毕业论文-基于PMSM的电梯模型控制及其S曲线算法

基于PMSM的电梯模型控制及其S曲线算法摘要：电梯在人们生活中起着举足轻重的作用，随着技术的发展和各项控制理论的完善，人们对电梯控制的要求日渐提高，要求达到“快、准、稳”而且也更注重乘坐电梯的舒适性。电梯模型控制系统可分为逻辑控制部分和调速部分。本文所阐述的是基于PMSM的电梯模型控制及其S曲线算法。该控制方法由可编程控制器PLC对电梯模型进行逻辑控制，而调速部分则由高计算性能的DSP2812对PMSM的运动速度实现S曲线控制。使电梯更可靠运行，更平滑调速，实现电梯更安全、更快、更准、更稳、更舒适的运行目的。关键词：电梯模型、逻辑控制、PMSM、矢量控制、DSPAbstract:Elevatorplaysanimportantroleinpeople'slives,astechnologydevelopmentandtheimprovementofthecontroltheory,oneoftheelevatorcontrolrequirementsrisingdemandtoachievefast,accurateandstable,butalsofocusmoreontheelevatorridecomfortsex.Elevatorcontrolsystemmodelcanbedividedintopartsandthespeedpartofthelogiccontrol.DescribedinthispaperisbasedonthemodelofPMSMforElevatorControlanddspimplementation.ThecontrolmethodbyaprogrammablelogiccontrollerPLClogiccontrolmodeloftheelevator,whilethepartisperformedbyhigh-speedcomputingperformanceoftheDSP2812DuiPMSMtoachieveScurveofthevelocitycontrol.Toruntheelevatorsmorereliable,moresmoothandspeedtoachieveliftmoresecure,faster,moreaccurate,morestable,morecomfortablerunningthepurpose.Keywords:elevatormodel,logiccontrol,PMSM,vectorcontrol,DSP12目录前言、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、前言随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。实际上电梯是根据外部呼叫信号以及自身控制规律等运行的，而呼叫是随机的，电梯实际上是一个人机交互式的控制系统，单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足控制要求的，因此，电梯控制系统采用随机逻辑方式控制。目前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别。国内厂家大多选择第二种方式，其原因在于生产规模较小，自己设计和制造微机控制装置成本较高；而PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，所以现在的电梯控制系统广泛采用可编程控制器来实现。电梯是将机械原理应用、电气技术、微处理器技术、系统工程学、人体工程学及空气动力学等多学科和技术集于一体的机电设备，它是建筑物中的永久性垂直交通工具。为满足和提高人们的生活质量，电梯的智能化、自动化技术迅速发展。特别是随着计算机网络技术、微电子和电力电子技术的飞速发展，现代电梯的技术含量日益提高。在改善电梯性能的同时，对电梯的设计、管理和维护人员提出了更高的要求。第一章总体方案目前，电梯行业在我国迅速的发展，在一定程度上占有很大的市场。而在今天的电梯控制已经从传统的继电器—接触器转变成可编程序控制器等更高级更完善的控制个人计算机有很强的数据处理功能和图形显示功能，有丰富的软件支持，但是它们是为办公室自动化和家庭设计的，对环境要求很高，抗干扰能力不强，一般不适合在工业现场使用。单片机只是一片集成电路，不能直接将它与外部I/O信号相连。要将它用于工业控制，还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程3序设计的工作量相当大，要求设计者具有很强的计算机领域的理论知识和实践经验。工业控制计算机（简称工控机）也是为工业控制设计的，目前比较流行的是PC总线工控机，它与个人计算机兼容。工控机采用总线式结构，各厂家产品的兼容性强。工控机一般是在通用微机的基础上发展起来的，有实时操作系统的支持，因此在要求快速、实时性强、功能复杂的领域占有优势。工控机的价格较高，将它有与开关量控制以取代继电器系统有些大材小用。工控机的外部I/O接线一般都用多芯扁平电缆和插头、插座，直接从印刷电路板上引出，不如可编程序控制器的接线端子那样方便可靠。以上各种计算机用语控制的程序一般都是用汇编语言编写的，不像可编程续控制器的梯形图语言那样易于被工厂的电气人员掌握。可编程序控制器是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或插件组合型，对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采用了严密的措施。可编程序控制器由于具有前述的各种优点，在工业控制领域具有不可比拟的竞争力。另一方面，随着电梯控制技术的发展和完善，人们对电梯控制的要求也日渐提高，电梯控制系统在不断完善的同时也变得更加复杂，因此，就需要有计算能力更强的芯片来负责各种算法的运算，TMS320C2812系列是美国TI公司最新推出的低价格高性能的32位定点DSP，是专为数字电机控制和其它控制应用系统而设计的高性能系列DSP。它不但具有高性能的通用DSP内核，配置有高速数字信号处理的结构，而且还具有单片电机控制的外设功能。它将数字信号处理的高速运算功能与面向电机的强大控制能力结合在一起，特别适用于电动机的实时控制，可以为所有的电机提供高速、高效和全变速的先进控制技术，越来越多的应用于现代高性能的控制系统中。有鉴于此，本文论述的电梯控制系统选择PLC完成逻辑控制，再由数字信号处理器来完成电梯调速中的各种算法。第二章永磁同步电动机及其矢量控制永磁同步电动机结构简单，体积小，重量轻，效率高，功率因数高。因此，永磁同步电机成了今天电梯控制系统中电机首选，PMSM在电梯控制系统中正在占据着越来越重要的地位，相当多的电梯控制系统也正在进行这方面的改造。2.1永磁同步电动机的简介永磁同步电动机结构简单，体积小，重量轻，效率高，功率因数高。此外，4永磁同步电动机还具有以下优点：永磁同步电动机无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性高。正由于上述结构的特点，使得永磁同步电动机转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的摩擦损耗和接触电损耗。因此，永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机要高，并且其功率因数可以设计在1.0附近。永磁同步电动机转子结构多样，结构灵活而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。永磁同步电动机在一定功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。永磁同步电动机按工作主磁场方向的不同分为径向磁场式和轴向磁场式;按电枢绕组位置的不同可分为内转子式和外转子式;按供电频率控制方式的不同，可分为自控式和它控式;按反电势波形的不同，可分为正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机，本文中的永磁同步电动机都是指正弦波永磁同步电动机)和矩形波永磁同步电动机(简称无刷直流电动机)。2.2永磁同步电动机的数学模型永磁同步电动机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场互相作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。当定子电流的频率固定时，转子的转速也是固定的，并且与该频率成正比:min)/(/60rPfnm（2-1）其中n是同步转速，f是定子电流频率，Pm是永磁同步电动机极对数。改变电机转速需要变化定子电流频率，也就是要采用变频器对永磁同步电动机供电。同时为了防止失步，必须保证电机转子的角频率与定子电源频率同步。根据交流电机矢量控制原理，为了找出电机的控制规律，建立易于实现控制的数学模型，需要建立一个与永磁同步电动机转子同步旋转的d-q坐标系，让d轴与转子磁极重合，把永磁同步电动机定子的各参量都转化到d-q旋转坐标系下。假设电机是线性的，电机参数不随温度等外界条件变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，并认为转子无阻尼绕组，那么基于d-q坐标系下的永磁同步电动机定子磁链方程为:5rdddiLqqqiL（2-2）式中，r为转子磁钢在定子上的耦合磁链，dLqL分别为永磁同步电动机的直、交轴主电感;，di,qi分别为定子电流矢量的直(d)轴、交(q)轴分量。在d-q坐标系下，定子电压方程为：qddsdpirudqqsqpiru（2-3）式中为转子角频率，P为微分算子。由式(2-2)和式(2-3)可得rqqdddsdpiLpiLirurddqqqsqiLpiLiru（2-4）根据上述方程可得永磁同步电动机在同步旋转坐标系下的稳态矢量图如图图（2-1）旋转坐标系下的稳态矢量图电动机定子电流在d轴和q轴上的分量可表示为：sinsdIicossqIi（2-5）式中psII23，pI为定子电流幅值，为电流矢量超q轴的角度。永磁同步电动机转矩方程为:])([)(qdqdqrmdqqdmdiiLLipiipT（2-6）d轴q轴qqiLddiLdar0qidisirasRi6从上式可知，永磁同步电动机的电磁转矩取决于定子电流d轴、q轴分量。在永磁同步电动机中，由于转子磁链幅值的大小恒定不变，故采用转子磁链定向方式来控制永磁同步电动机。2.3永磁同步电动机电流控制策略永磁同步电动机的电流控制方法主要有:di=0控制，cos=1控制，恒磁链控制，力矩电流比最大控制等。各种控制方法有其各自的特点，适用于不同的运行场合。在di=0控制策略原理下各矢量之间的关系如图2-2所示。定子电流矢量的直轴分量为0，由式(2-6)得电机输出转矩为:qrmdipT(2-7)当忽略电枢电阻时，功率因数:ocoscos(2-8)图2-2中。r实际上代表空载时电动机的端电压，o则代表系统带载运行时电动机端电压。设两者之比为K,,，且有dL=qL=L，则22)(31prvILK(2-9)7图2-2在0di控制策略下永磁同步电动机矢量图令rddiL/，称为去磁分量，在本控制方法下应使=0(2-10)逆变器的容量可以用)22)(22(qdqdIIVVS来表示(2-11)此处有prvIKS3(2-12)由上式可以看出，采用0di控制方式，无去磁效应，输出力矩与定子电流成正比。其主要的缺点是随着输出力矩的增大，端电压比较大而功率因数急剧降低，从而对逆变器容量的要求增高。另外，该方法未能充分利用电机的力矩输出能力，在输出转矩中磁阻反应转矩为0.1cos控制方法的核心思想是使电机的功率因数恒为1，充分利用逆变器平的容假定dL=qL=L，保持1cos必须按sinLirs来径制si和的关系.该方法控制相对复杂，并且最大输出力矩小。恒磁链控制方法与0di控制方法比较，可以获得较高的功率因数，并且在输出相同转矩情况下，需要的逆变器容量比0di方式小，但去磁分量大。d轴q轴a00rqi0susRira8力矩电流比最大控制是在电机输出给定力矩条件下，控制定子电流为最小的电流