基于驅(qū)控一體技術(shù)的門機控制器的開發(fā)

向前進，王毅璇

(中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所，北京102209)

0 引言

快速卷簾門是快速升降的無障礙隔離門，主要作用是快速隔離，在食品、化學、紡織、超市、冷凍、物流、倉儲、車庫等多種場所有著廣泛應用?？焖倬砗熼T的種類繁多，主要分類有以下幾種：(1) 大門、小門；(2) 軟簾門、硬質(zhì)金屬門；(3) 速度快和速度慢的門。不管是哪種卷簾門，均要求運行平穩(wěn)、長期運行往復定位精度高、無累積誤差。

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，在運動控制領(lǐng)域中驅(qū)控一體技術(shù)的發(fā)展勢頭也越來越猛。驅(qū)控一體技術(shù)主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計上，將驅(qū)動部分和控制部分合二為一，采用驅(qū)動與控制緊密結(jié)合的構(gòu)架技術(shù)，與傳統(tǒng)的驅(qū)動控制分離式相比，既減小了控制器體積，又提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性，成本也有所減少[1-8]。

目前，市場上70% 以上的快速卷簾門控制器采用“PLC+ 變頻器” 或“MCU 控制板+ 變頻器” 的控制方案，其控制柜體積大，定位精度低，性價比不高。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和人們對卷簾門要求的不斷提高，迫切需要設計一款新的門機控制器，滿足高速、高精度、高可靠性等要求。

本文創(chuàng)新性地給出了快速卷簾門控制器的邏輯控制和伺服驅(qū)動的主控CPU 合二為一的實現(xiàn)方案。

1 設計方案

1.1 控制器設計要求

1.1.1 功能要求

控制器的主要功能要求如下：

(1) 觸摸屏具備功能設置、參數(shù)設定、門機定位及狀態(tài)顯示等功能；

(2) 運行狀態(tài)下，可通過“ 開門” 按鈕、“ 關(guān)門” 按鈕實現(xiàn)對門的開啟與關(guān)閉，通過“ 急停” 按鈕實現(xiàn)特殊情況下的門的停止；

(3) 門在下降過程中如“ 光電/ 氣囊” 信號有效，則門需停止下降并重新開門至上限位位置；

(4) 在運行狀態(tài)下且系統(tǒng)設置為“ 自動” 時，當“ 雷達/ 地磁” 信號有效時，門需開啟至上限位位置。若是在門下降過程中感應到信號，門需停止下降并重新開門至上限位位置；

(5) 調(diào)試狀態(tài)下，通過對“ 原點” 信號的采集，完成在“ 行程開關(guān)” 工作模式下的機械位置的“ 對標”；

(6) 具備可設置的干接點輸出信號功能；

(7) 具備過流、過壓、遇阻、超時等保護功能；

(8) 具備半開、防凍運行、一鍵開關(guān)、故障提示等其他功能。

1.1.2 性能要求

主要性能要求如下：

(1) 快速卷簾門運行速度為0.6 m/s～1.5 m/s ；

(2) 運行速度過渡平穩(wěn)。

1.2 技術(shù)方案

依據(jù)快速卷簾門控制器的設計要求，現(xiàn)給出一種基于驅(qū)控一體技術(shù)的解決方案，如圖1 所示。

圖1 門機控制器設計框圖

其中，4.3 英寸觸摸屏及外置絕對值編碼器與門機控制器之間通過通信的方式進行數(shù)據(jù)交互；門機控制器可驅(qū)動1.5 kW 的永磁同步電機，同時以脈沖的形式實時采集電機的位置信息，以電流的方式采集電機的反饋電流，從而實現(xiàn)對電機的三環(huán)控制[9]；門機控制器共有12 路開關(guān)量輸入通道，5路繼電器輸出通道。

2 硬件實現(xiàn)

基于驅(qū)控一體技術(shù)的門機控制器的硬件，就是將伺服電機驅(qū)動及邏輯功能控制的硬件需求集中設計到一塊電路板上。

2.1 DSP 選型及最小系統(tǒng)

門機控制器主控制芯片選用TI 公司的TMS320-F28069 芯片。該芯片是32 位的帶浮點運算的高性能DSP，在運動控制領(lǐng)域中有著廣泛的應用。該芯片還具有豐富的片內(nèi)外設資源，如3個32 位的通用定時器，8 路增強型的脈寬調(diào)制器，2個增強型的正交脈沖電路模塊，2個串行通信接口模塊等[10]。

門機控制器的最小系統(tǒng)以TMS320F28069 芯片為核心進行構(gòu)建，芯片外圍電路由電源、晶振、復位及JTAG 接口等組成。

2.2 開關(guān)電源電路設計

開關(guān)電源是一種采用開關(guān)方式控制的直流穩(wěn)壓電源。它以小型、輕量、高效率的特點被廣泛應用于各種電子設備中，是當今不可或缺的一種電源方式[11]。

門機控制器的開關(guān)電源電路共有8 路輸出：2路24 V 外圍I/O 電路供電，4 路+15 V 供電給IPM模塊，1 路+5 V 給DSP 供電，1 路+12 V 電路給電源啟動電路供電。

2.3 電機驅(qū)動電路設計

電機驅(qū)動電路主要包括相電流采樣電路、增量編碼器反饋電路、脈寬調(diào)制電路等。

2.3.1 相電流采樣電路

相電流采樣電路主要是給驅(qū)動電路的電流環(huán)控制提供反饋信號?？刂破鞴膊杉? 路相電流：Iu 和Iw，如圖2 和圖3 所示。

圖2 相電流采集電路1

圖3 相電流采集電路2

2.3.2 增量編碼器反饋電路

增量編碼器反饋電路為驅(qū)動電路的速度環(huán)控制和位置環(huán)控制提供反饋信號。該部分電路采集電機的增量型編碼器輸出的3 路脈沖型差分信號。DS26LS32AC 用于編碼器反饋的差分轉(zhuǎn)單端，見圖4 。

圖4 增量編碼器反饋電路

2.3.3 脈寬調(diào)制電路

脈寬調(diào)制電路主要是將DSP 輸出的SVPWM 的信號經(jīng)過調(diào)制后，送入IPM 的控制端子，從而控制其6個IGBT 的通斷。A4504 用于IPM 接口信號的隔離，74AHC14 對A4504 的輸出信號進行反相，如圖5 所示。

圖5 脈寬調(diào)制電路

2.4 開關(guān)量輸入輸出電路設計

2.4.1 普通光耦輸入電路

該電路用于門機控制器的12 路輸入信號的采集，如開門、關(guān)門、停止、光電/ 保護、雷達/ 地磁、原點、互鎖、一鍵開關(guān)門等信號。其中任意一路的原理圖設計見圖6 。

圖6 普通光耦輸入電路

2.4.2 普通繼電器輸出電路

繼電器輸出電路主要用于門機控制器向外輸出普通的繼電器節(jié)點信號。繼電器輸出觸電需具備24 V～220 V/0～1.5 A 的帶載能力。普通繼電器輸出信號有互鎖及多功能輸出等，如圖7 所示。

圖7 普通繼電器輸出電路

2.4.3 繼電器控制的單路交流市電輸出電路

快速卷簾門的伺服電機尾部安裝了一個抱閘裝置，需門機控制器的1 路輸出進行控制。抱閘裝置由220 V 市電供電，上電時抱閘松開，電機可轉(zhuǎn)動；掉電時抱閘鎖死，電機不轉(zhuǎn)動。其輸出電路設計見圖8 。

圖8 繼電器市電輸出電路

2.5 通信電路設計

門機控制器通過RS232 方式與4.3 英寸觸摸屏進行通信；通過RS485 的方式與外置絕對值編碼器進行通信。限于篇幅，這里不再給出其電路圖。

3 軟件框圖

軟件開發(fā)工具為CCSv6 的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。門機控制器軟件框架如圖9 所示。

圖9 門機控制器的軟件框圖

門機控制器的軟件系統(tǒng)是一個簡單的操作系統(tǒng)，各個模塊均在該操作系統(tǒng)的組織、管理及調(diào)度下工作運行[12]。

3.1 相關(guān)運動子程序介紹

3.1.1 急停子程序Motion_DREMG()

調(diào)用該子程序后，伺服電機將以最快速度停車，電機軸將處于零速鎖定狀態(tài)且無法撥動。

3.1.2 定長運動子程序

定長運動子程序Motion_PSOUT(uint16_t axis，int32_t position_out) 有兩個形參[13]： 一個是軸號，為16 位的無符號整數(shù)，取值范圍0～5；另外一個是定長的脈沖數(shù)，為32 位有符號的整數(shù)，符號代表電機運行的方向，“+” 為正轉(zhuǎn)，“-” 為反轉(zhuǎn)。定長運動子程序采用的是計算量較小、機械平滑性較高的四次多項式位移曲線[14]。

3.2 用戶程序介紹

3.2.1 觸摸屏程序設計

HMI 選用迪文科技的4.3 英寸觸摸屏，實現(xiàn)功能設置、參數(shù)設定、門機定位及狀態(tài)顯示等功能。其中監(jiān)控主界面見圖10 。觸摸屏功能實現(xiàn)的部分匯編代碼[15]見圖11 。

圖10 觸摸屏監(jiān)控主界面

圖11 觸摸屏部分匯編代碼

3.2.2 關(guān)鍵控制功能的實現(xiàn)算法

門機控制器的關(guān)鍵控制功能是實現(xiàn)門的“ 開”、“ 關(guān)” 動作，其他邏輯控制則解決門在什么條件下“ 開” 和“ 關(guān)” 的問題。以從電機的增量編碼器采集的數(shù)據(jù)Xn為源數(shù)據(jù)，建立以Xi為變量的直線坐標系，如圖12 所示。

圖12 以Xi 為變量的直線坐標系

開門動作的實現(xiàn)算法為： 求d=Xu-Xi；松抱閘；延時；調(diào)用Motion_PSOUT (0，d)；到位后鎖緊抱閘。關(guān)門動作的實現(xiàn)算法只需將Xu換成Xd即可。

4 功能性能測試

4.1 功能測試

功能測試主要是利用輸入信號組合變化來模擬各種場合場景，重點查看其邏輯控制功能是否滿足要求。

經(jīng)測試，門機控制器的功能滿足不同場合和場景的需求。

4.2 性能測試

經(jīng)測試和計算，快速卷簾門運行速度為0.829 m/s ；開關(guān)門運行速度平穩(wěn)，其曲線見圖13，其中，橫坐標為時間，縱坐標為速度；萬次重復定位精度小于1 mm 。

圖13 開關(guān)門速度曲線

5 結(jié)論

本設計方案具備量產(chǎn)條件，并已商業(yè)化，產(chǎn)品得到了用戶的一致好評。目前該門機控制器年銷售量在5000 套以上。

本方案還有待改進提高的空間，如電機編碼器可由絕對值編碼器升級替代，系統(tǒng)性能將會極大提高。另外，還可考慮加入無線通信模塊，從而實現(xiàn)手機APP 遠程監(jiān)控。