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直线电机的发展及其在电梯行业的应用

发布日期:2017/11/22 16:28:02 访问次数:5497

 直线电机可以不用借助任何中间转换结构把电能转变成直线运动,与传统的方式相比,具有噪音低、无磨损、无接触、结构简单、速度快、精度高等方面的优点。基于此本文对直线电机的发展及其在电梯行业的应用进行探讨,阐述了直线电机在电梯中驱动系统、门机系统的应用前景,为工程技术人员对直线电机的研发指明了方向。
    传统的电梯曳引系统和门机利用交流旋转电机进行工作,为了实现电梯门的开和关,需要借助一些比较复杂的转动机构来把旋转运动的电机转变成直线运动。就电梯的曳引驱动系统而言,无论是交流电机蜗轮蜗杆驱动系统或是交流调速系统、或是永磁马达调速系统,因为交流电机响应速度慢,控制起来比较复杂,无法满足未来对电梯性能的要求。而直线电机因为其结构的特殊性,不易被环境影响,受到了行业的广泛关注,正逐渐成为主流的电梯产品。
    直线电机的发展和研究情况
    1.1.直线电机的发展史
    直线电机的概念是在1840年被提出来的,距今有一百多年的历史。可以将其发展史大致分成三个阶段,分别为:探索实验阶段、开发应用阶段和实用商品化阶段。其中第一个阶段指的是直线电机的探索和实验阶段,在这个阶段直线电机的设计还存在一定的问题,也没有找到直线电机合适的应用领域,因此直线电机一直没有被广泛使用。在开发阶段科学家在直线电动机研究的基础上,取得了非常大的研究成果,发表了一些比较系统的电机类著作和文章,极大的推进了直线电机的发展,同时也引起了广大研究人员对直线电机的重视。从1971年开始对直线电机进行了独立应用,在这个阶段,研究人员选择了出了适合直线电机使用的途径,各种各样的直线电机被广泛的推广,研究出了非常多的具有使用价值的产品,比如冲压机、空压机、煤机等。
    1.2.近年来国内外对直线电机的研究情况
    近年来,直线电机得到了迅速的发展,很多人都开始对直线电机进行研究。国际上很多公司也逐渐开始研发直线电机类的产品,比如日本的三井精机公司、美国的Koll-morgen公司、各国的Wesitinghouse公司等等。各种各样质量良好的直线电机产品也出现在了人们的视野中。比如Indramat公司研究出了非常完整的直线电机系列,其中包含了封闭式异步直线电机和无罩壳异步直线电机。在直线电机的控制系统中设置了非常标准的接口,可以更好的保证各种景观改型的程序控制器和数字变换器相兼容。
    我国对直线电机的研究发展比较晚,大概是从70年代发展起来的。不过在国外直线电机使用潮流的影响下,我国国内也出现了很多直线电机开发使用的单位,例如浙江大学、沈阳工业大学、浙江大学、西安交通大学等。我国第一个直线电机研究所在浙江大学诞生,并且此研究取得了非常不错的研究成果。目前我国在直线电机方面的研究成果主要有摩擦压力机、冲压机、矿山运输系统、直线电机驱动门、自动绘图仪等。这些产品已经得到了应用推广。本文主要对直线电机在电梯行业的应用进行探讨。
    电梯行业中直线电机的应用
    2.1.电梯控制系统的基本要求
    因为电梯是一个需要频繁制动和起动的设备,在运行的过程中,加速时间和减速时间占据了很大一部分的比例。特别在单层运行时,几乎完全处于制动和起动的状态。如果可以对电梯的制动和起动时间进行降低,就可以极大的节约乘客的时间。从这个方面来说,在对电梯的运行进行控制时,要对其运行时间进行优化。另外,乘客在减速下降和加速上升的时候,在加速度的影响下,会有超重的感觉,人体的器官也受到了更大的重力。会出现头晕的情况。经研究证明,电梯在使用的过程中生理系数一般要控制到1.31m/s以下。所以,电梯在减速和加速的过程中,要在保证舒适度的基础上对速度进行控制。除了需要控制运动以外,还需要对通讯、监控、显示等方面的内容进行控制。
    2. 2. 电梯运动控制系统方案的设计 
    一般情况下,可以把电梯控制系统分成拖动调速系统和操作控制系统两个方面的内容,根据控制需求的不同,在应用的过程中,要选择对应的控制芯片。在控制系统中主要有电梯运行逻辑功能的控制、电梯群的监控调度、电梯交通分析的计算三个方面,因此在选择芯片时要选择可以同时处理多个任务和有着良好计算能力的芯片,要可以实时的对直线电机进行控制,及时的响应输入信号。当前拖动调速系统和操作系统主要是使用微处理器控制的全数字化电梯控制系统。传统的控制系统主要是由PLC控制系统或者继电器控制系统构成,属于集中控制系统。在使用的过程中,常常需要把控制电路信号、强迫换信号、急停回路信号、换速和平层信号等发送到同一个控制器,此控制器在进行逻辑运算后,对此信号进行执行。使用控制系统,控制器的运算量非常大,极大的限制了系统的实时响应速度,而且控制器的功能无法进一步进行扩充,线路非常复杂,出现故障后维修非常困难。特别对于高层电梯来说,有非常多的信号线,维修起来就更加麻烦了。
    而直线电机电梯使用全数字微处理器对系统进行控制,对调速的问题进行解决。根据实际的控制需求,对应的选择处理器。比如在对电梯门厅进行简单的控制操作时,可使用51系列的芯片,如果有多个控制任务和电梯群控需求,可以使用ARM控制芯片。使用微机控制系统可以对电梯进行群控管理,对电梯进行合理的调配,提高电梯运行的效率,降低电梯等候的时间,节省电能。为了对系统的可靠性进行提升,可以使用无触点的逻辑线路,维修费用不高,产品质量非常不错。有较常大的灵活性,可根据实际需求对控制程序进行改变,当出现故障时,可以对故障进行显示,使维修变得更加的容易,对电梯的运行效率进行提升,降低故障的时间。拖动调速控制系统通常由80c196mc(16位单片机)构成。随着控制算法的复杂程度逐渐提升,16位单片机逐渐被性能更高的DSP芯片取代,这种控制系统主要是由电流检测、电压检测、速度检测等参数构成。
    2.3.硬件平台的搭建
    2.3.1.主控系统的搭建
    在早期对电梯进行控制、管理和测量的过程中,主要使用高档的单片机来实现,单片机在应用的过程中会受到资源和速度的限制,很难实现电梯的通信管理、人机界面、数据处理、数据采样和控制的任务。为了更好的将电梯控制系统的任务完成,就需要应用嵌入式系统。目前DSP处理器和32位数据处理的ARM核处理器是两种比较重要的嵌入式系统的处理器。因为在对电梯控制系统进行控制的过程中,控制、管理和数据通信是几个非常重要的方面,因此ARM是非常不错的选择。ARM主要是由一片ARM9芯片构成,通过在嵌入式操作系统中进行应用可以将电梯运行的指令发送到拖动控制系统,达到桥厢控制系统和各门厅控制系统串行通信的目的,将电梯的运行状态和轿厢的位置发送到各个门厅控制系统,为了方便对电梯进行调度和群控,可以和监控PC进行连接。
    2.3.2.拖动控制系统的搭建
    直线电机驱动的无绳电梯和传统曳引式电梯相比,不需要进行配重,不需要一个专门的机房来安装驱动电机,可以节省大量的空间,在安装的过程中,直线电机驱动无绳电梯不需要使用很长的钢丝绳,使用的机械部分非常简单,在运行过程中故障点非常少,电梯安装起来非常简单,维护工作比较少。在搭建拖动控制系统的时候,主要使用DSP芯片。和其他处理器相比,DSP芯片更加适合对数字信号进行处理,DSP芯片主要是由一片TI的DSP芯片构成,主要具有下面几个方面的功能:(1)可以根据信号,进行运行逻辑的判断,对车厢位置和实际速度进行计算。(2)可以检测主回路电压电流的信号,可以对井道位置和光电旋转编码器位置的信号进行接收。(3)通过控制直接推力,来对变频调速进行控制,实现速度闭环、电流闭环和位置闭环,更加精准的对电梯的运行进行控制。(4)对各种故障进行处理,比如功率模块故障、上下冲顶、消防运行等。(5)实现桥厢控制系统的串行通信对轿厢位置的运行状态信息和位置进行发送。所以拖动控制系统主要使用DSP芯片进行搭建。
    2.3.3.厅门和轿厢控制系统的搭建
    在对厅门和轿厢控制系统进行搭建的时候,要使用三角载波和正弦波进行比较,然后产生PWM脉冲序列,当正弦波小于三角载波时,对应的开关器会关闭,当正弦波大于三角载波的时候,对应的开关器件会处于连通的情况,产生的脉冲序列会对逆变器的功率开关器件进行控制。通常情况下,厅门和轿厢系统的结构大致相同,可以使用PHILIPS的LPC941x系列的单片机组成控制系统,其中LPC941X可以在成本要求低、集成度要求高的场合进行使用,可以对各种性能要求进行满足。只需要2~4个时钟周期,就可以将指令执行完毕,不仅可以极大的降低元件的数目,而且还可以有效的降低系统的成本。在LPC940x中,内置了LCD段驱动器。具有spI、nc、uart接口。

    总而言之,直线电梯是未来电梯的主要发展方向,就目前对直线电梯的开发而言,大吨位(譬如美国对航空母舰战斗机的提升系统)、多轿厢(在一个井道布置若干个电梯轿厢)对直线电梯的开发具有诱人的应用前景;在直线电梯应用的过程中,直线电机的控制是非常关键的一个问题。在直线电机控制理论的不断发展下,在材料科学不断发展的今天,随着永磁材料成本的降低,在不久的将来,直线电机的潜能会更加充分的被挖掘出来。
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