永磁同步電機矢量控制的解耦及電流環(huán)的設(shè)計

1、制動器的動力學(xué)分析及其與驅(qū)動系統(tǒng)的配合上海交通大學(xué) 曾曉東根據(jù)電機矢量控制的有關(guān)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到不管在任何情況下，電梯系統(tǒng)在突然開 閘的情況下，系統(tǒng)的初始加速度均為TL J ，如此看來，不管如何優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)的參數(shù)，能夠改變的僅僅是加速度的變化模式及其經(jīng)歷過程的時間長短，而其最大加速度數(shù)值是無 法改變的。實際系統(tǒng)當(dāng)然不會這么理想，至少傳感器會有分辨率問題和濾波延時，數(shù)字控 制采樣也有周期， PWM 的開關(guān)控制也會有時延， 因此系統(tǒng)的響應(yīng)會達(dá)不到上述分析的效果， 也就是實際的結(jié)果分析的更惡劣。但是，另一方面制動器的釋放其實不可能是瞬時的，也就是說惡劣的階躍力矩變化狀 態(tài)也是不至于發(fā)生，實際情況總

2、應(yīng)該是某種程度的斜坡力矩，這又會對啟動沖擊帶來好的 影響！為了簡單起見假設(shè)電梯啟動時制動器制動力矩是單位斜坡減小的，經(jīng)過理論推導(dǎo)可 以得出此時電梯系統(tǒng)的加速度數(shù)值肯定是從零逐漸增加的，而不是一開始就突然是一個最 大的數(shù)值。制動器打開過程中力矩函數(shù)的更精確模型是按照指數(shù)增長，因為制動器的線圈是一個 電感電阻回路，在階躍電壓的作用下線圈電流增長模式是標(biāo)準(zhǔn)的指數(shù)增長函數(shù)，且在鐵心 不飽和的情況下電磁吸力與電流的平方成正比！因此經(jīng)過簡單的推導(dǎo)可以得到電梯啟動時 施加到電機的力矩函數(shù)表達(dá)式（ 1），其中 0 為制動器線圈的時間常數(shù)。TL（t） TL（1 e 2 0t）（1）這是在簡單地認(rèn)為制動器制動力矩

3、恰好等于負(fù)載力矩下的結(jié)果，實際上制動器的制動 力矩一定大于負(fù)載力矩才能保證足夠的安全系數(shù)，因此（ 1）式將變成另外的形式，可以通 過階躍函數(shù)及其時延函數(shù)與（ 1）式線性組合得到，也就是系統(tǒng)的基本特性仍可以由（1）式來分析而具有足夠的代表性。這樣的話，同樣可以推導(dǎo)并通過初值定理得到系統(tǒng)初始加 速度為零的結(jié)論。為了增加直觀性，我們以某一參數(shù)組合情況進行了仿真，發(fā)現(xiàn)在斜坡力矩下無論是位 移還是加速度的數(shù)值，與階躍力矩相比都有了成數(shù)量級的減小，由此可見，解決開閘啟動 沖擊的振動問題，最有效的辦法是盡量延緩制動器的動作過程，使得制動力矩慢慢消失， 而不能太快開閘！表 1 給出不同的斜坡上升時間條件下最大

4、加速度的對比。表 1 不同延時的最大加速度ms2550100200400最大 加速度 （相對于階 躍力矩）0.1370.06980.028790.013950.00697根據(jù)上述分析結(jié)論，我們進行了實際電梯的測試，用Hioki 電流傳感器進行實測的結(jié)果提供如下供參考，傳感器的頻響范圍為DC100 kHz 。首先可以明確的是安川 L1000A的 C516 參數(shù)很重要，是轉(zhuǎn)矩指令的濾波時間，該時間應(yīng)該設(shè)置為0.1 秒左右，則零伺服時的速度比例增益才可以調(diào)到比較大的數(shù)值例如20，如果 C5 16 為默認(rèn)的 0 則零伺服速度比例增益調(diào)不大。另外 S302 的功能也有明顯的效果，該功能開啟和不開啟會產(chǎn)生

5、明顯 的差異，主要是沒有該功能時起動瞬間會出現(xiàn)低頻的來回抖動。圖 1 是抱閘的一個完整動 作過程的電流波形，從圖 1 中可以精確地得到抱閘的動作時間，這一方法我認(rèn)為具有最高 的精確性。如何得到抱閘動作時間呢？很顯然電磁線圈的電流上升是近似指數(shù)曲線的形式， 而且會有 3 段明顯的指數(shù)上升（下降）過程：第一段是促動階段，此時銜鐵處于靜止?fàn)顟B(tài)， 當(dāng)電磁吸力達(dá)到彈簧力以后，銜鐵開始移動；這就是第二階段的開始，隨著銜鐵的加速， 此時運動會產(chǎn)生一個反電勢，因此線圈電流會逐漸下降，直到銜鐵到達(dá)終點；第三階段就 是銜鐵到達(dá)終點后保持靜止，此時線圈電流又繼續(xù)按照指數(shù)形式增長到穩(wěn)態(tài)值。從圖 1 可 以看到第二階段

6、的時間是很短的，正是從這一特點很容易從電流曲線中測量出抱閘的動作 時間，本例為 0.49 秒。eltiTsixA圖 1 制動器動作電流波形在該抱閘動作時間下，我們再記錄曳引機某相的電流波形，從電梯開始啟動到停車的 完整過程該相電流波形如圖 2 所示，電梯為滿負(fù)載。從電流曲線可以明顯看到零伺服的鎖 定情況，細(xì)節(jié)情況為圖 3 所示，對于電流曲線的解讀，有幾個需要明確的問題：其一是鎖 定時電流為直流，因為電機未旋轉(zhuǎn)的緣故；其二是鎖定穩(wěn)定后電流的方向和大小有隨機性， 因為轉(zhuǎn)子位置存在隨機性；其三是如果出現(xiàn)倒溜的情況，則電流曲線一定會發(fā)生變化，甚 至電流方向都會改變，同樣是由于轉(zhuǎn)子位置發(fā)生了變化的緣故！

7、eltiTsixA-21210X Axis Title圖 2 曳引機單相電流波形為了增加分辨率，記錄多次曲線，選取鎖定電流較大的作為分析對象，圖17 中的鎖定電流幾乎達(dá)到了額定電流，可見此時轉(zhuǎn)子位置恰好處于接近該相的正交點。圖17 的電流曲線近乎完美，可以斷言轉(zhuǎn)子幾乎沒有可測出的倒溜，電梯起動過程自然不會有任何的感覺！ 在鎖定的最后階段實際上已經(jīng)開始加速了，因此電流變大，隨后轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，電流變小 繼而改變方向。另外從圖 17 可以看出，伺服鎖定的時間為 234 ms，這一時間當(dāng)然與制動器 動作快慢密切相關(guān)。如果制動器動作迅速，則電流上升也會隨著迅速，反之也是成立的。eltiTsixA0.0

8、0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0X Axis Title圖 3 零伺服鎖定過程細(xì)節(jié)然而，我們要思考的一個問題是：如果制動器動作足夠迅速，那么電流上升的過程最 快能到什么程度呢？要回答這個問題，我們只能分析電梯停止后變頻器的基極封鎖過程， 也就是圖 4 的最后階段！圖 4 為基極封鎖的細(xì)節(jié)，非常幸運的是電梯停止位置時該相的零伺服鎖定電流恰好也 接近額定電流，從波形數(shù)據(jù)中得出的電機電流衰減時間為 25.75 ms，這就是電機的電磁慣 性作用下電流衰減的限制條件！很自然的，我們也可以推斷出電機電流的最短上升時間不

9、會短于 25 ms 左右。電磁慣性主要與電機繞組的電感與電阻之比值有關(guān)，該比值越大則電 流變化越慢。關(guān)于基極封鎖的過程，對電梯的性能也會有顯著的影響，實用中 25 ms 的時 間太短了，電機力矩在這么短的時間內(nèi)由額定值下降到零，會產(chǎn)生一系列的問題。eltiTsixA8.5 9.0 9.5 X Axis Title10.0 10.5圖 4 基極封鎖細(xì)節(jié)首先，對電機和其他機械結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生明顯的沖擊效應(yīng)，并產(chǎn)生噪聲！我們以起重機吊 起重物為例進行說明，如圖 5 所示，傳統(tǒng)上機械制動器制動于電機軸上，但近年來由于安 全性能的加強，制動器作用于低速軸越來越多，圖 5 即是這種情況，其制動器直接作用于 重物

10、升降導(dǎo)軌上，問題由此產(chǎn)生。當(dāng)停車時，總是先減速至停止?fàn)顟B(tài)，然后機械剎車動作， 最后撤消變頻器運行（方向）信號。由于系統(tǒng)總有彈性，則撤消變頻器運行（方向）信號 的瞬間，電機輸出力矩突然消失，結(jié)果整個系統(tǒng)出現(xiàn)強烈的反彈并引發(fā)明顯的振動和噪聲 （根據(jù)動力學(xué)原理，反彈的力將等于重物重力，由此導(dǎo)軌系統(tǒng)也將瞬時承受 2 倍的重物重 力）。尤其在傳動系統(tǒng)包括制動器存在間隙時，沖擊和噪聲會更加明顯！就拿永磁無齒輪曳 引機來說，如果延長制動器動作與基極封鎖之間的時間間隔，在抱閘抱死后可以明顯分辨 出當(dāng)撤銷變頻器方向信號時，電機內(nèi)會發(fā)出“咣”的一聲，也即永磁鐵和線圈系統(tǒng)受到了 嚴(yán)重的沖擊。其次的一個現(xiàn)象是電梯檢修

11、運行時， 如果電機處于發(fā)電狀態(tài)， 比如空轎廂向上檢修運行， 則當(dāng)檢修人員釋放運行按鈕時，本來期望是電梯立即停車，但實際上由于抱閘不可能做到 瞬時制動，這就存在了一個失控時間，電梯反而瞬時加速上行然后再在抱閘的作用下停車， 這不僅憑空增加了停車時的沖擊，還使人員處于危險的狀態(tài)！當(dāng)抱閘機電慣性大而使得滯 后時間較多時，電梯溜車的距離可達(dá) 1 米以上！究其原因，也是由于變頻器運行信號撤消 時，電機力矩瞬間降至零所至。再次是電梯的沖頂蹲底故障， 電梯運行時， 總會由于某種原因而使得限位開關(guān)動作， 這 本來是一個小“故障” ，甚至連故障都算不上，因為完全不需人為干預(yù)，電梯即可照常繼續(xù) 服務(wù)，但是實際上哪

12、怕是以近乎零速撞擊限位開關(guān)，電梯也有一半的概率會使得極限開關(guān) 動作，這一半的概率對應(yīng)于電機的發(fā)電制動運行狀態(tài)。極限開關(guān)動作就變成了大故障了， 不僅導(dǎo)致乘客長時被困，而且給維保人員帶來了很大的麻煩，因為要放出乘客并恢復(fù)電梯 服務(wù)，非得爬上機房短接安全回路或手動盤車方可，而之后可能還要爬到底坑恢復(fù)緩沖器 開關(guān)。每每發(fā)生這種情況時，電梯的維保人員總是百思不得其解，總是懷疑限位開關(guān)沒有 起到作用并反復(fù)檢查限位開關(guān)是否不能可靠斷開，殊不知恰恰相反，如果限位開關(guān)沒有斷 開反而不會沖極限！ ！電梯的這一常見故障與上面檢修溜車其實是同一個問題：當(dāng)限位動 作時，電梯立即抱閘并撤消變頻器的方向信號，由于抱閘起作用總要一個時間，而變頻器 力矩消失卻幾乎不要時間，因此，電梯反而加速運行直到抱閘起作用而停止，遺憾的是這 一失控時間已經(jīng)