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直线感应电机双边驱动电梯的控制系统研究

作　者: 施俊
导　师: 叶云岳
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电气
关键词: 电梯直线感应电机直线永磁同步电机控制系统变频空间矢量法矢量控制直接转矩控制转矩脉动抑止 DSP
分类号: TU857
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的驱动装置,在许多需要由旋转运动转换成直线运动的场合下使用,它可以省却中间机构,从而使装置得以简化,减少了维护的工作量,提高了系统的可靠性,且易于控制,在合适的使用场合下,还可以提高整个系统的效率。因此,直线电机在交通、工业、国防、及民用等领域中有着广泛的应用前景,直线电机驱动的电梯就是一个方面。随着人口的增加和土地资源的减少,(超)高层建筑越来越多,这对传统电梯的钢丝绳提升系统提出了严峻的挑战,开发新型提升系统自然被提到日程上来,由此应运而生了直线电机驱动的电梯。本文主要围绕直线感应电机双边驱动直推式电梯做了些研究。直线电机驱动的电梯有诸多优点,结构简单,无需绳索和对重,占地面积少,还有高层高速的优点,适用于超高层建筑和7层以下的建筑,国际上已有一些公司在研究并成功的运用在超高层建筑中,而国內尚处于起步阶段,以叶云岳教授为首的浙江大学直线电机研究所和浙江大学泰富电气新技术有限公司走在前列。与哈尔滨泰富实业有限公司合作开发了圆筒型直线感应电机双边直推式驱动电梯,作者有幸参与了此项目的开发工作。本文主要围绕直线电机的变频控制展开工作,设计了整个电梯的数字变频控制系统及通讯系统,并成功的运用在此电梯上实现载人运行,试验结果显示此方案可行,当乘坐电梯时给人以良好的舒适感。本文主要开展了以下几个方面的工作: 1 回顾了直线电机发展历史,电机的驱动技术演变,特别是针对直线电机的驱动,简要介绍了直线感应电机驱动电梯的优点和不同结构类型,对传统的v/f控制,基于空间矢量法的v/f控制,矢量控制,和基于电压空间矢量的直接转矩控制进行了比较,确立了本课题的研究主题:直线感应电机双边直推式驱动电梯的全数字变频控制。 2 设计了针对直线感应电机的驱动控制系统,主控制芯片用TI公司的TMS320F240,并用MCS51单片机作为辅助芯片作为通讯用,功率逆变采用了三菱的智能功率模块PM100CSA120。整个控制系统稳定可靠,易于扩展,并将分布式控制理论应用于通讯控制模块。浙江大学博士学位论文 3针对直线感应电机的特点,建立了直线感应电机的矢量控制系统模型,并对此进行了仿真试验,结果证明此控制系统比传统的变频控制效果更好。 4直接转矩控制作为一种新型的控制方法,有它的优越性,但能否运用于直线电机,本文对此进行了探讨,建立了直线感应电机的数学模型和直接转矩控制模型,并对此进行了仿真试验,结果证明基于空间矢量法的直接转矩控制方法简单,总体性能运用于直线感应电机时优于矢量控制。它不依赖于电机的次级参数变化,尤其在编程序时更时能体现出来。 5针对直线感应电机相对效率低,易发热等问题,本文还对永磁同步直线电机应用在电梯上的技术进行了初步的研究。本文初步设计了一台永磁同步直线电机,对其建立了数学模型,进行了仿真。在此基础上,建立了该电机的矢量控制系统,给出了初步的实验结果,为以后更进一步的研究打下了基础。 6控制系统的电磁兼容性问题一直是设计者所关注的,本文在控制系统设计的基础上着重分析和解决了抗干扰问题,在做了大量试验的基础上,使得系统的抗干扰性能大大加强,保证了系统的稳定和可靠。 7为了使乘坐者舒服,电梯在运行过程中的速度和加速度必须符合有关工业标准,然而这台电梯运行在低速,直线感应电机也运行在低移差率的状态,速度控制尤其困难,本文采用了几种控制策略,解决了电梯运行过程中的振动问题,保证了电梯乘坐者的舒服。在对直线电机电梯控制系统比较深入的研究的基础上,本文取得了以下几点创造性的成果: 1针对直线感应电机边端效应的特点,建立了双边直推式驱动电梯的直线感应电机较准确的数学模型,分析了传统电梯驱动和直线感应电机驱动电梯的不同特点,建立了直线感应电机的控制仿真系统,试验结果为建立控制系统提供了依据。 2成功开发了直线感应电机双边驱动电梯的变频控制系统。该系统基于电压空间矢量法,有效的提高了电压利用率,结构紧凑,可靠性高,功能完善。并成功实现了载人试验运行,乘坐舒适。建立的控制系统向电梯的产品化大大的迈进了一步。 3在考虑直线感应电机数学模型的基础上,提出了把矢量控制和直接转矩

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第一章绪论  11-28
  1．1 引言  11-13
  1．2 直线电机的发展和分类  13-18
    1．2．1 直线电机的发展  13-15
    1．2．2 直线电机的分类  15-16
    1．2．3 圆筒型直线感应电机的结构和特性  16-18
  1．3 电梯的发展以及直线电机电梯国内外的研究现状和前景  18-22
    1．3．1 电梯的发展  18-19
    1．3．2 电梯的分类  19-20
    1．3．3 直线电机电梯(升降机)的基本结构和国内外研究现状  20-22
  1．4 电梯的电力拖动和控制理论研究状况  22-24
  1．5 数字化电机控制和数字信号处理器(DSP)的发展状况  24-25
  1．6 课题的背景与意义及本文的主要工作  25-27
  1．7 本章小结  27-28
第二章圆筒型直线感应电机驱动的电梯模型及系统仿真  28-48
  2．1 引言  28
  2．2 电梯模型及电梯运行时的动力学和电气特点分析  28-37
    2．2．1 电梯模型  28-31
    2．2．2 动力学特点  31-34
    2．2．3 电梯的速度曲线  34-37
  2．3 双电机直推式驱动特点  37-38
  2．4 圆筒型直线感应电机的数学模型及系统仿真  38-47
    2．4．1 等效电路  38-44
    2．4．2 数学模型  44
    2．4．3 仿真结果  44-47
  2．5 本章小结  47-48
第三章圆筒型直线感应电机电梯的驱动控制系统  48-83
  3．1 引言  48-49
  3．2 电梯控制系统主要硬件及方案  49-59
    3．2．1 电机变频控制专用芯片TMS320F240  49-50
    3．2．2 RS485串行通讯接口芯片  50-51
    3．2．3 功率逆变器件  51-52
    3．2．4 旋转编码器  52-53
    3．2．5 功率器件驱动解决方案  53-56
    3．2．6 轿箱位置检测电路  56-58
    3．2．7 整个控制系统硬件方案  58-59
  3．3 电梯控制系统的软件实现  59-71
    3．3．1 基于SVPWM技术的变频控制方式  59-64
    3．3．2 速度闭环控制方法  64-67
    3．3．3 串行通讯软件及楼层逻辑控制  67-69
    3．3．4 软件的整个数据流  69-71
  3．4 电梯控制系统的抗干扰技术  71-75
    3．4．1 电磁干扰的产生  71-73
    3．4．2 硬件抗干扰措施  73-75
  3．5 电梯控制系统实验结果  75-82
    3．5．1 圆筒型直线感应电机特性  76-77
    3．5．2 SWPWM波形和实测电压电流  77-80
    3．5．3 速度试验结果  80-81
    3．5．4 对一些问题的讨论  81-82
  3．6 本章小结  82-83
第四章直线感应电机双边驱动电梯的矢量控制与直接转矩控制方法的对比研究  83-100
  4．1 引言  83-84
  4．2 直线感应电机的矢量控制技术  84-88
  4．3 直线感应电机直接转矩控制技术  88-93
    4．3．1 直接转矩控制特点  88-89
    4．3．2 直线感应电机直接转矩控制数学模型基本方程  89-90
    4．3．3 直接转矩控制的实现  90-92
    4．3．4 直线感应电机直接转矩控制仿真系统  92-93
  4．4 两种控制方法的结果比较  93-96
  4．5 一种减小转矩波动的电压空间矢量选择方法  96-99
  4．6 本章小结  99-100
第五章永磁直线同步电机矢量控制在电梯应用中的初步研究  100-118
  5．1 引言  100-101
  5．2 永磁直线同步电机的数学模型和等效电路  101-103
    5．2．1 数学模型  101-102
    5．2．2 等效电路  102-103
  5．3 直线永磁同步电机的矢量控制仿真  103-110
    5．3．1 矢量控制方法的提出  103-104
    5．3．2 状态方程  104
    5．3．3 矢量控制仿真系统的建立  104-105
    5．3．4 仿真实验波形及分析  105-110
  5．4 直线永磁同步电机矢量控制的实现  110-115
    5．4．1 直线永磁同步电机(被控目标)介绍  110
    5．4．2 控制方案的设计  110-113
    5．4．3 控制系统硬件电路  113-114
    5．4．4 控制系统软件  114-115
  5．5 实验结果  115-117
  5．6 本章小结  117-118
第六章结束语  118-119
参考文献  119-124
攻读博士学位期间发表的论文  124-125
致谢  125

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