基于永磁同步電動機的工業卷閘門控制器研制

基于永磁同步電動機的工業卷閘門控制器研制

周實，鮑立成，董瑞剛，李福生

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院，上海 200070

摘要：基于永磁同步電動機，介紹一種先進的工業卷閘門用控制器設計，主要對主電路、驅動電路、電源電路及檢測電路的硬件設計方案進行了描述，并對設計的軟件流程進行闡明。經實驗驗證，研制出的控制器可以直接帶動永磁同步電動機驅動卷閘門，并達到良好的運行效果。

關鍵詞：永磁同步電動機； 卷閘門； 控制器

近年來，戰略性新興產業、合同能源管理政策、市場化節能環保服務體系建設、資源綜合利用和“節能產品惠民工程”的高效電機推廣為電機行業發展帶來了重大機遇，與之相關的電機生產制造商以及電機配套企業也迎來了產品更新換代的市場增長潛力。特別是為了適應低碳經濟時代的節能技術創新趨勢，高效的永磁同步電動機已逐漸成為未來市場的主流1]。

現今市場上的卷閘門還都是使用異步電動機驅動系統，其結構比較復雜，而且需要增加減速裝置，控制性較差，可靠性低，今后必然會被能直接驅動的永磁同步電動機驅動系統所取代。本文設計了一種基于永磁同步電動機的工業卷閘門控制器。

1總體結構

傳統的自動門控制器(包括卷閘門)是以繼電器邏輯控制或是用PLC集成控制，體積大，安裝繁瑣2]。本文的控制器采用DSP集中控制方式，先進的控制策略具有高效率、高可靠性、易安裝的特點，整個控制器由主電路、控制電路、驅動電路及輔助電路構成。主電路根據系統功率和電壓要求采用交直交變換方式，由單相整流電路、三相逆變電路和永磁同步電動機組成；控制電路采用以TI公司的TMS320F2802為核心的控制芯片，實現矢量控制、轉速閉環、SVPWM算法等；輔助電路包括開關電源電路、保護電路、位置檢測電路、電流檢測電路及數碼顯示電路等3]。系統總體結構如圖1所示。

圖1　系統總體結構

2硬件設計

2.1　核心控制芯片

TMS320F2802是TI公司推出的一款性價比極高的DSP，采用32位的28xTM內核，片上有32kB的程序Flash和6kB的數據RAM，既適合在線運算數據表格的存儲，也能大量存儲變量，與同等價位其他型號DSP相比，可有效提高系統性能。TMS320F2802具有3個外部中斷、3個32位定時器、6路16位PWM信號和可以實現500kHz高分辨率的HRPWM，能很好地滿足控制器的設計要求，并符合工程上“量體裁衣”原則。此外，TMS320F2802采用128位密碼，加密區域有Flash、L0、L1，防止代碼讀出，能可靠地保護控制器的軟件產權4]。

2.2　主電路與驅動電路

主電路設計如圖2所示，220V交流電壓經過整流橋KBPC3510整流后穩壓濾波輸出約310V直流電，然后通過逆變電路將直流電逆變成可控的三相交流電給永磁同步電動機供電。

圖2　主電路結構

逆變電路直接選用IPM智能功率模塊IM23400，它集成了IGBT和驅動電路，并自帶過流、過溫、短路、欠壓等保護功能。具體逆變以及驅動電路設計如圖3所示，PWM信號經過快速光耦HCPL4504隔離輸入給IPM，IPM最終輸出電動機所需的三相交流電。

圖3　驅動電路結構

2.3　電源電路

電源電路采用TI公司的TL3845P芯片設計而成的反激式開關電源，結構如圖4所示。該電源電路能分別提供一路15V和兩路隔離的5V電壓，其中15V用于IPM的供電，一路5V用于運放、JTAG口、比較器、光耦、DSP(所需3.3V和1.8V提供電源來源)的供電，另一路5V給予控制電動機抱閘的繼電器線圈供電。

圖4　電源電路結構

2.4　電流檢測電路

電流傳感器選用芯片ACS712ELCTR-20A，具有體積小、噪聲低、精度高的優點。相電流被該芯片轉化為比例大小的電壓信號，然后再經過運放調理電路輸出到DSP的ADC口，具體電路如圖5所示。

圖5　電流檢測電路結構

2.5　位置檢測電路

電動機轉子位置檢測的好壞對控制器系統性能有著極為重要的影響，這里選用一種新型磁旋轉編碼芯片AS5145，分辨率每轉4096個位置，后端與緩沖器SN74LVC244 ADGVR連接，最終輸出電動機轉子的位置信號給DSP，具體數據處理在軟件部分給予闡述。設計結構如圖6所示。

圖6　位置檢測電路結構

3軟件設計

該控制器的軟件設計包括主程序、定時器中斷程序以及軟件保護程序等5]。

3.1　主程序

主程序流程如圖7所示，主要完成對寄存器、變量等的初始化工作，然后進入循環等待中斷階段，當中斷發生時，則響應中斷子程序。

圖7　主程序流程圖

3.2　定時器中斷程序

控制器核心程序是以定時器的下溢中斷作為中斷源，在其間完成轉子初始定位、位置檢測、轉速計算、電流調節以及調制波形的產生等任務，總流程如圖8所示。

圖8　定時器中斷程序流程圖

其中速度調節與初始位置檢測子程序流程如圖9所示。

圖9　速度調節與初始位置檢測子程序流程圖

電流環中的d、q軸電流采用PI調節，具體流程如圖10所示。

圖10　電流環子程序流程圖

3.3　軟件保護程序

當系統發生故障時，進入保護中斷，封鎖PWM信號輸出。其流程如圖11所示。

圖11　軟件保護程序流程圖

4實驗驗證

研制的控制器如圖12所示，最后在SECCA電機測試臺(圖13)上模擬卷閘門負載情況對控制器進行了測試。

圖12　控制器樣機實物圖

圖13　SECCA電機測試臺

圖14所示為給定轉速200r/min、負載10N·m時的A、B相電流波形以及電壓波形，可以看出電動機兩相電流呈穩定互差120°的正弦波，相電壓波形呈馬鞍形波(SVPWM調制得到的波形)。

圖14　給定轉速為200r/min、負載轉矩為10N·m時A、B相電流響應波形以及A相電壓波形

最后，對變負載情況進行實驗，電流響應波形如圖15所示，變化曲線完全滿足卷閘門負載的需求。

圖15　負載由10增至20N·m時和20減至10N·m的A、B相電流波形

5結論

設計的控制器簡單、實用，由于使用的是永磁同步電動機，能源的節約得到進一步體現，與傳統的卷閘門系統相比，精簡了產品結構，系統性能得到提高，有利于日后的維護和保養?？傊兄频目刂破骶哂胁诲e的市場價值和應用場景。

參考文獻

1] 何文．全面促進電機設備高效發展N]．中國建設報，2012-11-06(005).

2] 張春林．自動門系統的設計與應用J]．數字技術與應用，2014(1)： 165-166.

3] 郭慶鼎，孫宜標，王麗梅．現代永磁電動機交流伺服系統M]．北京： 中國電力出版社，2008： 30-59.

4] Texas Instruments Inc. TMS320F2802x，TMS320F-2802xx，(Piccolo) MCUs DATASHEETZ]． 2010.

5] 王曉明．電動機的DSP控制—TI公司DSP應用(第2版)M]. 北京： 北京航空航天大學出版社，2009： 170-178．

Development of Industrial Rolling-gate Controller Based on PMSM

ZhouShi,BaoLicheng,DongRuigang,LiFusheng

Shanghai Electric Group Co.,Ltd. Central Academe， Shanghai 200070， China

Abstract:Introduced an industrial rolling-gate controller that was designed based on permanent magnet synchronous motor (PMSM). It gived a main description on the hardware design of the main circuit, driver circuit, power supply circuit and sensing circuit while the software flowchart in the design was also addressed. The experiments proved that the developed controller could drive the rolling-gate directly via a PMSM and achieve sound performance.

Key Words:PMSM； Rolling Gate； Controller

中圖分類號:TM 351

文獻標識碼:B

文章編號：1674-540X(2015)01-014-05

作者簡介：周實(1986-)，男，碩士，助理工程師，主要從事電機控制、電力電子方向的研究工作，
E-mail： beyond2010z@163.com

收稿日期：2014-11-23