千米。 在这个时期，直线电机领域的研究人员通过对直线电机在历史发展中多次 起落的分析，终于选择了一条适合直线电机自身发展的独特思路，它不再与旋转 电机直接对抗，不以单机的形式与旋转电机竞争，而以直线电机系统与旋转电机 系统相比，从而找到适合于自己的系统与旋转电机展开竞争，在旋转电机无能为 力的地方，例如直线电机应用于磁悬浮列车、液态金届的输送和搅拌、电子缝纫 机和磁头定位装置、直线电机冲压机等等去寻找自己的位置。直线电机走自己的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 道路，在满足人类需求的过程中求得自身的发展。 随着直线电机的迅速发展，国外也越来超重视直线电机人才的培养，在德 国、法国、英国甚至瑞土、瑞典的大学里，都设有直线电机专业课和直线电机研 究室。几十年来，培养了包括硕士生、博士生在内的研究人员，不少大学让外宾 参观的第一个项目就是直线电机项目。目前，在世界上一些发达国家许多人和 不少著名电气企业均在研究和开发直线电机产品例如美国的西屋 ( w e s t i n g h o u s e ) 公司，德国的西门子( s i e m e n s ) 公司，英国、法国、瑞典、 特别是日本的一些公司和研究机构，其人员之多和范围之广是世界首屈的。 近年来，直线电机的发展主要有以下几个方面的特点： ( 1 ) 直线电机新产品研制较多。如日本古河电气公司研制的超导直线电机；美 国柏特鲁玛机电公司研制的微步距直线电机；重庆再力机电控制研究所研制的 5 7 b y g 型直线当量电机等。 ( 2 ) 新原理直线电机不断出现。近年来随着电子技术的发展，办公、家庭自动 化设备等的迅速发展，使得新原理直线电机的应用获得很大进展。如日本电气公 司研制的压电驱动式直线电机；日本东京新生工业公司开始实用化研究的超声波 直线电机，还有薄膜直线电机等相继出现。 ( 3 ) 微特型直线电机发展较快。随着自动控制技术和微型计算机应用的发展， 用在计算机外围设备、自动化仪器仪表、以及需要直线位移及运动的机械设备中 的微特型直线电机，由于其具有精度高、反应灵敏、快速等特点，使得仪器设备 总体结构简单，体积小，成本低，因而，微特型直线电机是一种大有发展前途的 直线电机。 ( 4 ) 直线电机在交通运输业、建筑业中的应用和研究正在兴起。如德国研究的 常导吸浮型磁悬浮列车、日本研究的超导斥浮型磁悬浮列车都实现了试验运行； 上海浦东磁悬浮列车线采用德国技术，已经成为世界上第一条商业运行的磁悬浮 列车线。在直线电机驱动的电梯方面，日本进行了大量的研究，并有产品已实用 化。 ( 5 ) 直线电机理论发展也取得了很大的发展，在直线电机的电磁场理论研究和 控制策略的研究方面的文章有陆续报导。 4 中国直线电机的历史与发展 我国直线电机的研究和应用发展是从二十世纪七十年代开始的。七十年代比 较热，八十年代后期至今又有较大发展。现在国内己出现了一支直线电机的开发、 研究队伍，一些大专院校、科研单位和工厂积极开展了各类直线电机的基本理论 和开发应用的研究。自从1 9 8 2 年开始，全国直线电机学术会议定期召开，会上 既有论文的交流，也有新成果的展现。我国在直线电机的应用上也取得了可喜的 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 成果，例如浙江大学的直线电机窗帘机、直线电机冲床、圆盘直线电机驱动并利 用其电磁内热的炒茶机、西安交通大学的一种新型电磁打泊机、上海工业大学的 浮法玻璃生产用的直线电机、直线电机驱动的自动门、西南交通大学的磁悬浮列 车等等。关于直线电机的应用，国内已有许多项专利。在理论研究上，发表了不 少文章，出版了一些书籍。 我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但和国外相比，在推广应用方面 尚存在很大差距。广阔的市场应用前景也迫切需要我国科研人员在直线电机的设 计、优化和控制方面做深入的研究。 5 直线电机的分类 直线电机的种类繁多，按不同的标准有不同的分类方法。图1 1 是几种不同 的分类方法。 宣 线 电 机 直 线 电 动 机 直 线 驱 动 器 交流直线感应电动机( l i m ) 直线直流电动机( l s m ) 混合式直线电动机( l h m ) 交流直线同步电动机( l d m ) 直线步进电动机( l p m ) 直线振荡电动机( l o m ) 直线电磁泵( l e p ) 直线超声波电动机( l u m ) 图1 - 1 直线电机分类 电磁式l s m 永磁式l s m 可变磁阻l s m 混合式l s m 超导式l s m 无刷式l d m 电磁式l d m 永磁式l d m 可变磁阻l p m 永磁式l p m 按结构型式分类，主要分为扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型。其中扁平型 直线电机有单边型和双边型之分，每种型式下又分别有短初级长次级或长初级短 次级。 按功能用途分，主要分为力电机、功电机、能电机。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 按工作原理分，主要分为两个大的方面，即直线电动机和直线驱动器，直线 电动机包括交流直线感应电动机( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r s - - l i m ) 、交流直线同 步电动机( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s - - l s m ) 、直线直流电动机( l i n e a rd c m o t o r s l d m ) 和直线步进( 脉冲) 电动机( 1 i n e a rs t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s - - l p m ) ， 混合式直线电动机( l i n e a rh y b r i dm o t o r s l h m ) 等。直线驱动器包括直线振荡 电动机( l i n e ro s c i l l a t i n gm o t o r s l o m ) 、直线电磁螺线管电动机( l i n e a r e l e c t r i c s o l e n o i d l e s ) 、直线电磁泵( l i n e a re l e c t r o m a g n e t i cp u m p l e p ) ，直线超声波 电动机( l i n e a ru l t r a s o n i cm o t o r s l u m ) 等。以上这些直线电机又可以分成许多 不同的种类。图1 1 表示了直线电机的分类。 1 2 2 直线电机的基本原理 1 2 2 1 直线电机的基本结构 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将一台 旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展开成直线，如图1 2 所示。由定子演 变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。 ( 初级) 次级 初级 a 沿径向剖开b 把圆周展成直线 图1 - 2由旋转电机变为直线电机的过程 在图1 2 中由旋转电机演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的。 由于在运行时初级与次级之间要作相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正 巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常 运动。为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，实际 应用时是将初级与次级制造成不同的长度。在直线电机制造时，即可以是初级短、 次级长；也可以是初级长，次级短。前者称作短初级长次级，后者称为长初级短 次级。由于在制造成本上，以及运行费用上短初级均比短次级低得多，因此，目 前除特殊需要外，一般均采用短初级，见图1 3 。 图l 。3 中所示的直线电机仅在一边安放初级，对于这样的结构型式称为单 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 边型直线电机。这种结构的电机一个最大特点是在初级与次级之间存在一个很大 的法向吸力。一般这个法向吸力，在钢次级时，若设计不当会是推力的1 0 倍以 上。在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的。如果在次级的两边都装 上初级，那么这个法向拉力可以相互抵消，这种结构型式称为双边型，见图1 4 。 次级次级 = 三三三 图1 - 3 单边型直线电机 图1 - 4 双边型直线电机 上述介绍的直线电机称为扁平型直线电机，是目前应用广泛的。除了上述扁 平型直线电机的结构形式外，直线电机还可以做成圆筒型( 也称管型) 和盘型。 1 2 2 2 直线电机的工作原理 初级绕组通入交流电源，便在气隙中产生行波磁场，如图1 5 所示。次级在 1 一初级2 一次级 3 一行波磁场 图卜5 直线电机的基本工作原理 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相互作 用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力的作用下做直线运动；反之， 则初级作直线运动，它把电能直接转变为直线运动的机械能而无中间变换装置。 这就是直线电机最基本的工作原理。 与旋转电机类似，当初级上通入交流电流时，在初级和次级之间的气隙中就 会产生一个移动磁场，这个移动磁场的速度，由旋转磁场的理论可知，当绕组中 的电流交变一次，绕组产生的合成磁场在空间将移动过一对极距，若电机的极距 为：f ( m ) ，电源的频率为f ( h z ) ，则移动磁场的速度为 屹= 2 f r ( m s ) ( 1 - 1 ) 在移动磁场的作用下，次级中会产生感应电动势，如果次级是由整块钢板或 铜( 铝) 板制成，那么在导电板中会产生感应电流，这个感应电流和移动磁场相 互作用，就会产生电磁推力，使次级和初级之间产生相对运动。如果初级固定， 则次级将会跟随着移动磁场移动的方向运动；反之，若将次级固定，则初级将会 朝着磁场移动的相反方向运动。与旋转电机一样，运动部分的稳定速度v 总是低 于移动磁场的同步速1 ，。它们之间的关系也用滑差率8 表示 s ：v , - v( 1 - 2 ) k 与旋转电机一样，通过对换任意两相的电源接线，可以实现三相直线电机的 反方向运动。根据此原理，直线电机可以往复运动。 1 2 3 直线电机的基本特性 图1 - 6 和图1 7 分别表示了直线感应电动机与旋转感应电动机的推力一速度 特性。 速度v ( m s ) 图l 一6 直线感应电机和旋转电机推力一速度特性图1 7 直线电机近似推力一速度特性 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在图i - 6 中，旋转感应电动机推力力矩的最大值发生在较低的转差处，即 j 0 2 附近。与此相比，直线感应电动机的最大推力在高转差处，即s - - l 附近。 由此可知，直线感应电动机的起动推力大，在高速区域推力小，它的推力速度 特性近似地成一直线，如图1 7 所示，具有较好的控制品质。它的推力公式可由 下式求得 f ：( e e ) ( 1 一兰) ( 1 3 ) 、| 式中 圪为起动推力( n ) ； e 为摩擦力( n ) ； ，为空载速度( m s ) 。 图1 8 表示了推力随着线电压的增加而增加的关系，图i - 9 则表示了推力随 着输入功率的增加而增大的特性。 线电压( v ) 图卜8 推力一线电压特性 推力( n ) 图i - 9 推力输入功率压特性 1 3 直线电梯的基本结构和国内外研究现状 现代生活中电梯是人们不可缺少的工具，电梯的历史可以追溯到1 9 世纪末。 1 8 8 9 年，升降机开始采用电力驱动，真正出现了电梯。1 9 世纪末，采用沃德 伦纳德系统驱动控制的直流电梯出现，使电梯的运行性能明显改善。2 0 世纪初， 开始出现交流感应电动机驱动的电梯，后来槽轮式( 即曳引式) 驱动的电梯代替 了鼓轮卷简式驱动的电梯，为长行程和具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。 2 0 世纪上半叶，直流调速系统在中、高速电梯中占有较大比例。1 9 6 7 年，晶闸 管用于电梯驱动，交流调压调速驱动控制的电梯出现。在1 9 8 3 年，变压变频控 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 制的电梯出现。由于其良好的调速性能、舒适感和节能等特点迅速成为电梯的主 流产品。1 9 9 6 年，交流永磁同步无齿轮曳引机驱动的无机房电梯的出现，标志 着电梯技术又一次革新。由于曳引机和控制柜置于井道中，省去了独立机房，节 约了建筑成本，增加了大楼的有效面积，提高了大楼建筑美学的设计自由度。这 种电梯还具有节能、无油污染、免维护和安全性高等特点。 电梯的分类方式多种多样，主要的按以下几个方面分类： 1 按速度分类。电梯无严格的速度分类，我国习惯上按下述方法分类。低速梯， 常指低于1 0 0 m s 速度的电梯。中速梯，常指速度在1 0 0 - - 2 o o m s 的电梯。高 速梯，常指速度大于2 0 0 m s 的电梯。超高速，速度超过5 0 0 m s 的电梯。 2 按用途分类。乘客电梯，为运送乘客设计的电梯，要求有完善的安全设施以 及一定的轿内装饰。载货电梯，主要为运送货物而设计，通常有人伴随的电梯。 医用电梯，为运送病床、担架、医用车而设计的电梯，轿厢具有长而窄的特点。 杂物电梯，供图书馆、办公楼、饭店运送图书、文件、食品等设计的电梯。观光 电梯，轿厢壁透明，供乘客观光用的电梯。车辆电梯，用作装运车辆的电梯。船 舶电梯，船舶上使用的电梯。建筑施工电梯，建筑施工与维修用的电梯。其它类 型的电梯，除上述常用电梯外，还有些特殊用途的电梯，如冷库电梯、防爆电梯、 矿井电梯、电站电梯、消防员用电梯等。 3 按驱动方式分类。交流电梯，用交流感应电动机作为驱动力的电梯。根据拖 动方式又可分为交流单速、交流双速、交流调压调速、交流变压变频调速等。直 流电梯，用直流电动机作为驱动力的电梯。这类电梯的额定速度一般在2 o o m s 以上。液压电梯，一般利用电动泵驱动液体流动，由柱塞使轿厢升降的电梯。齿 轮齿条电梯，将导轨加工成齿条，轿厢装上与齿条啮合的齿轮，电动机带动齿轮 旋转使轿厢升降的电梯。螺杆式电梯，将直顶式电梯的柱塞加工成矩形螺纹，然 钢丝 图1 - 1 0 直线电梯基本结构 l o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 后通过电机经减速机( 或皮带) 带动螺母旋转，从而使轿厢上升或下降的电梯。 直线电机驱动的电梯，其动力源是直线电机。 直线电梯的结构比较简单，如图l - l o 所示。直线电机在箱体外，通过钢丝 和滑轮与电梯箱连接。 国外从1 9 8 3 年开始将直线电机应用于电梯驱动的研究。因为土地资源的稀 缺，目前，日本是对直线电机驱动电梯研究和开发最多的国家。日本的信州大学、 武藏大学、松下奥的斯公司、富士电气公司等都有直线电机驱动电梯的开发、研 究工作和一些产品，三菱公司也有产品1 2 1 。 1 9 8 2 年，奥利斯公司产品标准化主任m a r c e lp a v o z 把用直线电机改装电梯 配重的设想与联合技术公司研究中心的直线电机专家e m i eg a g n o n 进行了讨论。 他们在计算机仿真的基础上按照一个工程模型开发了计算机模型，并于19 8 3 年 在法国制作了一台直线感应电动机( l i m ) 电梯的样机。后经过对电机、制动器、 传感器等多种部件的改进，目前己由日本奥利斯作为产品推向市场。其中电机采 用圆筒型直线感应电动机，次级为铝钢复合型。该电梯采用变压变频交流调速系 统和m c s ( m o d u l a rc o n t r o ls y s t e m ) 控制系统。系统含有5 个微处理器组成4 个子系统，分别实现调速、驱动指令、梯门及称重信息、运行控制等控制功能【3 1 。 国内在矿用提升机方面的研究有河南理工大学等单位。直线电机电梯研究和 开发方面，浙江大学与哈尔滨泰富公司已研制了样机，正在向产品化方面发展。 1 4 电梯的电力拖动和控制理论研究状况 随着科学技术的发展，电梯的电力拖动方式也有了很大发展，最先进的电力 拖动技术一出现，很快便在电梯中实际应用。电梯作为与人们生活最紧密的建筑 设备，不断的向人们展示最新的科技成果，让人们享受科学技术带来的方便与舒 适。近年来，随着电力电子技术的发展和交流电机控制理论的逐步完善，交流电 机调速系统价格下降，性能提高，在许多领域出现了以交流调速取代传统直流调 速的趋势。交流调速发展的动力则是来自于不断增加的对控制性能、可靠性、简 易性以及节能的需求。当前，这些需求往往是互相关联但又有所矛盾，各种控制 理论、方法都是突出它所强调的一些方面，以在这些方面性能的提高来弥补其他 的不足 4 i t l 9 1 。 。 直线感应电机的控制基本延用传统旋转感应电机的控制方法。应用频繁的 是v f 控制，滑差频率控制，矢量控制和直接转矩控制。 控制是在改变频率的同时改变变频器的输出电压，使电机磁通保持一 定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。由于该方法的控制 目标是使变频器输出电压与频率之比恒定，故称v f 控制。该方式常用于控制风 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 机、泵类负载的节能运行以及生产线工作台传动等。 滑差频率控制引入了速度闭环，使转速变化频率与实际转速同步上升或下 降，与v f 控制相比，加速、减速更为平滑，且容易使系统稳定。但滑差频率控 制并未能实施对瞬时转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影响系统的实 际动态系统。 矢量控制( f o c ) 的发明给电机控制领域带来了一场革命，它使交流电机 可以达到像直流电机那样的调速控制性能，大大扩展了交流电机的应用场合。它 从一个统一的转矩产生原理出发，即转矩为电流和磁场的矢量积，依据转子磁通 定向，将定子电流通过坐标变换分为与转子磁场同相的磁场电流和与磁场相垂 直、产生转矩的转矩电流，磁场电流和转矩电流分别与直流机的励磁电流、电枢 电流相当，分别控制磁场电流分量和转矩电流分量得到所需合成定子电流的大小 和相位，然后通过p w m 环节供给电机。由于矢量控制对磁场电流和转矩电流进 行了解耦，它对磁场和转矩的控制都很好，如果配上位置检测装置则它对速度和 转矩的控制都很精确。但它的磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要精 确的电动机转子电阻值和电感值，控制性能易受参数变化影响。还有一个缺点是 由于它是模拟直流电机的控制理念，使得它的算法需要用到矢量旋转变换，实现 起来比较复杂，实际的控制效果难于达到理论分析的结果1 5 1 。 磁链、转矩直接调节的思想是1 9 7 7 年首次由p l u n k e r 提出来的，当时只需 要直接检测定子磁链。2 0 世纪8 0 年代中期，一种新的感应电机转矩控制技术分 别由日本t a k a h a s h i 教授和德国的d e p e n b r o c k 教授提出来，并分别称之为直接转 矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d t c ) 和直接自控制( d 硫c ts e l f c o n t r o l ， 简称d s c ) 。直接转矩控制系统是近年继矢量控制技术之后发展起来的另一种高 动态性能的交流变压变频调速系统。直接转矩控制自提出以来已经获得了令人振 奋的控制效果，因此受到了各国交流传动界的广泛重视1 6 1 。 直接转矩控制是在定子坐标系中分析交流电机的数学模型，实现了对磁链和 转矩的自调整控制1 2 0 1 1 2 3 1 1 ”1 。这种方法不需要将交流电机与直流电机做比较、等 效、转化处理，从而省掉了矢量旋转变换的复杂的变换和计算。因此，它所需要 的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程 能够做出直接和明确的判断。其基本思想是：用空间矢量的分析方法，直接在定 子坐标系( 口一) 下采用定子磁场定向的方法，用交流电机定子侧参数计算出 定子磁链和转矩，借助于离散的两点式调节( b a n g b a n g 控制) 产生p w m 信号， 直接对逆变器的开关状态进行最优控制，在维持磁链幅值不变的情况下，通过调 整定子磁链在空间的旋转速度以控制转矩和转矩增长率，进而控制交流电机的转 速1 2 6 1 1 5 7 1 1 5 8 1 。直接转矩控制采取开关状态表查询方式确定开关状态，使控制系统 1 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 结构简单，易于实现全数字化m ，这是一种很有前途的控制方法。但是b a n g b a n g 控制引起了电流和转矩的脉动，使直接转矩控制系统低速性能差，调速范 围受到限制5 1 。 1 5 本论文的主要工作 本课题的目的是设计一套直线电梯的控制器。论文对直线感应电机的特性进 行全面的分析；在此基础上研究直线电梯控制系统的设计；针对直线电机的边 端效应进行分析，对不同的边端效应采用不同的方法补偿，简化直线电机的数 学模型；论文还分析了直线电机的d q 等效电路图，建立了数学模型，并以此为 基础应用直接推力方法对其进行控制，为达到良好的控制效果，采用模糊p i d 的控制策略；最后应用m a t l a b s i m u l i n k 对控制算法和电机模型进行仿真。 中南大学硕士学位论文第二章直线电机的研究 第2 章直线电机的数学模型及边端效应补偿 2 1 考虑动态边端效应的直线电机等效电路 直线电机和旋转电机的不同之处在于它存在第一、第二类横向边端效应和第 一、第二类纵向边端效应。横向边缘效应和第一类纵向边端效应可以用电机本体 设计和修正电磁气隙等方法解决，且影响不大；第二类纵向边端效应，即动态边 端效应，将使直线电机的损耗增加，功率因数降低，出力减小，特别是在高速低 滑差时更为明显。因此，在未对动态边端效应补偿时，应考虑其对直线电机数学 模型的影响1 4 4 1 【5 l 】【5 2 】。 如果考虑动态边端效应，设直线电机的初级有效长度为d ，同时把次级的参 数折算到初级侧。在次级的进入端，次级涡流迅速增加，上升速度由次级漏磁时 间常数互= 三一r , 决定( 一是为折算到初级的漏感，r 为为折算到初级的次级 等效电阻) 。由于次级漏磁时间常数较整个次级时间常数来说可以忽略，所以在 0 时刻次级涡流迅速达到初级励磁电流l ，相位相反，并按时间常数 互= ( k + 。) r r = b 衰减( i m 为电机的励磁电感) ；在离开时次级涡流迅速 达到l 并以时间常数正衰减【4 。 气隙磁密度沿电机长度的分布与初级相对于次级的移动速度有关，在瓦时间 内移动的距离为v 不，v 是初级速度。初级通过次级一点的时间为：l = 讲，。 如果把初级长度以v 墨为基准标么化，得 q = d 乏) 一- 1 ，瓦( v t 2 ) = = 屿) v 可见，q 是表示电机长度的无单位量，在电机参数一定时， 级运行的速度。次级涡流的平均值为 。吾p 出= l 警 ( 2 1 ) 其大小决定于初 ( 2 - 2 ) 等效励磁电流为 。l 吨= l ( t 一等) 沿3 ) 次级涡流厶。的去磁作用可以用一个去磁电感来表示，这个去磁电感与励磁 电感并联，流过电流厶。，其大小表示成： 乙u 。厶( 南一t ) 眩4 ， 1 4 中南大学硕士学位论文第二章直线电机的研究 把并联的励磁电感和去磁电感合并，则总励磁电感为 厶( 一等) 5 ， 总励磁电感流过的励磁电流为 i m = i m + 1 2 岣 图2 1 是去磁电感的分析的图示。 ( 2 - 6 ) 图2 - 1 直线电机的励磁分支电路 把纵向端部涡流在次级导体板上产生的损耗分为两部分，一部分为进入端， 一部分在离开端。 进入端的次级涡流在电机初级下的有效值为 厶盯= 万= l 、f2 q q ： 则进入端的涡流损耗为 = 焉墨以警 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 次级离开端点的涡流为l ( 1 一e - - q ) ，作用时间是电机初级通过此点的时间z ， 则从磁场能量消耗的观点，得到离开端的涡流损耗为 ：避手：耳1 1 - e r - 口) 2 总的次级端部涡流损耗为 = 匕叫+ = 墨警 这部分损耗可以等效为在励磁回路中串联电阻耳上手。 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 中南大学硕士学位论文 第二章直线电机的研究 同时这部分涡流总是阻碍直线电机的运动，其制动力为 ：掣 浯 考虑边端效应的直线感应电机的t 型等效电路如2 - 2 ： islr 图2 - 2 考虑边端效应的t 型等效电路图 2 2 考虑动态边端效应的直线电机的d q 模型 建立一个适当的电机数学模型是研究传动系统静态和动态特性及其控制技 术的理论基础，直线电机亦是如此。由于直线电机特有的边端效应，使得传统的 旋转电机数学模型不再能用，必须进行修改。 由于边端效应的影响，直线电机的等效d q 电路与普通旋转电机是不同的。 在旋转电动机按转子磁场定向的坐标系统中，规定d 轴沿着转子总磁链矢量的 方向，而转子磁链在q 轴方向上没有分量，吵耐= ，y 。= 0 。边端效应不影响 q 轴，只对d 轴产生影响1 1 2 1 1 4 6 1 【4 7 1 。 动态纵向边端效应对d 轴参数的影响是：d 轴励磁电感变为乙( 1 一厂( q ) ) ， 旭，= 警。 直线电机考虑动态边端效应的d q 轴的等效电路如2 - 3 和2 - 4 ： 红 图2 - 3d 轴等效电路图 1 6 中南大学硕士学位论文第二章直线电机的研究 图2 - 4q 轴等效电路图 考虑动态纵同边端效应的影响，在旋转感应电动机数学模型的基础上，建立 直线感应电动机的按次级磁场定向的同步旋转d q 0 坐标系统数学模型如下： 电压方程 = 忍乙+ r j ( q ) ( g + 如) + 誓一q ( 2 1 2 ) = r 岛+ 誓+ q ( 2 - 1 3 ) o = 耳如+ r j ( q ) ( i 。a + 。) + _ d g 矿g a ( 2 - 1 4 ) o = 耳+ ( q q ) ( 2 1 5 ) 磁锛方稃 = ( 丘一厂( q ) ) + 乙( 1 - f (