CN201915750U - 一体化门机直驱与矢量控制装置 - Google Patents

Abstract

一体化门机直驱与矢量控制装置，涉及门机驱动及控制技术领域。由一体化门机直驱装置、矢量控制器和功率变换器组成，所述功率变换器的输出端连接在一体化门机直驱装置的输入端，所述一体化门机直驱装置的输出端通过旋转编码器信号线连接在矢量控制器的输入端，所述矢量控制器的输出端连接在功率变换器上。本实用新型借助现代电力电子技术、高性能嵌入式微控制器技术及行程自记忆模式门宽检测技术，可针对不同门宽实现对门机驱动的永磁同步电机稳定、可靠、精确快速的S曲线变速控制。

Description

一体化门机直驱与矢量控制装置

技术领域

本实用新型涉及机电一体化与电力电子技术领域，特别是门机驱动及控制技术领域。

背景技术

门机广泛应用于各种现代化设施中，如电梯、地铁、门禁系统等。门机驱动与控制系统用于控制电动门的开关并形成一定的开关门速度S曲线。目前的门机控制系统多采用光电编码器来测量电机的转速和位置，光电编码器虽然有较高的分辨率，但由于与电机分体安装，在冲击、振动、温度变换范围较大的工作环境中容易损坏，且影响增加了维修成本；目前的门机控制系统无法自动适应所控制门的宽度，需要在安装时由技术人员不断调试才能获得比较理想的开关门速度S曲线；目前的门机传动系统多采用高速电机配合曲柄滑块机构或曲柄摇杆等减速机构的传动方式，体积较大，安装不方便。驱动控制系统则主要采用直流电机通过与其串、并联电阻作降压调速，或采用常规PWM脉宽调制技术进行的调压调速方法，其结构复杂、效率低、调速性能差，尤其是在低速运行时，由于采用串、并联电阻实现调速，其电机的机械特性很软。

因此能够提高设施的安全性和舒适性，具有重要的现实意义。

发明内容

本实用新型目的在于设计精度高、工作稳定、体积小、安装调试方便的化门机直驱与矢量控制装置。

本实用新型由一体化门机直驱装置、矢量控制器和功率变换器组成，所述功率变换器的输出端连接在一体化门机直驱装置的输入端，所述一体化门机直驱装置的输出端通过旋转编码器信号线连接在矢量控制器的输入端，所述矢量控制器的输出端连接在功率变换器上。

本实用新型所述一体化门机直驱装置包括在壳体上设置的转轴，在壳体内的转轴上连接永磁直驱电机转子，在壳体内固定与所述永磁直驱电机转子配合的永磁直驱电机定子，在壳体内的转轴上连接信号检测器转子，在壳体内固定与所述信号检测器转子配合的信号检测器定子，在所述信号检测器转子和信号检测器定子上分别连接旋转编码器信号线。

采用将旋转变压器的转子和定子分别安装在永磁同步电机的转子和定子上的嵌入式一体化直驱结构，使得旋转变压器可以在电机装配过程中直接嵌入并安装在电机内部，形成了机电一体化体系架构，省去了传统的变速齿轮箱，减小了装置体积。

本实用新型所述矢量控制器包括高速ARM处理器、旋转变压器解码模块、开关信号接口模块以及隔离驱动模块，所述旋转变压器解码模块的一端与旋转编码器信号线连接，旋转变压器解码模块的另一端与高速ARM处理器的一个输入端连接，开关信号接口模块的输出端连接在高速ARM处理器的另一个输入端，高速ARM处理器的输出端连接在隔离驱动模块的输入端，所述隔离驱动模块的输出端连接在功率变换器上。

本实用新型所述高速ARM处理器包括SVPWM细分与优化控制模块、行程自记忆模式门宽检测模块、位置速度计算模块和电机速度S曲线控制模块，旋转变压器解码模块的输出端连接在位置速度计算模块的输入端，位置速度计算模块的输出端分别连接电机速度S曲线控制模块和行程自记忆模式门宽检测模块，开关信号接口模块的输出端分别连接在电机速度S曲线控制模块和行程自记忆模式门宽检测模块的输入端，电机速度S曲线控制模块的输出端连接在SVPWM细分与优化控制模块的输入端。

所述开关信号接口模块的输出端通过指令处理模块与电机速度S曲线控制模块连接。

所述功率变换器包括连接在交流电输入端的整流桥式电路，在所述整流桥式电路的两个输出端并联滤波电容，在所述滤波电容的两端连接三相功率逆变器，所述三相功率逆变器分别与一体化门机直驱装置、矢量控制器连接。

本实用新型还在所述功率变换器的滤波电容与三相功率逆变器之间设置电流传感器，所述电流传感器通过过流保护模块与SVPWM细分与优化控制模块连接。

本实用新型借助现代电力电子技术、高性能嵌入式微控制器技术及行程自记忆模式门宽检测技术，可针对不同门宽实现对门机驱动的永磁同步电机稳定、可靠、精确快速的S曲线变速控制。

具有以下优点：

1、本实用新型由于采用了嵌入式的一体化设计，使得旋转变压器可以在电机装配过程中直接嵌入并安装在电机内部，即永磁同步电机转子与旋转变压器转子装在直驱装置转轴上，永磁同步电机定子与旋转变压器定子安装于直驱装置壳体上，永磁同步电机与旋转变压器由直驱装置壳体定位形成了机电一体化结构，这种简约、紧凑的一体化门机直驱装置，提升了驱动控制精度，增强了产品的整体防护等级，简化了门机的系统结构，节约空间，方便了安装、调试以及维保的工作

2、运用电压空间矢量细分调制和优化技术，使电压空间矢量的运行轨迹更加逼近圆形，提高了电压利用率，大大减少了传统SVPWM的电流波形畸变和转矩脉动大的问题，提高了功率变换器的转换效率以及永磁电机调速系统的精确性。

3、利用所述的行程自记忆模式门宽检测程序，能针对不同门宽的门机自动生成门宽数据，与所述S曲线速度控制程序相配合，根据门宽数据自适应调节S曲线各段的门机运行速度，实现门机速度最优的精确控制，使其适用于不同宽度和开门方式的门机系统，极大提高了安装调试的方便性以及门机控制系统的安全性和舒适性。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构示意图。

图2是本实用新型的一体化门机直驱装置结构示意图。

图3是本实用新型的高速ARM处理器的模块框图。

图4是本实用新型的行程自记忆模式门宽检测与防夹控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型由一体化门机直驱装置1、矢量控制器2和功率变换器3组成。

矢量控制器2包括高速ARM处理器2.1、AD2S1200旋转变压器解码模块2.2、开关信号接口模块2.3以及隔离驱动模块2.4。旋转变压器解码模块2.2的一端与旋转编码器信号线4连接，旋转变压器解码模块2.2的另一端与高速ARM处理器2.1的一个输入端连接，开关信号接口模块2.3的输出端连接在高速ARM处理器2.1的另一个输入端，高速ARM处理器2.1的输出端连接在隔离驱动模块2.4的输入端，隔离驱动模块2.4的输出端连接在功率变换器3上。

功率变换器3包括连接在220V交流电输入端的整流桥式电路3.1，在整流桥式电路3.1的两个输出端并联滤波电容C，在滤波电容C的两端连接三相功率逆变器3.2，三相功率逆变器3.2分别与一体化门机直驱装置1、矢量控制器2连接。在滤波电容C与三相功率逆变器3.2之间设置电流传感器3.3。

如图2所示，在一体化门机直驱装置1中，永磁直驱电机转子1-3和信号检测器转子1-5分别安装于壳体1-1内的直驱装置转轴1-6上，永磁直驱电机定子1-2和信号检测器定子1-4分别安装于壳体1-1内，并使永磁直驱电机转子1-3和永磁直驱电机定子1-2相互配合；信号检测器转子1-5和信号检测器定子1-4相互配合形成旋转变压。壳体1-1外还集成有辐射状散热片1-7。在信号检测器转子1-5和信号检测器定子1-4上分别连接旋转编码器信号线。一体化门机直驱装置1可以给永磁同步电机的励磁绕组施加一定频率的正弦激励信号时，其旋转变压器输出绕组电压幅值与其转子角度呈正弦和余弦函数关系，并送入AD2S1200解码模块2.2对其所产生的数据进行解码运算，从而得到永磁同步电机的角度和位置信号。

如图3所示，矢量控制器2的高速ARM处理器2.1包括SVPWM细分与优化控制模块2.1.5、行程自记忆模式门宽检测模块2.1.2、位置速度计算模块2.1.1和电机速度S曲线控制模块2.1.4，旋转变压器解码模块2.2的输出端连接在位置速度计算模块2.1.1的输入端，位置速度计算模块2.1.1的输出端分别连接电机速度S曲线控制模块2.1.4和行程自记忆模式门宽检测模块2.1.2，开关信号接口模块2.3的一个输出端通过指令处理模块2.1.6与电机速度S曲线控制模块2.1.4连接, 开关信号接口模块2.3的另一个输出端连接在行程自记忆模式门宽检测模块2.1.2的输入端，电机速度S曲线控制模块2.1.4的输出端连接在SVPWM细分与优化控制模块2.1.5的输入端。

电流传感器3.3的信号输出端通过过流保护模块2.1.7与SVPWM细分与优化控制模块2.1.5连接。

整个矢量控制器2还设有供电电路2.5。

整流桥式电路3.1将输入的交流整流后变为直流，为三相功率逆变器3.2提供直流侧电压。矢量控制器2使用AD2S1200旋转变压器解码模块2.2为旋转变压器提供激励信号，将检测到的旋转变压器的输出信号转换为能够反映永磁同步电机转子位置和速度的数字量信息，高速ARM处理器2.1在采集该数据基础上，通过开关信号接口模块2.3获取开关门指令以及检测各种继电器和光电传感器的有关当前门的状态信息。

SVPWM细分与优化控制模块2.1.5使用圆形电压空间矢量轨迹的内接正6*n(n=1,2,3,4,……)边形代替圆形电压空间矢量轨迹，将圆形电压空间矢量轨迹等分成6*n份，再计算出所述内接多边形每条边上的开关状态及该状态的作用时间，由此生成与SVPWM调制方式对应的开关状态时间表格，再将其存储到FPGA中， FPGA根据指令通过计算生成所需要的细分与优化的SVPWM调制信号，输出给隔离驱动模块2.4，再通过三相功率逆变器3.2实现对一体化门机直驱装置1的SVPWM精确控制。

运用行程自记忆模式门宽检测程序，高速ARM处理器2.1通过开关信号接口模块2.3不间断检测开门极限信号，当检测到门已全部打开时记录下电机转子的位置，然后控制门机工作在关门方式，AD2S1200旋转变压器解码模块2.2通过旋转编码器连接线4将解码信号送入，高速ARM处理器2.1的位置速度计算模块2.1.1，对由此获得的位置与速度变化量进行累加直至门完全关闭，从而获得门机的总行程，并据此根据电机速度S曲线控制模块2.1.4设定的S曲线计算出在不同门宽条件下，电机在开关门行程中各个位置的速度值。在正常运行模式下，根据检测到的开、关门信号，通过自适应控制算法将电机从当前位置的转速控制到上述计算得到的目标转速，就实现了不同门宽条件下的开关门S曲线的速度匹配控制，使其适用于不同宽度和开门方式的门机驱动与控制系统，使其适用于不同宽度和开门方式的门机系统。另外，在关门时高速ARM处理器2.1根据检测到的光幕传感器与阻力传感器信号实现门机的防夹安全措施。其流程图如图4所示。

Claims (7)

1.一体化门机直驱与矢量控制装置，其特征在于由一体化门机直驱装置、矢量控制器和功率变换器组成，所述功率变换器的输出端连接在一体化门机直驱装置的输入端，所述一体化门机直驱装置的输出端通过旋转编码器信号线连接在矢量控制器的输入端，所述矢量控制器的输出端连接在功率变换器上。

2.根据权利要求1所述一体化门机直驱与矢量控制装置，其特征在于所述一体化门机直驱装置包括在壳体上设置的转轴，在壳体内的转轴上连接永磁直驱电机转子，在壳体内固定与所述永磁直驱电机转子配合的永磁直驱电机定子，在壳体内的转轴上连接信号检测器转子，在壳体内固定与所述信号检测器转子配合的信号检测器定子，在所述信号检测器转子和信号检测器定子上分别连接旋转编码器信号线。

3.根据权利要求2所述一体化门机直驱与矢量控制装置，其特征在于所述矢量控制器包括高速ARM处理器、旋转变压器解码模块、开关信号接口模块以及隔离驱动模块，所述旋转变压器解码模块的一端与旋转编码器信号线连接，旋转变压器解码模块的另一端与高速ARM处理器的一个输入端连接，开关信号接口模块的输出端连接在高速ARM处理器的另一个输入端，高速ARM处理器的输出端连接在隔离驱动模块的输入端，所述隔离驱动模块的输出端连接在功率变换器上。

4.根据权利要求3所述一体化门机直驱与矢量控制装置，其特征在于所述高速ARM处理器包括SVPWM细分与优化控制模块、行程自记忆模式门宽检测模块、位置速度计算模块和电机速度S曲线控制模块，旋转变压器解码模块的输出端连接在位置速度计算模块的输入端，位置速度计算模块的输出端分别连接电机速度S曲线控制模块和行程自记忆模式门宽检测模块，开关信号接口模块的输出端分别连接在电机速度S曲线控制模块和行程自记忆模式门宽检测模块的输入端，电机速度S曲线控制模块的输出端连接在SVPWM细分与优化控制模块的输入端。

5.根据权利要求4所述一体化门机直驱与矢量控制装置，其特征在于所述开关信号接口模块的输出端通过指令处理模块与电机速度S曲线控制模块连接。

6.根据权利要求1所述一体化门机直驱与矢量控制装置，其特征在于所述功率变换器包括连接在交流电输入端的整流桥式电路，在所述整流桥式电路的两个输出端并联滤波电容，在所述滤波电容的两端连接三相功率逆变器，所述三相功率逆变器分别与一体化门机直驱装置、矢量控制器连接。

7.根据权利要求6所述一体化门机直驱与矢量控制装置，其特征在于在所述功率变换器的滤波电容与三相功率逆变器之间设置电流传感器，所述电流传感器通过过流保护模块与SVPWM细分与优化控制模块连接。

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