永磁同步电机矢量控制的解耦及电流环的设计(1).doc

制动器的动力学分析及其与驱动系统的配合上海交通大学 曾晓东根据电机矢量控制的有关数学推导，可以得到不管在任何情况下，电梯系统在突然开闸的情况下，系统的初始加速度均为，如此看来，不管如何优化设定系统的参数，能够改变的仅仅是加速度的变化模式及其经历过程的时间长短，而其最大加速度数值是无法改变的。实际系统当然不会这么理想，至少传感器会有分辨率问题和滤波延时，数字控制采样也有周期，PWM的开关控制也会有时延，因此系统的响应会达不到上述分析的效果，也就是实际的结果分析的更恶劣。但是，另一方面制动器的释放其实不可能是瞬时的，也就是说恶劣的阶跃力矩变化状态也是不至于发生，实际情况总应该是某种程度的斜坡力矩，这又会对启动冲击带来好的影响！为了简单起见假设电梯启动时制动器制动力矩是单位斜坡减小的，经过理论推导可以得出此时电梯系统的加速度数值肯定是从零逐渐增加的，而不是一开始就突然是一个最大的数值。制动器打开过程中力矩函数的更精确模型是按照指数增长，因为制动器的线圈是一个电感电阻回路，在阶跃电压的作用下线圈电流增长模式是标准的指数增长函数，且在铁心不饱和的情况下电磁吸力与电流的平方成正比！因此经过简单的推导可以得到电梯启动时施加到电机的力矩函数表达式（1），其中为制动器线圈的时间常数。（1）这是在简单地认为制动器制动力矩恰好等于负载力矩下的结果，实际上制动器的制动力矩一定大于负载力矩才能保证足够的安全系数，因此（1）式将变成另外的形式，可以通过阶跃函数及其时延函数与（1）式线性组合得到，也就是系统的基本特性仍可以由（1）式来分析而具有足够的代表性。这样的话，同样可以推导并通过初值定理得到系统初始加速度为零的结论。为了增加直观性，我们以某一参数组合情况进行了仿真，发现在斜坡力矩下无论是位移还是加速度的数值，与阶跃力矩相比都有了成数量级的减小，由此可见，解决开闸启动冲击的振动问题，最有效的办法是尽量延缓制动器的动作过程，使得制动力矩慢慢消失，而不能太快开闸！表1给出不同的斜坡上升时间条件下最大加速度的对比。表1 不同延时的最大加速度ms2550100200400最大加速度（相对于阶跃力矩）0.1370.06980.028790.013950.00697根据上述分析结论，我们进行了实际电梯的测试，用Hioki电流传感器进行实测的结果提供如下供参考，传感器的频响范围为DC100 kHz。首先可以明确的是安川L1000A的C516参数很重要，是转矩指令的滤波时间，该时间应该设置为0.1秒左右，则零伺服时的速度比例增益才可以调到比较大的数值例如20，如果C516为默认的0则零伺服速度比例增益调不大。另外S302的功能也有明显的效果，该功能开启和不开启会产生明显的差异，主要是没有该功能时起动瞬间会出现低频的来回抖动。图1是抱闸的一个完整动作过程的电流波形，从图1中可以精确地得到抱闸的动作时间，这一方法我认为具有最高的精确性。如何得到抱闸动作时间呢？很显然电磁线圈的电流上升是近似指数曲线的形式，而且会有3段明显的指数上升（下降）过程：第一段是促动阶段，此时衔铁处于静止状态，当电磁吸力达到弹簧力以后，衔铁开始移动；这就是第二阶段的开始，随着衔铁的加速，此时运动会产生一个反电势，因此线圈电流会逐渐下降，直到衔铁到达终点；第三阶段就是衔铁到达终点后保持静止，此时线圈电流又继续按照指数形式增长到稳态值。从图1可以看到第二阶段的时间是很短的，正是从这一特点很容易从电流曲线中测量出抱闸的动作时间，本例为0.49秒。图1 制动器动作电流波形在该抱闸动作时间下，我们再记录曳引机某相的电流波形，从电梯开始启动到停车的完整过程该相电流波形如图2所示，电梯为满负载。从电流曲线可以明显看到零伺服的锁定情况，细节情况为图3所示，对于电流曲线的解读，有几个需要明确的问题：其一是锁定时电流为直流，因为电机未旋转的缘故；其二是锁定稳定后电流的方向和大小有随机性，因为转子位置存在随机性；其三是如果出现倒溜的情况，则电流曲线一定会发生变化，甚至电流方向都会改变，同样是由于转子位置发生了变化的缘故！图2 曳引机单相电流波形为了增加分辨率，记录多次曲线，选取锁定电流较大的作为分析对象，图17中的锁定电流几乎达到了额定电流，可见此时转子位置恰好处于接近该相的正交点。图17的电流曲线近乎完美，可以断言转子几乎没有可测出的倒溜，电梯起动过程自然不会有任何的感觉！在锁定的最后阶段实际上已经开始加速了，因此电流变大，随后转子开始旋转，电流变小继而改变方向。另外从图17可以看出，伺服锁定的时间为234 ms，这一时间当然与制动器动作快慢密切相关。如果制动器动作迅速，则电流上升也会随着迅速，反之也是成立的。图3 零伺服锁定过程细节然而，我们要思考的一个问题是：如果制动器动作足够迅速，那么电流上升的过程最快能到什么程度呢？要回答这个问题，我们只能分析电梯停止后变频器的基极封锁过程，也就是图4的最后阶段！图4为基极封锁的细节，非常幸运的是电梯停止位置时该相的零伺服锁定电流恰好也接近额定电流，从波形数据中得出的电机电流衰减时间为25.75 ms，这就是电机的电磁惯性作用下电流衰减的限制条件！很自然的，我们也可以推断出电机电流的最短上升时间不会短于25 ms左右。电磁惯性主要与电机绕组的电感与电阻之比值有关，该比值越大则电流变化越慢。关于基极封锁的过程，对电梯的性能也会有显著的影响，实用中25 ms的时间太短了，电机力矩在这么短的时间内由额定值下降到零，会产生一系列的问题。图4 基极封锁细节首先，对电机和其他机械结构会产生明显的冲击效应，并产生噪声！我们以起重机吊起重物为例进行说明，如图5所示，传统上机械制动器制动于电机轴上，但近年来由于安全性能的加强，制动器作用于低速轴越来越多，图5即是这种情况，其制动器直接作用于重物升降导轨上，问题由此产生。当停车时，总是先减速至停止状态，然后机械刹车动作，最后撤消变频器运行（方向）信号。由于系统总有弹性，则撤消变频器运行（方向）信号的瞬间，电机输出力矩突然消失，结果整个系统出现强烈的反弹并引发明显的振动和噪声（根据动力学原理，反弹的力将等于重物重力，由此导轨系统也将瞬时承受2倍的重物重力）。尤其在传动系统包括制动器存在间隙时，冲击和噪声会更加明显！就拿永磁无齿轮曳引机来说，如果延长制动器动作与基极封锁之间的时间间隔，在抱闸抱死后可以明显分辨出当撤销变频器方向信号时，电机内会发出“咣”的一声，也即永磁铁和线圈系统受到了严重的冲击。图5 停车反弹冲击其次的一个现象是电梯检修运行时，如果电机处于发电状态，比如空轿厢向上检修运行，则当检修人员释放运行按钮时，本来期望是电梯立即停车，但实际上由于抱闸不可能做到瞬时制动，这就存在了一个失控时间，电梯反而瞬时加速上行然后再在抱闸的作用下停车，这不仅凭空增加了停车时的冲击，还使人员处于危险的状态！当抱闸机电惯性大而使得滞后时间较多时，电梯溜车的距离可达1米以上！究其原因，也是由于变频器运行信号撤消时，电机力矩瞬间降至零所至。再次是电梯的冲顶蹲底故障，电梯运行时，总会由于某种原因而使得限位开关动作，这本来是一个小“故障”，甚至连故障都算不上，因为完全不需人为干预，电梯即可照常继续服务，但是实际上哪怕是以近乎零速撞击限位开关，电梯也有一半的概率会使得极限开关动作，这一半的概率对应于电机的发电制动运行状态。极限开关动作就变成了大故障了，不仅导致乘客长时被困，而且给维保人员带来了很大的麻烦，因为要放出乘客并恢复电梯服务，非得爬上机房短接安全回路或手动盘车方可，而之后可能还要爬到底坑恢复缓冲器开关。每每发生这种情况时，电梯的维保人员总是百思不得其解，总是怀疑限位开关没有起到作用并反复检查限位开关是否不能可靠断开，殊不知恰恰相反，如果限位开关没有断开反而不会冲极限！电梯的这一常见故障与上面检修溜车其实是同一个问题：当限位动作时，电梯立即抱闸并撤消变频器的方向信号，由于抱闸起作用总要一个时间，而变频器力矩消失却几乎不要时间，因此，电梯反而加速运行直到抱闸起作用而停止，遗憾的是这一失控时间已经足够冲到