CN101456513B - 全数字门机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明全数字门机控制系统及控制方法，控制装置与电源和电机连接，减速机构与电机，齿轮与转轴固定；皮带与齿轮连接；门体与连接件和滑轨连接；连接件连接皮带。方法是用门体的低、加速度和门体运行总距离计算第二减速点；用门体高、低、加速度、低速运动阶段的运行距离和门体运行总距离计算第一减速点；门闭锁的位置复位清零；光电编码器确定门体运行位置；门体实际运行到减速点速度指令值开始减速；获得加速过程中指令值与实际速度值之间距离偏差。解决门体运行加速过程中期望速度与实际速度偏差过大问题，降低硬件成本。电流与速度双闭环控制保证控制精度和响应速度。电流检测障碍物和位置检测障碍物双冗余方式，保证门机运行安全性。

Description

全数字门机控制系统

技术领域

本发明涉及驱动门机开启和关闭门体的控制系统。

背景技术

门机系统一般安装在电梯门、自动门的门框上方，用于控制门体的开关。目前常见的门机控制器中采用直流电机、单相异步电机、三相异步电机等传统电机作为执行元件。这类装置存在需经常维修，体积大，效率低，成本高等问题。另外控制方法上有些控制器采用速度开环控制，控制精度较差，对门机负载变化适应能力较差，不能满足高档电梯，自动门对门机的要求。

作为驱动电梯门、自动门的门机系统需要保证门体运行的安全性，当门体运动过程中遇到人或物的障碍物时需要及时准确的检测到，并且完成相应的停止或反向运行指令以及故障显示的功能。本系统采用的速度曲线规划和障碍物检测方法可以很好的保证安全性并且节约硬件成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是降低门机驱动系统的故障率，提高系统使用寿命，提高系统控制精度和系统的安全性，为此本发明提出一种全数字门机控制系统。

为了实现上述目的，本发明提出一种全数字门机控制系统，包括：

一电源，用于为系统提供电源；

一控制装置，与电源连接，用于输出控制信号；

一电机，与控制装置连接，接收控制装置控制信号，用于输出驱动转矩；

一与电机连接的蜗轮蜗杆，其具有一减速机构，用于将电机的转速降低，转矩增大后传动到第一齿轮上；

一第一齿轮，固定在一转轴上；

一第二齿轮，固定在另一转轴上；

一皮带，与第一齿轮和第二齿轮滑动连接；

一第一门体和一第一连接件，第一门体的上端与第一连接件的下端连接；

一第二门体和第二连接件，第二门体的上端与第二连接件的下端连接；

第一连接件的上端和第二连接件的上端分别连接到皮带上；

一滑轨，其上面与第一门体和第二门体的底面滑动连接；

所述控制装置包括：处理单元、电平转换电路、隔离单元、逆变器、编码器、传感器、保护单元、控制器、数字示波器；

处理单元具有第一端，其与电源连接，用于接收电源电压信号；处理单元还具有第二端和第三端，用于输出经过处理单元处理的电压信号；

电平转换电路具有第一端，其与处理单元的第三端连接，用于提取处理单元的第三端经过处理的电压信号；电平转换电路还具有第二端和第三端，用于输出电压信号；

隔离单元具有第一端，其与电平转换电路第二端连接，用于接收电平转换电路第二端的电压信号；隔离单元还具有第二端，用于输出经过隔离的脉宽调制PWM波；隔离单元还具有第三端，用于提取控制器的脉宽调制PWM波；

逆变器具有第一端，其与处理单元的第二端连接，用于提取处理单元第二端的电压信号；逆变器还具有第二端，其与隔离单元第二端连接，用于提取隔离单元输出的PWM波；逆变器还具有第三端，用于输出三相电压信号控制电机；逆变器还具有第四端，用于输出电压电流故障信号和电流信号；

电机具有第一端，其与逆变器的第三端连接，用于提取逆变器第三端输出的三相电压信号；电机还具有第二端，用于输出转子位置信息；

编码器具有第一端，其与电机的第二端连接，用于提取电机第二端的转子位置信息；编码器还具有第二端，用于输出转子速度脉冲信号，作为速度反馈；

传感器具有第一端，其与逆变器的第四端连接，用于提取逆变器的第四端的电流信号；传感器还具有第二端，用于输出传感器感应电流信号；

保护单元具有第一端，其与逆变器的第四端连接，用于提取逆变器第四端的电压电流故障信号；保护单元还具有第二端，用于输出滤波后的电压电流故障信号；

控制器具有第一端，其与隔离单元的第三端连接，用于为隔离单元的第三端提供脉宽调制PWM波；

控制器还具有第二端，其与保护单元的第二端连接，用于提取保护单元的第二端滤波后的电压电流故障信号；

控制器还具有第三端，其与电平转换电路第三端连接，用于提取电平转换电路第三端的电压信号；

控制器还具有第四端，其与数字示波器连接，用于为数字示波器提供数据显示；

控制器还具有第五端，其与传感器的第二端连接，用于获取传感器的第二端的感应电流信号；

控制器还具有第六端，其与编码器的第二端连接，用于提取编码器第二端的转子速度脉冲信号。

所述控制器中数字信号处理DSP逻辑运算用于完成系统逻辑判断、控制算法、功率模块单元的控制、以及故障中断的处理。

所述逆变器由智能功率模块和外围的泵升供电电路构成直交转换电路，是通过六个开关管的导通和关断将直流转换成交流输出，连接到电机的三相上，用来控制电机，逆变器直流母线上的过压信号和智能功率模块的过压过流信号通过保护单元输入到控制器的中断输入接口，用于直接通过中断关断所有六路脉宽调制PWM波输出。

所述控制装置中控制器通过串行通讯接口与上位机通讯，在线显示所有用于电机控制的中间变量和门机重要参数。

本发明门机控制系统的速度曲线的规划采用新颖的位置定位方法，利用光电编码器确定门运行的位置，解决了门机运动加速过程中期望速度与实际速度偏差过大的问题，降低了硬件电路的成本。

通过安装在电机轴上的光电编码器检测电机运转的速度，通过霍尔电流传感器LEM可以检测电流，控制算法采用电流与速度双闭环控制，保证了系统的控制精度和响应速度。

门体运行过程中会遇到障碍物，障碍物检测采取电流检测障碍物和位置检测障碍物双冗余方式，保证了门机运行过程中的安全性。这种优化和管理机制合理的保证了系统的可靠性和鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的门机构及控制系统结构框图；

图2是本发明控制装置结构框图；

图3是本发明IPM逆变器主电路示意图；

图4是本发明采用位置定位方法的速度曲线的规划；

图5是本发明主程序框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

参照图1，图1显示了本发明中全数字门机控制系统的实施结构框图，包括：

一电源1，其采用直流48v，用于为系统提供电源；

一控制装置2，其与电源1连接，用于输出控制信号；

一电机BLDCM，其与控制装置2连接，接收控制装置2的控制信号，用于输出驱动转矩；

一与电机BLDCM连接的蜗轮蜗杆3，其具有一减速机构，用于将电机BLDCM的转速降低一定倍数，转矩增大一定倍数后传动到第一齿轮4上；

一第一齿轮4，其固定在转轴6上；

一第二齿轮5，其固定在转轴7上；

一皮带8，其与第一齿轮4和第二齿轮5滑动连接；

一第一门体9与一第一连接件11，第一门体9的一端与第一连接件11的一端连接；

一第二门体10与一第二连接件11，第二门体10的一端与第二连接件11的一端连接；

第一与第二连接件11的另一端连接到皮带8上；

一滑轨12，其上面与第一门体9和第二门体10的底面滑动连接。

本发明中控制装置2和无刷直流电机BLDCM是门装置中把电能转化为机械能、提供门驱动转矩的装置。下面将详细介绍本发明的示例性实施例。实施例中采用的电机BLDCM为三相星接绕组的永磁无刷直流电机，反电势为梯形波。如图2是本发明控制装置2结构框图所示，包括有：处理单元21采用电磁兼容EMI处理单元、转换电路22采用电平转换电路、隔离单元23采用光电隔离单元、逆变器24采用IPM逆变器、编码器25采用光电轴角编码器、传感器26采用霍尔电流传感器LEM、保护单元27采用过压过流流保护单元、控制器28、数字示波器29。

控制装置2由电源1直流48v供电然后通过IPM逆变器24给电机BLDCM供电。

电磁兼容EMI处理单元21具有第一端，其与直流电源1连接，用于接收直流电源1的48V电压信号；电磁兼容EMI处理单元21还具有第二端和第三端，用于输出经过EMI处理的48V电压信号；

电平转换电路22具有第一端，其与电磁兼容EMI处理单元21的第三端连接，用于提取电磁兼容EMI处理单元21的第三端经过EMI处理的48V电压信号；电平转换电路22还具有第二端，用于输出5V和15V电压信号；电平转换电路22还具有第三端，用于输出3.3V电压信号；

一光电隔离单元23具有第一端，其与电平转换电路22第二端连接，用于接收电平转换电路22第二端的5V电压信号；光电隔离单元23还具有第二端，用于输出经过光电隔离的六路脉宽调制PWM波；光电隔离单元23还具有第三端，用于提取控制器28的六路PWM波；

IPM逆变器24具有第一端，其与电磁兼容EMI处理单元21的第二端连接，用于提取电磁兼容EMI处理单元21第二端的48V电压信号；IPM逆变器24还具有第二端，其与光电隔离单元23连接，用于提取光电隔离单元23输出的6路PWM波；IPM逆变器24还具有第三端，用于输出三相电压信号控制电机；IPM逆变器24还具有第四端，其输出电压电流故障信号和电流信号；

电机BLDCM具有第一端，其与IPM逆变器24的第三端连接，用于提取IPM逆变器24第三端的三相电压信号；电机BLDCM还具有第二端，用于输出转子位置信息；

光电轴角编码器25具有第一端，其与电机BLDCM的第二端连接，用于提取电机BLDCM第二端的转子位置信息；一光电轴角编码器25还具有第二端，用于输出转子速度脉冲信号，作为速度反馈；

霍尔电流传感器26具有第一端，其与IPM逆变器24的第四端连接，用于提取IPM逆变器24的第四端的电流信号；霍尔电流传感器26还具有第二端，用于输出传感器感应电流信号；

过压过流保护单元27具有第一端，其与IPM逆变器24的第四端连接，用于提取IPM逆变器24第四端的电压电流故障信号；过压过流保护单元27还具有第二端，用于输出滤波后的电压电流故障信号；

控制器28具有第一端，其与光电隔离单元23的第三端连接，用于为光电隔离单元23的第三端提供6路PWM波；

控制器28还具有第二端，其与过压过流保护单元27的第二端连接，用于提取过压过流保护单元27的第二端滤波后的电压电流故障信号；

控制器28还具有第三端，其与电平转换电路22第三端连接，用于提取电平转换电路22第三端的3.3V电压信号；

控制器28还具有第四端，其与数字示波器29连接，用于为数字示波器29提供数据显示；

控制器28还具有第五端，其与霍尔电流传感器26的第二端连接，用于获取霍尔电流传感器26的第二端的传感的感应电流信号；

控制器28还具有第六端，其与光电轴角编码器25的第二端连接，用于提光电轴角编码器25第二端的转子速度脉冲信号。

控制器芯片采用美国Ti公司的TMS320F2407A专用数字信号处理器，控制器28中数字信号处理DSP逻辑运算用于完成系统逻辑判断、控制算法、功率模块单元的控制、以及故障中断的处理。

图3是逆变器24示意图，逆变器24采用IPM逆变器由智能功率模块IPM和外围的泵升供电电路构成直交转换电路。由控制器28的6路PWM产生单元产生的六路PWM波经过光电隔离单元23后输出六路控制信号连接IPM逆变器24中六个开关管241，242，243，244，245，246的门极，就可以控制六个开关管的导通，进而控制IPM逆变器24输出电压的幅值和极性。

如图3所示电机的三相绕组分别与IPM逆变器24上下桥臂相连，控制IPM逆变器24电压输出就可以控制电机BLDCM的转速与转向。由于选用的电机BLDCM带用来检测转子位置的霍尔传感器的三相电机，当控制电机BLDCM旋转时，通过电机BLDCM内部的霍尔传感器检测转子的位置，确定电机BLDCM绕组切换相的时间。转子每转过60度电角度就改变定子导通相，让定子绕组产生的磁势平均超前转子90度，这样电机BLDCM就可以按照预定的方向正常运行了。由于反电势为梯形波，加入方波的电流信号就可以产生恒定的电磁转矩。

安装在电机BLDCM轴上的光电轴角编码器25检测电机BLDCM运转的速度，霍尔电流传感器26用于检测IPM逆变器24直流侧母线上的电流值，得到的电流模拟信号接入控制器28中的A/D检测接口ADC，经过数字滤波后作为电流反馈参与DSP逻辑运算，可以实现电机BLDCM的电流、速度双闭环控制。另一方面可以通过光电轴角编码器25检测出第一门体9和第二门体10移动的距离和位置。门机控制系统的速度曲线的规划采用新颖的位置定位方法，解决了门机运动加速过程中期望速度与实际速度偏差过大的问题，降低了硬件电路的成本。

第一门体9和第二门体10运动的速度曲线分为加速阶段、高速匀速阶段、第一减速阶段、低速匀速阶段、第二减速阶段，如图4所示。

通常按照利用时间分段G3的方法确定速度给定曲线，即由控制装置2事先计算出加速阶段、匀速阶段和减速阶段的运行时间来确定减速点，而不是根据门体运行实际位置。由于加速阶段需要系统提供很大的加速度，如果按照最大加速度来选取电机BLDCM输出转矩，会造成硬件成本过高和系统稳定性变差。因此驱动器的电流需要受到限制，也就是电机输出转矩变小，这样，造成门体加速度无法达到给定值。如图4所示，实际的速度曲线无法达到给定速度曲线。这样，实际门体运行的距离无法达到给定运行距离。

我们采用按照位置定位的方法，由于实际加速度和给定加速度即图中实际速度值和给定速度值的斜率在减速阶段基本相符，不像在加速阶段那样有很大偏差。门体匀速运动阶段的高速度，低速度，加减速阶段的加速度、低速运动阶段的运行距离和门体运行总距离为设定值。高速度设定范围400-500mm/s，低速度设定范围100-150mm/s，加速度设定范围800-1200mm/s²，低速运动阶段的运行距离设定范围100-150mm，门体运行总距离范围为980-1100mm。根据如下公式：

$V_1^2-V_2^2=2\mathrm{aS}$

V₁、V₂为高、低速度值，a为加速度，s为距离

减速点可以上述的已知数据由终点逆向推出。

步骤1：利用低速度，加速度和门体运行总距离计算出第二减速点s_dec2；

步骤2：利用高速度，低速度，加速度，低速运动阶段的运行距离和门体运行总距离计算出第一减速点s_dec1；

步骤3：在每次关门后门闭锁的时候，门的位置复位清零；

步骤4：利用光电轴角编码器确定门运行的位置；

步骤5：门体实际运行到减速点的时候，速度指令值G2即图中的按位置定位速度给定值才开始减速。

实验得到的速度曲线如图中实际速度值所示。可以看出，按照位置定位的方法门体在匀速过程中运行的时间比按时间分段的方法长，这就弥补了加速过程中指令值G2与实际速度值G1之间的距离偏差，如下式所示：

s1＝s2+s3

这里：s1，s2，s3分别表示图4中阴影部分的面积即门体运行的距离。

这种方法保证了电流在比较小的范围内门体运动也能达到要求，节省了硬件成本，提高了系统的稳定性。

门体运行过程中会遇到障碍物，障碍物检测采取电流检测障碍物和位置检测障碍物双冗余方式，保证了门机运行过程中的安全性。所谓电流障碍物检测即根据电流传感器检测到的电流与设置障碍物报警电流比较，超限则给报告产生障碍物事件。位置检测障碍物即根据期望行程与光电编码器检测到的当前行程的差来判断障碍物。

本发明主程序流程框图如图5所示：软件采用时间片管理，任务划分，包括顺序执行任务和中断任务，任务执行的顺序在任务从属的函数中设计，以优化反应时间。

顺序执行任务步骤如下：

步骤a：经过硬件和软件初始化以后，即有限状态机初始化，DSP初始化，导入参数，运动控制变量初始化，开中断；

步骤b：系统划分1ms的时间片；

步骤c：当时间片达到1ms，执行运动规划和获取运动速度与位置；当时间片没达到1ms，则执行步骤b；

步骤d：时间片1ms执行一个任务，任务包括串口处理函数，障碍物检测，中央处理单元，故障检测函数，障碍物检测，中央处理单元，串口数据发送，时间片依次分配给循环任务，8ms完成一次循环至步骤b。

串口处理函数功能：读写系统参数，发送启动，停止，刹车控制命令；

障碍物检测功能：电流障碍物检测即根据电流传感器检测到的电流与设置障碍物报警电流比较，超限则给报告产生障碍物事件。位置检测障碍物即根据期望行程与光电轴角编码器检测到的当前行程的差来判断障碍物。如存在障碍物，给出障碍物存在标志。

中央处理单元功能：驱动软件的主过程，协调其它的任务并且指挥传动装置的操作。引发系统变化的动作成为事件，根据当前的状态处理出现的事件。

故障检测函数功能：进行控制参数内存数据异或校验和检查，10分钟一次。控制参数在系统启动时导入内存，检验数据正确后，生成异或校验和。每次检查时，重新计算控制参数检验和，与原始参数校验和比较，如果不一致，则给出校验错误致命故障，系统进入致命故障状态。

中断级任务包括电机控制中断，系统时间片时基1ms的中断，串口接收中断操作。

这种优化和管理机制合理的保证了系统的可靠性和鲁棒性。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种全数字门机控制系统，其特征在于，包括：

一电源，用于为系统提供电源；

一控制装置，与电源连接，用于输出控制信号；

一电机，与控制装置连接，接收控制装置控制信号，用于输出驱动转矩；

一与电机连接的蜗轮蜗杆，其具有一减速机构，用于将电机的转速降低，转矩增大后传动到第一齿轮上；

一第一齿轮，固定在一转轴上；

一第二齿轮，固定在另一转轴上；

一皮带，与第一齿轮和第二齿轮滑动连接；

一第一门体和一第一连接件，第一门体的上端与第一连接件的下端连接；

一第二门体和第二连接件，第二门体的上端与第二连接件的下端连接；

第一连接件的上端和第二连接件的上端分别连接到皮带上；

一滑轨，其上面与第一门体和第二门体的底面滑动连接；

所述控制装置包括：处理单元、电平转换电路、隔离单元、逆变器、编码器、传感器、保护单元、控制器、数字示波器；

处理单元具有第一端，其与电源连接，用于接收电源电压信号；处理单元还具有第二端和第三端，用于输出经过处理单元处理的电压信号；

电平转换电路具有第一端，其与处理单元的第三端连接，用于提取处理单元的第三端经过处理的电压信号；电平转换电路还具有第二端和第三端，用于输出电压信号；

隔离单元具有第一端，其与电平转换电路第二端连接，用于接收电平转换电路第二端的电压信号；隔离单元还具有第二端，用于输出经过隔离的脉宽调制PWM波；隔离单元还具有第三端，用于提取控制器的脉宽调制PWM波；

逆变器具有第一端，其与处理单元的第二端连接，用于提取处理单元第二端的电压信号；逆变器还具有第二端，其与隔离单元第二端连接，用于提取隔离单元输出的PWM波；逆变器还具有第三端，用于输出三相电压信号控制电机；逆变器还具有第四端，用于输出电压电流故障信号和电流信号；

电机具有第一端，其与逆变器的第三端连接，用于提取逆变器第三端输出的三相电压信号；电机还具有第二端，用于输出转子位置信息；

编码器具有第一端，其与电机的第二端连接，用于提取电机第二端的转子位置信息；编码器还具有第二端，用于输出转子速度脉冲信号，作为速度反馈；

传感器具有第一端，其与逆变器的第四端连接，用于提取逆变器的第四端的电流信号；传感器还具有第二端，用于输出传感器感应电流信号；

保护单元具有第一端，其与逆变器的第四端连接，用于提取逆变器第四端的电压电流故障信号；保护单元还具有第二端，用于输出滤波后的电压电流故障信号；

控制器具有第一端，其与隔离单元的第三端连接，用于为隔离单元的第三端提供脉宽调制PWM波；

控制器还具有第二端，其与保护单元的第二端连接，用于提取保护单元的第二端滤波后的电压电流故障信号；

控制器还具有第三端，其与电平转换电路第三端连接，用于提取电平转换电路第三端的电压信号；

控制器还具有第四端，其与数字示波器连接，用于为数字示波器提供数据显示；

控制器还具有第五端，其与传感器的第二端连接，用于获取传感器的第二端的感应电流信号；

控制器还具有第六端，其与编码器的第二端连接，用于提取编码器第二端的转子速度脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的全数字门机控制系统，其特征在于：控制器中数字信号处理DSP逻辑运算用于完成系统逻辑判断、控制算法、功率模块单元的控制、以及故障中断的处理。

3.根据权利要求1所述的全数字门机控制系统，其特征在于，所述逆变器由智能功率模块和外围的泵升供电电路构成直交转换电路，是通过六个开关管的导通和关断将直流转换成交流输出，连接到电机的三相上，用来控制电机，逆变器直流母线上的过压信号和智能功率模块的过压过流信号通过保护单元输入到控制器的中断输入接口，用于直接通过中断关断所有六路脉宽调制PWM波输出。

4.根据权利要求1所述的全数字门机控制系统，其特征在于：所述控制装置中控制器通过串行通讯接口与上位机通讯，在线显示所有用于电机控制的中间变量和门机重要参数。

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