應(yīng)用在自動門上的直線電機控制系統(tǒng)設(shè)計

鞠振宇

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的快速進步，經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)得到了質(zhì)的提高。因此，越來越多的高檔場所如酒店、商場、銀行等，在他們的入口處采用更加方便、美觀、智能的自動門控制系統(tǒng)。

據(jù)《紐約時報》的記載，最早的自動門是由美國的史丹利公司于1930 年推出的，當時由于受技術(shù)的限制，那個年代的自動門是由油壓、空壓進行驅(qū)動的，運行效果與運行效率都不太好。然而隨著后面電氣控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子與電機控制技術(shù)越來越成熟，于是便出現(xiàn)了采用電機驅(qū)動的自動門，運行效果與運行效率得到了很大的提升。

目前市場上大部分的自動門控制系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)都是由旋轉(zhuǎn)電機、減速器、傳動裝置所組成，通過減速器把旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)矩增大，再由傳動裝置把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為自動門所需要的直線運動，進而驅(qū)動門體進行開門與關(guān)門動作。但是其存在一些無法避免的缺點：旋轉(zhuǎn)電機、減速器和傳動裝置占用空間較大，需要預(yù)留足夠的空間才能安裝；由于機械傳動裝置的存在，不可避免地出現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)相互碰撞、摩擦產(chǎn)生的噪聲，和帶來的能量損失的問題。

本文設(shè)計了一種應(yīng)用在自動門上的直線電機控制系統(tǒng)。因為直線電機可以直接產(chǎn)生直線運動，避免了旋轉(zhuǎn)電機由旋轉(zhuǎn)到直線的轉(zhuǎn)化過程，減少了減速器和傳動裝置，所以由直線電機驅(qū)動的自動門的效率更高，噪音更小，占用的額外空間更少。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本方案設(shè)計的控制系統(tǒng)以ST 公司的STM32F446RET6單片機為控制核心，來實現(xiàn)自動門的開門、關(guān)門的功能。該控制系統(tǒng)主要由單片機電路、電源電路、磁耦隔離電路、驅(qū)動逆變電路、電流采樣電路和霍爾傳感器組成。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。由外部直流24V 電源輸入給電源電路，電源電路可以分別產(chǎn)成+3.3V、+5V、+12V 電壓，給系統(tǒng)中的其他部分電路提供合適穩(wěn)定的電壓；利用電流采樣電路采集永磁同步直線電機的三相電流，傳輸給單片機的ADC 接口對電機電流進行實時處理；然后STM32F446RET6 單片機通過計算，生成六路SVPWM 信號輸入給磁耦隔離電路，再由磁耦隔離電路輸入給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路再通過逆變電路驅(qū)動永磁同步直線電機動作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

■2.1 電源電路

該控制系統(tǒng)的電源電路設(shè)計如圖2 所示。其中包含了+5V 供電電路，+3.3V 供電電路和+12V 供電電路，滿足了該系統(tǒng)所用電子元器件的所有供電需求，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 電源電路原理圖

該自動門控制系統(tǒng)由外部+24V 電源供電，+24V 電壓通過電源接口接入電路，利用SS36 二極管限制其電流的方向，由220μF 的電解電容和0.1μF 的貼片陶瓷電容進行濾波處理之后輸入給+5V 電源芯片，再由+5V 電源芯片輸出+5V電壓，輸出的+5V電壓再給+3.3V電源芯片，使其輸出+3.3V 電壓。

+5V 電源芯片我們采用的是德州儀器生產(chǎn)的LM2596R-5.0 芯片，該芯片為DC-DC 開關(guān)型電壓調(diào)節(jié)器，最大輸出電流為3A，轉(zhuǎn)換效率高達70%～90%，當它的ON/OFF 引腳為低電平時，此芯片開始工作，同時產(chǎn)生一個1.235V 的參考電壓，用來和反饋電壓進行比較，進而實現(xiàn)穩(wěn)壓。FB 引腳接在電路的輸出端，通過輸出端的反饋電壓與基準電壓1.235V 進行比較，從而檢測輸出電壓是否偏離所需電壓，進而對芯片進行相應(yīng)的穩(wěn)壓控制。雖然該芯片已經(jīng)問世很長時間了，但是其熱度一直沒有減少，因為他使用方便，性能穩(wěn)定，現(xiàn)如今在很多場合仍然有很多人在使用該芯片；+3.3V 電源芯片我們采用的是江蘇長晶科技股份有限公司生產(chǎn)的CJT1117-3.3V 電源芯片，該芯片為低壓降線性穩(wěn)壓器，輸入5V 電壓，輸出3.3V 電壓，最大輸出電流為1A。其價格低廉，外圍電路簡單，使用方便；+12V 電源芯片我們采用的是樂山無線電生產(chǎn)的LR7812 電源芯片，該芯片為3 端1A 正壓調(diào)節(jié)器，輸入24V，輸出12V。

■2.2 主控芯片電路

該控制系統(tǒng)的控制核心采用的是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F446RET6 處理器，STM32F446 集成了ARM Cortex-M4 內(nèi)核，采用了90nm 的非易 失性存儲器（NonVolatile Memory）技術(shù)和自適應(yīng)實時存儲器加速器（Adaptive Real-Time MemoryAccelerator）技術(shù)，使程序零等待運行，可以充分發(fā)揮出Cortex-M4 的性能。Flash容量為512KB，主頻最高為180MHz。

圖3 為STM32F446RET6 處理器的最小系統(tǒng)原理圖。

圖3 STM32F446RET6 最小系統(tǒng)原理圖

■2.3 磁耦隔離電路

為了防止電路故障時，電機驅(qū)動電路的大電流損害單片機，我們在單片機與電機驅(qū)動電路中間加入了磁耦隔離電路。我們采用的是德州儀器生產(chǎn)的SN74HC244N 緩沖器，該緩沖器是一款三態(tài)八路正向緩沖器，它具有兩個輸出使能端：1OE 與2OE，通過控制1OE 與2OE 端口上高低電平的變化，就可以自主選擇要導(dǎo)通的通道。當1OE 與2OE 的選通工作信號為低電平時，該緩沖器的輸出端Y 和輸入端A狀態(tài)相同；當1OE 與2OE 的選通工作信號為高電平時，輸出呈現(xiàn)高阻態(tài)。

圖4 為SN74HC244N 緩沖器電路的原理圖。

■2.4 驅(qū)動逆變電路

單片機輸出的SVPWM 信號經(jīng)過磁耦隔離電路后，傳輸?shù)诫姍C驅(qū)動芯片上，來控制MOS 管的關(guān)斷驅(qū)動電機。我們采用的是英飛凌公司生產(chǎn)的IRS2003STRPBF 電機驅(qū)動芯片，該驅(qū)動芯片是一個高壓、高速功率的MOSFET 和IGBT驅(qū)動器，具有可靠的高側(cè)和低側(cè)參考輸出通道，供電電壓為10～20V，高壓側(cè)電壓最大值可達200V。MOS 管我們采用的是無錫新潔能公司生產(chǎn)的NCEP85T12 場效應(yīng)管，該MOS 管為N 溝道電力MOS 場效晶體管，漏極與源極之間所能承受的最大電壓值為85V，可承受120A 的大電流，完全保障了使用要求。

圖5 為IRS2003STRPBF 電機驅(qū)動芯片與NCEP85T12場效應(yīng)管所搭建的半橋電路原理圖。

圖5 驅(qū)動逆變電路原理圖

■2.5 采樣放大電路

為了使電機運行更加地可靠，運行得更加平穩(wěn)，我們需要對電機運行電流進行采樣，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。我們采用精密電阻采樣，把精密電阻串聯(lián)在下橋臂的源極與地之間，通過運算放大電路放大精密電阻上的電壓信號，傳輸給單片機進行運算處理，得到流經(jīng)采樣電阻上的電流值。運算放大器我們采用的是德州儀器生產(chǎn)的LMV358AIDR 雙通道運算放大器芯片，輸入電壓范圍為0～6V，增益帶寬為1MHz。通過配置外圍電路，形成單極低通濾波器。運算放大倍數(shù)公式為：

式中：RF為反饋電阻；RG為反向輸入端到地之間的電阻；R1為輸入信號到正向輸入端之間的電阻；C1為正向輸入端與地之間的電容。

截止頻率計算公式為：

本運放電路的放大倍數(shù)通過以上公式計算得出為63倍，截止頻率為37kHz，滿足使用要求。圖6 為采用LMV358AIDR 芯片的運放電路原理圖。

圖6 運算放大電路原理圖

3 軟件設(shè)計

該控制系統(tǒng)利用Keil5 為軟件開發(fā)平臺，編寫了整個控制系統(tǒng)的控制代碼，控制代碼采用C 語言進行編寫，語法清晰，結(jié)構(gòu)簡單，便于開發(fā)與后期的調(diào)試。采用了STM32標準庫進行開發(fā)，使用方便，可讀性比較好，便于理解。我們采用了FOC（Field-Oriented Control）矢量控制算法，來控制永磁同步直線電機。FOC 矢量控制算法是通過控制磁場的大小和方向來進一步控制電機，從而實現(xiàn)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)矩、低噪音、高效率和高速動態(tài)響應(yīng)。程序主要分為兩個部分：主函數(shù)部分和中斷部分。

■3.1 主函數(shù)

主函數(shù)主要初始化各個模塊，配置好時鐘、定時器、ADC 與UART 的初始化狀態(tài)，并給一些基本的變量賦初始值，保證后面程序的運行。程序開始運行，先對串口進行初始化，配置其波特率為115200，再對霍爾傳感器、磁耦隔離、ADC、LED、定時器和中斷進行配置，設(shè)置ADC 中斷的搶占優(yōu)先級與響應(yīng)優(yōu)先級都為0，之后給電流環(huán)PID 參數(shù)和Id_ref、Iq_ref 賦初值，再把定時器使能打開，進入while(1)循環(huán)，在里面執(zhí)行LED 燈閃爍，在程序運行的時候來判斷程序是否正常運行。其主函數(shù)的程序流程圖如圖7所示。

圖7 主函數(shù)程序流程圖

■3.2 中斷函數(shù)

中斷函數(shù)是該控制系統(tǒng)的主要部分，中斷函數(shù)為外部觸發(fā)中斷，主要包含了FOC 矢量控制算法所需變量的賦值與FOC矢量控制算法所需的各種變換。程序開始，判斷ADC 注入通道是否有上升沿觸發(fā)，當有上升沿觸發(fā)時進入中斷函數(shù)，否則，不進入中斷函數(shù)。進入中斷函數(shù)以后，采集電機的三相電流和電機的角度，通過CLARK 變換，將三相電流Ia、Ib、Ic轉(zhuǎn)化為兩相Iα、Iβ，對Iα、Iβ做Park 變換，得到Id、Iq，與Id_ref、Iq_ref 作差，經(jīng)過PID 控制器使Id、Iq最終達到設(shè)置的Id_ref、Iq_ref，然后通過反park 變換把直流信息轉(zhuǎn)化為交流信息用于SVPWM 的輸入，最后通過SVPWM 計算驅(qū)動電機。中斷函數(shù)的程序流程圖如圖8 所示。

圖8 中斷流程圖

■3.3 控制算法

本永磁同步直線電機控制系統(tǒng)采用的是FOC 矢量控制算法，是目前永磁同步直線電機（PMLSM）高效控制的最優(yōu)方法之一。

FOC 矢量控制算法結(jié)構(gòu)框圖如圖9 所示。

圖9 FOC 矢量控制算法結(jié)構(gòu)框圖

首先，我們采集三相電流，在實際應(yīng)用中，為了節(jié)約成本，我們采集兩相電流即可，第三相電流通過公式(3)基爾霍夫電流定律（KCL）來計算，該定律規(guī)定在任意時刻，流入一個節(jié)點的電流之和恒等于流出該節(jié)點的電流之和?；鶢柣舴螂娏鞫晒饺缦拢?/p>

我們采集到的三相電流Ia、Ib、Ic基本上就是三個相位相差120 度的正弦波，經(jīng)過Clarke 變換后將這三個非正交的基向量，正交化為一個直角坐標系，這個新的直角坐標系我們把它命名為α—β 坐標系。變換公式如下：

之后我們將Iα、Iβ進行線性化，我們通過作Clark 變換，將α-β 坐標系旋轉(zhuǎn)θ 度，其中θ 是轉(zhuǎn)子當前的角度。得到Id、Iq。Clark 變換公式如下：

Id、Iq為直流量，這時我們就可以采用控制直流電機的方式來控制永磁同步直線電機，我們采用的是工業(yè)界偏愛的PID 控制，這里我們只需要用PI 就可以滿足要求。

我們將反饋量Id、Iq與設(shè)定值Id_ref、Iq_ref 進行求差，輸入到PI 控制器中，得到Ud、Uq，再進行反Park 變換，得到兩個相位相差90°的正弦量Uα、Uβ。反Park變換公式如下：

最后，把得到的Uα、Uβ通過SVPWM 調(diào)制，生成SVPWM 信號控制逆變橋，來驅(qū)動永磁同步電機。這時，就完成了FOC 控制的整個流程。

4 實驗

最后，需要通過實驗來檢驗我們的硬件電路和控制程序是否正確。把設(shè)計的電機驅(qū)動電路板與永磁同步直線電機連接好，將程序通過下載器下載到電路板上，給電路板通上直流24V 電源，打開開關(guān)，驅(qū)動直線電機的運行。將示波器的探頭接到電路板驅(qū)動信號輸出端，監(jiān)測電機驅(qū)動電路板輸出給電機的波形。波形如圖10 所示。

圖10 驅(qū)動信號波形圖

5 結(jié)論

本文針對自動門在實際應(yīng)用中的需求，提出了一種新型的基于永磁同步直線電機的自動門控制系統(tǒng)，論述了該自動門控制系統(tǒng)的組成及其各部分的原理，設(shè)計并完成了永磁同步直線電機控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和控制軟件的編寫，對自動門控制系統(tǒng)未來的設(shè)計與開發(fā)使用具有一定的指導(dǎo)意義，提供了一定的參考價值。