永磁电机矢量控制的解耦及调节器设计

1、永卓亀机矣量控制的解耦及调节赛设计上海交通大学曾晓东根据电机的多变量数学模型，永磁同步电机的高性能控制必须采用矢量控 制的方法，假设永磁同步电机为表面式电磁结构，也就是电磁上电机是隐极特性，交轴和直轴电感相等即Ld = L=Lt则电机的状态方程如下:(D-+丄叫101R1LIl fLetL ?-(0aqaa笃(1)式（1）中的常见符号不易引起误解，故为了简化在此不做一一说明，它们 分别为交直轴电流，交直轴电压，绕组电阻，交直轴电感，以及电角频率等， 其中J为永磁体在电枢绕组中感应的旋转电动势，且J = 3,为永磁磁链。从（1）式右边第一个矩阵可见，该矩阵不是对角阵，因此交直轴电流之间存在 交叉

2、耦合的关系，而且这种交叉耦合是通过电角频率而起作用的，只要力工0 则耦合关系始终存在，不管稳态还是动态均是如此。为了实现解耦，我们定义一个中间变量（电压矩阵）如下：uLaRaid. diam* =L 丄+Riq a dt aq实际上（2）式是从（1）式直接提取部分项组成的，有了这个电压中间变 量，则（2）式可以重新改写成如下的状态方程：(3)式（3）是一个完全解耦的状态方程，同时也很容易看出，从电压到电流的 传递函数是简单的惯性环节！V +出1解耦的电流控制框如上面图1所示。7；和7；分别为电磁转矩和负载转矩，代为电机极对数。图1的控制框图是开环的，实际的控制系统中为了快速和准确的需要，电流的

3、反馈控制必不可少，另外，还要加上电流环的调节和校正器，因此电流环的控制如图2所示。2电流闭环控制框图在图2中，它+胡是电流调节器的传递函数，此处假设为比例积分PI 调节器(如果仅采用积分调节器，则可以校正成陈伯时所定义的典型1型系统, 有很好的跟随性指标)。K,为比例系数，7；为“积分时间常数”(严格的叫法是微分超前时间常数),并且假设交轴和直轴电流控制环采用完全相同的电流调节 器参数。根据图2中的参数，容易对电流环进行分析，分析其稳定性，首先写出 开环传递函数为：分析开环传递函数也就是式(4)的分母可见，是属于积分环节和一阶惯性 环节的串联，因此其转折频率为R/L ,很容易画出开环传递函数的

4、波特图，相 位稳定裕度接近一90度，也即电流闭环将是极为稳定的。实际分析(4)式的闭 环传递函数可见分子存在零点且分母是一个二阶多项式，响应不产生振荡的近 似条件是K4La (忽略/时，否则该条件更加满足)。为了使得开环传递函数尽量简单，我们可以采用零极点对消的方式来选定 电流调节器的参数，也就是按照下面的(5)式来确定“积分时间常数”：如果满足(5)式的条件则(4)式将变为简单的积分环节即(6)式，同样 的，开环积分环节的闭环系统也是无条件极为稳定的系统，因为开环相频特性 的相位始终保持为一90度。同时，电流环的截止频率为可以随意提 高，取决于«的取值！当然实际系统由于元器件的物理

5、限制和采样频率的制约,其截止频率是有限的。例如PWM载波频率为15 kHz时，截止频率最高为其1/3 左右,即31415 rad/s,如果考虑到采样频率的影响，截止频率将更低。(6)"+ S KJR" _17> Las/Rl LaS/Kl如果电流环的开环传递函数为积分环节，则其闭环传递函数为:G"(£)=M+1显然（7）式是一个简单的惯性环节，其静态偏差为零。既然电流环是一阶 惯性环节，因此电流的变化快慢取决于K,./d的数值，可以通过比例系数K,的 选取来加快电流环的响应速度。上面分析了电流环的解耦控制原理和电流环的稳定性分析，但是最终如何 控制

6、电流却要借助于逆变器的PWM控制作为执行器才能完成。如何控制逆变 器的开关管呢？这就要牵涉到逆变器的工作过程了。逆变器的控制模式可以分 为直接电流控制和间接电流控制两种方式。所谓直接电流控制模式，就是直接比较三相的给定电流和实测电流，以此 来确定开关管的通断，最典型的直接电流控制就是滞环跟踪控制（见图3,忽略 调节器）。在这种控制模式下，并不需要用到上面提到的耦合电压方程（1）式, 而且电枢电阻和电感参数的变化，以及旋转反电势的数值均几乎不会影响到控 制的效果，因为在逆变PWM过程中完全没有考虑逆变器输出的电压究竟是何 种数值，也就是绕开了电压问题。这种控制模式的缺点是，由于三相电流均为 交流

7、量，导致P1控制器的参数设计困难，控制系统的稳定性和抗扰性都较差， 其总体工作性能不及矢量变换下基于直流量的控制模式，因此这种模式在实际 使用还不多见。所谓间接电控制模式，就是通过控制逆变器输出电压来间接控制电流，其 数学基础就是（1）式，很显然，此时耦合问题是一个必须考虑的问题，另外电 枢电阻和电感的变化也将在一定程度上影响到控制的效果。间接电流控制模式 又分为两种：一是基于Clarke逆变换和Park逆变换的SPWM模式，二是基于 Park逆变换的电压空间矢量模式，前者的电压电流波形很好，即使在极低的转 速下电机也能平稳运转，但是电压利用率不高，而后者的电压利用率达到最髙, 而且也有很优越

8、的性能，因此电压空间矢量PWM模式最为常见，两种间接电流控制模式的简单原理示意图见图4所示，图中也忽略了调节器。4间接电流控制模式下面重点分析间接电流控制模式，由图4可见，两种模式下都要用到电压 变量，因此（1）式就成为绕不开的问题。前面我们已经分析了在采用中间电压 变量的情况下解耦控制的问题，但是中间电压变量并不是实际在控制中要用到 的变量，因此要找到实际变量与中间变量的关系，根据（1）和（2）式，容易得 到如下的关系：Ud = lld - 叫山 叫=< + 叫d + eq因此按照（8）式来确定交直轴电压，就可以实现解耦控制，在（8）式中, 电感、永磁磁链是已知常数，而电角频率、交直轴

9、电流是可以检测得到的，因 此耦合项均是可以确定的。-I3 $ IX图5解耦控制结构图图5就是根据式（8）的关系得到的解耦控制结构图，图中为了简化在电流 检测环节忽略了另外一相电流的计算，实际上是从静止的三相变换到旋转两相 得岀交直轴电流的数值。在大部分参考书籍和文献上，并不按照图5来进行解耦 控制，直接认为电流调节器的输出就是交宜轴电压（指令），这样的话，耦合项 作为各自电流环的扰动处理，在稳态情况下，由于闭环控制的补偿抗扰动能力,系统的性能影响不大，但是在高速度高负载情况下的动态过程中，电流本身就 处于调节的过程之中，扰动的作用可能会严重影响到系统的性能。图5的解耦控 制方法就类似于前馈控制

10、，对控制信号预先进行补偿，而不必等到控制目标出 现了偏差才进行反应，显然效果会好很多。此外，解耦控制器的输入信号也可 以采用i；、i；、效果应该与图5所示的方案相差不多。上面分析了电流环的设计问题，如果电流环的截止频率远高于速度环的截 止频率（5倍以上），则速度环和电流环可以分别分析和设计，而且电流环还可 以简化成简单的比例环节，图6是速度环的控制框图。图6速度环控制框图图6中假设速度调节器为PI调节器，为比例系数，匚为“积分时间常 数”。由图6得到速度环的开环传递函数为：如果选择“积分时间常数” T尸LJK,时，也可以零极点对消，使得速度环 的开环传递函数变成双积分环节，但是双积分环节闭环后

11、的响应将成为恒幅值 不衰减的振荡。可以证明此时闭环系统已经达到了稳定的边缘，实际上闭环稳 定的条件就是匚2 L/Ki也即速度环的积分效果要强烈一些为好。根据陈伯时定义的典型II型系统分析，当乙=5厶/«时系统各方面的综合性能最佳！如果忽略电流环的惯性作用，则速度环的闭环传递函数为（10）式。 心心+ 1）汽 xJ_少 "旳 乔=©5 +（io）TosJs根据（10）式的分母可见，速度闭环是一个带零点的二阶系统，在一定的 参数配合下，可能出现振荡的现象。我们分析出现振荡的条件，为此把特征方 程变换成为形如” + 2§咎+研标准式，见（11）式。(11)如果

12、衣1则会出现振荡,一次因式相乘，故没有虚根）,pf反之则不会出现（此时特征方程可以分解成两个因此可以简单推导得到不振荡的判断条件为:(12)实际上二阶系统当>72/2时就不振荡同时上升时间也更短，因此（12） 式可以进-步降低要求为52孟，因为叱是电机的转矩常数，各家公 司的同参数产品该数值相差很小，电机转动惯量则各家公司的产品相差会很大, 在空载运行时小惯量电机更平稳些。低频情况下在曳引机挂上钢丝绳和轿厢对重系统以后因为主要的惯性在轿 厢和对重系统，故总的系统惯量也不会有很大差异。这样，振荡的发生主要与 转速调节器的参数设计有关，如果转动惯量较大则容易振荡，另外积分作用越 强烈，增益越

13、大，振荡的可能性也越小，如果取消速度调节器的积分作用，则 会产生恒幅值的振荡达到稳定的边缘。还可以得到一个重要的结论，转速环的 振荡与电机的电感参数和电阻参数无关，前提是电流环的截止频率远高于速度 环！在高频情况下，钢丝绳和轿厢对重系统与曳引轮的联结不能看成是刚性连 接的，此时存在所谓的“惯量匹配”问题，可能发生调谐共振和惯量缩减不稳 定的现象。关于这一问题的详细分析已经超出了本文的关注范围，可以参考相 关的文献。速度环的比例系数K.可以根据（9）式来选定，简单的方法是先确定开环 幅频特性的截止频率 ,其值应远小于电流环的截止频率叫，然后在截止频 率附近，认为电流环可以忽略成电压跟随器，同时假

14、设PI调节器的转折频 率也远小于速度环的截止频率，因此在频率处PI调节器被简化成简单的比 例放大环节，因此：(13)由（B）式可以确定9翁，其中为速度环的截止频轧调节器 的转折频率根据（9）式的零点确定，显然为1/匚，其值应远小于猛，这就要 求匚取相对较大的数值，因此匚的取值比较重要，综合上面的分析结果，匚取相对大的数值，对于各方面的性能均是有利的。下面再分析位置环的情况，显然位置环的快速性又比速度环低许多，因此 电流环的响应假设为瞬时的，同时位置环一般仅使用P调节器，由此得到位置 环的控制框图如图7所示。分析图7的位置环，有2点需要明确的问题，其一是位置环的响应速度一 般应远低于速度环的响应

15、速度，在此条件下速度环可以简化成电压跟随器，在 简化的条件下位置环的开环传递函数变成一个积分环节，因此位置环的闭环传 递函数为（14）式所示。也就是位置闭环特性可以看成是一阶惯性环节，如果匕取值越小则惯性越大，即取值越小，位置的跟随性能越差，这一结论是很显 然的。位置闭环的目的是实现优良的伺服性能也就是随动性能，因此心的取值 应按照伺服要求选定。(16)(16)1 +心/£佃+ 17位置环控制框图(14)另外一个问题是，假设位置指令保持不变，突然加上负载扰动7；,我们来看看位置的响应情况，这就是电梯启动瞬间松开抱闸后的数学模型！由图7可见, 此时负载变成输入，而位置变成输出，根据控制

16、框图的变换理论，可以得到从 负载到位置的传递函数为（15）式。(15)(16)(16)如果输入幅值为|乙|的阶跃负载信号，则位置响应为鱼也就是&（£）=下面的（16）式。JT/ +几幻心匚”+仏/兀+ Kjs+K.K由式（16）可见是一个三阶特征方程，特征方程的系数显然都是正值，其(16)不出现正根的条件是二次项系数与一次项系数的乘积大于三次项系数与常数项 的乘积，也即（17）式。yWJ_Pnf(17)由（17）式可见，设定好调节器的参数后，如果系统惯量单调增加到一定 的程度后，将会出现发散的位置响应，这一结论似乎与我们的直觉冲突！此外 如果满足（12）式的条件则（17）式自

17、然满足，因此只要速度环不振荡，则位置 环总是稳定的。先不考虑（16）式分子的倍数Tl/J ,则基于拉氏反变换，可以得到位置的零状态时域响应。先从简单情况开始，也就是速度控制器仅采用P控制器的情形，此时可以认为乙为无穷大，显然参照（17）式可知系统不会出现稳定性问题，并且（16）式的分母不含常数项，即特征方程有一个零根，s提取出来后化成标准式，则其拉普拉斯逆变换如表1所示。表1简化系统的拉氏逆变换壮）/(01* Jl-/q> = arctg 1 i i1( a©（" + 2牺+矿）A =( B =(卄耐）严圧1_厂（1 +切）表1实际上是先将（15）式的特征方程提取&#

18、163;后化成形如” + 2数爪+研的 标准式，分三种情况：1、特征方程是共辄虚根，此时<1;2、如果不等实根，此时§>1；3、如果相等实根，此时纟=1。不同情况下位移的时域响应波形如图8所示，这只是一个示例图，由图8 很容易看出，当时间趋于无穷大时，位移响应会趋向于一个确定的数值（与研成反比）而不是回到原始点，因此稳态刚度不是无穷大（为这是因为控制 调节器缺少积分环节的后果。这一稳态刚度也就是有些文献中所讨论的伺服刚 度，这一参数往往是伺服系统的一个重要性能指标。0>一订 SXVA图8当© = 100时的位移时域响应三种情况下的速度和加速度响应如9、10

19、. 11所示。可见虽然速度数值相差较大，但是加速度的最大值却相差无几。而且由于必然有加速和减速的过 程，3种情况均会出现负的加速度数值，最后速度和加速度均会趋于零。EGAOH0“0 *»X AtiTCc<=?> AX AxnTcc9 §=（）5的速度和加速度波形实际系统由于速度环有积分环节，位移会回复到零位。为此要分析（16）式的逆变换，同样先不考虑（16）式分子的倍数-r,/j ,则根据表2进行拉氏反变换，时域表达式如表2中的4种情况所示，同样可以得出位移的时间响应。EGAXAyh TM*图10 e=l0的速度和加速度波形CIP1 $ >X A«

20、;a. 2戶20的速度和加速度波形表2拉普拉斯逆变换F(s)/(01(十)it2e1Ag ' + £ 舛 sin(0/Jl 一 §2 _卩)A = J©；(l-/) + ("-勉)'0 = arctg：丫第a/切cfe+ e+ e(b-a)(c-a)(a-b)(c-b)(a-c)(b-c)b = q(g + J兰-1)、c = q(g 洁一 1)(s+")(” +2 他£ +虻)严严卩-d" (a -(DnY表2中4种情况适用于(16)式分母含常数项的情形，从表2可以很容易 得到结论，当时间趋于无穷时，只要符

21、合(17)式的不发散条件，位置最后都会 恢复到原始点，也就是说系统的稳态刚度为无穷大！这是速度PI控制器中的积 分环节所起的重要作用。图12当a = 50、叫=100时位移的时域响应001482X am Tfle当a = 50时的速度加速度曲线ocaomo vo停X Ax ts Tile0.20OX tooOM0.100 It JOXAmsTkIc图14当§=20时的速度加速度曲线假设一组参数a = 50.= 100 ,并且§分别等于05. 1.0. 2.0,同样可以得到4种曲线如12所示，分别的速度和加速度曲线如13、图 14.图 15、80图16所示。<llEFa

22、5?-v AMOW -0AO2G- 0 0020-OOOIS-0 0010-OUOOG-OflOOO-0X3006- i li0C60 »ow0 >0 01$X Axis Title0 25 OOO0J05010015X Axis Title0 20 0 2$15当=1.0时的速度加速度曲线0 004 -01303 -0 003 -ODOI -0 000 -0001 -0GO2 -'、/xf8080. iijj0000060.100.15XAxis Title图16当§=05时的速度加速度曲线80X Axis Title图17当§=05和g=02时的

23、位移曲线80同样可以发现，虽然位移最大值和速度最大值相差较大，但是4种情况的 加速度最大值却几乎是一样的，而且因为最后要恢复到零位，速度曲线必然会 出现负的数值。为了清楚起见在§<1时，图17给出了虚根情况下的比较结果， 总的看来g的数值也是在。707以上时就不会产生振荡现象，而且恢复时间也较 小，不过此时位移过冲量会大于过阻尼的情形。反之，如果歹的数值太小，则会 出现明显的振荡现象，尤其§=0时位移响应也会出现不衰减的持续振荡。上述对于伺服刚度的分析以及加速度数值的分析也可以简单地根据拉普拉 斯变换的初值定理和终值定理来进行计算。位置的终值为(18)式，加速度的初

24、值为(19)式。&(oo) = limGy，o(s)'xs(18)d20(19)根据(19)式的公式，可以得到不管在任何情况下，系统的初始加速度均 为-rL/j,这也就是上面各图中加速度初始值的实际计算结果都为1的根本原 因所在(图中均未考虑分子的系数)。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结果更恶劣。但是，另一方面制动器的释放不

25、可能是瞬时的，也就是说恶劣的阶跃力矩 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！为了简单起见假设力矩是单位斜坡增长的，单位斜坡函数 的拉普拉斯变换是1/”而不再是阶跃函数的1/$ ,因为力矩增加到一定的数值后保持不变，因此力矩函数的表达式将为(20)式。其中r为斜坡上升时间，" 为单位阶跃函数。7；=T,tu(t(20)根据线性系统的叠加原理，式(20)可以看成是一个函数和其本身的延时 函数叠加而成，而延时函数的拉普拉斯变换只需要乘以0F即可，也就是(20) 式的变换为(21)式。佥("叮土-吕厂)(21)实际求(21)式的激励

26、下伺服系统的响应的拉普拉斯逆变换时，显然只需考虑第一项就可以了，因为第二项仅仅是时域延时一下而已，然后两项再相减 就得出响应的结果。这样表1、表2的分母将乘以一个£也就是特征方程增加一 个在原点的极点并变成4次方程，因此计算初始加速度的(19)式在改变力矩函 数的拉普拉斯变换为(21)式后的结果会变成零，此时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

27、推导可以得到此时的力矩函数表达式(22)及其拉普拉斯变换(23)式, 其中©为制动器线圈的时间常数。(22)(23)巧(/) = 7；(1_宀)乙($)=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(22)式将变 成另外的形式，可以通过阶跃函数及其时延函数与(22)式线性组合得到，也就 是系统的基本特性仍可以由(23 )式来分析而具有足够的代表性。很显然，在(23 ) 式的输入作用下，系统响应的特征方程将在表1、表2的基础上增加一个负实数 的极点，也会变成4阶的多项式，这样的话，同样可以通过初值定理得到初

28、始加 速度为零的结论。总之，系统在输入为(21)式时的响应是表1、表2的位移函数通过一个积 分环节的结果，而系统在输入为(23)式时的响应是表1、表2的位移函数通过 一阶惯性环节的结果！0 00006-0 00006-0 00004-0 00002- oooooo.0 000 050 10 O.a5 02002SX Axis Title图18斜坡力矩r=25ms的位移响应为了增加直观性，我们以r=25nis的斜坡输入为例(注意此时斜坡斜率为 40),对表2最后一行戶1的情形进行分析，同样取"=50、© = 10()以便进行比 较，位移结果如图18所示，其中3条曲线分别是按照

29、表2计算的位移曲线的积分、积分延时以及他们的差值（也就是位移响应曲线人图19为对应的速度和加 速度曲线。r=25nis时的速度和加速度19由图18和图19可以看出无论是位移还是加速度的数值，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3给出不同的 斜坡上升时间条件下最大加速度的对比.图20、21给出对应的加速度响应波形, 因为系统本身的过渡过程大约在200ms左右，因此斜坡时间大于该数值时，加 速度响应明显分成2个阶段，一是斜坡阶段，二是力矩曲线转折后的恒值阶段。 与阶跃力矩时的加速度为1相比，

30、表3的最大加速度成十上百倍地减小了 ！也就是系统的最大加速度减小到-T,/J的相应倍数。表3不同延时的最大加速度Tms2550100200400最大 加速度0.1370.06980.028790.013950.006970 0600<0 02OQD0Q2-0 04lOOrs-0C800.10.30.4-0.02 -0 03 -0 03 -0 02LLS 爰 aI05OO02X Axis Trie20 r=50J00ms时的加速度0008 -J0JO06 -OjOO*0 002 -OjOOO-0X)02 -OjOM -0D06 0 300 060.100.1S0 20C25000J504C

31、 Title-SPS 富>-ojooe -21xns0.1I I ' I I I 1 I ' I020 3O.< OS 0.50.7 OSX4cd£ TitleT=2(M).400ms时的加速度上面分析了在不改变控制系统的基本结构的条件下而仅改变外部输入的情 况时的结果，如果我们引入新的反馈环，重新构造系统的传递函数，能否使系 统的响应得到大幅度的改善呢？答案是肯定的，我们以安川的电梯专用变频器 新产品L1000A为例进行说明，根据其网站上的介绍，该变频器增加了一个新的 功能用于改善电梯开闸时的倒溜和冲击问题，图22是该功能的示意图。位置反馈 新功能图22

32、安川L1000A新功能图23新功能控制框图我们假设图22中的“演算器”的传递函数为X(s),则增加这一新功能后 前文图7的控制框图改造成图23所示，图中为了表达简洁起见，转速调节器的 传递函数用G")表示，电机转矩常数用K?表示，即式(24),另外位置反馈经 过“演算器”的通路移到转速环以内。G(s) = KJ 1+ -L|, Kr =(24)根据图23容易得到从负载力矩到位移的传递函数为如下的(25)式： (25 )几" Js2 - X(s)G(s)KtsG(s)KtK9与(15)式相比，式(25)的分母实际上仅仅是增加了一个-X(s)项而已, 换句话说如果去掉这一项，式

33、(25)将与(15)式完全相同，这当然是很显然的 结果！构造不同的X(f)则可以改造系统的传递函数也就是改变系统在阶跃力矩 输入时的响应行为，可以简单分析得出：如果靠这一增加项抵消A则系统的 初始加速度会变得无穷大；如果抵消G(S)Krs则会导致不稳定；如果抵消 G(s)KrKe则系统会有稳态误差。理论上比较理想的情况是改造成类似于斜坡力矩输入的情形，根据前文分 析也就是要求X(s)含有"项，这样即使阶跃力矩输入也能保证初始加速度为零! 但是高阶微分(差分)的准确实现比较困难，而且容易引入高频干扰。作者认 为最可能的方案是X")不抵消任何项，而是反过来增加彳项的数值，这样的

34、话 相当于增加系统的惯量，也能减小加速度的数值，当然二阶导数也同样容易引 起噪声和振动的问题！例如假设X(s)=KxJs2同时将图25中最内环的正反馈 改成负反馈，则相当于系统的惯量从丿增加到(Kx+1)丿，只要适当设定的 数值，则可以在宽广的范围内改善系统的加速度冲击！但是根据前文(17)式的 稳定性分析，此时的数值应适当减小以保证系统的稳定性。由此看来安川L1000A的新功能很可能是在零伺服状态时引入了加速度负反馈，当然对于其他 的可能性例如加加速度负反馈也可以进行类似的分析和验证。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

35、响范围为DC100 kHzo首先可以 明确的是安川LIO(M)A的C5-16参数很重要，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C5-16为默认的0则零伺服速度比例增益调不大。另外S3-02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。24是抱闸的一个完整动作过程的电流波形，从图24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

36、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24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049秒。1VX Axis Tide图24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25所示，电梯为满负载。2-s<>10I12X Axi

37、s Titte图25曳引机单相电流波形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26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！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26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。26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

38、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26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。26零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25的最后阶段!图27基极封锁细节图27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.

39、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 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。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28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28即 是这种情况，其制动器直接作用于重物升降导轨

40、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“胱”的一 声，也即永磁铁和线圈系统受到了严重的冲击。其次的一个现象是电梯检修运行时，如

41、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査限位开关是否不能可靠断开