永磁同步电动机控制系统在高速电梯上的应用

永磁同步电动机控制系统在高速电梯上的应用
作者：童海滨张鸿
来源：《硅谷》2011年第22期
摘要：随着人们生活水平的提高，高层建筑越来越多，建筑中高速电梯的应用也持续增加，将对永磁同步电动机控制系统在高速电梯中的相关应用进行分析与阐述。

关键词：永磁同步电动机；控制系统；高速电梯
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1120060－02
电梯在人们现代化生活应用越来越广泛，其中驱动用的电动机是一项复杂性的机电一体化设备，同时也是衡量电梯技术的重要指标。

永磁同步电动机作为电梯的驱动系统，其无齿轮的曳引电机具有诸多优势，包括工作效率高、质量轻、体积小、反映速度快等，以下将对具体问题进行分析。

1 永磁同步电动机在电梯驱动中的应用
永磁同步电动机的无齿轮传动系统，采取正弦波的永磁同步电动机，减少齿轮机械和变速箱的结构，节约一定体积。

另外，永磁同步电动机与交流异步电动机相比，主要具备如下优势：
1）永磁同步电动机的噪音小、转速稳定、转矩的波动小，其动态反应速度快、准确率高。

同步电动机与异步电动机相比，对转矩和电压的扰动具备较强承受能力，且反应及时、敏感。

如果异步电动机的负载转矩发生了变化，电机转差率、转速也随之产生变化。

这样，电机转动部分产生的惯量就会对电机的反应速度产生影响；而同步电机的负载转矩发生了变化，同时电机功角也会有所调整，转速维持不变，这样，电机转动部分的惯量就不会对电机的反应速度产生影响。

2）与传统有齿轮的传动系统相比，无齿轮曳引技术作为永磁同步电动机的主要技术，真正做到无机房化，节约建筑面积，降低了电梯运行的成本，方便维护，降低噪音。

3）体积小、重量轻。

随着永磁同步电动机中高性能材料的应用，转子不需要励磁。

与异步电动机相比，减少了变速箱的应用，因此增加永磁同步电动机的密度，与相同容量的异步电机相比，体积、重量都有所减少。

4）损耗小、效率高。

永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要励磁电流，无功电流为分量化，极大提高功率因数；随着高性能材料的应用，显著提高磁负荷，在同等功率下，可减少相应电负荷，同时减少定子铜耗与定子电流。

转子采取表面的磁钢形式，在稳定运行状态下，提高工作效率。

5）价格性价比较高。

随着电子技术的日益成熟，电子器件价格越来越低，人们对驱动永磁同步电动机的应用越来越普遍，这样驱动系统的成本也有所降低。

2 永磁同步电动机的设计
在采取变频器调节电机的变频变压时，变频器的输入电机电源中含有大量的谐波分量，对电机性能产生较大影响，主要表现在电磁的噪音、电机振动、起动转矩降低、温度升高等方面。

在电梯的运行过程中，对这些方面的要求较高，因此必须有针对性地采取防范措施。

2.1 永磁同步电动机的低速平稳运行
电动机作为电梯传动系统的重要部位，对运行过程中的动态响应、平稳性、低噪音等要求较高。

尤其对电机的低速、平稳运行要求严格。

低速、平稳性作为电梯电机性能的重要评价指标，对其稳定性的影响主要表现在电动机低速运行状态下的脉动转矩。

脉动转矩可主要分为两种情况：一方面感应电动势或者电流波的变动产生纹波转矩；另一方面由铁心的磁阻变化或者齿槽变动产生齿谐波转矩。

这对两种不同情况，可从以下几方面减少电动机的低速脉动转矩。

1）将电机的空载磁场气隙密度，空间分布应该与正弦形基本接近，可减少谐波磁场造成的谐波转矩或者电磁振动问题。

2）合理确定定子槽数，可以在合理的槽数状态下，采取分布方法、绕组短距等方法，减少高次谐波的电动势。

3）如果转子有槽，转子槽数的确定应该和定子槽数相等。

4）适当调整电机气隙的长度，可减少气隙磁场的齿谐波和相关齿谐波转矩。

5）采取定子斜槽或者转子斜极的方式，减少齿谐波的电动势，进而相关齿谐波转矩也有所减少。

6）减少定子槽开口的宽度，或者利用磁性槽楔方式，可减少气隙磁可能出现的变换，避免出现气隙磁场的齿谐波。

7）利用阻尼绕组方式，可减少电枢的反应磁链脉动状况，以避免出现过多的纹波转矩。

8）提高交轴同步的电抗力，增大凸极中永磁同步电动机交轴的同步电抗力合直轴同步电抗力之间的差距，电机磁阻转矩有所增加，提高电机低速运行状态下的稳定性。

2.2 抑制永磁同步电动机的定位转矩
一般高精度调速的传动系统中，对定位的精准度要求较高。

永磁同步电动机运行过程中，影响其定位精准度的主要因素就是定位转矩。

也就是电动机不通电状态下产生的磁阻转矩。

通过该转矩的运行，可将电机的转子定位在具体位置。

2.3 增强弱磁的扩速
在永磁同步电动机中，永磁体产生了励磁的磁场，而不像电磁力的同步电动机一样可随意调节，只能利用电机直轴去磁电流的增加，实现弱磁的扩速目标。

针对这一实际情况，对永磁同步电动机的自身性能也提出一定要求：
1）提高直轴的同步电抗力，以此增强去磁能力。

2）选择抵抗去磁能力较强的永磁体，加强对永磁体的保护作用，避免出现不可逆去磁问题。

3）合理应用电机磁阻转矩，尽量将磁链设计为最低，提高电机弱磁的扩速状态，同时确保电机转子的运动强度，以满足电梯高速运行的需要。

3 永磁同步电动机的控制
图1 永磁同步电动机的控制系统图
在高速电梯中应用永磁同步电动机，一般采取无齿轮的曳引方法。

体现了永磁同步电动机的大功率、低成本，且功能多样化、结构紧凑，包括曳引轮、曳引电机、光电编码器、电磁制动器等，方便安装与使用。

尤其在无机房的电梯应用过程中，可在电梯井道中安装永磁同步电动机，减少建造机房的成本，确保建筑物的美观，具体控制图如图1所示。

如果电梯的负载发生了变化，就可调节永磁同步电动机的夹角，提高响应速度。

为了确保电梯的启动、制动舒适性以及精准性，可以在系统中加入精准的转子位置以及电流电压检测配置，以便确定电动机磁场的方向及大小。

在电动机的位置检测装置中，利用转子位置传感器开始工作，可选择压力型、位置型等电梯轿厢的负载检测，事先预测电梯的负载状况，并适当调
整方向与大小，输出相关模拟量、开关量、频率量。

将系统反馈信号与既定信号比较分析，并按照事先设定的方式加强控制，可获得更优化的驱动性能。

4 永磁同步电动机的驱动
永磁同步电动机在高速电梯中的应用，采取矢量控制形式。

根据不同的性能要求与调速范围等，永磁同步电动机的矢量控制策略可以分为以下几种：最大电磁的转矩、直轴电枢电流归零的控制、电流比控制、最大输出功率控制、弱磁控制等。

在转子的永磁体中，磁链为恒定不变值，可采取定向矢量方式控制，并将两相同步的旋转坐标系xy的x轴设置在转子的磁链（ r）方向，y轴是逆时针方向的超前x轴为90°。

如果采取直轴的电枢电流ix=0控制策略，且定子电流仅为转矩的分量，那么此时永磁同步电动机的电压方式计算公式为：
（1）
则转矩公式简化为：
由公式可知，当永磁同步电动机采取这一控制策略时，其转矩与转子磁链r、定子电流转矩分量成正比。

这样，在永磁同步电动机中，转子永磁与定子电流相对独立，确保系统的简单性，且获得更多的调速范围与精准度，实现了永磁同步电动机和直流电动机的完美结合。

5 结束语
由上可见，在设计或生产电梯过程中，应用永磁同步电动机加强控制，发挥电梯曳引电机的作用，已经开始投入使用，这种方式的特征在于：结构紧凑简单，不需要频繁维护；安全性、可靠性较高；减少对环境的噪音污染、油脂污染；提高电力功率；机械运转的速度加快，实现了经济性、节能性。

与交流无齿轮的异步电动机相比，具有快捷性、平稳性、硬机械性等特点，这是异步电动机无法比拟的优点；与传统的直流无齿轮电动机驱动方式相比较，也具有调速的精度高、响应速度快、耗电量低、使用寿命周期长等特点，是电梯驱动的理想选择。

参考文献：
[1]罗锋，电梯用永磁同步电机的设计[J].湖南大学：电气工程，2008.
[2]赖俊斌，电梯应用永磁同步电动机的有关试验数据[J].中国电梯，2009（23）.
[3]王龙腾，浅谈永磁同步无齿轮电梯之原理及特点[J].福建农机，2007（3）.
[4]张劲秋，电梯交流调速系统应用研究[J].科技致富向导，2010（17）.
[5]刘素芳、刘素平，电梯用永磁同步电动机控制系统的仿真[J].西南民族大学学报（自然科学版），2007（1）.
[6]许宁，外转子永磁同步电动机及计算机辅助设计[J].广东工业大学：控制理论与控制工程，2009.
[7]潘萍萍，永磁伺服电梯电动机噪声与振动特性研究[J].沈阳工业大学：机械制造及其自动化，2007.
[8]舒志兵，交流伺服运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2006.。