機電一體化技術在電梯中的應用研究與實踐

金美琴

（南通科技職業學院，江蘇 南通 226007）

0 引言

隨著城市建設的不斷發展，高層建筑不斷涌現，作為垂直運行的交通工具，電梯在國民經濟和居民的日常生活中有著廣泛的應用，安全可靠、高效高速和舒適節能是電梯永恒的主旋律。經過150 多年的發展，現代電梯的技術含量日益提高。全球超過60%的電梯都在中國制造和生產[1]，研究電梯技術，改善電梯性能，具有極其廣闊的前景。

1 機電一體化技術

機電一體化技術是從系統工程的觀點出發，將機械、電子和信息等有關技術有機結合起來，以實現系統或產品整體最優的綜合性技術。隨著電子技術的發展，人們發現可以用輕便的電子調速裝置來替代過去笨重的齒輪調速箱，通過計算機的軟件可以調節精確的運動規律，因此，可以從機械、電子、硬件、軟件四個方面去進行有機的滲透和綜合，以構成一個整體最優的產品或系統。機電一體化技術的應用，在簡化產品結構、增強系統功能、改善操作性和使用性、提高安全性和可靠性、節能降耗、增強柔性和智能化程度等諸多方面都取得了顯著成效。

電梯是機電一體化的大型復雜產品，如果以人作比，機械部分相當于人的軀體，電氣部分相當于人的神經系統，機與電的高度結合，使電梯成為現代科技的綜合產品[2]。在電子、信息、通訊和控制等技術快速發展的推動下，電梯日益發展，使得電梯的舒適性、快速性、安全性、停層準確性及節能降耗、環保性能等都得到了很大的改善。

2 電梯中應用的機電一體化技術

電梯將機械技術、電氣技術、微處理器技術、系統工程學等多學科和技術集于一體。人們要求電梯具有安全、舒適、速度快、振蕩小、平層精度高等性能；還要求具有成本低、效率高、維護方便、空間占據體積小等特點[3]。機電一體化新技術，包括變頻驅動技術、智能控制技術、通信技術、安全技術、節能技術以及新技術材料的應用等，已經成為電梯技術發展的主流。限于篇幅，本文主要介紹機電一體化技術在電梯曳引系統、電氣控制系統等幾個方面的應用。

2.1 曳引系統

曳引系統的功能是輸出和傳遞動力，使電梯上下運行，曳引機又稱電梯主機。因為電梯實際運行的速度較低，永磁同步電動機具有低速大轉矩、不需要減速機構等優越性能，成為繼VVVF 技術之后，電梯行業又一次重大的技術進步。以蘇州帝奧電梯有限公司開發的PTM-1 永磁同步無齒輪曳引機（如圖1 所示）為例，節能、省空間、降低建筑建造成本和電梯運行成本是該技術的最大特點，并徹底解決了傳統曳引機漏油造成的環境污染問題，達到電機的免維護及環保要求。

較之于以往交流異步電動機電梯拖動系統，永磁同步無齒輪曳引機主要特點[4]：

（1）噪音小，響應快。以永磁同步電機為主要技術的無齒輪曳引技術減少了笨重龐大的機械傳動系統，使機械轉矩波動小，轉速平穩，動態響應快速準確。

（2）體積小，重量輕。永磁同步電機應用了高性能永磁材料，相對同容量的異步電機，它的體積、重量都要減小許多，實現了無機房化，減小了建筑面積，降低了成本，并且維護方便。

（3）損耗小，效率高。永磁同步電機無需勵磁電流，減小了無功電流分量，顯著地提高了功率因數，可以相應地減少電負荷。

圖1 帝奧PTM-1 永磁同步無齒輪曳引機Fig.1 The PTM-1 type PMSM of Diao Elevator Co.

2.2 電氣控制系統

電梯控制系統可分為拖動系統的調速控制與選層系統的邏輯控制兩大部分。電梯一體化控制系統，將驅動系統與電梯管理、控制系統集成為一體機，以其顯著的性能集成特性引領市場和技術走向，使系統結構緊湊體積小，安裝維護便捷省時，且工作穩定、節省能源[5]。

（1）高集成的一體化控制器。DA7000 系列電梯一體化驅動控制器是蘇州帝奧電梯有限公司專業設計的新一代電梯驅動控制集成裝置，采用雙32 位網絡化、智能型串行通訊電梯專用一體化控制系統，該系統結構框圖如圖2 所示，其中應用的機電一體化技術主要有： ①機械技術： 控制驅動架構基于一體。模塊化結構設計，使整個裝置結構緊湊、接線減少、可靠性增加、操作更簡易；②控制技術： 全電腦智能型控制系統。32 位雙CPU 通過并行通訊進行高速數據交換，采用直接?？考夹g和轎廂位移記憶技術，高精度的定位控制和速度控制，確保了電梯停站提前開門和平層安全的功能，對電梯運行實施最安全、精確、高效的管理控制，使電梯運行更平穩，使乘客得到更佳的乘坐舒適感；③驅動技術： 變頻電源驅動永磁同步電機。通過先進的矢量變換技術，采用旋轉編碼器反饋電梯的實時運行速度給驅動控制單元，設計了基于剩余距離的電梯速度控制，可按人體舒適要求實時進行速度調節。加入新型PWM 死區補償技術，降低電機噪音和電機損耗；④信息處理技術： 高速數字式信號處理系統。根據轎廂的實際負載、上下行速度，通過對電流大小和相位的適時調整，更為靈敏地控制曳引機的速度，實時精確控制主機轉動力矩，保證電梯運行狀態平穩。

圖2 DA7000 一體化驅動控制系統框圖Fig.2 The system chart of DA7000 integrated controller

（2）超高速的串行通訊。電梯控制系統是一個相當復雜的邏輯控制系統，系統要同時對幾百個信號進行接收、處理，新一代的電梯控制系統采用CAN 總線技術，各控制器之間只需一對雙絞線通過網絡拓撲結構連接即可，從而使整個控制系統的信號線數從數百根減少到幾根。CAN 總線提升了數據傳輸能力，使電梯控制系統降低了成本、增強了可靠性。對于不同樓層數的電梯，只需加入相應數目的呼梯控制器即可，主控制器硬件不需做任何改動[6]，對系統進行擴展、升級，具有很好的靈活性，使生產、安裝、調試和維護都方便許多，提高了自動化水平。

2.3 節能環保裝置

（1）能量再生回饋裝置。電梯驅動控制系統是電梯節能的關鍵技術之一，除了前述的永磁同步電機的應用，能量回饋技術也有利于提高電梯系統的整體節能效果。由于電梯空載上行和滿載下行時電動機處于發電狀態，采用能量回饋的制動方式，可讓高達30%以上的被電梯消耗的能量重新回收再使用，取得顯著的節能效果[7]。

（2）軟件控制。如建立實時控制的交通模式，以較少的運行次數來運載較多的乘客，盡可能使電梯的停站次數減至最少。此外，用仿真軟件模擬，以確定出不同樓層之間的最佳運行曲線，不但能提高乘坐的舒適度，還能節省電能。

（3）電梯照明。使用轎內自動照明技術，確保無人使用時照明燈處于熄滅狀態，不消耗電能。以直流驅動的LED 照明作為轎內照明燈具，在相同的照明效果下，相比傳統光源可節能80%以上。

3 電梯技術的發展趨勢

機電一體化技術的應用已經成為電梯發展的主要趨勢，更智能、更高效、更安全已成為當今世界電梯發展的主要研究方向。另外，經濟節能、綠色環保等方面也是必須注意的問題。

（1）趨于智能化。隨著互聯網信息服務的市場推進，智能化成為電梯企業的轉型改革的主方向[8]。電梯的優質服務不再是單一的 “時間最短” 概念，而是采用模糊理論、神經網絡、專家系統、遺傳算法等人工智能方法，使電梯成為更加安全、舒適、高效、優質的服務工具[2]。

（2）超高速電梯。隨著高層建筑增多，超高速電梯仍舊是研究熱點。曳引式超高速電梯的研究在采用超大容量電動機、高性能的微處理器、減振技術、新式滾輪導靴和安全鉗等方面繼續推進。

（3）綠色電梯。綠色電梯已被廣泛關注，主要是在電梯的制造、配置以及安裝與使用過程中，要求電梯節能、電磁兼容性強、噪聲低、長壽命、采用綠色裝潢材料、與建筑物協調等。

4 結束語

機電一體化技術在電梯上的廣泛應用，使電梯的運行質量、可靠性、節能降耗等特性有了很大的提高。近20年來，微機控制的電梯以優異的控制性能得到了長足的發展，而且已成為當前電梯發展的主流。串行通信以其布線簡單、信息傳輸量大等優點，在電梯控制系統中的應用日益增多。隨著機電一體化技術的發展，電梯控制越來越智能，給人提供的服務越來越人性化，乘坐電梯的安全系數越來越高。

[1] 顧德仁.電梯電氣原理與設計[M].蘇州：蘇州大學出版社，2013.

[2] 魏孔平，朱蓉.電梯技術[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3] 楊國生.電梯曳引驅動系統的現狀及發展前景[J].太原科技，2006，7.

[4] 李躍進.永磁同步電動機在電梯中的應用[J].科技致富向導，2010，26.

[5] 周威威.電梯一體化控制系統的研究[D].華中科技大學，2012.

[6] 鄭建彬，王紹維，秦娟英.CAN 總線在電梯控制系統中的應用[J].電氣自動化，2003，1.

[7] 林梅麗.四象限變頻器與傳統變頻器在電梯應用上的節能效果及輸入指標對比[J].電氣應用，2012，8.

[8] 宋紹彩.2014 中國國際電梯展專題： 智能化與超高速成電梯發展趨勢[J/OL].[2014-5-21]. http://www.caigou2003.com/suppliers/elevator/topics/20140521/topics_863291.html.