基于DSP的电梯门机伺服控制系统设计与研究
私??川雹多彳吁般大?予
硕 士 学 位 论 文
详 细 摘 要
题
杭州电子科技大学硕士学位论文
详 细 摘 要
随着经济的不断发展，人们生活水平不断提高，高层建筑随处可见，电梯作为唯一
的升降工具被广泛使用。人们进出高层办公楼，生活公寓不得不乘坐电梯，这使得电梯
成为人们生活中不可或缺的一部分。在整个电梯系统中，电梯门是直接与用户接触的部
分，能带给用户直观的感受，也是被用户
评价
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最多的部分。由于电梯在平时的使用过程
中，电梯门的打开与关闭操作最频繁，这使得电梯门开关出现故障的概率也不断增加。
电梯门的开关正常稳定已经被作为是判断电梯质量的一个重要因素。因此，一部高质量
的电梯，它的电梯门在进行打开关闭操作时运行平稳、反应迅速、定位准确、安全可靠，
这就要求整个电梯门机控制系统达到很高的性能，对于其作用对象一电机也需要性能上
的高要求。随机电子技术的发展，产品性能不断提高，电梯门机控制系统也步入了一个
稳定的阶段，电梯门机的稳定性、可靠性得到了改善，市场上也出现了各
种新产品。
在电梯行业的初期，电梯门机大都由直流电机来驱动，利用它的电刷实现电机的正
反转，用串并联电阻实现电机的速度控制，从而达到电梯门平稳的开关操作，这是一种
简单的控制电梯门机的方式。这种控制方式简单易用，能够承受很强的负载，但制造成
本高，维护工作量大，故障率也较高。除此之外，由于其速度控制由电阻串并联实现，
电阻消耗一部分能量，因而造成能量浪费。同时，通过电压控制调速，调速效率比较差，
精度低，速度与转矩不能达到很好的匹配，电机的机械特性达不到性能要求。随着技术
的不断改进，人们改善了有刷直流电机由电刷带来的种种缺点，得到了一种改进的直流
电机一永磁无刷直流电机，并通过永磁无刷直流电机的特点，设计了其驱动控制系统。
该系统主要采用磁极换相控制及直流脉宽控制策略对永磁无刷直流电机进行控制，能使
调速系统达到快速稳定，并且具有体积小、重量轻、输出力矩大、效率高等优点，在工
业发展中得到了广泛的应用。但由于价格因素，使得永磁无刷直流电机与其他电机相比，
在性价比上没有明显的优势。另一方面，由于直流电机本身的不足，如不易维护、故障
率较高等，使得这种直流门机成为了产业发展中的一种过渡性产品。近几年来，随着交
流变频调速技术的广泛应用，交流门机已成为电梯行业发展的一大趋势。它与直流电机
相比，最大的特点就是没有换向器，这使得交流电机制造方便、结构简单，能够做成高
转速、大电流的电机。与此同时，它的功率覆盖范围很大，能从几十瓦到上百万瓦，这
使交流电机拥有了很大的市场。交流电机按照品种的不同可以分为两大类，分别为交流
异步电机和永磁同步电机。异步电机在发展过程中，随着研究的不断深入其控制方式比
永磁同步电机简单，并且其成本比较低，所以异步门机控制系统得到市场的广泛关注，
发展十分迅速。之前的异步电机控制系统通常使用的是正弦脉宽调制的方法进行控制，
之后又出现了相对高级一些的控制方式来对速度、电流进行控制，比如矢量控制或者直
接转矩控制。在很多
方案
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中，对电机的参数具有很强的依赖性，通用性不强，
故障处理
，
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比较复杂。
目前，随着绿色环保、节能等口号的推广，电梯行业也在这个潮流中向前推进。永
磁同步门机符合“绿色环保、节能减耗”的目的，成为了电梯门机市场的新一代的产品。
永磁同步电机低速力矩性能好，高效运行区域宽，调试范围扩大。功率密度和效率都大
左右，是一款节能电机产品。同时，随着单片机、DSP等微处理器的不断优化，性能的
集成度不断提高，在电梯门机伺服控制系统应用普及度的不断扩大，使得用微处理器芯
片来控制电机驱动控制系统的技术被广泛的使用，最终使整个系统的体积进一步缩小，
集成度得到提高，也为系统的优化带来了便利。
文本首先介绍了电梯驱动控制系统在国内外研究现状以及未来发展的趋势，阐述了
电梯门机伺服控制系统的研究背景和意义;在阅读了广泛的电梯门机驱动控制系统相关
的文献基础上，对其驱动系统进行了性能、结构、成本上的对比分析，提出了基于永磁
同步电机的电梯门机驱动控制系统，阐述了永磁同步电机的组成结构原理以及其在三种
坐标系下的数学模型，给出了系统的整个硬件平台设计，提出了自己的研究成果，并通
过实验取得了良好的结果。本文主要贡献如下:
1、设计了整个电梯门机伺服控制系统的硬件平台，包括电源部分、主控电路部分、
机供电，让电机转动。在电机转动时，主控电路接收到电机以及主功率模块的反馈信号，
让控制芯片知道电压、电流等信号状况，实现电机转动的进一步控制;
2、针对电梯系统中电梯门电机转动时产生的谐波干扰问题，提出了一种基于可变
频率载波的谐波抑制策略。论文分析了谐波产生的原因，针对A相电压方程的分析，得
到谐波主要有载波、载波的m次谐波以及载波m次谐波的上下边频谐波组成，其中围
绕载波频率的谐波对整个系统的干扰最强。针对这一结论，提出了基于可变频率载波的
谐波抑制策略。该策略让载波的频率随着时间按照正弦波的变化而变化，在整个频率段
内均匀分布谐波能量，达到没有过高与过低的谐波幅值，降低其对整个系统的干扰能力。
通过Matlab仿真实验得到，用此策略后A相电流毛刺减少，波形变得光滑。
3、针对电机速度响应过慢的问题，提出了一种基于粒子群算法的PID控制器参数
白整定方法。对于手动调整PID控制器参数，由于运用场合环境的不同，往往需要耗费
时间与精力去不断尝试调整PID参数值以达到最佳的匹配值，为系统运行带来了不便
数通过粒子群算法来寻找当前环境中的最优解，根据之前手动调节参数的经验给定两个
参数的范围，确定误差精度以及迭代次数之后，根据粒子群算法的
两个速度位置的更新
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公式
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，最终得到控制器参数的最优解。实验表明，该方法能够使速度的响应时间缩短，
电机更快地达到预期的速度。
电梯门机驱动控制系统的设计是一个复杂的
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
，由于时间的限制、实验室条件不
足以及自己能力有限，本伺服控制系统还处于实验室调试阶段。现在已经完成了对整个
电梯门机伺服控制系统的实验室开发阶段，对于电机调试以及性能上的提高还需要进一
步研究，对于未来的工作，主要有以下几点:
??现场测试:现在的系统还处于实验室测试阶段，对于实际环境中的运用还存在着
很多的不确定因素，故需要在实际运行环境中做进一步测试:
?硬件设计的模块化:硬件设计可以采用模块设计方法，对某些常用的电路进行
模块化的封装使用，可以有效降低设计时间，提高设计的效率;
??使用更多的智能算法:在系统中使用智能算法控制是一种发展的趋势。目前的
系统控制策略往往需要根据不同环境配置不同参数，故引入智能算法，如遗传
算法、神经网络等，可以大大提高系统的开发效率。在电梯门机伺服控制系统
中，充分利用永磁同步电机的性能，进一步研究电机的启动、运行、停止等方
面的智能控制，可以有效地提高系统的整体性能。
以上几点，可以作为今后该项目继续研究的方向，努力找到解决的可行
方案，使得
整个电梯门机伺服控制系统朝着小型化、智能化的方向发展。
关键词:电梯门机，永磁同步伺服电机，PID控制，粒子群算法，谐波抑制
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基于DSP的电梯门机伺服
控制系统设计与研究
研究生: 莫雪娟
指导教师: 任或教授
、,i』
?，
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ll I Il llll IlllIIl
74544
Y21
Dissertation
Submittedto Dianzi
HangzhouUniversity
forthe ofMaster
Degree
A and
researchoftheelevator
design door
machineseFvocontrol basedon
system
Candidate:Mo
Xuejuan
Prof(RenYu
Supervisor:
December,2011
杭州电子科技大学
学位论文原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重声明: 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进
行研究工作
所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发
表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明
确方式标明。
申请学位论文与
资料
新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单
若有不实之处，本人承担一切相关责任。
论文作者签名:禁雪踊 日期:伽f2年弓月门日
学位论文使用授权说明
本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即:研究生在
校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，
发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交
论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许
采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 保密论文在解密后遵守此规定
论文作者签名:囊霭嫣 日期:刀12年弓月,7同
艚挪虢1狐 日期:锏?年;月l1日
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摘 要
可靠、安全、稳定,直是电梯产品设计生产的基本要求，并在此基础上朝
着节能化、人性化、智能化的方向发展。电梯门开关的安全稳定是衡量电梯质
量的重要因素之一。随着机械制造技术、电子技术和控制技术的发展，电梯门
开关装置不断更新换代，电机及其驱动控制系统也在逐渐改进完善。相比于直
流电机，交流异步电机具有制造简单、控制方便、稳定可靠，因而被广泛使用。
许多学者和厂商针对交流异步电机提出了各种控制策略，使得电梯门机控制技
术得到了迅速地发展。
随着节能减耗的提出，永磁同步电机以其“绿色环保、节能减耗”的优点，
开始被各大厂商所使用，成为了电梯门机新一代产品。基于永磁同步伺服电机
的控制系统也将成为电梯门机发展的一大趋势。然而，我国在电梯行业起步
较
晚，控制技术相对薄弱，产品以“贴牌”为主，关键技术被国外厂商所掌握。
因此，加紧电梯相关技术的研究具有重要的现实意义，特别是电梯门机的控制
技术。研究一种基于永磁同步伺服电机的驱动控制策略，能有效提高控制系统
的性能，节约能源，降低成本，因此具有极大的社会经济价值。
本文在阅读了大量文献资料的基础上，研究了国内外电梯门机的控制策略，
分析了永磁同步电机的结构、工作原理及其数学模型，设计了一款永磁同步电
机伺服控制系统，采用基于粒子群算法的PID参数整定方法来控制电机运行速
度，并提出了一种基于可变频率载波的谐波抑制策略，提高了系统稳定性，
缩
短了电机的速度响应时问，论文的主要工作及研究成果如下:
分析了永磁同步伺服电机的结构性能、工作原理及其在三个坐标系下的数
学模型，研究了SPWM的控制原理及实现方式，确定了电机的控制方式。
DSP
数字信号
根据整个系统的性能要求，开发了一套以TMS320F2808PZA
磁同步电机伺服驱动硬件系统，可用于驱动300W左右的电机，包括了主控制
电路、电源电路、驱动电路、通信电路模块等。根据需要的电机的控制方式，
软件实现了控制程序及中断程序的设计，包括系统初始化、SPWM控制以及其
他重要模块的设计等。
针对永磁同步电机转动过程中定子电流出现强干扰现象，提出了一种基于
可变频率载波的谐波抑制策略，对谐波的抑制取得良好的效果，有效降低了高
幅值谐波电流的干扰，提高了系统的稳定性。
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针对电机速度响应过慢的问题，提出了一种基于粒子群优化算法的PID控
制参数自整定方法，有效地加快了电机的响应速度，提升了系统的整体-蚪1-12厶匕BE,。
关键词:电梯门机，永磁同步伺服电机，PID控制，粒子群算法，谐波抑制
ABSTRACT
beenthebasic oftheelevator
has requirements
Reliability，security，stability
baseonthese with
production，and factors，itdevelopsenergy
theelevatordoor and isan ofthe
part
intelligent(Switchingsafelysteadilyimportant
elevator the ofthe
quality(Asdevelopmentmanufacturing
andcontrol elevatordoorswitch is
technology technology，the gearupgrading
motorofelevatordoorandits and are
constantly(The drivingcontrollingsystem
and withtheDC AC
also motor，the
improvingperfectgradually(Compared
hasthe of and
inductionmotor advantagemaddingsimply，controllingeasily，stable
the
ithasbeen used(Variouscontrol are for
reliable(So widely strategyproposed
and makestheelevatordoor
ACinductionmotor scholars
bymany vendors，which
control
technologydevelopedrapidly(
Withthe and thecost
reducing proposed，thepermanentmagnet
savingenergy
motor tobeused themanufacturerswithitslow
synchronousbegan by energy
becomesthenew oftheelevatordoor(The
consumption(It generationproducts
control ofthe
servomotorwillbecomea
system permanentmagnetsynchronous
trendoftheelevatordoorcontrol elevator
major system(However，theindustry
laterinChinaandthecontrol is weak(It
the
started technologyrelatively produces
of”OEM”andthemain aremasteredthe
product keytechnologies by foreign
theelevator―relatedhasbeenan
manufacturers(Therefore，researchingtechnology
intheelevatordoorcontrol
importantpracticalsignificance，especially technology(
akindofthe and basedonthe
Studying drivingcontrollingstrategy permanent
has andeconomicvalue(Itcan
servomotor social
magnetsynchronous great
thecontrol andreducecosts(
energy
effectivelyimprove systemperformance，save
Basedon and much studiestheelevator
literature，this
searchingreading paper
doorcontrol and its
andmathematical
analyzes principle
strategy structure，working
of motor(A
modelthe
permanentmagnetsynchronous permanentmagnet
was withthe PID
motorservocontrol PSO―based
synchronous systemdesigned
method(Itcancontrolthemotor more
parametertuning speed
harmonic basedonthe
carrierwas
more，a suppressionstrategy variable―frequency
can the the
timeofthe
proposed，whichimprovesystemperformance，makeresponse
杭州电子科技大学硕士学位论文
and
resultsinthisthesiscanbesummarized
motor shorter(Theworkresearch
speed
asfollowing:
Thestructure ofthe
principle permanentmagnet
performance，working
servomotoranditsmathematicalmodelinthethreecoordinateswere
synchronous
andtheSPWMcontrol andits werestudied(The
analyzed theory implementation
methodofthemotorcontrolwasidentified(
style
tothe of
Accordingrequirementssystemperformance，apermanentmagnet
drivehardware was withthe
motorservo
synchronous system designed
DSP asthecoreofcontrol
TMS320F2808PZA chip system
digitalsignalprocessing
andan moduleIRAMX16UP60Aasthedrivemodule(Itcanbe
intelligentpower
usedtodrivemotoraround300W(Thehardwareincludesthemaincontrol
system
circuitmoduleandSOon(
circuit，powercircuit，drivecircuit，communication
tothe ofcontrol thecontrol
Accordingrequirement system，thispaperdesign
and the ofthe initialization，
programinterruptprogram，includingdesign system
SPWM other modules
control，andimportant
Whenthemotoris
interferencewillbefoundinthestator
running，thestrong
current(Akindoftheharmonic basedonthe
suppressionstrategy
for
carrierwas achievesresultsharmonic
proposed(Thisstrategy good suppression，
currentsinterferenceand
reducesthe harmonic
high improves
effectively amplitude
the
systemperformance(
Inorderto the ofthemotor PID
problem speedrespondingslowly，a
solving
control methodbasedonthe swarm
parameterstuning particle optimization
was methodcanmakethemotor
algorithm speedrespondingquickly，
proposed(This
theoverall
improve systemperformance(
door―motor，Permanent servomotor，PID
Keywords:Elevator magnetsynchronous
control，Particleswarm suppression
algorithm，Harmonic
IV
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目 录
摘
要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„I
ABSTRACT„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(III
第一章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(1
1(1电梯门机控制系统的发展概况与主要趋
势„„„„„„„„„„„„„1
1(1(1电梯门机控制系统的发展概
况„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1(1(2电梯门机控制系统的主要趋
势„„„„„„„„„„„„„„„„„3
1(2课题的研究背景、意义和工作重
点„„„„„„„„„„„„„„„„4
1(2(1国内外研究现
状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
1(2(2课题研究意义和工作重点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6
1(3本文的主要内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6
第二章 永磁同步电动机伺服系统理论„„„„„„„„„„„„„„„„(8
2(1永磁同步电动机的结构及其工作原理„„„„„„„„„„„„„„„8
2(1(1永磁同步伺服电机的基本组成„„„„„„„„„„„„„„„„„8
2(1(2永磁同步伺服电机的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„9
2(2永磁同步电动机系统的数学模型„„„„„„„„„„„„„„„„(11
2(2(1
A、B、C三相静止坐标系下的数学模型„„„„„„„„„„„„11
2(2(2
3
Q、13、O坐标系下的电机数学模型„„„„„„„„„„„„„(1
2(2(3
d、q、O同步旋转坐标系下的电机数学模型„„„„„„„„„„((14
6
2(3永磁同步电动机伺服控制系统策
略„„„„„„„„„„„„„„„(1
2(3(1控制系统总体框
图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(16
2(3(2
7
SPWM的控制原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
2(3(3瞬时无功功率理
论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(19
2(4本章小
结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(20
1
第三章 电机转动伺服系统算
法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
3(1粒子群算
法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(21
3(1(1粒子群算法提出及发
展„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(21
3(1(2粒子群算法分
析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(22
3(2基于粒子群算法的PID控制器参数整定„„„„„„„„„„„„„24
3(2(1PID控制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((24
3(2(2基于粒子群算法的PID控制参数调节„„„„„„„„„„„„„26
V
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3(3谐波检测及抑制算
法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(28
3(3(1基于瞬时无功理论的ip(iq谐波检测方法„„„„„„„„„„„„28
3(3(2谐波产生原因分
析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(29
3(3(3谐波抑制算法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(32
3(4本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(32
第四章 电梯门机控制系统的硬件设
计„„„„„„„„„„„„„„„„33
4(1硬件架构设
计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(33
4(2功率主回路设
计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(34
4(2(1
4(2(2功率主回路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(35
4(3 电源设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(36
4(3(1开关电源电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(36
4(3(2稳压电源电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(38
4(4主控制电路设
计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(39
4(4(1
4(4(2
4(5系统保护电路设
计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(42
4(5(1电压检测及保护电
路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(42
4(5(2电流检测及保护电
路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(43
4(6其余外围电
路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(44
4(6(1通信模块设计 串口通信设计、JTAG通信设计 „„„„„„„„„44
4(6(2编码盘电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(45
4(7本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(46
第五章 电梯门机伺服控制系统的软件设计„„„„„„„„„„„„„„47
5(1电梯门机伺服控制系统的软件总体设计„„„„„„„„„„„„„(47
5(1(1主程序及系统优化„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(48
5(1(2中断服务程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(49
5(2系统控制策略实
现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(50
5(2(1
5(2(2粒子群算法优化速度PID控制参数的实现„„„„„„„„„„„51
5(3本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(52
第六章 系统测试仿真及实
验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„53
6(1 电机谐波抑制策略仿真与分
析„„„„„„„„„„„„„„„„„(53
6(2系统实验结果与分
析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(55
VI
杭州电子科技大学硕士学位论文
6(2(1系统测试环境„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(55
6(2(2系统测试实验结果及分
析„„„„„„„„„„„„„„„„„„(55
6(3本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(58
第七章 总结与展
望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„59
7(1总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((59
7(2未来工作展
望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(60
致
谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„((61
参考文
献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(62
附
录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(66
VlI
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第一章 绪论
1(1电梯门机控制系统的发展概况与主要趋势
1(1(1电梯门机控制系统的发展概况
随着经济的不断发展，人们生活水平不断提高，高层建筑随处可见，电梯
作为唯一的升降工具被广泛使用。人们进出高层办公楼，生活公寓不得不乘坐
电梯，这使得电梯成为人们生活中不可或缺的一部分。在整个电梯系统中，电
梯门是直接与用户接触的部分，能带给用户直观的感受，也是被用户评价最多
的部分。由于电梯在平时的使用过程中，电梯门的打开与关闭操作最频繁，
这
使得电梯门开关出现故障的概率也不断增加。电梯门的开关J下常稳定已经被作
为是判断电梯质量的一个重要因素。因此，一部高质量的电梯，它的电梯门在
进行打开关闭操作时运行平稳、反应迅速、定位准确、安全可靠，这就要求整
个电梯门机控制系统达到很高的性能，对于其作用对象一电机也需要性能上的
高要求。随机电子技术的发展，产品性能不断提高，电梯门机控制系统也步入
了一个稳定的阶段，电梯门机的稳定性、可靠性得到了改善，市场上出现了各
种新产品。
在电梯行业的初期，电梯门机大都由直流电机来驱动，利用它的电刷实现
电机的正反转，用串并联电阻实现电机的速度控制，从而达到电梯门平稳的开
关操作，这是一种简单的控制电梯门机的方式。这种控制方式具有以下优点:
调速方法简单易用;实现高频率的快速启动和转向转换;能够承受很强的负载。
但是直流电机在结构上比较复杂，制造成本高，运行维护工作量大，故障率也
较高【l】。除此之外，由于其速度控制由电阻串并联实现，电阻消耗一部分能量，
因而造成能量浪费。同时，通过电压控制调速，调速效率比较差，精度低，速
度与转矩不能达到很好的匹配，电机的机械特性达不到性能要求。
随着电机技术的不断改进，人们改善了有刷直流电机由电刷带来的种种缺
点，得到了一种改进的直流电机一永磁无刷直流电机，并通过永磁无刷直流电
机的特点，设计了其驱动控制系统。该系统主要采用磁极换相控制及直流脉宽
控制策略对永磁无刷直流电机进行控制，能使调速系统达到快速稳定，位置控
制精度高达1mm，而且由于无刷电机具有体积小、重量轻、输出力矩大、效率
高等优点，在工业发展中得到了广泛的应用。但由于价格因素，使得永磁无刷
直流电机与其他电机相比，在性价比上没有明显的优势【2J。另一方面，由于直
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流电机本身的不足，如不易维护、故障率较高等，使得这种直流门机成为了产
业发展中的一种过渡性产品。近几年来，随着交流变频调速技术的广泛应用，
交流门机已成为电梯行业发展的一大趋势。
电梯交流门机是由交流电机驱动，是目前研究最多的一类方案。交流电机
由于交流电力系统的大力发展成为了较为常用的一类电机。它与直流电机相比，
最大的特点就是没有换向器，这使得交流电机制造方便、结构简单，能够做成
高转速、大电流的电机。与此同时，它的功率覆盖范围很大，能从几十瓦到上
百万瓦，这使交流电机拥有了很大的市场。交流电机按照品种的不同可以分为
两大类，分别为交流异步电机和永磁同步电机。
异步电机在发展过程中，随着研究的不断深入其控制方式比永磁同步电机
简单，并且其成本比较低，所以异步门机控制系统得到市场的广泛关注，发展
十分迅速。之前的异步电机控制系统通常使用的是正弦脉宽调制的方法进行控
制，之后又出现了相对高级一些的控制方式来对速度、电流进行控制，比如矢
量控制或者直接转矩控制。目前，实现的方案有:采用开环的变压变频 VVVF
控制策略，对速度、力矩进行双重控制，效率高，对电机本身的性能依赖性不
高【3j，提高了系统的稳定性;研制基于直接转矩控制、矢量控制等新的电机驱
动算法的交流异步电机变频门机驱动控制系统，达到了响应速度快，力矩大等
特点，但它对电机的参数具有很强的依赖性，通用性不强，同时故障处理比较
复杂。
随着绿色环保、节能等口号的推广，电梯行业也在这个潮流中向前推进。
研究人员纷纷研发设计电梯门机的驱动控制系统，为了达到节能，效率最大化
的目的。同时，随着单片机、DSP等微处理器的不断优化，性能的集成度不断
提高，在电梯门机伺服控制系统应用普及度的不断扩大，使得用微处理器芯片
来控制电机驱动控制系统的技术被广泛的使用，最终使整个系统的体积进一步
缩小，集成度得到提高，也为系统的优化带来了便利。对于控制对象一电机的
选择，研究人员也进行了进一步的分析对比，使其产品符合效率最大的特点。
永磁同步电动机和异步电动机相比，优势非常明显:
1 电动机的功率密度和效率都大幅度提高，效率由原来的60,提高到90,
以上，功率因数接近1，并且可节约电能35,左右;
2 永磁同步电动机的低速力矩性能好，高效运行区域宽【l】，调试范围扩大;
3 永磁同步变频调速技术应用在电梯门机上可以减少一套减速系统，单
台门机可节约钢铁53(1,，铜61,，这是一笔非常可观的节减开支。
总之，用永磁同步电机作为电梯门机的驱动，不仅提高了系统的性能，
节
省了电能，而且也降低了电梯门机控制系统的制造成本。因此，永磁同步门机
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符合“绿色环保、节能减耗”的目的，成为了电梯门机市场的新一代的产品。
但是对于永磁同步电机的控制研究还不是很丰富，控制方法比其他电机的控制
方法都要复杂一些，研究基于永磁同步电机的电梯门机产品的公司企业相对较
少，所以基于永磁同步电机的驱动控制系统的研究还有广阔的空间，也将成为
了电梯产业的一个研究方向。目前对于永磁同步电机控制系统，研究人员也从
各个不同的方面进行深入研究，比如对永磁同步电机控制系统，采用矢量控
制
策略，电流表示从三相静止坐标系转化成d、q坐标系，实现定子励磁电流与转
矩电流两个电流分量的独立控制，在整个调速范围内实现了具有优良的力矩控
制特性【3J，但这种方法也受到编码盘价格因素的影响，对电机参数也有一定的
依赖性，所以在出现故障时，尤其是编码盘故障时，处理起来比较复杂。
目前，市场上也出现了另一类电机控制方案应用在电梯门机系统上，即直
线电机直接驱动电梯门的控制方案。以往，大部分电梯门机系统都是用驱动系
统来控制电机转动，然后通过传送装置，操作电梯门的开关以及进行速度的控
制，中问需要把电机的旋转运动转化为电梯门的直线运动，为了简化整个电梯
门系统，研究人员渐渐地使用直线电机做电梯门机的驱动，产生一套基于直线
电机的驱动控制系统。这种方法能够使电梯门系统运行时更加安全，效率更高，
并且控制起来也方便很多。对于直线电机驱动控制在电梯门机系统上的应用的
相结合【4J的方式来对直流电机进行位置控制，实现位置控制的准确度或者对某
种电梯专门设计一款高效的直流电机并配备专门的驱动控制系统，保证电梯的
安全稳定pJ。在国内，对直线电机驱动电梯门机的控制系统方面的研究也有一
定的收获，比如文献【6】提出了一种适用于这个控制系统的恒压调频 CVVF
的控制方式【6J，并在实验中取得了很好的效果。
1(1(2电梯门机控制系统的主要趋势
随着绿色环保、节能减排要求的提出，专业控制芯片不断出现，各种控制
策略不断改进，整个电梯门机控制系统也在不断完善。目前，电梯门机控制系
统在安全、可靠、稳定的基础上，以绿色环保、智能化、信息化为目标不断向
前迈进，成为了控制系统的主要发展趋势。
目前，国内外的电梯门机专用控制产品主要有:松下 Panasonic 电梯专用
变频器FR500、
西尔康 SELCON 电梯门机专用变频控制器
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VFD004M21W-D、英国UnidriveES电梯专用驱动器、施耐德ATV71一Lift电梯
专用变频器等。
电梯门机系统是一个机电一体化的系统。从控制电动机转动开始，通过传
动装置到达控制对象，各个环节都紧密相连，同时也存在着各种机械、时间等
方面的非线性问题。而对于所有操作的基础一电机的转动所带来的,系列问题
则成为了门机系统的关键。电梯门机由于工作环境、承受的载重以及各个部分
相连接处产生的摩擦、传送装置的震动等原因，使得电机的转动性能受到影响。
以上所述的问题反映了电梯门机系统的复杂性和控制系统的多变性，因此对电
机进行速度和位置的有效控制变得十分重要，解决电梯门机的一系列问题已经
成为了当务之急。目前，国内外已经有很多电梯公司在研究此类问题，从而使
电梯具有自适应和智能控制等功能。比如，美国奥的斯公司生产的电梯门机系
统具有自学习功能，即交流变频变压的闭环门系统不断检测电梯门的动作，并
将检测得到的数据与预设的数据相比较，可达到在毫秒内完成对最小偏差的调
整，使得开关门更轻盈、更安全、更高效【7】。瑞士迅达公司于2004年在广州推
出的一款全新高性能电梯schindler700，具有高速、智能、舒适、美观的人性
化设计。因此，电梯门机控制系统朝着控制系统一体化、控制方式智能化的方
向发展。
1(2课题的研究背景、意义和工作重点
1(2(1国内外研究现状
传统的电梯门机驱动控制系统，是采用模拟电子器件对直流电机进行控制
的方法来设计的，该方法比较复杂，维修困难。随着电子技术的不断发展和应
用，电梯门机驱动控制技术日趋成熟，部分电梯的门机系统已经采用较低成本
的三相交流电机作为电梯门的驱动，使用变频技术来实现电梯门机系统的
运行
需求。通常选择的方式是采用可编程逻辑控制器 PLC 和通用变频器构成三相交
流电机的驱动控制系统，这种方式把可编程逻辑控制器与变频器分离，系统成
本较高、安装配置不灵活。因而开发体积小、运行可靠、智能化程度高、易维
护的门机控制系统势在必行【81。随着电梯的广泛使用，国内外电梯行业在电梯
门机控制系统的研究不断深入，主要体现在以下几个方面:
1 电机专业驱动芯片的应用
专业的电机驱动芯片在电梯门机系统上的应用，可以有效地减少系统的外
围器件，缩小整个系统的体积，使得整个系统朝着简单化、小型化方向发
展，
4
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机驱动，内部设有专门的驱动IC，有效地把控制芯片的6路PWM转化为三相
DSP专用控制芯片，
逆变平台的驱动信号。TI公司生产的TMS320F2808PZA
能够产生多路PWM信号，具有位置、速度控制、上位机串行通信等功能。电
机专业驱动芯片的广泛使用，大大简化了外围电路的设计，提高了系统的集成
度，使得小型化系统成为了可能，并且成本也有所降低。
2 电梯门机控制与电机驱动控制相结合
电梯门机控制与电机驱动控制相结合，有效减小了系统的体积，降低了整
个系统的噪声，方便工作人员进行安装调试及维修，把整个系统的内部管理和
直接与用户相连的外部管理进行整合，将电机、驱动控制器、门机控制器集合
在一起，这是未来发展的另一大趋势，如德国的路斯特公司推出的IDD3000电
梯门机专用驱动系统以调试简便和优越的舒适感等众多功能被市场认可，很多
国际知名的电梯厂商均使用此驱动系统，该系统产品图如下图1(1所示。
图1(1 IDD3000驱动系统
3 电梯门机系统的建模
对门机系统进行数学模型建立，量化各个因素对系统的直接影?向，直观反
映整个系统的运行。例如，文献【9】对VVVF电梯速度控制系统建模及分析
的基础上，提出了一种SDCS速度控制方法，实现了对电梯门开关速度的准确
控制[9】;美国奥的斯公司使用一台变频器实现对双永磁电机的独立控制，并对
01。
其进行了建模以及计算机仿真【l
4 电梯门机驱动控制系统的智能化
在电梯正常使用过程中，难免碰到一些突发状况，;例如抖动、失控等现象。
为了解决此类难题，使电梯运行安全可靠，电梯应该具有自我解决突发情况的
能力，因此基于智能化的电梯控制系统的需求量越来越大。例如美国的Otis公
司生产的电梯门机控制系统具有自学习功能，使得不关门更轻盈、更安全、更
高效。
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1(2(2课题研究意义和工作重点
电梯行业在中国一直是一个新兴行业，中国是世界上最大的电梯销售市场。
随着房地产行业的蓬勃发展，各处的高楼大厦不断建造，给电梯行业带来了更
5个百分点。由于各种电梯配件生产商及加工厂的纷纷成立，使得在国内几乎
各类电梯都可以生产。由此可见，一个兴旺的电梯市场已经形成。据统计，全
世界平均1000人有1台电梯，我国还远远达不到这个平均水平。目前，各种知
名的电梯厂商，比如，美国的奥的斯、瑞士的迅达、德国的蒂森以及日本的三
菱等都纷纷来中国投资建厂，已在全国很多城市设立了分公司，比如北京、上
海、广州等。这给中国的电梯行业带来了新的技术与产品，国外技术与国内技
术的不断切磋研究，让国内的电梯研究水平上了一个新的台阶，引领电梯产业
前进的潮流。但是，它也带给国内电梯行业一个大大的冲击，使得国内的电梯
品牌竞争压力增大。这种国内外品牌的激烈竞争，可以让消费者用最低的价
格
享受最优的电梯产品。
在当前这种激烈的竞争环境下，需要大力发展具有民族特色的电梯产业，
因此研究一种简单、可靠、稳定、节能、低成本、高性价比的电梯门机控制系
统具有重要的现实意义。本课题所研制的是一款使用简单、体积小、成本低、
安全可靠的电梯门机伺服控制系统，具有低噪声和较高的能源利用率。本课题
针对电梯门机伺服控制系统在实际工程应用中所遇到的问题，对电机速度控制
等问题进行了算法研究，同时，对电机转动时产生的谐波进行了抑制策略的研
究，降低了整个系统对周围环境的干扰。
1(3本文的主要内容
电梯门机伺服系统的运行的优良不仅与电机本身的性能有关，而且重要的
是以其控制系统的性能有关。针对国内外对电梯门机伺服控制系统的研究，本
文选用TI公司的TMS320F2808PZA
DSP作为主控芯片，IR公司的
IRAMXl6UP60A作为功率模块，对电梯门机伺服控制系统进行了研究与设计，
保证系统在各个方面的运行安全可靠。在阅读了大量相关参考文献的基础上，
首先分析了永磁同步电机的结构及其工作原理，并给出了它在不同坐标系下的
数学模型，其次给出了SPWM的实现理论、PID控制理论、粒子群算法改进PID
参数理论等在系统中的应用，并分析了电机转动时谐波产生的原因，然后在此
基础上提出了一种谐波抑制的方式，之后是对整个系统的软硬件设计部分进行
了详细的介绍，最后对系统的各个部分进行了调试，并给出了相关的实验结果。
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主要内容安排如下:
1 第一章作为整片文章的开头，首先介绍了门机控制系统的发展概况和
主要趋势作了描述，其次提出了本课题研究背景与意义。
2 第二章为整篇文章的一个理论立足点，首先详细介绍了永磁同步电
机
的结构及其工作原理，并对电机在各个坐标系下的数学模型进行了描述，其次
介绍了SPWM控制原理及瞬时无功功率理论基础。
3 第三章为整篇文章实现的算法理论，首先对粒子群算法的发展以及各
参数进行了分析，其次介绍了基于粒子群算法的PID控制参数整定算法，之后
对电机转动时定子电流谐波产生的原因进行了分析，提出了一种基于可变频率
载波的SPWM方法的谐波抑制策略。
4 第四章为整篇文章的一个硬件平台，对整个伺服控制系统的硬件电路
进行了分析与设计，对一些重要的模块以及某些关键点参数的选取进行了详
细
的阐述。
5 第五章为整篇文章的软件实现部分，在对整个伺服控制系统整体分析
SPWM控制算法的实现方式以及用粒子群算法对速度PID控制参数整定的程序
实现方式。
6 第六章为整篇文章的一个实验测试部分，对电梯转动时的谐波抑制进
行了仿真实验，并得到了一定的效果，同时对系统中的控制信号、三相波形、
PSO优化算法结果等进行了测试。
7 第七章为对整篇文章的一个总结，说明了在整个系统中自己所做的工
作以及系统达到的要求，并对系统中的不足之处提出了建议以及对
浙公网安备 33021202002483