觀光電梯的電氣控制系統設計【3張CAD圖紙】

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無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 觀光電梯的電氣控制系統設計 摘要：本設計電梯采用了線性調速的調壓調頻調速 (VVVF)技術，并且VVVF電梯采用PLC控制，有完善的自檢測、自診斷、自保護功能，因而十分安全可靠。而且本電梯是按照理想的電梯運行曲線，通過矢量控制軟件對電動機進行精確調節(jié)，因而電梯平穩(wěn)、舒適。另外，本設計采用交流調壓調頻調速與同規(guī)格的傳統電梯相比，可節(jié)能40%。 本設計還重點研究了電梯門機拖動控制系統的設計，包括兩大部分即硬件設計和軟件設計，使其運行安全可靠、性能穩(wěn)定。本設計的門拖動控制系統采用了當前最新的永磁同步伺服系統，這是本設計的重點和創(chuàng)新點。 本設計的研究成果若在實際電梯工程中得到應用，必將取得良好的經濟效益和社會效益。 關鍵詞：調壓調頻調速，可編程控制器（PLC），永磁同步電機，電梯門機 Sightseeing lift the elrctrical control system design Abstract：The design elevator has adopted the VVVF that varies motors speed linearly.Because the VVVF elevator controlled by PLC has the perfect self-inspection, self-diagnosis,and self-protection, it is perfect safety and very refability.Also the elevator complies with the ideal elevator running curve, and the motor is accurately adjusted by the vector control software, so it is more comfortable. In addition, the VVVF elevator is 40% more power saving than the traditional one. This design also studies the design of the elevator's door-motor control system, includes two part hardware design and software design, make it a stable and reliable door-motor controlling system. The door-motor control system of this design adopts the newest Permanent Magnet Synchronous Motor, which is a important and newest point. The research mentioned in this design if applied to the elevator project, will win economic and social benefit well. KEY WORDS:VVVF，PLC, elevator, Permanent Magnet Synchronous Motor, elevator door-motor 目 錄 第一章 引言 …………………………………………………………………………1 1.1 創(chuàng)新設計 ……………………………………………………………………1 1.2 技術要求 ……………………………………………………………………1 第二章 電梯拖動系統方案設計 ………………………………………………………3 2.1 電梯門拖動系統方案的創(chuàng)新性設計…………………………………………3 2.1.1 電梯門機系統簡介……………………………………………………3 2.1.2 電梯門拖動系統方案設計……………………………………………4 2.2 電梯主拖動系統方案設計……………………………………………………10 2.2.1　單、雙速交流電動機拖動系統………………………………………10 2.2.2　交流電動機定子調壓調速拖動系統…………………………………10 2.2.3 直流發(fā)電機-電動機可控硅勵磁拖動系統…………………………10 2.2.4 可控硅直接供電拖動系統……………………………………………11 2.2.5 VVVF變頻變壓調速拖動系統………………………………………11 第三章 電梯控制系統方案設計………………………………………………………13 3.1 PLC控制系統與繼電器控制系統的比較…………………………………13 3.2 PLC控制系統與計算機控制系統的比較………………………………15 3.3 電梯控制系統方案設計…………………………………………………16 第四章 控制系統框圖的設計…………………………………………………………17 4.1 電梯控制系統原理框圖設計………………………………………………17 4.2 電梯控制系統硬件結構框圖設計…………………………………………17 第五章 主要器件的選擇………………………………………………………………18 5.1 門拖動主要元器件的重點選擇…………………………………………18 5.1.1 永磁同步伺服系統的重點選擇……………………………………18 5.1.2 變頻器的選擇……………………………………………………21 5.1.3 旋轉編碼器的選擇…………………………………………………21 5.1.4 可編程控制器的選擇………………………………………………21 5.2 主拖動主要元器件的選擇…………………………………………………22 5.2.1 曳引電動機的選擇…………………………………………………22 5.2.2 主拖動變頻器的選擇………………………………………………22 5.2.3 旋轉編碼器的選擇…………………………………………………24 5.2.4 光電開關的選擇……………………………………………………25 5.2.5 可編程控制器的選擇………………………………………………26 5.3 其他元器件的選擇…………………………………………………………26 5.3.1 交流接觸器的選擇…………………………………………………26 5.3.2 電梯空調的選擇…………………………………………………27 5.3.3 紅外光幕的選擇……………………………………………………28 5.3.4 語音報站鐘的選擇……………………………………………30 第六章 硬件設計 ……………………………………………………………………32 6.1 門拖動I/O接口電路設計…………………………………………………32 6.2 主拖動I/O接口電路設計…………………………………………………32 第七章 系統軟件設計…………………………………………………………………34 7.1 門拖動控制系統軟件設計…………………………………………………34 7.1.1 門拖動控制系統原理………………………………………………34 7.1.2 門拖動控制系統軟件設計…………………………………………34 7.1.3 軟件調試…………………………………………………………35 7.1.4 小結………………………………………………………………35 7.2 主拖動控制系統軟件設計…………………………………………………35 7.2.1 主拖動控制系統原理………………………………………………35 7.2.2 主拖動控制系統軟件設計…………………………………………36 7.2.3 程序設計說明……………………………………………………37 第八章 總結……………………………………………………………………………41 參考文獻……………………………………………………………………42 致謝 ……………………………………………………………………………………43 - III - 無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 觀光電梯的電氣控制系統設計 目 錄 第一章 引言 …………………………………………………………………………1 1.1 創(chuàng)新設計 ……………………………………………………………………1 1.2 技術要求 ……………………………………………………………………1 第二章 電梯拖動系統方案設計 ………………………………………………………3 2.1 電梯門拖動系統方案的創(chuàng)新性設計…………………………………………3 2.1.1 電梯門機系統簡介……………………………………………………3 2.1.2 電梯門拖動系統方案設計……………………………………………4 2.2 電梯主拖動系統方案設計……………………………………………………10 2.2.1　單、雙速交流電動機拖動系統………………………………………10 2.2.2　交流電動機定子調壓調速拖動系統…………………………………10 2.2.3 直流發(fā)電機-電動機可控硅勵磁拖動系統…………………………10 2.2.4 可控硅直接供電拖動系統……………………………………………11 2.2.5 VVVF變頻變壓調速拖動系統………………………………………11 第三章 電梯控制系統方案設計………………………………………………………13 3.1 PLC控制系統與繼電器控制系統的比較…………………………………13 3.2 PLC控制系統與計算機控制系統的比較………………………………15 3.3 電梯控制系統方案設計…………………………………………………16 第四章 控制系統框圖的設計…………………………………………………………17 4.1 電梯控制系統原理框圖設計………………………………………………17 4.2 電梯控制系統硬件結構框圖設計…………………………………………17 第五章 主要器件的選擇………………………………………………………………18 5.1 門拖動主要元器件的重點選擇…………………………………………18 5.1.1 永磁同步伺服系統的重點選擇……………………………………18 5.1.2 變頻器的選擇……………………………………………………21 5.1.3 旋轉編碼器的選擇…………………………………………………21 5.1.4 可編程控制器的選擇………………………………………………21 5.2 主拖動主要元器件的選擇…………………………………………………22 5.2.1 曳引電動機的選擇…………………………………………………22 5.2.2 主拖動變頻器的選擇………………………………………………22 5.2.3 旋轉編碼器的選擇…………………………………………………24 5.2.4 光電開關的選擇……………………………………………………25 5.2.5 可編程控制器的選擇………………………………………………26 5.3 其他元器件的選擇…………………………………………………………26 5.3.1 交流接觸器的選擇…………………………………………………26 5.3.2 電梯空調的選擇…………………………………………………27 5.3.3 紅外光幕的選擇……………………………………………………28 5.3.4 語音報站鐘的選擇……………………………………………30 第六章 硬件設計 ……………………………………………………………………32 6.1 門拖動I/O接口電路設計…………………………………………………32 6.2 主拖動I/O接口電路設計…………………………………………………32 第七章 系統軟件設計…………………………………………………………………34 7.1 門拖動控制系統軟件設計…………………………………………………34 7.1.1 門拖動控制系統原理………………………………………………34 7.1.2 門拖動控制系統軟件設計…………………………………………34 7.1.3 軟件調試…………………………………………………………35 7.1.4 小結………………………………………………………………35 7.2 主拖動控制系統軟件設計…………………………………………………35 7.2.1 主拖動控制系統原理………………………………………………35 7.2.2 主拖動控制系統軟件設計…………………………………………36 7.2.3 程序設計說明……………………………………………………37 第八章 總結……………………………………………………………………………41 參考文獻……………………………………………………………………42 致謝 ……………………………………………………………………………………43 第一章 引言 舒適的電梯系統應該有較短的候梯時間，門運行快捷、安靜，使乘客不會覺得候梯和運行時間過長，因此，高效的電梯應該有一個良好的門機驅動系統。基于以上考慮，本設計將重點研究門控系統，計劃采用目前最先進的永磁同步門控系統。 觀光電梯井道和轎箱一般為太陽直射，熱量在井道內聚集，在夏季溫度較高時，電梯內溫度遠遠高于人的舒適溫度。在觀光電梯內安裝空調是必然的選擇，這也是本設計人性化設計之一。 本觀光電梯為某大型商廈設計，周圍環(huán)境嘈雜，計劃安裝語音到站鐘，用于中（英）文報上行、下行、超載等語音，為乘客提供優(yōu)美的到站提示音，體現個性化設計。另外，為安全考慮，還應設計好入口安全保護系統，計劃安裝紅外線光幕式保護裝置，以保證乘客安全。 1.1 創(chuàng)新設計： （1）永磁同步門控系統：目前最先進的門控系統，充分體現了本觀光電梯的高檔性。 （2）入口安全保護：將安裝紅外線光幕式保護裝置，以提高安全可靠性。 （3）電梯專用空調：觀光電梯內安裝空調，滿足人性化設計要求。 （4）語音到站鐘：在嘈雜的商廈中，大功率語音報站鐘是個性化的設計體現 本設計的電梯要求為某大型商場的觀光電梯(panoramic lift;observation lift)。因為乘客一般希望在轎內多逗留片刻，以觀賞轎外風景，所以不要求高運行速度，以低于同類客梯的速度為宜，故可v=1m/s。樓層數為10層；額定載重量為800kg。 1.2 技術要求： 1、電梯停止運行后，經預定時間自動關閉通風裝置和空調。 2、考慮商場嘈雜，人性化的設計語音到站鐘。 3、入口安全保護 。 為保證乘客安全，應設有入口安全保護，例如安裝紅外線光幕式保護裝置。 4、防超載裝置。 當電梯載重量超過額定載重量時，電梯停止運行并將門開啟，同時警告鈴響起警示，直到乘客疏散到額定范圍后繼續(xù)運行。 5、超速保護系統 。 當電梯下降運行，速度超過額定速度1.3倍時，便自動切斷控制電源，超過額定速度1.4倍時，限速器――安全鉗動作，防止轎廂繼續(xù)下滑，可靠地制停。 6、轎內指令的登記與清除。 7、轎外召喚的登記與清除。 有司機狀態(tài)下，廳外召喚不參與選向而由司機控制。無司機狀態(tài)下，轎內指令具有優(yōu)先權，即電梯停靠后，從電梯自動開門開始到自動關門結束前，轎內指令優(yōu)先與召喚信號。這段時間內，召喚信號不參與選向控制。 8、自動開關門 電梯到達預定層并?？亢髴詣訉㈤T打開。電梯未平層后運行時，開門按鈕和關門按鈕均不起作用。有專職司機狀態(tài)下，按下關門按鈕，關門后自動運行；無專職司機狀態(tài)下，延時后自動運行。 9、樓層指示。電梯運行層顯示為數字顯示。 10、自動選向 電梯應根據所處樓層和轎內指令確定的目的樓層（無司機狀態(tài)還應包括召喚信號 確定的目的樓層）自動的選擇運行方向。實現順向截車和最遠層站的反向截車。 11、自動運行。運行過程中的加速、減速等速度變化應該自動進行。換層、平層等位置控制應該采用較、先進的相對計數方式。 12、應具有各種相應的安全保護以及報警、照明等功能。如電梯具有消防運行控制，具有超載不開電梯功能，具有防夾人功能等。 13、電梯運行狀態(tài)由三擋位鑰匙開關實現。電梯運行狀態(tài)由司機，無司機和檢修三種狀態(tài)組成。檢修狀態(tài)時，點動控制開門，電梯慢速點動上下，以利于維修。 14、在電梯轎廂運行過程中，轎廂上升（后下降）途中，任何方向下降（或上升）的外呼梯信號均不響應，但如果某反向外呼梯信號前方再無其他內、外呼梯信號時，則電梯響應應該外呼梯信號。 15、電梯應當具有最遠反向外呼梯響應功能。如，在電梯轎廂在一樓，而同時有二層向下外呼梯信號。 16、設置停電時電梯就近平層和開門裝置。 第二章 電梯的電力拖動系統方案設計 電力拖動系統是電梯的動力來源，它驅動電梯部件完成相應的運動。在電梯中主要有如下兩個運動：轎廂的升降運動，轎門及廳門的開關運動。轎廂的運動由曳引電動機產生動力，經曳引傳動系統進行減速、改變運動形式（將旋轉運動改變?yōu)橹本€運動）來實現驅動，其功率在幾千瓦到幾十千瓦，是電梯的主驅動。轎門及廳門的開與關則由開門電動機產生動力，經開門機構進行減速、改變運動形式來實現驅動，其驅動功率較?。ㄍǔＴ?00W以下），是電梯的輔助驅動。本部分內容主要是電梯的電力拖動系統方案設計。 2.1 電梯門機拖動系統方案的創(chuàng)新性設計 2.1.1 電梯門機系統簡介 在電梯系統中，為了使其能夠正常工作，也為了提高電梯系統的可靠性一般在電梯系統中都有一些附屬裝置，電梯門機系統即是其中一個。舒適的電梯系統應該有較短的候梯時間，門運行快捷、安靜，使乘客不會覺得候梯和運行時間過長，因此，高效的電梯應該有一個良好的門機驅動系統。 在電梯中，門機系統的主要任務是接收來自上位管理與調度系發(fā)送的門機控制信號，驅動門電動機運行，以控制電梯轎廂門和廳門的聯動開關。電梯門機系統主要由門電動機、門電動機控制器、門電動機驅動裝置、門結構(門系統機械部分)、安全檢測系統、大廳內乘客監(jiān)測系統等組成。下面簡單介紹各個組成部分及其速度曲線和運行過程。 (1) 梯門電機控制系統這部分主要由門電機控制器、門電機驅動裝置以及門電動機等組成。其中門電機控制器主要用來控制門電機，使其沿給定門機曲線運行，以快速、安靜、準確的開關電梯轎廂門和廳門。這部分如同一個小型的電機拖動控制系統。 (2) 電梯的門結構此部分主要由門扇、導軌、廳門門鎖等構成，目前主要采用單扇門和中分門兩種結構。為了提高門系統的快捷性，高性能的電梯系統多采用中分門結構。其中門扇必須具有堅固、防火的特點；導軌用來支撐門扇，故必須表面光滑、堅固且足夠大，以便門扇可靠的移動；廳門門鎖必須滿足安全要求，當門扇到達關門點時應及時的鎖住門。這部分對乘客安全非常重要。 (3) 安全檢測在電梯控制系統中，為了避免乘客被正在關閉的門扇傷害，在門系統中大都設置安全檢測系統，以檢測關門時是否還有乘客從電梯門上通過。當轎廂門正在關閉時，如果此時有乘客欲進、出入電梯轎廂(包括乘客位于轎廂門前某段距離或乘客阻擋轎廂門關閉)，則轎廂門應該停止關閉，且重新打開。轎廂門打開則不必有此過程。目前的安全系統主要大都采用光電式裝置(如光敏元件)，也有的采用電磁式裝置。 (4) 大廳內乘客檢測系統在一些高性能的電梯系統中，都設置了大廳內乘客檢測裝置，確定乘客是否全部進入電梯。當乘客或物體仍在門檢測區(qū)域內時，電梯的門系統能自動延時關門，確保乘客全部進入電梯。目前主要采用光電裝置和紅外光幕保護裝置來檢測乘客或物體。有的門機系統還采用熱敏電磁裝置和圖像采集系統檢測乘客或物體，由于受到性能和成本的限制，應用的并不多。 (5) 門過載保護裝置有的門系統設有門過載保護開關裝置，當電梯在開關門過程中，因轎廂門受阻而導致動作力矩過大，梯門會自動向反方向動作，從而達到保護門電機的作用。 (6) 速度曲線及運行過程電梯門機系統的速度曲線如圖1-1所示。速度曲線大致可分為四個階段：加速階段、勻速階段、減速階段和廳門鎖定階段。tl-t2時間段為加速階段；t2-t5為勻速階段；t5-t 6為減速階段；t6-t7為門鎖定階段。以關轎廂門為例，在t1時刻，門電機得到控制信號(一般為脈沖信號)，經過一段時間延遲，轎廂門開始動作，一直到t2時刻，此段時間為加速階段，其運行距離一般較短。從t4開始到t5時刻，為勻速階段。此時，如果有乘客在轎廂門前一定距離內或者在門扇中間阻擋轎廂門的關閉，則電機得到一個脈沖信號，則電機提前進入減速階段，如t3-t4時刻所示，然后反轉，轎廂門重新打開。直到全部乘客進入轎廂，從時刻t5 開始進入減速階段。在t6時刻，轎廂門實際已經關閉。在t 6- t 7 的門鎖定階段電機繼續(xù)轉動，轎廂門被壓緊，門刀關門同時通過機械結構關閉廳門直到t 7時刻，電機停止轉動，門關閉過程結束。 圖1-1 電梯門機運行速度曲線 以上簡要敘述了電梯門系統的組成和功能。在電梯門系統中，還有一個重要的問題就是門保持時間的選擇。因為門的保持時間過長，會影響電梯的運行效率，而保持時間過短又不能保證乘客全部安全的進入轎廂。因此應對門保持時間進行很好的選擇：在保證乘客全部安全進出電梯的情況下，盡可能的縮短電梯開關門時間。 2.1.2 門機拖動系統方案設計 電梯門機拖動系統作為一個子系統，相對整個電梯系統來說，是不容忽視的。它是電梯系統中動作最頻繁，也是直接面對乘客的部分。因此在實際應用中需要一個運行安全可靠、性能穩(wěn)定的電梯門機控制系統，其設計就顯得尤為重要。 一、各種門機拖動系統的比較 門機拖動系統從電流型式上分為直流調速拖動和交流調速拖動兩大類，在交流調速拖動中，異步電動機門機調速拖動系統和同步電動機門機調速拖動系統已發(fā)展成為占有相當比例的兩類調速拖動系統。目前有三大類門機拖動系統：直流電動機門機拖動系統、異步電動機門機拖動系統、永磁同步門機拖動系統。 最老式的用傳統直流電動機調速的電梯門機一般由電動機配以繼電器、限位開關和電阻實現開關門的控制，由于控制簡單，調速性能好，變流裝置結構簡單，長期以來在調速系統領域里占統治地位。但是由于直流電動機結構復雜、成本高、故障多、維護困難且工作量大，經常因火花大而影響生產；機械換向器的換向能力限制了電動機的容量、電壓和速度;接觸式的電流傳輸又限制了直流電動機的使用場合；電樞在轉子上，電動機效率低，散熱條件差，冷卻費用高，這些固有的缺點限制了直流電動機向高轉速、高電壓、大容量方向發(fā)展。 在交流電網上，因異步電動機具有結構簡單，工作可靠、壽命長、成本低，保養(yǎng)維護簡單等優(yōu)點，所以長期以來，在不要求調速的場合，異步電動機占有主導地位，例如風機、水泵、普通機床的驅動中，人們廣泛使用交流異步電動機來拖動機械工作。但是，它調速性能差，起動轉矩小，過載能力和效率低，并且在這類拖動中，其旋轉磁場的產生需從電網吸取無功功率，故功率因數低，輕載時尤甚，這大大增加了線路和電網的損耗，無形中損失了大量電能。 當前，電梯門機控制系統主要有由交流電機及其VVVF調速系統構成的， 也有少數由直流電機及其調速系統構成的。這些系統均有其固有的缺陷。除整套系統的成本較高外，前者雖然體積小，壽命長，但控制較復雜，對控制系統中的處理器性能要求較高，而且如果為同步電機，在帶載情況下還易出現失步現象。而后者盡管控制簡單，但直流電機體積大，維護困難，壽命短，電刷結構帶來電磁火花，易形成干擾。這些缺陷在電梯實際運行中就表現為電梯門開關不正常，維護工作量大等困擾操作人員的問題，進一步可造成嚴重經濟損失甚至人身傷害。 相對而言，永磁同步電機結合了直流電機與交流同步電機的優(yōu)點，具有體積小，壽命長，控制簡單，調速精度高，且不會失步的特點。而且，從提高效率，節(jié)約能量方面看，永磁同步電機也有優(yōu)勢。據報道，美國55%以上的電力是消耗在電動機運行上，因此提高電動機的效率很有意義。在所有類型電機中，永磁同步電動機的損耗最小、效率最高。有資料做過對比分析，對于7.5kW的異步電機系統效率可達86.4%，但是同樣容量的永磁同步電動機效率可達92.4%。隨著電子技術的進步，電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件的價格不斷下降?？紤]綜合指標(系統性能、重量、能量消耗等)之后，永磁同步電機的應用正處于上升趨勢，其主要的原因有： （1）高性能永磁材料的發(fā)展 1983年問世的欽鐵硼永磁材料，由于其磁特性和物理特性優(yōu)異，成本低廉且材料來源有保證 (我國占有世界蘊藏量8%以上的欽資源)，所以在開發(fā)高磁場永磁材料(特別是欽鐵硼永磁材料)方面具有得天獨厚的有利條件，我國的欽鐵硼永磁材料特性水平已達到世界的先進水平，為永磁同步電機的發(fā)展提供了物質基礎。 永磁材料的發(fā)展極大地推動了永磁同步電動機的開發(fā)應用。在同步電動機中用永磁體取代傳統的電勵磁磁極的好處是：簡化了結構，消除了轉子的滑環(huán)、電刷，實現了無刷結構，縮小了轉子體積:省去勵磁直流電源，消除了勵磁損耗和發(fā)熱。當今中小功率的同步電動機絕大多數已采用永磁式結構。 （2）新型電力電子技術器件和脈寬調制 (PWM)技術應用 電力電子技術是信息產業(yè)和傳統產業(yè)間重要的接口，是弱電與被控強電之間的橋梁。自1958年世界上第一個功率半導體開關晶閘管發(fā)明以來，電力電子元件已經歷了第一代半控式晶閘管，第二代有自關斷能力的半導體器件、第三代復合場控器件直至90年代出現的第四代功率集成電路IPM。半導體開關器件性能不斷提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制電路日趨完善，它極大地推動了各類電機的控制。70年代出現了通用變頻器的系列產品，為交流電機的變頻調速創(chuàng)造了條件。同時對同步電動機而言解決了起動問題。對最新的自同步永磁同步電動機，高性能電力半導體開關組成的逆變電路是其控制系統中必不可少的功率環(huán)節(jié)。 （3）電子技術和控制理論的發(fā)展 集成電路和計算機技術是電子技術發(fā)展的代表，規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展完全改觀了現代永磁同步電動機的控制。隨著電子技術的發(fā)展，各種集成化的數字信號處理器 (DSP)發(fā)展很快，性能不斷改善，軟件和開發(fā)工具越來越多，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到了很大提高，出現了專門用于電機控制的高性能、低價位的DSP。這使以單片機為核心的全數字控制系統取代模擬器件控制系統成為可能。計算機技術的應用除了實現復雜控制規(guī)律，便于故障監(jiān)視、診斷和保護等功能外，還可以用于計算機輔助分析和數字仿真。集成電路和計算機技術的發(fā)展對永磁同步電動機控制技術起到了重要的推動作用。它們的飛速發(fā)展促進了電機控制理論的發(fā)展與創(chuàng)新。70年代人們對交流電機提出了矢量控制的概念。這種理論的主要思想是將交流電機電樞繞組的三相電流通過坐標變換分解成勵磁電流分量和轉矩電流分量，從而將交流電動機模擬成直流電動，獲得與直流電動機一樣良好的動態(tài)調速特性。 目前，交流永磁同步電動機由于其體積小、重量輕；結構簡單，運行可靠；損耗小，效率高等一系列優(yōu)點，越來越引起人們重視。永磁電機幾乎遍及航空，國防，工農業(yè)生產和 日常生活的各個領域。如汽車工業(yè)，電機現以永磁電機為主;數控和精密機床也大量應用永磁電機;信息產業(yè)中永磁電機的應用面廣、類型多;家用電器中永磁電機取代異步電機的地方也不少，如空調器己開始用永磁直流無刷電動機帶動空調壓縮機和通風機，洗衣機用永磁直流無刷電動機帶動洗衣桶旋轉等。隨著高磁場永磁材料價格和電動機轉子制造價格降低，以及驅動系統的理論研究和實踐應用的不斷完善與提高，永磁同步電動機及其驅動系統將會得到進一步的發(fā)展及應用?？梢院敛豢鋸埖卣f，永磁同步電動機己從小到大，從一般控制驅動到高精度的伺服驅動，從人們日常生活到各種高精尖的科技領域作為最主要的驅動電機出現，而且前景會越來越明顯。 為便于比較，永磁同步電動機與其它電動機的綜合特性比較如下表1-1。 表1-1 三種伺服系統控制方案比較 伺服系統 直流伺服系統 永磁同步伺服系統 異步交流伺服系統 電機結構 有電刷和換向器，結構復雜 比較簡單 簡單 最大轉矩約束 整流火花，永磁體退磁 永磁體退磁 無特殊要求 發(fā)熱情況 轉子發(fā)熱，不利 只有定子線圈發(fā) 熱，有利 定轉子均發(fā)熱， 需要采取措施 高速化 稍有困難 比較容易 容易 大容量化 難 稍微困難 容易 制動 容易 容易 較容易 控制方法 簡單 稍復雜 復雜 磁通產生 永磁體 永磁體 二次感應磁通 環(huán)境適應性 受火花限制 好 好 維護性 較麻煩 無需保護 無需保護 以上分析可以看出，在工業(yè)應用及民用中，永磁同步電動機在快速性、可控性、可靠性、體積小、重量輕、節(jié)能、效率、耐受環(huán)境和經濟性等方面具有明顯優(yōu)勢。但是隨著交流伺服在國內的成熟發(fā)展，三相交流電機伺服控制器控制三相永磁伺服電機應用于電梯開門機將是一大趨勢，它是繼VVVF驅動技術后的、更新一代的驅動和控制技術。 正是在這一背景下，電梯技術的門控電機也逐漸向永磁無刷化方向發(fā)展。隨著我國國民經濟的蓬勃發(fā)展，高層建筑如雨后春魚般涌現，對電梯的需求就越來越大以及對電梯系統的性能要求也越來越高。然而，據統計，電梯故障的75%出在轎門處，即電梯門控系統。 因此對電梯門控系統，具有相當高的要求。開發(fā)硬件體積小、運行可靠、開關快速性、智能化更高、易維護的門機控制系統是勢在必行的，發(fā)展永磁同步電動機控制系統是一大趨勢，它不僅能實現了門機的全電動控制(包括檢測門位移參數的閉環(huán)控制)，而且開關門無碰撞、噪聲小，開關速度快；另外相對于數控機床方面伺服控制系統，伺服控制精度不要求那么高，成本也相對低很多；同時也采用了限位開關位置檢測和光幕傳感器，起到多重保護功能；最后很容易實現門機堵轉力矩保護，實現多重保護措施，安全性和可靠性相當高。 二、永磁同步電動機的分類 根據永磁同步電動機變頻調速系統的控制方式不同，可將其分為兩大類：一類是他控式變頻調速系統；另一類是自控式變頻調速系統。他控式變頻調速系統中所用的變頻裝置是獨立的，其輸出頻率直接由速度給定信號決定，屬于速度開環(huán)控制系統。他控式變頻調速雖然能夠解決永磁同步電機的起動問題，但仍存在失步、振蕩等問題，因此永磁同步電機變頻調速系統一般采用自控式運行。 根據逆變器組成器件和工作方式的不同，可將自控式永磁同步電機作如下簡單分類：一類電機為晶閘管無換向器電機，又稱為負載換向同步電機調速系統：另一類電機稱為自控式永磁同步電動機或者永磁無刷直流電動機。 根據電動機反電勢的波形形狀又可分為無刷直流電動機(簡稱BLDCM)調速系統和三相永磁同步電動機(簡稱PMSM)調速系統兩種，它們的區(qū)別在于前者的感應電動勢為梯形波，電流為方波，而后者的感應電動勢和電流都為正弦波。盡管BLDCM有調速系統位置傳感器簡單、成本較低、材料利用率高、控制簡單等優(yōu)點，但由于其原理上存在固有缺陷，使得轉矩脈動較大，鐵心附加損耗較大，因此只適用一般精度及性能要求低的場合;而PMSM不需要勵磁電流，逆變器供電的情況下，不需要阻尼繞組，效率和功率因數都比較高，而且體積較之同容量的異步電機小，能克服BLDCM系統的不足，常用于高精度、高性能的場合。 三、PMSM伺服系統的研究現狀 縱觀PMSM伺服系統的研究現狀，國內外在圍繞提高PMSM性能及性價比目標從不同角度著手進行了大量的研究和實踐，并取得了一些令人可喜的成果；尤其是近年來圍繞提高其伺服控制器性能目標在系統控制策略上作了大膽的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先進控制策略并取得了一些具有實用性意義的成果。但是PMSM 自身就是具有一定非線性、強禍合性及時變性的“系統”，同時其伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統運行時還受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策略很難滿足高性能PMSM伺服系統的控制要求)a)。為此，結合控制理論新的發(fā)展，引進一些先進的“復合型控制策略”以改進PMSM 伺服系統控制性能。 隨著微電子學及計算機控制技術的發(fā)展，高速、高集成度、低成本的微處理器問世及商品化，使全數字化的交流伺服系統成為可能。通過微機控制，可使電機的調速性能有很大的提高，使復雜的矢量控制得以實現，大大簡化硬件，降低成本，提高控制精度，還能具有保護、顯示、故障監(jiān)視、自診斷、自調試及自復位等功能。另外，改變控制策略、修正控制參數和模型也簡單易行，這樣就大大提高了系統的柔性、可靠性及實用性。近幾年，在先進的數控交流伺服系統中已采用高速數字信號處理芯片(Digital SignalProcesso:簡稱DSP )。目前，多家公司都推出了專門用于電機控制的DSP。它的指令執(zhí)行速度達到每秒數百兆以上，且具有適合于矩陣運算的指令，可實時產生平滑的參考信號，適應不同的控制要求，完成系統速度環(huán)、電流環(huán)以及位置環(huán)的精密快速調節(jié)和復雜的矢量控制算法，并產生高分辨率的PWM輸出;集成的電機控制所需的外設，如A/D. 1/O、定時器、PWM發(fā)生器、串口通訊等等，使得應用DSP的系統所需器件很少，可靠性增強，且可以滿足越來越小型化的要求;在極端環(huán)境溫度條件下，仍具有良好的穩(wěn)定性和線性性，可提供可預計的輸出特性。這些特性保證了用于電機控制的算法，如PID控制、矢量控制、滑模變結構控制等可以高速、高精度的完成。因此，采用高性能數字信號處理器的全數字交流永磁伺服系統是交流伺服系統的重要發(fā)展方向之一。 國外最新推出的高性能交流伺服系統幾乎全都實現了數字化，并且都采用了16位或32位高速信號處理器芯片，有的還采用了運算速度更快的RISC芯片。國內在這方面的研制工作也取得了長足的進步，目前己有全數字化交流伺服系統的系列產品問世。但我國的電機控制技術，與國外還有很大的差距，并且這種差距又有逐漸增大的趨勢。 四、PMSM伺服系統的發(fā)展趨勢及意義 永磁同步（PMSM）伺服驅動技術是一門包含著豐富內容的綜合性技術，自世界上第一臺伺服控制系統出現以來，伺服驅動技術就一直不斷發(fā)展，尤其是各種現代控制理論的產生和廣泛的具體應用，一方面為高性能伺服驅動系統的研制提供了理論依據，另一方面也使高性能伺服系統實現全數字化、智能化、微型化成為可能。高性能伺服系統的發(fā)展趨勢主要表現在： (1) 永磁同步電機的應用越來越廣泛。永磁同步電機具有體積小、重量輕、功率密度大、效率高、轉子消耗小等一系列優(yōu)點，在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工輕紡以及家用電器等方面正得到日益廣泛的應用，并且成為新一代的航空，航天和航海用電機，加上我國又是永磁材料的生產大國。所以，在我國永磁電機的應用有著廣闊的發(fā)展前景。 (2) 高性能控制策略廣泛應用于交流伺服系統。傳統控制器的設計通常需要被控對象有非常精確的數學模型，而永磁電機是一個非線性多變量系統，難以精確的確定其數學模型，按照近似模型得到的最優(yōu)控制在實際上往往不能保證最優(yōu)，受建模動態(tài)，非線性及其他一些不可預見參數變化的影響，有時甚至會引起控制品質嚴重下降，魯棒性得不到保證，所以有必要研究一種新型的高性能的控制策略，來彌補這種缺陷和不足。隨著高性能的微處理器應用于AC伺服系統，在控制上由通常所采用的PID控制規(guī)律，開始轉向現代控制理論，如自適應控制、人工智能、模糊控制、變結構控制、神經元網絡等新型控制系統;而且采用高性能控制策略的控制系統具有很好自適應能力和抗干擾能力，能夠在參數時變及干擾等惡劣的工況下保證系統良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。 (3) 伺服系統向著全數字化的方向發(fā)展。全數字交流伺服系統就是將伺服電機的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制和監(jiān)控通訊功能全部由軟件完成。交流伺服系統全數字化之后不僅使其控制系統的體積大大縮小，可靠性明顯提高，而且還便于一些自適應控制等先進控制策略的實現，極大增強了AC伺服系統設計與使用的柔性，可滿足高精度數控機床、機器人、特種加工裝備精細進給的需要，代表AC伺服系統的發(fā)展水平和主導方向。 (4) DSP 在交流伺服系統中得到廣泛的應用。傳統的基于單片機的電機控制系統，需要較多的外部硬件，運算速度不高，難以實現一些較為復雜的控制算法，實時性很難得到保證，因而隨著對控制性能越來越高的要求和控制方法復雜度的提高已經很難適應實際的要求。DSP控制器由于其本身的特點成為永磁電機控制的必然選擇。DSP具有超強的數據處理能力和很快的數據處理速度，由DSP來實現控制算法，大大的簡化了硬件，降低了成本，提高了系統的控制精度和可靠性?；贒SP的永磁電機控制系統滿足現代電機控制的基本要求：信號處理快而準確;實時完成復雜的控制算法；精確而快的PWM 輸出；能滿足要求增加功能和智能的需求；性能價格比高。 (5) 伺服系統中所用的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能功率模塊(IPM)將進一步得到普遍應用，逆變器逐漸轉變?yōu)楦哳l化、小型化的無噪聲逆變器;伺服系統中所用的位置與速度傳感器由單一功能向多功能一體化方向發(fā)展。光電編碼器的分辨率將大幅度提高，傳感器的電子信號處理部分將以微處理器為核心構成獨立的微機系統，成為高性能伺服系統的一個關鍵組成部分；永磁同步電機轉子磁鋼由采用鐵氧體、稀土鉆轉向更多的應用欽鐵硼，使電機具有更好的性能價格比;伺服系統控制器的制造上，結構日趨小型化，采用多單元組合構成多坐標軸控制器，可靠性進一步提高，便于維護及擴充。 控制系統的主要技術要求有：適用范圍廣，適用于開門寬度在350mm- 2400mm之間的電梯門；電動機起動、停止，各段速度的轉換要求加減速過程平滑，具有S曲線的加減速過程；門扇運行各狀態(tài)點速度可設置；加減速時間可設置；有很強的輸入過電壓，欠電壓，輸出過電流保護功能；具有自整定功能，并可在一定范圍內修改自整定值。 綜上所述，電梯門機是電梯的重要組成部分，是電梯系統中動作最頻繁，也是直接面對乘客的部分。因此在實際應用中需要一個運行安全可靠、性能穩(wěn)定的電梯門機控制系統。這就要求電動機控制系統具有精度高、響應快、魯棒性好、計算簡單等特點。為使門機拖動系統滿足設計要求，并收到良好的效果，以體現本觀光電梯的高檔性，本設計門機拖動系統采用永磁同步（PMSM）伺服系統。 門機拖動系統方案圖見附圖1。 2.2 電梯主拖動方案設計 電梯的電力拖動系統對電梯的起動加速、穩(wěn)速運行、制動減速起著控制作用。拖動系統的優(yōu)勢直接影響電梯的起動，制動加減速度，平層精度，乘坐的舒適性等指標。 電梯的拖動系統經歷了由簡單到復雜的過程。到目前為止應用于電梯的拖動系統主要有：(1)單、雙速交流電動機拖動系統；(2)交流電動機定子調壓調速拖動系統；(3)直流發(fā)電機-電動機可控硅勵磁拖動系統；(4)可控硅直接供電拖動系統；(5)VVVF變頻變壓調速拖動系統。 2.2.1　單、雙速交流電動機拖動系統 　　交流電動機具有結構緊湊，維修簡單等特點。單、雙速交流電動機拖動系統采用開環(huán)方式控制，線路簡單，價格較低，因此目前仍在電梯上廣泛應用。但它的缺點是舒適感較差，所以一般被用于載貨電梯上。這種系統控制的電梯速度在1米/秒以下。 2.2.2 交流電動機定子調壓調速拖動系統 交流電動機定子調壓調速拖動系統國外已大量應用于電梯。這種系統采用可控硅閉環(huán)調速，加上能耗或渦流等制動方式，使得它所控制的電梯能在中低速范圍內大量取代直流快速和交流雙速電梯。它的舒適感好，平層準確度高，而造價卻比直流電梯低，結構簡單，易于維護，多用于2米/秒以下的電梯。 2.2.3 直流發(fā)電機-電動機可控硅勵磁拖動系統 直流電動機具有調速性能好，調速范圍大的特點，因此很早就應用于電梯，采用發(fā)電機-電動機組形式驅動。它控制的電梯速度達4米/秒，但是,機組結構體積大，耗電大，維護工作量較大，造價高，因此常用于對對速度，舒適感要求較高的建筑物中。 2.2.4 可控硅直接供電拖動系統 可控硅直接供電拖動系統在工業(yè)上早有應用，但用于電梯上卻要解決舒適感問題。(尤其是低速段)應此應用較晚，它幾乎與微機同時應用，比起電動機-發(fā)電機組形式的直流電梯，它有很多優(yōu)點。如：機房占地節(jié)省35%，重量減輕40%，節(jié)能25%到35%。世界上最高速度的10米/秒電梯就是采用這種系統，其調速比達1:1200。 2.2.5 VVVF變頻變壓調速拖動系統 80年代初，VVVF變頻變壓系統控制的電梯問世。它采用交流電動機驅動，卻可以達到直流電動機的水平，目前控制速度已達6米/秒。它的體積小，重量輕，效率高，節(jié)省能源等幾乎包括了以往電梯的所有優(yōu)點。是目前最新的電梯拖動系統，以下簡要介紹其優(yōu)點。 VVVF電梯，采用交流單速電動機，通過對交流電動機調節(jié)供電電壓、供電頻率來調節(jié)電動機的轉速達到線性化，將交流電動機轉速運行曲線線性段區(qū)域擴大。由于系統采用高精度電光碼盤，全數字化控制，使電梯平層精度達到毫米級，并且絕對保證電動機零速下閘，舒適感非常好。 VVVF控制的電梯相對于交流雙速電梯、交流調壓調速電梯(ACVV)都有十分突出的優(yōu)點。下面與ACVV控制的電梯相比較。 安全可靠。先進的電腦控制技術，完善的檢測、自診斷、自保護功能最大限度地考慮了電梯在任何情況下出現故障的可能性，設置了各種防故障和應急裝置;倘若井道內某個安全裝置出現故障，電腦將保護不沖頂、不蹲底、不關人。 舒適感好。理想的電梯運行速度曲線，根據人體生理適應能力由高性能的微電腦設計而成，采用矢量控制技術對交流電動機進行精確調節(jié)，使電梯運行極其平衡、舒適。 高速高性能。高速運行，最佳召喚應答處理和分配方式，根據乘客人流情況快速反應自動調節(jié)，使電梯運行迅速、合理，最大限度地縮短乘客候梯時間，使電梯運行效率得到充分發(fā)揮。 節(jié)約電能。全電腦控制的調節(jié)調頻調速(VVVF)系統，不僅性能優(yōu)異、 功能齊全、質量可靠，而且具有優(yōu)異的節(jié)能效果，與目前同規(guī)格的ACVV相比，節(jié)能約40%，并可使用戶電源容量也大量減小。 節(jié)省機房空間。超小型的機房全電腦控制系統與傳統的機房控制系統相比，體積減少1/2以上，重量大大減輕。因此，節(jié)省機房空間，減輕機房承重，提高建筑利用率，從而可節(jié)約建筑費用。 利用率高。全電腦控制可以方便地使兩臺、三臺、四臺以上的電梯進行群控，合理安排，合理分配，提高電梯的運行效率。 準確的平層精度。經過電腦的高速、大量運算，采用高精度光電碼盤，將速度——轉矩——位置全閉環(huán)，停車時零速抱閘，平層精度在士2mm以內。 自學習井道信息功能。自動學習電梯的提升高度、樓層間距，自動根據?？烤嚯x選擇運行曲線。 維護方便?，F代化高科技設計，全電腦控制，大規(guī)模集成電路和半導體大功率模塊在電梯控制中的應用，使現代電梯控制部份的可靠性、免維護性大大提高;新技術、新材料的應用，加強了電梯機械部件的耐磨損程度，提高了機械可靠性;自診斷能力和遠程報警功能的實現，使得電梯維修保養(yǎng)工作越來越簡單，越來越有針對性，越來越快速。 無噪聲機房和小噪聲運行，大大降低了對環(huán)境的影響。 綜上所述，本設計采用調頻調壓調速（VVVF）電機拖動控制系統，以期達到預期的目的。 電梯主拖動系統方案圖見附圖2。 第三章 電梯控制系統方案設計 3.1 PLC控制系統與繼電器控制系統的比較 繼電器組成的順序控制系統是最早的一種實現電梯控制的方法。但是，進入九十年代，隨著科學技術的發(fā)展和計算機技術的廣泛應用，人們對電梯的安全性、可靠性的要求越來越高，繼電器控制的弱點就越來越明顯。 可編程序控制器(PLC)最早是根據順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來的，是專門為工業(yè)環(huán)境應用而設計的數字運算操作的電子裝置。鑒于其種種優(yōu)點，目前，電梯的繼電器控制方式已逐漸被PLC控制所代替。同時，由于電機交流變頻調速技術的發(fā)展，電梯的拖動方式已由原來直流調速逐漸過渡到了交流變頻調速。因此，PLC控制技術加變頻調速技術己成為現代電梯行業(yè)的一個熱點。 電梯繼電器控制系統的優(yōu)點：所有控制功能及信號處理均由硬件實現，線路直觀，易于理解和掌握，適合于一般技術人員和技術工人所掌握；系統的保養(yǎng)、維修及故障檢查無需較高的技術和特殊的工具、儀器；大部分電器均為常用控制電器，更換方便，價格較便宜；多年來我國一直生產這類電梯，技術成熟，己形成系列化產品，技術資料圖紙齊全，熟悉、掌握的人員較多。 但是，電梯繼電器控制系統存在很多的問題：系統觸點繁多、接線線路復雜，且觸點容易燒壞磨損，造成接觸不良，因而故障率較高；普通控制電器及硬件接線方法難以實現較復雜的控制功能，使系統的控制功能不易增加，技術水平難以提高；電磁機構及觸點動作速度比較慢，機械和電磁慣性大，系統控制精度難以提高；系統結構龐大，能耗較高，機械動作噪音大；由于線路復雜，易出現故障，因而保養(yǎng)維修工作量大，費用高，而且檢查故障困難，費時費工。 電梯繼電器控制系統故障率高，大大降低了電梯的可靠性和安全性，經常造成停梯，給乘用人員帶來不便和驚憂。且電梯一旦發(fā)生沖頂或蹲底，不但會造成電梯機械部件損壞，還可能出現人身事故。 PLC是一種用于工業(yè)自動化控制的專用計算機，實質上屬于計算機控制方式。PLC與普通微機一樣，以通用或專用CPU作為字處理器，實現通道(字)的運算和數據存儲，另外還有位處理器(布爾處理器)，進行點(位)運算與控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、維修、編程簡單、靈活性強等特點。 首先，可靠性，對可維修的產品，可靠性包括產品的有效性和可維修性。1）PLC不需要大量的活動元件和接線電子元件，它的接線大大減少，與此同時，系統的維修簡單，維修時間短。2）PLC采用了一系列可靠性設計的方法進行設計，例如，冗余設計，斷電保護，故障診斷和信息保護及恢復等，提高了MTBF，降低了MTTR，使可靠性提高。3）PLC有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不易發(fā)生操作的錯誤。4）PLC是為工業(yè)生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設計的硬件使可靠性大大提高。5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件;采用先進的工藝制造流水線制造;對干擾的屏蔽、隔離和濾波等；對電源的斷電保護;對存儲器內容的保護等。6）PLC的軟件方面，也采取了一系列提高系統可靠性的措施。例如：采用軟件濾波;軟件自診斷;簡化編程語言等。 其次，易操作性，PLC的易操作性表現在下列幾個方面:：1）操作方便 對PLC的操作包括程序輸入和程序更改的操作。大多數PLC采用編程器進行輸入和更改的操作。編程器至少提供了輸入信息的顯示，對大中型的PLC，編程器采用了CRT屏幕顯示，因此，程序的輸入直接可以顯示。更改程序的操作也可直接根據所需要的地址編號或接點號進行搜索或順序尋找，然后進行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上顯示。2）編程方便 PLC有多種程序設計語言可供使用。對電氣技術人員來說，由于梯形圖與電氣原理圖較為接近，容易掌握f地解。采用布爾助記符編程語言時，十分有助于編程人員的編程。3）維修方便 PLC具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求降低。當系統發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快的找到故障的部位，以便維修。 最后，靈活性，PLC的靈活性表現在以下幾個方面:：1）編程的靈活性。PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖，功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程方便、應用面拓展。2）擴展的靈活性。PLC的擴展靈活性是它的一個重要特點。它可根據應用的規(guī)模不同，即可進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制范圍的擴展。3）操作的靈活性。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得十分容易。 PLC控制電梯的優(yōu)點：(1)在電梯控制中采用了PLC，用軟件實現對電梯運行的自動控制，可靠性大大提高。(2)去掉了選層器及大部分繼電器，控制系統結構簡單，外部線路簡化。(3)PLC可實現各種復雜的控制系統，方便地增加或改變控制功能。 (4)PLC可進行故障自動檢測與報警顯示，提高運行安全性，并便于檢修。(5)用于群控調配和管理，并提高電梯運行效率。(6)更改控制方案時不需改動硬件接線。為便于比較PLC控制系統與繼電器控制系統優(yōu)缺點現列表如下，詳見表2-1。 從表2-1可以看出，PLC控制系統具有繼電器控制系統無法比擬的優(yōu)點，因此傳統的繼電器控制系統將逐漸被PLC控制系統所取代是大勢所趨。 表2-1 PLC控制系統與繼電器控制系統 比較項目 繼電器控制系統 PLC控制系統 控制功能 實現 有許多繼電器，采用接線的方式來完成控制功能 各種控制功能通過編制的程序來實現 對控制要求變更適應性 適應性差，需要重新設計，改變繼電器和接線 適應性強，只需針對程序進行修改 控制速度 低，靠機械動作實現 極快，靠微處理器進行處理 特殊功能 一般沒有 有 安裝，施工 連線多，施工繁 安裝容易，施工方便 可靠性 差，觸點多，故障多 高，因元器件采取了篩選和抗老化等可靠性措施 壽命 短 長 可擴展性 困難 容易 維護 工作量大，故障不易查找 有自診能力，維護工作量小 3.2 PLC控制系統與計算機控制系統比較 計算機控制系統在工業(yè)控制領域中，其主機一般采用能夠在惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠運行的工控機。工控機有通用微機應用發(fā)展而來，在硬件結構方面總線標準化程度高，品種兼容性強，軟件資源豐富，能提供實時操作系統的支持，故對要求快速，實時性強，模型復雜的工業(yè)對象的控制占有優(yōu)勢。但是，它的使用和維護要求工作人員應具有一定的專業(yè)知識，技術水平較高，且工控機在整機水平上尚不能適應惡劣工作環(huán)境?？删幊炭刂破鲗Υ诉M行了改進，變通用為專用，有利于降低成本，縮小體積，提高可靠性等特性，更適應過程控制的要求。PLC控制系統與計算機系統比較見表2-2。 從表2-2可見，在控制功能方面，PLC與通用計算機相比，工作更穩(wěn)定可靠，而且編程簡單，使用方便，應用設計和調試周期可大大縮短，加之又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下和強電一起工作，容易實現機電一體化。 表2-2 PLC控制系統與通用計算機系統的比較 比較項目 通用計算機系統 PLC控制系統 工作目的 科學計算 工業(yè)自動控制 工作環(huán)境 對工作環(huán)境要求高 對工作環(huán)境要求低，可在惡劣的工業(yè)現場工作 工作方式 中斷處理方式 循環(huán)掃描方式 系統軟件 需配備功能較強的系統軟件 一般只需簡單的監(jiān)控程序 采用的特殊措施 掉電保護等一般性措施 采用多種抗干擾措施，自診斷，斷電保護，可在線維修 編程語言 匯編語言，高級語言，如BASIC，C等 梯形圖，助記符語言，SFC標準化語言 對操作人 員的要求 需專門培訓，并具有一定的計算機基礎 一般的技術人員，稍加培訓即可操作使用 對內存的要求 容量大 容量小 價格 價格高 價格低 其他 若用于控制，一般需自行設計 機種多，模塊種類多，易于集成系統 3.3 電梯控制系統方案設計 本設計通過多種方案的比較和參照，可看出PLC控制具有顯著的優(yōu)點：在電梯控制中采用了PLC，用軟件實現對電梯運行的自動控制，可靠性大大提高；可實現各種復雜的控制系統，方便地增加或改變控制功能；可進行故障自動檢測與報警顯示，提高運行安全性和可靠性，并便于檢修；用于群控調配和管理，并提高電梯運行效率。 綜上所述，本設計采用PLC控制。 第四章 電梯控制系統框圖設計 4.1 電梯控制系統原理框圖設計 電梯控制系統原理框圖如圖3-1所示，主要由轎箱內指令電路、門廳呼叫電路、主拖動電機電路、開關門電路、檔層顯示電路、按鈕記憶燈電路、樓層檢測與平層檢測傳感器及PLC電路等組成的。 平層感應器 平層 拖動 減速 減速點信號 定向平層 樓層信號 位置信號 起動 指層 轎內指令、廳內召喚 圖3-1 電梯控制系統原理框圖 4.2 電梯控制系統硬件結構框圖 系統由曳引機構、開關門機構、轎廂、控制系統等組成，如圖3-2所示。曳引系統的主要功能是輸出和傳遞動力，使電梯運行。門系統的功能是封住層站入口和轎廂人口。而轎廂是運送乘客和貨物的電梯組件，是電梯的主要工作部分。 曳引機 門機 顯示 現場信號 PLC 變頻器 電源 PGggGgGGFGGG 圖3-2 電梯控制系統硬件結構框圖 第五章 主要元器件選型 5.1 門拖動元器件的選擇 5.1.1 永磁同步伺服系統的重點選擇 電梯門機控制系統要使電梯門開關動作時快速起、停、加速、減速，且運行平穩(wěn)，到位準確。要實現這個目標，需解決好電機的選擇問題，控制電路的選擇及設計問題。 眾所周知，在所有的電機中，直流電機的調速特性最好，但其不可避免的有刷結構制約了其應用場合。在工業(yè)生產中大量應用的交流異步電機雖然控制簡單，卻有著調速精度不高的問題，而交流同步電機存在著控制復雜，容易失步的缺點。相對而言，永磁同步電機結合了直流電機與交流同步電機的優(yōu)點，具有體積小，壽命長，控制簡單，調速精度高，且不會失步的特點。 因此，門拖動系統采用三相交流永磁同步伺服電機。三相交流永磁同步伺服電機簡稱交流伺服電機（AC server motor)或伺服電機，由于它具有高響應、高精度、運行平穩(wěn)、恒轉矩輸出、能過載、低噪聲、結構簡介、可靠性高、免維護等優(yōu)點，是目前旋轉電機中最佳的控制電機。 伺服電機的電源及運轉狀態(tài)是由驅動器提供和控制的。驅動器的驅動能力及驅動指標的優(yōu)異，影響伺服電機的機械輸出特性；伺服電機性能參數的優(yōu)異，影響驅動器的驅動和控制效果。 伺服電機的選型是多個因素綜合考慮、合理選擇的過程，一般應著重注意這幾個參數的選擇：電機的額定轉矩、電機運行的最高轉速、負載慣量及電機轉子慣量、加減速時所需要的過載能力、電機起停頻率等。 綜合考慮各種因素，為滿足設計要求，采用安川∑-Ⅱ系列伺服系統。本系統的伺服驅動器內置了伺服電機全部的參數，采用先進的控制算法及伺服電機優(yōu)良的性能，性價比極佳。安川∑-Ⅱ系列伺服系統不僅具有伺服快速響應性、高速高精度的特性，而且具有如下優(yōu)點： 1、簡單 （1）設定簡單 在線自學習功能能夠自動測定機械的必要參數，自動設定必要的伺服增益，初學者也能很快得心應手的應用。 （2）電機自動識別 自動識別伺服電機的容量和型號，自動設定電機參數。 （3）維護簡單 主控回路分離布線，用戶參數可在控制器上直接設定，減少了配線（絕對編碼器配線數從15減少到7根，增量式從9根減少到5根），這些都使配線、維護更加簡單方便。 2、高性能 （1）整定時間短 擴充了新的控制算法，實現了模式跟蹤控制、制振控制，強化了對振動的抑制。對于低剛性機械，定位時間比原產品縮短了2/3。 （2）高速高精度 采用高分辨率的編碼器（16位、17位），提高了位置控制精度。采用d-p軸變換電流控制法，將轉矩控制精度從±5%提高到±2%。 （3）平穩(wěn)運行 采用速度跟蹤控制技術，減小了電機轉速波動，低速下也能極平穩(wěn)地運行。 3、柔性化設計 （1）多合一控制 轉矩控制、位置控制和速度控制三位一體，控制方位切換采用參數設定切換。 （2）廣泛適用 伺服控制器有基本功能型、擴展功能型，