直線電機(jī)的發(fā)展及其在電梯行業(yè)的應(yīng)用
直線電機(jī)可以不用借助任何中間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng),與傳統(tǒng)的方式相比,具有噪音低、無(wú)磨損、無(wú)接觸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、精度高等方面的優(yōu)點(diǎn)?;诖吮疚膶?duì)直線電機(jī)的發(fā)展及其在電梯行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行探討,闡述了直線電機(jī)在電梯中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、門機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用前景,為工程技術(shù)人員對(duì)直線電機(jī)的研發(fā)指明了方向。
傳統(tǒng)的電梯曳引系統(tǒng)和門機(jī)利用交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行工作,為了實(shí)現(xiàn)電梯門的開(kāi)和關(guān),需要借助一些比較復(fù)雜的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)。就電梯的曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言,無(wú)論是交流電機(jī)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或是交流調(diào)速系統(tǒng)、或是永磁馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng),因?yàn)榻涣麟姍C(jī)響應(yīng)速度慢,控制起來(lái)比較復(fù)雜,無(wú)法滿足未來(lái)對(duì)電梯性能的要求。而直線電機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的特殊性,不易被環(huán)境影響,受到了行業(yè)的廣泛關(guān)注,正逐漸成為主流的電梯產(chǎn)品。
直線電機(jī)的發(fā)展和研究情況
1.1.直線電機(jī)的發(fā)展史
直線電機(jī)的概念是在1840年被提出來(lái)的,距今有一百多年的歷史??梢詫⑵浒l(fā)展史大致分成三個(gè)階段,分別為:探索實(shí)驗(yàn)階段、開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段和實(shí)用商品化階段。其中第一個(gè)階段指的是直線電機(jī)的探索和實(shí)驗(yàn)階段,在這個(gè)階段直線電機(jī)的設(shè)計(jì)還存在一定的問(wèn)題,也沒(méi)有找到直線電機(jī)合適的應(yīng)用領(lǐng)域,因此直線電機(jī)一直沒(méi)有被廣泛使用。在開(kāi)發(fā)階段科學(xué)家在直線電動(dòng)機(jī)研究的基礎(chǔ)上,取得了非常大的研究成果,發(fā)表了一些比較系統(tǒng)的電機(jī)類著作和文章,極大的推進(jìn)了直線電機(jī)的發(fā)展,同時(shí)也引起了廣大研究人員對(duì)直線電機(jī)的重視。從1971年開(kāi)始對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行了獨(dú)立應(yīng)用,在這個(gè)階段,研究人員選擇了出了適合直線電機(jī)使用的途徑,各種各樣的直線電機(jī)被廣泛的推廣,研究出了非常多的具有使用價(jià)值的產(chǎn)品,比如沖壓機(jī)、空壓機(jī)、煤機(jī)等。
1.2.近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)直線電機(jī)的研究情況
近年來(lái),直線電機(jī)得到了迅速的發(fā)展,很多人都開(kāi)始對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行研究。國(guó)際上很多公司也逐漸開(kāi)始研發(fā)直線電機(jī)類的產(chǎn)品,比如日本的三井精機(jī)公司、美國(guó)的Koll-morgen公司、各國(guó)的Wesitinghouse公司等等。各種各樣質(zhì)量良好的直線電機(jī)產(chǎn)品也出現(xiàn)在了人們的視野中。比如Indramat公司研究出了非常完整的直線電機(jī)系列,其中包含了封閉式異步直線電機(jī)和無(wú)罩殼異步直線電機(jī)。在直線電機(jī)的控制系統(tǒng)中設(shè)置了非常標(biāo)準(zhǔn)的接口,可以更好的保證各種景觀改型的程序控制器和數(shù)字變換器相兼容。
我國(guó)對(duì)直線電機(jī)的研究發(fā)展比較晚,大概是從70年代發(fā)展起來(lái)的。不過(guò)在國(guó)外直線電機(jī)使用潮流的影響下,我國(guó)國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了很多直線電機(jī)開(kāi)發(fā)使用的單位,例如浙江大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)等。我國(guó)第一個(gè)直線電機(jī)研究所在浙江大學(xué)誕生,并且此研究取得了非常不錯(cuò)的研究成果。目前我國(guó)在直線電機(jī)方面的研究成果主要有摩擦壓力機(jī)、沖壓機(jī)、礦山運(yùn)輸系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)門、自動(dòng)繪圖儀等。這些產(chǎn)品已經(jīng)得到了應(yīng)用推廣。本文主要對(duì)直線電機(jī)在電梯行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行探討。
電梯行業(yè)中直線電機(jī)的應(yīng)用
2.1.電梯控制系統(tǒng)的基本要求
因?yàn)殡娞菔且粋€(gè)需要頻繁制動(dòng)和起動(dòng)的設(shè)備,在運(yùn)行的過(guò)程中,加速時(shí)間和減速時(shí)間占據(jù)了很大一部分的比例。特別在單層運(yùn)行時(shí),幾乎完全處于制動(dòng)和起動(dòng)的狀態(tài)。如果可以對(duì)電梯的制動(dòng)和起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行降低,就可以極大的節(jié)約乘客的時(shí)間。從這個(gè)方面來(lái)說(shuō),在對(duì)電梯的運(yùn)行進(jìn)行控制時(shí),要對(duì)其運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。另外,乘客在減速下降和加速上升的時(shí)候,在加速度的影響下,會(huì)有超重的感覺(jué),人體的器官也受到了更大的重力。會(huì)出現(xiàn)頭暈的情況。經(jīng)研究證明,電梯在使用的過(guò)程中生理系數(shù)一般要控制到1.31m/s以下。所以,電梯在減速和加速的過(guò)程中,要在保證舒適度的基礎(chǔ)上對(duì)速度進(jìn)行控制。除了需要控制運(yùn)動(dòng)以外,還需要對(duì)通訊、監(jiān)控、顯示等方面的內(nèi)容進(jìn)行控制。
2.2.電梯運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)
一般情況下,可以把電梯控制系統(tǒng)分成拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)兩個(gè)方面的內(nèi)容,根據(jù)控制需求的不同,在應(yīng)用的過(guò)程中,要選擇對(duì)應(yīng)的控制芯片。在控制系統(tǒng)中主要有電梯運(yùn)行邏輯功能的控制、電梯群的監(jiān)控調(diào)度、電梯交通分析的計(jì)算三個(gè)方面,因此在選擇芯片時(shí)要選擇可以同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)和有著良好計(jì)算能力的芯片,要可以實(shí)時(shí)的對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行控制,及時(shí)的響應(yīng)輸入信號(hào)。當(dāng)前拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和操作系統(tǒng)主要是使用微處理器控制的全數(shù)字化電梯控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要是由PLC控制系統(tǒng)或者繼電器控制系統(tǒng)構(gòu)成,屬于集中控制系統(tǒng)。在使用的過(guò)程中,常常需要把控制電路信號(hào)、強(qiáng)迫換信號(hào)、急停回路信號(hào)、換速和平層信號(hào)等發(fā)送到同一個(gè)控制器,此控制器在進(jìn)行邏輯運(yùn)算后,對(duì)此信號(hào)進(jìn)行執(zhí)行。使用控制系統(tǒng),控制器的運(yùn)算量非常大,極大的限制了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度,而且控制器的功能無(wú)法進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)充,線路非常復(fù)雜,出現(xiàn)故障后維修非常困難。特別對(duì)于高層電梯來(lái)說(shuō),有非常多的信號(hào)線,維修起來(lái)就更加麻煩了。
而直線電機(jī)電梯使用全數(shù)字微處理器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,對(duì)調(diào)速的問(wèn)題進(jìn)行解決。根據(jù)實(shí)際的控制需求,對(duì)應(yīng)的選擇處理器。比如在對(duì)電梯門廳進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制操作時(shí),可使用51系列的芯片,如果有多個(gè)控制任務(wù)和電梯群控需求,可以使用ARM控制芯片。使用微機(jī)控制系統(tǒng)可以對(duì)電梯進(jìn)行群控管理,對(duì)電梯進(jìn)行合理的調(diào)配,提高電梯運(yùn)行的效率,降低電梯等候的時(shí)間,節(jié)省電能。為了對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行提升,可以使用無(wú)觸點(diǎn)的邏輯線路,維修費(fèi)用不高,產(chǎn)品質(zhì)量非常不錯(cuò)。有較常大的靈活性,可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)控制程序進(jìn)行改變,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),可以對(duì)故障進(jìn)行顯示,使維修變得更加的容易,對(duì)電梯的運(yùn)行效率進(jìn)行提升,降低故障的時(shí)間。拖動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)通常由80c196mc(16位單片機(jī))構(gòu)成。隨著控制算法的復(fù)雜程度逐漸提升,16位單片機(jī)逐漸被性能更高的DSP芯片取代,這種控制系統(tǒng)主要是由電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、速度檢測(cè)等參數(shù)構(gòu)成。
2.3.硬件平臺(tái)的搭建
2.3.1.主控系統(tǒng)的搭建
在早期對(duì)電梯進(jìn)行控制、管理和測(cè)量的過(guò)程中,主要使用高檔的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),單片機(jī)在應(yīng)用的過(guò)程中會(huì)受到資源和速度的限制,很難實(shí)現(xiàn)電梯的通信管理、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采樣和控制的任務(wù)。為了更好的將電梯控制系統(tǒng)的任務(wù)完成,就需要應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)。目前DSP處理器和32位數(shù)據(jù)處理的ARM核處理器是兩種比較重要的嵌入式系統(tǒng)的處理器。因?yàn)樵趯?duì)電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的過(guò)程中,控制、管理和數(shù)據(jù)通信是幾個(gè)非常重要的方面,因此ARM是非常不錯(cuò)的選擇。ARM主要是由一片ARM9芯片構(gòu)成,通過(guò)在嵌入式操作系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用可以將電梯運(yùn)行的指令發(fā)送到拖動(dòng)控制系統(tǒng),達(dá)到橋廂控制系統(tǒng)和各門廳控制系統(tǒng)串行通信的目的,將電梯的運(yùn)行狀態(tài)和轎廂的位置發(fā)送到各個(gè)門廳控制系統(tǒng),為了方便對(duì)電梯進(jìn)行調(diào)度和群控,可以和監(jiān)控PC進(jìn)行連接。
2.3.2.拖動(dòng)控制系統(tǒng)的搭建
直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)繩電梯和傳統(tǒng)曳引式電梯相比,不需要進(jìn)行配重,不需要一個(gè)專門的機(jī)房來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī),可以節(jié)省大量的空間,在安裝的過(guò)程中,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)繩電梯不需要使用很長(zhǎng)的鋼絲繩,使用的機(jī)械部分非常簡(jiǎn)單,在運(yùn)行過(guò)程中故障點(diǎn)非常少,電梯安裝起來(lái)非常簡(jiǎn)單,維護(hù)工作比較少。在搭建拖動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)候,主要使用DSP芯片。和其他處理器相比,DSP芯片更加適合對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,DSP芯片主要是由一片TI的DSP芯片構(gòu)成,主要具有下面幾個(gè)方面的功能:(1)可以根據(jù)信號(hào),進(jìn)行運(yùn)行邏輯的判斷,對(duì)車廂位置和實(shí)際速度進(jìn)行計(jì)算。(2)可以檢測(cè)主回路電壓電流的信號(hào),可以對(duì)井道位置和光電旋轉(zhuǎn)編碼器位置的信號(hào)進(jìn)行接收。(3)通過(guò)控制直接推力,來(lái)對(duì)變頻調(diào)速進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)、電流閉環(huán)和位置閉環(huán),更加精準(zhǔn)的對(duì)電梯的運(yùn)行進(jìn)行控制。(4)對(duì)各種故障進(jìn)行處理,比如功率模塊故障、上下沖頂、消防運(yùn)行等。(5)實(shí)現(xiàn)橋廂控制系統(tǒng)的串行通信對(duì)轎廂位置的運(yùn)行狀態(tài)信息和位置進(jìn)行發(fā)送。所以拖動(dòng)控制系統(tǒng)主要使用DSP芯片進(jìn)行搭建。
2.3.3.廳門和轎廂控制系統(tǒng)的搭建
在對(duì)廳門和轎廂控制系統(tǒng)進(jìn)行搭建的時(shí)候,要使用三角載波和正弦波進(jìn)行比較,然后產(chǎn)生PWM脈沖序列,當(dāng)正弦波小于三角載波時(shí),對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器會(huì)關(guān)閉,當(dāng)正弦波大于三角載波的時(shí)候,對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件會(huì)處于連通的情況,產(chǎn)生的脈沖序列會(huì)對(duì)逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制。通常情況下,廳門和轎廂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致相同,可以使用PHILIPS的LPC941x系列的單片機(jī)組成控制系統(tǒng),其中LPC941X可以在成本要求低、集成度要求高的場(chǎng)合進(jìn)行使用,可以對(duì)各種性能要求進(jìn)行滿足。只需要2~4個(gè)時(shí)鐘周期,就可以將指令執(zhí)行完畢,不僅可以極大的降低元件的數(shù)目,而且還可以有效的降低系統(tǒng)的成本。在LPC940x中,內(nèi)置了LCD段驅(qū)動(dòng)器。具有spI、nc、uart接口。
總而言之,直線電梯是未來(lái)電梯的主要發(fā)展方向,就目前對(duì)直線電梯的開(kāi)發(fā)而言,大噸位(譬如美國(guó)對(duì)航空母艦戰(zhàn)斗機(jī)的提升系統(tǒng))、多轎廂(在一個(gè)井道布置若干個(gè)電梯轎廂)對(duì)直線電梯的開(kāi)發(fā)具有誘人的應(yīng)用前景;在直線電梯應(yīng)用的過(guò)程中,直線電機(jī)的控制是非常關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題。在直線電機(jī)控制理論的不斷發(fā)展下,在材料科學(xué)不斷發(fā)展的今天,隨著永磁材料成本的降低,在不久的將來(lái),直線電機(jī)的潛能會(huì)更加充分的被挖掘出來(lái)。
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