永磁电梯门机多参数在线检测研究现状

引言

近年来，随着人们对设备、人身安全的愈加重视，加上稳定性和节能高效性需求，各类动力系统电力执行部件的电机类型逐渐从传统的直流电机、交流感应电机发展到高效的交流永磁同步电机，其控制方式也从简易的开关启停控制，发展到以高性能处理器为核心的变频智能控制[1]。电机门机普遍采用隐极式永磁同步电机，与传统的“交流异步+减速器+异步带”结构不同，永磁同步电机的电梯门机采用直驱传动形式，由低转速、大扭矩同步电机直接牵引同步带，带动门刀作往复水平运动，从而带来运行效率和控制性能的提升。

电梯作为特种设备，其产品质量与使用者的人身安全息息相关，而门机作为电梯产品的核心部件，决定了开关门速度、开关力矩、耐久性等性能。电梯门开合运行过程中，速度范围在0.3～0.8 m/s；另外，电梯电机所面对的场景和工况较为复杂，主要表现为重量差异、传动结构不确定、自闭装置等引起的惯量变化、温湿度和风压引起的环境参数波动以及初始安装位置差异引起的不确定性等因素[2]，这些变化使得电机运行状态实时变化，存在较多不确定性，且不利于精准控制和研判。因此，迫切需要研制实时在线辨识系统来监测复杂多变的电梯门机工作环境，提升现场使用和系统维护的安全性，而其关键技术是获得准确的系统参数。

1  永磁电梯门机检测现状

目前，国内关于永磁电机的相关标准有《三相永磁同步电动机技术条件（机座号80～355）》（GB/T 22711—2019）、《记录仪表用永磁同步电动机》（JB/T 7805—2007）、《外转子永磁无刷直流电动机》（JB/T 12227—2015）等，其中对于永磁电机性能指标的规定及存在的问题如表1所示。

从表1可见，国内无专用的永磁电梯门机相关标准，现有的标准也不完善，为三相或外转子或特定产品的专用标准，与复杂的电梯门机产品不相适应。且最突出的问题是，目前国内永磁电机相关标准主要是在特定的环境温度、湿度下，在测功机或模拟负载情况下进行相关的测试，无法检测产品运行状态下的性能参数，与复杂的门机运行环境存在不相适应性。

2  永磁电梯门机在线检测方法的构建

  本方法将设计一种“成果借鉴”—“参数预辨识方法研究”—“在线修正与优化方法研究”相结合的整定流程。首先通过现有文献分析比对确定目前电机参数在线检测的技术指标及存在的缺陷，并对比较的结论进行分析、整理；然后采用典型工况测试法获取电机关键参数并使系统具备自运行能力，将预辨识参数值作为初始条件代入模型参考自适应算法中，通过可调的自适应律校验并修正电机参数和控制参数，从而解决多参数辨识过程中辨识模型的非满秩不收敛的问题。在永磁电机参数中，绕组相电阻、轴电感、系统惯量是永磁电机的关键参数，其值与矢量控制的电流环、速度环PI参数密切相关。永磁门机在线关键参数预辨识机制，将根据辨识需求由电机控制器逐步给出信号，采用差分测试法来获取电压、电流、转速及响应时间等关键信息，考虑逆变器非线性、铁芯磁饱和、负载工况对参数辨识精度的影响，基于永磁电机数学模型辨识出绕组相电阻、交直流轴电感、反电势常数及转动惯量等关键参数，根据二阶振动控制模型整定电流环与速度环PI参数。最后，通过MRAS模型参考自适应法优化辨识精度，实现在线修正与优化，可大量减少人工干预，提高辨识速度与精度。具体流程如图1所示。

3  电梯门机试验系统的设计

电梯门机试验系统的设计分为硬件和软件两个方面。

在硬件设备方面，其核心要点为搭建永磁伺服电机参数修正与优化在线辨识平台，包含系统上位机、供电电源、控制电路（含主控芯片）、驱动电路以及被试电机等，具体如图2所示。在硬件设计中，控制器将电网系统的电能转化为机械动能传递到驱动电机上，使电梯门达到期望输出的扭矩，实现轿厢门的稳定平移运行。电机控制器主要由电源转换单元、母线储能单元、处理器单元、功率变换单元、监控检测单元及带有接口和散热功能的外壳组成。当驱动系统工作时，电机控制器接收来自电梯总控制PLC的运行信号，由内部的处理器单元进行计算，再依靠功率变换单元实现变流，将交流市电变为直流电，然后转换成所需要的交流电传递给电机；监控单元检测母线电压、电机电流、温度等并在异常情况下进行保护，同时采集速度/位置信号反馈给PLC。

在软件方面，主要在控制电路的主控芯片中完成测量方法的软件程序编写，实现数据采集、试验数据处理模型与算法。主控程序采用C语言编写，其流程如图3所示。控制程序基于ST的芯片配置工具CubeMX开发，通过图形界面生成初始化代码，可以大大减少开发工作时间。

4  结语

本文所探究的电机及其智能化参数辨识机制，无须人工干预系统参数整定，能够实现系统实时监测，降低了系统调试的难度和风险，进一步保障了安装调试者和使用者的人身安全，且节省了企业调试时间和次数，减少了各类永磁伺服电控设备的维护及检测成本。该系统可用于第三方检测机构快速对企业新研发电磁电机的各项指标进行确定，又可对在用的产品进行风险监控，还可在企业产品研发和售后检修过程中帮助快速确认并解决问题；对于我国的电机企业特别是体量巨大的中小型电机企业，该设备可作为企业常规检验设备，方便地进行永磁电机性能试验，全面快速检测电机的各项性能，以提升电机产品的出厂质量和一致性，从而推动中小型电机制造企业以质量为导向的品牌建设。

审核编辑：刘清