论文总字数：18702字

摘 要

随着时代的疾速变化，科技的迅速发展变，电梯成为便利人们生活的一件至关重要不可获取利器。节能、绿色、安全、稳定成为衡量电梯质量的重要标准。近年来功率元件有了多个质的飞跃变化，从开始的半控器件到全控器件，再到后来的复合型功率器件，最后为了减小体积、优化电路，发展到目前的集成电路组装的智能功率模块。

在本设计中无刷直流电机是客运电梯们及控制系统的重点，解决它的驱动问题和控制问题是关键。本文主要是基于现有的科技水平，设计一套基于无刷直流电机的客运电梯门机控制系统。设计中选用的是FSBB20CH6功率模块。由于无刷直流电机的换相特殊性，需要位置传感器的信号经过译码后通过控制电路反馈给电机，从而完成换相，因此设计中选用的是无刷直流电机的专有控制芯片MC33035，它不仅能辅助完成换相任务，还有监控、保护等功能。设计中运用芯片设计了一个闭环控制电路，用来实现对无刷直流电机的状态的控制，最后使用MATLAB对系统进行仿真，并分析实验结果，验证设计是否符合预期目标。

关键词：无刷直流电机；客运电梯门机控制；速度闭环控制；MATLAB仿真

Abstract

With the rapid changes of the times and the rapid development of science and technology, the elevator has become a vital and inaccessible tool to facilitate people's daily life. Energy saving, green, safety and property have become significant standards to weigh elevator quality. In recent years, the power components have changed qualitatively, from the starting semi-controlled devices to the full-controlled devices, to the later composite power devices. Finally, in order to reduce the volume and optimize the circuit, the intelligent power modules assembled by the current integrated circuits are developed.

In this design, brushless DC motor is the focus of control system. It is particularly important to solve the driving and control problems of brushless DC motor. Based on the existing technology levels and brushless DC motor, this paper designs a control system of passenger elevator door crane. Power modules (FSBB20CH6) are selected in the design. Because of the special commutation of brushless DC motor, the signal of position sensor needs to be decoded and fed back to the motor through the control circuit. The special control chip (MC33035) of brushless DC motor is selected in the design, and it can not only assist to complete the commutation task, but also monitoring, protection and other functions. A closed-loop control circuit is designed in the design to realize the control of the state of the brushless DC motor. Finally, the Matlab is used to simulate the system, and the experimental results are analyzed to verify whether the design meets the expected goal.

Key Words：Brushless DC Motor；passenger elevator door control；speed closed-loop Control；MATLAB simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究意义 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 主要研究内容 2

第2章 客运电梯门系统电机原理 3

2.1 客运电梯门系统电机的基本环节 3

2.2 客运电梯门系统电机工作原理 4

2.3 客运电梯门系统电机位置传感器部分 5

2.3.1 客运电梯门系统电机传感器简介 5

2.3.2 霍尔传感器 5

2.4 客运电梯门系统电机的控制方法 6

2.5 客运电梯门系统的机械机构 7

2.6 客运电梯门系统的电气结构 9

2.7 本章小结 10

第3章 客运电梯门机系统的驱动模块和控制模块 11

3.1 驱动模块 11

3.2 控制模块 13

3.2.1 控制模块中的逆变电路 13

3.2.2 控制模块的专有芯片MC33035 14

3.3 基于MC33035的客运电梯门机调速系统设计 15

3.4 本章小结 17

第4章 MATLAB对客运电梯门机控制系统仿真 18

4.1 逆变电路和无刷直流电机部分 18

4.2 换相逻辑控制部分 19

4.3 控制电路和PWM发生部分仿真 24

4.4 系统仿真图 25

4.5 仿真结果 26

4.6 本章小结 29

第5章 全文总结 30

致 谢 31

参考文献 32

第1章 绪论

1.1 引言

人类文明发展初期，人们仅会使用一些简单的传递工具便利生活。公元前1100年前后我国古人发明了轱辘，他们利用圆轮和绳索完成简单的升降运动，从而增加了提升物品的高度^[1]。人类不断地运用智慧改变生活，电梯的前身雏形也降临于世。譬如，古埃及的金字塔的制作少不了简易升降机的帮助。工业革命时期，靠电发动的升降装置也降世。至此开始打开了电梯研究的新篇章。不断地提高电梯的安全性，不断地提高电梯的稳定性，不断地提高电梯的节能性等等，一个一个的目标不断地出现在科技人的脑海中，通过科技的革新方便我们日常生活，用知识的力量开启电梯研究世界的辉煌^[2]。

1.2 课题研究意义

电梯的门机向来就属于电机行业的高端产品，涉及电路、电力电子、自动控制等多个领域，一个电梯产品的好坏也是多项技术的综合体现。由于近年来，全球环境能源的变化趋势的影响，电梯行业也是想着节能、绿色、环保的设计理念靠近。所以这要求商家在运行平稳、安全可靠的要求下，还要坚持绿色节能的理念。除此之外，市场价格也是影响电机性价比的一个强烈的重要因素。市场角度来看，目前高档门机在国内市场主要失败，国外的著名门机生产商所占据。

电梯中常用的门机调速系统主要分为两类：直流和交流调速系统。滞留调速系统又分为两种状态，分别是全磁场和全电压状态。直流电机调速系统的优点：全磁场状态下，调速范围大，是最理想的调速方式。但是设备结构复杂，投入较大^{[3, 4]}。交流调速系统相比较而言又有不少优点：可靠性和运行效率高、免维护、无电刷和换向器，即使在低劣环境下仍可以正常工作。近年来，随着科技水平的不断提高，交流调速系统的性能不断提高，交流电机的地位也不断提高。门机变频器的调节，对门机控制系统的正常运行具有重要的作用。客运电梯门的正常的闭合和开启，需要门机变频器适当的调节门驱动马达。客运电梯的速度控制是客运电梯门机控制系统的重要部分，对于电梯门的开启和闭合过程中门的运动速度的控制至关重要。

1.3 国内外研究现状

在实际应用中，国外已经取得了较为满意的成果。法国的阿尔法斯通公司已经研究出单电机容量30000 kW的交-交变频调速传动设备。又比如意大利的ABB公司设计了一个超大功率的抽水蓄电站，革新了大功率电机调速领域的技术水平^[5]。由于国外的这方面研究时间远多于我国，所以现阶段的国外电机技术高于我国^[6-8]。在风力发电，水力发电中所运用的电机调速技术也是日新月异，现阶段科技讲究自动化和数字化，简化装置体积，运用集成技术将一些复杂的控制模块浓缩。国外的电机调速系统的控制模块还多运用智能集成模块，来实现对电机速度的精准控制^[9]。绝缘栅极双极性晶体管变频器已经实现全数字化控制。我国的变频调速技术也由理论发展到实践，再逐步发展到目前主要生产装置的地位，从多方面考虑其生产工艺水平到全面改善使其符合节能绿色标准，从开环手动控制发展到闭环自动控制，从低压小容量发展到高压大容量的过程。近年来，国家也推出多项政策，不断地为电机变频调速方面的发展提供全面帮助，引进人才，建立实验研究中心。科技兴国，国家对于可记得研究从不吝啬，汇聚多方面力量，鼓动科技发展，从而提高综合国力。

1.4 主要研究内容

本文主要内容是根据电梯门控制的国家标准，掌握客运电梯门运行原理和基本研究方法，采用MATLAB仿真软件对本毕业设计要求的客运电梯门问题进行预测与模拟，根据技术方案搭建主电路模块、控制电路模块、控制策略模块等，按照要求设计出规范的硬件电路图，将仿真结果与试验结果进行比较分析。

本设计的主体内容是对无刷直流电机的速度控制，所以首先介绍无刷直流电机的内部结构、各部分功能以及工作原理。客运电梯门机系统的运动的过程是无刷直流电机转动，带动转动轴运动，通过传送带和齿轮作用带动电梯门的开启和闭合。文章也对门系统的结构有详细的描述。电梯门的运动状态不仅仅包括开启和闭合，还包括一些防夹之类的特殊情况，所以在本设计中运用MC33035一种专门用于无刷电机控制的芯片，来对无刷电机的运行状态进行控制。运用此无刷直流电机专有控制芯片，设计了不同模拟电路，分别为闭环控制和开换控制，其中闭环控制更适用于本设计。通过对闭环控制系统电路原理图的分析，运用MATLAB对整个控制系统进行仿真，得到实验结果与预期的实验目的相比较。

第2章 客运电梯门系统电机原理

无刷直流电机是机电一体化产物，由电机和驱动部分组成。同三相异步电机的定子绕组连接方式相同，无刷电机的定子绕组多为星形连接方式^[10]。电机内部装有位置传感器，通过感应安装在转子上的永磁体判断转子位置，实现换相操作。通过对无刷电机原理结构等部分的介绍，更好的理解无刷电机的运行特点，为后文的控制模块的设计打基础。除此之外本章还对客运电梯门机的结构进行简要介绍，理解力的传动关系以及电气结构的个部分功能。

2.1 客运电梯门系统电机的基本环节

客运电梯门机系统中采用的是无刷直流电机，其结构原理图如图2.1所示.无刷直流电机主要是由电机本体、位置传感器与电子开关线路组成。无刷直流电机属于同步电机的一种，无刷直流电机中有单相、两相和三相的区别，相数不同决定着定子绕组的数量不同。通常使用三相无刷电机。定子绕组通常和功率开关元件联接，位置传感器的转子跟踪与电动机转轴联接。

图2.1 客运电梯门系统电机结构原理图

当定子绕组内通入直流电流时，与转子永磁钢的磁极作用产生电磁转矩，从而驱动磁钢转子转动。磁钢转子的位置信号经过位置传感器，给电机的电子控制电路提供位置信号，经控制电路的信号传递回电机内部，使定子绕组的电流按照一定的次序改变，电机旋转时，电机永磁场和定子绕组的磁场保持垂直，从而保证电机的连续旋转。由于定子绕组产生的磁场和转子绕组产生的磁场频率相同所以起到了换向器的作用。

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