（电力系统及其自动化专业论文）立体车库电机控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t a sc h i n a sc a ro w n e r s h i ph a si n c r e a s e dy e a rb yy e a r , t h ep r o b l e mo fp a r ka r d u o u s l yi s h i n d e r i n gt h ec i t y sd e v e l o p m e n t p a r k i n gd e c k , w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e so fi t so w n ，i sa n e f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep a r k i n gp r o b l e mi nc i t i e s h o w e v e r , o u rp a r k i n gi n d u s t r yh a sal a t e s t a r t ，c o u p l e dw i t ht h el i m i t e ds t r e n g t ho fe n t e r p r i s e sa n dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc a p a b i l i t y t h e n e g a t i v ef a c t o r sl e a dt ol o wp o p u l a r i t yr a t eo fp a r k i n gd e c k , d u et oo u rp a r k i n gp r o d u c t s b a c k w a r dt e c h n o l o g ya n dh i g hc o s t t h eg a pb e t w e e no u rp a r k i n gd e c k sa n dt h ea d v a n c e d o n e si sm a i n l yi nm o t o rc o n t r o ls y s t e m m o t o rc o n t r o ls y s t e mi st h ec o r eo fp a r k i n gd e c k , w h i c hi sc r u c i a lt ot h ep a r k i n gd e c k s p e r f o r m a n c e t h em o t o ri sp a r k i n gd e c k sp o w e rs o u r c e t h ec o n t r o le f f e c to fm o t o r d i r e c t l yd e t e r m i n e sp a r k i n gd e c k so p e r a t i n ge f f i c i e n c y , m o v e m e n te f f i c i e n c y , s t a b i l i t y , s e c u r i t ya n ds oo n t h e r e f o r e ，an e ws t u d yo np a r k i n gd e c k sm o t o rc o n t r o ls y s t e mi so fg r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t o d a y , t h ep a r k i n gd e c k sm o t o rc o n t r o ls y s t e m sc o m m o n l yu s eo p e n l o o ps p e e dc o n t r o l ，a n d t h e r ei sab i ge r r o rb e t w e e nt h ea c t u a lm o t o rs p e e da n dt h ep r e s e to n e t h em o t o r s e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ew i l lc h a n g eo b v i o u s l yi ft h em o t o rs u f f e r so u t s i d ed i s t u r b a n c e ，w h i c h w i l li n c r e a s et h er e s p o n s et i m eo fs p e e d i na d d i t i o n ，t h ec o n s t a n tv fm o d es p e e dr e g u l a t i o ni s b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t e a d y - s t a t e s os p e e dr e g u l a t i o nh a sl o w a c c u r a c yi nt h e c a s eo fd y n a m i cc o n d i t i o n t h r o u g hs p e e dd e t e c t o ra c q u i r i n gm o t o r s p e e d ，t h ep a p e rr e a l i z e s s p e e d sc l o s e d l o o pc o n t r 0 1 w i t hv e c t o rc o n t r o li np l a c eo fc o n s t a n tv fm o d ec o n t r o l ，t h e m o t o rs p e e dc a nb ec o n t r o l l e di nr e a lt i m e a st h ev e c t o rc o n t r o lr e g u l a t e st h et o r q u ec u r r e n t a n dt h ee x c i t a t i o nc u r r e n tr e s p e c t i v e l y , m o t o rt o r q u ec o u l db ec o n t r o l l e di nr e a lt i m es ot h a t t h ea c t u a lm o t o rs p e e dc o u l dt r a c kt h ep r e s e to n el a s t l y , t h e r e f o r ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei s s a t i s f a c t o r y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fp o s i t i o n i n gc o n t r o l ，t h eb o a r d ss p e e dn e a rt h e a n c h o rp o i n th a sg r e a ti n f l u e n c eo nl e v e l i n ga c c u r a c y o nt h ep r e m i s eo fc o n t r o l l i n gt h e h o l d i n g c a rb o a r ds p e e de f f e c t i v e l y , ar e a s o n a b l ec h o i c ef r o md i f f e r e n ts p e e dc u r v e s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tm o v i n gd i s t a n c e sc a ni m p r o v et h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo fp a r k i n gd e c k s i n c et h ev e c t o rc o n t r o ln e e d sap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm o t e lw h i c hi sd i f f i c u l tt o a c h i e v ei nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h e r ei sas h a r pd e t e r i o r a t i o ni nt h ep e r f o r m a n c ea st h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r sp e a u r b e d h o w e v e r , a d r cc o u l ds e et h ec o n t r o l l e do b j e c t su n k n o w n p a r ta n do u t s i d ei n t e r f e r e n c ea st o t a ld i s t u r b a n c e ，a n dt h e nm a k es o m ee s t i m a t i o na n d c o m p e n s a t i o n ，s oa d r ch a sas t r o n gr o b u s t n e s s t h ei n d u c t i o nm o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e m b a s e do na d r cc a no v e r c o m et h ed e f i c i e n c i e si nt h eg e n e r a lc l o s e d l o o pv e c t o rc o n t r 0 1 i n a d d i t i o n ，t h ec u r r e n th y s t e r e s i sb a n dp u l s ew i d t hm o d u l a t i o ni np l a c eo fs i n u s o i d a lp u l s e w i d t hm o d u l a t i o nc a n g e tt h en e a r - s i n u s o i d a li n v e r t e rc u r r e n t w h i c h w i l lr e d u c et h e e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u er i p p l e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h em o t o r c o n t r o ls y s t e mi m p r o v e m e n tp r o g r a m t h ep a r k i n gd e c kh a sab r o a dm a r k e tp r o s p e c ta n dt h ei m p r o v e m e n tf o rm o t o r c o n t r o ls y s t e m s w i l lb r i n gh u g ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s i nt h i sp a p e r , t h ei m p r o v e m e n tp r o g r a mt o r m o t o rc o n t r o ls y s t e m ，w i t hac e r t a i nd e g r e eo ff e a s i b i l i t y , i si nl i n ew i t ht h er e q u i r e m e n t so f a n e wg e n e r a t i o no fp a r k i n gd e c k s k e yw o r d s ：p a r k i n gd e c k ；m o t o r c o n t r o ls y s t e m ；l e v e l i n ga c c u r a c y ；s p e e dc u r v e ； v e c t o rc o n t r o l ；f r e q u e n c yc o n t r o l ； c u r r e n th y s t e r e s i sb a n dp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ； a c t i v ed i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l l e r 独创性声明 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天洼理工大鲎或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：瘌馏沟 签字日期：知略年，) 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗墨墨太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨苎太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：赳话南 导师签名： 签字日期：矽落啤，；月彳日 写功建 第一章引言 第一章引言 1 1 立体车库的研究背景及发展概况 随着我国汽车工业的发展和城市现代化水平的不断提高，城市交通拥挤的矛盾日益 突出。车辆的不断增多，造成了动态交通的严重阻塞，同时停车场地的严重不足，造成 静态交通混乱现象，从而进一步加剧了交通拥挤。能否解决城市交通堵塞和停车难的问 题，己成为影响制约城市建设和经济发展的一个重要因素【1 4 】。 目前我国各主要城市停车设施的建设远远落后于道路建设和汽车工业的发展，随着 我国汽车产量的不断增加，汽车价格的不断降低，汽车进入家庭的速度不断加快，因此 对城市交通基础设施的压力越来越大，交通拥堵、停车难已经引起了社会各界的重视。 2 0 0 7 年汽车产销量均突破了5 0 0 万辆，据中国汽车工业协会估算，截止到2 0 0 7 年底，中 国私人汽车保有量约为2 6 5 0 万辆，占全国汽车保有量的6 0 左右。按照国家“十一五” 规划的要求，中国汽车市场体系的建设将进一步加快，汽车需求量和保有量将继续增长， 全社会汽车化水平将不断提高。到2 0 10 年，国内汽车市场需求量将达到8 0 0 万至9 0 0 万辆， 其中轿车占5 3 ；汽车保有量将达n 5 5 0 0 万辆左右；汽车化水平将达至1 j 4 0 辆千人。如 此数量的汽车主要集中在城市，将给城市停车泊位带来巨大的压力。如果全部露天平面 停放，假设普通轿车的停车位为6 m 长、2 5 m 宽，则每辆轿车所需要的停车面积为1 5 m 2 ， 总共需要占地近6 0 万亩。如果采用机械式立体车库，其占地面积约为普通平面停车场的 1 2 1 2 0 ，节省土地的数目是相当可观的。然而，目前只有少数城市建立了立体停车 库，而大多数汽车则停放在露天停车场，甚至是占道停放。这样，方面，在寸土寸金 的大城市，设立露天停车场，是对有限土地资源的严重浪费；另一方面，汽车占道停放 又造成城市交通拥堵，汽车被盗、被撞现象经常发生，市容环境极差。因此，在大中城 市建设立体停车库是不可回避的当务之急。 立体停车设备在国外尤其是在欧洲、美国、日本等国发展已有3 0 多年的历史。技术 经验较为成熟，发展较快的有日本、德国、法国、意大利、美国、韩国以及我国台湾等。 尤其是日本，从1 9 6 2 年研制出第一台立体停车设备以来，至今已经开发、生产出九大类 近百个品种的立体停车设备，机械式停车场也超出了单纯的停车功能，发展成了与城市 环境融为一体，具有较强实用性、观赏性、经济开发价值的城市建筑。目前日本从事立 体停车库研发、制造的公司有3 0 0 多家，每年投入运营的停车设备在l o 万车位左右。 韩国机械式停车设备行业的发展历程比较平稳。2 0 世纪7 0 年代中期为起步阶段，8 0 年代为引进阶段，9 0 年代为供应使用阶段。由于这几个阶段都受到了来自政府的高度重 视与大力支持，各种机械式停车设备的开发和利用年递增速度达到了3 0 。 我国台湾地区于1 9 8 0 年与日本合作，建造了第一座垂直循环式立体停车设备，1 9 8 2 年自主生产了第一台双层升降横移式停车设备。1 9 8 l 至1 9 9 1 年间，制造企业达到了3 5 家。 第一章引言 到9 0 年代初，随着汽车进口的开放，小汽车的大量进口，使机械式停车设备制造业得到 快速发展。目前，台湾拥有停车设备制造企业近3 0 0 家，产量几乎两年翻一翻，停车设 备行业进入了发展高峰阶段。 我国机械式立体停车设备的早期开发工作开始于8 0 年代中期，9 0 年代后，随着轿车 的家庭化，停车设备的应用逐步推广，形成一个新兴的停车设备行业，步入了引进、开 发、制造、使用相结合的初步发展阶段。我国现在从事停车设备制造的企业数约为1 0 0 多家，其中主机生产企业超过了6 0 家。首批获得国家颁发的立体停车设备制造企业资质 的企业有2 2 家。产品经引进技术和自我研发，生产技术水准有了很大的提高。但是，机 械式停车设备行业应当说是一个新兴的行业，我们的发展还处于刚刚起步阶段，从行业 本身来分析，还存在很多问题： ( 1 ) 生产能力远远不能满足国内外市场发展的需要； ( 2 ) 没有具有一定规模的企业，现有能力最大的也就是年产1 0 0 0 f - 泊位； ( 3 ) 自主开发能力弱，目前大多是仿效国外技术或引进国外技术生产的，缺乏自主 开发能力，缺乏对品种、材料、工艺、功能、安全等方面适合国情的研究，产品虽在市 场上销售多年，但国内没有统一的技术标准，也缺乏安全认证，产品的质量和可靠性难 以得到保证。 因此，我们应该大力开发机械式立体停车设备，以适应蓬勃发展的国民经济和汽车 工业的发展。 1 2 自动化立体车库的主要类型及特点 世界各国的国情各异，立体车库在各国的发展道路也不同，经过几十年的发展，衍 生出多种不同的类型，目前应用较广的主要有以下几种【5 - 9 j ： ( 1 ) 电梯式立体车库 电梯式立体车库又称塔式立体车库，如图1 1 ，其层数较高，一般都超过六层，可 借用成熟的电梯技术，使汽车迅速升降到指定楼层。电梯式立体车库的停车位是固定的， 汽车的存放通过电梯系统上下移动到停车位前，利用特有的横向移动装置来实现汽车的 存取。整个车库是全电脑控制，自动操作及显示，库区内无人进入，能防止人为的汽车 丢失和破坏。电梯式立体车库具有极高的土地利用率。如果在车库内设置转盘，汽车可 以自动调头，缩短出入库时间，实现迅速存取车。该型车库可在狭小的土地上建设，既 可贴建筑物建造也可独立建造。电梯式立体车库可在地面上设置、半地下设置或地下设 置。 辩一市 羹登雾一 i 崩警， ! 舀薄鳓謇肇窖 虬燕笺熏鬟“。 圈1 2 难直循环式奇体牛库 第一章引言 多层水_ 甲循环式停午库，其运送器呈多层配置，州作循环移动，在任意两层运送器 的两端之问，由运送器的升降形成层问循环运行。这种停车方式j j 于楼房的地f 室中最 为合适，车位可以占满整个地下室的空间，停车位依靠机械运动作r 下左右运动经升 降机进出车库，完争不必另设车道，比较节省时间和卒问。 ( 3 ) 巷道堆垛式立体车库”i i 巷道堆垛式立体车库是2 0 f l f 纪6 0 年代后欧洲根据自动化立体仓库原理设计的一种 专门用于停放小型汽车的立体停车设备。如图1 - 3 ，升降机构可l 下水平移动，在运行 到停车位时，伸缩机构伸缩从车架上取下车。该类车库主要适用于大型密集式存车，设 备结构复杂，随堆垛机移动的电源线和通信线路容易发生故障，实用性差。 罔i 4雇升降横移止矗体车库 第一章引言 1 3 国内外立体车库电机控制系统的研究现状及发展趋势 电机控制系统是立体车库的核心部分，多采用开环控制。当前运行的立体车库的控 制器，根据设计方法的不同，有以单片机为核心的控制系统、以i p c ( r 业p c 机或称工业 控制计算机) 为核心的计算机控制系统和以p l c ( 可编程控制器) 为核心的控制系统【1 4 - 2 q 。 ( 1 ) 可编程控制器系统 由继电器控制系统发展而来的p l c ，是以开关信号为主，控制方式以逻辑控制为主、 连续控制为辅的离散量控制系统。它集微机技术、自动化技术、通讯技术为一体，可靠 性强、性价比高、扩展性好、操作方便，广泛应用于工业生产的各个领域，特别是在以 开关变量为主的系统中，已成为控制领域的重要手段。当前立体车库的控制核心大多采 用p l c 。 随着用户需求的不断提高和扩大，立体车库逐渐向智能化、人性化的方向发展，对 立体车库的可靠性、控制精度和速度提出了更高的要求。p l c 的缺点渐渐显露出来。运 算速度慢，指令周期长，生产成本高，以处理开关信号为主的特点限制了立体车库功能 的扩展，在未来的智能立体车库中必将遭到淘汰。 ( 2 ) 工业控制计算机 工业控制计算机( 简称工控机) 是一种应用于工业生产过程控制的专用计算机，它能 将生产的过程和管理调度相结合，从而使工业在就地控制加集中控制的基础上，迸一步 向自动化方向发展。 线 图l 一5 工控机的硬件组成 工控机系统包括硬件和软件两部分。硬件由主机板、外部总线、内部总线、人机接 口、通讯接口等组成。软件包括系统软件、支持软件和应用软件。 硬件组成如图1 5 所示： 其中，主机板由c p u 和内存( r o m ，r a m ) 等部件组成，它是工业控制机的核心。 内部总线是工控机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，由一组信号线组成， 常用的信号线有i b m p c 总线和s t d 总线。 外部总线是工控机与其它计算机和智能设备进行信息传送的公共通道。常用的外部 总线有r s 2 3 2 和i e e e - 4 8 8 通信总线。 i p c 控制系统的优点是可以充分利用一般计算机提供的各种软件和硬件资源，利用 第一章引言 w i n d o w s 或其它操作系统，方便地对系统进行控制。但是它的数据处理能力差，且要 求设计人员单独设计系统的i o 接口电路，独立开发驱动程序，编制软件的人员素质水 平对系统控制有很大影响，因此它不具有通用性，在立体车库的控制中应用很少。 ( 3 ) 单片机控制系统 以单片机为核心的计算机控制系统，突出优点是结构小型、价格低廉，广泛应用于 智能仪器、仪表及小规模的控制系统上。在国外也有用于立体车库控制的实例。 但单片机的运算速度慢，尤其是处理各种复杂的控制算法时更加显得力不从心，难 以实现实时控制，a d 转换的位数低，数据处理的精度差，单片机的j o 引脚也较少，一 个简单的控制系统往往需要数个单片机并行控制，这显然不适合在下一代的智能立体车 库中应用。 随着微电子技术、通讯技术、控制技术、计算机技术、c r t 显示技术以及软件技 术的迅猛发展，计算机已经广泛进入工业的各个领域，正发挥着越来越大的作用。与此 同时，计算机技术在立体车库领域也得到了广泛的应用，实施综合机械化、自动化、系 统化，可进一步提高车辆的出入效率。由于速度的提高，自动化调速技术、认址技术、 停止精度技术等也应予以发展。立体车库的信息传递技术方面，发展了红外通讯技术、 绝对认址技术、新条形码技术、计算机管理技术及其网络化技术。除实现了车库本身车 辆存取的计算机记录和收费管理智能化外，把计算机作为上位机进行实时控制和管理， 使其成为更大系统的网络化部分成为发展趋势。 立体车库的控制器不再局限于对电机进行控制，还应为功能的进一步扩展留有余 地，当前采用的控制器显然不能满足智能立体车库的要求。采用数字信号处理器( d s p ) 作为立体车库的核心具有很多优势。在运行速度方面，d s p 运算速度可达到n s 级，能 更好地满足电子智能化立体车库对于控制芯片的要求，目前d s p 已经在军事、工业高 精度控制、数码产品中得到了广泛的应用；在功能扩展方面，d s p 在片内集成了各种工 业上常用的各种模块，为立体车库功能的升级提供了强大的硬件保障。综上所述，d s p 会逐渐取代p l c 和单片机成为智能立体车库控制的主流。 1 4 立体车库电机控制系统的研究意义 立体车库由于自身的众多优势，是解决城市停车难的有效途径。但我国的立体车库 行业起步较晚，缺乏有效的规范，加上企业自身实力有限，不具备自行研发的能力，只 能引进国外十多年前的成套技术，导致了我国的立体车库产品技术落后，自动化程度低， 且成本高昂的现状，立体车库因此未能在我国大面积普及，甚至个别繁华地区在修建立 体车库后因存取车过程繁琐，收费过高等原因导致很少有人问津，新建的立体车库长期 处于闲置状态。这导致投资方的成本回收困难，使立体车库的发展陷入恶性循环。 我国的立体车库与发达国家的立体车库主要是在电机控制系统方面的差距。电机控 制系统是立体车库的核心，是决定立体车库性能优劣的关键因素。由于电动机是立体车 库的动力源，各个载车板的移动均由电动机拖动完成，故能否对电机进行有效控制直接 决定了立体车库的存取车效率，运动精度，稳定性及安全性等。 第一章引言 国家规定立体车库的最大存取车时间不超过2 分钟，车位升降的平层精度在ll m m 以内，横移误差在5 m m 以内，但国内的产品大都无法满足国标要求，这主要是由于当 前的立体车库电机控制系统多采用速度开环控制，无法准确控制载车板实际移动的速 度，电机转速到达稳态的响应时问很长，为了保证载车板在起停时的稳定性，欲设的车 板速度一般较低，这无疑对立体车库的运行效率产生了影响。此外，由于当前的立体车 库电机控制系统自身的缺陷，导致车库的维护成本较高，检修周期短，如发送加速、减 速、停止等信号的行程开关，不仅自身占据大量的通信线路和i ( 9 接口，而且由于载车 板的频繁移动、碰触，会出现松懈现象；负责电机制动的抱闸装置因为电机断电前的转 速过高磨损较快，也需要经常检修。 随着信息化的迅猛发展，智能大厦、智能小区成为现代建筑的主流，立体车库的自 动控制系统将成为智能化大厦和小区的一个重要组成部分，车库的切运行状况，如车 辆停放的时间，车辆存放交费情况，车库的容量，车辆存放高、低峰情况等信息均可通 过网络传送到智能化控制中心，车库信息实现共享，这就需要立体车库的控制系统除了 控制电机外，还要有信息处理的能力，这对当前广泛应用的可编程控制器是无法胜任的。 选择全新的数字化芯片作为控制器，结合先进的控制算法是立体车库电机控制系统发展 的趋势。投入人力、物力研究新一代的、具有自主知识产权的立体车库电机控制系统不 仅可以解决我国立体车库技术落后的问题，打破国外的技术垄断，推进立体车库在我国 的普及，还能带动其它产业的发展，成为经济发展的新增长点，具有十分重要的现实意 义。 1 5 本文的研究内容 升降横移式立体车库根据场地大小及客户需要，可实现2 5 层的多车位设计。由于 占地面积小且动作灵活、易操作、造价低，因此是公司及单位在建造立体停车库的理想 选择，具有良好的市场前景。本文选定升降横移式立体车库作为研究对象，重点讨论 电机控制系统的关键技术。 本文在查阅国内外大量资料的基础上设计了一种全新的数字化智能立体车库电机 控制系统。从理论上对当前立体车库电机控制系统的结构及其原理进行了研究，并完成 了电机控制系统主体结构的设计，具体内容如下： ( 1 ) 立体车库电机控制系统的剖析 分析了目前国内外立体车库电机控制系统的结构组成，各个部件的作用，整个系统 的运行流程。指出当前所广泛应用的恒压频比变频调速系统的缺陷及对电机转速进行开 环控制的不足，并通过仿真进行了验证。 ( 2 ) 立体车库电机控制系统的改进 在遵照立体车库电机控制系统设计要求的基础上，提出了一种新型的电机控制系统 方案。提出了用速度闭环代替当前车库系统开环控制的方案，以便对速度进行实时控制， 提高车库的运行效率。分析了用数字信号处理器( d s p ) 代替当前广泛应用的可编程控 制器( p l c ) 的必要性。对比当前的几种变频调速方案，提出用矢量控制变频调速代替 第一章引言 当前广泛应用的恒压频比调速，并推导了三相鼠笼异步电机在同步旋转坐标系下的数学 模型。 ( 3 ) 自抗扰控制器的原理解析及其在立体车库电机控制中的应用研究 对自抗扰控制器的原理进行了详细的剖析，并以二阶对象遭受强扰动为例，设计二 阶自抗扰控制器，显示了优良的控制性能。 针对电机矢量控制在定、转子参数摄动和遭受强扰动时鲁棒性较差的问题，提出了 将自抗扰控制器用于异步电机矢量控制的方案，并通过仿真验证了方案的可行性。 ( 4 ) 立体车库新型电机控制系统的设计 对立体车库新型电机控制系统的硬件组成进行了分析，对硬件的选型进行了探讨， 并设计了新型电机控制系统的硬件结构，最后给出了自抗扰控制器在d s p 中实现的算 法。 第二章立体车库电机控制系统的结构组成与运行原理 第二章立体车库电机控制系统的结构组成与运行原理 立体车库是解决城市停车难问题的有效途径，但目前在我国的应用并不广泛，这主 要是由于我国的立体车库产品技术落后，自动化程度低且成本高昂等因素造成的。电机 控制系统是决定立体车库性能优劣的关键因素，了解当前立体车库电机控制系统的结构 组成与运行原理，并寻求可行的改进方案是改变我国立体车库落后现状的有效途径。 2 1 立体车库电机控制系统的结构组成 机械式立体车库由电机驱动实现动作，其主要的结构一般由机械部分、电机驱动部 分、控制管理部分以及安全防护部分组成。其中，电机驱动部分与控制管理部分共同构 成电机控制系统。电机控制系统是立体车库的核心，决定了立体车库的性能优劣，其结 构图如图2 1 所示2 2 _ 冽。 图2 1 立体车库电机控制系统的结构图 ( 1 ) 电机驱动部分： 电机驱动部分主要包括电动机、变频器等强电设备。 升降横移式立体车库结构特点是：底层只能平移，只需配备交流减速横移电机；顶 层只能升降，只需配备交流减速升降电机；中间层既能升降又能横移，则需配备两台交 流减速电机，分别用于横移和升降驱动。除最上层外，每层均留有一个空车位，允许托 盘左右移动一个车位位置，为上层托盘下移留出通道。 升降横移式立体车库中应用的电机很多，除上述升降电机和横移电机外，还有驱动 某些辅助设备的电机，如开关门电机，用于汽车掉头的旋转电机等。 第二章立体车库电机控制系统的结构组成与运行原理 变频器是实现电动机变频调速的核心器件。变频器在电梯领域的应用已经很成熟， 在高速电梯( 1 6 m s 以上的速度) 一般采用专用变频器；而低速电梯采用通用变频器即可 满足要求。升降横移式立体车库一般不超过五层，以每层1 8 m 计算，升到项层只有7 2 m ， 无需采用专用变频器实现高速升降，为节省成本起见，目前多采用通用变频器。车位横 移时，载车板下有四个滚动轮沿导轨转动，故移动速度较快，且每次横移只需移动个 车位宽度的距离，车位的宽度通常在2 0 m 左右，横移时间较短，采用恒速电机驱动也 不会占用过多时间，为节省成本，横移电机通常不配备变频器。 应用变频器进行调速，可使立体车库具备如下优点： 1 ) 实现降压降频起动和无极调速，避免产生过大的冲击电流，可减少对电机和电网 的冲击，延长电机寿命，这在立体车库这种电机起停较频繁的场合尤其突出。 2 ) 调速范围宽，可使电机高于额定转速运转，提高车位移动的速率，其在大型高层 立体车库中的优势最为明显。 3 ) 节能效果明显，电能利用率高，调速过程中没有附加损耗。 4 ) 变频调速还具有谐波污染少等优点，可减少对电网和通信线路的干扰。 之2 0 v 图2 2 某车库p l c 和变频器联机实现变频调速的电路图 ( 2 ) 控制管理系统： 控制管理系统是整个立体车库系统运行的指挥中心，车库的所有存取车操作，开关 门动作以及安全防护设施动作等都要由控制管理系统来进行控制。 控制管理系统主要包括控制器、行程开关、换速开关、通信线路、触摸屏等部分。 触摸屏是人机交换的窗口，负责用户信息的验证，存取车的指令也由这里发送给控制器； 换速开关用于向控制器发送加、减速信号，是实现电机变频调速的重要部件：行程开关 在载车板到达指定层数时发送断电信号，以防止车板继续移动：各种信号通过通信线路 传送给控制器的数字输入接口；控制器对输入信号进行处理，向变频器输出相应信号， 改变其输出电压的幅值和频率，继而控制电机的转速。 第二章立体车库电机控制系统的结构组成与运行原理 2 2 当前立体车库电机控制系统的运行原理 2 2 1 立体车库电机控制系统的运行原理 本节以p l c 控制的升降横移式立体车库为例说明其电机控制系统的运行原理。 升降横移立体车库车位结构为m 0 、i - - 维矩阵形式，可设计为多层、多列，车库提 供的总车位容量为： p = - n ) m - ( m - 1 ) 。 ( 2 1 ) 其中：m 为二维矩阵的行，即车库的层数， n 为二维矩阵的列，即车库的列数。 由于受收链装置及进出车时间的限制，一般为二至五层，可根据泊车的多少灵活决 定停车库的规模。假如要设计一座能提供3 0 车位的五层升降横移式立体车库。由公式2 一l 可知，m = 5 ，p = 3 0 ，则n 最小为7 ，设计五层七列的立体车库即可满足要求。 升降横移停车库利用载车板移位产生垂直通道，实现高层车位升降存取车辆，全部 逻辑过程均由p l c 进行控制。 地面上布置的升降横移立体车库结构特点是：底层只能平移，顶层只能升降，中间 层既可平移又可升降。除顶层外，中间层和底层都必须预留一个空车位，供进出车升降 之用。当底层车位要存取车时，无需移动其它车板就可直接进出车；中间层、顶层进出 车时，先要判断其对应的上、下方位置是否为空，不为空时要进行相应的平移处理，各 层平移可同时进行，直到下方为空时才可进行下降和进出车动作，进出车后载车板再上 升回到原位置其运动总原则是：升降复位，平移不复位。地下布置、半地上半地下布 置车库的结构与此类似。 如图2 3 所示，第一层和第二层都有两个停车位，一个空位；第三层有三个停车位， 无空位。假设停车库的状态如图( a ) 所示，除了a 3 2 是空的，其它车位有车。现在要把车 停放到a 3 2 停车位上，则首先应将a 3 2 停车位下的车位移开，即将a 1 2 ，a 2 2 向右移，如 图( b ) ，最后将a 3 2 降至底层，如图( c ) ，车停至1 a 3 2 上，然后车板复位，如图( d ) 。图2 3 (c)(d) 图2 3 三层升降横移式立体车库运动示意图 第二章立体车库电机控制系统的结构组成与运行原理 2 2 2 存取车流程 立体车库控制系统的运行通过人机界面来实现。图2 _ 4 为系统流程图，存车时，在 人机界面的主界面中，按“存车界面”，再选择所需要存车的库位( 按“取消”键可重新 选择库位) ，判断无误后，按确定，自动完成存车过程：取车时，人机界面进入取车界 面，直接选择想要取车的库位( 按“取消”键可重新选择取车库位) ，判断无误后，按 确定，自动完成取车过程。 用户存车，进入触摸屏的存车界面。发布存车指令，人机界面将相应信号送给p l c ， p l c 将最近的空车位下降至一层，此时，车库门打开，司机将车开入一层的空车板上， 检测装置检查车辆是否停放到位，是否超长，如有异常则报警，若正常则车板在延时( 便 于司机离开车库) 后开始上升，其间由p l c 根据换速开关的信号控制电机的加减速，到 达指定层后，电机被断电，保护装置抱闸，防止车板坠落，车板回到存车前的位置，存 车过程结束。 取车时，进入触摸屏的取车界面，选择所在的车位发布取车指令，p l c 辨别该车位 下是否为空，若不为空，则将下方车位横移，然后目标车位开始下降，其问由p l c 控 制变频器对电机进行调速，下降到一层后，触碰行程开关，电机被断电，保护装置抱闸， 司机将车倒出车库，行至旋转台上，旋转电机动作，将汽车掉头，司机将车开走，最后 门电机动作，关闭车库门，取车过程完毕。 p l c 通常设有延时保护，在载车板开始运行的同时，p l c 开始计时，当计时时间到， 而载车板未运行到位时，电机断电，载车板停止运行，同时系统报警。若行程开关被损 坏，载车板运行到位而无信号返回时，载车板会继续运行，从而发生不可预料的事故， 通过p l c 的延时保护，可对载车板的运行起到保护作用。此外，在电机的转子轴还连 接有计数保护单元，可以记录电机的旋转圈数，当电机的实际旋转圈数超过设定值时， 计数保护单元即向p l c 发送断电指令，避免车板移动越位，造成机械事故。 第二章立体车库电机控制系统的结构组成与运行原理 要 旦 r y - 终止程序并报警 将车开入 k 众y l i 。 n r 存车结束、 等待下次信号 y n b 至p 位季专飞夕 i 一车板回到原位置 7 y 目标车位下降l 1 。 图2 - 4 升降横移式立体车库存车流程图 1 3 第二章立体车库电机控制系统的结构组成与运行原理 陌习 i _ j y 2 2 3 定位控制原理 图2 5 升降横移式立体车库取车流程图 立体车库有平层定位控制要求，由于各层高度是已知的，因此定位控制能够自动进 行。定位控制是工业应用中常见的控制方式，如炼钢转炉的氧枪定位、高炉回转布料器 的定位等。 当系统获得停车命令后，如果以恒定加速度减速，则减速期问的平均速度就是减速 前运行速度的一半，而减速过程时间由加速度决定。例如，运行速度为2 m s ，平均速度 为l m s ，若伞程减速时间为4 s ，那么减速期问移动的距离就是4 m 。若减速期间最大动 态误差为2 ，则最大定位误差为8 c m 左右。如果运行速度为l m s ，同样加速度下，减 速时间降为2 s ，平均速度降为0 5 m s ，减速期间移动距离为l m ，同样误差比例下，定 位误差为2 c m 左右。 由此可见，定位误差以二次方关系随运行速度降低而降低。如果在停车时，先减速 到一个低速度运行，接近定位点时再减速停车，那么最终定位误差即由那个低速度决定。 第二章立体车库电机控制系统的结构组成与运行原理 例如，前面的举例中，若先由正常运行速度减速到0 5 m s 运行，则最后停车时的定位误 差就将为0 5 c m 左右了，这是可以接受的误差。这种通过预先减速来提高定位精度的方 式，就是低速定位方式。 2 2 4 立体车库的速度曲线 早期的升降横移式立体车库采用普通的三相交流异步电机，控制过程较简单。电机 恒速运行，为减小运行始末的惯性冲击，只能靠牺牲时间来获得令人满意的运行速度， 适用于小型的升降横移立体车库。具体控制流程为：当p l c 接到触摸屏或上位机传来的 存取车信号，需要电机动作时，由p l c 控制相应的接触器闭合，使电机得电运转，电机 转子通过减速器带动载车板移动，待载车板移动到目标位置后，触动行程开关，行程开 关向p l c 发送停止信号，p l c 控制接触器断开，电机断电停转，同时制动装置抱闸，保 证电机迅速停转，避免车位移动过量。 电机恒速运行，速度过低则车位运行效率低，速度过高易造成车位晃动与撞击，为 了解决这一矛盾，人们提出了变速运行的设想，双速电动机应运而生。采用双速电动机 的立体车库，载车板速度曲线为阶梯形，设备以低速v 0 启动，如图2 6 ，可以减小设备 起动时的冲击；经历一段时问t o ( 或者一段距离) 后转为高速v l 运行，可以提高设备的运 行效率；经历一段时间t l ( 或者一段距离) 之后，又转为低速v o 运行：以低速v 0 运行直至 停车，可以减小设备停止时的惯性冲击。双速电机工作原理如图2 7 所示，通过行程开 关或时间继电器完成接触器间的切换 2 6 1 。 。巧 。场 f 图2 6 采用双速电机的载车板速度曲线 双速电机的应用有效提高了立体车库的运行效率，但双速电机结构复杂，且不能实 现平滑的调速，近年来，随着变频技术的发展，双速电机的应用正日益减少。 第二章立体车库电机控制系统的结构组成与运行原理 3 踟 k m ! ：低速正转 k m 2 ：低速反转 、k m 3 ：高速j f 转 q 、 、 、 k m 4 ：高速反转 l 蝴5 ：用于u i ，v i 和w l 篚 f u 、 t k m 4、 、k m 3 、 、 k m l u 2 v 2w 2 ( 3 入 u i瓦w l k m 5 - 一j 接 k m 2 图2 - 7 双速电机原理图 采用变频器控制普通三相异步电动机可通过改变电机的定子电压频率平滑的进行 调速，使电机实际转速逼近预设的速度曲线，这样既可以减小电机起动时的冲击电流， 又能保持较高的平均速度，在接近终点处以低速运行，保证较高的移动精度。 具体的控制流程为：当p l c 接到触摸屏或上位机传来的存取车信号时，由p l c 控 制变频器为电机提供低频电压，电机起动并作低速运行，电机转子通过减速器带动载车 板移动，待载车板移动触碰到换速开关时，换速开关向p l c 发送加速信号，p l c 控制 变频器使之输出高频电压，电机带动载车板以高速运行，车位接近终点时，触碰另一换 速开关，p l c 收到减速信号，并向变频器发送减速指令，电机再次低速运转，到达终点 后，行程开关向p l c 发送停止信号，p l c 控制电机断电，同时制动