CN110862002A - 电梯门机用集成式控制驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明为电梯门机用集成式控制驱动器，其特征在于：所述的集成式控制驱动器包括通过电气连接的控制器和永磁同步电动机，所述的控制器包括主控模块及分别与主控模块连接的通讯模块、电源模块、IPM模块、采样模块、传感器模块，所述的永磁同步电动机包括机壳、机壳上设置的端盖、设于机壳内部的转子、设于转子中心位置的编码器及设于转子外围的磁钢和定子、设于定子上的绕组，编码器通过电缆与控制器的通讯模块及主控模块直接相连。本发明实现了永磁同步电动机的集成式一体化控制驱动，适用于多种类型和轻薄结构的电梯，简化操作和调试步骤，降低系统的硬件成本和安装空间要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制驱动器，特别是公开一种电梯门机用集成式控制驱动器，将控制器和驱动永磁同步电动机集成为一体，属于永磁同步电动机和控制技术领域。
背景技术
目前高层建筑以及轨道交通广泛采用电梯作为交通运输设备，大部分电梯门系统采用独立的门机控制器和驱动永磁同步电动机的设计和安装模式，两者必须同时存在、协同处理才能达到安全可靠的运输目的。在电梯使用过程中，门机控制器和驱动永磁同步电动机通过动力电缆和通讯电缆相互连接，门机控制器通过线缆可获知驱动永磁同步电动机的运转位置、速度并将运行指令发送到驱动永磁同步电动机。
这种方式在设计过程和安装使用过程中存在成本高、体积大、安装复杂、寿命短、故障率高的缺点。电梯开关门系统属于电梯设备的重要组成部件，性能优劣直接影响电梯的运行可靠性，也是电梯故障的高发区。控制器和驱动永磁同步电动机安装在轿厢顶部门机上部，安装空间具有一定的局限性。控制器和驱动永磁同步电动机分离安装需要多条信号电缆和动力电缆，造成现场线路复杂，维护困难。在开关门系统中门机控制器和驱动永磁同步电动机作为控制电梯开关门的直接设备，可靠性和平均无故障工作时间要求较高，同时由于电梯井道环境限制，需要增加一定的防护能力保证设备和运转的安全。驱动永磁同步电动机直接驱动开关门机构，采用带传动的驱动方式，不但具有低功率、高效率的特点，而且大大减小开关门机构的体积。
随着社会科技水平的提高和客户对门系统各项性能指标和功能的不断完善提高，需要克服分离部件的上述弊端，同时也是企业生存和持续发展的要求，设计和制造新产品满足需求。
发明内容
本发明的目的是解决现有产品门机控制器与驱动永磁同步电动机相互独立、彼此分立的不足，解决应用现场线路复杂、维护困难的技术问题；设计开发一种电梯门机用集成式控制驱动器，成为机电一体化的独立结构，便于应用现场安装、使用和维护，确保足够驱动能力的集成化控制驱动器。
本发明是这样实现的：一种电梯门机用集成式控制驱动器，其特征在于：所述的集成式控制驱动器包括通过电气连接的控制器和永磁同步电动机，所述的控制器包括主控模块、通讯模块、电源模块、IPM模块、采样模块、传感器模块和存储器，所述电源模块在连接信号处理模块后再连接至IPM模块，所述的IPM模块和信号处理模块还分别与整流模块连接，所述的信号处理模块还与通讯模块连接，所述的主控模块还连接指示灯模块，所述的整流模块与IPM模块之间通过直流母线连接，输入电源经电源模块后进入整流模块和IPM模块，直流母线通过端口连接有作为缓冲和稳压的平波电容，所述的通讯模块包括隔离CAN通讯模块及隔离485通讯模块，所述的传感器模块包括加速度传感器和温度传感器，所述的信号处理模块包括AC/DC信号转换模块，所述的通讯模块包括CAN通讯模块和485通讯模块，所述的传感器模块包括加速度传感器和温度传感器，所述的信号处理模块包括AC/DC信号转换模块，所述指示灯模块中的指示灯可选用LED指示灯或其他光源其他形式的指示灯。所述的永磁同步电动机包括机壳、机壳上设置的控制器端盖、设于机壳内部的转子、设于转子中心位置的编码器及顺序设于转子外围的磁钢和定子、设于定子上的绕组，所述编码器安装在端盖相应位置处，感应转子上的磁电信号并处理后发送至控制器中的主控模块，永磁同步电动机的三相引线分别与控制器的IPM模块对应输出引脚连接，编码器通过电缆与主控模块直接相连，并采用控制器端盖封装于机壳的控制腔室内，永磁同步电动机线和编码器的信号线连接至设于控制器上的控制器电路板的主控模块，所述控制器与外围设备通讯用的电缆经由电气接头与控制器的接口电路板连接。
所述的控制腔室底部设有绝缘层，在控制器端盖表面设有用于显示电源状态、运动状态、故障信息的指示灯，所述电动机的引线进入控制腔室。
所述的转子采用一体化转子，是由轻型金属材料体铸造而成，所述的磁钢采用粘结方式结合固定螺丝和固定板紧固在转子外围，固定后再经动平衡调试校核，然后在转子中心部位安装轴承，组成部件一体化转子，所述定子采用条形矽钢片分组冲压成型后焊接加工，所述定子在绕制绕组后，通过压力机压入加工合格的机壳内，同时，转子中心部位安装的前、后轴承分别固定在机壳及端盖的轴承室内，所述的磁钢为转子外圆均匀分布的表贴式稀土永磁体，在转子中心部位先过盈装配有转轴，再在其上安装轴承，所述转轴一端设有编码器识别用的永磁体磁钢，为编码器识别磁钢，所述定子的铁芯叠压完成后经过锚固并理毛刺后绕制绕组，均匀分布的绕组经过星型连接，后再经F级绝缘浸漆处理，最后热压进入机壳内腔，由机壳内腔设置的定位台阶保证定子的安装位置。
所述的集成式控制驱动器通过通讯模块与外部关联设备建立通讯连接，所述的集成式控制驱动器与外部关联设备之间、IPM模块与主控模块之间、指示灯与主控模块之间设有光电隔离器件。
所述控制器的电源模块中工频电源端口ACL、ACN经过熔断器后，通过滤波和稳流到达单相整流桥，输出供后续电路使用的稳定的直流电，输入电源接入直流电压转换电路的电源输入端，直流电压转换电路设有两路电压输出，一路输出经稳压电路中的电容C3、电容C4以及均压电阻R3、电阻R4，滤波电路后作为主控模块为控制器供电，另一路输出作为输出电源和逆变模块的控制电源，供电电源包括开关控制电路和供电电路，开关控制电路输入端连接主控模块的I/O口，控制电路输出端串接继电器线圈，电路中还设有作为稳流器件的电抗器，作为稳压器件的吸收电容。
所述永磁同步电动机上设置的编码器的信号端口采用高速串行通讯模式与主控模块的通讯端子直接相连接，采样转子转动的速度并定位转子位置，在一个PWM周期内通过SPI通信只读取永磁同步电动机的位置数据，电动机转子转速由脉冲计算取得。
本发明的有益效果是：本发明实现了三相交流永磁同步电动机的集成化控制驱动，适用于多种类型的电梯门机，特别适用于轻薄结构的门机和应用场合，简化了操作和调试步骤，降低了系统的硬件成本和安装空间要求。本发明产品采用数字信号处理硬件，同时融合了转子位置传感器信号、PWM调制信号、故障信号、正反转运转信号等技术。本发明产品采用TMS320F28034作为主控芯片实现了速度闭环和电流闭环双闭环反馈控制，采用1024线绝对值编码器实现永磁同步电动机转速和位置的检测；针对现场调试环境恶劣和危险性因素，本发明产品采用通讯端口+远程调试器的方案，系统中融合了自适应永磁同步电动机学习系统和模糊控制方法，具有广泛的适应性和便利性。本发明产品同时集成了自适应、自校准、轿厢意外移动检测、CAN总线信息交互等先进技术和功能，提高了门机性能，且符合GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》国家标准第1号修改单。本发明是一种能够实现精准控制和兼容性的机构，具有结构简单、传动可靠、使用方便、维护简单、寿命长的特点。
附图说明
图1 是本发明集成式控制驱动器的结构组成示意框图。
图2 是本发明集成式控制驱动器的外观结构示意图。
图3 是本发明集成式控制驱动器的内部结构示意图。
图4 是本发明集成式控制驱动器中电源模块的电路连接原理图。
图5 是本发明集成式控制驱动器中控制器的主控模块电路原理图。
图6 是本发明集成式控制驱动器中编码器电路原理图。
图中：1、机壳； 2、端盖； 3、控制器端盖； 4、指示灯； 5、控制器电气接头； 6、驱动轮； 7、电缆； 8、接地及标示牌； 9、安装固定孔； 10、定子； 11、转子； 12、轴承； 13、控制器电路板； 14、接口电路板； 15、编码器； 16、磁钢； 17、绕组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
根据附图1，本发明为一种电梯门机用集成式控制驱动器，所述的集成式控制驱动器包括通过电气连接的控制器和永磁同步电动机，所述的控制器包括主控模块、通讯模块、电源模块、IPM模块、采样模块、传感器模块和存储器，所述电源模块在连接信号处理模块后再连接至IPM模块，所述的IPM模块和信号处理模块还分别与整流模块连接，所述的信号处理模块还与通讯模块连接，所述的主控模块还连接指示灯模块，所述的整流模块与IPM模块之间通过直流母线连接，输入电源经电源模块后进入整流模块和IPM模块，直流母线通过端口连接有作为缓冲和稳压的平波电容。所述的通讯模块包括隔离CAN通讯模块及隔离485通讯模块。所述的传感器模块包括加速度传感器和温度传感器。所述的信号处理模块包括AC/DC信号转换模块。所述指示灯模块中的指示灯可选用LED指示灯或其他光源其他形式的指示灯。
其中：
主控模块：作为控制核心用于循环执行采样模块输入信号，执行程序、刷新系统输出、控制时间操作；
通讯模块：用于驱动器与外围关联设备进行通信；
电源模块：用于利用直流电源产生满足需求的不同等级的可控交流电；
整流模块：用于将电网工频交流电源转变为稳定直流电源；
IPM模块：用于将稳定直流电源转变为满足驱动永磁同步电动机需求的电压、电流及频率都可以控制的交流电；
采样模块：用于将传感器信号转换为处理器所需的信号型式，并将信号放大与处理，发送给主控；
传感器模块：用于采样驱动永磁同步电动机的运行参数、环境温度。
本发明中控制器的主控模块采用进口的TMS320F2804X系列数字信号处理器，充分利用芯片内资源，实现程序控制、信号采样、运动曲线、通讯、数据处理等功能，其中采样模块包括实时输入电压、电流及输出的电压、电流、频率，以及编码器以实时通讯方式反馈的驱动器位置信息。所述的指示灯模块选用LED指示灯。
本发明与外部设备建立通讯连接，外部设备包括蓝牙终端或上位机等，IPM模块与主控模块之间、指示灯与主控模块之间采用光电隔离型式器件来实现增强抗干扰能力强，工作稳定，无触点，延长使用寿命，提高传输效率的目的。
根据附图2和附图3，所述的永磁同步电动机包括机壳1、机壳1上设置的端盖2、设于机壳1内部的转子11、设于转子11中心位置的编码器及顺序设于转子11外围的磁钢16和定子10、设于定子10上的绕组17等。所述的转子11采用一体化转子，是由轻型金属材料整体铸造而成，所述的磁钢16采用粘结方式结合固定螺丝和固定板紧固在转子11外围，固定后再经动平衡调试校核，然后在转子11中心部位安装轴承12，组成部件一体化转子。所述定子10采用条形矽钢片分组冲压成型后焊接加工，节省材料的同时能够大幅度提高加工精度。所述定子10在绕制绕组17后，通过压力机压入加工合格的机壳1内，同时，转子11中心部位安装的前、后轴承12分别固定在机壳1及端盖2的轴承室内。所述编码器采用上海贝思特门机有限公司生产的电梯门机的磁编码器（专利公告号：CN 202019274 U），安装在端盖2相应位置，感应转子11上的磁电信号并处理后发送至控制器中的主控模块。
所述的磁钢16为转子11外圆均匀分布的表贴式稀土永磁体，在转子11中心部位先过盈装配有转轴，再在其上安装轴承12，所述转轴一端设有编码器识别用的永磁体磁钢，为编码器识别磁钢15。区别于传统定子冲片的加工和装配方式，所述定子10的铁芯叠压完成后经过工艺处理绕制绕组17，均匀分布的绕组17经过星型连接，后再经F级绝缘浸漆处理。热压进入机壳1内腔，由机壳1内腔设置的定位台阶保证定子10的安装位置。所述定子10的铁芯加工方式可以在最大程度上增加的经济性和实用性，提高效率的同时，可以便于实现规模化快速的检验。定子10上所述的绕组17采用星型连接，永磁同步电动机引线经绝缘蜡管穿过机壳1的机壳腔壁进入控制腔室，三相引线分别与控制器的IPM模块对应输出引脚连接。编码器通过电缆与主控模块直接相连。
所述的控制器采用控制器端盖3封装于电动机旁侧的机壳1的控制腔室内，控制腔室底部设有绝缘层，永磁同步电动机线和编码器信号线采用穿孔方式进入控制腔室并连接至控制器电路板13的主控模块。所述控制器与外围设备通讯用的电缆7经由防水的电气接头5联结至接口电路板14，实现设备调试、状态监控、指令输入等操作。设于控制器端盖3表面的控制器状态的指示灯4用于显示电源状态、运动状态、故障信息等界面信息。
根据附图4，工频电源端口ACL、ACN经过熔断器后，通过滤波和稳流到达单相整流桥，输出稳定的直流电，供后续电路使用。输入电源接入直流电压转换电路的电源输入端，直流电压转换电路设有两路电压输出，一路输出经稳压电路中的电容C3、电容C4以及均压电阻R3、电阻R4，滤波电路后作为主控模块为控制器供电，另一路输出作为输出电源和逆变模块的控制电源，供电电源包括开关控制电路和供电电路，开关控制电路输入端连接主控模块的I/O口，控制电路输出端串接继电器线圈。电路中包含电抗器作为稳流器件，吸收电容作为稳压器件为后续电路提供可靠的电源。
根据附图5，本发明产品采用TMS320F28004X作为主控模块的芯片实现了速度环和电流环双闭环反馈控制。图5中ADC-IX为三相输出电流检测结果经处理后的信号输入端口，采样信号实现电流的闭环控制。所述主控模块的芯片根据实际工况处理后调节驱动永磁同步电动机执行驱动动作，同时永磁同步电动机的速度、位置、温度等信息采样到控制器实现系统的闭环控制。
电流闭环的功能是保证充电装置在充电过程中充电电流可调，进而实现充电时间可控及对容性负载的保护。人机界面对主控模块进行操作，对充电电流最大值及充电时间进行设定。主控模块根据设定的充电时间和容性负载的特性，通过内部程序绘制出整个充电过程中，电流的最优给定曲线。主控模块依据最优充电电流给定曲线，在充电过程中不断地改变充电电流的给定值并传给主控模块，控制器根据主控模块的给定调整输出PWM波的占空比，再通过IPM模块驱动装置和IPM模块进行升压。在升压过程中采样模块持续对IPM模块的输出电流进行采样，并将采样值反馈给PWM控制器，PWM控制器将电流采样模块反馈回来的值和给定值进行比较，不断地调节PWM输出，保证输出电流值处在设定电流值附近，这样就实现了充电电流和充电时间可控以及对容性负载的保护
根据附图6，本发明集成式控制驱动器中编码器的信号端口采用高速串行通讯模式与主控模块的通讯端子直接相连接，采样转子转动的速度并定位转子位置。根据计算每个永磁同步电动机转子位置信息读取时间为28.42μs, 每两个数据读取时间至少要28.42μs×2=56.84μs，其数值占到PWM中断周期83.3μs的68.2%，会严重影响主控模块的运算效率，并且在永磁永磁同步电动机的强磁场和强干扰环境下，SPI通信数据越多被干扰概率会成几何级别增大。为实现顺利通讯目的，本发明采用在一个PWM周期内通过SPI通信只读取永磁同步电动机位置数据，不读取永磁同步电动机转速数据的方式，永磁同步电动机转子位置数据信息中含有转速信息，转速由永磁同步电动机转子位置数据中含转速信息由软件算法提取取得。PWM中断服务程序时间减少一半为28.427us，可以显著提升整个控制系统运行效率，明显改善SPI通信抗干扰能力，提高系统可靠性。
本发明产品是利用电磁技术进行的设计，具有简洁美观的构造造型和可靠的控制和操作系统。同时，本发明产品采用高频信号与低频电磁场隔离，达到了优化电磁兼容性的目的，可广泛适用于严苛电子环境和安装条件。本发明产品采用导线，经由密封屏蔽结构导入控制腔室，编码器的位置识别检测模块可精确定位永磁同步电动机转子位置，采用最优化设计仿真技术，配合数字编码控制，在绝对值/增量式编码技术的方案基础上增加软件识别、误差补偿和保护措施避免温度漂移，采用通讯方式直接发送位置编码至主控制器。该编码技术具有适应广泛、方便易用，易于安装和调整维护、结构简单紧凑，无触点、长寿命、耐高低温、抗振动、响应速度快的特点，可以对电动机电磁和控制器运行情况仿真模拟实际工况，择优选取最佳方案制定技术方案和生产流程。本发明产品所使用的轴承为双侧防尘端盖产品，密封前已填充足量耐高温机械润滑油，可以极大降低机械损耗，保证设备温升符合要求，具备高效节能低噪环保的特性。本发明产品的控制器设计了较高的防护等级，保护产品具有防水防尘特性，在运行寿命期内，密封可靠，还具有重量轻，体积适中，安装便利的特点，具有良好的经济价值。
Claims (6)
1.一种电梯门机用集成式控制驱动器，其特征在于：所述的集成式控制驱动器包括通过电气连接的控制器和永磁同步电动机，所述的控制器包括主控模块、通讯模块、电源模块、IPM模块、采样模块、传感器模块和存储器，所述电源模块在连接信号处理模块后再连接至IPM模块，所述的IPM模块和信号处理模块还分别与整流模块连接，所述的信号处理模块还与通讯模块连接，所述的主控模块还连接指示灯模块，所述的整流模块与IPM模块之间通过直流母线连接，输入电源经电源模块后进入整流模块和IPM模块，直流母线通过端口连接有作为缓冲和稳压的平波电容，所述的永磁同步电动机包括机壳、机壳上设置的控制器端盖、设于机壳内部的转子、设于转子中心位置的编码器及顺序设于转子外围的磁钢和定子、设于定子上的绕组，所述编码器安装在端盖相应位置处，感应转子上的磁电信号并处理后发送至控制器中的主控模块，永磁同步电动机的三相引线分别与控制器的IPM模块对应输出引脚连接，编码器通过电缆与主控模块直接相连，所述的控制器采用控制器端盖封装于机壳的控制腔室内，永磁同步电动机线和编码器的信号线连接至设于控制器上的控制器电路板的主控模块，所述控制器与外围设备通讯用的电缆经由电气接头与控制器的接口电路板连接。
2.根据权利要求 1 所述的电梯门机用集成式控制驱动器，其特征在于：所述的控制腔室底部设有绝缘层，在控制器端盖表面设有用于显示电源状态、运动状态、故障信息的指示灯，所述电动机引线进入控制腔室，编码器通过电缆与主控模块连接，永磁同步电动机的三相引线和编码器的信号线采用穿孔方式进入控制腔室。
3.根据权利要求 1 所述的电梯门机用集成式控制驱动器，其特征在于：所述的转子采用一体化转子，是由轻型金属材料体铸造而成，所述的磁钢采用粘结方式结合固定螺丝和固定板紧固在转子外围，固定后再经动平衡调试校核，然后在转子中心部位安装轴承，组成部件一体化转子，所述定子采用条形矽钢片分组冲压成型后焊接加工，所述定子在绕制绕组后，通过压力机压入加工合格的机壳内，同时，转子中心部位安装的前、后轴承分别固定在机壳及端盖的轴承室内，所述的磁钢为转子外圆均匀分布的表贴式稀土永磁体，在转子中心部位先过盈装配有转轴，再在其上安装轴承，所述转轴一端设有编码器识别用的永磁体磁钢，为编码器识别磁钢，所述定子的铁芯叠压完成后经过锚固并理毛刺后绕制绕组，均匀分布的绕组经过星型连接，后再经F级绝缘浸漆处理，最后热压进入机壳内腔，由机壳内腔设置的定位台阶保证定子的安装位置。
4.根据权利要求 1 所述的电梯用集成式控制驱动器，其特征在于：所述的通讯模块包括隔离CAN通讯模块及隔离485通讯模块，所述的传感器模块包括加速度传感器和温度传感器，所述的信号处理模块包括AC/DC信号转换模块，所述的指示灯模块包括LED指示灯，所述的集成式控制驱动器通过通讯模块与外部关联设备建立通讯连接，所述的集成式控制驱动器与外部关联设备之间、IPM模块与主控模块之间、指示灯与主控模块之间设有光电隔离器件。
5.根据权利要求 1 所述的电梯门机用集成式控制驱动器，其特征在于：所述控制器的电源模块中工频电源端口ACL、ACN经过熔断器后，通过滤波和稳流到达单相整流桥，输出供后续电路使用的稳定的直流电，输入电源接入直流电压转换电路的电源输入端，直流电压转换电路设有两路电压输出，一路输出经稳压电路中的电容C3、电容C4以及均压电阻R3、电阻R4，滤波电路后作为主控模块为控制器供电，另一路输出作为输出电源和逆变模块的控制电源，供电电源包括开关控制电路和供电电路，开关控制电路输入端连接主控模块的I/O口，控制电路输出端串接继电器线圈，电路中还设有作为稳流器件的电抗器，作为稳压器件的吸收电容。
6.根据权利要求 1 所述的电梯门机用集成式控制驱动器，其特征在于：所述永磁同步电动机上设置的编码器的信号端口采用高速串行通讯模式与主控模块的通讯端子直接相连接，采样转子转动的速度并定位转子位置，在一个PWM周期内通过SPI通信只读取永磁同步电动机位置数据，电动机转子转速由脉冲计算取得。
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