（机械电子工程专业论文）变频调速液压电梯速度控制系统的研究.pdf

摘要 q3 8 8 ；i 2 厂 i 变频调速液压电梯是一种新型的液压电梯。作为液压电梯的一个发展方 向，鬯为解决传统阀控液压电梯的能耗问题、液压系统温升问题提供了有 效途径。国内外对此都纷纷展开研究，但是许多理论和关键技术都处于研 究开发阶段，核心技术资料都处于保密阶段。本课题就是在这样的国内外 环境下，对变频调速液压电梯的控制系统展开研究。卜7 一 本论文的研究建立在前人的工作基础上，以该技术的实用化和产业化为 主要目的，搭建了能实现能量回馈制动的闭环矢量控制型变频装置和包括 电机、泵、集成阀在内的液压动力泵站，并研制成功了以高可靠性为设计 目标的单片机控制器。通过系统的数学建模、仿真和实验调试结果，分析 了变频调速液压电梯控制系统的开环特性。最后仔细比较分析了轿厢速度 大闭环控制、负载压力补偿控制、下行比例阀辅助控制三种方案，确定了 最有利于变频调速液压电梯产品化的一种方案负载压力补偿控制。 f 本课题的主要研究成果与创新点在于： 采用了高性能交频驱动与回馈装置，彻底改善了变频调速液压电梯的 控制性能，并提高了系统节能效率； 提出了负载压力补偿的控制方案，简化了系统，方便了现场调试，从 而提高了系统的实用性； 采用控制部分与键盘显示部分分离的设计体系，有效地提高了单片机 调速器的可靠性。 综观全文，本课题比较圆满地完成了研究任务，使变频调速液压电梯的 实用化、产品化又向前迈进了一步。 7 厂 关键词：液压电梯，变频调速，w v f ，变频器，能量回馈，速度控制，闭 二，vvv 环矢量控制，计算机仿真，计算机实时控制y 单片机控制器y 可靠性 a b s t r a c t 1 1 1 ev v v f h y d r a u l i ce l e v a t o ri san e wt y p eh y d r a u l i ce l e v a t o r , w h i c hr e p r e s e n t s an e w d e v e l o p i n go r i e n t a t i o no fs o l v i n gt h e t r a d i t i o n a lp r o b l e mo f h y d r a u l i ce l e v a t o r s u c ha sl a r g ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n , e t c t h e r ea r em a n y p e o p l e r e s e a r c h i n gt h i sd o m a i n i nt h ew o r l da n dl o t so f k e yt e c h n o l o g i e sa n dt h e o r ya r es t i l l i ns t u d y h o w e v e rt h et e c h n o l o g i c a lm a t e r i a li si ns e c r e t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h e s t u d y i n go f t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ev v v f h y d r a u l i ce l e v a t o r si sd e v e l o p e di nt h i s t h e s i s t h em a i ns t u d y i n gc o n t e n to ft h e s i si sb a s a do nt h ew o r ko ft h ep r e d e c e s s o r si n t h i sp r o j e c t i no r d e rt oq u i c k e nu pt h ep r o d u c i n go ft h i st y p eo fh y d r a u l i ce l e v a t o r s ， t h ev w fd r i v ed e v i c ei ss e tu p ，t h ep u m p i n gs t a t i o ni sb u i l t ，w h i c hi n c l u d i n gm o t o r , p u m pa n da ni n t e g r a t ev a l v e ，a n dt h ee m b e d d e dc o n t r o l l e ro fs i n g l ec h i pp r o c e s s o r w i t hh i g hr e l i a b i h t yi sm a d es u c c e s s f u l l y t h em a t h e m a t i c a lm o d e la r es e tu pb y t h e o r ya n a l y z i n go f t h e w h o l ee x p e r i m e n t a ls y s t e m , a n dt h es i m u l a t i o ni sm a d e b yt h e a n a l y z i n go f b o t hs i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e o p e nl o o ps y s t e m i sm a d e s u r e f i n a l l y , f i n dab e s tc o n t r o lm o d e f o rt h ev v v fe l e v a t o r s y s t e m , a r e ra n a l y z h l g a n d c o m p a r i n g t h e f o l l o w i n g m o d e ：c a b i n s p e e d f e e d b a c k , p u m pp r e s s u r ef e e d b a c k ，d o w n a s s i s t e db ya p r o p o r t i o n a l v a l v e t h ef o l l o w i n gi st h em a i na c h i e v e m e n ta n di n n o v a t i o no ft h er e s e a r c h ：a d o p ta l l a d v a n c e di n v e r t e rw i 也f u n c t i o no fe n e r g yf e e d b a e k , w h i c hi m p r o v e t h ec o n t r o l p e r f o r m a c eo ft h eh y d r a u l i ce l e v a t o r a n ds a v em o r ee n e r g y ；b yc o m p e n s a t i n gt h e c o n t r o lv o l t a g ea c c o r d i n gt ot h el o a dp r e s s u r eo fp u m p ，m a d et h ec o n t r o ls y s t e m s i m p l ea n dp r a c t i c a l ；s e p a r a t et h ef u n c t i o no fd i s p l a ya n dk e y b o a r df r o mt h ec o n t r o l m o d u l e ，a n di m p r o v e t h er e l i a b i l i t yo f t h ec o n t r o l l e r i ns u m m a r y , t a r g e t so ft h i st h e s i sh a v eb e e nc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y a l lo ft h e s e b e n e f i tt h ep r o c e s so f p r o d u c i n gv v v f h y d r a u l i c e l e v a t o r s k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce l e v a t o r i n v e r t e r ，v v v f ，e n e r g yf e e d b a c k s p e e dc o n t r o l t c l o s e d 1 0 0 pv e c t o rc o n t r 0 1 c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，c o m p u t e rr e a l t i m e c o n t r 0 1 e m b e d d e dc o n t r o l l e ro fs i n g l ec h i pp r o c e s s o r ，r e l i a b i l i t y i i 第一章变频调速涟压电梯的技术背景 第一章变频调速液压电梯的技术背景 【摘要】本章首先简要介绍了液压电梯及其几种主要的控制方式；然后切入到变频调速技 术、交频调速液压电梯技术的发展概况并介绍了国内外的现状；最后在此技术背景下，明 确了本课题研究的主要内容。 1 1 液压电梯及其控制方式简介 电梯是现代化都市建筑内必不可少的垂直交通运输设备电梯发展至今，尽管新技术层 出不穷，但从根本上还是可分为曳引电梯和液压电梯两大类。曳引电梯以电机拖动作为驱动 方式，随着电力电子技术的进步而得到迅猛的发展：而以液压驱动为工作方式的液压电梯， 近年来的发展亦十分迅速，尤其在欧美占领了电梯市场的大部份份额，而亚洲地区的市场份 额也在逐步扩大。 跟曳引电梯相比液压电梯具有不可替代的优势：液压系统功率重量比大，而且传送距 离长，因此机房面积小且设置灵活：一般不带配重。因此减小了井道尺寸：载重可通过 油缸直接作用在地基上因此载重量大，而且井道不受力，降低了建筑费用。上述特点使 得液压电梯适合于中低层建筑、大载重、旧屋改造等场合，如仓库、停车场、机场等等，或 者在古典建筑、旧房中增设电梯”1 。因此，尽管液压电梯存在着提升高度低、速度低、装机 功率大、能耗大、效率低等局限性而受到曳引电梯的巨大挑战，但上述优势使得液压电梯依 然在市场中占有可观的份额而且技术的进步使其依然具有美好的发展前景。 随着电液比例技术、电力电子技术、微电子技术、传感技术和机电液一体化工程技术的 进步，液压电梯的控制技术也在不断的发展，目前主要分为两个方向：毗电液比例技术为代 表的阀控液压电梯和以v w f 变频调速技术为代表的容积调速液压电梯。”1 1 阀控液压电梯 阀控液压电梯采用节流调速控制方案，控制阀是控制系统的关键部件，主要有两类：一 类是开关阀，一类是比例阀。 开关阀控制的液压电梯调速系统，主要是通过若干个开关电磁阀和可调液阻的相互配 合，实现对流量变化曲线的控制，在回路中没有任何反馈回路系统性能随开关电磁阀数量 增加而提高但考虑到系统的复杂性、成本及可靠性，一般设计成一至四个电磁阀。图1 1 为德国a l g i 公司的四电磁铁控制的电梯液压系统及其运行曲线。p l 还有一类是带负载压力补偿的开关阀。这种流量控制阀属于小闭环控制方式，采用流量 一压力反馈的负载补偿原理，增强了抗负载性能提高系统负载刚性和动态性能。但它还只 是依靠调节主节流阀背腔压力的先导液阻网络近似得到液压电梯运行速度曲线，不能精确地 控制液压电梯速度运行曲线形状，只能大致地改变启动加速段和制动减速段的斜率值这类 控制形式的液压阔有瑞士b e f i n g e r 公司的h s v 阀和意大利的m o i l s 公司的开关控制阀块等 第一章变频调遮液压电梯的技术背景 几种结构形式。1 4 开关阀控制的液压电梯价格便宜，控制简单，但受负载、温度影响较大，流量控制精度 低，速度稳定性差，从总的发展趋势来看，在高档液压电梯的市场中，开关阀被淘汰是不可 避免的。1 4 r 图1 1a l g i 公司四电磁阀控制液压电梯原理图 厂磊j 磊菊 日岫p ：渍压夏 【u 电机【 直 m - 先导式安一f ：t 抒主节前阀 i ! 。苎兰苎璺l 船固定麓田f 叩可奎囊阻 1 鬯! 里竺苎里| 些! ! 苎苎里j t 可变瘫目1 s 控制* 毫 筐羞兰纠 s t ：t 抒先导毫黛一 泵 上行) 比例电磁铁控制的液压电梯用流量阀除了早期曾采用由传统的电液比例调速阀等分 离元件构成的液压电梯控制系统外，基本上都是采用流量或速度闭环控制的液压电梯专用元 件。它充分利用了电液比例控制技术的特点，采用跟踪控制，通过对电路中给定的运行曲线 进行闭环跟踪得到良好的流量或速度控制性能。从目前液压电梯电液比例控制系统发展的情 况来看，采用流量电反馈的电液比例控制系统是当前市场上最成熟和最先进的应用系统( 如 瑶士b e t i n g e r 公司l r v 流量电反馈系统，见图1 2 ) “1 。而浙江大学机械电子控制工程研 究所研制的v s v 型阀控液压电梯控制系统则采用直接轿厢速度反馈。 一2 一 蒜要船姐轧陀一n 第一章变频调速液压电梯的技术背景 2 容积调速液压电梯 闰1 2b e r i n g e r 公司的l r v 系统 阀 容积调速液压电梯采用容积调速的控制方案。容积调速系统的最大好处是系统的效率 高。在电梯上行过程中，泵的排油量直接与电梯轿厢的速度相匹配，因此没有溢流量，节省 了由于溢流而浪费的能量。容积调速主要通过变排量及变转速两种不同的方式来控制油泵的 排油量。 图1 3 所示为典型的变排量容积调速电梯液压系统图。由于该系统采用的比例变量 泵结构一般为轴向柱塞式，流量脉动大，噪声高，另外只能实现电梯上行时的容积调速功能， 电梯下行还是要由阀控来完成，因此很难得到推广。 图1 3 变捧量容积式液压电梯系统 一3 一 第一章童频调速液压电梯的技术背景 变转速方式的容积调速系统则采用变频器加定排量泵，通过改变电机的转速来实现流 量( 速度) 控制，这种系统一般采用调压调频( v v v f ) 控制技术。这种调速方式也是本课题 的研究对象，后文将作重点介绍。 相比阀控液压电梯而言，采用变频控制的液压电梯主要优点如下： a 节能效果显著电梯上行时无溢流损失( 与阀控液压电梯上行能耗比较见图1 4 ， 阴影郭分为额外消耗的能量) ，若采用回馈制动单元，电梯下行时还能将能量回收回电网 0 鎏 t 时闻 n 图1 4 阀控变频液压电梯上行能耗比较图 t 时闻 b 解决了液压系统的温升问题。电梯上行时没有了溢流损失产生的热量，电梯下行时 能量大多数被回馈回电网( 回馈制动方式) 或消耗在制动电阻上( 电阻制动方式) 所以进 入油液的热量很少油温上升不明显( 参见图1 5 ，b e r i n g e r 公司阀控和变频两种液压电 梯进入油液的能量的对比) ，不仅可以省去一套冷却系统而且油箱的体积和用油量都可以 减小； c o n v e 曲衄童l r 、l l 。 一 夕 州v fc o n t r o l l e d 1，f _ l r v 运行停站次数 图1 5 b e r i n g e r 公司传统阀控和w v f 液压电梯进入油液的能量对比 为 如 拍 m 0 进入油渍的能量n芋u 第一章变频调速液压电梯的技术背景 c 电机的启动电流可以大为碱小，从而延长了电机的寿命。 因此，采用变频控制的液压电梯受到各大电梯厂商的重视，纷纷投入相关技术的研究。 而变频式液压电梯的产生离不开现代电力电子技术尤其是变频调速技术的发展”1 。 1 2 变频调速技术概述 1 2 1 变频调速技术的发展“3 由于直流调速系统可以获得优良的静、动态性能指标，因此在很长的一段历史时期内， 直流电机调速占据了电机调速传动领域的统治地位。但直流电动机有一些固有的难以克服的 缺点。主要是机械式换向器带来的弊端。其缺点是：维修工作量大，事故率高；容量、 电压、电流和转速的上限值，均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域 中无法应用：使用环境受限，特别是在易燃易爆场合，难以应用。而交流电动机有一些固 有的优点：容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；结构简单、 造价低：坚固耐用，事故率低，容易维护。但是在早期，交流调速只能使用一些简单的交 流调速方案，如：变极调速、定予调压调速、转差离台器调速等等这些简单的交流调速方 案性能较差，只能在某些特定的场合有所应用。2 0 世纪6 0 年代出现了v w f 变频调速技术， 随着这项技术的发展，调速装置( 变频器) 性能的日益完善，交流调速性能差的问题已经得 到了根本性的解决。目前采用变频调速传动的系统性能已经可以超过壹流调速系统，再加上 交流电机固有的优点，可虬预见在不久的将来，交流调速传动将会完全取代直流调速传动。 交流电机大多数调速方案的基本原理很早以前就已经确立了，但是由于电力变换技术和 控制手段的制约，在当时历史条件下使用范围受到了限制。6 0 年代中期。普通晶闸管、小 功率晶体管的实用化使交流电机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控 式变频调速系统，采用电压型或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统( 包括不属 变频方案的绕线转子异步电动机的单级调速系统) 等先后实现了实用化使变频调速开始成 为交流调速的主流。此后，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传 动技术也随之取得了日新月异的进步。 交流调速传动控制技术的发展得益于电力电子器件( 包括半控型和全控型器件) 的制造 技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电机的矢量变换控制技术、p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 技术以及以微型计算机和太规模集成电路为基础的全数字化控制技术等多项技 术的突破性发展。其主要特点如下： ( 1 ) 交流调速装置太容量化：这与电力电子器件的发展有很大关系，目前最大功率的 变频调速装置可达1 0 万k w 。 ( 2 ) 开关元件的自关断化：几十年来的可关断晶闸管( g t o ) 、大功率晶体管( b j t ) 和绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 发展很快。采用自关断器件不仅省去了线路复杂、体积较 大的换流电路，而且降低了开关损耗并提高了开关频率。 ( 3 ) 变频器高性能化：早期的变频调速系统基本采用u f 控制方式，无法得到快速 的转矩响应低速特性差。目前的变频调速技术大都采用矢量控制技术，使交流调速电机具 有直流电机一样的良好调速性能。 第一章变频调速液压电梯的技术背景 ( 4 ) p w m 技术的应用：p w m 技术伴随白关断器件的发展而发展，变频调速中采用 p w m 技术可以改善变频器的输出波形，降低谐波，减小转矩脉动并提高系统的动态响应， 从而使异步电动机的技术性能指标大幅度地改善。 ( 5 ) 全数字控制技术的应用：电力电子器件发展的另一个特点是小的开关驱动电流 这使得单片机等数字控制器通过简单的电路便可驱动晶体管功率元件。完成弱电对强电的控 制全数字控制方式，使信息的处理能力大大增强，使复杂的控制容易实现，使控制系统具 有可靠性、易操作性、易维修性等一系列优点。可以说徽处理器和大规模集成电路的引入， 对于变频器的通用化起了决定性作用。 圄 ( 罴熹 机床、轧钢、造纸、伺服传动 ( 代簪盲流电动机 。 成组传动( 纤维、钢铁) 节能传动 ( 特宦的戍角 压i 巫困 无速度传蓐器的矢量控制 矢量控制一实异l 化 u f 控制磁通控制型u f 控制 臣i j i i i 习 晶体管 擞型计算机一高速化、多功能化 i c ( 集成电路)1 6 位3 2 位 臣i j i i 亘日 职极型晶体管 晶闸管g t o 晶闸管 ii g b t 太容量化l 1 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 0 年份 图1 6 变频传动的发展历程 1 2 2 变频器的主要类型和特点m 对异步电机进行变频调速，首先需要对电机提供一个频率可变的电源。在许多场合，为 了保持在调速时电机的最大转矩不变。需要维持磁通恒定，这就要求定子供电电压也要作相 应调节。因此，对电动机供电的变频器一般都要兼有调压( v v ) 和调频( v f ) 这两种功能。 变频器按装置形式可分为交一交变频器和交一宜交变频器；按无功能量处理方式不同 可分为电压源型变频器和电流源型变频器。 1 按装置形式分类 叫她i o a ci 壅塑竺la c恒姐丢 图i 7 交交变频器图1 8 交直一交变频器 变频传动的笈震 第一章变频调速液压电梯的技术背景 ( 1 ) 交一交变频器交交变频器又称直接变频器。它把某一固定频率、固定电压的 交流电源变换成电压和频率都可调的交流电源如图1 7 所示。 ( 2 ) 交一直交变频器交一直一交变频器又称间接变频器。它把交流电源先整流成 幅值可变的直流电源然后再将此直流电源变换成频率可调的交流电源。这种变频器实际上 是由可控整流器和逆变器组成的，如图1 8 所示。 2 按无功能量处理方式分类 在变频调速系统中，变频器的负载通常是异步电动机其电流落后于电压，功率因素是 滞后的，负载需要向电源吸取无功能量，因此在直流环节和负载之间将有无功功率的传输。 为了缓冲无功能量，在直流环节和负载之间必须设置贮能元件，根据贮能元件类型的不同， 可以形成电压源型和电流源型的变频嚣。 ：蚓亩z ：爿l , l iv a 每z 图1 9 电压源型变频器图1 1 0 电流源型变频器 ( 1 ) 电压源型变频器图1 9 所示是种典型的电压源型变频器。这种变频器的特点 是在直流侧并联一个大电容c ，用电容贮能来缓冲电源和负载之间的无功功率传输。从直流 输出端看电源因并联大电容，其等效阻抗变得很小，大电容又使电源电压稳定，因此具有 恒电压源特点逆变器输出电压接近矩形波。 ( 2 ) 电流源型变频器图1 1 0 是一种典型的电流源型变频器，这种变频器的特点是 在直流回路中串入大电感利用太电感来限制电流的变化，用以吸收无功功率，因串联了大 电感放电源的内阻抗很大，类似于恒流电流源。逆变器输出电流接近矩形波。 1 2 3 异步电机变频调速系统的几种控制原理简介m 异步电机变频调速系统从控制原理上分有标量控制和矢量控制。在标量控制中有电压 频率比控制和转差频率控制两大类，它们都可以做成电压源型和电流源型 1 电压频率比控制 系统的被控制量是异步电机的定子电压叻和定子频率五，系统使电压按一定的函数关 系跟踪频率的变化，称电压频率比控制系统。该系统控制简单，但动、静态性能均不理想。 2 ，转差频率控制 转差频率控制是采用频率( 转速) 闭环的控制系统即用转差角频率4u 作为系统转矩 控制的指令值。用 呵r d 叫函数发生器来控制定子电流的激励分量不变t 以保持气隙磁通 恒定。该系统有近似子直流取闭环调速系统的静、动态特性。适用于系统要求较高的场台。 3 矢量控制 在七十年代末开始提出的矢量变换控制，只有在计算机技术发展以后才得以实现。这种 控制的设想是模拟直流电机的控制特点来进行交流电机的控制。直流电机之所以调速性能 一 一 第一章变频调速液压电梯的技术背景 好是因为直流电动机的电枢电流，和磁通中相互独立而且垂直，可以互不影响分别进行调 节而异步电动机转子电流厶和主磁通中。两个参量既不垂直又不独立，转矩控制条件很复 杂。所谓矢量变换控制是根据坐标变换理论，将交流电机的定子电流 分解成磁场定向坐标 i ，。和与之垂直的转矩分量i ，r ，由于，m 和f j r 在同一个同步旋转坐标上。其相对关系是静止 的，相当于直流量，因此，对这种直流量进行控制就同于直流电机的控制了。它是目前交流 调速的发展方向。 1 3 变频调速液压电梯的研究现状 1 3 1 国外的研究现状 1 最早公布的变颓液压电梯技术资料 轿 厢 速 度 位 置 反 馈 圈1 1 1日本三菱公司的变颓调速液压电梯系统结构框图 国外对变频液压电梯的研究也仅开始于十几年前根据现有资料“1 ，日本三菱公司最早 在1 9 9 0 年研制出一台变额液压样梯( 系统结构图见图1 i i ) 。而该公司早在1 9 8 4 年就开 始了这方面的研究并于1 9 8 6 年申请了美国专利( 专利号：1 妇4 5 9 3 7 9 2 ) 。这篇专利作为最 早公布的技术资料，为今后变频液压电梯的研究莫定了基础 图1 1 2 是该专利的系统结构图州，运行过程如下： 交流屯网r ，t ，s 将屯能输入到整流器2 l ，变成直流电，经过滤波电容2 2 ，输入到 v v 逆变器，形成变频输出的三相交流电，通过接触器3 0 a 、3 0 b 、3 0 c ，供给三相交流异 步电机1 3 。由于v v v f 逆变器的辘出频率受速度控制器2 5 的输出信号2 5 a 控制所以电机 能够带动泵i 2 按照预定的速度曲线运转，输出相应的流量丽电机的转速由速度发生器1 4 8 一 蔓二兰窭塑塑鲞堕垦皇璺些垫查笪墨 把电机转速信号1 4 a 反馈回速度控制器2 5 其它信号，诸如井道中传来的由位置继电器9 ， 1 0 发出的9 a ，l o a 等位置信号，还有轿厢5 中的负载重量传感器6 发出的负载重量信号6 a ， 咀及油箱1 5 中的温度传感器1 6 发出的油液温度信号1 6 a 也都传送给速度控制器2 5 。 r s t 】井道 2 柱塞缸 3 压力油 4 拄毫杆 5 轿厢 5 a 轿厢地板 6 虫载重量持毒嚣 “盘羲重量信号 7 屡站平台 8 轿厢位置蛙电器档韫 9 或逮位置蛀电嚣融点 9 5 直速信号 1 0 停止住王蛙电嚣慧 1 0 - 停止信 1 1 电硅开关阁 1 1 & 阙到缸曲管肆 1 1 b 电詹成瞳 12 秉 12 a 秉到阿的量路 13 三相主澶电机 1 4 连度量生嚣 1 4 a 电机转速信号 1 5 油葙 1 5 a 油藕到幕的蕾路 1 6 油童量度持寡暑 l “油_ l j l 度信号 2 l _ 莹蕾嚣 2 2 连遗屯窑 2 3 y y v f 逆童矗 2 电蠢田馈逆生矗 2 5 速度挫】暑 2 5 z 逆主挫制信号 ，0 - b c 接触嚣常井胜点 3 0 d 适行开* t 开触点 3 t 连行开关* 作棺号 1 s ，t 三相交流电 图1 1 2 美国专利h 口4 5 9 3 7 9 2 所示系统结构框图 向上运行时，速度控制器将图1 1 3 中的理想曲线( a ) 和泄漏补偿曲线( b ) 相加，得 到输出曲线( c ) ，然后输出给、n n ，f 逆变器，使电机的转速曲线和曲线( c ) 一致。电机带 动泵从油箱里抽油，压力油通过电磁阀中的单向阀进入柱塞缸，顶起轿厢向上运行 争 第一章变频调速液压电梯的技术背景 向下运行时，速度控制器同样把图】1 4 中的理想曲线( a ) 和泄漏幸卜偿曲线( b ) 相 加，得到输出曲线( c ) ，然后输出给v v v f 逆变器使电机的转速曲线和曲线( e ) 一致。 不过，这时的动力源是轿厢的势能它的重量驱动液压缸下行。此时的电磁阀接受控讳4 器的 命令，将阀口位置切换到常开端，压力油无阻碍地通过电磁润，涌入泵的出口。此时，泵作 为马达使用带动电机发电。电能通过逆变器回馈到交流电网完成了能量回收的功能。 吲 辞 羹 辅 守 ( b ) ( c ) i ：八 一 一 时闻 ；、 一 涉 时间 l 一 时间 图j 1 3美国专利4 5 9 3 7 9 2 所示电梯上行时的控制输出曲线9 】 捌 墨( a ) 蒋 皿 ( b ) ( c ) 一 时间 ll 一 时间 k 蒜 图1 1 4 美国专利4 5 9 3 7 9 2 所示电梯下行时的控肯8 输出曲线1 9 j l 卜 第一章变频调速液压电梯的技术背景 2 瑞士b e r i n g e r 公司的s a t u r n 系统 日本三菱公司的资料公布之后，各大电梯产商相继开展变频调遽液压电梯的研究开发， 而各种有关变频调速液压电梯的专利也纷纷出现，但不是所有的专利都能转化为产品或样 梯。 1 9 9 7 的i n t e r l i f t 国际电梯展览会上，瑞士b e r i n g e r 公司推出了他们的变频控制液压 电梯驱动系统s a t u r n 口系统。当时该系统受到了电梯界专家们的普遍关注：1 9 9 8 年， 电梯行业的世界性权威杂志e l e v a t o rw 0 r l d 上对此作了详细的报道“。 b e r i n g e r 公司的技术优势在于集成阀的精密制造技术和液压电梯专用集成流量传感 器，因而能够占领高挡液压电梯市场。s a t u r na 系统保持了b e r i n g e r 公司传统的技术优势， 而且其控制原理较为新颖为此b e r i n g e r 公司已经申请了专利。 图1 1 5b e r i n g e r 公司s a t u r na 系统结构原理图【1 2 】 其主要原理如下 电梯的上行过程通过变额器对电机的调速并由电机带动泵运转来实现。在整个运行时 问段内，由流量传感器测出进入柱塞缸油渣的瞬态流量并由数字控制扳跟设定理想值比较， 实现流量的闭环反馈控制在上行的起始段电机转速较低，在泵和阀之间建立起缓慢增长 的压力值。单向阀在泵的输出压力高于负载压力值的时候自动开启，反之则关闭。 第章变频调速液压电梯的技术背景 流 量 卜一变频单元闭环一 时间 图1 1 6s a t u r na 系统上行运行曲线 电梯下行时，启动和停止阶段的速度是由阀来控制的而在其它运行阶段则由变频器通 过对电机泵的转速调节来控制。跟上行控制相类似由流量传感器测出进入柱塞缸油渡的 瞬态流量，由控制板实现流量闭环反馈控制。而在下行的起始段，先由比例电磁铁打开先导 阀，继而主阀开启同时电机在此过程中以平稳低速反向运转。为了保护泵，安装了补油阀 以使泵在运行起始段能够吸油当达到特定速度时，先导阀将主阀全部开启此后运行速度 完全由变频驱动单元来控制。泵此时充当液压马达的角色，电机工作在发电的状态回馈到 变频器中的电能在刹车电阻器的制动单元中转换成热量。如果系统装机功率较大，那么还可 以通过能量回收单元将能量返回电弼。在减速过程中比例电磁铁控制先导阀，而使主阀逐 渐关闭。最终轿厢在楼层处停止。 流 量 时蚵 变频单元开环阀控单元闭环 ( 参变频单元f j i 环，阀控单元开环 图1 j 7s a t u r nd 系统下行运行曲线 据分析，b e f i n g e r 公司的s a n 珉n a 系统之所以要采用这样一种半变频、半阀控的下 行控制方式主要有两个原因： 1 避开三菱公司的专利； 2 降低系统对变频器性能的依赖性，因为普通变频器往往存在低频输出力矩不足的闯 愿，导致电梯启动及低速平层时性能变差，而阀控则可班很好地解决这一问题。 - - 1 2 - - 第一章变频调速液压电梯的技术背景 1 3 2 国内的研究现状 国内有关变频调速液压电梯的研究目前仅限于浙江大学机械电子控制工程研究所杨华 勇教授领导的液压电梯课题研究组。该课题的研究从1 9 9 2 年开始，也是以上文所述的日本 三菱公司的文献为起点，至今已经先后投入了两位博士生、四位硕士生对此课题进行了深入 细致的研究主要研究工作内容包括：实验台架的搭建、系统模型的建立、系统仿真、计算 机控制监测系统的设计、单片机控制板的研制、各种智能控制算法的研究等等。目前，根据 和上海三菱电梯有限公司签定的技术转让台同，已经成功地研制出一套完整的变频调速液压 电梯的控制系统，并通过了项目鉴定。 1 4 本课题的主要研究内容 变频调速液压电梯控制系统实验台架多年前早已建立，并经过多位博士、硕士的研究 获得了丰硕的成果。然而，由于早期的变频器性能差，低频输出力矩不足导致电梯运行( 尤 其下行启动) 舒适性差。这个问题困扰了本课题组多年并一度被认为是变频调速液压电梯 课题的一个最大的难点。 最终在上海三菱电梯有限公司的项目资金支持下更换了一套先进的变频及回馈装置 再加上孙威硕士设计并实现的浸油电机轴转速反馈方案，成功地实现了变频器对电机的矢量 控制。实验表明，新系统的控制性能得到了根本性的改善。 本课题的主要研究内容包括：控制系统的硬件构成，包括变频回馈系统的搭建、单片 机控制器的设计、制作与调试、液压动力泵站的调试等；系统的开环仿真与实验：几种 控制方案的对比与分析，找出最合适的一种控制方式以利于变频调速液压电梯的产品化。 一1 3 第二章变频讽速液压电梯控制系统的原理与构成 第二章变频调速液压电梯控制系统的原理与构成 【摘要】本章首先简要介绍了本课题所完成的变频调速液压电梯控制系统原理；然后分别 对系统的传动装置、动力泵站、电气控制装置、计算机监测系统四个组成部分进行较为详细 的阐述：最后重点介绍了单片机控制器的设计。 2 1 控制系统的工作原理 图2 1变频调速液压电梯控制系统原理图 - - 1 4 - - 第二章变频调速液压电梯控制系统的原理与构成 本系统的工作原理如下 1 上行过程 电梯控制柜中的p i c 接收到上行命令后，就给控制器发出上行的指令信号。控制器根 据p l c 信号，给变频器输出相应的控制信号。变频器根据输入的控制信号，产生相应频率 和电压的交流电，驱动三相交流异步电动机运转。同时电机上的光电编码器把电机转速信 号反馈给变频器构成闭环矢量控制。而电机带动螺杆泵运转，输出液压油使管道内的油压 迅速增高直至顶开单向阀，使油液进入油缸，推动柱塞以相应的速度向上运动。当电梯到 站时，电梯控制柜里的p l c 检测到从电梯井道过来的停靠信号给控制器相应的信号，控 制器则给变频器发出停车信号，电机转速降为零，泵的输出压力也迅速降低，靠轿厢自重使 单向阀关断，电梯停站。 2 下行过程 电梯控制拒中的p l c 接收到下行命令后，就给控制器发出下行的指令信号。控制器则 根据p l c 信号，首先输出控制信号使变频器驱动电机正向低速运转给系统补油，使泵的 出口压力迅速升高，当捡测到泵的出口压力p l 达到设定值时，控制器给控制阀的电磁铁通 电，使控制阀打开。轿厢开始下行，控制器给出控制信号，使变频器驱动电机从正向低速运 转过渡到反向运转，电机由电动状态转变为发电状态运行所产生的能量经回馈制动单元 返回到电网。电梯靠站时，电梯控制柜里的p l c 检测到电梯井道中的停靠信号，给控制器 相应的指令信号，控制器则使电磁铁断电，控制阀关闭，期间变频器带动电机低速反转，等 轿厢完全停止不动时，让变频器停车。 另外还有一套计算机监测系统，电梯每次运行过程中。都可以将检测到的轿厢速度信 号和负载压力信号记录下来并实时地显示在计算机屏幕上，以供实验分折。 2 2 控制系统的结构组成 本节将分别介绍变频调速液压电梯实验系统的借动鞋管， 计算机监涮系统阻令铎贽。 2 2 1 传动装置 本实验系统与一台由杭州西子奥的斯电梯公司安装的液压电梯共用同一井道包括液压 缸、钢丝绳、滑轮等传动装置。 整个传动装置的结构见图2 2 所示， 方式，机械结构比较复杂，需要5 个绳轮 之问的摩擦力大为减小。 采用侧置4 ：2 的传动方式。这种侧置4 ：2 的传动 但是克服了轿厢的侧向倾覆力矩，使轿厢跟导轨 一1 5 一 - _ - _ - - - _ - l - _ - _ _ - - - _ - _ - - _ _ - _ _ - - _ - - - _ _ _ - l - - 。_ _ l _ _ l _ _ - - _ _ - _ - - _ - 第二章变颇调速液压电撵控制鬟缆的最理与构成 2 2 。2 动力装始 交频调速液援电梯系统的动力裂站主要由箱体、浸油式电帆、光电编妈爨、集成阗，；2 量 及一些连接件构成( 见图2 3 ) 。 闰2 3 动力泵站的结构组成示意圈 1 6 - - 第二章变额调遣液压电梯控期系统的原理与构成 动力泵站的设计中有两个技术关键点 1 光电编码器的安装 由于变频装置工作在闭环矢量控制的方式需要取得电机的轴转速信号，因此需要安装 测速用的旋转光电编码器。光电编码器是非常精密而脆弱的元件，而驱动电机浸泡在油渣里， 工作环境非常恶劣，如何保证其可靠工作，难度非常大。最终采取了一种油箱侧壁密封的方 式( 详见图2 3 所示) ，印在油箱侧壁上开孔用一个起密封作用的中间轴和一个柔性连轴 器，把电机的伸出轴和光电编码器的伸出轴相连。其中，中间轴跟轴承之间采用唇形油封的 密封方式。 这种方式可以避免把光电编码器浸泡在油里从而延长了光电编码器的使用寿命；此外， 当光电编码器损坏需要更换时，无需把油抽干维修比较方便。 2 集成控制阀 p 2 _ 一 至负载 f - - - x - _ ： ； r i ) l ( r 2 l 十i 泵出口 p 1l 图2 4 集成控制阀的原理图 图2 4 所示相当于液控单向阀、安全溢流阀、防吸空单向阀、手动下降阀组成的集成 控制阀，具有以下三个功能： ( 1 ) 控制功能 当电磁铁断电时先导阀p v 关闭，阀c 3 的阀芯背腔受负载压力，当泵出口压力p 1 比负载压力p 2 小时阀c 3 的阀芯关死当p l 大于p 2 时，顶开阀c 3 的阀芯，油液流向负 苎三至兰塑塑堕蔓里皇塑垫型墨垫堕堡翌量塑盛 载端。 当电磁铁失电时- 先导阀p v 打开，阀c 3 的阀芯背腔被卸压此时，负载端和泵的出 口端之闻形成一个通路- 油液可以自由流动，其流向由p 1 和p 2 的大小决定。 ( 2 ) 安全阀和防吸空功能 由于控制过程中存在着电机的正反转两种状态如果阙口被堵死电机正转有可能使系 统压力过高，带来安全隐患，反转有可能使泵吸空造成泵的永久性损坏。阀c 2 及其先导 级r v i 组成的安全阀能够完成这样的功能。当压力过高时，油液将顶开可以阀0 2 的阀芯， 溢流回油箱，其压力闽值可通过调节先导阀r v l 上的弹簧预压缩量来设定；若泵反转吸空， 则阀c 2 的背腔将降到大气压力以下，c 2 的阀芯打开，对泵进行补油。 ( 3 ) 手动下降阀 当电梯断电或发生故障而停在半途时，需要通过手动下降阀k i 把轿厢放下来 2 2 3 电气控制装置 电气控制装置由包括变频器控制柜、电梯控制柜、单片机调速器。 1 变频器控制柜 为了获得良好的控制性能，必须采用先进的变频装置。为此，选择了英国c t ( c o 胁l t e c h n i q u e s ) 公司的u n i d r i v e 变频嚣。 该变频装置可咀实现闭环矢量控制，启动时能够输出2 0 0 的低频输出力矩，完全瞻够 满足系统的需要a 由于采用能量回馈的制动方式该装置的接线比较复杂由两台u n i 由v e 驱动器( 一台工作在驱动模式，另一台工作在回馈模式) 以及一整套附件组成。 整个变频装置的电气回路可分为三个部分： ( 1 ) 电源滤波与保护电路 v f 2： v 一一! i 11 一w ， w ，! f 3： y 申亨 孰 。弋 ：1 关：一 l 一一 譬hh 主) 古 霎f 醋。16 一压敏电町一 图2 5 电源滤波与保护电路 一1 8 - - 第二章变频谓速液压电梯控制系统的原理与构成 从电网进线端u 、v 、w 开始，经过主接触器以后有两重保护器件。第一个就是电流 熔断器：第二个是一组压敏电阻，一菸有7 个，分别接成三角形接法和星形接法。接下来是 串联一个三相的开关频率滤波电感，然后在主线路上并联一个三角形接法的阻容开关频率滤 波回路。在主线路到阻容滤波回路之间串联这一个空气开关，能够起到热保护作用：当通过 电容电阻的高频电流过大的时候，这个开关就能自动地跳闸。从而断开阻容回路，同时断开 变频器的使能端。使变频器停止运行。这样就起到了保护系统的作用。 ( 2 ) 启动充电电路 回馈电感接触器 l 1 空气开关常c i j 接触器 图2 ，6 启动充电电路 电电阻 r 变频器启动时必须将直流母线电压从0 v 充电到7 0 0 v 后。才能进入正常的工作模式。 因此需要个启动充电电路。启动前，k 1 常开。k 2 常闭，v 通过充电电阻r 跟l 2 连通， w 直楼跟l 3 连通，此时。变频器处于充电状态；当充电完成后，变频器输出信号使常闭 接触器k 2 断开并使常开接触器k 1 闭合将电网的三相电u 、v 、w 正式引入，从而 进入正常的工作模式。其中熔断器f 4 、f 5 和空气开关d k 在充电回路中起过流保护作用。 ( 3 ) 驱动器互连电路 回馈模式驱动模式 直流母线 图2 7 驱动器互连电路 一1 9 一 星三兰壅塑塑垄堕堡皇堂鳖塑墨竺塑壁里皇塑盛 驱动器互连电路比较简单驱动器1 设定在回馈模式驱动器2 设定在驱动模式，两者 的直流端连在一起，前者交流电变成直流电，后者将直流电变成v v v f 交流电输出给电机。 从驱动器端还引出控制信号线，可控制电机的转速和转向。 2 电梯控制柜 本系统使用的电梯控制柜跟井道一样，也是共用杭州西子奥豹斯电梯公司的渣压电梯的 电气控制柜。除了一些电气开关和保护装置以外，电梯控制柜里的核心器件( 也是电梯控制 系统的核心部件) 是p l c 和调速器。 k 1 ： k