电梯门机伺服控制系统的设计与实现

0引言

随着科技的发展和时代的进步,电梯成为人们最常接触的交通设施,是高楼大厦必不可少的运输工具,城市越发高楼密布,而楼层越高越离不开电梯^[1—2]。电梯作为特种设备,其产品质量与使用者的人身安全息息相关,而门机作为电梯系统中频繁动作、直接面对乘客的核心部件,决定了开关门速度、开关力矩、耐久性等性能^[3],因此电梯门机驱动控制发展迅速^[4]。对于电梯制造商来说,电梯门机的控制是非常重要的一环^[1]。因此,设计一款稳定可靠的门机伺服控制系统,在理论和实践应用方面都具有重要的意义。

经过悉心研制和无数次实验后,本项目推出了一款电梯门机伺服控制系统—WXXY—2D04A1,它是针对电梯门的专用变频器产品,能大大提高电梯的使用性能,为电梯行业带来了福音。

1 门机伺服控制系统的结构

图1为门机伺服控制系统结构框图,系统由主回路、控制电路、电源和故障保护电路组成,主回路由整流桥、滤波电路、IPM模块和异步电机组成;控制电路以DSP芯片TMS320F2407为核心,用来实现矢量算法控制,产生SVPWM波形和相关电压、电流检测处理等功能;高频开关电源用于产生5路直流低压电源;故障保护电路包含电压、电流、温度等保护电路。

2 开关电源

图2为门机伺服控制系统的开关电源电路,包括:整流电路、ToPSwitch开关电源电路、充放电电路和电源输出电路;电源应用ToPSwitch开关电源技术,其主控制开关芯片U1能够检测输出电源电流,并给予反馈,然后自动调节开关的占空比,实现开关稳压电源的 自动调节。另外,本电源应用高频变压器 TR1,大大减小了电源的体积和重量。该电源为门机伺服控制系统提供7路直流开关电源:+15、+5、3.3、—15、G+24、G+15、G+5V。其中,G+24、G+15、G+5V与其他4路电源在电气上相互隔离。

3 门机伺服控制系统主回路设计

门机伺服控制系统主回路主要由整流电路、滤波电路、启动限流电路、制动泄放电路、基准电压电路、逆变电路和保护电路等几部分构成,其总体结构为交—直—交变频器结构,属于电压源型变频器,其结构示意如图3和图4所示。图3包含整流/滤波电路、启动限流电路、基准电压电路及能耗泄放电路。

3.1 整流、滤波电路

图3中,R18和R1,为抗过压压敏电阻,220 V、50 Hz交流电经过电容C25~C30和电感L1滤波,再经整流桥 B1整流为脉动直流电,脉动直流电经过大电容C31~ C32滤波为310V的脉动较小的直流电。电容C31~C32同时还在整流电路与逆变电路中起到储能作用。

3.2 启动限流电路
图3中,继电器RL主要用于启动限流,在上电的瞬间,由于开关电源还未能输出,继电器触点1、3闭合,直流母线电压VPP此时为0V。当开关电源获得输出时,继电器触点1、2闭合,直流母线电压VPP此时为310 V。这样可以避免上电瞬间的尖峰电压对电路系统以及元器件造成冲击伤害。

3.3 基准电压电路

基准电压电路通过芯片U6 TL431和比较器U7LM358产生2.5 V的基准电压。

3.4能耗泄放电路

能耗泄放电路通过R22和R23,采样直流母线电压，与基准电压2.5 V比较。当母线电压VPP超过400 V时,U,的第5脚电压超过基准电压2.5 V,MOS管Q,导通，VPP通过制动电阻R和Q,形成放电回路,消耗直流母线电压的能量,使母线电压降低,从而保护功率模块。

3.5逆变电路

逆变电路采用IR公司的IPM模块U8IRAMS10UP60B,U的输入信号UP、VP、WP、UN、VN和WN为来自缓冲器U,的6路SVPWM信号。U的输出信号VTH采集IM模块的温度信号给控制芯片DSP。U8的21脚输出IPM的故障信号,通过电阻R~R，分压,通过Q1放大后生成PPM-EN给DSP。当次故障信号为高电平时说明IPM模块有故障,DSP封锁SVPWM信号;反之DSP正常发出SVPWM控制信号。U的22脚采样IPM模块的电流信号,通过运放U7LM358放大后生成电流保护信号IDC-AD给DSP。U8的1、2、4、5、7和8输出三相变频电压给电机,驱动电机变频运行。

4 门机伺服控制系统控制电路的设计
图5为门机伺服控制系统控制电路，应用TI公司的DSP TMS320F2407芯片作为主控制芯片，DSP的IO接收外部信号,再通过算法控制产生控制信号,驱动电梯门机开关门运行。CODER-X和CODER-Y为电机编码器输入信号，PWM1~PWM6为SVPWM矢量控制信号,IOPE1~IOPE7信号分别为来自门机的关门限速信号、开门限速信号、关门到位信号、开门到位信号、开门信号、关门信号和安全信号,IOPFOH~IOPF2-H分别为来自门机的开门到位信号、关门到位信号和故障报警信号。其他的信号有通信信号、程序下载信号、拨码信号等。图5中U14、U15为缓冲器74ACT44芯片,同时也作为电平转换芯片。

图6为门机伺服控制系统外接电路，CODER-X和CODER-Y为电机编码器输入信号,IOPE1~IOPE7信号来自DSP的I/0口，其含义如前所述。其中，光耦U16和U17以及0C2~0C11的使用是为了光电隔离抗干扰。
5 门机伺服控制系统的实验测试
图7为门机伺服控制系统实验测试图，图7(a)为门机伺服控制系统,P1-1~P1-3为电源输入端子，P3-1~P3-5为旋转编码器接口端子，P4-1~P4-4和P5-1~P5-10为控制回路端子，P6-1~P6-9为RS422通信接口端子，P7—1~P7—3为门机变频器输出端子(电机接口)。

图7(b)为门机伺服控制系统实验测试信号，该信号为逆变桥的SVPWM波形，由图可知，SVPWM波形性能好，稳定可靠。

此外，经过实验测试，电梯门机伺服控制系统能实现门机的所有功能，性能安全、稳定、可靠，达到了设计的预期效果。

6总结

1)采用TI公司推出的TMS320F2407芯片，专业化面向电机控制，性能、功能强，具有高速处理能力，实现了全数字化，长期运行不受温漂和时漂的影响，具有很高的控制精度和可靠性。

2)电梯开门到位、关门到位以及开关门过程中的调速点可以选择两种方式给出—由编码器给出、由磁开关给出。由于门系统方面的故障占电梯故障的大部分，因此采用TI公司DSP芯片的智能控制门机变频器能大大提高电梯门系统的可靠性 , 从而提 高电梯运行的可靠性。

3)采用按键操作和由LED显示器提供的人机对 话界面 , 同时还运用服务器 ,在现场调试过程中能非 常方便地通过按键和服务器对变频器的运行参数进 行数值化调试。开门过程有5段曲线 ,关门过程有5段 曲线 ,可以方便满意地调出理想的门机运行曲线。可 以通过LED显示器和服务器观测变频器当前运行的 频率、电压、行程等参数。

4)精心设计的开关电源使调速器受输入工频电 源电压波动影响小 ,使整个门机系统体积、质量大大 减小 ,成本降低。

5)具有完善的故障检测系统 ,可以监控直流母 线电压过压(400 V为保护阈值)、欠压 ,直流母线电 流过流(2 .5倍额定电流为保护阈值),IPM模块过温 (80 ℃为过温阈值),在检测到这些故障信号后给出 保护信号 ,使IPM—EN变成高电平 , 从而使PD和IPM模块的FAULT脚变成低电平 ,封锁SVPWM脉冲 ,保 护系统。

[参考文献]

[1] 王国涛. 电梯门机控制系统设计与实现研究[D].上海:上 海交通大学 ,2012.

[2] 宋岩松.智能化技术助提电梯维保质量策略研究[J].设 备管理与维修 ,2021(12):28—29.

[3] 黄根法 ,翁晓伟 ,徐华月 ,等.永磁电梯门机多参数在线检 测研究[J].机电信息 ,2023(6):67—69.

[4] 黄戎.基于永磁同步电梯门机矢量控制的研究[J]. 中国 电梯 ,2019 ,30(21): 18—24.

2024年第23期第9篇