直接轉矩控制技術在電梯門機系統中的應用探討

鄭曉芳

(華東交通大學教務處，江西南昌330013)

電梯門機控制系統是典型的電機伺服系統，是電梯設備中動作最頻繁的部分，其運行特性直接影響到電梯運行過程的快速性和可靠性。傳統的電梯門機控制系統，常采用V/F控制變頻器與控制器組成的交流控制系統，由于執行環節多造成系統的可靠性差，調試較為困難。另外V/F控制的變頻器運行不夠平穩，在遇阻重開門或者光幕、觸板保護動作的過程中反應遲鈍容易傷人[1，2]。

隨著科學技術和工藝水平的提高，當前調速系統出現了:(1)采用微型控制器為核心，基于異步電機變壓變頻的電機控制系統;(2)利用無刷直流電機來取代普通交直流電機的控制系統;(3)采用PLC+變頻器+交流異步機的電機控制系統;(4)采用矢量或直接轉矩控制變頻器的電機控制系統等等。但任何一種控制系統都有其固有的優缺點，如何設計一種適合電梯門機控制要求的控制系統有較強的理論研究和實用價值。

1 電機控制理論

20世紀70年代初西德和美國的學者在交流電機和直流電機的比擬中，提出了把交流電機當作直流電機一樣通過坐標變換進行磁場和轉矩獨立控制的思想，即矢量控制原理。直接轉矩控制系統是近十年來繼矢量控制之后迅速發展起來的一種新型的高性能交流調速傳動控制系統，其思路是把電動機與逆變器看作一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系進行磁通、轉矩的計算，通過磁通跟蹤型PWM逆變器的開關輸出電動機定子電壓，直接控制電機轉矩[3，4]。

2 直接轉矩控制的電機調速系統

2.1 傳統的直接轉矩控制系統基本工作原理

直接轉矩控制原理如圖1所示。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，進而確定電磁轉矩，將磁鏈幅值和電磁轉矩的計算值與給定值比較，把誤差分別送入磁鏈控制單元和轉矩控制單元，兩者的輸出信號與磁通角共同作為控制逆變器的開關信號，驅動逆變器產生三相電壓作用電機。直接轉矩控制系統采用電壓型逆變器，如圖2所示。

對于逆變器開關信號的形成采用空間電壓矢量調制方法，空間電壓矢量調制方法是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機所產生的理想磁通園為基準，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準園磁通，并由它們比較的結果決定逆變器的開關狀態。圖2所示的位于同一橋臂的功率管的導通狀態是相反的，當位于同一橋臂上面的功率管是導通，下橋臂的功率管一定是關斷的。在直接轉矩控制中，逆變器有6個開關的8種組合輸出的不同電壓矢量u(i=0，1，2，…，7)。這些不同的電壓狀態分成兩類:一類是零電壓矢量(u，u);一類是工作電壓矢量(u，u)。忽略定子電阻壓降，定子磁鏈的運動方向基本沿u進行的，因此合理選擇電壓矢量的施加順序使得u的運行軌跡形成六邊形，為便于控制將磁鏈旋轉軌跡分成6個扇區，根據磁鏈幅值和電磁轉矩的計算值與給定值比較得出的誤差，并結合定子磁鏈所在區域從開關表中選擇合適的電壓矢量控制逆變器的開關狀態[5]。

圖1 直接轉矩控制原理圖

圖2 電壓型逆變器

直接轉矩控制從總體上來說是采用電壓空間矢量控制，其電壓矢量不像PWM那樣有規律的給出;與PWM控制相比它更像一種隨機的過程，它根據定子磁鏈位置、轉矩變化、定子磁鏈變化實時的給出空間電壓矢量。

2.2 存在的問題

直接轉矩控制經過近20年的發展，各方面的性能都在不斷提高并已進入實用階段，國外目前已成功應用在大功率高速電力機車上等主傳動系統中，德國和日本在這方面的研究居領先地位。但直接轉矩控制一直存在轉矩脈動大(尤其低速時)、開關頻率不恒定等問題。在低速階段，由于采用兩個滯環比較器以及選擇開關表所得到的只有8個基本電壓矢量實現對轉矩和磁鏈的分別控制，導致存在較大的轉矩脈動。另一方面，在直接轉矩控制中，開關頻率是通過轉矩容差的調節而定的，轉矩容差設定的值較小，對于抑制轉矩的脈動是有利的，但同時增加了逆變器的開關頻率。為了解決直接轉矩存在的問題，很多學者致力于改善相關性能的研究，提出很多改進思路。有的在直接轉矩控制中引入智能算法優化其性能;有的引入模糊集合理論，采用模糊控制器來選擇開關狀態;有的將模糊算法和與遺傳算法相結合實現直接轉矩智能控制，這些方法都有其各自的優缺點及適應場合[6，7]。

3 直接轉矩控制在電梯門機系統的應用

3.1 電梯門機系統簡介

電梯的門有門扇、門滑輪、門地坎、門導軌架等部件組成。門關、啟的動力源是門電機，通過傳動機構驅動轎門運動再由轎門帶動層門一起運動。門具有啟閉迅速同時又要避免在起端和終端發生沖撞，要求電梯門應按理想速度曲線自動調節門啟閉運行速度曲線。由于電梯門機控制系統中其轎廂門運動速度值不是很大，因此需要變速裝置，使得電動機的輸出速度在額定值范圍內，而轎廂門運動速度遠小于電動機的輸出速度，這樣，當轎廂門有較小速度變化時，電動機可以在很大的速度范圍內進行調節，使得調速變得容易;同時電動機有轉矩或速度波動時，反映在轎廂門上的速度變化就不明顯，利于轎廂門平滑運動。

3.2 直接轉矩控制在門機系統中的應用

雖然矢量控制、直接轉矩控制是目前研究的熱點，很多學者都對此作了大量的研究與探索，但在大量的文獻資料中的研究都是針對大功率的交流電機，因為此類控制系統通常要求高、造價高，適合采用較復雜的控制系統，而對電梯門電機由于不屬于電梯的核心部件且電機功率較小因此研究的很少。針對電梯門機控制系統采用矢量控制或其它相關文獻提到的改進型直接轉矩控制方案可以達到要求，但其結果不是結構復雜化就是加入大量的復雜運算，從造價、系統的復雜程度方面看并不合算。作為一種新興的控制技術，直接轉矩控制系統中很多控制環節有不同的處理方法，為此，必須結合電梯門機控制系統的特點針對傳統直接轉矩控制系統作進一些合理改進，使之能完全滿足電梯門機控制系統的需要且系統易于實現又有合理的成本。下面結合電梯門梯控制系統的特點，在傳統直接轉矩控制系統中，針對兩個主要環節即轉矩和磁鏈控制采取改進的控制方法，使其控制系統較為簡單而又能達到工程要求。

(1)采用三點式轉矩調節器—滯環比較器。傳統的直接轉矩控制技術對轉矩的控制采用轉矩控制器，多數控制器采用兩點式進行調節即采用施密特觸發器，輸出狀態量1和0，轉矩容差為ε且可調，如圖3所示[4]。

圖3 轉矩兩點式調節器

圖4 三點式轉矩調節器

用滯環比較器代替施密特觸發器，輸出-1、0、1三個量，把轉矩變化的范圍細化，不同的范圍實施不同的控制策略(即施加不同的電壓向量)，使得調節過程縮短，有較好的調節效果。其工作原理為:ε為轉矩調節器容差給定值。

(2)采用圓形磁鏈控制。由于直接轉矩控制是從大功率牽引出發的，因其開關頻率受器件水平的限制不能太高，所有傳統的直接轉矩控制系統對磁鏈控制通常采用六邊形磁鏈進行控制，這樣雖然可以降低功率器件的頻率但引起轉矩的波動也較大。在系統控制中磁鏈軌跡越接近園形，磁鏈幅值越接近恒定，對轉矩的控制效果就越好，同時電機的諧波分量越小，但逆變器的開關頻率也會越高。鑒于門電機的功率較小頻率高對其影響不是很大，故選擇圓形磁鏈方案。為了更好的控制效果必須對傳統的兩點式磁鏈調節器進行改進，考慮到算法的復雜性與可行性采用如圖5所示的三點式磁鏈滯環比較器進行調節。

其工作原理如下:εQ為磁鏈調節器容差的給定值，磁鏈調節器的開關信號設置為:ΔΨs為磁鏈給定值Ψ*s與實際值Ψs的差值，即ΔΨ*s=Ψ*s-Ψs。當ΔΨs＞εΨ，磁鏈調節器的開關信號ΨQ=1，施加增加磁鏈的電壓矢量;當ΔΨs=0，磁鏈調節器的開關信號ΨQ=0，不需要電壓矢量;當ΔΨs＜-εQ，磁鏈調節器的開關信號ΨQ=-1，施加減少磁鏈的電壓矢量。根據這樣的控制方式，就可以使磁鏈幅值在給定范圍內變化，Ψs(t)軌跡近似為圓。

圖5 三點式磁鏈調節器

4 未來展望

直接轉矩控制技術具有一系列的優點，對交流驅動調速是一種很好的電機控制方法，目前直接轉矩控制技術的應用領域大為拓展，由原來主要應用于異步電機擴展到其它種類的電機，而且隨著電力電子器件不斷向大功率和高頻化發展，大容量的直接轉矩控制的性能將進一步得到提高。直接轉矩控制作為一門新興的控制技術雖已取得很多成果，還是存在很多問題(例如低速轉矩脈動問題等)制約了直接轉矩控制在實際工業當中的廣泛應用。當前直接轉矩控制技術正向著智能化、集中化發展，雖然不少研究還局限于理論研究和仿真階段但其前景還是極其光明的。

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[2] 何志明，劉宏鑫.采用TD3200矢量控制變頻器的電梯門機控制系統[J].中國電梯，2003，14(24):23-24.

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