電梯門機伺服控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要：介紹了運用DSP作為主控制器件的電梯門機伺服控制系統(tǒng)的設計方案，該方案運用開關(guān)電源產(chǎn)生直流穩(wěn)壓電源，運用DSP作為主控制器，運用IPM模塊作為逆變器橋，產(chǎn)生變頻三相交流電源，帶動電機運轉(zhuǎn)，驅(qū)動門機系統(tǒng)運行。實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)設計的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電梯門機；伺服控制；開關(guān)電源；主回路；控制電路

中圖分類號：TM351" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0040-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.009

0" " 引言

隨著科技的發(fā)展和時代的進步，電梯成為人們最常接觸的交通設施，是高樓大廈必不可少的運輸工具，城市越發(fā)高樓密布，而樓層越高越離不開電梯[1-2]。電梯作為特種設備，其產(chǎn)品質(zhì)量與使用者的人身安全息息相關(guān)，而門機作為電梯系統(tǒng)中頻繁動作、直接面對乘客的核心部件，決定了開關(guān)門速度、開關(guān)力矩、耐久性等性能[3]，因此電梯門機驅(qū)動控制發(fā)展迅速[4]。對于電梯制造商來說，電梯門機的控制是非常重要的一環(huán)[1]。因此，設計一款穩(wěn)定可靠的門機伺服控制系統(tǒng)，在理論和實踐應用方面都具有重要的意義。

經(jīng)過悉心研制和無數(shù)次實驗后，本項目推出了一款電梯門機伺服控制系統(tǒng)——WXXY-2D04A1，它是針對電梯門的專用變頻器產(chǎn)品，能大大提高電梯的使用性能，為電梯行業(yè)帶來了福音。

1" " 門機伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1為門機伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)由主回路、控制電路、電源和故障保護電路組成，主回路由整流橋、濾波電路、IPM模塊和異步電機組成；控制電路以DSP芯片TMS320F2407為核心，用來實現(xiàn)矢量算法控制，產(chǎn)生SVPWM波形和相關(guān)電壓、電流檢測處理等功能；高頻開關(guān)電源用于產(chǎn)生5路直流低壓電源；故障保護電路包含電壓、電流、溫度等保護電路。

2" " 開關(guān)電源

圖2為門機伺服控制系統(tǒng)的開關(guān)電源電路，包括：整流電路、TOPSwitch開關(guān)電源電路、充放電電路和電源輸出電路；電源應用TOPSwitch開關(guān)電源技術(shù)，其主控制開關(guān)芯片U1能夠檢測輸出電源電流，并給予反饋，然后自動調(diào)節(jié)開關(guān)的占空比，實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源的自動調(diào)節(jié)。另外，本電源應用高頻變壓器TR1，大大減小了電源的體積和重量。該電源為門機伺服控制系統(tǒng)提供7路直流開關(guān)電源：+15、+5、3.3、-15、G+24、G+15、G+5 V。其中，G+24、G+15、G+5 V與其他4路電源在電氣上相互隔離。

3" " 門機伺服控制系統(tǒng)主回路設計

門機伺服控制系統(tǒng)主回路主要由整流電路、濾波電路、啟動限流電路、制動泄放電路、基準電壓電路、逆變電路和保護電路等幾部分構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)為交—直—交變頻器結(jié)構(gòu)，屬于電壓源型變頻器，其結(jié)構(gòu)示意如圖3和圖4所示。圖3包含整流/濾波電路、啟動限流電路、基準電壓電路及能耗泄放電路。

3.1" " 整流、濾波電路

圖3中，R18和R19為抗過壓壓敏電阻，220 V、50 Hz交流電經(jīng)過電容C25～C30和電感L1濾波，再經(jīng)整流橋B1整流為脈動直流電，脈動直流電經(jīng)過大電容C31～C32濾波為310 V的脈動較小的直流電。電容C31～C32同時還在整流電路與逆變電路中起到儲能作用。

3.2" " 啟動限流電路

圖3中，繼電器RL1主要用于啟動限流，在上電的瞬間，由于開關(guān)電源還未能輸出，繼電器觸點1、3閉合，直流母線電壓VPP此時為0 V。當開關(guān)電源獲得輸出時，繼電器觸點1、2閉合，直流母線電壓VPP此時為310 V。這樣可以避免上電瞬間的尖峰電壓對電路系統(tǒng)以及元器件造成沖擊傷害。

3.3" " 基準電壓電路

基準電壓電路通過芯片U6 TL431和比較器U7 LM358產(chǎn)生2.5 V的基準電壓。

3.4" " 能耗泄放電路

能耗泄放電路通過R22和R23采樣直流母線電壓，與基準電壓2.5 V比較。當母線電壓VPP超過400 V時，U1的第5腳電壓超過基準電壓2.5 V，MOS管Q1導通，VPP通過制動電阻R26和Q1形成放電回路，消耗直流母線電壓的能量，使母線電壓降低，從而保護功率模塊。

3.5" " 逆變電路

逆變電路采用IR公司的IPM模塊U8 IRAMS10UP60B，U8的輸入信號UP、VP、WP、UN、VN和WN為來自緩沖器U14的6路SVPWM信號。U8的輸出信號VTH采集IPM模塊的溫度信號給控制芯片DSP。U8的21腳輸出IPM的故障信號，通過電阻R29～R31分壓，通過Q2放大后生成IPM-EN給DSP。當次故障信號為高電平時，說明IPM模塊有故障，DSP封鎖SVPWM信號；反之，DSP正常發(fā)出SVPWM控制信號。U8的22腳采樣IPM模塊的電流信號，通過運放U7 LM358放大后生成電流保護信號I-DC-AD給DSP。U8的1、2、4、5、7和8輸出三相變頻電壓給電機，驅(qū)動電機變頻運行。

4" " 門機伺服控制系統(tǒng)控制電路的設計

圖5為門機伺服控制系統(tǒng)控制電路，應用TI公司的DSP TMS320F2407芯片作為主控制芯片，DSP的IO接收外部信號，再通過算法控制產(chǎn)生控制信號，驅(qū)動電梯門機開關(guān)門運行。CODER-X和CODER-Y為電機編碼器輸入信號，PWM1～PWM6為SVPWM矢量控制信號，IOPE1～IOPE7信號分別為來自門機的關(guān)門限速信號、開門限速信號、關(guān)門到位信號、開門到位信號、開門信號、關(guān)門信號和安全信號，IOPF0-

H～IOPF2-H分別為來自門機的開門到位信號、關(guān)門到位信號和故障報警信號。其他的信號有通信信號、程序下載信號、撥碼信號等。圖5中U14、U15為緩沖器74ACT44芯片，同時也作為電平轉(zhuǎn)換芯片。

圖6為門機伺服控制系統(tǒng)外接電路，CODER-X和CODER-Y為電機編碼器輸入信號，IOPE1～IOPE7信號來自DSP的I/O口，其含義如前所述。其中，光耦U16和U17以及OC2～OC11的使用是為了光電隔離抗干擾。

5" " 門機伺服控制系統(tǒng)的實驗測試

圖7為門機伺服控制系統(tǒng)實驗測試圖，圖7（a）為門機伺服控制系統(tǒng)，P1-1～P1-3為電源輸入端子，P3-1～P3-5為旋轉(zhuǎn)編碼器接口端子，P4-1～P4-4和P5-1～P5-10為控制回路端子，P6-1～P6-9為RS422通信接口端子，P7-1～P7-3為門機變頻器輸出端子（電機接口）。

圖7（b）為門機伺服控制系統(tǒng)實驗測試信號，該信號為逆變橋的SVPWM波形，由圖可知，SVPWM波形性能好，穩(wěn)定可靠。

此外，經(jīng)過實驗測試，電梯門機伺服控制系統(tǒng)能實現(xiàn)門機的所有功能，性能安全、穩(wěn)定、可靠，達到了設計的預期效果。

6" " 總結(jié)

1）采用TI公司推出的TMS320F2407芯片，專業(yè)化面向電機控制，性能、功能強，具有高速處理能力，實現(xiàn)了全數(shù)字化，長期運行不受溫漂和時漂的影響，具有很高的控制精度和可靠性。

2）電梯開門到位、關(guān)門到位以及開關(guān)門過程中的調(diào)速點可以選擇兩種方式給出——由編碼器給出、由磁開關(guān)給出。由于門系統(tǒng)方面的故障占電梯故障的大部分，因此采用TI公司DSP芯片的智能控制門機變頻器能大大提高電梯門系統(tǒng)的可靠性，從而提高電梯運行的可靠性。

3）采用按鍵操作和由LED顯示器提供的人機對話界面，同時還運用服務器，在現(xiàn)場調(diào)試過程中能非常方便地通過按鍵和服務器對變頻器的運行參數(shù)進行數(shù)值化調(diào)試。開門過程有5段曲線，關(guān)門過程有5段曲線，可以方便滿意地調(diào)出理想的門機運行曲線。可以通過LED顯示器和服務器觀測變頻器當前運行的頻率、電壓、行程等參數(shù)。

4）精心設計的開關(guān)電源使調(diào)速器受輸入工頻電源電壓波動影響小，使整個門機系統(tǒng)體積、質(zhì)量大大減小，成本降低。

5）具有完善的故障檢測系統(tǒng)，可以監(jiān)控直流母線電壓過壓（400 V為保護閾值）、欠壓，直流母線電流過流（2.5倍額定電流為保護閾值），IPM模塊過溫（80 ℃為過溫閾值），在檢測到這些故障信號后給出保護信號，使IPM-EN變成高電平，從而使PD和IPM模塊的FAULT腳變成低電平，封鎖SVPWM脈沖，保護系統(tǒng)。

[參考文獻]

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[4] 黃戎.基于永磁同步電梯門機矢量控制的研究[J].中國電梯，2019，30（21）：18-24.

收稿日期：2024-08-12

作者簡介：唐美玲（1975—），女，四川資中人，博士，副教授，研究方向：電氣工程、電力電子與電力傳動。