電梯驅(qū)動與能量回饋一體化控制系統(tǒng)設(shè)計

李 朋 羅 飛 許玉格 郭智于

(華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院1，廣東 廣州 510640;廣州市富菱達電梯有限公司2，廣東 廣州 510290)

0 引言

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和人們生活水平的不斷提高，電能供需矛盾日益突出，對于節(jié)電的呼聲日益高漲，這使得國內(nèi)外電梯廠商也開始關(guān)注電梯的節(jié)能問題。現(xiàn)在大部分電梯廠家的節(jié)能方式是選用永磁同步無齒輪主機。因為永磁材料可在電機中產(chǎn)生磁場，節(jié)省部分電能，但其效果并不太明顯。如今，也有極少部分的電梯加裝了能量回饋裝置，但由于加裝的能量回饋裝置控制算法不先進，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，回饋的電能對電網(wǎng)及其他用電設(shè)備產(chǎn)生較大干擾。

目前，國際上只有少數(shù)幾家公司電梯廠商，如日本三菱、美國OTIS等在大規(guī)格電梯中采用了雙PWM控制技術(shù);在國內(nèi)，上海交通大學(xué)和上海三菱電梯有限公司也在合作進行雙PWM可逆整流技術(shù)的研究。本文根據(jù)目前國內(nèi)電梯的現(xiàn)狀，采用比較先進的雙PWM控制技術(shù)，設(shè)計了一套合理的電梯控制、驅(qū)動與能量回饋一體化控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

電梯節(jié)能能量回饋的本質(zhì)是將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的有源逆變［1－3］，其目的是將電動機在發(fā)電狀態(tài)下產(chǎn)生的直流電能回饋到交流電網(wǎng)，實現(xiàn)節(jié)能，并盡量減少對電網(wǎng)的污染。

在電梯直流電能逆變回饋過程中，系統(tǒng)要求在相位、電壓、電流等方面應(yīng)滿足以下各控制條件:①逆變過程必須與電網(wǎng)相位保持同步關(guān)系;②當直流母線電壓超過設(shè)定值時，才啟動逆變裝置進行能量回饋;③逆變電流必須滿足回饋功率的要求，但不大于逆變電路所允許的最大電流;④應(yīng)盡量減少逆變過程對電網(wǎng)的污染。

為實現(xiàn)以上要求，本系統(tǒng)采用雙PWM控制技術(shù)實現(xiàn)能量回饋。能量回饋裝置主要由PWM整流和PWM逆變兩部分組成。雙PWM控制技術(shù)的工作原理為:當電機處于拖動狀態(tài)時，能量由交流電經(jīng)整流器向濾波電容充電，能量通過PWM逆變器傳送到電機;當電機處于減速運行、輕載向上、重載向下狀態(tài)時，由于負載慣性作用進入發(fā)電狀態(tài)，使濾波電容電壓升高，此時整流器中開關(guān)元件在PWM控制下將能量回饋到交流電網(wǎng)，實現(xiàn)能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了電網(wǎng)側(cè)的諧波污染，形成了清潔高質(zhì)量的能量，并回饋到電網(wǎng)。

控制方法的優(yōu)劣直接影響逆變系統(tǒng)的性能。本設(shè)計采用三相變頻技術(shù)中的空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)［4］，使電梯節(jié)能能量逆變器的節(jié)能效果更加顯著，并且減少了逆變電能對電網(wǎng)造成的沖擊，使直流電壓利用率更高，逆變電能的總諧波失真更小。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用雙PWM控制技術(shù)，在三相電源輸入端與PWM整流IPM模塊之間設(shè)有被控電抗，對電梯輸入電流和驅(qū)動電機電流、轉(zhuǎn)速進行精確計算，達到精確控制電梯速度、加速度以及能量回饋于電網(wǎng)的目的。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用32位ARM CPU+32位DSP CPU+FPGA硬件結(jié)構(gòu)［5－7］，兩 CPU 通過并行通信高速交換數(shù)據(jù)，電梯主控板與呼梯工作站通過CAN總線串行交換信息［8］。這種硬件結(jié)構(gòu)包含一個能量回饋裝置［9］，可以采用雙PWM控制技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能和降低電梯系統(tǒng)對公用電網(wǎng)的諧波干擾。

系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中R、S、T和U、V、W均表示三相電的端子。

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural modules of the system

由圖1可知，本系統(tǒng)的驅(qū)動電機為永磁同步電機，制動方式為能量回饋。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)置具體介紹如下。

采用32位ARM CPU作為系統(tǒng)邏輯控制部分的CPU，采用32位DSP CPU作為系統(tǒng)驅(qū)動及能量回饋部分的CPU;采用250000門的門電路FPGA作為系統(tǒng)主板的邏輯電路、兩CPU之間的高速通信電路、系統(tǒng)主板的輸入/輸出電路;采用PSD4235作為系統(tǒng)參數(shù)存儲器;采用手持式操作器對系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)試;采用三菱IPM模塊作為系統(tǒng)驅(qū)動元件;采用TI公司DC/DC電源模塊作為直流電源控制器;采用韓國三和電容器作為系統(tǒng)主電路濾波電容器;采用日本和泉繼電器作為系統(tǒng)輸出繼電器;采用日本富士接觸器作為系統(tǒng)輸出接觸器。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括控制模塊與驅(qū)動模塊兩部分［10］。

2.2.1 控制模塊

控制模塊包括電梯邏輯控制軟件(即電梯的操作系統(tǒng))、通信軟件以及電機運動控制軟件和同步電機的初始磁通角整定等模塊。其中，電梯邏輯控制模塊包括電梯的集選控制、參數(shù)調(diào)試與存儲、電梯故障處理、系統(tǒng)自檢與處理等。通信模塊包括主板與呼梯工作站、轎頂工作站、操作器、群控板、遠程監(jiān)控板之間的通信，以及兩個32位CPU的高速通信。電梯電機運動控制模塊包括電梯電機速度檢測、電機電角檢測、電梯運行曲線生成、電梯速度、加速度控制、力矩控制等模塊。

2.2.2 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊包括電梯的能量回饋軟件(矢量控制PWM整流器軟件)和電梯電機變頻驅(qū)動軟件(即矢量控制PWM軟件)。驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Architecture of diver module

圖2中，PWM整流為系統(tǒng)提供直流電源，同時也可將能量回饋到電網(wǎng);PWM逆變?yōu)殡娞菀芬龣C提供電源，使電梯按設(shè)定曲線運行，同時，當電梯減速、輕載上行、重載下行時，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，以泵升電壓的形式將能量儲存于電容中。

PWM整流與PWM逆變的控制軟件基本相似，只不過PWM逆變控制對象為永磁同步電機(以永磁同步電機為控制模型)，而PWM整流控制的對象為被控電抗(以電抗為控制模型)。這兩部分對象均包括矢量變換、PI調(diào)節(jié)和雙閉環(huán)控制等。

PWM整流部分包括矢量變換、PI調(diào)節(jié)和雙閉環(huán)控制，其控制對象為被控電抗，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)(系統(tǒng)的直流母線電壓)。

通過雙閉環(huán)保證當電梯運行時，系統(tǒng)的直流母線電壓不變，保持為630 V。

PWM整流的工作過程具體過程如下。①外環(huán)(電壓環(huán)):系統(tǒng)將檢測到的母線電壓Vd與設(shè)置的直線母線電壓(630 V)作比較，將誤差通過PI運算后，產(chǎn)生q軸電流指令。②內(nèi)環(huán)(電流環(huán)):系統(tǒng)把檢測到的R相、S相電流通過Clark變換、Park變換后，產(chǎn)生檢測的q軸、d軸電流iq1、id1。和 iq1比較(設(shè)=0)和id1比較，分別將比較后的誤差信號通過PI運算，將其結(jié)果解耦后，得到q軸、d軸電壓 Uq1、Ud1。④將 Uq1、Ud1通過 Park逆變換、SVPWM運算后，產(chǎn)生PWM脈沖信號，將PWM脈沖隔離放大后驅(qū)動IPM模塊，從而實現(xiàn)整流和能量回饋。Park變換和Park逆變換中的電角度θ1由PLL輸出積分(1/S為積分環(huán)節(jié))得到。

PWM逆變也包括矢量變換、PI調(diào)節(jié)和雙閉環(huán)控制，其控制對象為永磁同步電機，PWM逆變器的軟件流程與PWM整流器的軟件流程基本相似。

3 測試分析

設(shè)定直流母線的基準電壓為630 V，測得在直流母線的實際電壓為660 V時，經(jīng)逆變后的a相電流波形如圖3所示。

圖3 逆變后a相電流波形Fig.3 a-phase current waveform after inversion

由圖3中的25個周期信號可以看出，回饋到交流電網(wǎng)的a相電流波形為近似正弦波，對其中的15個周期信號進行快速傅里葉變換(FFT)分析，逆變后a相的電流諧波波形如圖4所示。

圖4 逆變后a相電流諧波波形Fig.4 a-phase current harmonic analysis after inversion

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)驅(qū)動電機為永磁同步電機，采用能量回饋的制動方式，并采用雙PWM控制結(jié)構(gòu)，集電梯控制、驅(qū)動和能量回饋于一體，其具有以下優(yōu)點和特點:①節(jié)能效果好，節(jié)能高達40%;②無制動電阻，進一步節(jié)省電能，改善系統(tǒng)的運行環(huán)境;③功率因數(shù)約為1，最大程度地降低了電梯系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波干擾;④省去了昂貴的高耗能裝置，降低了生產(chǎn)成本。

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