1、电梯用新型直线电机驱动系统及其控制研究项目总结报告电梯用新型直线电机驱动系统及其控制研究项目总结报告一、项目概况东南大学电气工程学院程明教授与海安县申菱电器制造有限公司合作承担江苏省前瞻性联合研究项目“电梯用新型直线电机驱动系统及其控制研究”，项目编号是BY2015070-19，项目起止年限为2015年7月至2017年6月。项目经费一共50万元人民币，其中30万来源于省拨款，剩余20万来自海安县申菱电器制造有限公司。项目主要研究内容包括：1）对三种初级永磁型直线电机的综合性能进行评价，确定其在特定电梯驱动性能指标下的最优电机结构，并提出新的初级永磁型直线电机；2）深入分析不同运行模式下次级磁场
2、的分布规律，研究电机铁耗，为电机的温升计算奠定基础；3）电梯驱动用初级永磁型直线电机参数计算、设计原则和减震降噪等关键技术研发；4）研发电梯驱动用初级永磁型直线电机系统高性能控制策略、推力波动抑制、能量管理及控制器技术并探索无位置传感器控制技术；5）建立一套综合直线电机结构设计、性能计算、系统级仿真、控制系统性能评估于一体的电梯驱动用直线电机关键技术集成平台。二、项目实施情况项目实施过程中，作为上海三菱电梯重要配件供应商的海安县申菱电器制造有限公司（项目合作企业）利用自身优势，组织东南大学项目主要参与人员参观学习现代电梯系统，使项目参与人员对现有曳引式电梯驱动系统有了更全面的了解，同时清楚地认
3、识到高层楼中曳引式电梯系统的局限性。同时，项目合作企业对校方项目参与人员开放电机加工生产线，使得校方人员加深了对电机制造与工艺知识的理解。此外，东南大学项目参与人员定期给海安县申菱电器制造有限公司人员进行电机分析软件的使用培训，提高企业人员软件操作水平和工作效率。制定的实施计划：（1）2015.72015.9 确定适合电梯直驱用直线电机的本体结构和设计原则，提出新颖结构的初级永磁型直线电机设计方案。（2）2015.102015.12建立电机的有限元模型，不断调整电机的结构参数，计算电机的电磁性能参数，进行铁耗的分析与计算。（3）2016.12016.6建立初级永磁型直线电机数学模型及完整的综合
4、设计仿真计算平台。对电机设计参数进行分析和调整，确定最终电机设计参数，完成设计图纸并交付工厂制造。（4）2016.72016.12等待样机制造阶段，在课题组原先驱动电机控制系统软、硬件基础上，研究该新结构电机驱动电路特点，设计基于DSP的实验平台硬件电路，交付工厂加工。对样机进行实验测试，对控制算法进行必要改进优化，确定最终控制方案。（6）2017.12017.6在对整机进行实验研究的基础上，完善改进设计方案。整理总结研究成果，撰写研究总结报告。（6）2017.72017.12组织课题结题验收。项目完成情况：（1）评估了三种初级永磁型直线电机。长期以来，国内外学者对初级永磁型直线电机的结构和性
5、能特点进行了广泛深入的研究，先后提出了多种不同的电机结构，如直线双凸极永磁电机（LDSPM电机）、直线磁通反向电机（LFRPM电机）以及直线磁通切换电机（LFSPM电机），尤其是LDSPM电机及LFSPM电机由于具备较高的功率及转矩密度，收到了广泛的关注和深入研究。本报告针对上述几种类型的电机结构，指出了各自结构的优缺点，将电梯驱动用初级永磁型直线电机聚焦在LFSPM电机上，为其发展提供了方向。（2）提出了新型LFSPM电机结构。从现有文献报道中找出了推力密度大、适合电梯驱动场合的无轭部LFSPM电机。在此基础上，为了方便样机加工，本报告提出了紧凑型细轭部LFSPM（TYLFSPM）电机和模块
6、化细轭部LFSPM电机，分析了其工作原理并指出与现有LFSPM电机的不同之处。部分极距比下的模块化TYLFSPM电机结构相间互感可忽略不计，适合容错高可靠性控制策略的实施，能增强直线电机驱动电梯系统的安全性和可靠性。这进一步完善了初级永磁型直线电机的结构体系，为其发展提供了基础。（3）优化了TYLFSPM电机。首先，阐明了电机优化设计流程，包括电流密度的确定和代理模型的应用。温度对初级永磁型直线电机中永磁体性能影响较大，为了避免预设电流密度过高而带来的永磁体性能剧烈下降，本报告采用在优化过程中固定永磁体温度并借助热分析模型反推电流密度的方法。电机优化目标包括净推力、效率、永磁体用量和推力波动率
7、。引入加权系数将电机多目标优化问题转变为单目标优化问题，同时代理模型的应用极大地提高了电机优化效率。其次，针对极距比近似为1的紧凑型和模块化TYLFSPM电机。从中确定了极距比m/s=6.5/6的模块化TYLFSPM电机具有很高的综合性能和容错性。最后，对m/s=6.5/6的模块化TYLFSPM电机的分析通过了实验样机的验证。（4）分析了LFSPM电机的铁耗分布。首先对电机动子、定子铁心几个关键点磁密进行了分析，由此确定了合适的铁耗计算模型。其次，编写了电机效率云图计算程序。在得到LFSPM电机整个运行工作区间内的效率分布云图的同时也得到了动子、定子铁心损耗分布。分析显示定子铁心损耗不可忽视。
8、（5）研究了互补型模块化LFSPM（CMLFSPM）电机控制策略。针对一台样机CMLFSPM电机，本报告深入分析了其控制策略，包括常规控制和无位置传感器控制。本报告首先分析CMLFSPM电机的结构和工作原理并推导CMLFSPM电机在定子坐标系和转子坐标系下的数学模型，验证了矢量控制算法应用于该电机的可行性。其次，搭建基于ATMEGA128单片机的低成本实验控制平台。其中空间矢量控制中采用查表SVPWM，弥补了单片机外设不足和处理速度较慢的缺陷，并进行了实验验证。最后，研究了基于模型参考自适应（MRAS）算法的CMLFSPM电机的无位置传感器控制。实验结果与仿真结果较为接近，带载或者负载突变时系
9、统都有很好的动静态性能，速度响应快，调速范围宽，电机运行速度能够快速地跟踪给定速度；转速估算误差较小，稳态误差在2%-3%左右；实际位置角度与估算位置角度稳态误差在3%-5%左右。（6）搭建了直线电机驱动电梯系统仿真平台。首先，针对一台m/s=6.5/6的TYLFSPM电机进行精确建模。模型能全面考虑饱和、铁耗和空间谐波的影响。模型准确度得到了相应有限元分析的验证。其次，基于该电机模型搭建了电梯系统控制仿真平台，具体包括功率变换器模块、电机子模块、主控制器模块和显示输出模块。最后，针对一种具体电梯运行工况进行仿真，实现了理想电梯运行轨迹运行，保证了电梯运行的平稳性和舒适性。预算执行情况：到目前
10、为止，项目经费计划中省拨款、单位自筹资金已按计划到位，项目组所有单位对科技拨款严格按照科技经费开支单位的有关规定，专款专用，有力的支持了攻关项目的实验，保障了攻关项目的顺利完成。具体项目经费的使用情况如下表所示。 经费单位：万元经费投入经费支出来源投入数科目支出数其中：省拨款支出数投入合计50支出合计42.6928322.722831、省拨款30（一）直接费用37.0128318.222832、部门、地方配套01、设备费3.7690.5693、承担单位自筹20（1）设备购置费3.7690.5694、其他来源0（2）设备试制费00（3）设备改造与租赁费002、材料费7.59364.44363、测
11、试化验加工费0.0050.0054、燃料动力费0.8205、差旅费4.78332.00336、会议费1.2654740.4354747、国际合作与交流费5.8383022.9883028、出版/文献/信息传播/知识产权事务费5.4381543.2781549、劳务费6.84.510、专家咨询费0.92011、其他支出00（二）间接费用5.464.5其中：绩效支出1.121.12经费结余7.30717该项目经费预算金额为50万元人民币，截止 2017年12月13日止总共拨入 项目经费50万元人民币，共计支出项目经费 42.69283 万元人民币，项目经费账面 结余金额为7.30717 万元人民币
12、。剩余项目经费7.30717万元人民币，还有应支未支费用有：项目原理样机加工费用、结题评审费用、结题材料打排版印刷费用、燃料动力费等。三、项目技术情况研究方法方面，从电磁学、电机学、机电能量转换等基本原理出发，建立初级永磁型直线电机的稳态和动态数学模型，深入分析掌握电机运行原理；首先采用磁路法快速计算初级永磁型电机的电磁参数，结合通用功率尺寸方程，得到初步设计方案，送入综合设计仿真计算平台，进行非线性磁场计算（基于Flux的二维/JMAG的三维参数化模型）、铁耗计算和系统级（基于Matlab/Simulink）的性能仿真计算，从而深入分析不同结构和尺寸参数电机的特性。在此基础上运用数学手段推导
13、出最优联调机制，将初级永磁型直线电机本体设计与控制系统设计连为一体，综合考虑，全面提高电机性能。实验方面，建立以dSPACE为核心的硬件在回路实验平台，与综合设计仿真平台下的Matlab/Simulink系统级仿真部分连接，建立电梯实验系统，进行性能实验和控制方法实验，了解各种控制算法需要消耗的系统资源及其可行性，由此确定最优控制方案。技术路线采用理论分析、仿真计算和实验研究相结合。在理论研究的基础上建立数学模型，进行综合设计仿真计算，制造样机，进行实验研究，测试系统性能。根据实验结果，修正数学模型、改进设计方案、优化控制策略和算法。项目解决的关键技术包括：（1）提出了合理、简单、可靠，具备一
14、定容错能力且能够满足电梯驱动要求的新型初级永磁型直线电机结构；（2）分析了该新型初级永磁型直线电机的铁耗分布规律和计算方法，为电机温升计算、热管理奠定基础；（3）根据电梯驱动电机的性能要求特点，给出了适用于电梯直驱用初级永磁型直线电机结构与设计方法的一般性规律，在此基础上总结了电梯直驱用直线电机结构与设计通用性原则与规范；（4）建立了一套综合直线电机结构设计、电磁性能计算、系统级仿真、控制系统性能评估、产品成本控制于一体的电梯直驱用直线电机关键技术集成平台，可为整个电梯直驱行业通用；(5）制造了模型电梯，以检验理论分析和设计方案的可行性和合理性，为工程化应用奠定基础。取得的突破性进展及创新点包
15、括：（1）突破了现有电梯用旋转型永磁电机和感应电机类型的束缚，创造性地提出了电梯直驱用新型初级永磁型直线电机这一全新电机设计思想。不仅保留了现有电梯驱动电机高效、控制方便、性能优越等优点，而且克服了其存在的一些缺点，可实现一井多梯，提高电梯使用效率；（2）直线电机初级采用集中电枢绕组，可以缩短绕组端部长度，使得电机结构紧凑，符合电梯驱动用电机体积小、要求推力（功率）密度高的特点，同时能减小电阻和铜耗，保证电机高效率；（3）直线电机次级上既无永磁体也无电枢绕组，特别适合电梯驱动这样的长行程应用场合；（4）建立了一套将初级永磁型直线电机设计、优化、电磁参数计算和系统级仿真结为一体、高度集成的综合集
16、成技术平台，进一步提高了直线电机从设计到系统级仿真的效率，缩短了开发周期；（5）研究电梯直驱用直线电机的性能要求特点，探索出适用于电梯直驱专用直线电机结构与设计方法的一般性规律。四、合同任务指标完成情况完成了合同主要约定的研究内容，具体为：（1）评估了三种初级永磁型直线电机的综合性能，确定其在不同电梯驱动性能指标条件下的最优电机结构，并提出了新的初级永磁型直线电机；（2）深入分析了所提出的新型初级永磁型直线电机在不同运行模式下次级磁场的分布规律，研究了电机铁耗计算与主要设计参数计算，在电机的优化设计和温升计算奠定基础；（3）电梯驱动用初级永磁型直线电机系统的高性能控制策略、控制器技术并实施了无
17、位置传感器控制技术；（4）建立了初级永磁型直线电机驱动电梯的系统级仿真平台。本项目达到考核指标要求，具体为：（1）所设计直线电机实现了模块化设计，方便模块组装；（2）合作企业协助加工了一台电梯驱动用新型初级永磁型直线电机，为建立生产线积累了技术基础；（3）所加工的直线电机额定速度1m/s，定位误差小于2mm，加、减速度1.5m/s2；（4）申请了中国发明专利4项，其中授权发明2项，登记了软件著作权1项；（5）发表了学术论文6篇。五、项目绩效分析本项目的实施推动电梯直驱相关技术研发、积累等， 打破国外在电梯直驱领域的技术垄断，实现电梯产业的升级换代。我国住宅投资每年在2000亿元以上，其中上海、
18、广东等大城市的住宅投资在300亿元以上，年需住宅电梯可达10000台以上。中低层住宅远多于高层住宅。本项目研发的电梯驱动用新型初级永磁型直线电机可以先期在中低层住宅推广，发挥其结构简单，占地面积少地优势，效益每年可达百亿元。六、存在问题、有关建议及下一步研究设想尽管本项目对电梯用新型直线电机驱动系统及其控制展开了较为深入和系统的研究，但限于时间有限，仍然有一些问题有待进一步深入研究，具体包括以下1、大功率电梯驱动用LFSPM电机的电磁设计及其冷却系统设计有待进一步深入研究。在大功率LFSPM电机中，冷却系统的效率及可靠性直接影响电机的推力输出能力、效率等，进而影响了电机动子重量，最终决定了电梯
19、轿厢的载重能力。因此，本项目在完成了LFSPM电机损耗计算后，可以进一步建立LFSPM电机的发热及散热模型，获得可靠地长时间运行问题温升数据，一方面验证冷却系统的合理性，另一方面对于电机的可靠运行也具有重要意义；2、对于完善初级永磁型直线电机的无位置传感器控制技术，仍需要进一步研究。基于MRAS的无位置传感器控制技术无法保证电机整个运行速度范围内的位置准确估算，尤其是低速区间。因此，有必要研究采取诸如高频信号注入的无位置传感器控制技术，在电机整个运行状态下都能准确估计电机位置，保证电机系统的正常运行，同时提高电机运行效率；3、开展对同一电梯井道多电机协调控制的研究。在直线电机驱动电梯系统中，很大的优势是能在同一井道中布置多台轿厢（也即多台直线电机动子），极大地提高了运输效率。由于经费限制，本项目所做样机长次级上仅有一台动子（模拟轿厢）。长次级直线电机中多台动子协调控制研究对推进直线电机驱动电梯系统的发展具有重要意义。
