CN112114539B - 一种双电机驱动推拉门窗的控制系统及其方法 - Google Patents

一种双电机驱动推拉门窗的控制系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双电机驱动推拉门窗的控制系统，包括连接左门窗扇的左电机和连接右门窗扇的右电机，其特征在于：还包括主控制器和分别对应左电机、右电机的行程开关；所述行程开关安装在门窗关闭位置的轨道上，用于感应门窗扇的到位信号并传送给主控制器；所述主控制器为左电机和右电机的开启和实时运行速度下达指令；主控制器包括位置速度计算模块和规划速度计算模块。不仅能独立运行单扇门窗的开关，还能不受门窗扇的运行范围和各自门窗扇的当前位置的影响，保证能同时启动门窗扇并同时到达目标点。

Description

一种双电机驱动推拉门窗的控制系统及其方法
技术领域
本发明属于自动门窗技术领域，具体涉及一种双电机驱动推拉门窗的控制系统。
背景技术
目前的智能推拉门窗多为单电机皮带传动，特别是双门开关的门窗采用单电机驱动只能两扇门窗同时相对或相向开关，无法自如控制门窗开关的大小，带来不便。
专利CN204002254U公开了一种双电机控制双门开关门装置，采用两个电机分别控制一扇门的开关，实现双电机控制双门开关。但双电机分别控制存在协同性的问题，容易出现两扇门移动步调不一致，无法同时启动和同时到达目标位置。
发明内容
为了解决双电机控制的协同性问题，本发明提供了一种双电机驱动推拉门窗的控制系统，不仅能独立运行单扇门窗的开关，还能在轨道允许范围内的任意位置启动和停止门窗扇的移动，不受门窗扇的运行范围和各自门窗扇的当前位置的影响，保证能同时启动门窗扇并同时到达目标点。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：
一种双电机驱动推拉门窗的控制系统，包括连接左门窗扇的左电机和连接右门窗扇的右电机，还包括主控制器和分别对应左电机、右电机的行程开关；
所述行程开关安装在门窗关闭位置的轨道上，用于感应门窗扇的到位信号并传送给主控制器；
所述主控制器为左电机和右电机的开启和实时运行速度下达指令；主控制器包括位置速度计算模块和规划速度计算模块；
所述位置速度计算模块获取电机编码器的旋转角度和旋转速度计算门窗扇的实时位置和移动速度，所述规划速度计算模块根据左门窗扇和右门窗扇各自的运行距离来规划速度变化曲线，实时计算每个时间点对应的规划速度值。
本发明所述规划速度变化曲线，曲线随时间依次划分为加速段、顶峰段、减速段和缓冲段，门窗扇的当前起点位置距运行目标位置的距离为Smax；
规划速度变化曲线减速段中的最小速度为Vmin，Vmin为设定的输入值；
运行所需时间为T，T为设定的输入值；
将加速段、顶峰段、减速段和缓冲段的时间分别设定为输入值T1、T2、T3和T4，且T＝T1+T2+T3+T4，T1≠0、T2≥0、T3≠0、T4≥0；
在各时间段内的实时速度分别为Va、Vd、Vc和Vm，V0为初始速度；
规划速度变化曲线中的最大速度为Vmax，Vmax＝K1*Smax–K2，K1和K2是Vmax和Smax之间的换算常数；
规划速度变化曲线在各阶段的积分公式分别为：
本发明所述电机轴连接皮带传送机构的主动轮，所述门窗扇的实时移动速度为V，主动轮的周长L，电机的转速R，V＝(R/60)*L。
优选地，门窗关闭至行程开关位置为初始位置，将初始位置记为0，通过门窗扇的实时移动速度和移动时间，计算出门窗扇的位移，得到门窗扇的实时位置。
进一步优选地，还包括验证模块，当门窗扇运行至接近关闭或接近轨道两端时，采用规划速度变化曲线计算当前的位移值，当得到的规划位移小于实际的运行位移，则电机停止运行。
所述规划位移为St，计算公式为：
本发明所述电机的驱动器设置有速度环，所述速度环通过输入值和反馈值进行比较后的差值做PID调节。
本发明还提供了该双电机驱动推拉门窗的控制系统的控制方法：
主控制器向左电机和/或右电机下达运行指令；
获取左门窗扇和/或右门窗扇的当前位置，并计算各自的当前位置距运行目标位置的距离；
初始速度为0，按照规划速度变化曲线分别计算出左电机和/或右电机的每个时间点对应的规划速度；
左电机和/或右电机按规划速度运行至目标位置。
优选地，每次上电时，左门窗扇和右门窗扇自动向关闭方向运动，门窗关闭，完成复位，初始位置记为0。
优选地，手动拉动左门窗扇或者右门窗扇；
发送电机旋转方向和门窗扇速度数据到主控制器，计算拉动速度，若满足拉动速度大于设定的阈值，则向左电机和右电机同时下达启动指令，并带动门窗扇按照各自的规划速度变化曲线运行至目标位置。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用双电机分别带动两个门窗扇的开关，并根据各个门窗扇的运行距离为各个门窗扇分别设置优化的速度变化曲线，并按照该规划速度变化曲线由主控制器统一协调实时分配运行速度，系统不仅能独立运行单扇门窗的开关，还能在轨道允许范围内的任何位置启动和停止门窗扇的移动，不受门窗扇的运行范围和各自门窗扇的当前位置的影响，保证能同时启动门窗扇和门窗扇同时到达目标点。
2、本发明将规划速度变化曲线按速度变化过程划分为加速段、顶峰段、减速段和缓冲段，可根据需要自由设定运行时间和分配各阶段的时间占比，再根据各阶段的曲线积分公式计算实时规划速度作为电机驱动器的输入，达到了电机运行速度的精准控制，保证门窗扇能在任意位置同时到达目标点。
3、门窗关闭至行程开关位置为初始位置，并在每次上电时复位至初始位置，将初始位置记为0，通过门窗扇的实时移动速度和移动时间，计算出门窗扇的位移，方便得到门窗扇的实时位置。
4、主控制器设置验证模块，当门窗扇运行至接近关闭或接近轨道两端时，采用规划速度变化曲线计算当前的位移值，当得到的规划位移小于实际的运行位移，继续运行会产生碰撞，主控制器立即命令电机停止，防止碰撞。
5、手动拉动单个门窗扇，发送电机旋转方向和门窗扇速度数据到主控制器，若满足拉动速度大于设定的阈值，则向两个电机同时下达启动指令，并带动门窗扇按照各自的规划速度变化曲线运行，在无需按下启动开关的情况下随手轻便地就能实现自动开关门窗，非常方便。
附图说明
图1为本发明双电机驱动推拉门窗的结构示意图。
图2为本发明双电机驱动推拉门窗控制系统的原理框图。
图3为本发明双电机驱动推拉门窗控制系统的另一原理框图。
图4为电机驱动器的功能模块结构图。
图5为实施例8的电流环和速度环的调速原理框图。
图6为实施例9的双电机同时驱动推拉门窗的流程图。
图7为实施例12的手动拉动门窗启动的流程图。
图8为实施例3的门窗扇的规划速度变化曲线，(a)Smax＝500mm，(b)Smax＝600mm。
图9为实施例12的手动拉动门窗扇的规划速度变化曲线。
图中标记为：1、左门窗扇；2、右门窗扇；3、主控制器；4、左电机；5、右电机；6、左电机的驱动器；7、右电机的驱动器；8、左行程开关；9、右行程开关；31、位置速度获取模块；32、规划速度计算模块；41、左电机的编码器；51、右电机的编码器。
具体实施方式
为了更加清楚、详细地说明本发明的目的技术方案，下面通过相关实施例对本发明进行进一步描述。以下实施例仅为具体说明本发明的实施系统，并不限定本发明的保护范围。
实施例1
如图1和2所示，一种双电机驱动推拉门窗的控制系统，包括连接左门窗扇的左电机和连接右门窗扇的右电机，还包括主控制器和分别对应左电机、右电机的行程开关；
所述行程开关安装在门窗关闭位置的轨道上，用于感应门窗扇的到位信号并传送给主控制器；
所述行程开关安装在门窗关闭位置的轨道上，用于感应门窗扇的到位信号并传送给主控制器；行程开关安装在门窗运行的轨道上，门窗扇上安装与其对应的触发件，用于记录门窗扇运动到位的位置信息反馈，行程开关通过电气连接方式连接到各自的电机驱动器上，行程开关可以是普通的点动型机械按键开关也可以是磁感应开关。
所述主控制器为左电机和右电机的开启和实时运行速度下达指令；主控制器包括位置速度计算模块和规划速度计算模块；
所述位置速度计算模块获取电机编码器的旋转角度和旋转速度计算门窗扇的实时位置和移动速度，所述规划速度计算模块根据左门窗扇和右门窗扇各自的运行距离来规划速度变化曲线，实时计算每个时间点对应的规划速度值。
电机编码器采用现有的正交旋转编码器，连接在电机的轴端，可以记录电机轴的旋转角度、旋转方向和旋转速度，并转换成电信号提供给电机驱动器。电机轴通过主动轮和传送皮带连接，传送皮带再和门窗扇连接，从而可以将电机轴的旋转运动经过主动轮和传送皮带转换为门窗扇的直线运动。通过记录编码器的旋转角度和旋转速度即可获取门窗扇的移动位移和移动速度。
电机采用现有无刷直流电机(BLDC)或者永磁同步电机(PMSM)即可。供电电源采用现有的直流电源即可。
电机驱动器和供电电源电气连接，电机驱动器和电机以及编码器电气连接，电机驱动器和主控制器之间通过通信总线连接，左电机的驱动器和右电机的驱动器之间通过通信总线连接，电机驱动器主要功能是接收主控制器的指令，按照预期的运行目标控制电机的旋转力矩、旋转方向、旋转速度和旋转角度，进而实现对门窗扇的移动方向、移动位移和运动速度的控制。
另外，如图3所示，为了协调左电机和右电机之间的运动关系和运动状态，左电机驱动器和右电机驱动器之间有通信总线连接以保证相互之间的数据交互。
主控制器可以接收外部触发条件，例如遥控器发送的指令，按键开关发送的指令，各种类型传感器发送的指令，网络设备发送的指令等等，并将该指令转发到电机驱动器上，同时可以接收电机驱动器反馈的指令或状态信息。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上：
所述规划速度变化曲线，曲线随时间依次划分为加速段、顶峰段、减速段和缓冲段，门窗扇的当前起点位置距运行目标位置的距离为Smax；可根据需要预先设定目标位置，不一定是门窗扇关闭或完全打开的位置。
规划速度变化曲线减速段中的最小速度为Vmin，Vmin为设定的输入值；
运行所需时间为T，T为设定的输入值；
将加速段、顶峰段、减速段和缓冲段的时间分别设定为输入值T1、T2、T3和T4，且T＝T1+T2+T3+T4，T1≠0、T2≥0、T3≠0、T4≥0；
可根据需要随意设定开关门的总用时长T，并调整电机的加速度，T1范围可取1000-2000ms，T2范围可取0-1000ms，T3范围可取1000-2000ms，T4范围可取0-2000ms。当T2为0，则运行速度加速至峰值后立即减速，设定一个峰值的平台期，运行会更加稳定；当T4为0，则无缓冲段，电机骤停，门窗扇到达目标位置时可能会有碰撞，设置缓冲段可使门窗扇更平稳到达目标位置。
在各时间段内的实时速度分别为Va、Vd、Vc和Vm，V0为初始速度；
规划速度变化曲线中的最大速度为Vmax，Vmax＝K1*Smax–K2，K1和K2是最高运行速度和运行位移之间的换算常数，通过门窗扇的运动曲线拟合得到，K1可取0.65-0.75，K2可取9.5-9.6。
规划速度变化曲线在各阶段的积分公式分别为：
实施例3
本实施例在实施例2的基础上：
门窗扇在静止状态启动打开，启动时的初始速度V0为0,当前起点位置到目标位置的距离为Smax,然后以时间为横坐标，速度为纵坐标，实时计算每个时间点对应的速度值，又由于位移是速度对时间的积分，则同步可得到每个时间点对应的位移值。每个时间点设为1ms。
取K1＝0.657，K2＝9.543；
设定Vmin＝6mm；T＝4000ms；
分别取T1＝1550ms；T2＝100ms；T3＝1350ms；T4＝1000ms；
当获取到Smax和V0后，根据预先设定的以上参数，按规划速度变化曲线的算法，以1ms为时间刻度，实时生成每一个时间刻度上对应的速度值。
如图8所示，在V0＝0条件下，Smax＝500mm和600mm，600mm(图8(b))距离的速度曲线的最大速度点比500mm(图8(a))的最大速度点高，表明距离远运行速度快，距离近的运行速度相对慢一些。
实施例4
本实施例在实施例2的基础上：
门窗扇在静止状态启动打开，启动时的初始速度V0为0,当前起点位置到目标位置的距离为Smax,然后以时间为横坐标，速度为纵坐标，实时计算每个时间点对应的速度值，又由于位移是速度对时间的积分，则同步可得到每个时间点对应的位移值。每个时间点设为1ms。
取K1＝0.65，K2＝9.5；
设定Vmin＝8mm；T＝7000ms；
分别取T1＝2000ms；T2＝1000ms；T3＝2000ms；T4＝2000ms；
当获取到Smax和V0后，根据预先设定的以上参数，按规划速度变化曲线的算法，以1ms为时间刻度，实时生成每一个时间刻度上对应的速度值。
实施例5
本实施例在实施例1的基础上：
所述电机轴连接皮带传送机构的主动轮，所述门窗扇的实时移动速度为V，主动轮的周长L，电机的转速R，V＝(R/60)*L。
主动轮的周长L＝45.3mm，编码器的线数为1024(及旋转一圈的的脉冲数)，电机的转速R＝500RPM(转每分钟)，则可计算出门窗扇的移动速度为V＝(R/60)*L＝377.5mm/s。再转换成编码器提供的脉冲数可得：Ve＝(R*1024/60)*L＝386560。只要通过位置速度获取模块不断计算编码器反馈的数字脉冲则可间接计算出门窗扇的移动速度和移动位移。
实施例6
本实施例在实施例5的基础上上：
门窗关闭后的行程开关位置为初始位置，将初始位置记为0，通过门窗扇的实时移动速度和移动时间，计算出门窗扇的位移，得到门窗扇的实时位置，同时方便将轨道上的任意位置记录为门窗移动的目标位置点。
实施例7
本实施例在实施例6的基础上：
本系统还包括验证模块，当门窗扇运行至接近关闭或接近轨道两端时，采用规划速度变化曲线计算当前的位移值，当得到的规划位移小于实际的运行位移，继续运行有碰撞的可能，则电机停止，防止两扇门窗碰撞。
可设定实际的运行位移与规划的位移差值超过+1％时，则电机停止运行。
所述规划位移为St，计算公式为：
实施例8
本实施例在实施例1的基础上：
所述电机的驱动器设置有速度环，所述速度环通过输入值和反馈值进行比较后的差值做PID调节。实时较正电机的运行速度，使其更精确地符合规划速度变化曲线。
电机的驱动器还可以增设电流环，通过电流的输入值和反馈值进行比较后的差值做PID调节。
本发明的电机驱动器内部主要由MCU、驱动器电源模块、通信总线驱动模块、编码器、信号接线端子、限位开关接线端子、电机接线端子、MOS管逆变电路模块和MOSFET驱动芯片共同构成，如图4所示。
编码器将电机轴的旋转角度、旋转方向和旋转速度转换成电信号提供给电机驱动器。驱动器电源模块负责给个用电模块提供需要的电源，MCU负责接收各种数据并继续计算处理将处理的信号最终作用到MOSFET驱动芯片上进而经过MOS管逆变电路模块将驱动器电源模块提供的直流电转换成不同电压幅值、不同电压频率和不同电压相位的三相交流电压信号经过电机接线端子作用的电机上。
如图5所示，M为电机，ASR为速度环，ACR为电流环，GT为MOSFET驱动芯片，TA为获取电机的电流单元。Sn为经过编码器换算得到的电机转速，Sn*为规划转速，即实时生成的规划曲线所对应的速度，ASR和ACR中都包含有PID调节器，用于对规划速度Sn*和反馈转速Sn直接的差值进行调节，或者对ACR中的规划电流Ui*和反馈电流Ui的差值进行调节。
实施例9
本实施例在实施例1的基础上：
如图6所示，该双电机驱动推拉门窗的控制系统的控制方法：
主控制器向左电机和右电机下达运行指令，两扇门窗协同运动开关窗；
获取左门窗扇和右门窗扇的当前位置，并计算各自的当前位置距运行目标位置的距离，当前位置可以是轨道上的任意位置；
初始速度为0，按照规划速度变化曲线分别计算出左电机和右电机的每个时间点对应的规划速度；
左电机和/或右电机按规划速度运行至目标位置。
实施例10
本实施例在实施例1的基础上：
该双电机驱动推拉门窗的控制系统的控制方法：
主控制器向左电机下达运行指令，右电机保持静止；
获取左门窗扇的当前位置，并计算当前位置距运行目标位置的距离，当前位置可以是轨道上的任意位置；
初始速度为0，按照规划速度变化曲线分别计算出左电机的每个时间点对应的规划速度；
左电机按规划速度运行至目标位置，实现单扇门窗的独立开关。
实施例11
本实施例在实施例9的基础上：
每次上电时，左门窗扇和右门窗扇自动向关闭方向运动，门窗关闭，完成复位，初始位置记为0。由于规划速度变化曲线的计算需要获取当前起点位置和目标位置间的距离，断电后当前起点位置的数据丢失，每次上电复位到初始位置，便于当前起点位置的获取。
实施例12
本实施例在实施例1的基础上：
如图7所示，手动拉动左门窗扇；
发送电机旋转方向和门窗扇速度数据到主控制器，计算拉动速度，若满足拉动速度大于设定的阈值，则向左电机和右电机同时下达启动指令，并带动门窗扇按照各自的规划速度变化曲线运行。
阈值条件可设为拉动速度>30mm/s。通过随手轻轻拉动来实现电机的启动，无需摇控和按动开关操作，开关门窗更加方便且省力。
左门窗扇的初始速度V0即为阈值30mm/s，右门窗扇的初始速度V0＝0。
当前起点位置到目标位置的距离为Smax,然后以时间为横坐标，速度为纵坐标，实时计算每个时间点对应的速度值，每个时间点设为1ms。
取K1＝0.657，K2＝9.543；
设定Vmin＝6mm；T＝4000ms；
分别取T1＝1550ms；T2＝100ms；T3＝1350ms；T4＝1000ms；
当获取到Smax＝500mm后，根据预先设定的以上参数，按规划速度变化曲线的算法，以1ms为时间刻度，实时生成每一个时间刻度上对应的速度值，图9为左门窗扇的规划速度变化曲线，右门窗扇的规划速度变化曲线同图8(a)。
实施例13
本实施例在实施例1的基础上：
手动拉动右门窗扇；
发送电机旋转方向和门窗扇速度数据到主控制器，计算拉动速度和拉动距离，若满足拉动速度或者拉动距离大于设定的阈值，则向左电机和右电机同时下达启动指令，并带动门窗扇按照各自的规划速度变化曲线运行。
阈值条件可设为拉动距离>10mm，且拉动速度>30mm/s。增设拉动距离参数为启动条件，使感应更加灵敏。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双电机驱动推拉门窗的控制系统，包括连接左门窗扇的左电机和连接右门窗扇的右电机，其特征在于：还包括主控制器和分别对应左电机、右电机的行程开关；
所述行程开关安装在门窗关闭位置的轨道上，用于感应门窗扇的到位信号并传送给主控制器；
所述主控制器为左电机和右电机的开启和实时运行速度下达指令；主控制器包括位置速度计算模块和规划速度计算模块；左电机驱动器和右电机驱动器之间有通信总线连接以保证相互之间的数据交互；
所述位置速度计算模块获取电机编码器的旋转角度和旋转速度计算门窗扇的实时位置和移动速度，所述规划速度计算模块根据左门窗扇和右门窗扇各自的运行距离来规划速度变化曲线，实时计算每个时间点对应的规划速度值；
所述规划速度变化曲线，曲线随时间依次划分为加速段、顶峰段、减速段和缓冲段，门窗扇的当前起点位置距运行目标位置的距离为Smax；
规划速度变化曲线减速段中的最小速度为Vmin，Vmin为设定的输入值；
运行所需时间为T，T为设定的输入值；
将加速段、顶峰段、减速段和缓冲段的时间分别设定为输入值T1、T2、T3和T4，且T＝T1+T2+T3+T4，T1≠0、T2≥0、T3≠0、T4≥0；
在各时间段内的实时速度分别为Va、Vd、Vc和Vm，初始速度为V0；
规划速度变化曲线中的最大速度为Vmax，Vmax＝K1*Smax–K2，K1和K2是Vmax和Smax之间的换算常数；
规划速度变化曲线在各阶段的积分公式分别为：
2.根据权利要求1所述双电机驱动推拉门窗的控制系统，其特征在于：电机轴连接皮带传送机构的主动轮，所述门窗扇的实时移动速度为V，主动轮的周长为L，电机的转速为R，V＝(R/60)*L。
3.根据权利要求1所述双电机驱动推拉门窗的控制系统，其特征在于：门窗关闭至行程开关位置为初始位置，将初始位置记为0，通过门窗扇的实时移动速度和移动时间，计算出门窗扇的位移，得到门窗扇的实时位置。
4.根据权利要求3所述双电机驱动推拉门窗的控制系统，其特征在于：主控制器还包括验证模块，当门窗扇运行至接近关闭或接近轨道两端时，采用规划速度变化曲线计算当前的位移值，当得到的规划位移小于实际的运行位移，则电机停止运行。
5.根据权利要求4所述双电机驱动推拉门窗的控制系统，其特征在于：所述规划位移为St，计算公式为：
6.根据权利要求1所述双电机驱动推拉门窗的控制系统，其特征在于：所述电机的驱动器设置有速度环，所述速度环通过输入值和反馈值进行比较后的差值做PID调节。
7.根据权利要求1所述双电机驱动推拉门窗的控制系统的控制方法，其特征在于：
主控制器向左电机和/或右电机下达运行指令；
获取左门窗扇和/或右门窗扇的当前位置，并计算各自的当前位置距运行目标位置的距离；
初始速度为0，按照规划速度变化曲线分别计算出左电机和/或右电机的每个时间点对应的规划速度；
左电机和/或右电机按规划速度变化曲线运行至目标位置。
8.根据权利要求1所述双电机驱动推拉门窗的控制系统的控制方法，其特征在于：
手动拉动左门窗扇或者右门窗扇；
发送电机旋转方向和门窗扇速度数据到主控制器，计算拉动速度，若满足拉动速度大于设定的阈值，则向左电机和右电机同时下达启动指令，并带动门窗扇按照各自的规划速度变化曲线运行至目标位置。
9.根据权利要求7或者8所述双电机驱动推拉门窗的控制系统的控制方法，其特征在于：每次上电时，左门窗扇和右门窗扇自动向关闭方向运动，门窗关闭，完成复位，初始位置记为0。
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