直線電機(jī)無(wú)需任何中間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)即可將電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)方法相比，直線電機(jī)具有低噪聲、無(wú)磨損、無(wú)接觸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，論述了直線電機(jī)的發(fā)展及其在電梯行業(yè)中的應(yīng)用，闡述了直線電機(jī)在電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和門機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，并指出了工程技術(shù)人員研發(fā)直線電機(jī)的方向。

 

傳統(tǒng)的電梯牽引系統(tǒng)和門機(jī)采用交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作。為了打開(kāi)和關(guān)閉電梯門，需要一些復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)將旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)。就電梯的牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，無(wú)論是交流電機(jī)蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)還是永磁電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，交流電機(jī)響應(yīng)速度慢，控制復(fù)雜，不能滿足未來(lái)電梯性能的要求。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，直線電機(jī)不易受環(huán)境影響。受到了行業(yè)的廣泛關(guān)注，正逐漸成為主流的電梯產(chǎn)品。

 

 直線電機(jī)的發(fā)展和研究情況

    1.1.直線電機(jī)的發(fā)展史

 

直線電機(jī)的概念是在1840年提出的，至今已有100多年的歷史。其發(fā)展歷史大致可分為三個(gè)階段，即探索實(shí)驗(yàn)階段、開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段和實(shí)際商業(yè)化階段。第一階段是直線電機(jī)的探索和實(shí)驗(yàn)階段?，F(xiàn)階段，直線電機(jī)的設(shè)計(jì)還存在一些問(wèn)題，尚未找到合適的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，直線電機(jī)還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用?；诳茖W(xué)家在發(fā)展階段對(duì)直線電機(jī)的研究，取得了巨大的成就，發(fā)表了一些關(guān)于電機(jī)的系統(tǒng)著作和文章，極大地促進(jìn)了直線電機(jī)的發(fā)展，同時(shí)也引起了研究者的關(guān)注。自1971年以來(lái)，直線電機(jī)一直獨(dú)立使用。在這個(gè)階段，研究人員選擇了出了適合直線電機(jī)使用的途徑，各種各樣的直線電機(jī)被廣泛的推廣，研究出了非常多的具有使用價(jià)值的產(chǎn)品，比如沖壓機(jī)、空壓機(jī)、煤機(jī)等。

    1.2.近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)直線電機(jī)的研究情況

 

    近年來(lái)，直線電機(jī)得到了迅速的發(fā)展，很多人都開(kāi)始對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行研究。國(guó)際上很多公司也逐漸開(kāi)始研發(fā)直線電機(jī)類的產(chǎn)品，比如日本的三井精機(jī)公司、美國(guó)的Koll-morgen公司、各國(guó)的Wesitinghouse公司等等。各種各樣質(zhì)量良好的直線電機(jī)產(chǎn)品也出現(xiàn)在了人們的視野中。比如Indramat公司研究出了非常完整的直線電機(jī)系列，其中包含了封閉式異步直線電機(jī)和無(wú)罩殼異步直線電機(jī)。在直線電機(jī)的控制系統(tǒng)中設(shè)置了非常標(biāo)準(zhǔn)的接口，可以更好的保證各種景觀改型的程序控制器和數(shù)字變換器相兼容。

       我國(guó)對(duì)直線電機(jī)的研究發(fā)展比較晚，大概是從70年代發(fā)展起來(lái)的。不過(guò)在國(guó)外直線電機(jī)使用潮流的影響下，我國(guó)國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了很多直線電機(jī)開(kāi)發(fā)使用的單位，例如浙江大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)等。我國(guó)第一個(gè)直線電機(jī)研究所在浙江大學(xué)誕生，并且此研究取得了非常不錯(cuò)的研究成果。目前我國(guó)在直線電機(jī)方面的研究成果主要有摩擦壓力機(jī)、沖壓機(jī)、礦山運(yùn)輸系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)門、自動(dòng)繪圖儀等。這些產(chǎn)品已經(jīng)得到了應(yīng)用推廣。本文主要對(duì)直線電機(jī)在電梯行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

    電梯行業(yè)中直線電機(jī)的應(yīng)用

    2.1.電梯控制系統(tǒng)的基本要求

由于電梯是一種需要頻繁制動(dòng)和啟動(dòng)的裝置，加速時(shí)間和減速時(shí)間在運(yùn)行過(guò)程中占有很大比例。特別是在單層運(yùn)行中，它幾乎完全處于制動(dòng)和起動(dòng)狀態(tài)。如果電梯的制動(dòng)和啟動(dòng)時(shí)間可以減少，可以大大節(jié)省乘客的時(shí)間。從這個(gè)方面來(lái)說(shuō)，當(dāng)控制電梯的運(yùn)行時(shí)，有必要優(yōu)化其運(yùn)行時(shí)間。此外，當(dāng)減速和加速時(shí)，乘客會(huì)在加速的影響下感到超重。人體器官也受到更大的重力作用。可能會(huì)出現(xiàn)頭暈。研究證明，電梯在使用過(guò)程中的生理系數(shù)一般應(yīng)控制在1.31米/秒以下。因此，在減速和加速過(guò)程中，電梯應(yīng)在保證舒適性的基礎(chǔ)上控制速度。除了需要控制運(yùn)動(dòng)以外，還需要對(duì)通訊、監(jiān)控、顯示等方面的內(nèi)容進(jìn)行控制。

 

 2. 2. 電梯運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì) 

 

  一般情況下，可以把電梯控制系統(tǒng)分成拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)兩個(gè)方面的內(nèi)容，根據(jù)控制需求的不同，在應(yīng)用的過(guò)程中，要選擇對(duì)應(yīng)的控制芯片。在控制系統(tǒng)中主要有電梯運(yùn)行邏輯功能的控制、電梯群的監(jiān)控調(diào)度、電梯交通分析的計(jì)算三個(gè)方面，因此在選擇芯片時(shí)要選擇可以同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)和有著良好計(jì)算能力的芯片，要可以實(shí)時(shí)的對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行控制，及時(shí)的響應(yīng)輸入信號(hào)。當(dāng)前拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和操作系統(tǒng)主要是使用微處理器控制的全數(shù)字化電梯控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要是由PLC控制系統(tǒng)或者繼電器控制系統(tǒng)構(gòu)成，屬于集中控制系統(tǒng)。在使用的過(guò)程中，常常需要把控制電路信號(hào)、強(qiáng)迫換信號(hào)、急停回路信號(hào)、換速和平層信號(hào)等發(fā)送到同一個(gè)控制器，此控制器在進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行執(zhí)行。使用該控制系統(tǒng)，控制器的計(jì)算量很大，極大地限制了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度。此外，控制器的功能不能進(jìn)一步擴(kuò)展，電路非常復(fù)雜，故障發(fā)生后維護(hù)非常困難。尤其是對(duì)于高層電梯，信號(hào)線太多，維護(hù)更加麻煩。

 

直線電機(jī)電梯采用全數(shù)字微處理器控制系統(tǒng)，解決調(diào)速問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際控制要求，選擇相應(yīng)的處理器。例如，51系列芯片可用于電梯門廳的簡(jiǎn)單控制操作。如果有多種控制任務(wù)和電梯群控要求，可以使用ARM控制芯片。利用微機(jī)控制系統(tǒng)可以對(duì)電梯進(jìn)行群控管理，合理配置電梯，提高電梯運(yùn)行效率，減少電梯等待時(shí)間，節(jié)約用電。為了提高系統(tǒng)的可靠性，可以使用非接觸邏輯電路，維護(hù)成本不高，產(chǎn)品質(zhì)量非常好。它具有較大的靈活性，可以根據(jù)實(shí)際需要改變控制程序。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以對(duì)故障進(jìn)行顯示，使維修變得更加的容易，對(duì)電梯的運(yùn)行效率進(jìn)行提升，降低故障的時(shí)間。拖動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)通常由80c196mc(16位單片機(jī))構(gòu)成。隨著控制算法的復(fù)雜程度逐漸提升，16位單片機(jī)逐漸被性能更高的DSP芯片取代，這種控制系統(tǒng)主要是由電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、速度檢測(cè)等參數(shù)構(gòu)成。

    2.3.硬件平臺(tái)的搭建

    2.3.1.主控系統(tǒng)的搭建

 

在電梯控制、管理和測(cè)量的早期過(guò)程中，主要采用高級(jí)單片機(jī)。單片機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中受到資源和速度的限制。電梯通信管理、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采樣和控制任務(wù)難以實(shí)現(xiàn)。為了更好地完成電梯控制系統(tǒng)的任務(wù)，需要應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)。目前，用于32位數(shù)據(jù)處理的數(shù)字信號(hào)處理器和ARM內(nèi)核處理器是嵌入式系統(tǒng)中兩個(gè)相對(duì)重要的處理器。因?yàn)樵陔娞菘刂葡到y(tǒng)的控制過(guò)程中，控制、管理和數(shù)據(jù)通信是幾個(gè)非常重要的方面，所以ARM是一個(gè)很好的選擇。ARM主要由ARM9芯片組成。通過(guò)在嵌入式操作系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用可以將電梯運(yùn)行的指令發(fā)送到拖動(dòng)控制系統(tǒng)，達(dá)到橋廂控制系統(tǒng)和各門廳控制系統(tǒng)串行通信的目的，將電梯的運(yùn)行狀態(tài)和轎廂的位置發(fā)送到各個(gè)門廳控制系統(tǒng)，為了方便對(duì)電梯進(jìn)行調(diào)度和群控，可以和監(jiān)控PC進(jìn)行連接。

    2.3.2.拖動(dòng)控制系統(tǒng)的搭建

與傳統(tǒng)的曳引電梯相比，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)繩電梯不需要配重和專用機(jī)房來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以節(jié)省大量空間。在安裝過(guò)程中，直線電機(jī)不需要使用長(zhǎng)鋼絲繩來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)繩電梯。使用的機(jī)械零件非常簡(jiǎn)單，并且在操作過(guò)程中幾乎沒(méi)有故障點(diǎn)。電梯安裝非常簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量也很少。在建立阻力控制系統(tǒng)時(shí)，主要采用數(shù)字信號(hào)處理器芯片。和其他處理器相比，DSP芯片更加適合對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，DSP芯片主要是由一片TI的DSP芯片構(gòu)成，主要具有下面幾個(gè)方面的功能：

（1）可以根據(jù)信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)行邏輯的判斷，對(duì)車廂位置和實(shí)際速度進(jìn)行計(jì)算。

（2）可以檢測(cè)主回路電壓電流的信號(hào)，可以對(duì)井道位置和光電旋轉(zhuǎn)編碼器位置的信號(hào)進(jìn)行接收。

（3）通過(guò)控制直接推力，來(lái)對(duì)變頻調(diào)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)、電流閉環(huán)和位置閉環(huán)，更加精準(zhǔn)的對(duì)電梯的運(yùn)行進(jìn)行控制。

（4）對(duì)各種故障進(jìn)行處理，比如功率模塊故障、上下沖頂、消防運(yùn)行等。

（5）實(shí)現(xiàn)橋廂控制系統(tǒng)的串行通信對(duì)轎廂位置的運(yùn)行狀態(tài)信息和位置進(jìn)行發(fā)送。所以拖動(dòng)控制系統(tǒng)主要使用DSP芯片進(jìn)行搭建。

 

    2.3.3.廳門和轎廂控制系統(tǒng)的搭建

    在對(duì)廳門和轎廂控制系統(tǒng)進(jìn)行搭建的時(shí)候，要使用三角載波和正弦波進(jìn)行比較，然后產(chǎn)生PWM脈沖序列，當(dāng)正弦波小于三角載波時(shí)，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器會(huì)關(guān)閉，當(dāng)正弦波大于三角載波的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件會(huì)處于連通的情況，產(chǎn)生的脈沖序列會(huì)對(duì)逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制。通常情況下，廳門和轎廂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致相同，可以使用PHILIPS的LPC941x系列的單片機(jī)組成控制系統(tǒng)，其中LPC941X可以在成本要求低、集成度要求高的場(chǎng)合進(jìn)行使用，可以對(duì)各種性能要求進(jìn)行滿足。只需要2~4個(gè)時(shí)鐘周期，就可以將指令執(zhí)行完畢，不僅可以極大的降低元件的數(shù)目，而且還可以有效的降低系統(tǒng)的成本。在LPC940x中，內(nèi)置了LCD段驅(qū)動(dòng)器。具有spI、nc、uart接口。

 

    總而言之，直線電梯是未來(lái)電梯的主要發(fā)展方向，就目前對(duì)直線電梯的開(kāi)發(fā)而言，大噸位（譬如美國(guó)對(duì)航空母艦戰(zhàn)斗機(jī)的提升系統(tǒng)）、多轎廂（在一個(gè)井道布置若干個(gè)電梯轎廂）對(duì)直線電梯的開(kāi)發(fā)具有誘人的應(yīng)用前景；在直線電梯應(yīng)用的過(guò)程中，直線電機(jī)的控制是非常關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題。在直線電機(jī)控制理論的不斷發(fā)展下，在材料科學(xué)不斷發(fā)展的今天，隨著永磁材料成本的降低，在不久的將來(lái)，直線電機(jī)的潛能會(huì)更加充分的被挖掘出來(lái)。