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

 

傳統(tǒng)的電梯牽引系統(tǒng)和門機采用交流旋轉(zhuǎn)電機工作。為了打開和關(guān)閉電梯門，需要一些復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)來將旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)換成線性運動。就電梯的牽引驅(qū)動系統(tǒng)而言，無論是交流電機蝸桿傳動系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)還是永磁電機調(diào)速系統(tǒng)，交流電機響應(yīng)速度慢，控制復(fù)雜，不能滿足未來電梯性能的要求。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，直線電機不易受環(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。

 

 直線電機的發(fā)展和研究情況

    1.1.直線電機的發(fā)展史

 

直線電機的概念是在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階段，即探索實驗階段、開發(fā)應(yīng)用階段和實際商業(yè)化階段。第一階段是直線電機的探索和實驗階段?，F(xiàn)階段，直線電機的設(shè)計還存在一些問題，尚未找到合適的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，直線電機還沒有得到廣泛應(yīng)用?；诳茖W(xué)家在發(fā)展階段對直線電機的研究，取得了巨大的成就，發(fā)表了一些關(guān)于電機的系統(tǒng)著作和文章，極大地促進了直線電機的發(fā)展，同時也引起了研究者的關(guān)注。自1971年以來，直線電機一直獨立使用。在這個階段，研究人員選擇了出了適合直線電機使用的途徑，各種各樣的直線電機被廣泛的推廣，研究出了非常多的具有使用價值的產(chǎn)品，比如沖壓機、空壓機、煤機等。

    1.2.近年來國內(nèi)外對直線電機的研究情況

 

    近年來，直線電機得到了迅速的發(fā)展，很多人都開始對直線電機進行研究。國際上很多公司也逐漸開始研發(fā)直線電機類的產(chǎn)品，比如日本的三井精機公司、美國的Koll-morgen公司、各國的Wesitinghouse公司等等。各種各樣質(zhì)量良好的直線電機產(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系列，其中包含了封閉式異步直線電機和無罩殼異步直線電機。在直線電機的控制系統(tǒng)中設(shè)置了非常標準的接口，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。

       我國對直線電機的研究發(fā)展比較晚，大概是從70年代發(fā)展起來的。不過在國外直線電機使用潮流的影響下，我國國內(nèi)也出現(xiàn)了很多直線電機開發(fā)使用的單位，例如浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)等。我國第一個直線電機研究所在浙江大學(xué)誕生，并且此研究取得了非常不錯的研究成果。目前我國在直線電機方面的研究成果主要有摩擦壓力機、沖壓機、礦山運輸系統(tǒng)、直線電機驅(qū)動門、自動繪圖儀等。這些產(chǎn)品已經(jīng)得到了應(yīng)用推廣。本文主要對直線電機在電梯行業(yè)的應(yīng)用進行探討。

    電梯行業(yè)中直線電機的應(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和啟動的裝置，加速時間和減速時間在運行過程中占有很大比例。特別是在單層運行中，它幾乎完全處于制動和起動狀態(tài)。如果電梯的制動和啟動時間可以減少，可以大大節(jié)省乘客的時間。從這個方面來說，當(dāng)控制電梯的運行時，有必要優(yōu)化其運行時間。此外，當(dāng)減速和加速時，乘客會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。可能會出現(xiàn)頭暈。研究證明，電梯在使用過程中的生理系數(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。除了需要控制運動以外，還需要對通訊、監(jiān)控、顯示等方面的內(nèi)容進行控制。

 

 2. 2. 電梯運動控制系統(tǒng)方案的設(shè)計 

 

  一般情況下，可以把電梯控制系統(tǒng)分成拖動調(diào)速系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)兩個方面的內(nèi)容，根據(jù)控制需求的不同，在應(yīng)用的過程中，要選擇對應(yīng)的控制芯片。在控制系統(tǒng)中主要有電梯運行邏輯功能的控制、電梯群的監(jiān)控調(diào)度、電梯交通分析的計算三個方面，因此在選擇芯片時要選擇可以同時處理多個任務(wù)和有著良好計算能力的芯片，要可以實時的對直線電機進行控制，及時的響應(yīng)輸入信號。當(dāng)前拖動調(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)。在使用的過程中，常常需要把控制電路信號、強迫換信號、急?；芈沸盘枴Q速和平層信號等發(fā)送到同一個控制器，此控制器在進行邏輯運算后，對此信號進行執(zhí)行。使用該控制系統(tǒng)，控制器的計算量很大，極大地限制了系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度。此外，控制器的功能不能進一步擴展，電路非常復(fù)雜，故障發(fā)生后維護非常困難。尤其是對于高層電梯，信號線太多，維護更加麻煩。

 

直線電機電梯采用全數(shù)字微處理器控制系統(tǒng)，解決調(diào)速問題。根據(jù)實際控制要求，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。利用微機控制系統(tǒng)可以對電梯進行群控管理，合理配置電梯，提高電梯運行效率，減少電梯等待時間，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)實際需要改變控制程序。當(dāng)出現(xiàn)故障時，可以對故障進行顯示，使維修變得更加的容易，對電梯的運行效率進行提升，降低故障的時間。拖動調(diào)速控制系統(tǒng)通常由80c196mc(16位單片機)構(gòu)成。隨著控制算法的復(fù)雜程度逐漸提升，16位單片機逐漸被性能更高的DSP芯片取代，這種控制系統(tǒng)主要是由電流檢測、電壓檢測、速度檢測等參數(shù)構(gòu)成。

    2.3.硬件平臺的搭建

    2.3.1.主控系統(tǒng)的搭建

 

在電梯控制、管理和測量的早期過程中，主要采用高級單片機。單片機在應(yīng)用過程中受到資源和速度的限制。電梯通信管理、人機界面、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采樣和控制任務(wù)難以實現(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)字信號處理器和ARM內(nèi)核處理器是嵌入式系統(tǒng)中兩個相對重要的處理器。因為在電梯控制系統(tǒng)的控制過程中，控制、管理和數(shù)據(jù)通信是幾個非常重要的方面，所以ARM是一個很好的選擇。ARM主要由ARM9芯片組成。通過在嵌入式操作系統(tǒng)中進行應(yīng)用可以將電梯運行的指令發(fā)送到拖動控制系統(tǒng)，達到橋廂控制系統(tǒng)和各門廳控制系統(tǒng)串行通信的目的，將電梯的運行狀態(tài)和轎廂的位置發(fā)送到各個門廳控制系統(tǒng)，為了方便對電梯進行調(diào)度和群控，可以和監(jiān)控PC進行連接。

    2.3.2.拖動控制系統(tǒng)的搭建

與傳統(tǒng)的曳引電梯相比，直線電機驅(qū)動的無繩電梯不需要配重和專用機房來安裝驅(qū)動電機，可以節(jié)省大量空間。在安裝過程中，直線電機不需要使用長鋼絲繩來驅(qū)動無繩電梯。使用的機械零件非常簡單，并且在操作過程中幾乎沒有故障點。電梯安裝非常簡單，維護工作量也很少。在建立阻力控制系統(tǒng)時，主要采用數(shù)字信號處理器芯片。和其他處理器相比，DSP芯片更加適合對數(shù)字信號進行處理，DSP芯片主要是由一片TI的DSP芯片構(gòu)成，主要具有下面幾個方面的功能：

（1）可以根據(jù)信號，進行運行邏輯的判斷，對車廂位置和實際速度進行計算。

（2）可以檢測主回路電壓電流的信號，可以對井道位置和光電旋轉(zhuǎn)編碼器位置的信號進行接收。

（3）通過控制直接推力，來對變頻調(diào)速進行控制，實現(xiàn)速度閉環(huán)、電流閉環(huán)和位置閉環(huán)，更加精準的對電梯的運行進行控制。

（4）對各種故障進行處理，比如功率模塊故障、上下沖頂、消防運行等。

（5）實現(xiàn)橋廂控制系統(tǒng)的串行通信對轎廂位置的運行狀態(tài)信息和位置進行發(fā)送。所以拖動控制系統(tǒng)主要使用DSP芯片進行搭建。

 

    2.3.3.廳門和轎廂控制系統(tǒng)的搭建

    在對廳門和轎廂控制系統(tǒng)進行搭建的時候，要使用三角載波和正弦波進行比較，然后產(chǎn)生PWM脈沖序列，當(dāng)正弦波小于三角載波時，對應(yīng)的開關(guān)器會關(guān)閉，當(dāng)正弦波大于三角載波的時候，對應(yīng)的開關(guān)器件會處于連通的情況，產(chǎn)生的脈沖序列會對逆變器的功率開關(guān)器件進行控制。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、集成度要求高的場合進行使用，可以對各種性能要求進行滿足。只需要2~4個時鐘周期，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)動器。具有spI、nc、uart接口。

 

    總而言之，直線電梯是未來電梯的主要發(fā)展方向，就目前對直線電梯的開發(fā)而言，大噸位（譬如美國對航空母艦戰(zhàn)斗機的提升系統(tǒng)）、多轎廂（在一個井道布置若干個電梯轎廂）對直線電梯的開發(fā)具有誘人的應(yīng)用前景；在直線電梯應(yīng)用的過程中，直線電機的控制是非常關(guān)鍵的一個問題。在直線電機控制理論的不斷發(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，直線電機的潛能會更加充分的被挖掘出來。