CN204492623U - 快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，包括开关电源模块、电机位置检测模块、电机电流检测模块、控制模块、电机驱动逆变桥、交流永磁同步电机、减速机、卷轴传动机构；开关电源模块的输入端连接有电源，开关电源模块的输出端连接控制模块的供电输入端和电机驱动逆变桥的供电输入端，控制模块的信号输出端连接电机驱动逆变桥信号输入端，电机驱动逆变桥的输出端连接交流永磁同步电机，交流永磁同步电机输出端连接减速机，减速机输出端连接卷轴传动机构。本实用新型采用正弦波驱动电机，转矩脉动小、速度控制更平稳精准，控制卷轴传动机构带动门帘或门板的上升开门、下降关门过程的启动、运行、停止时的加、减速曲线平稳。

Description

快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统

技术领域

本实用新型属于快速门的机电控制技术领域，具体涉及一种快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统。

背景技术

现有快速门(或快卷门)的驱动控制系统一般采用可编程逻辑控制器PLC、通用变频器和三相交流异步电机组成；系统由可编程逻辑控制器PLC接收外部控制和反馈信号，通过计算后控制变频器驱动三相交流异步电机带动卷轴运动。这种驱动方式，速度响应慢、速度变化不平滑、调速范围小、系统组成复杂。速度响应慢造成快速门的开启、关闭响应慢；速度变化不平滑造成快速门开启关闭时对整个机械传动结构的冲击比较大，降低使用寿命；调速范围小造成快速门的运行速度不够快，影响使用者的使用效率；系统组成复杂，有多个单独部件拼凑而成，容易受到外部干扰，造成整个驱动系统的工作不稳定。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种快速门运行平稳，对电机和机械传动机构冲击感小，遇障碍物停机或反转迅速的快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统。

为实现上述目的，本实用新型提供的快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，包括开关电源模块、电机位置检测模块、电机电流检测模块、控制模块、电机驱动逆变桥、交流永磁同步电机、减速机、卷轴传动机构；所述开关电源模块的输入端连接有电源，所述开关电源模块的输出端连接控制模块的供电输入端和电机驱动逆变桥的供电输入端，所述控制模块的信号输出端连接电机驱动逆变桥的信号输入端，所述电机驱动逆变桥的输出端连接交流永磁同步电机的输入端，所述交流永磁同步电机输出端连接减速机的输入端，所述减速机的输出端连接卷轴传动机构的输入端；所述电机驱动逆变桥的电机相电流信号输出端连接电机电流检测模块的输入端，所述电机电流检测模块的输出端连接控制模块的输入端；所述交流永磁同步电机的电机转子位置信号输出端连接电机位置检测模块的输入端，所述电机位置检测模块的输出端连接控制模块的输入端。

在上述技术方案中，所述控制模块通过IO接口或RS485/RS232通讯接口接收的开门或关门控制命令、转子位置信号、电机电流信号后输出驱动信号至电机驱动逆变桥的驱动信号输入端。

在上述技术方案中，所述电机驱动逆变桥的电源信号输入端连接开关电源模块的310V直流电压输出端。

在上述技术方案中，所述电机驱动逆变桥的输出端连接到交流永磁同步电机的U、V、W相。

在上述技术方案中，所述交流永磁同步电机的转子通过减速机与卷轴传动机构连接，控制卷轴的正转、反转从而实现门帘或门板的上升开门、下降关门。

在上述技术方案中，所述交流永磁同步电机的电机转子位置传感器为霍尔元件位置传感器或电磁式位置传感器或光电式位置传感器。

在上述技术方案中，所述电机电流检测模块的电流检测模块为桥臂电阻采样模块或霍尔效应电流互感器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：整个系统在上升开门或下降关门过程中采用区段的曲线速度设定，在启动阶段采用较低的启动速度，使启动机械冲击较小；在中间运行阶段，采用较高的运行速度加快整个开门或关门过程的时间；在缓停阶段，采用较低的缓停速度，使道门帘或门板停止平稳减小机械冲击。在整个运行过程中速度变化都是连续的，如果发生阻碍，控制系统为了达到既定的运行速度会快速增大驱动电机的工作电流，从而有一个电流突变的过程，控制模块通过电机电流检测模块检测到该过程即可判定门在运行过程中碰到阻碍，系统自动停止工作或反转，起到保护作用。

本实用新型采用开关电源和控制系统一体化设计，体积更小更稳定，采用正弦波驱动电机，转矩脉动小、速度控制更平稳精准，控制快速门在启动、运行、停止时的加、减速曲线平稳。

附图说明

图1是本实用新型快速门交流永磁同步伺服电机控制系统的结构示意图；

图2是本实用新型的交流永磁同步电机(6)的磁场定向控制控制策略图；

图3是本实用新型的电机驱动逆变桥(5)主要由六个绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成结构图；

图4是本实用新型的电机驱动逆变桥(5)的六种状态中每一状态间旋转60度电角度的基本矢量示意图；

图5是本实用新型的电机驱动逆变桥(5)的基本矢量合成新的空间电压矢量Vsref的合成示意图；

图6是本实用新型的卷轴传动机构(8)在带动门帘或门板上升、下降过程中速度采用S曲线设置示意图；

图中：1—开关电源模块；2—电机位置检测模块；3—电机电流检测模块；4—控制模块；5—电机驱动逆变桥；6—交流永磁同步电机；7－减速机；8—卷轴传动机构；21—参考速度；22—PI控制器；23—Clarke变换；24—Park变换；25—Park逆变换；26—空间矢量脉宽调制算法；27—310V直流母线电压。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步描述本实用新型的技术方案。

如图1所示的快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，包括开关电源模块1、电机位置检测模块2、电机电流检测模块3、控制模块4、电机驱动逆变桥5、交流永磁同步电机6、减速机7、卷轴传动机构8；开关电源模块1的输入端连接有电源，开关电源模块1的输出端连接控制模块4的供电输入端和电机驱动逆变桥5的供电输入端，控制模块4的信号输出端连接电机驱动逆变桥5的信号输入端，电机驱动逆变桥5的输出端连接交流永磁同步电机6的输入端，交流永磁同步电机6输出端连接减速机7的输入端，减速机7的输出端连接卷轴传动机构8的输入端；电机驱动逆变桥5的电机相电流信号输出端连接电机电流检测模块2的输入端，电机电流检测模块2的输出端连接控制模块4的输入端；交流永磁同步电机6的电机转子位置信号输出端连接电机位置检测模块3的输入端，电机位置检测模块3的输出端连接控制模块4的输入端。

控制模块4通过IO接口或RS485/RS232通讯接口接收的开门、关门或停止控制命令、转子位置信号、电机电流信号后输出驱动信号至电机驱动逆变桥5的驱动信号输入端。电机驱动逆变桥5的电源信号输入端连接开关电源模块1的310V直流电压输出端。电机驱动逆变桥5的输出端连接到交流永磁同步电机6的U、V、W相。

交流永磁同步电机6的转子通过减速机7与卷轴传动机构8连接，控制卷轴传动机构8的正、反转动作。交流永磁同步电机6的电机转子位置传感器可为霍尔元件位置传感器或电磁式位置传感器或光电式位置传感器。电机电流检测模块3的电流检测模块为桥臂电阻采样模块或霍尔效应电流互感器。

系统接入单相220V交流电压，通过开关电源1转为交流永磁同步电机工作所需的310V直流母线电压，以及控制电路需要的其它直流电压。

快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统工作过程如下：

①：控制模块4通过IO口或RS485/RS232通讯接口接收上位机或遥控器发出的开门上升命令；

②：电机位置检测模块2检测交流永磁同步电机6的转子位置信息和电机电流检测模块3检测交流永磁同步电机6的相电流输入到控制模块4；

③：控制模块4根据预设的开门运行速度0.5m/s～1.5m/s，采用磁场定向FOC控制策略，使用空间矢量脉宽调制SVPWM算法，输出6路PWM信号给电机驱动逆变桥5；

④：电机驱动逆变桥5的六个绝缘栅双极晶体管IGBT根据6路PWM信号开启或关闭，驱动交流永磁同步电机6正向转动；

⑤：交流永磁同步电机6的转动通过减速机7带动卷轴传动机构8正转带动门帘或门板上升；

⑥：在运行到开门动作总行程的0～20％时，控制模块4根据预设的开门速度1.5m/s～3m/s进行加速并保持该速度；

⑦：在运行到开门动作总行程的60～80％时，控制模块4根据预设的开门速度0.2m/s～1m/s进行减速，并在完成全部开门行程时逐步减速到0，完成开门动作；

⑧：控制模块4通过IO口或RS485/RS232通讯接口接收上位机或遥控器发出的关门下降命令；

⑨：电机位置检测模块2检测交流永磁同步电机转子位置信息和电机电流检测模块3检测交流永磁同步电机6的相电流输入到控制模块4；

⑩：控制模块4根据预设的开门运行速度0.5m/s～1.5m/s，采用磁场定向FOC控制策略，使用空间矢量脉宽调制SVPWM算法，输出6路PWM信号给电机驱动逆变桥5；

电机驱动逆变桥5的六个绝缘栅双极晶体管IGBT根据6路PWM信号开启或关闭，驱动交流永磁同步电机6反向转动；

交流永磁同步电机6的转动通过减速机7带动卷轴传动机构8反转带动门帘或门板下降；

在运行到关门动作总行程的0～20％时，控制模块4根据预设的关门运行速度1.5m/s～3m/s进行加速并保持该速度；

在运行到关门动作总行程的60～80％时，控制模块4根据预设的关门运行速度0.2m/s～1m/s进行减速，并在完成全部关门行程时逐步减速到0，完成关门动作。

具体为：控制模块4接收外部开门或关门控制信号根据电机位置反馈信号、电机电流反馈信号，采用磁场定向(FOC)控制策略，使用空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法，输出6路PWM信号给电机驱动逆变桥5。磁场定向控制控制策略见图2，通过电机位置检测模块2获得转子位置计算当前电机转子转速，和输入的参考速度21通过速度环PI控制器22得到定子电流参考输入iSqref。通过电机电流检测模块采样的电机定子相电流ia和ib，然后用Clarke变换23将它们转换到定子两相坐标中，再使用Park变换24将它们转换到d-q旋转坐标系中。用d-q旋转坐标系中的电流信号在和它们的参考输入iSqref和iSdref相比较，通过电流环PI控制器22获得控制量。控制量信号再进行Park逆变换25获得空间矢量脉宽调制算法26的输入量。最后通过空间矢量脉宽调制算法26得到三相电机3对上下桥臂的脉宽调制信号输入给电机驱动逆变桥5。电机驱动逆变桥5根据3对上下桥臂的脉宽调制信号连接到310V直流母线电压27驱动交流永磁同步电机6。外环速度环产生了定子电流的参考值，内环电流环得到实际控制信号，从而构成一个完整的速度FOC双闭环系统。

电机驱动逆变桥5主要由六个绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成(如图3所示)，U相上桥臂开关Q1、U相下桥臂开关Q2、V相上桥臂开关Q3、V相下桥臂开关Q4、W相上桥臂开关Q5、W相下桥臂开关Q6。控制模块4输出的6路PWM信号分别控制这六个开关，三相逆变桥的每相输出有两种状态，一种为上桥臂导通逆变桥输出连接到310V直流母线电压，另一种是下桥臂导通逆变桥输出连接到电源负极，在电机运行时同相的上、下桥臂的开关在任一时刻导通、关断状态正好相反，所以只需3个上桥臂的开关的状态来描述逆变桥的工作状态即可，上桥臂功率开关器件导通状态用“1”表示，关断状态用“0”表示，所以3相共有8种状态。其中Q1、Q3、Q5全导通或全关断时电机任一相绕组两端不存在电压差，在SVPWM星型图中为原点，既0矢量位置，其它六种状态为每一状态间旋转60度电角度的基本矢量，如图4所示。在空间矢量脉宽调制中，使用相邻两个基本矢量的组合来表示任意的空间矢量电压。在图5中，Vsref由V4(100)，V6(110),V0(000)，V7(111)组合而成，四种开关状态相应的作用时间为T4，T6，T0；空间矢量电压Vsref＝(T4*V4+T6*V6)/T，其中T是电压空间矢量Vsref的作用时间；得到图2中的Usαref和Usβref的值就获得了生成新的电压矢量所需的基本电压矢量的作用时间，从而获得了新的电压矢量Vsref。正转时，扇区的顺序为Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ→Ⅰ；反转时，扇区的顺序为Ⅵ→Ⅴ→Ⅳ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅰ→Ⅵ。

交流永磁同步电机6被电机驱动逆变桥5驱动实现正、反转功能，从而带动卷轴传动机构8正、反转，实现开门、关门动作。

整个系统在开门或关门过程中采用S曲线速度设定(如图6所示)，在启动阶段，总行程的0～20％，采用较低的启动速度控制门帘或门板的运行速度为0.5m/s～1.5m/s，使启动机械冲击较小；在中间运行阶段，总行程的60％～80％，采用较高的运行速度控制门帘或门板的运行速度为1.5m/s～3m/s加快整个开门或关门过程的时间；在缓停阶段，总行程的剩余部分，采用较低的缓停速度控制门帘或门板的运行速度为0.2m/s～1m/s，使门帘或门板停止平稳减小机械冲击。在整个运行过程中速度变化都是连续的，如果发生阻碍，控制系统为了达到既定的运行速度会快速增大驱动电机的工作电流，从而有一个电流突变的过程，控制模块4通过电机电流检测模块3检测到该过程即可判定门帘或门板在运行过程中碰到阻碍，系统自动停止工作或反转，起到保护作用。

Claims (7)

1.一种快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，其特征在于：包括开关电源模块(1)、电机位置检测模块(2)、电机电流检测模块(3)、控制模块(4)、电机驱动逆变桥(5)、交流永磁同步电机(6)、减速机(7)、卷轴传动机构(8)；

所述开关电源模块(1)的输入端连接有电源，所述开关电源模块(1)的输出端连接控制模块(4)的供电输入端和电机驱动逆变桥(5)的供电输入端，所述控制模块(4)的信号输出端连接电机驱动逆变桥(5)的信号输入端，所述电机驱动逆变桥(5)的输出端连接交流永磁同步电机(6)的输入端，所述交流永磁同步电机(6)输出端连接减速机(7)的输入端，所述减速机(7)的输出端连接卷轴传动机构(8)的输入端；

所述电机驱动逆变桥(5)的电机相电流信号输出端连接电机电流检测模块(2)的输入端，所述电机电流检测模块(2)的输出端连接控制模块(4)的输入端；所述交流永磁同步电机(6)的电机转子位置信号输出端连接电机位置检测模块(3)的输入端，所述电机位置检测模块(3)的输出端连接控制模块(4)的输入端。

2.根据权利要求1所述的快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，其特征在于：所述控制模块(4)通过IO接口或RS485/RS232通讯接口接收的开门或关门控制命令、转子位置信号、电机电流信号后输出驱动信号至电机驱动逆变桥(5)的驱动信号输入端。

3.根据权利要求1或2所述的快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，其特征在于：所述电机驱动逆变桥(5)的电源信号输入端连接开关电源模块(1)的310V直流电压输出端。

4.根据权利要求3所述的快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，其特征在于：所述电机驱动逆变桥(5)的输出端连接到交流永磁同步电机(6)的U、V、W相。

5.根据权利要求4所述的快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，其特征在于：所述交流永磁同步电机(6)的转子通过减速机(7)与卷轴传动机构(8)连接，控制卷轴的正转、反转从而实现门帘或门板的上升开门、下降关门。

6.根据权利要求4所述的快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，其特征在于：所述交流永磁同步电机(6)的电机转子位置传感器为霍尔元件位置传感器或电磁式位置传感器或光电式位置传感器。

7.根据权利要求1所述的快速门的交流永磁同步伺服电机控制系统，其特征在于：所述电机电流检测模块(3)的电流检测模块为桥臂电阻采样模块或霍尔效应电流互感器。