永磁電梯門機多參數在線檢測研究

黃根法 翁曉偉 徐華月 項京成

（1.臺州方圓質檢有限公司，浙江臺州 318000；2.臺州市產品質量安全檢測研究院，浙江臺州 318000）

0 引言

近年來，隨著人們對設備、人身安全的愈加重視，加上穩定性和節能高效性需求，各類動力系統電力執行部件的電機類型逐漸從傳統的直流電機、交流感應電機發展到高效的交流永磁同步電機，其控制方式也從簡易的開關啟停控制，發展到以高性能處理器為核心的變頻智能控制[1]。電機門機普遍采用隱極式永磁同步電機，與傳統的“交流異步+減速器+異步帶”結構不同，永磁同步電機的電梯門機采用直驅傳動形式，由低轉速、大扭矩同步電機直接牽引同步帶，帶動門刀作往復水平運動，從而帶來運行效率和控制性能的提升。

電梯作為特種設備，其產品質量與使用者的人身安全息息相關，而門機作為電梯產品的核心部件，決定了開關門速度、開關力矩、耐久性等性能。電梯門開合運行過程中，速度范圍在0.3～0.8 m/s；另外，電梯電機所面對的場景和工況較為復雜，主要表現為重量差異、傳動結構不確定、自閉裝置等引起的慣量變化、溫濕度和風壓引起的環境參數波動以及初始安裝位置差異引起的不確定性等因素[2]，這些變化使得電機運行狀態實時變化，存在較多不確定性，且不利于精準控制和研判。因此，迫切需要研制實時在線辨識系統來監測復雜多變的電梯門機工作環境，提升現場使用和系統維護的安全性，而其關鍵技術是獲得準確的系統參數。

1 永磁電梯門機檢測現狀

目前，國內關于永磁電機的相關標準有《三相永磁同步電動機技術條件（機座號80～355）》（GB/T 22711—2019）、《記錄儀表用永磁同步電動機》（JB/T 7805—2007）、《外轉子永磁無刷直流電動機》（JB/T 12227—2015）等，其中對于永磁電機性能指標的規定及存在的問題如表1所示。

從表1可見，國內無專用的永磁電梯門機相關標準，現有的標準也不完善，為三相或外轉子或特定產品的專用標準，與復雜的電梯門機產品不相適應。且最突出的問題是，目前國內永磁電機相關標準主要是在特定的環境溫度、濕度下，在測功機或模擬負載情況下進行相關的測試，無法檢測產品運行狀態下的性能參數，與復雜的門機運行環境存在不相適應性。

表1 國內常見永磁電機標準存在的問題

2 永磁電梯門機在線檢測方法的構建

本方法將設計一種“成果借鑒”—“參數預辨識方法研究”—“在線修正與優化方法研究”相結合的整定流程。首先通過現有文獻分析比對確定目前電機參數在線檢測的技術指標及存在的缺陷，并對比較的結論進行分析、整理；然后采用典型工況測試法獲取電機關鍵參數并使系統具備自運行能力，將預辨識參數值作為初始條件代入模型參考自適應算法中，通過可調的自適應律校驗并修正電機參數和控制參數，從而解決多參數辨識過程中辨識模型的非滿秩不收斂的問題。在永磁電機參數中，繞組相電阻、軸電感、系統慣量是永磁電機的關鍵參數，其值與矢量控制的電流環、速度環PI參數密切相關。永磁門機在線關鍵參數預辨識機制，將根據辨識需求由電機控制器逐步給出信號，采用差分測試法來獲取電壓、電流、轉速及響應時間等關鍵信息，考慮逆變器非線性、鐵芯磁飽和、負載工況對參數辨識精度的影響，基于永磁電機數學模型辨識出繞組相電阻、交直流軸電感、反電勢常數及轉動慣量等關鍵參數，根據二階振動控制模型整定電流環與速度環PI參數。最后，通過MRAS模型參考自適應法優化辨識精度，實現在線修正與優化，可大量減少人工干預，提高辨識速度與精度。具體流程如圖1所示。

圖1 永磁電梯門機在線檢測方法流程圖

3 電梯門機試驗系統的設計

電梯門機試驗系統的設計分為硬件和軟件兩個方面。

在硬件設備方面，其核心要點為搭建永磁伺服電機參數修正與優化在線辨識平臺，包含系統上位機、供電電源、控制電路（含主控芯片）、驅動電路以及被試電機等，具體如圖2所示。在硬件設計中，控制器將電網系統的電能轉化為機械動能傳遞到驅動電機上，使電梯門達到期望輸出的扭矩，實現轎廂門的穩定平移運行。電機控制器主要由電源轉換單元、母線儲能單元、處理器單元、功率變換單元、監控檢測單元及帶有接口和散熱功能的外殼組成。當驅動系統工作時，電機控制器接收來自電梯總控制PLC的運行信號，由內部的處理器單元進行計算，再依靠功率變換單元實現變流，將交流市電變為直流電，然后轉換成所需要的交流電傳遞給電機；監控單元檢測母線電壓、電機電流、溫度等并在異常情況下進行保護，同時采集速度/位置信號反饋給PLC。

圖2 電梯門機試驗系統設計

在軟件方面，主要在控制電路的主控芯片中完成測量方法的軟件程序編寫，實現數據采集、試驗數據處理模型與算法。主控程序采用C語言編寫，其流程如圖3所示。控制程序基于ST的芯片配置工具CubeMX開發，通過圖形界面生成初始化代碼，可以大大減少開發工作時間。

圖3 控制程序流程圖

4 結語

本文所探究的電機及其智能化參數辨識機制，無須人工干預系統參數整定，能夠實現系統實時監測，降低了系統調試的難度和風險，進一步保障了安裝調試者和使用者的人身安全，且節省了企業調試時間和次數，減少了各類永磁伺服電控設備的維護及檢測成本。該系統可用于第三方檢測機構快速對企業新研發電磁電機的各項指標進行確定，又可對在用的產品進行風險監控，還可在企業產品研發和售后檢修過程中幫助快速確認并解決問題；對于我國的電機企業特別是體量巨大的中小型電機企業，該設備可作為企業常規檢驗設備，方便地進行永磁電機性能試驗，全面快速檢測電機的各項性能，以提升電機產品的出廠質量和一致性，從而推動中小型電機制造企業以質量為導向的品牌建設。