CN103401488B

CN103401488B - 电梯门机控制方法

Info

Publication number: CN103401488B
Application number: CN201310336083.7A
Authority: CN
Inventors: 方亮; 阳孝发
Original assignee: NINGBO SHENLING LIFT ACCESSORIES CO Ltd
Current assignee: Ningbo Shen Ling mechanical and electrical Polytron Technologies Inc
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2033-08-05
Also published as: CN103401488A

Abstract

本发明公开了一种电梯门机控制方法，它通过给定速度ω_r ^*和反馈速度ω_r之差经过速度环PI调节器调节和限幅产生给定转矩T_e ^*，然后由公式计算反馈转矩T_e，最后将给定转矩T_e ^*和反馈转矩T_e的差值ΔT_e与转矩三点式滞环比较器的容差ε_T相比较确定比较器输出τ，然后再结合转子位置θ_r所确定的转子扇区确定作用于三相全桥逆变器的电压空间矢量，使无刷直流电机执行相应的动作。本发明使得系统响应速度较快、不需要采样三相相电压，使得不需要设置三相相电压采样调理电路，使得成本降低。

Description

电梯门机控制方法

技术领域

本发明涉及一种电梯门机控制方法，具体讲是一种基于无刷直流电机的电梯门机控制方法。

背景技术

电梯门机整个系统涉及多个学科的交融，包括机械工程、电气信息、自动控制等，是电梯设备中动作最频繁的部件，其运行特性直接影响到电梯运行过程的快速性和可靠性，随着百姓生活品质的提高，在电梯门机安全可靠的基础上，对电梯门机的低成本、节能、环保、动态响应速度要求越渐苛刻。

传统的基于无刷直流电机的电梯门机控制方法如图1所示，它包括以下步骤：

(1)、通过三相霍尔信号计算无刷直流电机的反馈速度ω_r和转子位置(转子转动角度)θ_r，再由转子位置θ_r确定电机的给定速度ω_r ^*，给定速度ω_r ^*和反馈速度ω_r之差经过速度环PI调节器100调节和限幅产生给定转矩T_e ^*；

(2)、采样无刷直流电机的两相相电流I_a、I_b和三相相电压Ua、Ub、Uc并经CLARK变换103产生静止两相坐标系α-β下的两相电流I_α、I_β和两相定子电压U_sα、U_sβ；

(3)、根据定子磁链演算公式104计算出两相静止坐标系下定子磁链Ψ_sα、Ψ_sβ，其中R_s为定子电阻；

(4)、根据定子磁链Ψ_sα、Ψ_sβ、两相电流I_α、I_β、定子电感L_s，由转子磁链演算公式105计算出两相静止坐标下转子磁链Ψ_rα、Ψ_rβ；

(5)、根据转子磁链Ψ_rα、Ψ_rβ、两相电流I_α、I_β、电机极对数P、转子位置θ_r，由演算公式106计算出无刷直流电机的反馈转矩T_e；

(6)、将给定转矩T_e ^*和反馈转矩T_e的差值ΔT_e与转矩两点式滞环比较器101的容差εT相比较确定比较器输出τ；

(7)、由转子位置θ_r确定转子所在扇区，然后在开关表中根据比较器输出τ、转子所在扇区选择出作用于三相全桥逆变器102的电压空间矢量，使无刷直流电机执行相应的动作。

在上述电梯门机控制方法中，反馈转矩T_e计算时需要对两相静止坐标系α-β下定子磁链Ψ_sα、Ψ_sβ、两相静止坐标系下转子磁链Ψ_rα、Ψ_rβ进行观测，这就会使得系统的响应时间比较长，而且需要设置三相相电压采样调理电路来采样三相相电压Ua、Ub、Uc，这就会导致控制器硬件成本的增加，降低了无刷直流电机门机控制器在目前市场的竞争力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供系统响应速度较快、不需要采样三相相电压的电梯门机控制方法，使用该电梯门机控制方法的控制器不需要设置三相相电压采样调理电路，使得成本降低。

为解决上述技术问题，本发明提供的电梯门机控制方法，它包括以下步骤：

(1)、通过三相霍尔信号计算无刷直流电机的反馈速度ω_r和转子位置θ_r，再由转子位置θ_r确定电机的给定速度ω_r ^*，给定速度ω_r ^*和反馈速度ω_r之差经过速度环PI调节器调节和限幅产生给定转矩T_e ^*；

(2)、采样无刷直流电机的两相相电流I_a、I_b并计算另一相电流I_c，并由以下公式计算反馈转矩：

T_{e} = \frac{K [E_{a} (θ_{r}) I_{a} + E_{b} (θ_{r}) I_{b} + E_{c} (θ_{r}) I_{c}] * n}{Ω}

其中，K为反电势系数，E_a(θ_r)、E_b(θ_r)、E_c(θ_r)为反电势梯形波函数，n为无刷直流电机转子转速，Ω为无刷直流电机机械角速度；

(3)、将给定转矩T_e ^*和反馈转矩T_e的差值ΔT_e与转矩三点式滞环比较器的容差ε_T相比较确定比较器输出τ，当差值ΔT_e大于容差即ΔT_e>ε_T比较器输出τ＝1；当差值ΔT_e小于容差即ΔT_e<-ε_T比较器输出τ＝-1，当-ε_T≤ΔT_e≤ε_T时，比较器输出τ＝0，然后再根据转子位置θ_r确定的转子扇区，确定方法如下：

当确定出比较器输出τ和转子扇区后，根据逆变器给定开关表确定作用于三相全桥逆变器的电压空间矢量，逆变器给定开关表如下：

其中上表的六个非零电压矢量V1(100001)、V2(001001)、V3(011000)、V4(010010)、V5(000110)、V6(100100)和一个电压零矢量V0(000000)由三相全桥逆变器的六个开关管MOSFET的开关状态确认。

采用以上方法后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

(1)、本发明中计算反馈转矩T_e时不需要对两相静止坐标系α-β下定子磁链Ψ_sα、Ψ_sβ、两相静止坐标系下转子磁链Ψ_rα、Ψ_rβ进行观测，使得系统的响应速度较快。

(2)、本发明中去掉了三相相电压检测部分，降低了控制器的硬件成本，而且提高了系统的抗干扰能力，可以避免控制器运行过程中由于电压检测调理电路出现问题而影响转矩的估算，从而使应用该控制方法的门机控制器的可靠性和稳定性较高。

(3)、由于转矩滞环比较器采用三点式比较，适当的增加了零矢量，可以保持定子磁链空间位置近似不变，可以起到减小转矩脉动的作用。

附图说明

图1是现有技术电梯门机控制方法的框架图；

图2是本发明电梯门机控制方法的框架图；

图3是电梯门机的运行S曲线示意图；

图4是本发明电梯门机控制方法的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

由图2所示，本发明电梯门机控制方法包括采用以下步骤：

(1)、通过三相霍尔信号计算无刷直流电机的反馈速度ω_r和转子位置θ_r，其中θ_r＝∫ω_rdt，再由转子位置θ_r确定电机的给定速度ω_r ^*，给定速度ω_r ^*和反馈速度ω_r之差经过速度环PI调节器调节和限幅产生给定转矩T_e ^*。

由转子位置θ_r确定电机的给定速度ω_r ^*的过程如下：

图3为正常状态下电梯门机的运行S曲线示意图，如图所示A-D段为门机的加速过程，而每段加速过程又分为三段：加速度增加的加速过程A-B、加速度恒定的加速过程B-C、加速度减小的加速过程C-D、三者加速时间t_add1、t_add2、t_add3。系统变加速总加速时间为t_add，变量采用Q8格式，其中变加速过程中加速度增加的过程占有的时间比例F0803、F0804和各段加速时间t_add1、t_add2、t_add3为可以分别表示为：

t_a d d 1 = \frac{F 0803}{1000} \times t_a d d \times 2^{8}

t_a d d 3 = \frac{F 0804}{1000} \times t_a d d \times 2^{8}

t_add2＝t_add-t_add1-t_add3

根据图形中加速度波形面积值即为速度变化值，其中speed_ar为目标速度，目标速度的大小由当前电机转子位置θ_r决定，为达到目标速度，门机控制器加速过程都分三段执行，另外speed_st为起始速度，最大加速度a_max可以表示为：

a_m a x = \frac{s p e e d_a r - s p e e d_s t}{0.5 \times t_a d d 1 + t_a d d 2 + 0.5 \times t_a d d 3}

由上面的各加速段的时间和最大加速度就可以通过下面公式推导出各段的速度增量的计算：

1)、加速度增大的变加速段的速度增量为：

\begin{matrix} Δ V 1 = V (K) - V (K - 1) \\ = \frac{1}{2} \times \frac{a_\max \times t 1_co u t e r}{t_a d d 1} \times t 1_c o u t e r - \frac{1}{2} \times \frac{a_\max \times (t 1_c o u t e r - 1)}{t_a d d 1} \times (t 1_c o u t e r - 1) \\ = \frac{1}{2} \times \frac{a_\max \times (2 \times t 1_c o u t e r - 1)}{t_a d d 1} \end{matrix}

其中t1_counter为此段的时间累加量，程序每运行到这段累积加1。

(2、匀加速段的速度增量为：

\begin{matrix} Δ V 2 = V (K) - V (K - 1) \\ = \frac{1}{2} \times a_\max \times t 2_c o u t e r - \frac{1}{2} \times a_\max \times (t 2_c o u t e r - 1) \\ = \frac{1}{2} \times a_\max \end{matrix}

其中t2_counter为此段的时间累加量，程序每运行到这段累积加1。

(3、加速度增大的变加速段的速度增量为：

\begin{matrix} Δ V 3 = V (K) - V (K - 1) \\ = \frac{1}{2} \times \frac{a_\max \times {[t_a d d 3 - (t 3_c o u t e r - 1)]}^{2}}{t_a d d 3} \times - \frac{1}{2} \times \frac{a_\max \times {(t_a d d 3 - t 3_c o u t e r)}^{2}}{t_a d d 3} \\ = \frac{1}{2} \times \frac{a_\max \times (2 \times t_a d d 3 - 2 \times t 3_c o u t e r + 1)}{t_a d d 3} \end{matrix}

其中t3_counter为此段的时间累加量，程序每运行到这段累积加1。

故当门机程序每运行到这三段的其中一段，都在当前的反馈速度ω_r的基础上加上速度增量作为速度环的给定速度ω_r ^*。

(2)、采样无刷直流电机的两相相电流I_a、I_b并计算另一相电流I_c，其中I_c＝-(I_a+I_b)，反馈转矩根据反电势梯形波函数E_a(θ_r)、E_b(θ_r)、E_c(θ_r)与三相电流的乘积获得，公式如下：

T_{e} = \frac{e_{a} I_{a} + e_{b} I_{b} + e_{c} I_{c}}{Ω},

其中A相反电势与转子位置的关系如下：

e_a＝K*E_a(θ_r)*n

e_b＝K*E_b(θ_r)*n

e_c＝K*E_c(θ_r)*n，

所以最终得出反馈转矩的计算公式如下：

T_{e} = \frac{K [E_{a} (θ_{r}) I_{a} + E_{b} (θ_{r}) I_{b} + E_{c} (θ_{r}) I_{c}] * n}{Ω}

其中，K为反电势系数，E_a(θ_r)、E_b(θ_r)、E_c(θ_r)为反电势梯形波函数，n为无刷直流电机转子转速，Ω为无刷直流电机机械角速度。

反电势函数K的计算公式如下：K＝2NSB_m，其中N为绕组匝数；S为绕组在定子内径表面围成的面积，等于极距和导体有效长度的乘积；B_m为转子永磁体气隙磁密分布的最大值。

反电势梯形波函数E_a(θ_r)、E_b(θ_r)、E_c(θ_r)与转子位置θ_r的关系如下：

E_{a} (θ_{r}) = \{\begin{matrix} \frac{θ_{r}}{π / 6}, 0 \leq θ_{r} \leq π / 6 \\ 1, π / 6 \leq θ_{r} \leq 5 π / 6 \\ \frac{π - θ_{r}}{π / 6}, 5 π / 6 \leq θ_{r} \leq 7 π / 6 \\ - 1, 7 π / 6 \leq θ_{r} \leq 11 π / 6 \\ \frac{θ_{r} - 2 π}{π / 6}, 11 π / 6 \leq θ_{r} \leq 2 π \end{matrix}

\begin{matrix} E_{b} (θ_{r}) = \{\begin{matrix} \frac{θ_{r}}{π / 6}, 2 π / 3 \leq θ_{r} \leq 5 π / 6 \\ 1, 5 π / 6 \leq θ_{r} \leq 3 π / 2 \\ \frac{π - θ_{r}}{π / 6}, 3 π / 2 \leq θ_{r} \leq 11 π / 6 \\ - 1, 11 π / 6 \leq θ_{r} \leq 15 π / 6 \\ \frac{θ_{r} - 2 π}{π / 6}, 15 π / 6 \leq θ_{r} U θ_{r} \leq 2 π / 3 \end{matrix} & E_{c} (θ_{r}) = \{\begin{matrix} \frac{θ_{r}}{π / 6}, - 2 π / 3 \leq θ_{r} \leq - π / 2 \\ 1, - π / 2 \leq θ_{r} \leq π / 6 \\ \frac{π - θ_{r}}{π / 6}, π / 6 \leq θ_{r} \leq 1 π / 2 \\ - 1, 1 π / 2 \leq θ_{r} \leq 7 π / 6 \\ \frac{θ_{r} - 2 π}{π / 6}, 7 π / 6 \leq θ_{r} \leq 4 π / 3 \end{matrix} \end{matrix}

无刷直流电机机械角速度Ω与反馈速度ω_r的关系如下：

Ω＝ω_r

无刷直流电机转子转速n与无刷直流电机机械角速度Ω的关系如下：

n＝30Ω/π

另外，图4公开了本发明电梯门机控制方法的软件流程图，该流程图主要由主程序和定时器中断程序组成，由于转矩滞环比较器对资源消耗较大，故选取150Mhz的DSP芯片TMS32LF28234，由德州仪器最新推出，专门应用于电机控制，保证了本实用新型门机控制器的稳定可靠。

主程序部分主要完成以下步骤：DSP初始化600，系统参数初始化601，检测当前HALL信号、确定BLDC初始扇区602，串行数据交互模块604，数码菜单模块604，输入输出模块605，外扩FLASH读写模块606，1ms间隔PWMDAC模拟信号输出模块607。

DSP定时器TIMER0的100us中断程序主要完成以下步骤：两相电流采样700，过欠压、过流、HALL信号丢失等其它故障检701，HALL信号捕捉及速度位置计算702，根据反电势梯形波函数、计算三相近似反电势703，速度环PI调节704，电磁转矩估算705，电磁转矩滞环调节706，根据开关变和转子位置等、选择电压空间矢量707，发送PWM信号708，门宽学习709，电梯门机逻辑控制模块710。

以上所述实施例仅表达了本发明的控制策略和硬件装置的部分实施方式，对其说明较为详细，但并不应理解为对本实用新型专利的限制，值得指出的是，对于电机控制或电梯门机领域的普通技术人员来说，在不脱离实用新型构思的前提下，还可以做出相关的变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围，因此本实用新型专利的保护范围应当以所述权利要求为准。

Claims

1.一种电梯门机控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

T_{e} = \frac{K [E_{a} (θ_{r}) I_{a} + E_{b} (θ_{r}) I_{b} + E_{c} (θ_{r}) I_{c}] * n}{Ω}