柳瑤瑤，馮銀飛，曹鑫巍，謝熙承，張加嶺，時 斌

1 引言

中國已成為全球容量最大、增長最快的電梯市場。然而其門機(jī)種類繁多，參數(shù)設(shè)置比較麻煩。為適應(yīng)市場需求，將電梯門電機(jī)驅(qū)動控制與電梯門邏輯控制高度集成的一體化的控制系統(tǒng)方案受到了電梯制造廠商的普遍歡迎。這種一體化控制方案采用一個MCU協(xié)調(diào)完成電梯門的邏輯控制和電梯門電機(jī)的運(yùn)動控制，提高了系統(tǒng)的柔性，節(jié)省了制造成本，實現(xiàn)了資源的優(yōu)化應(yīng)用。本文以STM32F407控制器為核心控制部件，以三相橋式逆變模塊作為電機(jī)的主逆變電路，采用SVPWM控制技術(shù)，利用高精度編碼器AD2S1200實時檢測電機(jī)的位置和速度，同時采集電機(jī)的電流值，將信息進(jìn)行反饋，并通過PI調(diào)節(jié)調(diào)控電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計出具有過流、過壓、短路、過載、軟啟動等保護(hù)功能的永磁同步電機(jī)電梯門控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)經(jīng)過了實驗驗證，并通過了EMI檢測，具有噪聲小、運(yùn)行平穩(wěn)等特點。

2 系統(tǒng)硬件組成

如圖1所示為系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)框圖。整個系統(tǒng)可分為功率主回路、電源電路和控制電路三個部分。

功率主回路中選用了Infineon公司的20N60C3作為三相橋式逆變器的主控器件。該器件屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電阻高（10＾7～10＾12Ω）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、無二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點。

開關(guān)電源選用以TL494集成控制器為核心元器件的小功率驅(qū)動電源，并為控制電路所需要的各種不同的電壓等級供電。

在控制回路中，采用基于ARM CortexA-M4內(nèi)核的STM32F407芯片作為主控芯片，連接電機(jī)的驅(qū)動控制模塊、電流檢測模塊、電機(jī)位置與速度檢測模塊和電梯開關(guān)量輸出模塊，通過程序控制組成了一個智能電梯控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源電路

2.1.1 開關(guān)電源電路設(shè)計

目前，市場上有許多種不同的電源電路，其中半橋式開關(guān)電源因其輸出功率大的優(yōu)勢而得到了廣泛應(yīng)用。本文選用以TL494集成控制器為核心元器件的半橋式開關(guān)電源。TL494是一種固定頻率的脈寬調(diào)制電路，滿足開關(guān)電源所需要的全部要求，特點是采用推挽/單端輸出，其最高工作頻率為300kHz，這使得高頻變壓器能夠快速儲存和釋放能量，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得連續(xù)的輸出電壓。由于系統(tǒng)輸入電壓為220VAC，而系統(tǒng)中需要的電壓有 90V、24V、15V、12V、5V、3.3V 等多種電壓等級，因此本開關(guān)電源需要加入變壓器來產(chǎn)生所需要的各種電壓。由TL494構(gòu)成反饋回路提供電機(jī)所需要的90V強(qiáng)電，并將三路24V輔路電源電壓集成在同一變壓器上，一路供TL494工作，另兩路分別產(chǎn)生其他的電壓等級。

如圖2所示為半橋式開關(guān)電源主要參與能量的轉(zhuǎn)換通路圖。變壓器T1參與能量轉(zhuǎn)換，變壓器T2起到相位控制的作用。變壓器T1-Ⅳ和Ⅴ繞組整流輸出直流電壓并供給TL494，TL494輸出互補(bǔ)調(diào)制脈沖（PWM）控制VT1和VT2的通斷，變壓器T2-Ⅳ和Ⅴ輪流通過電流并耦合到變壓器T1-Ⅰ和Ⅲ上來決定VT3和VT4的通斷。

圖2 半橋式開關(guān)電源參與能量的轉(zhuǎn)換通路

2.1.2 穩(wěn)壓電路

TL494自帶有穩(wěn)壓功能，其輸出電壓經(jīng)采樣電阻分壓和濾波后加到Tl494誤差放大器的同相輸入端。正常工作時，電路要維持誤差放大器的同相輸入端和反相輸入端的電壓基本相等。反相輸入端電壓由TL494內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（Vref＝5V）經(jīng)過電阻分壓得到。因此，若由于某種原因引起輸出電壓升高，誤差放大器的同相輸入端的電壓會隨之升高，TL494輸出脈沖的占空比會減小，從而可穩(wěn)定輸出電壓，反之亦然。

2.2 功率主回路

系統(tǒng)的功率主回路采用三相全橋控制方式。主回路的驅(qū)動芯片采用IR2130，該芯片中有六個高壓柵極驅(qū)動器，具有死區(qū)時間設(shè)置、過流保護(hù)、欠壓鎖定等功能。IR2136電路部分的主要作用就是接收STM32F407主芯片的控制信號，然后驅(qū)動逆變電路，IR2130驅(qū)動電路圖如圖3所示。

圖3 IR2130驅(qū)動電路圖

2.3 信號調(diào)理控制電路

2.3.1 位置、速度檢測電路

在高性能電機(jī)的控制中，轉(zhuǎn)子位置的測量精度對電機(jī)的控制效果影響很大。為提高電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的測量精度，本文設(shè)計采用AD2S1200作為電機(jī)位置與速度信息采集的元器件。AD2S1200作為旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器單片集成芯片，可輸出12位絕對位置信息和帶符號的11位速度信息，具有±11弧分精確度，其最大跟蹤速度為1000 r/s。

如圖4所示為AD2S1200勵磁驅(qū)動的外圍電路。本文設(shè)計采用的永磁同步電機(jī)旋變所需的勵磁電壓范圍為 3～7V，初、次級電壓比為 0.286，而AD2S1200輸出的勵磁信號峰-峰值為8.2V，接收的正余弦信號峰-峰值為3.6±10%V。本文所采用的旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁電流的峰峰值為11V，需要結(jié)合旋變參數(shù)調(diào)整驅(qū)動器的增益，一般情況下增益緩沖器的設(shè)定通過下圖中的R1、R2調(diào)節(jié)即可，本設(shè)計采用的增益為1.5。旋變的次級輸出信號uNs1和uNs3，uNs2和uNs4經(jīng)濾波電路后直接進(jìn)入 AD2S1200的 SIN、SINLO、COS和COSLO四個管腳。輸出波形與接收波形圖如圖5所示。

圖4 AD2S1200勵磁驅(qū)動的外圍電路

圖5 AD2S1200輸出波形與接收波形圖

2.3.2 電流采樣電路

電流采樣模塊的作用是將電路采集的電流模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，以供主控芯片STM32F407對信息進(jìn)行分析，從而控制電機(jī)的運(yùn)行。本文采用AD芯片ADS8332與電流霍爾傳感器HBC-LSP相結(jié)合的模塊對兩相電流A和B進(jìn)行采集。這種方法測量范圍廣，反應(yīng)速度快，兼具電流互感器和電子電路的優(yōu)點，保證了高準(zhǔn)確度和線性度。

2.4 保護(hù)電路

2.4.1 軟啟動保護(hù)

剛上電工作時，TL494輸出基準(zhǔn)電壓5V，經(jīng)電容C耦合加到死區(qū)時間控制端，其電壓短暫高于3V，輸出互補(bǔ)調(diào)制脈沖皆為低電平。一旦電容C充電結(jié)束，則基準(zhǔn)電壓經(jīng)電阻分壓加到死區(qū)時間控制端，其電壓約為0.5V，TL494正常工作，實現(xiàn)了開關(guān)電源的軟啟動保護(hù)。

2.4.2 過流保護(hù)

（1）開關(guān)電源過流保護(hù)

當(dāng)因故障使輸出電流過大時，連接在開關(guān)電源輸出端與TL494的誤差放大器2的同相輸出端之間的電阻電壓會變大，誤差放大器2的同相輸出端電壓會升高，一旦其高于40mV，則誤差放大器2會輸出高電壓，迫使輸出脈沖占空比下降，從而實現(xiàn)過流保護(hù)的作用。

（2）驅(qū)動過流保護(hù)

IR2130自帶過流信號檢測引腳VS0，如圖3所示的芯片13號引腳，由外接電阻與三相橋臂下橋臂開關(guān)管源極相連，檢測電阻Rs上的電壓送至IR2130的9腳ITRIP作比較，當(dāng)發(fā)生過流時，可得到及時的信號Fault，其經(jīng)過光耦隔離電路送給主控芯片，可關(guān)斷SVPWM信號，即可關(guān)斷驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)了驅(qū)動過流保護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電梯門機(jī)主要有開門和關(guān)門兩個主要功能。在正常開關(guān)門運(yùn)行過程中，需要根據(jù)門機(jī)位置改變運(yùn)行速度。門機(jī)速度則根據(jù)位置信息、電流信息等經(jīng)主控芯片STM32F407進(jìn)行判斷與調(diào)節(jié)，得到相應(yīng)位置速度的SVPWM波，從而由硬件實現(xiàn)對電機(jī)的控制。因此，電梯門機(jī)控制系統(tǒng)軟件程序主要有初始化程序、主控程序、門寬自適應(yīng)程序、保護(hù)程序等。

如圖6所示為整個軟件設(shè)計的主流程圖。

圖6 軟件設(shè)計主流程圖

3.1 電機(jī)控制程序

本文設(shè)計的電機(jī)控制程序采用的是空間矢量調(diào)制技術(shù)，其流程圖如圖7所示。定時器產(chǎn)生中斷時，程序?qū)⒔?jīng)由ADS8332采集的兩相電流經(jīng)過Clarke 變換（3s/2s），再經(jīng)過 Park 變換（2s/2r），并結(jié)合由AD2S1200采集的電機(jī)位置信息，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的Id、Iq。通過PI調(diào)節(jié)可得到Vd、Vq，再經(jīng)過Park反變換可得到Vα、Vβ，最后可計算出調(diào)制波形，并通過驅(qū)動模塊控制電機(jī)的運(yùn)行。其中，PWM的工作頻率為8.4kHz，電流環(huán)調(diào)節(jié)器的控制周期為1.25ms，速度、位置環(huán)的調(diào)節(jié)周期為 10ms。

圖7 電機(jī)控制程序流程圖

3.2 門寬自適應(yīng)程序

程序初始化以后，門機(jī)慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，完成一次開、關(guān)門動作?？刂瞥绦蛲ㄟ^AD2S1200反饋的信號得到門機(jī)的實際門寬。程序根據(jù)門機(jī)的實際門寬自動調(diào)節(jié)門機(jī)的運(yùn)行速度曲線參數(shù)，達(dá)到實際應(yīng)用不同門寬的要求。

3.3 保護(hù)程序

本文設(shè)計通過檢測由驅(qū)動芯片IR2130采集的過流信號來關(guān)斷PWM信號，以實現(xiàn)對電路的保護(hù)作用。

4 傳導(dǎo)電磁干擾抑制實驗

電梯能給人們的生活帶來便利，但因其自身固有的特性也引入了電磁干擾。電梯門系統(tǒng)包括門機(jī)控制器、門機(jī)馬達(dá)、門機(jī)架子和光幕等，而門機(jī)控制器是一個重要的干擾源。這些干擾主要來源于電梯門控制驅(qū)動系統(tǒng)輸入端整流部分所產(chǎn)生的高次諧波、直流-交流（DC-AC）高頻逆變器和逆變器輸出端到電機(jī)電纜之間所產(chǎn)生的共模電磁干擾。

因此，需要在交流市電與整流電路之間加入電磁抗干擾（Electro-Magnetic Interference，簡稱 EMI）濾波電路，如圖8所示。EMI濾波電路由兩個壓敏電阻、兩個X電容、兩個Y電容和一個共模電感L1構(gòu)成。通過壓敏電阻的高壓導(dǎo)通性能，吸收掉電網(wǎng)中的浪涌電壓和尖峰。輻射干擾包括共模輻射和差模輻射，利用兩個Y電容的低通性能和共模電感對共模干擾的高阻抗特性，可以濾除掉電網(wǎng)及外界的高頻共模干擾，并能有效地抑制自身的共模干擾。同時，可利用兩個X電容來濾除掉電網(wǎng)中的差模干擾。

圖8 EMI濾波電路

另外，在保證電路驅(qū)動能力的情況下，可增加門極電阻，同時可給開關(guān)元器件增加吸收回路，如圖9所示。在開關(guān)管T1和T4兩端增加RLCD吸收回路，其工作原理如下：T1開通時，儲存在電容C1上的能量經(jīng)過T1、電感L1和L2、二極管D4及電阻R1所構(gòu)成的放電回路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt。

圖9 驅(qū)動橋臂吸收回路

為抑制電機(jī)側(cè)的電磁干擾，通過增加鐵氧體磁環(huán)來抑制共模電壓所產(chǎn)生的高頻電磁干擾。將A、B、C三相輸入線等效為一根能產(chǎn)生共模電流Icm的導(dǎo)線，并通過磁環(huán)來實現(xiàn)電磁干擾的抑制。

如圖10所示為電梯門控制驅(qū)動系統(tǒng)在專業(yè)環(huán)境下進(jìn)行CISPR11 Electric Field Strength 3m QP Class A實驗所測得的電磁輻射頻譜圖。通過有效的屏蔽措施和正確的干擾抑制方法，完全可以將電磁干擾抑制到20dB左右，符合規(guī)定要求。

圖10 電磁輻射頻譜圖

5 轉(zhuǎn)速閉環(huán)實驗

為驗證PMSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠運(yùn)行，給定轉(zhuǎn)速 n1＝120r/min，根據(jù)公式 n＝60f/P 可得理論上定子電流頻率f＝4Hz，電流周期T＝125ms。圖11（a）為通過示波器檢測的定子繞組在上述情況下的逆變橋電流波形圖，圖11（b）為通過聯(lián)軸器帶動的發(fā)電機(jī)輸出側(cè)電流波形，由圖可知，電流周期t＝125ms，實驗結(jié)果與理論相符。

圖11 n1＝120 r/min 時電流波形圖

6 結(jié)束語

本文討論了電梯門機(jī)控制系統(tǒng)。根據(jù)電梯門機(jī)的運(yùn)行特性，采用SVPWM控制技術(shù)，設(shè)計了電機(jī)控制程序和門機(jī)自控程序等功能模塊。實驗證明該門機(jī)控制器具有良好的運(yùn)行特性，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音小，且邏輯判斷錯誤和處理故障及時。但對于永磁同步電機(jī)應(yīng)用更為廣泛的伺服領(lǐng)域，這種控制方法還存在一定的缺陷。對更大范圍調(diào)速、更快指令響應(yīng)、更穩(wěn)運(yùn)行特征的追求，以及對精確位置控制的嘗試，這些都有待更進(jìn)一步的研究。

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