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摘要：电梯作为特种机电设备，其运行的安全和可靠性直接关系到搭乘人员的生命财产安全。而曳引机作为电梯的动力部件，其性能特征、状态检测、故障判断及排除方法的研究显得尤为重要。
关键词：曳引机；硬件在环；矢量控制
1 概论
传统的曳引机性能测试试验方法主要有两种：一种是利用传统的性能测试试验装置研究曳引机在标准规定的载荷情况下的稳态和动态特性，该方法研究过程中施加的载荷较单一，无法真实模拟电梯运行过程中曳引轮在钢丝绳的作用下产生的实际工作负载，因而无法实现曳引机及其驱动和控制系统的优化匹配，也不容易提前发现曳引机在实际运行工况中可能出现的故障；另一种方法是曳引机电梯试验塔综合测试的方法，该方法可以改善其匹配特性，但需要人工不断变化电梯的负载，技术人员不断的进行调试，耗费较多的人力物力，成本较高。另外，随着在用电梯使用时间的加长，曳引机作为主要的动力部件长时期运行容易出现性能下降或功能失效的问题，而目前电梯行业内仍无用于现场的曳引机测试与评价方法。
2 系统总体设计
2.1 系统总体功能及结构
曳引机硬件在环测试系统用于实验室测试曳引机及其控制系统的力矩特性、电流特性，研究制动器的输出力矩特性；模拟曳引机的现场实际运行工况、故障工况，获得曳引机的近似实际和故障运行下的特性，为现场进行曳引机及其控制系统的评估评测（电机性能、控制器性能、制动器性能）提供测试数据和理论模型支持。
系统的规格：用于测试输出功率不小于 10kw 的永磁同步电机；测试的力矩范围0-500NM；测试转速不大于 2000rpm。如图 2-1 所示，电梯曳引机硬件在环综合测试系统的总体结构由安装底座、曳引机安装支架、转矩转速仪、联轴器、伺服电机、伺服驱动器、电流传感器、电压传感器、计算机测控系统等部分组成。
2.2 主要元件及检测参数
根据图 2-1，需要的主要元件有曳引机、模拟负载电机及其驱动装置、转矩转速测试仪、电压电流传感器、联轴器、和隔离模块。
1）曳引机电磁转矩
电磁转矩是反映曳引机性能的一个重要参数，设计的系统可通过转速转矩传感器检测出曳引机在各种工况下的转矩值，并根据输出的电磁转矩的大小和方向判断曳引机的工作状态。
2）曳引机转速
曳引机的转速经过减速比后直接反映为曳引轮的转速，这直接关系到电梯的运行速度。另外，将检测到的转速信号反馈给曳引机控制系统和负载计算单元，用来控制曳引机和负载模拟电机的运行。
3）曳引机输出电流电压
由于曳引机采用 SVPWM 技术来进行控制，电流电压将作为控制信号反馈给曳引
机，控制其转速转矩。
4）曳引机效率
按照GB/T 24478 电梯曳引机国家标准中4.2.3.9的要求，曳引机的效率也是曳引机性能评价的一个重要参数。
2.3 系统机械结构
如图 2-2 所示，电梯曳引机硬件在环综合测试系统的机械总体结构由被测曳引机、万向节、转矩转速仪、转矩转速仪安装座、加载伺服电机、电机底座、安装基座等部分组成。
3 曳引机负载的建模与转矩给定规律
3.1曳引机负载建模
曳引机的负载即包括轿厢、曳引绳、配重等主要部分的电梯机械系统。在对其进行建模时，本文忽略了补偿轮、重量补偿绳和摩擦阻尼器等的影响，且认为轿厢与轿厢架之间、曳引机与地面之间刚度较大。电梯的机械系统经简化后模型如下图 5-1 所示。
3.2典型负载工况下曳引机特性总结
电梯运行时大致有四个工况：
①是空载上行和满载下行，即轿厢或配重较轻的一边上升，这系统释放势能的过程，曳引机工作在发电状态。
②是空载下行与满载上行，即轿厢或配重较轻的一边下降，此时系统势能在不断增加，曳引机工作在电动状态。
③是电梯到达所在楼层减速制动时，系统释放动能，此时曳引机也工作在发电状态。④是电梯在半载或在接近半载状态下运行，此时曳引机工作在平衡或接近平衡工况，这是电梯运行过程中持续时间较长的工况。
4 永磁同步电机控制模型搭建及仿真
Simulink 是 MATLAB 中的重要且高效的组件。它为系统的建模仿真提供了一个简单易操作的集成环境。用 Simulink 在为系统搭建模型时，可以利用组件中已经搭建好的一些典型的模块，然后调整各个模块的参数，并将这些他们互相连接起来组合成为另外一个新的模块。Simulink 建模有很多明显的优点：效率高，无需编程，模块参数灵活可调等等。这些优点使得 Simulink 广泛的运用于控制系统的建模仿真，大大提高了建模的效率。
根据永磁同步电机的数学模型，利用 Matlab 软件中的 Simulink 搭建的系统总体模型如下图 4-5 所示：
采用 Simulink 中自带的 PI 模块，其参数的设置依据 PID 控制中参数的设置规则进行调试。每个控制系统的控制参数都会与这个系统的机械、电气的参数有关系，所以，在进行仿真时，除了理论上计算好比例微分积分参数之外，还需要结合现场的实际情况进行调试，找到最佳的控制参数。
在调试过程中，PID 控制模块的主要控制参数分别为比例、积分和微分系数。它们各自的作用主要如下：比例作用主要作用于系统的偏差误差、响应时间及其控制精度，增大比例系数，系统的响应速度会随着加快，当比例系数增大到一定程度时系统会出现震荡。积分作用主要作用于系统的静态误差，设置合理地积分系数可以有效的消除系统存在的微小的静态误差，但当积分系数到达临界点时系统也会出现震荡，积分作用一般配合比例作用共同使用，控制效果会比较明显。微分作用的加入可以提前控制系统的变化趋势，减小系统的超调量，对系统起到保护作用综上可得，PID 控制参数在很大程度上影响着系统的响应速度、误差以及控制精度。
PI 子模块的参数设置如下表 4-4 所示。
5总 结
本文章立足于曳引机状态分析和检测，属于特种设备安全工程的范畴，开发的技术有助于提高曳引机的检测能力，能提前预知曳引机的一些典型故障，因而为改善电梯的检测技术手段，提供了技术支撑，提高了乘客乘坐电梯的安全性能，具有较好的社会意义。
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论文作者:戴泽康
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/8/1
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