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摘要：随着社会的不断发展，越来越多的高层及超高层建筑出现在人们眼前，这给电梯行业带来了很好的发展空间。然而在电梯运行中，时常会发生各种安全事故，电梯的失控、超速等一系列问题都给人们的生活带来了一定的负面影响。因此，加强对电梯门机系统的研究非常具有研究意义。基于此，文中笔者就电梯门机系统中机电性能的试验进行了简要的分析。
关键词：电梯门机系统、机电性能、试验研究
中图分类号：TU857文献标识码： A
一、前言
随着高层建筑的不断涌现，电梯的出现给了人们出行很大的便利，但与此同时也伴随着多数电梯安全事故的发生，影响着人们的生活。电梯安全事故的发生主要集中在门系统上，而门的运行状态、电机电流、系统摩擦因数等均是反映门机性能的重要指标。目前，国外针对此也进行过相关的研究，在欧洲、美国等地区已有多个该方面的专利出现，不过他们在对门机性能进行研究时，往往借助加速度信号或者传感检测门的速度来做依据，而后通过一系列的算法对门机性能进行分析，忽略了门机性能与电机电流本身之间存在的映射关系。
文中笔者主要通过对电机电流的变化趋势进行分析，总结电梯门机系统性能。在对大量的数据进行反复分析之后，提取到电流的上、下峰值等特殊信号，为本文的电梯门机系统的机电性能研究提供了科学依据。
二、电梯门机系统试验平台的相关理论
1、门机系统中永磁同步电机的控制
门机系统中最主要的驱动装置就是永磁同步电机，假定id=0，采取相关矢量之间的变换，同时利用坐标等换，变原来的三相系统为两相系统，之后再通过同步旋转转换技术，将转矩分量iq与定子电流励磁分量id两种运动通过数学方法分开处理，以此来实现分别对电机磁链及电流的控制。如图1，图1为门机控制系统的原理图。
图1：永磁同步电机空间矢量控制方框图
永磁同步电机输出转矩方程为：
式中:p为电机极对数;id、iq为定子电流d、q轴分量;Wd、Wq为定子磁链d、q轴分量。
定子电流，，当取参考电流id=idref=0时，电磁转矩的控制是通过电流iq来完成，有
Wf为转子磁链。
2、电梯门的动力学模型
在该电梯门的动力学模型中，假定质点mdoor集中了所有移动质量，在该电梯门的动力模型中，F是电机通过传动装置对门产生的驱动力，Fother是一系列摩擦力，Fcd是强迫关门装置产生的强迫关门力。
图2：门的动力学模型
由牛顿第二定律可知
式中mcd表示重锤质量，在强迫关门力或者弹簧产生的力的作用下，使得电梯层门闭合，由于本文只针对有无重锤两种情况进行考虑，因此Fcd的值应该是一定值，为mcdg。
同时，还有
上式中的req是指滑轮的半径大小（该处是指在等效情况下的半径大小）。
当Fcd不存在时，即假定强迫关门装置失效的情况下，此时， adoor(t)在单位时间内将会发生一些变化，同时伴随着电流iq、以及输出力矩Te和电机转速Xm的数值都将会因此而发生改变。综上，文中主要是通过对电机电流的一系列变化进行研究，对门机的性能做出一定的总结，并根据试验数据搭建试验平台。
三、门机系统试验平台的建立
1、试验平台的组成构建
下图3是试验平台的框图。由于电梯门通常是中分式，采用永磁同步电机作为门机系统的驱动装置，其中电机通过输出传动装置带动轿门运动，而后使用联动装置由轿门带动层门运动。使用主流的id=0的矢量控制技术作为控制策略，使用专门为电机的数字控制设计的16位高性能数字处理器TMS320F2407作为上位机的控制系统。
图3：试验平台框图
DSP2407中内置CAN控制器模块，在PC端装上PCI-CAN通讯卡，实现DSP2407与PC机之间的数据通信，当DSP2407将已经变化过的电流信号id、iq以及编码器脉冲值传输到上位機时，再通过LabVIEW编程开发软件编写出程序实现数据的接收。
2、试验平台的软件和数据的采集
当上位机在接收数据时，需要向门机系统发送一系列的信号指令如：1xxx xxxx，该指令中1是最高位，停止接收数据时就发送以0为最高位的指令，DSP2407中的CAN控制器即停止接收数据。同时，上位机与门机系统进行CAN通讯的波特率设定为固定值，取值66.7 kbit/s。
在下图4的CAN通讯程序框图中，我们可以看出：使用LabVIEW编写程序以便接收数据，这样可以实现对CAN网络通讯中网络的配置、数据信号的发送、指令的接收和存储。其中，在CAN总线上，8个字节为一帧，设定存放q、d轴电流信息为前4个字节，最后两个字节用于存放编码器脉冲数。根据图5一个开门周期内采集的数据可知，当电梯门在最大位移值45cm时，编码器脉冲值实际为1597，这样可以很明朗的对电梯门的位移曲线进行描点连线，计算出其位移曲线。
图4：CAN网络通讯程序框图
图5：门的位移和电流曲线
从图5中可以看出当门处在闭合或完全打开时，id基本为0，iq保持一定值，使满足Te=Tm，电机转速为0。当门在打开或闭合的过程时，id有微小变化，iq则有较大增量，由于强迫关门力在门打开时起负载作用，在门关上时起主动力作用，故iq在门打开时更大些。
四、试验分析
在现代城市中，大部分的电梯安全事故的发生主要原因在于门系统上，门应该关上而没有关上或者门不该打开的时候打开，实际上后者引发的安全事故远远超过前者。这个时候就需要在电梯上安装强迫关门装置，通过强迫层门的闭合来保障用户的安全。
一旦重锤的钢缆断掉，强迫关门装置也会受到波及从而引发安全事故。另外，维护后维修工人忘记再次安装重锤、又或者塑料导轮的长时间多次的磨损以至失效引发安全事故。
通过称重可知重锤的质量的1.41kg，通过计算可知强迫关门力的大小是一定值，为13.818N。如下图6中所示。在此基础上，对门机系统的试验应考虑两种情况：有重锤的情况下q轴的电流变化和没有重锤的情况下q轴的电流变化，取两者的情况进行对比分析。
图6 ：有重锤和无重锤两种情况下q轴电流对比情况
上图演示的是在电梯开门时，机门速度由快到慢，此时电流变化也随着先大后小。假定此时重锤使强迫关门力以负载的形式出现，在无重锤的情况下，电机所承受的负载明显减小，而电流变化曲线也明显下降；而在关门阶段，该时间段内强迫关门力是以驱动力的形式出现，当没有重锤时，电机所承受的负载明显增大，电流变化曲线也明显有上升的迹象。
在表1中，表为开门过程，该表中q轴在有重锤和没重锤两种情况下的电流的比较值，可以很明显的看出：电流的上、下峰值都发生了较为明显的变化，开门阶段由于没有强迫关门力的影响，明显变小，与此同时，开门阶段电机引起的损耗也有所减小。
在表2中，表为关门过程，该表中q轴在有重锤和没重锤两种情况下的电流的比较值，可以很明显的看出：电流的上、下峰值都发生了较为明显的变化，关门阶段由于强迫关门力没有给予推力，明显变大，与此同时，开门阶段电机引起的损耗也有所增加。
在有重锤和没重锤两种情况下，分别对电机电流的变化进行记录，观察分析电流变化上、下峰值以及等性能指标的具体变化，通过对这些能明显表示电机电流变化的特征量与另外一些可能影响门机性能的指标进行综合，进而预测门机系统的性能。
五、总结
综上所述，文中笔者在创建了电梯门机系统性能分析的试验平台的基础之上，以永磁同步电机为驱动装置，分别对d、q轴的电流变化进行采集，通过数据分析，由试验证明：当电梯门不存在强迫关门力时，门机系统的电机电流可以观察到很明显的变化，并从中找出了电流变化上、下峰值以及等能明显表示电机电流变化的特征量，为以后的研究门机的性能打下基础。
参考文献：
[1] 滕泓虬 李春华：《一种新型的电梯门机控制系统》，《微计算机信息》，2009年07期
[2] 郎东革 胡庆：《参数自适应控制在电梯门机系统中的应用》，《沈阳工程学院学报(自然科学版)》，2006年04期
[3] 姚效：《电梯门机速度曲线的自动比较》，《硅谷》，2009年09期
[4] 程众悦 季小尹：《基于DSP控制的无刷直流电机在电梯门机中的应用》，《机械与电子》，2006年06期
[5] 赵永慧 贾广葆：《住宅高层电梯存在的问题及对策》，《上海房地》，2013年10期
关键词：电梯门机系统、机电性能、试验研究
中图分类号：TU857文献标识码： A
一、前言
随着高层建筑的不断涌现，电梯的出现给了人们出行很大的便利，但与此同时也伴随着多数电梯安全事故的发生，影响着人们的生活。电梯安全事故的发生主要集中在门系统上，而门的运行状态、电机电流、系统摩擦因数等均是反映门机性能的重要指标。目前，国外针对此也进行过相关的研究，在欧洲、美国等地区已有多个该方面的专利出现，不过他们在对门机性能进行研究时，往往借助加速度信号或者传感检测门的速度来做依据，而后通过一系列的算法对门机性能进行分析，忽略了门机性能与电机电流本身之间存在的映射关系。
文中笔者主要通过对电机电流的变化趋势进行分析，总结电梯门机系统性能。在对大量的数据进行反复分析之后，提取到电流的上、下峰值等特殊信号，为本文的电梯门机系统的机电性能研究提供了科学依据。
二、电梯门机系统试验平台的相关理论
1、门机系统中永磁同步电机的控制
门机系统中最主要的驱动装置就是永磁同步电机，假定id=0，采取相关矢量之间的变换，同时利用坐标等换，变原来的三相系统为两相系统，之后再通过同步旋转转换技术，将转矩分量iq与定子电流励磁分量id两种运动通过数学方法分开处理，以此来实现分别对电机磁链及电流的控制。如图1，图1为门机控制系统的原理图。
图1：永磁同步电机空间矢量控制方框图
永磁同步电机输出转矩方程为：
式中:p为电机极对数;id、iq为定子电流d、q轴分量;Wd、Wq为定子磁链d、q轴分量。
定子电流，，当取参考电流id=idref=0时，电磁转矩的控制是通过电流iq来完成，有
Wf为转子磁链。
2、电梯门的动力学模型
在该电梯门的动力学模型中，假定质点mdoor集中了所有移动质量，在该电梯门的动力模型中，F是电机通过传动装置对门产生的驱动力，Fother是一系列摩擦力，Fcd是强迫关门装置产生的强迫关门力。
图2：门的动力学模型
由牛顿第二定律可知
式中mcd表示重锤质量，在强迫关门力或者弹簧产生的力的作用下，使得电梯层门闭合，由于本文只针对有无重锤两种情况进行考虑，因此Fcd的值应该是一定值，为mcdg。
同时，还有
上式中的req是指滑轮的半径大小（该处是指在等效情况下的半径大小）。
当Fcd不存在时，即假定强迫关门装置失效的情况下，此时， adoor(t)在单位时间内将会发生一些变化，同时伴随着电流iq、以及输出力矩Te和电机转速Xm的数值都将会因此而发生改变。综上，文中主要是通过对电机电流的一系列变化进行研究，对门机的性能做出一定的总结，并根据试验数据搭建试验平台。
三、门机系统试验平台的建立
1、试验平台的组成构建
下图3是试验平台的框图。由于电梯门通常是中分式，采用永磁同步电机作为门机系统的驱动装置，其中电机通过输出传动装置带动轿门运动，而后使用联动装置由轿门带动层门运动。使用主流的id=0的矢量控制技术作为控制策略，使用专门为电机的数字控制设计的16位高性能数字处理器TMS320F2407作为上位机的控制系统。
图3：试验平台框图
DSP2407中内置CAN控制器模块，在PC端装上PCI-CAN通讯卡，实现DSP2407与PC机之间的数据通信，当DSP2407将已经变化过的电流信号id、iq以及编码器脉冲值传输到上位機时，再通过LabVIEW编程开发软件编写出程序实现数据的接收。
2、试验平台的软件和数据的采集
当上位机在接收数据时，需要向门机系统发送一系列的信号指令如：1xxx xxxx，该指令中1是最高位，停止接收数据时就发送以0为最高位的指令，DSP2407中的CAN控制器即停止接收数据。同时，上位机与门机系统进行CAN通讯的波特率设定为固定值，取值66.7 kbit/s。
在下图4的CAN通讯程序框图中，我们可以看出：使用LabVIEW编写程序以便接收数据，这样可以实现对CAN网络通讯中网络的配置、数据信号的发送、指令的接收和存储。其中，在CAN总线上，8个字节为一帧，设定存放q、d轴电流信息为前4个字节，最后两个字节用于存放编码器脉冲数。根据图5一个开门周期内采集的数据可知，当电梯门在最大位移值45cm时，编码器脉冲值实际为1597，这样可以很明朗的对电梯门的位移曲线进行描点连线，计算出其位移曲线。
图4：CAN网络通讯程序框图
图5：门的位移和电流曲线
从图5中可以看出当门处在闭合或完全打开时，id基本为0，iq保持一定值，使满足Te=Tm，电机转速为0。当门在打开或闭合的过程时，id有微小变化，iq则有较大增量，由于强迫关门力在门打开时起负载作用，在门关上时起主动力作用，故iq在门打开时更大些。
四、试验分析
在现代城市中，大部分的电梯安全事故的发生主要原因在于门系统上，门应该关上而没有关上或者门不该打开的时候打开，实际上后者引发的安全事故远远超过前者。这个时候就需要在电梯上安装强迫关门装置，通过强迫层门的闭合来保障用户的安全。
一旦重锤的钢缆断掉，强迫关门装置也会受到波及从而引发安全事故。另外，维护后维修工人忘记再次安装重锤、又或者塑料导轮的长时间多次的磨损以至失效引发安全事故。
通过称重可知重锤的质量的1.41kg，通过计算可知强迫关门力的大小是一定值，为13.818N。如下图6中所示。在此基础上，对门机系统的试验应考虑两种情况：有重锤的情况下q轴的电流变化和没有重锤的情况下q轴的电流变化，取两者的情况进行对比分析。
图6 ：有重锤和无重锤两种情况下q轴电流对比情况
上图演示的是在电梯开门时，机门速度由快到慢，此时电流变化也随着先大后小。假定此时重锤使强迫关门力以负载的形式出现，在无重锤的情况下，电机所承受的负载明显减小，而电流变化曲线也明显下降；而在关门阶段，该时间段内强迫关门力是以驱动力的形式出现，当没有重锤时，电机所承受的负载明显增大，电流变化曲线也明显有上升的迹象。
在表1中，表为开门过程，该表中q轴在有重锤和没重锤两种情况下的电流的比较值，可以很明显的看出：电流的上、下峰值都发生了较为明显的变化，开门阶段由于没有强迫关门力的影响，明显变小，与此同时，开门阶段电机引起的损耗也有所减小。
在表2中，表为关门过程，该表中q轴在有重锤和没重锤两种情况下的电流的比较值，可以很明显的看出：电流的上、下峰值都发生了较为明显的变化，关门阶段由于强迫关门力没有给予推力，明显变大，与此同时，开门阶段电机引起的损耗也有所增加。
在有重锤和没重锤两种情况下，分别对电机电流的变化进行记录，观察分析电流变化上、下峰值以及等性能指标的具体变化，通过对这些能明显表示电机电流变化的特征量与另外一些可能影响门机性能的指标进行综合，进而预测门机系统的性能。
五、总结
综上所述，文中笔者在创建了电梯门机系统性能分析的试验平台的基础之上，以永磁同步电机为驱动装置，分别对d、q轴的电流变化进行采集，通过数据分析，由试验证明：当电梯门不存在强迫关门力时，门机系统的电机电流可以观察到很明显的变化，并从中找出了电流变化上、下峰值以及等能明显表示电机电流变化的特征量，为以后的研究门机的性能打下基础。
参考文献：
[1] 滕泓虬 李春华：《一种新型的电梯门机控制系统》，《微计算机信息》，2009年07期
[2] 郎东革 胡庆：《参数自适应控制在电梯门机系统中的应用》，《沈阳工程学院学报(自然科学版)》，2006年04期
[3] 姚效：《电梯门机速度曲线的自动比较》，《硅谷》，2009年09期
[4] 程众悦 季小尹：《基于DSP控制的无刷直流电机在电梯门机中的应用》，《机械与电子》，2006年06期
[5] 赵永慧 贾广葆：《住宅高层电梯存在的问题及对策》，《上海房地》，2013年10期