CN1903692A

CN1903692A - 无刷直流电机电梯门控制装置

Info

Publication number: CN1903692A
Application number: CN 200610015038
Authority: CN
Inventors: 夏长亮; 陈炜; 史婷娜
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: CN100431940C

Abstract

本发明涉及驱动电梯门开启和关闭的控制装置，提供一种无刷直流电机电梯门控制装置，包括方波型无位置传感器永磁无刷直流电机、传动单元、控制器、电源模块，其中，方波型无位置传感器永磁无刷直流电机，用于提供驱动电梯门开关的转矩；传动单元，用于将电机的旋转运动转换成开启或关闭电梯门的直线运动；控制器，用于通过无刷直流电机端电压、电流信号的测量，确定电机转子位置和运行状态，进而控制方波型无位置传感器永磁无刷直流电机的运行。本发明的电梯门控制装置，无需采用位置或速度传感器，具有体积紧凑、装置效率高、抗干扰性强、故障率和成本低的优点。

Description

无刷直流电机电梯门控制装置

技术领域

本发明涉及驱动电梯驱动门开启和关闭的控制装置。

背景技术

目前常见的电梯门控制装置中采用直流电机、单相异步电机、三相异步电机等传统电机作为执行单元。控制装置根据指令信号，调整电机的转速和转向，从而驱动电梯门按照指定的运行曲线开启或关闭。由于传统电机一些固有的缺陷，所以这类装置存在需经常维护，体积大、效率低、成本高等问题。申请号为02815026.0的专利申请利用无刷直流电机来驱动电梯门，但由于位置传感器的存在，不但增大了工艺安装的难度，还是容易引入干扰，增加了电梯门控制装置的故障率、体积和成本。

方波型无位置传感器永磁无刷直流电机作为一种新型电机在日常生活中具有一些应用，但是在电梯门驱动装置中还没有被采用，这主要是因为电梯门驱动需要电机正反转、调速方便，而无位置传感器无刷直流电机控制起来要比带位置传感器的复杂的多，需要用控制算法估算换相时刻。这在电机静止或低速下是非常难的。另外，普通电机或无刷直流电机已经实现的一些电梯门的功能——例如以初次安装门可以自学习开门宽度、平滑的速度开启或关闭、遇到障碍物当阻挡力达到一定值时开启电梯门重新关闭等等——用无位置传感器无刷直流电机实现时不能简单套用传统的控制方法，需要考虑很多新问题：如何实现让电机在较大转矩下具有较宽调速范围、如何测量电梯门开启或关闭的距离、如何检测门关闭时障碍物阻挡力的大小、如何按照门的位置调节无位置传感器无刷直流电机的转速等。这些问题目前还没有查到有文献提出解决方案。本专利就是解决这些实际问题，用无位置传感器无刷直流电机控制电梯门，实现电梯门控制中需要实现的功能。

发明内容

本发明的提出主要是为了解决上述问题，发明目的是降低电梯门控制装置的故障率、能量损耗以及开发成本。

为了实现上述目的，本发明提出一种电梯门控制装置，该控制装置包括方波型无位置传感器永磁无刷直流电机、传动单元、控制器、电源模块，其中，

方波型无位置传感器永磁无刷直流电机，用于提供驱动电梯门开关的转矩；

传动单元，用于将电机的旋转运动转换成开启或关闭电梯门的直线运动；

控制器，用于通过无刷直流电机端电压、电流信号的测量，确定电机转子位置和运行状态，进而控制方波型无位置传感器永磁无刷直流电机的运行；

电源模块，用于提供所需的电力。

作为优选技术方案，控制器可用于执行下列操作：

电机控制：通过无刷直流电机端电压、电流信号的测量，确定换向时刻，并发出对应的换向信号，驱动电机运转，并通过控制脉宽调制信号(PWM)的占空比调节电机的电磁转矩和转速；

自学习电梯门运行距离：在初次安装时，根据换向次数测量电梯门从完全关闭到完全开启所需运行的距离，并把用换向次数表示的距离参数存储下来以便其他功能使用，其中电梯门的关闭或开启位置要通过稍稍开启然后采用大转矩关闭或稍稍关闭然后采用大转矩开启至少三次来进行确认。门宽或现场情况变化后还可以人工让控制器再次执行此项操作；

电梯门开启关闭完成信号的输出：通过换向次数与距离参数比较确定门是否达到开启或关闭位置，向上位机发出相应信号；

驱动电梯门进行直线运动：用于当接收到开门或关门指令后，控制电机转动，根据电机换向次数判断电梯门位移，并按照电梯门位置改变电梯门移动速度，使门平滑地开启或关闭，当电梯门达到所述停止位置时，控制无刷直流电机停机。

作为更进一步的优选方案，控制器还可执行如下的两种操作：

(1)控制器还可执行遇到障碍物时的操作：当电梯门关闭的过程中阻挡转矩达到设定值时，电梯门开启，然后重新关闭，如此重复至少三次而不能关闭时，采用慢速轻推将障碍物推开。

(2)控制器能够执行电梯门运行距离纠错的操作：运行一段时间后重新确认从完全关闭到完全开启所需运行的距离。

本发明具有如下的有益效果：

1.采用结构和控制简单的方波型无位置传感器永磁无刷直流电机作为执行单元，装置体积小、效率高、抗干扰性强、故障率低。

2.控制器无需位置或速度传感器，根据电机的端电压和电流获得电机转子位置信号，进而控制电机的运行，降低了系统故障率和装置成本。

附图说明

图1本发明的电梯门控制装置结构框图；

图2电机控制装置主电路示意图；

图3电机控制原理示意图；

图4关门位置自学习程序流程图；

图5电梯门移动速度曲线示意图。

附图中的一些部件标号说明

1电源模块；2控制器；3方波型无位置传感器永磁无刷直流电机；4驱动装置；5蜗杆减速装置；6、7齿轮；8带齿皮带；9连接件；10a、10b门。

具体实施方式

参照图1，图1显示了本发明电梯门控制装置的实施例以及包括该电梯门的电梯门装置结构框图。如图所示，本发明的门控制装置4的电梯门装置包括：电源模块1，用于提供所需的电力；驱动装置4中的控制器2控制无位置传感器无刷直流电机3提供驱动转矩；蜗杆5将电机的转速降低一定倍数、转矩增大一定倍数传动到齿轮6上；转轴固定的齿轮6和齿轮7通过带齿皮带8连接；一对门10a和10b通过连接件9连接到皮带8上，由皮带提供拖动力运行在滑轨上。

本发明的电梯门控制装置4主要包括控制器2和无位置传感器无刷直流电机3，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为三相星接绕组的无位置传感器永磁无刷直流电机，反电势为梯形波。控制器的主电路采用单相220V、50Hz交流电通过变压器变到22V、50Hz交流电，通过整流滤波模块整流、滤波，最后由大电容平波提供直流电U_d，然后通过逆变桥给电机供电，如图2所示。通过控制逆变桥上的MOSFET元件就可以控制输出的电压，进而控制电机的转速和转向。

当控制电机旋转时，电机转子每转过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，如图3所示。图3中电机逆时针旋转，转子磁场处于图中所示位置时，控制MOSFET元件T1、T2导通，从而使A相正导通，C相负导通，形成图中所示AC相导通的定子磁势，超前转子磁势90度，让电机产生逆时针旋转的电磁转矩。当电机转子旋转到与AB相导通磁势相同位置时，控制BC相导通，如此依次导通就可以控制电机逆时针旋转。另外，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，这样电机运行就只需要确定换向时刻。

无位置无刷直流电机旋转过程中，换向时刻是通过检测电机的端电压、电流，利用无位置传感器控制算法实现的。例如采用线反电势法来检测换向时刻，由端电压、电流信号计算可以得到电机的线反电势，而线反电势的过零点正对应着电机的换向时刻。在计算得到的线反电势过零时刻控制电机换向就可以保证电机按照预定方向正常运行。与此同时，可以通过调节脉宽调制PWM信号的占空比来控制电机旋转速度。由于电机的极对数一定，根据换向时刻之间的间隔可以计算电机转速和移动距离。这样一方面可以实现电机的电流、速度双闭环控制，另一方面可以检测出门移动的距离和位置。

电梯门初次安装时会自动运行门宽自学习程序测量电梯门从完全开启到完全关闭所移动的距离。门安装好以后也可通过按钮让控制器再次执行该操作。操作中关门位置的自学习程序流程图如图4所示，门完全开启的位置检测也类似。与以往门机的自学习程序不同的是本发明提出的门机没有安装位置或速度传感器，门移动的距离通过控制器计算电机换向次数来确定。采用本实施例中的三相六拍换向方式来控制电机的话，在电机旋转360度电角度的过程中会产生6个换向信号。这样4对极的电机旋转一周就会产生24个信号。采用常见的直径1厘米电机轴、15∶1蜗杆减速比时，门每移动1厘米可以测量到120个信号，足够满足控制电梯门开关所需要的测量精度。测量出门移动距离之后，每次控制门运行过程中就可以通过计数换向信号确定门位置以及门是否到达完全开启或完全关闭位置，这样就不再需要传统门机装置中的终点限位开关，减小了安装的复杂度，提高了装置可靠性。测量出电梯门当前位置以及从完全开启到完全关闭所移动的距离后，还可以指定门在不同位置处的速度，让电梯门按照设定好的速度曲线移动，如图5所示，这里的速度曲线是指门移动过程中的速度曲线，其横坐标是电机门移动的距离，纵坐标是门的速度。图5是电机速度曲线的示意图，实际程序中采用圆滑的曲线作为电梯门运行的速度曲线，让门平滑而又快速地开启或关闭。图中最低速度、开门最高速度、关门最高速度、斜率、关门提速距离、关门减速距离、开门减速距离等参数可以通过电位器随时在控制器上设定。设定好之后控制器将门宽和这些参数换算成控制电梯门的速度指令表，存储在FLASH或EEPROM中，即使发生突然断电等问题，来电后也可快速恢复正常运行。

上述测量门移动距离的方法长期运行可以会存在累计误差的问题，本发明还具有电梯门运行距离纠错的功能。当电梯门控制装置运行一定次数后，自动重新确认从完全关闭到完全开启所需运行的距离，避免累积误差。具体操作只在关门或开门非常接近开启或关闭位置，用大转矩重新确认开关门位置，不影响电梯门正常运行。

本发明可以允许用户设定阻挡转矩，当电梯门关闭的过程中，遇到障碍物时，阻挡转矩达到设定值时，电梯门开启，然后重新关闭。如此重复三次不能关闭时，采用慢速轻推将障碍物推开。不同于以往文献或专利，本发明采用的电机不带位置或速度传感器，需要用特殊的方法估算阻挡转矩。计算时，基于电机的数学模型，用测量到的电机端电压、线电流，通过卡尔曼滤波估算出电机角加速度和电磁转矩(可以参阅参照天津大学硕士学位论文《无刷直流电机卡尔曼法转子位置检测及模型参考自适应控制》，陈炜撰写，导师夏长亮)。然后按照电机的转子运动方程得到对应的阻挡转矩：

T_L＝T_e-T₀-Jα

其中，T_L为阻挡转矩(N·m)，T_e为电机电磁转矩(N·m)，T₀为空载转矩，J为转子及负载的转动惯量(N·m²)，α为转子机械角加速度(rad/s²)。

控制器上安装有7段译码器，当门控制装置出现故障时，7段译码器可以显示相应的信号以便检修。

根据本实施例，可以通过测量无刷直流电机端电压、电流信号控制方波型无位置传感器永磁无刷直流电机起、停、正反转，进而驱动电梯门满足电梯门的控制要求。此外，本发明还可以提高门控制装置的效率和可靠性。

需要说明的是，本发明属于一种组合发明，是一种在技术应用上具有创新性的发明创造，其中所涉及的方波型无位置传感器永磁无刷直流电机、电源模块、传动单元、电梯门等部分都属于已有技术并且已有多种形式和应用。这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。

Claims

1.一种无刷直流电机电梯门控制装置，包括方波型无位置传感器永磁无刷直流电机、传动单元、控制器、电源模块，其中，

电源模块，用于提供所需的电力。

2.根据权利要求1所述的电梯门控制装置，其中所述控制器执行下列操作：

3.根据权利要求2所述的电梯门控制装置，其中所述控制器能够执行遇到障碍物时的操作：当电梯门关闭的过程中阻挡转矩达到设定值时，电梯门开启，然后重新关闭，如此重复至少三次而不能关闭时，采用慢速轻推将障碍物推开。

4.根据权利要求2所述的电梯门控制装置，其中所述控制器能够执行电梯门运行距离纠错的操作：运行一段时间后重新确认从完全关闭到完全开启所需运行的距离。