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1、电梯的拖动控制系统,第一节 概述第一节 概述同许多工业生产过程一样，电梯作为机电紧密结合的产品，在其运行过程中，为了维持正常的工作条件，就必须对某些物理量（如：电压、位移、转速等）进行控制，使其能按照一定的规律变化。一、拖动控制系统的基本概念(一)自动控制 所谓自动控制，就是没有人的直接参与，而是利用控制装置本身操纵对象，从而使被控量恒定或按某一规律变化。（二）开环控制 图4-1所示开环转速控制系统，其特点是只有输入量ur对输出量n起单向控制作用，而输出量n对输入量ur却没有任何影响和联系，即系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路。开环系统的方框图可用图4-2表示。图中箭头表示元部件之间信号的
2、传递方向。作用于电动机轴上的阻力矩用Mc表示，称之为干扰或扰动。,图4-1 开环转速控制系统原理图,图4-2 开环转速控制系统方框图,开环控制系统的精度，主要取决于ur的给定精度以及控制装置参数的稳定程度。由于开环系统没有抵抗外部干扰的能力，故控制精度较低。但由于系统的结构简单、造价较低，故在系统结构参数稳定、没有干扰作用或所受干扰较小的场合下，仍会大量使用。（三）闭环控制系统 在图4-1所示系统中，加入一台测速发电机，并对电路稍作改变，就构成了转速闭环控制系统（如图4-3所示）。它克服了开环控制系统精度不高和适应性不强的缺点，由于引入反馈环节，使输出量对控制作用有直接影响。因此，提高了控制质
3、量。相应的系统方框图如图4-4所示。由于采用了反馈回路，致使信号的传送路径形成闭合环路，使输出量反过来直接影响控制作用，以求减小或消除偏差。,图4-3 闭环转速控制系统原理图,图4-4 闭环转速控制系统方框图,闭环控制系统具有很强的抵抗扰动的能力。假设图4-3所示系统原已处在某个给定电压ur相对应的转速n状态下稳定运行，当受到某些干扰（如负载转矩Mc突然增大）而引起转速下降时，系统就自动地产生如下的调整过程：Mc n u=（ur-uf）ua n结果，电动机的转速降落得到自动补偿，使被控量n基本保持恒定。由于闭环控制系统采用了反馈装置，导致设备增多，线路复杂，对于一些惯性较大的系统，若参数配合不
4、当，控制过程可能变差，甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。,（四）基本性能要求 由于各种自动控制系统的被控对象和要完成的任务各不相同，故对性能指标的具体要求也不一样。总体目标都是希望实际的控制过程尽量接近于理想的控制过程，并归纳为稳定性、快速性、准确性和抗扰性。1）稳定性 稳定性是指系统重新恢复平衡状态的能力。任何一个能够正常运行的控制系统，首先必须是稳定的。图4-5为某随动系统对阶跃输入的跟踪过程，其中图4-5a为衰减振荡过程，表示系统是稳定的；图4-5b是等幅振荡过程，表示系统处于稳定与不稳定的临界状态（一般认为是不稳定）；图4-5c是发散的振荡过程，表明系统是不稳定的。不稳定的系统是无
5、法使用的，,图4-5 随动系统对阶跃输入的跟踪过程 a）衰减振荡过程 b）等幅振荡过程 c）发散振荡过程,2）快速性 由于系统的对象和元件通常具有一定的惯性，并受到能源功率的限制，因此，当系统输入（给定输入或扰动输入）信号改变时，在控制作用下，系统必然由原来的平衡状态经历一段时间才过渡到另一个新的平衡状态，这个过程称为过渡过程。过渡过程越短，表明系统的快速性越好，它是衡量现代化交通设施质量高低的重要指标之一。3）准确性 对一个稳定的系统而言，当过渡过程结束后，系统输出量的实际值与期望值之差称为稳态误差，它是衡量系统稳态精度的重要指标。稳态误差越小，表示系统的准确性越好。4）抗扰性 对任一系统，
6、在其控制过程中，都会出现各种各样的扰动信号，而系统对扰动的抵抗能力强弱会直接影响到输出信号或被调量的质量，扰动导致输出量的变化越小，表示系统的抗扰能力越强。（五）比例积分控制在自控系统中，采用比例调节器的闭环转速负反馈控制系统是有静差的调速系统。要想实现调速系统的无静差，就必须改变单纯的比例控制规律，从根本上找出消除静差的方法。1积分调节器由线性集成运算放大器构成的积分调节器（简称I调节器）的组成如图4-6所示。从该图可以看出积分调节器具有如下特点：,图4-6 积分调节器,1）积累作用 只要输入信号不为零（其极性不变），积分调节器的输出就一直增长，只有当输入信号为零时，输出才停止增长。利用积分
7、调节器的这个特性，就可以完全消除系统中的稳态偏差（静差）。实际应用时调节器设有输出限幅装置。2）记忆作用 在积分过程中，当输入信号衰减为零时，输出并不为零，而是始终保持在输入信号为零前的那个输出瞬时值上。这是积分控制明显区别于比例控制的地方。正因如此，积分控制可以使闭环系统在偏差输入（即给定与反馈的差值）为零时，保持恒速运行，从而得到无静差系统。3）延缓作用 从以上分析可知，尽管积分调节器的输入信号为阶跃信号，但其输出却不能随之跳变，而是逐渐积分、线性增长。这就是积分调节器的延缓作用，这种延缓将影响系统控制的快速性。2比例积分调节器由于积分调节器具有延缓作用，因此在控制的快速性上不如比例调节器
8、。如果一个控制系统既要达到无静差又要响应快，可以把比例控制和积分控制两种规律结合起来，构成比例积分调节器如图4-7（简称PI调节器）。,图4-7比例积分调节器,阶跃输入时PI调节器的输出特性如图4-8。可见当突加输入电压Uin时，输出电压突跳到KpiUin，以保证一定的快速控制作用，即比例部分起作用，随着时间的增长，积分部分逐渐增大，调节器的输出Uex在KpiUin基础上线性增长，直至达到运算放大器的限幅值。,图4-8 阶跃输入时PI调节器的输出特性,从PI调节器控制的物理意义上看，当突加输入信号时，由于电容两端电压不能突变，则电容相当于瞬时短路，此时的调节器相当于一个放大系数为Kpi=R1R
9、0的比例调节器，在其输出端立即呈现电压KpiUin，实现快速控制。此后，随着电容C被充电，输出电压Uex在KpiUin基础上开始线性增长（积分），直至稳态。达到稳态后，电容C相当于开路，与积分调节器一样，调节器可以获得极大的开环放大系数，实现稳态无静差。由此可见，比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，互相补充。图4-9绘出了当PI调节器的输入信号为一般函数时（调速系统负载突加时，偏差电压Un即为此波形），调节器的输出动态过程。输出波形中比例部分和Uin成正比，积分部分是Uin对时间的积分曲线，PI调节器的
10、输出电压Uex即为这两部分的和()。可见，Uex既具有快速响应性能，又可以消除系统的静态偏差。,图4-9 一般信号输入时PI调节器的输出特性,某调速系统的组成如图4-10所示，由于系统采用了PI调节器，必然能做到无静差调速，所以下面只着重分析系统抗负载扰动的动态过渡过程（其过渡过程曲线见图4-11）。,图4-10采用PI调节器的调速系统,图4-11 采用PI调节器的调速系统突加负载时的过渡过程 曲线1比例部分的输出 曲线2积分部分的输出 曲线3比例积分的输出,当负载由TL1突增到TL2时，负载转矩大于电动转矩而使转速n下降，转速反馈电压Un随之下降，使调节器输入偏差Un 0，于是引起PI调节器
11、的调节过程。在调节过程的初始阶段，比例部分立即响应，输出KpUn，它使控制电压Uct增加U ct1，经整流后整流输出电压Ud增加Ud1。其大小与转速偏差n成正比，n越大，Uct1（Ud1)越大，调节作用越强，从而使转速沿着曲线缓慢下降。积分部分的输出电压Uct2与Un对时间的积分成正比，即 或（4-19）在初始阶段，由于n（Un）较小，所以积分部分的输出增长缓慢，如图4-11中曲线2所示。当n达到最大值nmax时，比例部分的输出Uct1达到最大值，积分部分输出Uct2的增长速度最大。此后，转速开始回升，n（Un）逐渐减小，比例部分的输出Uct1也逐渐减小，积分部分输出Uct2的增长速度逐渐降低
12、，但其数值本身仍然是向上增长的，并对转速的回升起主要作用，直至转速恢复到原值，n=0，U=0，此时Uct2停止增长，并保持在这个数值上，而比例部分输出Uct1衰减为零。这样积分作用的结果最终使Uct比原稳态值Uct1高出Uct成为Uct2,进而增加了整流电压Ud，从而使转速回到原来的稳态值上，实现了转速无静差调节。,总的Uct变化曲线为曲线1和曲线2相加。在整个调节过程中，初始和中间阶段比例部分的调节起主要作用，它迅速抑制转速的下降，使转速回升。在调节过程的后期，转速降落已很小，比例调节的作用已不显著，而积分调节作用上升到主要地位，并依靠它最终消除静差。从上述的系统抗负载扰动过程变化曲线可以看
13、出，无静差调速系统只是在稳态上的无静差，在动态时（即过渡过程中）还是有差的。一般衡量调速系统抗扰过程的动态性能指标主要有最大动态速降nmax和恢复时间tv(见图4-11)。比例积分调节器的等效放大系数在动态和稳态时是不同的。在动态时放大系数较小，以满足系统稳定性的需要；在稳态时放大系数很大，以满足系统无静差的需要。所以比例积分调节器很好地解决了系统动、稳态之间的矛盾，因而在调速系统和其它控制系统中获得了广泛的应用。,二、拖动控制系统的应用图4-12是电梯拖动控制系统的原理图。主驱动曳引电动机经减速器与曳引轮连接，曳引轮两侧悬挂轿厢和对重，测速发电机与电动机同轴安装，其输出的电压uf 与转速n成
14、正比，uf 作为系统的反馈电压与给定电压ug进行比较，得出偏差信号u，经电压放大器放大成uK，再经功率放大电路得到电动机的电枢电压ua（对于交流电动机还有频率f）。,图4-12 电梯拖动控制系统原理图,当电梯需要运行时，系统接收到起动信号，该信号使电源接通，继而功率驱动部分得电，则曳引电动机具备了工作的条件；同时，速度曲线发生器开始工作，即给出相应的代表速度的电压信号ug，该信号是预先设计好的，如图中的曲线所示。在曳引电动机启动的初始阶段，由于电机的转速n还没有建立起来，测速发电机的输出电压uf几乎为0，则差值u=uguf较大，于是经电压、功率放大后，电机在较大的电枢电压ua作用下很快启动，并
15、逼近期望的速度曲线。若电动机的转速由于某种原因突然下降（例如：电源波动或导轨不直等），该系统就会出现以下控制过程：nufu=（ug-uf）uKuan控制的结果是使电机转速回升，达到期望值为止。在本系统中，电动机是控制对象，电动机轴上的转速n是被控量。转速n经测速发电机测出并转换成适量的电压后，再经反馈通道送至电压放大器的入端与速度给定电压比较后，控制电动机的转速，从而构成一个闭环控制系统。,第二节 速度、位置检测装置,在自控系统中，检测装置所起的作用相当于人的感觉器官，它们每时每刻都要完成对各种信息的测量，再将测得的大量信息通过转换、加工或处理，给自动控制系统、计算机系统提供有效的数据，用以完
16、成控制过程、生产过程以及工艺管理、质量检测和安全方面的控制。可见，检测装置在自动控制领域中占有重要的地位。速度检测装置（一）测速发电机测速发电机是把机械转速变换为与转速成正比的电压信号的微型电机。在自动控制系统和模拟计算装置中，作为检测元件、解算元件和角加速度信号元件等，测速发电机得到了广泛的应用。在交流、直流调速系统中，利用测速发电机形成速度反馈通道以构成闭环控制系统，可以大大改善系统的动、静态性能，提高系统精度，并能明显减弱参数变化和非线性因素对系统性能的影响。而在解算装置中，测速发电机又可作为解算元件，作积分、微分运算。目前应用的测速发电机主要有直流测速发电机、交流测速发电机和霍尔效应测
17、速发电机等。测速发电机的电气图形符号如图4-13所示。,图4-13 测速发电机的图形符号 a）直流测速发电机 b）他励式直流测速发电机 c）永磁式直流测速发电机 d）交流测速发电机,1直流测速发电机 直流测速发电机就是专门测量转速用的微型直流发电机。它的结构与直流电动机相似，由转子、定子及电刷和换向器组成。其中永磁式直流测速发电机采用永久磁铁作磁极，其结构见图4-14。,图4-14 永磁式直流测速发电机结构原理图,图4-14中的转子绕组仅画出了一个（实际有多个），它与电枢共同组成转子，永久磁铁作为磁极构成一个磁感应强度按正弦规律分布的磁场，电刷与换向器实现滑动的电接触，将发电机旋转时产生的电压
18、向外送出。根据电磁感应定律，任何一个线圈在永久磁铁构成的磁感应强度按正弦规律变化的磁场中旋转时，感应电压随转角的变化也成正弦规律变化。这样，在恒速下电压是正弦变化的。由于转子线圈与换向器相连接，所以可以起到整流的作用，使输出的电压成为脉动的直流电压。因为多个转子绕组所产生的电压为相位不同的正弦电压，而每一个绕组又是均匀的分布在电枢上，因此，从电刷上输出的电压基本上是直流电压，其交流纹波仅有23%。当直流测速发电机空载工作时，由于励磁磁通主要由永久磁铁提供，可以认定是恒定的，因此，发电机输出电压与电枢的转速成正比，即Uex=K（4-1）式中 K比例系数角速度因此，就可以根据测得的输出电压大小，得
19、知被测转速。当直流测速发电机有负载时，电枢中的旋转线圈便会产生电流，该电流产生的磁通与永久磁铁的励磁磁通相互作用，消弱了励磁磁通，破坏了输出电压与转速的线性度，使发电机的输出特性产生误差。为了提高直流发电机的测速精度，应尽可能使测速发电机在低负载下工作，即工作在转速变化范围小而负载电阻较大的场合。,由于永磁式直流测速发电机的结构简单、紧凑，温度变化对激磁磁通的影响小，所以在小型测速机中应用很广，特别是随着高性能永磁材料的发展，使永磁式直流测速发电机系列得到迅速发展。图4-15是直流测速发电机的输出特性曲线。其中：RL为负载电阻，当RL=时，测速机空载，随着RL的减小，特性曲线的斜率变小。,图4
20、-15 直流测速发电机的输出特性曲线,直流测速发电机具有线性度好、灵敏度高以及输出信号强等特点，因此在工业自动化检测中被广泛的应用于转速检测和电机拖动闭环控制系统中。一般自动控制系统对直流测速发电机的主要要求是：1）输出电压要与转速呈现性关系，正、反转时特性一样；2）输出特性的灵敏度高；3）输出电压的纹波小；4）电机的惯量小。另外还要求高频干扰小、噪音小、工作可靠、结构简单、体积小和重量轻等。在直流测速发电机上，为了从电枢上取得输出电压，必不可少的要设置换相器和电刷，这就带来了换相器与电刷的磨擦、电压波动和噪声等问题。为了解决此类问题，给控制系统提供高性能的检测装置，人们设计了新型测速发电机，
21、例如：无刷式直流测速发电机，霍尔式无刷直流测速发电机等。,图4-16是霍尔式无刷直流测速发电机的结构与原理图。为了产生正弦函数的电压，让两极已经磁化了的铁淦氧磁铁旋转，形成按正弦函数规律分布的旋转磁场，利用互成直角固定安装的两个霍尔元件来检测磁场，同时通过与定子线圈中产生的和电压成正比的电流，获得与角速度成正比而又没有脉动成分的直流电压。,图4-16 霍尔式无刷直流测速发电机的结构与原理图,2交流测速发电机 交流测速发电机包括同步测速发电机和异步测速发电机两大类。（1）同步测速发电机 分为永磁式、感应子式和脉冲式三种。永磁式交流测速发电机实质上就是一台单相永磁转子同步发电机，定子绕组感应的交变
22、电势的大小和频率都随输入信号（转速）的变化而变化，即（4-2）（4-3）式中=一常系数；电机极对数；定子绕组每相匝数；定子绕组基波绕组系数；电机每极下基波磁通的幅值。永磁式交流测速发电机，由于感应电势的频率随转速而改变，致使电机本身的阻抗和负载阻抗均随转速而变化，所以这种测速发电机的输出电压不再和转速成正比关系。因此，永磁式交流测速发电机尽管结构简单，也没有滑动接触，但是不适用于自动控制系统，通常只作为指示式转速计。,感应子式测速发电机和脉冲式测速发电机的工作原理基本相同，都是利用定、转子齿槽相互位置的变化，使输出绕组中的磁通发生脉动，从而感应出电势。从感应子式测速发电机的工作原理看，它们和永
23、磁式同步测速发电机一样，由于电势的频率随转速而变化，致使负载阻抗和电机本身的内阻抗大小均随转速而改变，所以也不宜用于自动控制系统中。但是，如果采用二极管对这种测速发电机的三相输出电压进行桥式整流，则可以取整流输出的直流电压作为速度信号用于自动控制系统。脉冲式测速发电机是以脉冲频率作为输出信号的，由于输出电压的脉冲频率和转速保持严格的正比关系，所以也属于同步发电机类型。其特点是输出信号的频率相当高，即使在较低的转速下（如每分钟几转或几十转）也能输出较多的脉冲数，因而以脉冲个数显示的速度分辨力就比较高，适用于速度比较低的调速系统，特别适用于鉴频锁相的速度控制系统。,（2）异步测速发电机 按照结构可
24、分为鼠笼转子和空心杯形转子两种。鼠笼转子测速发电机的灵敏度高，但线性度差，相位误差大，剩余电压高，一般用在对精度要求不高的系统中。空心杯形转子异步测速发电机的精度比鼠笼式要高得多，是目前应用最广的异步测速发电机。空心杯形转子测速发电机的结构如图4-17所示。转子是一个薄壁非磁性空心杯，因此转动惯量很小。为了减小误差，使输出特性的线性度好，性能稳定，其转子电阻通常采用电阻率较大和温度系数较低的材料制成，如硅锰青铜、锡锌青铜、磷青铜等。杯的内外由内定子和外定子构成磁路。,图4-17 空心杯形转子测速发电机的结构,图4-18是空心杯转子交流测速发电机工作原理图。在定子上安放了两套彼此相差90的绕组，
25、FW作为励磁绕组，接于单相额定交流电源，CW作为工作绕组（又称输出绕组），接入测量仪器作为负载。交流电源以旋转的杯形转子为媒介，在工作绕组上便感应出数值与转速成正比，频率与电网频率相同的电势。,图4-18 空心杯转子交流测速发电机工作原理图 a）转子静止时 b）转子转动时,下面分析输出电压U0与转速n成正比的原理。为方便起见，先将杯形转子看成是一个导条数目非常多的笼型转子，当频率为f1的励磁电压Uf加在绕组FW上，在测速发电机内、外定子之间的气隙中便产生一个与FW轴线一致的频率为f1的脉动磁通f，f=fmSint（4-4）如果转子静止不动，则类似一台变压器，励磁绕组相当于变压器的一次侧绕组，转
26、子绕组相当于变压器的二次侧绕组。磁通f在杯形转子中感应出变压器电势并引起涡流，涡流产生的磁通将阻碍f的变化，其合成磁通1的轴线仍与励磁绕组的轴线重合，而与输出绕组CW的轴线相互垂直，故不会在输出绕组上感应出电势，所以输出电压U0=0，如图4-18a所示。但如果转子以转速n沿顺时针方向旋转，则杯形转子还要切割磁通1，进而产生切割电势e2p及电流i2p，如图4-18b所示。因e=Blv，考虑到B与fm成正比,U与 n成正比，故e2p的有效值E2p与 m及 n成正比，即E2pfmn（4-5）当励磁电压Uf一定时，fm基本不变，因为 Uf=4.44f1W1f（4-6）故 E2pn（4-7）由e2p产生
27、的电流i2p也要产生一个脉动磁通2，其方向正好与输出绕组Cw的轴线重合，且穿过CW，于是在输出绕组CW上感应出变压器电势e0，其有效值Eo与磁通2成正比，即 E02（4-8）2E2p（4-9）将式（4-9）及式（4-7）带入式（4-8）可得 E0n 或者说 U0=E0=Kn（4-10）上式说明：在励磁电压Uf一定的情况下，当输出绕组的负载很小时，异步测速发电机的输出电压U0 与转子转速 n成正比，其输出特性曲线如图4-13图4-19所示。,图4-19 异步测速发电机的输出特性曲线,（二）旋转编码器旋转编码器俗称码盘，它是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，用以测量转动量（
28、主要是转角），并把它们转换成数字形式的输出信号。旋转编码器有两种基本形式，即增量式编码器和绝对值式编码器（常被称为增量码盘和绝对值码盘）。根据工作原理和结构，编码器又分为接触式、光电式和电磁式等类型。其中接触式是一种最老的转角测量元件，目前已很少采用。光电式编码器是目前用得较多的一种，它没有触点磨损，允许转速高，精度高，缺点是结构复杂，价格贵。电磁式编码器同样是一种无接触式的码盘，具有寿命长、转速高、精度高等优点，是一种有发展前途的直接编码式测量元件。下面只重点介绍在电梯系统中常用的光电式编码器。1光电式增量编码器 光电式增量编码器的结构原理如图4-20所示。图4-20a中的最大部分是一个圆盘
29、，圆盘上刻有节距相等的辐射状窄缝，故称为窄缝圆盘，节距为L。与圆盘对应的还有两组检测窄缝（组与组），它们的节距和圆盘上的节距是相等的。检测窄缝与圆盘的配置如图4-20b所示。、两组检测窄缝的位置错开14节距，其目的是使A、B两个光电转换器的输出信号在相位上相差90。两组检测窄缝是固定不动的，圆盘与被测轴相连。,图4-20 光电式增量编码器的结构原理,当圆盘随着被测轴转动时（检测窄缝不动），光线便透过圆盘窄缝和检测窄缝照到光电转换器A和B上，于是A和B就输出两个相位相差90的近似正弦波的电信号，电信号经过逻辑电路处理、计数后就可以辨别转动方向，得到转角和转速。光电式编码器的信号处理线路方框图见图
30、4-21，信号波形见图4-22。,图4-21 光电式编码器的信号处理线路方框图,图4-22 光电式编码器的信号波形图,从图4-20可以看出，在图示位置基础上正转时（顺时计方向），通过组检测窄缝的光从中间值开始越来越少，而反转时通过组的光越来越多。从图示位置开始，无论正转或反转，通过组检测窄缝的光都是由最少到最多。若圆盘正转，则光电转换器输出信号的相位关系和波形如图4-22（1）所示，信号b比a越前90，经过逻辑电路只输出正转的脉冲信号f。反转时，a越前 b 90，波形如图4-22（2），此时只输出反转脉冲信号。这些脉冲送给可逆计数器累计，就可测出旋转角度。若记下单位时间的脉冲数，就可以测量转速
31、。需说明的是，增量式码盘输出的数字是表示相对于某个基准点的相对转角，即对于这个基准位置码盘所增加（或减少）的角度数量，所以称为增量式码盘。码盘的分辨能力主要取决于码盘转一周时产生的脉冲数。圆盘上分割的窄缝越多，产生的脉冲数就越多，分辨力也就越高。增量式码盘一般每转可产生5005000个脉冲，最高可达几万个脉冲。分辨力高的码盘，直径也大，可以分割到更多的缝隙。此外，对光电转换器输出信号进行逻辑处理，可以得到两倍频和四倍频的脉冲信号，从而提高码盘的分辨率。通常称这种倍频电路为电子细分线路。码盘的分辨能力还可以用它所能分辨到的最小角度来表示，即每一个脉冲所对应的圆心角，通常称为测量精度。如：某个码盘
32、，转一周时输出的脉冲数为1024个（即窄缝数），则其分辨角为（/脉冲）=0.352 码盘的分辨角度越小，则分辨力越高。,2绝对值编码器 绝对值编码器由三大部分组成（见图4-23），它包括旋转的码盘、光源和光电敏感元件。码盘上有按一定规律分布的由透明和不透明区构成的光学码道图案，它们是由涂有感光乳剂的玻璃质（水晶）圆盘利用光刻技术制成的。光源是超小型的钨丝灯泡或者是一个固定光源。检测光的元件是光敏二极管或光敏三极管等光敏元件。,图4-23 光电式绝对值编码器,光源的光通过光学系统，穿过码盘的透光区，最后与窄缝后面的一排径向排列的光敏元件耦合，使输出为逻辑“1”；若被不透明区遮挡，则光敏元件输出低
33、电平，代表逻辑“0”。对于码盘的不同位置，每个码道都有自己的逻辑输出，各个码道的输出编码组合就表示码盘的这个转角位置。对于各码道的输出信号，有几种不同的编码方式。图4-24为二进制编码盘，每一个码道代表二进制的一位，最外层的码道为二进制的最低位，越向里层的码道其代表的位数即“权”越高，最高位在最里层。之所以这样分配是因为最低位的码道要求分割的明暗段数最多，而最外层周长最大，容易分割。显然，码盘的分辨力与码道多少有关。如果用N表示码盘的码道数目，即二进制位数，则角度分辨力为目前绝对值码盘一般为19位，高精度的可达21位。,图4-24 二进制编码盘,采用二进制编码有一个严重的缺点，即在两个位置交换
34、处可能产生很大的误差。例如，在0000和1111相互换接的位置，可能出现从0000一1111的各种不同的数值，因而引起很大的误差。在其它位置也有类似的现象。这种误差叫非单值性误差或模糊。对这种现象可以采用特殊代码来消除。常用的一种编码方法叫循环码（例如格雷码）。采用二进制循环码格雷码的码盘示意图见图4-25。循环码是无权码，其特点为相邻两个代码间只有一位数变化，即二进制数有一个最小位数的增量时，只有一位改变状态，因此产生的误差不超过最小的“l”个单位。但是，将格雷码转换成自然二进制码需要一个附加的逻辑处理转换装置。,图4-25 二进制循环码盘（格雷码盘）,位置检测装置在电梯运行过程中，为获取轿
35、厢的位置、速度、运行方向等信号，完成对电梯的控制，需要设置许多电子开关、机械开关和检测装置。通过这些装置测出控制电梯运行也是影响电梯性能的最重要的控制信号，这些信号包括：强迫换速、急停、门机控制、检修与照明、层站显示、门厅呼梯、校正、换速与平层等。其中换速平层信号用于调速装置的控制，有着严格的时间和空间的关系，是影响电梯性能的最重要信号。在电梯中经常使用的位置检测装置按照传感器的类型可分为接触式和非接触式两种。接触式传感器能够获取两个物体是否已经接触的信号；而非接触式传感器能够判别在某一个范围内是否有某一物体存在或通过光、磁等信号辨别运动物体的位置。接触式传感器 接触式传感器多用行程开关和微动
36、开关等触点器件构成。在电梯系统中多用于接触式门保护和限位保护中。1行程开关 行程开关的结构如图4-26所示。当生产机械的运动部件与挡块1或推杆2碰撞时，使触头3、触头4动作，并使触头的原有状态发生变化，进而将有关的电信号送出。触头的通断速度与运动部件推动挡块或推杆的速度有关。,图4-26 行程开关的结构 1挡块 2推杆 3动断触点 4动合触点 5弹簧片,2微动开关 由微动开关组成的位置传感器具有体积小、质量轻、工作灵敏等特点，经常用于检测物体位置的传感器构造和分布形式如图4-27所示。,图4-27 微动开关 a)构造 b)分布形式,非接触式传感器 在电梯运行中，为使轿厢到达预定停靠站，需要提前
37、一定的距离把快速运行的电梯速度切换为平层前的慢速运行，这种平层时自动停靠的控制装置称为换速平层装置（也称井道信息装置）。为了便于与继电器配合，传感器最常用干簧管传感器和双稳态磁开关。前者使用隔磁板（也称桥板）进行隔磁，后者使用圆形永久磁铁（也称磁豆）进行触发。1干簧管传感器 80年代中期前采用永磁式干簧管传感器作为开关器件的换速平层装置。其中隔磁用的铁板称为隔磁板或桥板，它们通过支架固定在导轨上。当轿厢运动时；安装在轿厢顶部的干簧管U形槽恰好使隔磁板通过，从而引起干簧管的接点切换。干簧管传感器与隔磁板的位置如图4-28所示。,图4-28 干簧管传感器与隔磁板的位置 1平层装置 2传感器 3隔磁
38、板 4支架 5导轨 6接线软管 7轿厢顶,换速平层装置中的换速传感器和平层传感器在结构上是相同的，均由壳体、永久磁铁和干簧管三部分组成。这种传感器相当于一只永磁式继电器，也称为永磁感应开关或干簧管传感器，其结构和工作原理如图4-29所示。图4-29a表示未放入永久磁铁2时，干簧管3的触点由于没有受到外力的作用，其常开接点4是断开的，常闭接点5是闭合的。图4-29b表示把永久磁铁2放进传感器后，干簧管的常开接点4闭合，常闭接点5断开，这一情况相当于电磁继电器得电动作。图4-29c表示当外界把一块具有高导磁系数的隔磁板7插入永久磁铁和干簧管之间时，由于永久磁铁所产生的磁场被隔磁板旁路，干簧管的接点
39、5失去外力的作用，恢复到图4-29a的状态，这一情况相当于电磁继电器失电复位。根据干簧管传感器这一工作特性和电梯运行特点设计制造出来的换速平层装置，利用固定在轿架或导轨上的传感器与隔磁板之间的相互配合，可以实现位置检测功能，为各种控制方式的电梯提供了预定停靠站时提前一定距离换速、平层停靠的控制信号。提前换速点与停靠站楼面的距离与电梯的额定运行速度有关，速度越快，距离越长。一般可按表4-1的参数进行调整。,图4-29干簧管传感器的结构与工作原理 a）放入永久磁铁之前 b）放入永久磁铁之后 c）插入隔磁板之后壳体 2磁铁 3干簧管 4常开接点 5常闭接点 6磁力线 7隔磁板,2双稳态磁性开关 80
40、年代中期以来，多采用双稳态磁性开关（以下简称双稳态开关）作为电梯换速平层装置的器件。这种装置是由位于轿顶上的双稳态开关和位于井道的圆柱形永久磁铁（以下简称磁豆）构成，如图4-30所示。,图4-30 双稳态开关换速平层装置 1双稳态开关座板固定架 2磁豆固定横梁 3双稳态开关 4磁豆固定塑料架 5磁豆 6双稳态开关座板,图4-31 双稳态开关 1壳体 2干簧管 3方块磁铁 4引出线,双稳态开关的结构比较复杂。其中两只方块磁铁的N极和S极构成一个闭合的磁场回路，它类似于两只电池顺向串接成的电路。两只方块磁铁构成的磁场力用于克服干簧管内接点的弹力，使干簧管接点维持断开或闭合中的某一状态。只有电梯在上
41、下运行中，当双稳态开关接近或路过磁豆，磁豆N和S极之间的磁场与两只方块磁铁构成的磁场相叠加的结果，才能使干簧管的接点翻转变态，以此控制相关电路。两只方块磁铁的N和S极所构成的磁场强度，与单个方块磁铁的磁场强度及两只方块磁铁的距离有关，如果构成的磁场强度太强，则双稳态开关接近或路过磁豆时，干簧管的接点状态不会翻转，如果磁场强度太弱，则不能使接点维持翻转后的状态。因此双稳态开关对方块磁铁、干簧管和磁豆的安装位置以及尺寸等的质量要求都比较严格。实际使用过程中，当电梯向上行时，双稳态开关接近或路过磁豆的S极时动作，接近或路过N极时复位。反之电梯向下运行时双稳态开关接近和路过磁豆的N极时动作，接近或路过
42、S极时复位，以此输出电信号，实现控制电梯到站提前换速或平层停靠的功能。双稳态开关与磁豆的距离应控制在68mm之间。双稳态开关是当前广泛应用微机于电梯控制中不可缺少的重要一环。综述其工作原理，即装于电梯轿厢上的双稳态开关随着电梯轿厢运行而经过井道内各个层楼的永久磁铁（磁豆）时的变化量经“异或非”电路而转化成二进制信号，并输入计算机的比较环节，进而决定出电梯的运行方向。这种方法快速而准确，必将随着电梯控制系统中微机控制系统的广泛应用而发展。,第三节 直流电梯的速度闭环控制,早期的电梯多采用直流拖动控制系统。因为直流电梯速度快、舒适感好、平层精度高。目前这种系统在梯速大于2.0m/s的电梯中仍有应用
43、（包括有齿轮的和无齿轮的）。直流电动机的转速可由下式表示：（4-11）式中：Ua 电机进线端的电压 Ia 电枢电流 Ra 电枢电阻 Rt 外接调整电阻；Ce 电势系数 励磁磁通 由上式可知，直流电机的转速主要与输入电机的端电压、外接调整电阻及励磁磁通有关，只要改变其中的某个参数，均可改变电机的转速。其中改变端电压Ua比较理想，因为采用了闭环控制的直流调速方法，在不同电压下的特性曲线均是平行的，即在同一电压下负载变化时，其转速变化不大，特别是用比例积分调节控制规律时，可以使静态速降为0。直流电梯的拖动控制系统通常有两种：一是用发电机组构成的晶闸管励磁的发电机-电动机拖动控制系统（如图4-32所示
44、）；二是变流装置直接供电的晶闸管-电动机拖动控制系统（如图4-33所示）。两者都是利用调整电动机端电压Ua的方法进行调速。前者是通过调节发电机的励磁改变发电机的输出电压（即电动机的端电压）进行调速，简称为晶闸管（可控硅）励磁控制系统；后者是利用静止变流装置（三相晶闸管整流），把交流变为可控的直流，供给直流电动机的调速系统。显然，图4-33所示的拖动控制系统省去了直流发电机组，因此降低了能耗和造价，使结构更加紧凑。,图4-32 晶闸管励磁的发电机-电动机拖动控制系统,图4-33 变流装置直接供电的晶闸管-电动机拖动控制系统,上述两种直流电梯的控制系统中都采用了晶闸管变流装置，尽管这种装置使得控制
45、系统的经济性与可靠性有了明显的提高，在技术性能上显出较大的优越性，但也有其弱点，首先，由于晶闸管的单向导电性，不允许电流反向，使系统的可逆运行困难，因此需要正、反向运行的场合，必须采用正、反两组整流电路，所用的变流设备需要增加一倍。其次，晶闸管元件对过电压、过电流以及过高的电压、电流变化率（du/dt和di/dt）都十分敏感，其中任何一项指标超过允许值都可能在很短的时间内损坏元件，因此，必须有可靠的保护装置和复合要求的三绕条件，而且在元件选择时还应该留有适当的余地。最后，当系统处在深调速时（即轿低速运行），晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的高次斜波电流成分，引起电网电压波
46、形畸变，殃及附近的用电设备。当晶闸管调速设备在电网中中所占容量的比重较大时，就会造成电力公害，因此，必须采取无功补偿和谐波滤波装置。,一、晶闸管励磁的发电机-电动机拖动控制系统图4-34是一快速直流电梯速度调节系统原理图，它采用闭环控制方法，在给定环节与速度调节环节中都采用了比例积分控制规律。系统中的给定信号（亦称指令信号），一般是典型的串联型稳压电源。给定电源经分压电阻后给出的是阶跃信号，再经积分转换变成了软化处理后圆滑的梯形信号。测速发电机可以取得与电梯速度成正比的电压信号。速度给定信号与测速机输出的电压比较后得到偏差信号之后，送到具有比例积分的速度调节器进行放大调节。要求调节环节的响应过
47、程既快又稳，不能引起响应信号的振荡。然后放大后的输出信号加到反并联的两组触发器上，使两组触发器同时得到两个符号相反、大小相等的控制信号，控制两组触发器的输出脉冲，同时向相反方向作相等角度的移动，用以控制可控硅整流器的输出电压的大小和极性。晶闸管整流器的输出电压控制直流发电机的励磁磁通，使发电机电枢的输出电压随之变化，电动机的转速随发电机的输出电压而变化，最终使速度跟随给定的速度曲线变化，达到速度自动调节的目的。,图4-34 快速直流电梯速度调节系统原理图,在该系统中，当转换器输出一个正电压时，与测速发电机电压比较后，加给速度调节器一个正的速度误差信号，速度调节器输出一个负电压，使正向组触发器的
48、输出脉冲前移，正向组晶闸管变流器工作在整流状态。与此同时，反向组触发器的输出脉冲后移，反向组晶闸管变流器工作在待逆变状态。结果供给发电机一个正的励磁电流，并输出正电压，电动机正转，电梯上升运行。反之，则电机反转，电梯下行。图4-35为高速电梯速度自动调节系统原理图。与图4-34所示的快速梯相比较，增加了电流调节器、电流检测、预负载信号和电平检测等环节，从闭环控制系统的角度看，实际上是增加了一个内环，形成了双环控制，内环为电流环，外环是速度环。电流调节器在内环的前向通道上，可以提高系统的动态品质，使电梯起、制动过程中主回路电流的丰满度较好。另外在电流调节器的同相输入端还加进了轿厢的预负载信号，该
49、信号可由称量装置检测得到，并把重量信号转换成电信号，以反映轿厢内的重量，使主回路产生一个预负载力矩，避免抱闸打开瞬间而产生溜车。,图4-35 高速电梯速度自动调节系统原理图,二、变流装置直接供电的直流拖动控制系统 由于晶闸管励磁的发电机-电动机拖动控制系统的电路复杂，调试维修不便、体积大、噪音大、占空间多而且能耗也大。因此在大功率晶闸管变流装置的技术及其元件质量得到极大提高的今天，将完全有可能用晶闸管变流装置取代发电机组直接向直流电动机供电。这样的拖动控制系统控制方便、重量轻、噪音小、维修容易，可节能30左右。图4-36是一变流装置直接供电的直流高速电梯速度自动调节系统原理图。它主要由两组晶闸
50、管取代了传统系统中的直流发电机组。两组晶闸管可以配合进行相位控制，或处于整流或处于逆变状态。当控制电路对给定的速度指令信号与速度反馈信号、电流反馈信号进行比较运算后，就决定了两组晶闸管装置中哪一组应该投入运行，并根据运算结果，控制晶闸管变流装置的输出电压，即曳引电动机的电枢电压。于是，电梯便跟随速度指令信号运行。,图4-36 变流装置直接供电的直流高速电梯速度自动调节系统原理图,图4-37 控制电路框图,常用的可控整流电路是将电源变压器接成三角形-星形，副边有中心抽头。正反向晶闸管变流装置分别把电源变压器三相的正半波或三相的负半波换成直流电，正向或反向加于直流电机的电枢端，使电机正转或反转。而
