完整编辑PLC电梯毕业设计总论文材料Word文档格式.docx
《完整编辑PLC电梯毕业设计总论文材料Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整编辑PLC电梯毕业设计总论文材料Word文档格式.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
目前的安全系统主要大都采用光电式装置（如光敏元件），也有的采用电磁式装置。
（4）大厅内乘客检测系统在一些高性能的电梯系统中，都设置了大厅内乘客检测装置，确定乘客是否全部进入电梯。
当乘客或物体仍在门检测区域内时，电梯的门系统能自动延时关门，确保乘客全部进入电梯。
目前主要采用光电装置和红外光幕保护装置来检测乘客或物体。
有的门机系统还采用热敏电磁装置和图像采集系统检测乘客或物体，由于受到性能和成本的限制，应用的并不多。
（5）门过载保护装置有的门系统设有门过载保护开关装置，当电梯在开关门过程
中，因轿厢门受阻而导致动作力矩过大，梯门会自动向反方向动作，从而达到保护门电机的作用。
（6）速度曲线及运行过程电梯门机系统的速度曲线如图1-1所示。
速度曲线大致
可分为四个阶段：
加速阶段、匀速阶段、减速阶段和厅门锁定阶段。
tl-t2时间段为
加速阶段；
t2-t5为匀速阶段；
t5-t6为减速阶段；
t6-t7为门锁定阶段。
以关轿厢门为例，在t1时刻，门电机得到控制信号（一般为脉冲信号），经过一段时间延迟，轿厢门开始动作，一直到t2时刻，此段时间为加速阶段，其运行距离一般较短。
从
t4开始到t5时刻，为匀速阶段。
此时，如果有乘客在轿厢门前一定距离内或者在门扇中间阻挡轿厢门的关闭，则电机得到一个脉冲信号，则电机提前进入减速阶段，如t3-t4时刻所示，然后反转，轿厢门重新打开。
直到全部乘客进入轿厢，从时刻t5开始进入减速阶段。
在t6时刻，轿厢门实际已经关闭。
在t6-t7的门锁定阶段电机继续转动，轿厢门被压紧，门刀关门同时通过机械结构关闭厅门直到t7时刻，电机停
止转动，门关闭过程结束。
T:
:
.:
.L；
L
tit?
t3七4t5t6t7
图1.1电梯门机运行速度曲线
以上简要叙述了电梯门系统的组成和功能。
在电梯门系统中，还有一个重要的问题就是门保持时间的选择。
因为门的保持时间过长，会影响电梯的运行效率，而保持时间过短又不能保证乘客全部安全的进入轿厢。
因此应对门保持时间进行很好的选择：
在保证乘客全部安全进出电梯的情况下，尽可能的缩短电梯开关门时间。
1.1.2门机拖动系统方案设计
电梯门机拖动系统作为一个子系统，相对整个电梯系统来说，是不容忽视的。
它是电梯系统中动作最频繁，也是直接面对乘客的部分。
因此在实际应用中需要一个运行安全可靠、性能稳定的电梯门机控制系统，其设计就显得尤为重要。
一、各种门机拖动系统的比较
门机拖动系统从电流型式上分为直流调速拖动和交流调速拖动两大类，在交流调
速拖动中，异步电动机门机调速拖动系统和同步电动机门机调速拖动系统已发展成为占有相当比例的两类调速拖动系统。
目前有三大类门机拖动系统：
直流电动机门机拖动系统、异步电动机门机拖动系统、永磁同步门机拖动系统。
最老式的用传统直流电动机调速的电梯门机一般由电动机配以继电器、限位开关和电阻实现开关门的控制，由于控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速系统领域里占统治地位。
但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常因火花大而影响生产；
机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度；
接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场合；
电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高，这些固有的缺点限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。
在交流电网上，因异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简单等优点，所以长期以来，在不要求调速的场合，异步电动机占有主导地位，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，人们广泛使用交流异步电动机来拖动机械工作。
但是，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低，并且在这类拖动中，其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因数低，轻载时尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗，无形中损失了大量电能。
当前，电梯门机控制系统主要有由交流电机及其VVVF调速系统构成的，也有少数由直流电机及其调速系统构成的。
这些系统均有其固有的缺陷。
除整套系统的成本较高外，前者虽然体积小，寿命长，但控制较复杂，对控制系统中的处理器性能要求较高，而且如果为同步电机，在带载情况下还易出现失步现象。
而后者尽管控制简单，但直流电机体积大，维护困难，寿命短，电刷结构带来电磁火花，易形成干扰。
这些缺陷在电梯实际运行中就表现为电梯门开关不正常，维护工作量大等困扰操作人
员的问题，进一步可造成严重经济损失甚至人身伤害。
相对而言，永磁同步电机结合了直流电机与交流同步电机的优点，具有体积小，寿命长，控制简单，调速精度高，且不会失步的特点。
而且，从提高效率，节约能量方面看，永磁同步电机也有优势。
据报道，美国55%以上的电力是消耗在电动机运行上,因此提高电动机的效率很有意义。
在所有类型电机中，永磁同步电动机的损耗最小、效率最高。
有资料做过对比分析，对于7.5kW的异步电机系统效率可达86.4%，但是同样容量的永磁同步电动机效率可达92.4%。
随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断下降。
考虑综合指标（系统性能、重量、能量消耗等）之后，永磁同步电机的应用正处于上升趋势，其主要的原因有：
（1）高性能永磁材料的发展
1983年问世的钦铁硼永磁材料，由于其磁特性和物理特性优异，成本低廉且材料来源有保证（我国占有世界蕴藏量8%以上的钦资源），所以在开发高磁场永磁材料（特别是钦铁硼永磁材料）方面具有得天独厚的有利条件，我国的钦铁硼永磁材料特性水平已达到世界的先进水平，为永磁同步电机的发展提供了物质基础。
永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。
在同步电动机中用永磁体取代传统的电励磁磁极的好处是：
简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积：
省去励磁直流电源，消除了励磁损耗和发热。
当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。
（2）新型电力电子技术器件和脉宽调制（PWM）技术应用
电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥
梁。
自1958年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合场控器件直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。
半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，它极大地推动了各类电机的控制。
70
年代出现了通用变频器的系列产品，为交流电机的变频调速创造了条件。
同时对同步电动机而言解决了起动问题。
对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统中必不可少的功率环节。
（3）电子技术和控制理论的发展
集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制。
随着电子技术的发展，各种集成化的数字信号处理器（DSP）发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大提高，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。
这使以单片机为核心的全数字控制系统取代模拟器件控制系统成为可能。
计算机技术的应用除了实现复杂控制规律，便于故障监视、诊断和保护等功能外，还可以用于计算机辅助分析和数字仿真。
集成电路和计算机技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。
它们的飞速发展促进了电机控制理论的发展与创新。
70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。
这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而
将交流电动机模拟成直流电动，获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。
目前，交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻；
结构简单，运行可靠；
损耗小，效率高等一系列优点，越来越引起人们重视。
永磁电机几乎遍及航空，国防，工农业生产和日常生活的各个领域。
如汽车工业，电机现以永磁电机为主；
数控和精密
机床也大量应用永磁电机；
信息产业中永磁电机的应用面广、类型多；
家用电器中永磁电机取代异步电机的地方也不少，如空调器己开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机，洗衣机用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等。
随着高磁场永磁材
料价格和电动机转子制造价格降低，以及驱动系统的理论研究和实践应用的不断完善与提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展及应用。
可以毫不夸张
地说，永磁同步电动机己从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。
为便于比较，永磁同步电动机与其它电动机的综合特性比较如下表1-1。
表1-1三种伺服系统控制方案比较
伺服系统
直流伺服系统
永磁同步伺服系统
异步交流伺服系统
电机结构
有电刷和换向器，结构复杂
比较简单
简单
最大转矩约束
整流火花，永磁体退磁
永磁体退磁
无特殊要求
发热情况
转子发热，不利
只有定子线圈发
定转子均发热，
热，有利
需要采取措施
高速化
稍有困难
比较容易
容易
大容量化
难
稍微困难
制动
较容易
控制方法
稍复杂
复杂
磁通产生
永磁体
二次感应磁通
环境适应性
受火花限制
好
维护性
较麻烦
无需保护
以上分析可以看出，在工业应用及民用中，永磁同步电动机在快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显优势。
但是随着交流伺服在国内的成熟发展，三相交流电机伺服控制器控制三相永磁伺服电机应用于电梯开门机将是一大趋势，它是继VVVF驱动技术后的、更新一代的驱动和控制技术。
正是在这一背景下，电梯技术的门控电机也逐渐向永磁无刷化方向发展。
随着我
国国民经济的蓬勃发展，高层建筑如雨后春鱼般涌现，对电梯的需求就越来越大以及对电梯系统的性能要求也越来越高。
然而，据统计，电梯故障的75%出在轿门处，即电梯门控系统。
因此对电梯门控系统，具有相当高的要求。
开发硬件体积小、运行
可靠、开关快速性、智能化更高、易维护的门机控制系统是势在必行的，发展永磁同
步电动机控制系统是一大趋势，它不仅能实现了门机的全电动控制（包括检测门位移
参数的闭环控制），而且开关门无碰撞、噪声小，开关速度快；
另外相对于数控机床方面伺服控制系统，伺服控制精度不要求那么高，成本也相对低很多；
同时也采用了限位开关位置检测和光幕传感器，起到多重保护功能；
最后很容易实现门机堵转力矩保护，实现多重保护措施，安全性和可靠性相当高。
二、永磁同步电动机的分类
根据永磁同步电动机变频调速系统的控制方式不同，可将其分为两大类：
一类是他控式变频调速系统；
另一类是自控式变频调速系统。
他控式变频调速系统中所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度给定信号决定，属于速度开环控制系统。
他控式变频调速虽然能够解决永磁同步电机的起动问题，但仍存在失步、振荡等问题，
因此永磁同步电机变频调速系统一般采用自控式运行。
根据逆变器组成器件和工作方式的不同，可将自控式永磁同步电机作如下简单分类：
一类电机为晶闸管无换向器电机，又称为负载换向同步电机调速系统：
另一类电机称为自控式永磁同步电动机或者永磁无刷直流电动机。
根据电动机反电势的波形形状又可分为无刷直流电动机（简称BLDCM）调速系统和三相永磁同步电动机（简称PMSM）调速系统两种，它们的区别在于前者的感应电动势为梯形波，电流为方波，而后者的感应电动势和电流都为正弦波。
尽管BLDCM有调速系统位置传感器简单、成本较低、材料利用率高、控制简单等优点，但由于其原理上存在固有缺陷，使得转矩脉动较大，铁心附加损耗较大，因此只适用一般精度及性能要求低的场合；
而PMSM不需要励磁电流，逆变器供电的情况下，不需要阻尼绕组，效率和功率因数都比较高，而且体积较之同容量的异步电机小，能克服BLDCM
系统的不足，常用于高精度、高性能的场合。
三、PMSM伺服系统的研究现状
纵观PMSM伺服系统的研究现状，国内外在围绕提高PMSM性能及性价比目标从不同角度着手进行了大量的研究和实践，并取得了一些令人可喜的成果；
尤其是近年来围绕提高其伺服控制器性能目标在系统控制策略上作了大胆的探索和研究，提出
了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先进控制策略并取得了一些具有实用性意义的成果。
但是PMSM自身就是具有一定非线性、强祸合性及时变性的“系统”，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时还受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能PMSM伺服系统的控制要求）a）。
为此，结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进PMSM伺服系统控制性能。
随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。
通过微机控制，可使电机的调速
性能有很大的提高，使复杂的矢量控制得以实现，大大简化硬件，降低成本，提高控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。
另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。
近几年，在先进的数控交流伺服系统中已采用高速数字信号处理芯片（DigitalSignalProcesso简称DSP）。
目前，多家公司都推出了专门用于电机控制的DSP。
它的指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令，可实时产生平滑的参考信号，适应不同的控制要求，完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制算法，并产生高分辨率的PWM输出;
集成的电机
控制所需的外设，如A/D.1/0、定时器、PWM发生器、串口通讯等等，使得应用DSP的系统所需器件很少，可靠性增强，且可以满足越来越小型化的要求；
在极端环境温
度条件下，仍具有良好的稳定性和线性性，可提供可预计的输出特性。
这些特性保证了用于电机控制的算法，如PID控制、矢量控制、滑模变结构控制等可以高速、高精度的完成。
因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服系统是交流伺服系统的重要发展方向之一。
国外最新推出的高性能交流伺服系统几乎全都实现了数字化，并且都采用了16
位或32位高速信号处理器芯片，有的还采用了运算速度更快的RISC芯片。
国内在
这方面的研制工作也取得了长足的进步，目前己有全数字化交流伺服系统的系列产品问世。
但我国的电机控制技术，与国外还有很大的差距，并且这种差距又有逐渐增大的趋势。
四、PMSM伺服系统的发展趋势及意义
永磁同步（PMSM）伺服驱动技术是一门包含着丰富内容的综合性技术，自世界上第一台伺服控制系统出现以来，伺服驱动技术就一直不断发展，尤其是各种现代控制理论的产生和广泛的具体应用，一方面为高性能伺服驱动系统的研制提供了理论依据，另一方面也使高性能伺服系统实现全数字化、智能化、微型化成为可能。
高性能伺服系统的发展趋势主要表现在：
（1）永磁同步电机的应用越来越广泛。
永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度大、效率高、转子消耗小等一系列优点，在医疗器械、仪器仪表、化工轻纺以及家用电器等方面正得到日益广泛的应用，并且成为新一代的航空，航天和航海用电机，加上我国又是永磁材料的生产大国。
所以，在我国永磁电机的应用有着广阔的发展前景。
（2）高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。
传统控制器的设计通常需要被控
对象有非常精确的数学模型，而永磁电机是一个非线性多变量系统，难以精确的确定其数学模型，按照近似模型得到的最优控制在实际上往往不能保证最优，受建模动态，非线性及其他一些不可预见参数变化的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁
棒性得不到保证，所以有必要研究一种新型的高性能的控制策略，来弥补这种缺陷和不足。
随着高性能的微处理器应用于AC伺服系统，在控制上由通常所采用的PID控制规律，开始转向现代控制理论，如自适应控制、人工智能、模糊控制、变结构控制、神经元网络等新型控制系统；
而且采用高性能控制策略的控制系统具有很好自适应能力和抗干扰能力，能够在参数时变及干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态和稳态性能。
（3）伺服系统向着全数字化的方向发展。
全数字交流伺服系统就是将伺服电机的
位置环、速度环、电流环控制和监控通讯功能全部由软件完成。
交流伺服系统全数字化之后不仅使其控制系统的体积大大缩小，可靠性明显提高，而且还便于一些自适应控制等先进控制策略的实现，极大增强了AC伺服系统设计与使用的柔性，可满足高精度数控机床、机器人、特种加工装备精细进给的需要，代表AC伺服系统的发展水平和主导方向。
（4）DSP在交流伺服系统中得到广泛的应用。
传统的基于单片机的电机控制系
统，需要较多的外部硬件，运算速度不高，难以实现一些较为复杂的控制算法，实时性很难得到保证，因而随着对控制性能越来越高的要求和控制方法复杂度的提高已经很难适应实际的要求。
DSP控制器由于其本身的特点成为永磁电机控制的必然选择。
DSP具有超强的数据处理能力和很快的数据处理速度，由DSP来实现控制算法，大
大的简化了硬件，降低了成本，提高了系统的控制精度和可靠性。
基于DSP的永磁
电机控制系统满足现代电机控制的基本要求：
信号处理快而准确；
实时完成复杂的控
制算法；
精确而快的PWM输出；
能满足要求增加功能和智能的需求；
性能价格比
（5）伺服系统中所用的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能功率模块（IPM）将进一步得到普遍应用，逆变器逐渐转变为高频化、小型化的无噪声逆变器；
伺服系统中所用的位置与速度传感器由单一功能向多功能一体化方向发展。
光电编码器的分
;
伺服系统控制器可靠性进一步提
辨率将大幅度提高，传感器的电子信号处理部分将以微处理器为核心构成独立的微机系统，成为高性能伺服系统的一个关键组成部分；
永磁同步电机转子磁钢由采用铁氧体、稀土钻转向更多的应用钦铁硼，使电机具有更好的性能价格比的制造上，结构日趋小型化，采用多单元组合构成多坐标轴控制器，高，便于维护及扩充。
350mm-2400mm
控制系统的主要技术要求有：
适用范围广，适用于开门宽度在之间的电梯门；
电动机起动、停止，各段速度的转换要求加减速过程平滑，具有曲线的加减速过程；
门扇运行各状态点速度可设置；
加减速时间可设置；
有很强的输入过电压，欠电压，输出过电流保护功能；
具有自整定功能，并可在一定范围内修改自整定值。
综上所述，电梯门机是电梯的重要组成部分，是电梯系统中动作最频繁，也是直接面对乘客的部分。
因此在实际应用中需要一个运行安全可靠、性能稳定的电梯门机
控制系统。
这就要求电动机控制系统具有精度高、响应快、鲁棒性好、计算简单等特点。
为使门机拖动系统满足设计要求，并收到良好的效果，以体现本观光电梯的高档性，本设计门机拖动系统采用永磁同步（PMSM）伺服系统。
门机拖动系统方案图见附图1-1。
1.2电梯主拖动方案设计
电梯的电力拖动系统对电梯的起动加速、稳速运行、制动减速起着控制作用。
拖动系统的优势直接影响电梯的起动，制动加减速度，平层精度，乘坐的舒适性等指标。
电梯的拖动系统经历了由简单到复杂的过程。
到目前为止应用于电梯的拖动系统主要有：
（1）单、双速交流电动机拖动系统；
（2）交流电动机定子调压调速拖动系统；
（3）直流发电机-电动机可控硅励磁拖动系统；
（4）可控硅直接供电拖动系统；
（5）VVVF变频变压调速拖动系统。
1.2.1单、双速交流电动机拖动系统
交流电动机具有结构紧凑，维修简单等特点。
单、双速交流电动机拖动系统采用开环方式控制，线路简单，价格较低，因此目前仍在电梯上广泛应用。
但它的缺点是舒适感较差，所以一般被用于载货电梯上。
这种系统控制的电梯速度在1米/秒以下。
1.2.2交流电动机定子调压调速拖动系统
交流电动机定子调压调速拖动系统国外已大量应用于电梯。
这种系统采用可控硅闭环调速，加上能耗或涡流等制动方式，使得它所控制的电梯能在中低速范围内大量取代直流快速和交流双速电梯。
它的舒适感好，平层准确度高，而造价却比直流电梯低，结构简单，易于维护，多用于2米/秒以下的电梯。
1.2.3直流发电机-电动机可控硅励磁拖动系统
直流电动机具有调速性能好，调速范围大的特点，因此很早就应用于电梯，采用发电机-电动机组形式驱动。
它控制的电梯速度达4米/秒，但是,机组结构体积大，耗电大，维护工作量较大，造价高，因此常用于对对速度，舒适感要求较高的建筑物中。
1.2.4可控硅直接供电拖动系统
可控硅直接供电拖动系统在工业上早有应用，但用于电梯上却要解决舒适感问题。
（尤其是低速段）应此应用较晚，它几乎与微机同时应用，比起电动机-发电机组
形式的直流电梯，它有很多优点。
升级会员 