基于PMSM的DC20P2B1-A電梯伺服門機控制系統(tǒng)研制

鄧之江，王天雷

（1.江門市蒙德電氣股份有限公司，廣東江門 529040；五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東江門 529020）

0 引言

電梯的門機系統(tǒng)是電梯的一個非常重要的子系統(tǒng)，一個良好的電梯門控制系統(tǒng)對電梯系統(tǒng)的整體效果來說至關(guān)重要，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著整個電梯系統(tǒng)能否正常地運行。因此研制一種高性能，高可靠性，維護方便，成本適中的電梯門機控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。本文研制電梯DC20P2B1-A伺服門機控制器采用微控制單元MCU和智能功率模塊IPM將電梯門機系統(tǒng)的電機驅(qū)動控制和電梯門邏輯控制集為一體，得到了一種可靠性高、控制靈活、成本低、體積小的電梯門機控制系統(tǒng)。

DC20P2B1-A伺服門機控制系統(tǒng)是以微控制器R5F71324AD80FPV作為程序控制核心部件，以IGCM06B60GA IPM模塊作為逆變主電路器件，采用永磁同步電機矢量控制技術(shù)，設(shè)計出具有過壓、欠壓、掉電、過載、短路等保護功能的電梯門機控制器。該門機控制系統(tǒng)經(jīng)實驗驗證和實際裝機應(yīng)用，均表明具有電壓利用率高、噪聲小、動作平順和運行效率高等特點。

1 硬件設(shè)計

電梯的門系統(tǒng)一般使用電動機為動力，通過減速機構(gòu)和開門機構(gòu)帶動轎廂門和廳門完成開關(guān)門的過程.為了使轎廂門開閉平穩(wěn)迅速而又不產(chǎn)生撞擊。電梯梯門系統(tǒng)運動控制的效果除與機械子系統(tǒng)有關(guān)之外，還取決于門機控制器子系統(tǒng)的控制與安全性能。一個驅(qū)動與邏輯控制一體化的電梯門機控制器由控制單元和驅(qū)動單元組成[3-4]。

1.1 控制單元設(shè)計

控制單元包含程序控制MCU、人機交互界面、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)字I/O與模擬I/O接口、串行通信接口。控制單元結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 R5F71324AD80FPV控制單元示意圖

程序控制MCU采用R5F71324AD80FPV控制器。人機交互界面用4位LED數(shù)碼管顯示，實現(xiàn)系統(tǒng)運行參數(shù)與狀態(tài)監(jiān)測；采用增、減模式，確認4鍵實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置與功能選擇。參數(shù)存儲單元使用帶SPI接口的EEPROM AT93C86設(shè)計存儲電路，保存開關(guān)門曲線參數(shù)、門寬參數(shù)、故障代碼等系統(tǒng)運行參數(shù)。

檢測電路配置了3路AD對電機的兩相電流、驅(qū)動單元的直流母線電壓進行檢測。交變的電流信號具有一定的諧波分量，系統(tǒng)采用一階RC低通濾波器，對驅(qū)動單元電流傳感器輸出信號進行濾波。

編碼器接口電路將編碼器輸出的6路差分信號變成單端信號A、B、Z，再經(jīng)低通濾波電路接入MCU的增量式光電編碼器接口，以檢測電梯門的運行速度和運行位置。

輸入輸出接口設(shè)計了4路帶光耦隔離的輸入端口，以接收電梯門反饋信號。另設(shè)置有3路繼電器輸出。

通信接口配置了兩個通信接口：CAN、RS-485。CAN接口為電梯門機控制器與電梯中央控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)提供可能。通過RS-485接口，可以實現(xiàn)門機控制器與上位機通信。

1.2 驅(qū)動單元設(shè)計

驅(qū)動單元主要由功率電路、采樣電路、保護電路等組成[5]，如圖2所示。①功率電路：本系統(tǒng)采用交-直-交變換技術(shù)實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速控制。逆變電路以英飛凌公司的IPM（智能功率模塊）IGCM06B60GA為核心設(shè)計。該IPM內(nèi)置了單相全波整流電路、欠電壓保護以及短路保護。②采樣電路：本驅(qū)動器采用Allegro公司的電流傳感器ACS712對電機兩相電流進行檢測。該電流傳感器為單電源供電，精度高、溫漂小、線性度好、響應(yīng)快。③保護電路：系統(tǒng)設(shè)計了過電流保護、過電壓保護、掉電保護和短路保護等電路，以確保電梯門機系統(tǒng)安全工作。④系統(tǒng)電源：開關(guān)電源模塊為系統(tǒng)提供+5 V、+12 V以及+24 V直流電源。MCU的5 V電源由變壓器直接提供。

圖2 驅(qū)動單元示意圖

2 軟件設(shè)計

2.1 電機控制技術(shù)

系統(tǒng)選用的永磁同步電機采用控制了矢量控制技術(shù)。圖3為永磁同步電機矢量控制原理框圖。永磁同步電機PMSM伺服系統(tǒng)主要包括位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三個閉環(huán)。電流環(huán)和速度環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，位置環(huán)作為系統(tǒng)的外環(huán)。

圖3 永磁同步電機矢量控制原理框圖

電流環(huán)是伺服控制系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其輸出直接影響著逆變器對電動機的驅(qū)動、系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。永磁同步電機PMSM伺服系統(tǒng)要求電流環(huán)具有輸出電流諧波分量小、響應(yīng)速度快等性能，同時必須滿足內(nèi)環(huán)控制所需要的控制響應(yīng)速度和隨轉(zhuǎn)速變化精確控制的交流電流大小及頻率。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤性能。本文速度環(huán)采用矢量控制算法，輸出產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量，作為電流環(huán)的給定值，可以增強伺服系統(tǒng)抗負載擾動能力，提高魯棒性。

矢量控制主要的環(huán)節(jié)包括：轉(zhuǎn)子位置和速度檢測環(huán)節(jié)、定子三相定子電流檢測環(huán)節(jié)、速度環(huán)控制器、電流環(huán)控制器、Clarke變換（三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐標(biāo)系）、Park變換（兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系）以及逆變換。矢量控制的過程為：①通過位置傳感器準(zhǔn)確地檢測出電機轉(zhuǎn)子(d軸)的空間位置，可計算出轉(zhuǎn)子的電角速度n和速度；②通過比較電機的實際轉(zhuǎn)速n和給定速度nref，使速度控制器輸出對應(yīng)的q軸定子電流的給定值isqref；③通過電流傳感器檢測出定子在三相定子坐標(biāo)系的三相電流，并計算出對應(yīng)的d-q電流分量isd和isq。由于采用的是id=0的控制方式，則兩個電流控制器通過分別比較isd、isq和給定值0和isqref，計算出需要施加的空間電壓矢量。4）將電流控制器輸出的電壓分量經(jīng)過坐標(biāo)變換，化為三相定子坐標(biāo)系的值后，形成對PWM的控制信號，驅(qū)動逆變器對電機施加電壓。

根據(jù)圖3的永磁同步電機矢量控制框圖可得SVPWM輸出程序流程圖，如圖4所示。SVPWM子程序會對不同的運動標(biāo)志值根據(jù)相應(yīng)的運動曲線輸出正確的SVPWM波形驅(qū)動電機，以實現(xiàn)不同的電梯門機運動。

2.2 伺服門機運行曲線[6]

電梯門機按機械結(jié)構(gòu)分為同步門刀門機和異步門刀門機兩種，本文主要討論同步門刀門機。為了使轎廂門開閉平穩(wěn)、迅速而又不產(chǎn)生撞擊，門機動作必須滿足：①平順性要求，門機的運行曲線應(yīng)滿足最小加速度原則；②高效運行的要求，門機應(yīng)在加速度最小的情況下盡可能達到最高的速度。有此可見，最優(yōu)的運行曲線應(yīng)當(dāng)是帶有變速拐角，沒有高速穩(wěn)速段，在不同的負載情況下實現(xiàn)與位置密切相關(guān)的速度曲線，這是關(guān)鍵控制技術(shù)之一。

DC20P2B1-A電梯門機控制系統(tǒng)的開門和關(guān)門的過程是一個變速運動過程為：開門時，初始階段要求速度較慢以求開門平穩(wěn)，然后加快速度以求開門迅速，在開門即將到位時，為避免產(chǎn)生撞擊，又要求低速運行，直到轎廂門全部開啟完畢，即開門過程速度曲線一般分為加速、勻速、減速、末段四個階段組成。而關(guān)門時，初始階段要求速度較快，然后減速運行，在關(guān)門即將到位時，要求低速運行，直到轎廂門全部合攏，即關(guān)門過程速度曲線分為加速、減速、末段三個階段組成。常規(guī)運行曲線為：當(dāng)電梯門運行沒達到最大速度的時候，速度曲線沒有勻速階段。同步門電梯開門機的開門與關(guān)門速度曲線如圖5所示，其中，ab是加速段，bc是勻速段，cd是減速段。當(dāng)電梯門沒有運行到最大速度的時候，開門和關(guān)門速度曲線是曲線1；當(dāng)電機運行到最大速度時，開門和關(guān)門速度曲線是曲線2。此外，為實現(xiàn)上述運行要求，需要電機帶有位置傳感器，以達到優(yōu)良的速度、力矩及位置控制性能。

圖5 同步門機系統(tǒng)速度曲線

2.3 門寬自適應(yīng)過程

電梯門機控制系統(tǒng)需要具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能。在第一次裝機調(diào)試時，自學(xué)習(xí)后的數(shù)據(jù)能夠自動調(diào)整并記憶。DC20P2B1-A伺服門機控制系統(tǒng)能夠在任何情況下進行正常學(xué)習(xí)轎門門寬（尋找零點），并且確保電流等性能參數(shù)滿足使用要求，門寬自學(xué)習(xí)過程示意圖如圖6所示。

圖6 門寬自學(xué)習(xí)過程示意圖

以關(guān)門到位為原點o，b為開門到位位置。a為上電時電機停留的位置（可以在任意位置）。系統(tǒng)上電后不接受控制柜信號，以一定的速度執(zhí)行自學(xué)習(xí)動作。電梯門機執(zhí)行自學(xué)習(xí)的過程為：關(guān)門→關(guān)門到位→開門→開門到位→關(guān)門→關(guān)門到位。學(xué)習(xí)后得到總脈沖數(shù)。門機從a點到達c點的過程叫自學(xué)習(xí)。處于c點的門機開始接收控制柜信號。

2.4 安全保障程序

本系統(tǒng)通過對光電光幕信號、安全觸板信號、門機運行速度、電機負載電流等信號進行檢測，設(shè)計了一系列的安全保障程序，防止梯門夾人、梯門碰撞等事故發(fā)生。同時系統(tǒng)對電機電源缺相、編碼器斷線、系統(tǒng)掉電、系統(tǒng)短路、過電壓和欠電壓等故障也設(shè)計了相應(yīng)的檢測及處理程序。

2.5 上位機監(jiān)控軟件

為了便于調(diào)試參數(shù)、測試功能和故障診斷，為門機控制器開發(fā)了一個功能強大的上位機監(jiān)控軟件。圖7為上位機軟件主對話框。上位機監(jiān)控軟件可以實現(xiàn)以下功能：①實時顯示電梯門運行的位置和電機工作狀態(tài)；②可以顯示和修改下位機控制器的各個參數(shù)；③實時數(shù)據(jù)采集功能，可以將電梯門機狀態(tài)存儲進本地數(shù)據(jù)庫，并可再現(xiàn)門機工作狀態(tài)；④可顯示和記錄故障；⑤可以編程運行測試指令。

圖7 上位機軟件主對話框

3 實驗分析

電機驅(qū)動實驗選用了寧波華元機械科技有限公司生產(chǎn)的YCT133-16型三相永磁同步電動機。該型電機額定參數(shù)為：額定功率50 W，額定電壓50 V，額定電流1.36 A，額定頻率24 Hz，額定轉(zhuǎn)速180 r/min。搭建實驗平臺如圖8所示。

圖8 實驗平臺示意圖

系統(tǒng)采用永磁同步電機矢量控制技術(shù)，并應(yīng)用精度高、運行速度快的DSP進行運動控制算法的計算。實驗結(jié)果如圖9所示。

上述實驗圖形為永磁同步電機在1 Hz、5 Hz、10 Hz以及20 Hz下定子兩相電流的實時波形。實驗表明，電機運行平穩(wěn)、噪聲小、效率高。

圖9 電機定子兩相電流

4 結(jié)語

電梯門控制系統(tǒng)是整個電梯系統(tǒng)中的重要組成部分。本文介紹了DC20P2B1-A伺服門機控制器以微控制器的組成R5F71324AD80FPV作為程序控制核心部件，以IGCM06B60GA IPM模塊作為逆變主電路器件，采用永磁同步電機矢量控制技術(shù)，設(shè)計出具有過壓、欠壓、掉電、過載和短路等保護功能的電梯門機控制器。采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計實現(xiàn)了門寬自學(xué)習(xí)、電機控制和人機交換等軟件控制功能。試驗證明該系統(tǒng)具有良好的運行特性，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音小，邏輯判斷正確，錯誤及故障處理考慮周全。目前該系統(tǒng)已投入市場，配套的電梯運行平穩(wěn)，安全可靠，得到用戶的一致好評。

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