黃玉成

(天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，優(yōu)勢土地資源稀缺。高層建筑數(shù)量日趨增多，電梯作為建筑內(nèi)的垂直運輸工具，其重要作用不言而喻。而電梯門機系統(tǒng)的優(yōu)良特性對整個電梯運輸系統(tǒng)性能起重要作用，而門機控制器是門機控制系統(tǒng)的核心部件，設(shè)計一種運行平穩(wěn)、快速安靜、安全可靠的控制器具有很重要的現(xiàn)實意義。

本文采用TI的piccolo系列微處理器TMS320F28035為控制器的主控芯片，對其進行設(shè)計與實現(xiàn)。硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件開發(fā)均充分考慮電梯門機運行的安全性和平穩(wěn)性。對控制器的實驗和測試表明此控制器能較好地達到門機的實際運行要求。

1 系統(tǒng)概述

電梯門機控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，由多個功能模塊構(gòu)成，其主要組成有主回路、PWM驅(qū)動輸出模塊、電流電壓檢測模塊、人機交互功能、參數(shù)存取及門機狀態(tài)信號處理模塊、鍵盤及端子接口模塊和故障檢測及保護模塊。系統(tǒng)設(shè)計整體框圖如圖1所示。

圖1 電梯門機系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)選用的是永磁同步電機作為帶動門機的動力輸出機構(gòu)，永磁同步電機有良好的靜態(tài)特性和高動態(tài)響應(yīng)的特點，廣泛應(yīng)用在小功率驅(qū)動系統(tǒng)中。[1]門機控制器的設(shè)計目的就是滿足實際產(chǎn)品運行的要求和條件，根據(jù)電梯門機系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和運行標準，其功能要求為：

(1)電梯門機能跟隨開關(guān)門速度曲線運行，門機控制器的主要作用是驅(qū)動電梯門完成開關(guān)動作，要求既要在避免門開合時發(fā)生碰撞，又能平穩(wěn)快速地完成開關(guān)門動作。因此，系統(tǒng)需要給出速度曲線和良好的速度控制。

(2)在系統(tǒng)發(fā)生故障時，門機控制器設(shè)計有故障檢測和安全保護功能，盡可能保證乘客安全，同時也能保護系統(tǒng)的自身安全。

2 硬件設(shè)計

根據(jù)電梯門機控制器的功能需求，設(shè)計了相應(yīng)的控制器硬件電路。系統(tǒng)具有反饋信號多、運行換速過程復(fù)雜、參數(shù)量大等特點?？紤]到以上這些特點以及實際運用的經(jīng)濟合理性，結(jié)合各款DSP芯片的功能參數(shù)，選擇了TMS320F28035作為主控芯片。硬件電路主要由10M晶振、電源管理芯片TPS7333、帶SPI接口EEPROM參數(shù)存儲芯片93C66、JTAG編程仿真接口、鍵盤輸入電路、數(shù)碼管顯示電路、電流電壓檢測電路、主回路的驅(qū)動電路組成。

TI公司出的piccolo系列微處理器TMS320F28035是一款高度集成且價格較為低廉的DSP芯片，CPU模塊將接收來自系統(tǒng)各個模塊的信息，對各路信息進行綜合處理后完成對電機的控制、故障判斷處理和信息狀態(tài)顯示。它的時鐘頻率可達60MHz，指令周期縮短到16.67ns，[2]由3.3V單電源供電，具有64k的片內(nèi)flash可供裝載程序；多達45個復(fù)用通用輸入輸出引腳可滿足本系統(tǒng)輸入輸出狀態(tài)、控制信號繁多的要求；兩個相互獨立的串行通信接口SPI模塊，一個用來讀取傳感器輸出位置、速度脈沖數(shù)，另一個用來對EEPROM進行數(shù)據(jù)的讀寫。增強型控制外設(shè)如ePWM、eCAP等模塊為系統(tǒng)提供更強大的功能，該芯片快速中斷響應(yīng)可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度。

2.1系統(tǒng)主回路及電機驅(qū)動PWM模塊設(shè)計。

系統(tǒng)主回路電路示意圖如圖2所示。圖中由左端接入220V用電，整流橋BM1左側(cè)設(shè)計了一個EMI濾波電路和一個軟啟動電路。EMI電路由兩個壓敏電阻RM1、RM2，兩個電容C42、C43和一個共模電感LM1組成，EMI電路可以濾除外界電網(wǎng)的高頻脈沖對電源的干擾，同時也可以減少開關(guān)電源本身對外界的電磁干擾。整流電路選用的是集成模塊，整流輸出后用三組大電容值電容和電解電容，以穩(wěn)定直流電壓。

圖2 主回路電路圖

整流橋右側(cè)是逆變模塊，分別由六組增強型N溝道MOSFET管構(gòu)成三組橋臂，輸出三相與電機相連。A、B、C三組為DSP輸出的PWM信號經(jīng)過功率放大和光耦隔離之后，逆變模塊的控制信號。

電機控制器中，主控芯片根據(jù)外部開關(guān)門指令信號及系統(tǒng)運行狀態(tài)信號產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動隔離電路，從而控制電機工作。系統(tǒng)用F28035內(nèi)置的高性能ePWM外設(shè)模塊產(chǎn)生PWM信號。ePWM模塊包含2組完整的ePWM通道：EPWMxA和EPWMxB。[3]芯片的7個ePWM模塊通過一個同步時鐘信號聯(lián)系在一起，相互獨立且不失同步性，當需要的時候可以將這些模塊看做是分開獨立的系統(tǒng)，另外這個同步信號也用于eCAP模塊。如此一來，大大增強了主控芯片的擴展性。這里用其中三個事件單元產(chǎn)生同頻率的三對PWM波形。

系統(tǒng)主驅(qū)動電路采用隔離驅(qū)動模式，將高壓側(cè)和低壓側(cè)用光耦器件進行隔離，以增強系統(tǒng)抗干擾能力。由于DSP輸出的PWM驅(qū)動信號功率不足，需要經(jīng)過功率放大，此處選擇芯片74LS245，該芯片有8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。光耦選擇TLP250，最后將這6路PWM信號轉(zhuǎn)化為三相逆變功率平臺的柵極的驅(qū)動信號，控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷，最終實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動，通過傳動帶帶動電梯門動作。

2.2安全保護模塊設(shè)計。

電梯門機的安全性關(guān)系到系統(tǒng)性能的好壞，所以故障檢測及保護及其重要。在硬件電路中，設(shè)計了相應(yīng)的功能模塊，保護電路的主要任務(wù)是提供對瞬時過電流、過電壓、欠電壓的保護，作用是在對器件產(chǎn)生破壞性作用之前封鎖PWM輸出，隨即進入停機狀態(tài)，并通過數(shù)碼管顯示故障狀態(tài)，有助于迅速查明故障。電路圖如圖3所示。其中用到可編程邏輯門陣列GAL16V8d，它是一種可編程邏輯器件，對其進行邏輯運算編程，可通過它實現(xiàn)數(shù)字邏輯運算的功能。

圖3 故障時停止電機驅(qū)動輸出電路

其中輸入信號READY由DSP的一個通用I/O口輸出，OC、LV、OV為過流、欠壓和過壓信號，分別由電流檢測、電壓檢測電路產(chǎn)生。主回路輸出發(fā)生短路時會引起過流現(xiàn)象，過壓、欠壓指的是直流側(cè)母線電壓故障信號。三路故障信號和READY信號經(jīng)過GAL16V8處理后，一方面可輸出故障信號，DSP接收到TZ(Trip-Zone)信號，產(chǎn)生故障中斷，隨即封鎖PWM輸出，只有軟件復(fù)位或系統(tǒng)重新上電后才能將故障清除。過流、欠壓和過壓信號輸入至DSP通用I/O口，最后在數(shù)碼管顯示；另一方面，保護電路輸出ENABLE信號，使驅(qū)動電路的光耦模塊電源輸入VccA輸出為低，關(guān)斷光耦模塊，切斷PWM輸出。

2.3電流檢測電路模塊設(shè)計。

設(shè)計中選中的電流傳感器為TBC05SY閉環(huán)電流傳感器，該電流傳感器具有較強的抗干擾能力，可以測直流、交流和脈動電流。在5A額定電流輸入下對應(yīng)輸出為4±0.5%。此傳感器基于霍爾效應(yīng)，具有測量范圍大、連線方便、低功耗、體積小等優(yōu)點。電流采樣電路如圖4所示。

圖4 電流采樣電路

圖中HLA為一路電流傳感器與控制主板的連線端子輸出的一相電流信號，HLA先經(jīng)過LF353一級放大電路后進入調(diào)零電路，而后經(jīng)電壓跟隨電路輸出，最后由DSP的A/D模塊對其采樣。圖中的二極管將電位鉗制在3.3V以內(nèi)。電位器W01作電位調(diào)整之用，當封鎖PWM輸出時，通過調(diào)整電位器將電位調(diào)整到采樣的中點，以此作為電流信號的零點。

2.4電機轉(zhuǎn)速測量模塊設(shè)計。

電機的速度和位置信息由磁電編碼器測量輸出，磁電編碼器需與電機非接觸式同軸安裝。選擇AS5040作為測量芯片，AS5040是一款無接觸式磁旋轉(zhuǎn)編碼器，用于精確測量整個360°內(nèi)的角度，此產(chǎn)品是一個片上系統(tǒng)，在單個封裝內(nèi)整合了集成式Hall元件、模擬前端和數(shù)據(jù)信號處理功能。這種絕對角度測量方式可及時指示磁鐵的角位置，其分辨率達到0.35°。

DSP與編碼器通過一個接口電路連接，編碼器的輸出數(shù)據(jù)由 DSP的一個串行外設(shè)接口(SPI)模塊讀入。電路設(shè)計方案如圖5所示。

圖5 編碼器接口電路

電路圖中信號通道為從右向左，磁電編碼器的輸出為A、B、Y、Z。輸入到一個差分驅(qū)動接收器SN75179B ，該接收器具有高輸入阻抗的特點，有良好的抗噪性能，通過差分作用，輸出數(shù)據(jù)信號，隨著時鐘CLK信號，按照一定的時序，由DATA線輸出編碼器的脈沖數(shù)，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化后由同步串行外設(shè)SPI模塊讀入DSP中，在中斷程序中進行電機位置計算和轉(zhuǎn)速計算。

3 軟件設(shè)計

電梯門是整個電梯控制系統(tǒng)中動作最為頻繁的一個機構(gòu)。針對電梯門機控制系統(tǒng)工作環(huán)境和工作對象的特殊性，系統(tǒng)要求實現(xiàn)快速、平穩(wěn)、無沖擊的開關(guān)門過程。本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，包含了主程序及各個功能模塊，主要實現(xiàn)門寬自學(xué)習(xí)、人機交互、參數(shù)存取、電機控制和故障處理等功能。控制芯片TMS320F28035具有比較豐富的可利用資源，使得編寫的程序更加簡單、靈活。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計在CCS5.0下，用C語言編譯完成。

3.1主程序設(shè)計。

主程序是整個系統(tǒng)軟件設(shè)計的主干，其他功能模塊都是圍繞主程序進行的。程序流程圖如圖6所示。工作過程為：系統(tǒng)上電后首先進行初始化，讀取EEPROM中存放的各項參數(shù)值，之后開總中斷，進入主循環(huán)程序。主循環(huán)依次為定時故障檢測處理、自學(xué)習(xí)以及開關(guān)門程序，最后是信息交互功能。

圖6 主程序流程圖

控制系統(tǒng)采用id=0的矢量控制方法，典型的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)。在id=0的控制策略下，電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的q軸分量有關(guān)，因此控制iq就能實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)矩控制。[4]在速度閉環(huán)調(diào)節(jié)下，定子電流的頻率輸出由給定速度決定，給定速度越大輸出頻率越高。[5]

3.2中斷程序設(shè)計。

中斷處理程序主要為電機矢量控制，程序執(zhí)行頻率為16kHz，每62.5μs執(zhí)行一次，程序中主要包括了電流和位置檢測子程序、轉(zhuǎn)速計算子程序、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序、電流調(diào)節(jié)子程序、坐標計算變換、PWM調(diào)制填占空比等。流程圖如圖7所示。

圖7 中斷流程圖

4 實驗結(jié)果

實驗平臺為標準900mm門寬折中分門，門刀類型為同步門刀，所用的永磁同步電機參數(shù)為額定電壓220V，額定頻率50Hz,額定電流0.45A，額定轉(zhuǎn)速115PRM，額定轉(zhuǎn)矩3NM，26對極。正常開關(guān)門曲線如圖8所示。

圖8 電梯門機開關(guān)門運行曲線

結(jié)合門機的機械結(jié)構(gòu)，在運行行程位置上選擇適當?shù)乃俣?，既能避免高速撞擊產(chǎn)生噪聲，又能追求較高的運行效率和感官舒適度。要求電梯自動門機應(yīng)按理想速度曲線自動調(diào)節(jié)開關(guān)門過程中的運行速度，電機運行速度由位置點查速度曲線表確定，設(shè)計的理想曲線如虛線所示，0-3.2s為開門過程，3.2-3.8s為門開齊低速推進過程，3.8-7s為關(guān)門過程。開門前段和關(guān)門后段的小曲線為緩沖階段同步門刀收刀和放刀的過程，約為0.5s。

圖中虛線為速度給定值，實線為實際測量值。整個曲線是一個完整的開門-關(guān)門動作。曲線是按照固定的頻率采樣，將取得的120個點繪制成曲線，從實際運行曲線可以看出，門機能夠很好地跟隨速度給定值平穩(wěn)運行，其波動范圍在控制精度的允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

本門機控制器有靈活的操作界面，豐富的軟件功能可以調(diào)整運行參數(shù)，滿足現(xiàn)場運行要求。系統(tǒng)完善的保護模塊設(shè)計，保證了運行的安全性和可靠性，根據(jù)實驗結(jié)果，電梯運行過程能跟隨設(shè)計曲線，既能使門啟閉迅速又能避免在起端和終端發(fā)生沖撞。

[1]王曉明，王玲.電動機的DSP控制—TI公司DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]Texax Instruments Company. TMS320F2803x Piccolo System Control and Interrupts.[EB/OL]. www.ti.com, December 2009.

[3]Texax Instruments Company. TMS320x2802x,2803x Piccolo Enhanced Pulse Width Modulator (ePWM) Module UG[EB/OL].www.ti.com, March 2011.

[4]蔡林.基于PMSM的電梯門機控制系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢：華中科技大學(xué),2012.

[5]劉和平，劉平，王華斌，等.數(shù)字信號控制器原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.