基于STM32的電梯門機智能控制系統(tǒng)

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。然而其門機種類繁多，參數設置比較麻煩。為適應市場需求，將電梯門電機驅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)調完成電梯門的邏輯控制和電梯門電機的運動控制，提高了系統(tǒng)的柔性，節(jié)省了制造成本，實現了資源的優(yōu)化應用。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的主逆變電路，采用SVPWM控制技術，利用高精度編碼器AD2S1200實時檢測電機的位置和速度，同時采集電機的電流值，將信息進行反饋，并通過PI調節(jié)調控電機的運行狀態(tài)，設計出具有過流、過壓、短路、過載、軟啟動等保護功能的永磁同步電機電梯門控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)經過了實驗驗證，并通過了EMI檢測，具有噪聲小、運行平穩(wěn)等特點。

2 系統(tǒng)硬件組成

如圖1所示為系統(tǒng)的總體硬件結構框圖。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、無二次擊穿現象、安全工作區(qū)域寬等優(yōu)點。

開關電源選用以TL494集成控制器為核心元器件的小功率驅動電源，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內核的STM32F407芯片作為主控芯片，連接電機的驅動控制模塊、電流檢測模塊、電機位置與速度檢測模塊和電梯開關量輸出模塊，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)總體硬件結構框圖

2.1 電源電路

2.1.1 開關電源電路設計

目前，市場上有許多種不同的電源電路，其中半橋式開關電源因其輸出功率大的優(yōu)勢而得到了廣泛應用。本文選用以TL494集成控制器為核心元器件的半橋式開關電源。TL494是一種固定頻率的脈寬調制電路，滿足開關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，因此本開關電源需要加入變壓器來產生所需要的各種電壓。由TL494構成反饋回路提供電機所需要的90V強電，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，另兩路分別產生其他的電壓等級。

如圖2所示為半橋式開關電源主要參與能量的轉換通路圖。變壓器T1參與能量轉換，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輸出互補調制脈沖（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 半橋式開關電源參與能量的轉換通路

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內部基準電壓（Vref＝5V）經過電阻分壓得到。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。主回路的驅動芯片采用IR2130，該芯片中有六個高壓柵極驅動器，具有死區(qū)時間設置、過流保護、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，然后驅動逆變電路，IR2130驅動電路圖如圖3所示。

圖3 IR2130驅動電路圖

2.3 信號調理控制電路

2.3.1 位置、速度檢測電路

在高性能電機的控制中，轉子位置的測量精度對電機的控制效果影響很大。為提高電機轉子位置信號的測量精度，本文設計采用AD2S1200作為電機位置與速度信息采集的元器件。AD2S1200作為旋轉變壓器—數字轉換器單片集成芯片，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勵磁驅動的外圍電路。本文設計采用的永磁同步電機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。本文所采用的旋轉變壓器的勵磁電流的峰峰值為11V，需要結合旋變參數調整驅動器的增益，一般情況下增益緩沖器的設定通過下圖中的R1、R2調節(jié)即可，本設計采用的增益為1.5。旋變的次級輸出信號uNs1和uNs3，uNs2和uNs4經濾波電路后直接進入 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變?yōu)閿底至?，以供主控芯片STM32F407對信息進行分析，從而控制電機的運行。本文采用AD芯片ADS8332與電流霍爾傳感器HBC-LSP相結合的模塊對兩相電流A和B進行采集。這種方法測量范圍廣，反應速度快，兼具電流互感器和電子電路的優(yōu)點，保證了高準確度和線性度。

2.4 保護電路

2.4.1 軟啟動保護

剛上電工作時，TL494輸出基準電壓5V，經電容C耦合加到死區(qū)時間控制端，其電壓短暫高于3V，輸出互補調制脈沖皆為低電平。一旦電容C充電結束，則基準電壓經電阻分壓加到死區(qū)時間控制端，其電壓約為0.5V，TL494正常工作，實現了開關電源的軟啟動保護。

2.4.2 過流保護

（1）開關電源過流保護

當因故障使輸出電流過大時，連接在開關電源輸出端與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，從而實現過流保護的作用。

（2）驅動過流保護

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，當發(fā)生過流時，可得到及時的信號Fault，其經過光耦隔離電路送給主控芯片，可關斷SVPWM信號，即可關斷驅動信號，從而實現了驅動過流保護。

3 系統(tǒng)軟件設計

電梯門機主要有開門和關門兩個主要功能。在正常開關門運行過程中，需要根據門機位置改變運行速度。門機速度則根據位置信息、電流信息等經主控芯片STM32F407進行判斷與調節(jié)，得到相應位置速度的SVPWM波，從而由硬件實現對電機的控制。因此，電梯門機控制系統(tǒng)軟件程序主要有初始化程序、主控程序、門寬自適應程序、保護程序等。

如圖6所示為整個軟件設計的主流程圖。

圖6 軟件設計主流程圖

3.1 電機控制程序

本文設計的電機控制程序采用的是空間矢量調制技術，其流程圖如圖7所示。定時器產生中斷時，程序將經由ADS8332采集的兩相電流經過Clarke 變換（3s/2s），再經過 Park 變換（2s/2r），并結合由AD2S1200采集的電機位置信息，得到旋轉坐標系下的Id、Iq。通過PI調節(jié)可得到Vd、Vq，再經過Park反變換可得到Vα、Vβ，最后可計算出調制波形，并通過驅動模塊控制電機的運行。其中，PWM的工作頻率為8.4kHz，電流環(huán)調節(jié)器的控制周期為1.25ms，速度、位置環(huán)的調節(jié)周期為 10ms。

圖7 電機控制程序流程圖

3.2 門寬自適應程序

程序初始化以后，門機慢速運轉，完成一次開、關門動作?？刂瞥绦蛲ㄟ^AD2S1200反饋的信號得到門機的實際門寬。程序根據門機的實際門寬自動調節(jié)門機的運行速度曲線參數，達到實際應用不同門寬的要求。

3.3 保護程序

本文設計通過檢測由驅動芯片IR2130采集的過流信號來關斷PWM信號，以實現對電路的保護作用。

4 傳導電磁干擾抑制實驗

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)包括門機控制器、門機馬達、門機架子和光幕等，而門機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動系統(tǒng)輸入端整流部分所產生的高次諧波、直流-交流（DC-AC）高頻逆變器和逆變器輸出端到電機電纜之間所產生的共模電磁干擾。

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構成。通過壓敏電阻的高壓導通性能，吸收掉電網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電容來濾除掉電網中的差模干擾。

圖8 EMI濾波電路

另外，在保證電路驅動能力的情況下，可增加門極電阻，同時可給開關元器件增加吸收回路，如圖9所示。在開關管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上的能量經過T1、電感L1和L2、二極管D4及電阻R1所構成的放電回路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt。

圖9 驅動橋臂吸收回路

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

如圖10所示為電梯門控制驅動系統(tǒng)在專業(yè)環(huán)境下進行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 轉速閉環(huán)實驗

為驗證PMSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的準確可靠運行，給定轉速 n1＝120r/min，根據公式 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）為通過聯軸器帶動的發(fā)電機輸出側電流波形，由圖可知，電流周期t＝125ms，實驗結果與理論相符。

圖11 n1＝120 r/min 時電流波形圖

6 結束語

本文討論了電梯門機控制系統(tǒng)。根據電梯門機的運行特性，采用SVPWM控制技術，設計了電機控制程序和門機自控程序等功能模塊。實驗證明該門機控制器具有良好的運行特性，電機運轉平穩(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應用更為廣泛的伺服領域，這種控制方法還存在一定的缺陷。對更大范圍調速、更快指令響應、更穩(wěn)運行特征的追求，以及對精確位置控制的嘗試，這些都有待更進一步的研究。

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