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    摘要：開發一種應用先進的直線電機驅動技術的新型自動化立體停車庫，對于提高停車的地面利用率和存取速度，降低立體停車系統的故障率，提高其可靠性，具有關鍵作用。本文介紹了基于貝加萊工控系統的扁平型直線感應電動機驅動立體停車庫解決方案，首先論述了三相扁平單邊型直線感應電動機驅動的基本原理和立體停車庫的布置及機電設備，重點描述了該類立體停車庫自動控制系統的構成、主要功能和特點以及載車平板的平移和升降驅動，最后總結了直線電機驅動立體停車方案的優點。

    關鍵詞：直線電機驅動技術；立體停車庫；平移驅動；Ethernet Powerlink；ACOPOSinverter變頻器

    Abstract: To develop a kind of new type    three-dimensional automation garage by using advanced linear motor driving technology is   a key    factor for increasing parking ground utilization rate and speed of saving and taking cars, reducing failure rate of three-dimensional parking system and improving its reliability.   A solution of three-dimensional garage with the flat-type linear induction motor driving based on B&R’s industrial control system is introduced in this paper. Firstly, the fundamental principles of the three-phase flat single sided linear induction motor driving are introduced, as well as the arrangement and related electro-mechanical equipment.Then the composition, main functions and characteristics of  such stereo-garage’s automatic control system as well as the planar shift and lifting driving of the car loading plate are elaborated in details. Finally, the advantages of the linear motor driving stereo-parking scheme are summarized.

    Key words: Linear motor driving technology; Three-dimensional garage; Planar shift driving; Ethernet Powerlink; ACOPOSinverter frequency converter

    隨著社會的發展和人民生活水平的日益提高，我國私人汽車的保有量急劇增長，城市的可利用空間卻擴展較慢，停車難的問題日益突出，已成為影響市民生活的一個重要因素。

    目前國外某些城市人口密度較大國家（地區）的大城市，如日本東京和新加坡城，在城市中心區域的大廈和大型公共設施旁以及部分高層住宅區建有大量與之配套的自動化立體停車樓，雖然存取車的自動化程度較高，但多采用傳統的機電式。

    如今我國的很多大城市也建有立體停車樓，大部分是自駕式多層停車樓，談不上控制，少數自動化停車樓也幾乎都是傳統的機電式的，主要采用“電梯倉儲式”和“水車式”。

    傳統的機電式方案 ，有的電力消耗較大（如“水車式”），有的機械結構復雜，設備故障率高，很難保證正常使用（如“電梯倉儲式”）。因此，開發一種應用先進的扁平單邊型直線感應電動機驅動技術的新型自動化立體停車庫，對于提高停車的地面利用率和存取速度，降低立體停車系統的故障率，提高其可靠性，具有關鍵作用。

    1　直線感應電動機的平移驅動原理

    直線感應電動機（Linear Induction Motors 簡稱LIM） 是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要中間轉換機構的傳動裝置。可將它看成是一臺旋轉電機沿徑向剖開，然后沿電機的圓周展開成的一條直線。直線感應電動機的工作原理與旋轉感應電動機相類似，當直線感應電動機初級的三相繞組被交流電流激勵時，便在氣隙中產生行波磁場，次級在行波磁場的作用下，將感應出電動勢并產生電流。氣隙磁場與次級電流的相互作用產生電磁推力，在此推力作用下，初級與次級之間產生相對運動。如果初級固定，那么次級將沿著行波磁場運動的方向作直線運動；反之，若次級固定，初級將沿著行波磁場移動的相反方向運動[1]。

    如圖1所示，采用三相扁平單邊型直線感應電動機驅動方案。在立體停車庫的每層平面上安裝一系列的縱向和橫向直線電機初級塊，在每個停車單元中各裝設四個初級塊，兩縱向和兩橫向。每個初級塊由多開口E字形硅鋼片鐵芯和三相繞組構成，其三相繞組的勵磁相序決定了該初級塊的旋轉磁場方向以及對次級塊所產生的水平推力方向。每一載車平板的底部與初級塊磁路相對的部分覆蓋鋁板，作為直線電機的次級塊。對直線電機的初級塊繞組加以不同相序的勵磁時，將對壓在其上的次級塊產生不同方向的水平電磁推力，同時次級塊也受到豎直方向（法向）上的推力（自懸浮力）[1]。

                    
                              圖1 直線電機驅動兩維平移的基本原理示意圖

    當某一停車單元的兩縱向初級塊的磁場方向相同而其橫向初級塊的磁場方向相反時，則該停車單元的次級塊（載板）在受到一定的自懸浮力的同時將馱載著汽車向前或向后移動，若與其前（后）相鄰的第二位置的四個初級塊的勵磁情況與它一致，則該次級塊（載板）繼續前進（或后退）一個位置，其縱向平移運動規律可以此類推；當該停車單元的兩縱向塊的磁場方向相反而兩橫向塊的磁場方向相同時，則其次級板在受到一定的自懸浮力的同時將馱載汽車向左或向右移動，若與其左（右）相鄰的第二位置的四個初級塊的勵磁情況與它一致，則該次級板繼續左移（或右移）一個位置，其橫向平移運動規律可以此類推；由PLC的程序控制有關停車單元初級塊的勵磁順序和旋轉磁場方向，并借助于改變初級塊繞組的勵磁電流頻率來調節次級塊的移動速度，即可將所需要的次級板按設定路線和速度平移到指定的位置上。

    通過PLC程序的控制和平移及垂直驅動，可在很短的時間內將擬存放的汽車從存放入口輸送到所指定的某層某停車位置，也可迅速地將所需取出的汽車從庫內的某停車位置取出來。上述方案也適用于立體倉庫中的貨物存取。

    整個停車系統是由以PLC為核心的控制系統控制的，扁平單邊型直線感應電動機、變頻器和位置檢測開關確保了載車平板的精確移動，傳感器提供了系統狀態和位置方面的持續操作數據，便于控制和監測。

    2　扁平直線電機的特性分析和參數估算

    2.1　扁平直線電機的驅動特性分析[2]

    （1）速度與頻率的關系

    扁平直線電機的推力和同步速度與輸入端的電壓和頻率關系密切，在電機額定輸入線電壓380V不變的情況下，改變輸入頻率，直線電機的同步速度將會發生變化。

    其同步速度Vs=2Γf，式中Γ為極距，此時同步速度Vs只與頻率f 有關，而實際運行速度Va = (1-s)Vs（s為轉差率），如圖2所示。

                   
                               圖2 速度與頻率的關系

    從圖2中，還發現扁平直線電機的轉差率隨輸入頻率的增大而變小。

    （2）推力與頻率的關系

    在扁平直線電機的推力測試中，如果保持輸入電壓不變，增高輸入頻率，則直線電機的堵動推力逐漸增大并在43Hz 左右達到最大值，之后又呈逐步下降趨勢，如圖3 所示。 

                   
                                     圖3 推力與頻率的關系

    （3）推力與速度的關系

    直線電機的加速過程是一種變加速過程，隨著速度的提高，電機的推力和加速度都會隨之減小，如圖4所示。

                
                                    圖4 推力與速度的關系

    2.2　平移驅動扁平直線電機的參數估算

    在該例中為使汽車平移保持較低的正常運行線速度（約2m/S），將該扁平直線電機的極距確定為60mm，正常工作頻率為25Hz，其同步速度Vs = 2Γf = 2*60*25 = 3,000mm/s = 3m/s。從圖2中可查得在這種條件下該直線電機的轉差率s約為0.3，則實際運行速度Va = (1-s)Vs =（1-0.3）*3m/s = 2.1 m/s。

    載車平板和汽車的最大重量Wmax為3,000kg，考慮到直線電機初級塊對次級板的法向推力（自懸浮力），其對滑軌產生的實際正壓力將比Wmax小一些。當其在滑軌上平移時，僅受到滾動軸承的滑動摩擦阻力。設摩擦系數μ 的范圍為0.01~0.02， 這里取μ = 0.02，則最大摩擦阻力f max = μ *Wmax = 0.02 × 30,000N = 600N。從圖3 中可看出，當該直線電機輸入頻率為25Hz時，負載電流約為18.5A，推力約為480N；而從圖4 中可看出，當該直線電機運行速度在2.1m/s時，其推力在450N左右，驅動載車平板的2臺扁平直線電機的推力之和約為900N，為最大摩擦阻力600N的1.5倍，也即載車平板（次級塊）可以保持約2m/s的運行速度。

    必須指出，直線電機特有的邊緣效應產生的附加電流將使電機的損耗增加，功率因數降低而導致推力減小。另外由于滑軌安裝誤差造成的電機初次級間氣隙不一致也是造成推力下降的重要因素。

    3　立體停車庫的結構和設備

    3.1　立體停車庫的建筑結構該立體車庫擬采用鋼筋混凝土框架結構，車庫主體為12層（高31.2m），升降塔為13層（高34.2m）。每一停車層之間用混凝土樓板隔離，這樣不但整體結構的剛性較好，而且有利于防火以及防止車輛油、水滲漏擴散。升降機房和每一停車層均設通風裝置，每一泊位均設照明、火災報警及自動滅火裝置。

    3.2　立體停車庫的布置和機電設備[6]

    同層內設置多車位，采用直線電機縱/橫向平移驅動方式。雖然直線電機驅動的理論和技術是成熟的，但缺乏其在汽車平移驅動方面的實際經驗和相關的技術標準。

    該方案是建造一座12層地上立體停車庫，停放的車型包括C級轎車、小面包車和SUV及以下尺寸和重量的車輛。每一停車層的層間距為2,600mm；每一停車位的容積是5,200mm（長）*2,250mm（寬）*2,200mm（停車凈高）。每層雖然有6個平面驅動單元，但只能設5個停車位，因為與升降塔相鄰的5號單元必須空置，這樣同一層的車輛才能實現平面移動。該立體車庫共設有60個車位，主體的外形尺寸為17,000mm（長）*5,200mm（寬）*31,200mm（高）（升降塔高34,200mm），占地面積約為100平方米，建筑面積約1,080平方米，每輛汽車平均占地面積為1.67平方米。其立面和底層平面布置如圖5所示。

                            
                             圖5 60車位立體停車庫立面和底層平面布置示意圖

    每一層的停車平面上縱橫相交的滑軌，將其劃分成6個單元（其中臨近出/入口的單元作為平移緩沖空位，不能安排停車）。載車平板主體為用高強度、高剛度材料加工制成的平板，其上部全部覆蓋帶條紋的防滑硬質橡膠（防止車輛產生縱向滑動），其底部與初級塊磁路相關的部分覆蓋一層10mm厚度的鋁板（直線電機的次級）。鋁合金框架鑲嵌在載車平板的四周，其底部安裝有若干組滾珠，載車平板通過它們與縱向和橫向滑軌接觸，以減小滑動時的摩擦阻力；在馱載汽車的極限負重情況下（按最大負荷3,000kg考慮），載車平板的鋁質底部與停車單元初級塊E字形鐵芯的上端部的間隙為1.5mm~2.5mm。每一停車單元均裝設有縱向和橫向載車平板光電定位檢測裝置、煙霧及火源檢測裝置以及自動消防裝置。

    該停車庫設有汽車升降塔及一個可升降的存（取）車入（出）口單元，其上設有載車平板縱向和橫向光電定位檢測裝置以及汽車的前、后、左、右和高度限制光電檢測裝置。在升降塔的頂部裝設有一臺供入（出）口單元載車平板升降的卷揚驅動裝置，采用三相交流異步電動機變頻調速控制方式，其升降、調速和各層的平層控制方式與一般的電梯控制類似。

    該自動化立體停車庫設有可供選擇的PLC程序自動和PLC手動控制兩種工作方式；通過觸摸屏的HMI畫面實現存/取車數據輸入、操作和運行狀況監視；還設有自動刷卡繳費、煙霧和火災檢測報警、電話預約取車和數據/事件記錄及管理系統。

    4　基于貝加萊工控裝置的立體停車庫自動化控制系統

    4.1　系統構成[5]

    該立體停車庫自動控制系統以PLC為核心，采用貝加萊的X20系列PCC（可編程計算機控制器）作為主控制器，配置了X20CP1486標準CPU模塊1塊和I/O模塊若干塊（X20系統背板采用X2X Link總線傳輸，傳輸速率為12Mbit/s），其中含數字量輸入點約300余點（主要用于各停車單元和升降機構的位置檢測輸入）和數字量輸出點300余點（主要用于各停車單元初級塊繞組變頻激勵的選通信號輸出）以及與之配套的電源模塊X20BR9300若干塊。根據本文2.2節的估算結果，平移驅動扁平直線電機的負載電流為16~20A，按具備驅動2臺直線電機的功率考慮，選擇400V 22kW等級的變頻器。按照最優化分配驅動資源的原則，該立體車庫12層的72個平移驅動單元可共用4臺變頻器。該系統共配置了6臺400V 22kW平移驅動變頻器（含升降間的載車單元單獨配置的2臺）和1臺400V 30kW升降驅動矢量控制變頻器，它們均選用貝加萊的ACOPOSinverter系列。

    該立體停車庫的監控系統則配置了1臺集成UPS的貝加萊APC910新型工控機和1臺Automation Panel觸摸屏。APC910主要用于系統設置、后臺監視、數據存儲、事件記錄和收費管理，一旦外部電力供應中斷，UPS就會對數據進行安全備份并執行正常關閉程序，以防止未保存數據的丟失；觸摸屏主要用于工作方式選擇、在線存取車輸入、在線監視、手動操作和報警信息顯示。

    該系統采用了Ethernet   POWERLINK實時以太網技術，X20CP148與7臺ACOPOSinver ter系列變頻器通過Ethernet POWERLINK實現實時高速數據通訊；而X20CP1486與APC910工控機和Automation Panel觸摸屏之間，則通過工業以太網交換機實現數據通訊。

    在軟件方面，采用了貝加萊的Automation Studio集成軟件開發平臺，全部應用軟件均基于該平臺完成設計和開發。

    該立體停車庫自動化系統硬件架構如圖6所示。

    4.2　載車平板的平移和升降驅動

    按照最優化分配驅動資源的原則，一層需配置4臺變頻器，即6個平移單元的前、后、左、右刺激塊繞組各由1臺變頻器激勵。考慮到升降機構和汽車進、出需要時間（因樓層高低而不等，約在20s~ 50s范圍內），準備下一次存（取）車的有關層可利用這個時間段來完成平移驅（最遠單元與進（出）口單元之間所需的5次平移時間之和在20s以內），故該立體車庫12層的72個平移驅動單元可共用這4臺變頻器。每層有6個平移驅動單元，每個驅動單元各裝備有2個縱向初級塊（前、后）和2個橫向初級塊（左、右），該6個單元共有24個初級塊，共用4臺400V 22kW變頻器。它們的驅動對象具體分配如下：1#變頻器：第1~6單元的6個前初級塊（12層共72個）；2#變頻器：第1~6單元的6個后初級塊（12層共72個）；3#變頻器：第1~6單元的6個左初級塊（12層共72個）；4#變頻器：第1~6單元的6個右初級塊（12層共72個）。升降間的載車平移驅動單元也裝備有2個縱向初級塊（前、后）和2個橫向初級塊（左、右），它們各由1臺400V 22kW變頻器供電激勵。

                     
                                圖6 立體停車庫自動化系統硬件架構圖

    根據擬存、取車單元的位置，PLC自動安排次級塊（即載車平板）的最佳運動路線，共擬定了存車和取車運動路線各5種。并基于PLC程序控制，自動按順序和所需相序選擇接通相關初級塊的縱向和橫向繞組，通常需要同時并以相同方式激勵相同驅動方向上的相鄰兩個平移驅動單元的初級塊繞組。

    載車平板的升降卷揚裝置由1臺22kW三相異步電動機驅動，配置1臺400V 30kW矢量控制變頻器。

    上述6臺400V 22kW平移驅動變頻器以及1臺400V 30kW升降驅動變頻器均由PLC通過Ethernet Powerlink 實時高速以太網實施控制。載車平板的平移和升降驅動簡化原理如圖7所示。

                    
                               圖7 載車平板的平移和升降驅動簡化原理圖

    4.3　主要功能及特點

    4.3.1　主要功能

    （1）設有自動和PLC手動控制兩種存取車工作方式，通常采用自動方式，手動方式僅用于調試、維修和故障處理。

    （2）在入（出）口單元上設有載車平板縱向和橫向光電定位檢測裝置以及車輛的前/后、左/右和高度限制光電檢測裝置，以限制存入車輛的外形尺寸并控制其初始位置，為后續流程創造條件。

    （3）通過觸摸屏的HMI畫面輸入存/取車數據，借助PLC程序自動確定的路線和平移及垂直驅動，可迅速地將所需存放的汽車輸送到自動分配的停車位置，也可迅速地將所指定的汽車從庫內取出。

    除HMI操作外，還可以通過IC卡輕松實現操作。把車駛上載車平板，熄火并確保車輛停止，然后將卡放在讀卡器上以指示系統自動操作，于是該停車系統將會自動將車輛送入泊位。

    （4）通過觸摸屏的HMI畫面實現操作和運行狀況監視、事件和報警信息顯示等功能。

    （5）載車平板與其馱載的車輛一一對應綁定；存（取）車數據存儲和事件記錄。

    （6）自動刷卡繳費及電話預約存/取車等管理功能。

    （7）設有載車平板光電定位檢測、煙霧和火災檢測報警以及自動消防等安全功能。

    4.3.2　系統特點

    （1）采用了三相扁平單邊型直線感應電動機平移變頻驅動方案，結構簡單，故障率低，速度快，運動平穩。

    （2）采用了Ethernet   POWERLINK實時以太網，它能支持100Mbps的數據傳輸速率和最大200uS的循環周期，對于確保高速、高精度的載車平板位置控制來說至關重要；Ethenet POWERLINK確保了運動任務與邏輯任務的同步，并提高了所控制的平板和升降機構的運動效率；Ethernet POWERLINK靈活的拓撲架構，使其開放性極強，在硬件上易于擴展和升級。

    此外，POWERLINK支持Safety技術，在未來，隨著產品進入國際市場以及國內開始執行機器安全的IEC61508標準，POWERLINK的Safety技術可以達到SIL3等級的功能安全一致性測試要求，確保機器制造商在滿足安全要求的同時降低認證的費用。

    （3）貝加萊的PCC采用了類似于大型計算機的Runtime定性分時多任務實時操作系統，可將控制要求分成多個任務并且在一個掃描周期內分段執行，以真正滿足系統對實時性的要求。

    （4）貝加萊的Automation StudioTM集成軟件開發平臺支持ANSI C、B&R Automation Basic、梯形圖LD、指令表IL、結構化文本ST、順序功能圖SFC等多種標準的開發工具，具有強大的數據運算和處理能力。同時，該軟件平臺中還包含了豐富的庫和功能函數，Visual Components 則集成了創建高性能優化用戶界面所需要的所有工具，使編程人員在解決標準問題時更加簡單、省時和高效，可大大降低開發成本。

    Automation StudioTM將控制器、驅動器、數據通信和顯示集成于同一個開發環境中，對納入系統的所有自動化部件完成集成和配置任務，并能準確地識別硬件組件，提供直觀準確的診斷功能、遠程診斷功能以及開放式接口。它的硬件和軟件都是模塊化的，可以根據控制需要組合成工藝所需的專用控制系統，并具有靈活自由的聯網和擴展能力。Automation StudioTM 是研發過程透明性和機器高效運行的保障，該系統的全部應用軟件均基于該平臺完成設計和開發。

    5　直線電機驅動立體停車方案的優勢

    (1) 高效、安全地利用停車空間，節約城市寶貴的土地資源

    在立體停車庫的同一層面上的汽車緊密排列，其縱向和橫向平移采用直線電機原理驅動，而進/出庫口的垂直升降則采用與電梯類似的傳統的旋轉電動機驅動方式。

    由于在輸送車輛過程中不涉及汽車發動機和駕駛員，整個設施不需要斜坡、過道、司機出入和逃生通道等，因此上述方案可高效率地利用停車空間，節約城市寶貴的土地資源。

    （2）設計靈活

    能夠滿足不同的空間條件和要求，可以設計為平面、豎直、地上、地下或者組合結構。

    （3）結構簡單、故障率低、可靠性高

    扁平型直線感應電機平移驅動方式沒有齒輪減速器、鏈條、鏈輪等中間傳動環節，較傳統的機電式平移驅動機構簡單得多、故障率低、可靠性高。

    （4）提高存/取車速度

    由于車輛的縱/橫向平移采用直線電機電磁驅動原理和全自動化工作方式，故其移動準確而迅速，在確保車輛安全的前提下能顯著地提高存（取）車的速度，節約時間。

    （5）能避免車身擦掛及車輛損壞和偷盜事件發生

    車輛移動和存取的特點決定了其能夠有效地避免由司機駕駛存/取車輛時可能產生的車身擦掛以及場地或路邊停車時可能發生的車輛損壞和偷盜事件。

    6　結束語

    利用貝加萊定制化的控制系統解決方案和扁平單邊型直線感應電動機驅動方式，設計了一種60車位的自動停車系統方案。貝加萊自動化系統通過將控制器、驅動器、通信和顯示集成于同一個開發環境中，具有低成本和高效率的特點。其先進的自動停車系統將確保在城市中停泊的車輛能夠高效地利用有限的空間，從而緩解城市停車難的狀況。

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    作者簡介

    周曉霞（1966-），女，甘肅天水人，本科，高級政工師，現就職于貝加萊工業自動化（上海）有限公司市場部負責市場支持等工作。