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曳引式电梯毕业论文设计 引言随着我国巨大的建筑市场的快速发展和楼宇智能化的需求，电梯的用量急升。预测据，我国全年对电梯和自动扶梯的需求达到5万台。目前，我国共拥有电梯约40万台、扶梯5万台，电梯生产能力每年约4万台、扶梯6000台。按照世界上每千人拥有1台电梯的标准，我国还有80万台的电梯增长空间。因此，电梯对于我国人民的生活将会有重要影响。电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程及空气动力学等多学科和技术支于一体的机电设备，它是建筑物中的永久垂直交通工具。为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。特别是随着计算机网络技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。针对现代电梯发展和应用状况，本设计在详细介绍电梯结构原理和技术特点的基础上，重点介绍了电梯的PLC控制系统。第一章 绪论1.1电梯的定义及发展与现状自从我国实行改革开放政策以来，全国各地高层建筑不断涌现，作为高楼的垂直交通工具-电梯，其需求量日益增长。各种类型、规格繁多的电梯已在高楼内投入运行。为了确保电梯正常运行、安全使用，必须要了解电梯、熟悉电梯、管理电梯、维护好电梯。电梯是服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的倾斜角小于15的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构型式便于乘客出入或装卸货物。它适用于装置在两层以上的建筑内，是输送人员或货物的垂直提升设备的交通工具。追溯电梯这种提升设备的历史，早在公元前我国就有利用人力作动力的简单提升设备，直到现在我国北方部分农村仍用手播轱辘提取井水的升降提水装置，所以说，我国是世界上最早出现这种提升设备-电梯雏形的国家之一。法拉第于1881年发明发电机后50年，美国率先采用直流电动机作为电梯升降的驱动单元，并为今天的电梯发展奠定了基础。1903年美国生产可不带减速器的无齿轮高速电梯，并把卷筒式传动改进为曳引槽轮式传动，从而为今天高层的大行程电梯奠定了基础。在动力问题得到解决之后，美国着手研制电气控制及速度调节等方面课题，并获得成功。1915年美国成功设计了自动平层控制系统以及高速电梯（6m/s）。随着电子工业的发展，新技术、新产品不断用于电梯控制系统，如无触点半导体逻辑控制晶阀管（俗称可控硅）的应用；集成电路和数字控制、电脑和机群控制及调频调压技术的应用；拖动系统简化、性能提高等。1.2我国电梯发展的状况我国电梯事业起步较晚，但打造较快。19521954年先后在上海、天津、沈阳建立了三家电梯制造厂，并先后成立有关科研单位，独立自主制造各类电梯产品，如交流货梯、客梯、直流快速、高速客梯等。用我们自己生产的电梯产品装备了人民大会堂、北京饭店等政府机关和国家宾馆。60年代开始批量生产自动扶梯和自动人行道，用我们自己生产的自动扶梯装备了北京地铁车站，用我们自己生产的自动人行道装备了北京首都机场。随着我国对外开放、对内搞活经济的政策深入贯彻执行，吸取和引进了国外先进的电梯技术、先进的电梯制造工艺与设备、先进的科学管理，使我国电梯工业又取得巨大发展。产品连续多年成倍增长，产品质量和整机性能明显提高。为了进一步推动和发展电梯工业，在上海、北京、天津、广州等地先后建立中外合资电梯制造公司，使电梯的控制和驱动技术达到了国际先进水平，先后向时常推出一批耗能小、效率高、速度快、平层和舒适感好的交流调速电梯、直流高速电梯（包括机群控制电梯）。为了进一步提高和控制产品质量，近年颁布一批具有国际水平的电梯制造等标准，使各制造厂家用新标准去更新、设计电梯产品，加强管理，促进电梯工业新发展。在控制技术方面，从手柄开关控制发展到按钮信号控制、集选控制及多台电梯机群管理控制；从继电器-接触器的信号或集选控制到计算机（电脑）控制；从调压调速到调频调速控制系统。1.3电梯的分类及规格型号1.3.1电梯的分类电梯可以按用途、驱动方式、提升速度、曳引电动机、操纵方式、有无蜗轮减速器或机房位置等进行分类，如下所示。1、按用途分类1) 乘客电梯：为运送乘客而设计的电梯，有完善的安全装置，一般装饰豪华。2) 载货电梯：通常有人伴随，主要是为运送货物而设计的电梯。3) 客货（两用）电梯：以运送乘客为主但也可运送货物的电梯。4) 住宅电梯：为供住宅楼使用而设计的电梯。5) 杂物电梯：只运送杂物不允许人员进入的电梯。6) 船用电梯：供船舶上安装使用的电梯。7) 汽车用电梯：垂直运输汽车的电梯。8) 观光电梯：供乘客观光的轿厢壁透明的电梯。9) 病床电梯：为医院运送病床而设计的电梯。10) 其他电梯：包括冷库电梯、建筑电梯、矿井电梯等。2、按拖动方式分类1) 交流电梯：交流电动机拖运的电梯。2) 直流电梯：直流电动机拖动的电梯。3) 液压电梯：靠液压传动的电梯。4) 齿轮齿条式电梯：靠齿轮齿条传动的电梯。3、按电梯速度分类1) 低速电梯：速度为1m/s及以下的电梯。2) 快速电梯：速度大于1m/s而小于2m/s的电梯。3) 高速电梯：速度在2-3m/s的电梯。4) 超高速电梯：速度超过3m/s的电梯。4、按控制方式分类1) 手柄开关控制电梯：由司机用手柄操纵电梯的起动、运行和平层进行控制的电梯。2) 按钮控制电梯：一种具有简单自动控制方式的电梯，具有自动平层功能。3) 信号控制电梯：一种自动控制程度较高的有司机电梯。4) 集选控制电梯：有/无司机操纵的电梯。5) 并联控制电梯：2或3台电梯的厅外如唤信号并联共用，电梯具有集选功能。6) 梯群控制电梯：多台电梯集中排列，共用厅外召唤按钮，按规定程序和客流量的客流量的变化由电脑集中调度和控制电梯。5、按有无减速装置分类1) 无齿轮电梯：曳引机由曳引轮和制动轮组成，由电动机直接连接，用于高速电梯。2) 有齿轮电梯：曳引机由曳引轮、减速箱和制动轮组成，通过齿轮减速箱与电动机连接，用于低速和快速电梯。6、按操作方式分类1) 无司机电梯：电梯的各种工作状态，由乘客进入电梯轿厢，按照所需要去的楼层，在操纵箱上操纵楼层按钮。2) 有司机电梯：电梯的各种工作状态，有专职电梯司机操纵。3) 有/无司机两用电梯：电梯具有可变换控制电路，其控制线路基本上按照无司机操纵设计。同时亦考虑有司机操纵工作状态的线路设计。7、按驱动方式分类1) 液压式电梯。2) 曳引式电梯。3) 螺旋式电梯。4) 爬轮式电梯。8、按有无机房分类1) 有机房电梯。2) 无机房电梯。1.3.2电梯的规格与主要参数介绍图1所示给出了电梯的结构和主要部件的名称。1、 电梯的主要参数电梯的主要参数由来确定电梯的服务对象、运送能力、工作性能及对井道、机房等土建设计的要求，包括以下几个方面：1） 额定载重量：制造和设计所规定的电梯的额定载重量。2） 轿厢尺寸：宽深高3） 轿厢尺寸：有单面或双面开门及其他特殊要求等，包括对轿顶、轿底、轿壁的处理，颜色的选择，对电风扇、电话的要求等。4） 轿门形式：栅栏门、封闭式中分门、封闭式双折门、封闭式双折中分门等。5） 开门宽度：轿厢门和层门完全开启时的饿净宽度。6） 开门方向：人在轿厢外面对轿厢门向左方开启的为左开门，门向右方开启的为右开门，两扇门分别向左右两边开启者为中开门，也称中分门。图1 电梯的整体结构7） 曳引方式：常用的有半绕11吊索法，轿厢的原形速度等于钢丝绳的饿运行速度；半绕21吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳运行速度的一半；全绕11吊索法，轿厢的运行速度大呢关于钢丝绳的运行速度。8） 额定速度（m/s）：制造和设计对规定的电梯运行速度。9） 电气控制系统：包括控制方式、拖动系统的形式等，如交流电动机拖动或 支流电动机拖动、轿内按钮控制或几选控制等。10）停层站数：凡在建筑物内个楼层用语出入轿厢的地点均称为站。11）提升高度：由底层端站楼面至顶层端站楼面之间的垂直距离。12）顶层高度：由顶层端站楼面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，顶层高度一般越高。13）底坑深度：由底层端站楼面至井道底面之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般越高。14）井道高度：由井道底面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离。15）井道尺寸：宽深2、我国有关标准对电梯主要参数和规格尺寸的规定为了加强对电梯产品的管理，提高电梯产品的使用效果，我国于1974年颁布了一批电梯产品的标准，1986年又颁布了国家标准GB 70251986，并取代原来的标准。自从GB 70251986颁布后，对当时国内已批量生产的乘客电梯、载货电梯、病床电梯、杂物电梯等类别的电梯及其井道、机房的形式、基本参数与尺寸做了规定。1997年我国又颁布了新的推荐性标准GB/T 70251997。电梯的主要参数是电梯制造厂设计和制造电梯的依据。拥护选用电梯时，必须根据电梯的安装使用地点、载运对象等、按标准的规定，正确选择电梯的类别和有关参数与尺寸，并根据这些参数与规格尺寸，设计和建造安装电梯的建筑物，否则会影响电梯的使用效果。1.3.3电梯的总体结构1、 曳引系统的功能及构成功能构成输出与传动动力，使电梯运行曳引机：包括电动机、减速器、制动器和曳引轮在内的靠曳引绳和曳引轮槽摩擦力或停止电梯的装置。有齿轮曳引机，即电动机通过减速齿轮箱驱动曳引轮的曳引机。无齿轮曳引机，即电动机直接驱动曳引轮的曳引机。曳引绳：连接轿厢和对重装置，并靠与曳引轮槽的摩擦力驱动轿厢升降的专用钢丝绳。2、 导向系统的功能及构成功能构成保证轿厢与对重的相互位置，并限制其活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动导轨：供轿厢和对重运行的导向部件。导轨支架：固定在井道壁或横梁上，支撑和固定导轨用的构件。导靴：装在轿厢和对重架上，与导轨配合，强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向的部件。导向轮：为增大轿厢与对重之间的距离，使曳引轮在导向对重装置过轿厢一侧而设置的绳轮。反绳轮：设置在轿厢架和对重框架上部的动滑轮。根据需要曳引绳绕过反绳轮可以构成不同的曳引比。反绳轮的数量可以是1个、2个或3个等，有曳引比而定。3、轿厢系统的功能及结构功能构成用于运送乘客和（或）货物的容体，是电梯的运行部件之一轿厢架：固定和支撑轿厢的框架。由上梁、立柱、底梁和拉杆等组成的承重构件。轿厢体：具有与载重量和服务对象相适应的空间，是由轿厢底、轿厢壁、轿门和轿厢顶组成。4、门系统的功能和构成功能构成防止坠落和挤伤事故的发生轿厢门：设置在轿厢入口的门。由门，门导轨架、轿厢地坎等组成。层门：设置在层站入口的门，又称厅门、门导轨架、层门地坎层门联动机构等组成。开门机：使轿门、层门自动开启或关闭的装置。门锁装置：设置在层门内侧，门关闭后，将门锁紧，同时接通控制电路，使轿厢方可运行的机电联锁装置。5、重量平衡系统的功能及构成功能构成使曳引系统的原动力（电动机）功率消耗减少一半，以达到节能 和提高效率的目的对重：由对重架和对重块组成，其重量和轿厢满载时的重量成一定的比例，与轿厢间的重量差具有一个恒定的最大值，又称平衡铁。重量补偿装置：在高层电梯中，补偿轿厢与对重侧曳引绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。6、 电力拖动系统的功能及构成功能构成提供动力、实行电梯速度控制曳引电动机：电梯的动力源。根据电梯配置可用交流电动机或直流电动机。供电装置：为电梯的电动机提供电源的装置。速度检测装置：检测轿厢运行速度，将其转变成点信号的装置。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器，与电动机相联。电动机调速控制：交流调速电动机的速度控制方式，有交流变极调速、交流变压调速和变频变压调速；直流电动机具有调速性能好和调速范围大的特点，常用发电机组构成的晶闸管励磁的发电机电动机、晶闸管宫殿的晶闸管电动机。7、 电气控制系统的功能和构成功能构成对电梯的运行实行操纵和控制操纵装置：对电梯的运行实行操纵的装置。包括轿厢内按钮操纵箱或手柄开关箱、层站召唤按钮箱、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。位置显示装置：设置在轿厢内和层站的指示灯，以灯光数字显示电梯运行方向或轿厢所在层站。控制屏（柜）：安装在机房内，由各种电器元件组成，对电梯实行电气控制的设备。平层装置：在平层区域内，使轿厢达到平层准确度要求的装置。由磁感应器和遮磁板构成选层控制器：对电梯运行的控制方式，有轿内开关控制、按钮控制、信号控制、集选控制、并联控制和梯群控制。8、 安全保护系统的功能和构成功能构成保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生 安全钳装置：轿厢应装有在下行时云做的安全钳装置。在达到限速器运作速度时，甚至在悬挂装置断裂的概况下，安全钳装置应能夹紧导轨而使装有额定重量的轿厢制停并保持景致状态。当安全钳装置作用时，装在它上面饿一个电器安全装置应在安全钳装置动作以前或同时，使电动机停转。 限速器：通常安装在机房内或井道顶部，是限制轿厢（或对重）运行速度的装置。当轿厢运行速度达到限定值时，限速器动作，使轿厢两边安全钳的楔块同步提起，夹住导轨。 缓冲器：设置在轿厢和对重的行程底部极限位置。如果缓冲器随轿厢或对重运行，则在形成末端应社有与其相撞的支座，支座高度至少要0.5m。 超速保护开关：在限速器机械动作之前，开关动作，切断控制回路，使电梯停止运行。 上、下端站超越保护：在井道顶端、底端设置强迫减速开关、端站限位开关和终端极限开关。在轿厢或对重碰到缓冲器前切断控制电路。 电气安全保护：电梯机械类安全装置多数设置相应的电气设备，构成电气安全保护线路。如供电系统断相、错相保护装置；层门与轿门的电气连锁装置；紧急操作装置和停止保护装置；轿顶、轿内和机房的检修运行装置等。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。tl-t2时间段为加速阶段；t2-t5为匀速阶段；t5-t 6为减速阶段；t6-t7为门锁定阶段。以关轿厢门为例，在t1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t2时刻，此段时间为加速阶段，其运行距离一般较短。从t4开始到t5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t3-t4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t5 开始进入减速阶段。在t6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。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。2.12 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。 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。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)VVVF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。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35%，重量减轻40%，节能25%到35%。世界上最高速度的10米/秒电梯就是采用这种系统，其调速比达1:1200。2.2.5 VVVF变频变压调速拖动系统80年代初，VVVF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。VVVF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。 VVVF控制的电梯相对于交流双速电梯、交流调压调速电梯(ACVV)都有十分突出的优点。下面与ACVV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。 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(VVVF)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ACVV相比，节能约40%，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2mm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。第三章 电梯控制系统方案设计3.1 PLC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，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。 可编程序控制器(PLC)最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制所代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。电梯继电器控制系统的优点：所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握；系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器；大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜；多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，己形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。首先，可靠性，对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点