（机械电子工程专业论文）冷藏库门运动控制器的研制与开发.pdf

南京理工大学硕士学位论文 冷藏库门运动控制器的研制与开发 摘要 随着中国制冷 亍业的环保化、节能化进程的不断推进，对相关冷冻设备提出了更 高的性能要求。作为中国制冷行业电动冷藏库门制造的骨干企业，江苏省海门市雪盾 冷冻设备有限公司和南京理工大学合作，以其d d l m 系列电动冷藏库门为基础开发 配套的先进运动控制器，使其产品的节能性、安全性和易操作性能够得到较大的提高， 使产品更具有市场竞争力。 本文在充分研究原先产品的不足和厂家提出的新功能要求的基础上，完成了对新 控制器系统硬件及软件的设计工作。新控制器由数字信号处理器d s p i c 3 0 f 4 0 1 l ( d s p ) 、a t m e g a 系列a v r 单片机以及专业无线通信芯片n r f 2 4 0 1 等众多的先进 芯片组成，应用正弦脉宽调制技术( s p w m ) 实现冷藏库门的交流变频调速控制，大 大提高了冷库门运行时的速度和稳定性，同时解决了原先使用传统的继电接触器控制 方法带来的高噪音、大冲击力等问题。再者，系统应用电流和速度两种检测技术监控 电机，实现了门的双重防轧功能，保证了冷库门运行操作的安全性。最后，系统运用 短距离数据无线传输技术实现了对冷库门的遥控操作以及一只遥控器控制多门的功 能，易操作性得到提升。 设计的冷库门运动控制器由主控制器和遥控器两部分组成，系统经过多次实际现 场调试和试运行，测试结果表明：系统具有运行速度快、防轧功能稳定可靠、遥控器 简单易操作等特点，基本达到了预期的功能及性能要求，实现了课题研究的预期目标。 本文的研究和设计工作可以在小功率交流电机调速系统的设计、应用中得到进一 步推广和深入的研究。 关键词：冷库门s p w m 交流变频d s p i c 3 0 f 4 0 1 la v r 单片机n r f 2 4 0 1 南京理工大学硕士学位论文 玲藏痒门运动控制器的研制与开发 a b s t r a c t w i t ht h es t a n d i n ge n v i r o n m e n t - p r o t e c t i v ea n de n e r g y - s a v i n gp r o g r e s so fc l l i n e 辩 r e f r i g e r a t i o ni n d u s t r y , i tp u t sf o r w a r dl l i g h e rp e r f o r m a n c er e q u e s tf o rr e f r i g e r a n te q u i p m e n t a sap r i m a r ym a n u f a c t o r yo fc h i n e s ee l e c t r i cr e f r i g e r a t o r yg a t e ，x u e d u nc o m p a n yi nt h e c i t yo fh a i m e ni nj i a n g s up r o v i n c e c o o p e r a t e d 、i 也n a n j i n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ，p l a n e df o ri n v e s t i g a t i n gr e l e v a n ta d v a n c e dm o v e m e mc o n t r o l l e rb a s e do ni t s t y p i c a lp r o d u c tn a m e dd d l me l e c t r i cr e f r i g e r a t o r yg a t e ，t h en e wc o n t r o l l e rw i l lp u l lt h e c h a r a c t e r i s t i co fe n e r g y s a v i n g ，s e c u r i t ya n de a s y o p e r a t i o nu pt oan e wa l t i t u d e ，a n dt h a t w i l la l s om a k et h ep r o d u c tm o r ec o m p e t i t i v e 确et h e s i sh a sf i n i s h e dt h ed e s i g no ft h en e wc o n t r o l l e r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e b a s e do ns u f f i c i e n ts t u d yo nt h es h o r t a g e so ft h eq u o n d a m p r o d u c ta n dt h en e w c o n t r o l l e r c o n s i s t so fm a n ya d v a n c e dc h i p ss u c ha sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s p i c 3 0 f 4 0 1l ，a t m e g a m c u ( a v r ) p r o f e s s i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i pl l i i 霉2 4 0 la n ds oo n t h en e w c o n t r o l l e ra p p l i e st h et h e o r yo fs i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) t oa c h i e v et h e a cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t yc o n t r o l ，t h em e t h o dn o to n l yh e i g h t e n st h er u n n i n g s p e e da n ds t a b i l i t y ，b u ta l s os o l v e st h ep r o b l e ms u c ha sn o i s ea n dc o n c u s s i o nw h i c ha r e b r o u 曲tb yu s i n gt r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o db a s e do nr e l a y s m e a n w h i l e ，t h ec o n t r o l s y s t e ma p p l i e sd o u b l ei n s p e c t i o ng r o u n do nc u r r e n ta n dv e l o c i t yt o a c t u a l i z ea u t o a n t i - e x t r u s i o na n dm e e tt h en e e df o rs e c u r i t y f u r t h e r m o r e ，t h en e wc o n t r o l l e rm a k e sn s e o ft h es h o r t - h a u lb i d i r e c t i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt or e a l i z et h er e m o t e c o n t r o lo f t h er e f r i g e r a t o r yg a t ea n dt h ef u n c t i o no f o n e - c o n t r o l l e r - f o r - m u l t i - g a t e 。 t h en e wr e f r i g e r a t o r yg a t ec o n t r o l l e rc o m p o s e so ft w o 、p a r t s ：m a i nc o n t r o l l e ra n d r e m o t ec o n t r o l l e r b ya c t u a ls p o td e b u g g i n gt i m ea f t e rt i m e ，t h et e s t i n gr e s u l tr e v e a l st h a t t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i 【g hr u n n i n gs p e e d ，r e l i a b l ea n t i - e x t r u s i o na sw e l la s t h ef u n c t i o no fe a s yt oo p e r a t e t h es y s t e mh a sb a s i c a l l yr e a c h e dt h ef u n c t i o na n d p e r f o r m a n c ed e m a n da se x p e c t e d ，a sw e l la sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dt a r g e to f t h er e s e a r c h t h er e s e a r c ha n dd e s i g nt a s ko ft h et h e s i sm a yg a i nf b r t h e re x t e n s i o na n di n - d e p t h r e s e a r c hi nt h ea p p l i c a t i o nf i e l do fl o wp o w e ra cm o t o rv e l o c i t yc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：r e f r i g e r a t o r yg a t e s p w ma cf r e q u e n c yc o n v e r s i o nd s p i c 3 0 f 4 0 11 a v rl l l u 强4 0 l i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名： - m 7 年7 月7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 乎争 p 叮年7 ，月7 日 鬻裒理互大学硬士学经 垂文 冷藏痒f 1 运动控瓤器抟静 糕与开发 1 绪论 1 1 课题背最 浚苏省海门市霉藩冷冻设备畜袋公司愚家专娥生产备型冷麾专用心的审，j 、黧 企业，其生产的冷库门产品肖电动门、平移门、题力门等，因其品种多、质纛好，受 到广大舞户瀚膏昧和镰往，魏在镶慧囊不酝土舞，产菇密盈卞锺个黧家帮蠢蠡嚣，在嚣 内已经在诸如紫牛、江苏三鸿、南京隔润等大型企业和诸多超市中使用，公阋在全围 十咒令省市设麓了营销点秘缀修串心。箕焉户速及全蘧各地。 辫盾冷冻设备有限公司拥有几十年从事冷库门生产的经验，该公司是中豳制冷协 会会爱，参与剿订? 审鋈澍冷褥盘嚣鬻家撂猴，在行娆内其奔一定赘彰镌力。霉露公 司不满足于当前的业缵，力求薏l 【变冷库门十几年来一成不变的控制方式，研制一种舆 毒耨擞控裁方式豹繁黢、安金、蔌逮、蹇兼容缝鹃冷痒门运翡控裁系统敷霞嚣盏不裁 适应用户新要求的现肖系统。 零潆题掰设诗熬冷瘴羹逡魂控割嚣蕤是露衰理夏大学岛鬟螽冷冻设备骞鞭公裁 合作，根据霹盾公司提出的具体要求，为其生导产品d d l m 蒜列电动冷库门设计即丽 黪黟攘广到联囊f j 产懿爨耘壤模叛型控割嚣，其骞交频调速、鲁动黔转嚣遥控操终等 诸多先进功能。该智能控制器的实际嫩产运行将标志糟雪盾冷冻设备有限公阋将成为 嚣蠹娩器第一家将变频调速成惩子冷瘴门控划系统孛骢企业。 1 2 冷库门控制系统发展现状 1 2 1 雷内发展状况 秘翦匿蠹生产豹冷痒门多为萃冀梳控制交流接融器壹接舞动力线联接，腐动薛冷 击大，冷库门钷运行豹过程中没有进彳亍调速撩制，因此对电网有很大的冲击，再有由 于没裔迸行对禊电线路的滤波，毫耩巾存在静较多杂波使襻龟梳运雩亍时臻啻较大，速 度变化也较大。不节熊、不环保，用户舒适感较差。强实际的应用中，当有障碍物或 臻俸入费壅臻程门运符静路稳上被门失往嚣，赛予f j 浚骞謇渤蓬涮簖夹珐麓，毫瓤依 旧会带动门持续挤压授夹住的障碍物戴操作人员，造成对门和其他物体的破坏、对操 作夫受鳇夭赛伤害，蠢辩蓑至造藏秃法挽舀懿矮失。爨羚，蠢予毫溺频率一霆，控制 器没礴调频功能，制约了冷库门运行速度的提升目前冷库门的运行遮度多为 2 0 0 3 0 0 m m s 发表。 i 2 。2 强步 发嶷状况 圈外生产的同类型的冷席门控制器的中央控制帮元为先进的电机控制帮用单琦 南京理工大学硕士学位论文 冷藏库门运动控制嚣的研制与开发 机或数字信号处理器( d s p ) ，多数芯片本身自带脉宽调制( p w m ) 输出口。控制器本身电 路复杂，处理速度快，功能完善。控制方案采取交流调速使冷库门的起停特性曲线科 学、能控，运行速度高( 多为8 0 0 m m s 以上) ，更加环保、舒适、节能，并大大增加了 冷库门的利润空间。另外，自动舫轧功能的广泛应用也使得操作更加安全，事故率大 大下降。 一 总部位于美国威斯康辛州密尔沃基市的瑞泰公司( r i t e h i t ec o r p o r a t i o n ) 是全 美数一数二的冷库门产品生产商，其出口的i s o - t e k 系列冷库门( 型号8 6 0 0 ) ，高速 开关和优质密封的特性使其成为独一无二的高效冷库门，其开启速度达到每秒 2 1 3 c m ，关闭速度每秒5 1 c m ，速度优势非常明显。该系列冷库门可以提供全高度视野 和物料的快速进出。另外，7 c m 厚的泡沫塑料内芯门板提供有效隔绝，抗撞击门板减 少了维修和停工时间，独特的互锁门封斜面门楣设计在门底形成优良的密封，同时减 少门磨损简洁的外形设计节省了地面空间。 欧洲最大的冷库门生产供应商丹麦的d a n - d o o r s 公司，其冷冻冷藏痒门产品一向 以密封性好，坚固、耐用而蜚声业界。“丹中”冷库门的开门速度也达到每秒1 6 0 c m 以上，凭其良好的品质，7 0 产品销往全球8 0 多个国家，在全世界拥有大批忠实用 户，而且名单还在不断的增长：麦当劳、雀巢、联合利华、家乐福、亨氏、德士古、 香港机场货运中心、大韩航空等。2 0 0 1 年，d a n - d o o r s 公司在中国成立“丹中( 广州) 工业门有限公司”，在广州设厂生产食品工业门。母公司的各项专有技术与生产工艺 也全部移檀于丹中( 广州) 有限公司，以确保产品的各项性能同样达到最严格的欧洲 工业标准。在中国，目前已有多家大型集团企业采用“丹中”门，如上海浦东机场货 运中心、山东烟台冰轮股份有限公司、广州新白云国际机场、烟台海杰食品有限公司、 汕头海霸王国际集团、广州黄埔澳联冷库、大连华联食品有限公司、无锡欧尚超级市 场、上海彦和良生物科技公司等。 1 2 3 雪盾电动冷库门概况 雪盾牌系列冷藏门、保温门按照国标g b - 0 4 j 6 1 0 的要求。采用玻璃钢全封闭框架， 不锈钢或彩钢板、防锈铝板、玻璃钢胶衣平板等作面板，高压灌注聚氨酯作隔热、保 温，耐低温、耐老化橡胶作密封件。电动门设有遥控或手动启闭、任意位置启闭，手 动离合或电磁离合手动开门，库内卸锁逃生，p t c 恒温电缆作门的防冻，解决了库门 笨重、吸潮、变形、冷侨、密封件龟裂、门面板凹凸、脱壳、电加热不可靠、气密门 不气密及产品功能故障等诸多问题。 霉盾牌库门广泛适用予土混结构或装配结构的冷藏库、速冻库、气调库、恒温车 间、物流中心以及军工、工业用试验库等。 对冷库门运动控制器的设计主要是针对雪盾牌d d l m 系列电动冷藏库门进行的， 2 南京理工大学硕士学位论文冷藏库门运动控制嚣的研制与开发 本系列库门适用于库房温度不低于- 4 0 、空气相对温度不大于8 0 的土混结构或组 合结构的速冻库、冷藏库、恒温库且货物进出需实行机械化操作的库房或车间。这一 系列库门的主要特点如下： 库内卸锁逃生装置： 停电手动开门装置； 电动启闭，省时、省力、省能： 电动机功率：0 4 k w 、1 3 8 0 转分、5 0 h z 、3 8 0 v ； 总功率( 含风幕、电加热) ：2 k w ； 门关闭后，不透光、不结露； 启闭速度：0 2 m s ； 电加热器：3 6 v ，3 0 w m , 传动方式：滚子链传动； 调速方式：无。 1 3 课题的研究内容及目标 课题组以高校和地方企业合作进行科技创新为背景，通过与海门市雪盾冷冻设备 有限公司的相关技术人员的密切交流和合作，力求研制出让企业满意、具有自主知识 产权的国内一流的先进冷库门运动控制器。 在研究设计的过程中，我们始终做到从企业的观点出发，对于企业从用户收集信 息从而提出的各种功能要求，我们都将其考虑到我们的设计中来，力求使我们开发的 运动控制器功能更加地完善、贴近实际需求。 本课题主要研究内容分为以下几个部分： ( 1 ) 冷藏库门智能控制系统的方案论证与总体设计，主要包含： 控制系统需求( 功能、信息、性能等) 分析 控制系统的总体方案设计 ( 2 ) 冷藏库门智能控制系统的硬件设计与开发，主要包含： 传感检测元件设计 电气控制线路设计 主控制器及弱电系统硬件设计与开发 ( 3 ) 冷藏库门智能控制系统的软件设计与开发，主要包含： 冷库门系统启闭参数设定模块设计与开发 冷库门系统集中控制与远程遥控模块设计与开发 冷库门系统运行实时数据采集与处理模块设计与开发 冷库门系统运行监测、诊断与报警处理模块设计与开发 3 南京理工大学硕士学位论文 冷藏库门运动控制器的研制与开发 冷库门系统诊断人机界面模块设计与开发 冷库门系统运行历史数据记录模块设计与开发 ( 4 ) 系统综合集成、安装、调试与运行，主要包含： 机、电、传感器等硬软件综合集成 样机系统安装调试与试运行 1 4 论文的组织结构 本学位论文以冷库门智能运动控制器为研究对象，将其需要的功能予以分解，独 立分析其理论可行性、硬件组成原理、软件程序设计，最后将硬件和软件予以集成形 成样机在实际的冷库门上进行联调并给予改进。论文根据设计工作的实际进展情况， 将具体研究内容展开。 全文分为七章，各章内容安排如下： 第l 章：简要介绍了课题研究的背景和意义，分析了国内外冷库门相关控制技术 领域的应用现状，确立了课题的研究内容和目的，阐述了论文的结构安排。 第2 章：对冷库门运动控制器总体控制要求进行了比较分析，进行了相关的方案 论证并确定了系统组成方案，接着针对控制方案进行了关键器件的选型并设计了系统 总体架构。 第3 章：对冷库门运动控制器的硬件设计进行了详细的说明，对各功能模块的作 用给予了介绍。 第4 章：对冷库门运动控制器的软件进行了总体方案设计的探讨，对各功能模块 的作用给予了介绍。 第5 章：详细介绍了冷库门运动控制器关键部分软件的设计与开发并对相关开发 环境进行了详细的说明。 第6 章；对冷库门运动控制器的系统硬件和软件进行了联调，同时介绍了相关的 调试器的功能和使用方法。 第7 章：总结。简要概括了本课题研究所做的实际工作以及所取得的成果，同时 基于对现有成果的分析得出了需要进一步解决的问题并对今后的深入研究及改进提 出了建议。 4 南豪理工大学硕士学位论文冷藏库门运动控制器的研制与开发 2 冷库门控制系统的方案论证与总体设计 2 。l 功能需求 海门市雪盾冷冻设备有限公司希望能开发出满足冷藏库门启闭控制要求的、操作 简便、运行可靠、易维护、高性价比的冷藏库门智能控制系统。新型控制器将为形成 能替代进口、具有我国自主刨新、自主知识产权的、能耗低、自动化程度高、经济实 用、市场竞争力强的冷藏库门产品奠定技术基础。 其主要功能需求如下： ( 1 ) 其有高速启闭功能，有效减少冷库冷气流失以及冷库内环境与外界进行热交 换的时闻，起到节能的功效； ( 2 ) 在启动及闭合段具有平稳性，要有效减小速度突变带来的冲击； ， ( 3 ) 库门可在任意位置执行启闭； ( 4 ) 库门设有双重防轧安全功能，使冷库门的安全性得到提高； ( 5 ) 系统能实现多通道、集中式无线遥控扇闭库门( 设有数字单键单门启闭和单 键多门启闭) ： ( 6 ) 库门关闭不到位，十分钟蜂鸣器报警； ( 7 ) 库门锁上未断电，即刻蜂呜器报警： ( 8 ) 电加热不工作，r p 亥, j 蜂鸣器报警； ( 9 ) 报警后能及时处理和记忆： 2 2 技术( 经济) 指标 海门市雪盾冷冻设备有限公司提出的冷库门运动控制器的相关技术( 经济) 指标 主要有以下几点： ( 1 ) 库门启闭速度大予5 0 0 咖s ，且启闭平稳，噪声不大予5 5 d b ； ( 2 ) 本项目满足在4 0 、相对湿度9 0 的环境下能正常运行； ( 3 ) 本项目产品单价不超过2 0 0 0 元( 料、工、费、税) 。 2 3 方案论证 对雪盾公司提出的具体功能要求及相应的技术指标分析如下： 冷库门产品的研制要求的难点在于其启闭速度上，在高速的情况下还要平稳、噪 啻小、撞击力小，使用传统的继电接触器控制方法肯定无法办到，只有将冷库门行程 的范围划分为不同的速度段( 慢速启动区一高速运行区减速停止区) 才能减小噪音 和撞击力，这样，选择微控制芯片通过计算电机行程可以傲到这一点，同时，通过专 用电机控制芯片实现变频可以将频率相对市电拉商许多，门的驱动速度完全有希望达 5 南京理工大学硕士学位论文冷藏库门运动控制器的研制与并发 到。 双重防轧功能，一道用电流( 功率) 监控，一道用速度反馈监控，可以有效保障 安全性。 要实现在任意位置启闭，可以在停机动作发生的时刻记录此时的位置及行程、运 行方向等，下次再启动时根据上次的运行状态执行新的指令。至于停机操作，可以通 过程序切断微芯片中驱动控制信号的输出。 在速度提高的同时带来的、冲击力等问题无法解决，以防轧功能为主的安全性更 是无法保证。同时，原来的一对一遥控操作无法完成人机交互以及一个遥控器控制多 个门的功能，易操作性体现地不够。 对于系统能实现多通道、集中式无线遥控启闭库门( 设有数字单键单门启闭和单 键多门启闭) 的要求，可以用单片机与无线通信芯片构成组合，发送与接收各一组。 其中一组与微控制器相连可以进行串口数据传输，这样，位于遥控器端的另一组就可 以与微控制器建立相连，进行多门号的设置及对相应门号的门进行操作。 2 3 1 拖动电机的选择 在国民经济生产的各个领域，电机都是许多电力拖动系统必不可少的动力源【l j 1 2 1 。由于可以通过改变电枢输入电压以及调节励磁电流实现无极调速，长期以来，直 流电机以其良好的调速性能被广泛地应用于对调速精度和要求比较高的场合，然而， 直流电机需要外配整流器，内部的电刷存在机械磨损，在实际的工业生产使用中，需 要对直流电机定期检修，以替换磨损的电刷和转子绕组，同时，转子绕组在机壳的内 部使得其散热非常困难。以上这些本身固有的缺点使直流电机维护困难，在特殊环境 中使用的局限性加大i 3 j1 4 j 。 三相交流感应电机( a c i m ) 则有着直流电机没有的优点，它通常由定子、转予和 定子转子之间的气隙3 部分组成，气隙较小切均匀，对于三相感应电机，在定予上安 装三相对称绕组，绕组轴线在空间互差1 2 0 度电角。 三相交流感应电枫定子绕组外接三相对称交流电压，在定子绕组中会产生同频率 的三相对称电流，每相绕组产生间频率的脉振磁势，三楣合成磁势就为圆形旋转磁势， 其在气隙中形成圆形旋转磁场，该旋转磁场相对予定子绕组的转速取决予电源电压的 频率和电机的极对数，可以表示成如下的形式( 式2 3 。1 1 ) ： n i = 6 0 f j p 。 ( 2 3 。1 1 ) 其中：n ，气隙磁场相对于定子绕组的转速，也称为同步速度，单位r p m ； f l 一一外加电源频率，单位h z ： p o 一一电机极对数。 6 南京理工大学硕士学位论文 冷藏库门运动控制器的研制与开发 定子绕组在气隙中形成圆形旋转磁场e 和b l 一方面切割定子各相绕组并在各相 绕组中感应电势，感应电势的频率与电源电压和定子绕组电流一样，它与外加电源电 压相平衡；另一方面气隙旋转磁场也同时切割转子绕组并在转子绕组中感应电势，但 感应电势的频率f z ( 也称为转差频率) 与转子的转速和转向有关。由于感应电机的转 子绕组通常是短路的，因此转子感应电势在转子绕组中要产生转子电流。转子电流的 频率与感应电势的频率相同，从而转子电流也会在气隙中形成旋转磁场f 2 和b 2 。该 旋转磁场相对于转子的转速为 n ，= 6 0 f ，p 。 ( 2 3 1 2 ) 其中：n ，气隙磁场相对于转子绕组的转速，也称为转差转速，单位r p m ； f 转子感应电势或电流频率，单位h z 。 由于定子绕组和转子绕组在气隙中形成旋转磁场在空间的转速相同，即它们在空 间保持相对静止关系，因此定转子电流在气隙中产生的气隙磁场相互作用能产生平均 电磁转矩，驱动感应电机运行，同时在气隙中又形成一个合成的气隙磁场，也称为激 磁磁场。该合成气隙磁场在空间相对于定子绕组的转速等于同步速n ，由此转子的速 度可以表示为( s 为转差率) n = n l n 2 = 6 0 ( - ) p p = 6 0 f ：( 1 一s ) ( 2 3 1 3 ) 随着电源基波频率c 由额定值往下调节，电机的同步速也成比例下降，转子转 速也相应地下降。反过来，电源基波频率由额定值往上调节，同步速也成比例上 升，转子转速也随之升高。如果基波频率小于额定频率时，电压保持额定值不变，根 据电势平衡关系，感应电势近似等于额定电压，感应电机内部每极磁通幅值将增大， 电机内部磁路过于饱和，将严重影响电机的性能。因此，随着电源基波频率的下降， 电源基频电压也相应地减小。反之，当电源基波频率高于额定频率时，由于电机绝缘 材料受耐压的限制，定子绕组端电压不能升高超过额定电压，每极气隙磁通将随着基 波频率上升而减小。 交流感应电机具有简单的转子构造并且不使用电刷。由于这些原因，交流感应电 机比直流电机更耐久唯一需要保养的机械组件只有转子轴承。该转子就是一个由磁性 叠片构成的钢笼，因此耐热性要好得多，交流感应电机的耐久性使它成为了一种极具 吸引力的选择。 我们最终选择三相交流感应电机作为电力拖动动力源，这样我们也就无须改变海 门市雪盾冷冻设备有限公司电动冷库门原先采用的三相交流感应电机加链传动组成 的拖动机构。 南京理工大学硕士学位论文 冷藏库门运动控制器的研制与开发 2 3 2 调速方案的论证及选择 2 3 2 1 压频比( v f ) 控制 a c i m 的自我调节功能可被用来实现基本的变速控制。如果改变电机的输入频率， 电机的同步速度也将相应地变化。改变频率可使转矩曲线左移或右移。如果连续调节 电机的输入频率，将产生一系列转矩曲线，如下图( 图2 3 2 1 1 ) 所示。由于电机 是感性负载，随着驱动频率的降低，电机的电抗也将降低。因此，如果调节了驱动频 率，那么也应该按比例调节电压。对于变速a c i m 而言，频率和电压之间的关系称为 压频或v f 曲线1 5 j 。 藿 羞 鬃事1 4 z 图2 3 2 1 1 变频工作模式下的转矩曲线 图2 3 2 1 2v f 曲线示例 最经常使用的是电压和频率之间的线性关系1 6 】。某个特定电机所需的v f 关系可 通过电机铭牌上的参数确定。例如，假定有一台设计为在2 2 0 v 交流电压、5 0 h z 频率 下工作的电机。如果想将电机驱动为工作在标称速度的一半，则应使用一半大小的输 入频率和输入电压。实际上，v f 曲线可以是任意形状的。在某些工作频率下可以提 升驱动电压以在这些速度下提供更大的转矩。大多数v f 曲线有一个低频提升区域以 帮助电机从零速起动，在此提升区域中，电压将被限制为最小值。典型的v f 曲线所 示见图2 3 2 1 2 。 输出电压幅值和频率的改变最简单的方法是通过正弦脉宽调制技术：以正弦波作 为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，并用频率 和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时。由它们的交点确定逆变 器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系 列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置 的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。 对三相感应电机的正弦脉宽调制( s p 州) 波形如图2 3 2 1 3 。 南京理工大学硕士学位论文冷藏库门运动控制器的研制与开发 f ， h f 嘲蓐 l p v 搠 图2 3 2 1 3 脉宽调制( s p 咖) 波形 2 3 2 2 空间矢量变换变频控制技术 压频比控制方法非常适用于风机和泵等负载变化较慢的应用场舍。但对于需要快 速动态响应的应用场合则效果欠佳。特别是在速度或转矩发生快速变化时，会产生较 高的转差率，从而导致较大的瞬态电流。如果同时对电机转矩和磁通进行闭环控制， 则可以在不产生大电流的条件下实现快速的动态响应。矢量控制技术可以实现上述目 标，通常也被称作磁场导向控制( f i e l do r i e n t a t e dc o n t r o l ，f o c ) 。矢量控制的 优点直接体现为能耗较低，从而提高效率、降低运行费用以及驱动元件成本。 1 9 7 1 年德国学者f b l a s b k e 提出的矢量变换控制以交流电机的双轴理论为依据， 在同步旋转坐标系中把定子电流矢量分解为两个量，一个分量与转子磁链矢量重合， 称为励磁电流分量：另一个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量。通过控制 定子电流矢量在旋转坐标系中的位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量 的位置和幅值的大小，实现对磁场和转矩的解耦控制1 7 l 。 传统的控制方法，比如压频比控制，都是对电机驱动电压的频率和幅值进行控制。 与之相比，引入空间矢量控制法则可以同时控制电机驱动电压的频率、幅值以及相位。 矢量控制的关键在于产生一个三相电压矢量以控制三相定子电流矢量，三相定子电流 矢量可以控制转子磁通矢量进而控制转子电流相矢量，从而达到更好的控制效果。然 而，它的缺点是运算比较复杂，运算量较大。 2 3 2 3 直接转矩控制技术 直接转矩控制( d t c ) 是一种新型的高性能交流调速传动控制技术，2 0 世纪8 0 年代 由德国m d e p e n b r o c k 和日本i t a k a h a s h i 等人提出。它摒弃了矢量控制中解耦的控 制思想，采用定子磁链定向和瞬时空间矢量理论，通过检测定子电压和电流，在定子坐 标系下观测电机的磁链、转矩，并将观测值与给定的磁链、转矩比较，差值经滞环控制 器调节得到相应的控制信号。综合磁链和转矩信号来选择相应电压空间矢量，同时实 现磁链控制和转矩的直接控制。 9 兰 南京理工大学硕士学位论文冷藏库门运动控制嚣的研制与开发 直接转矩控制系统，具有动态响应快、控制简单，对电机模型参数的依赖程度小 的优点。但是传统的直接转矩控制存在转矩、磁链脉动，开关频率不恒定、过扇区时 电流与磁链畸变等不足之处。其主要原因是在传统直接转矩控制选择输出矢量时主要 依据转矩、磁链误差的正负，并不考虑误差的大小。 2 3 2 4 调速方案的选择 由于在冷库门控制器的应用中，对具体运行控制精度和响应速度的要求并不是很 高，冷库门运行过程中的负载变化也不是太大，匀速区和减速区间负载都相对稳定， 在开门和关门的启动部分阻力相对较大，可以通过短时闻内递增频率使频率抬高到一 定大小增加电机的实际输出功率予以解决，在综合考虑了各种调速理论的优缺点之 后，决定采用正弦脉宽调制( s p 删) 技术来实现系统的调速功能。选用该方法的好处 有以下几点： ( 1 ) 运算方法简单可靠，可以建立数据表，运算时采用查表读数，可以结合灵活 的c 语言指针进行，正确性商。 ， ( 2 ) 避免了使用矢量控制算法时由于计算量庞大导致占用中央控制器资源过多， 同时也大大降低了使用复杂算法而可能出现错误的概率。 ( 3 ) 计算量相对较小，占用系统资源少，留给c p u 充分的资源去实现其他需要迅 速响应的功能。 随着三相交流感应电机的大量使用、脉宽调制( s p w m ) 变频调速理论的成熟和当今 电子器件的快速发展，特别是高速数字信号处理器的诞生，使得应用该理论控制交流 电机已成为高性能变频调速系统的酋选方案，具有控制精度高、调速性能优良和节约 电能效率高等优点。 2 3 3 主控芯片的选择 对于实际的工业生产现场和自动化产品，大量使用传感器等智能检测元件是其一 显著特点，由于单片机( 如a t 8 9 s 5 1 ，a t m e g a l 6 等) 自带三相p w m 输出口的很少，另 外，单片机i o 较少，需要外扩的外围电路较多，无形中人为加大了系统的复杂性以 及出现硬件错误的几率，再加上在冷库门控制器的设计中我们还需要设计较多复杂的 外部电路，因此在中心处理单元的选择上，功能要尽可能地齐全。 以数字信号处理器d s p 为代表的高性能嵌入式处理器芯片具有丰富的功能接口 引脚，可以方便地与传感检测元件的接口电路相连接而获取各种当前状态信息。同时， 高性能嵌入式处理器芯片具有的高运算处理速度可以使大运算量的先进控制算法可 以在极短的时间内完成，也可以令传感检测单元传送来的即时信息在第一时间得到有 效的处理，这样，交流电机的实时运转将时刻处于d s p 芯片的控制之下，能够有效快 1 0 察衷理羔丈学颈圭学往 垂文 冷藏瘁强运动控糍器熬耢铡与秀发 速地嘲应系统巾众多传感器攀元的信息反馈，从而撼葛了系统的智熊化水乎t 考虑蓟主控制芯靖需要输出三福6 路p 醐波、采集两路光电耦合器信号以及需辩 采集电流a d 转换等袋求，在比较了多种具代表性的燕流电机控制专用芯片艏，最终 选择使用美国微芯公蠲( m i c r o c h i p ) 公司堂产的d s p i c 系歹l jd s p 芯片，具体的型弩 是d s p i c 3 0 f 4 0 11 ，其具有如下主要特点i 引1 w ： 离电流藏商 o 弓 脚：2 5 m a ： 6 通道p 州输出：互补模式或独立模式，边缘或中心对齐模式。专用时基， 互幸 穰式静死涎时闻绞销，a d 转换簸发； 正交编码器接口q e i ；a 相b 相和索引脉冲输入，方向判断，位置计算模式， 输入弱捅有霹编程数字嗓声滤波器，位置诗数器澄密串凝； a d 转换接口；9 路输入通道各配置l o 位模数转换器； 2 3 4 智能逆变模块( i p m ) 的选择 邋交毫路楚凳壹浚电转换为其毒定颓率鲍交濂奄懿毫路，如瘸2 3 ，4 。1 ( 图牵 将三棚交流感应电机绕组接成三角形以获得更太的驱动力) 所示，其频率输出特性的 好坏对于一令交流变颓器来谎致芙重黉，麓套俊邃地桶应帮平稳遗交皴对手缘冷痒强 这样可能频繁正反转，较重又有较快速度的控制对象很重要，因为功率需求较大，输 塞毫滚穗痤较滏( 1 - 6 安培) ，这裁砖递交电路豹特後裙元气释瑗爨提出了缓嵩静要 求，所以不采厢自己搭电路的办法，选择体积小巧、安装方便、功能强大的锗能逆变 器模浚。 蹦2 3 4 1三相感应电机逆变器f 包鼯 i p j o 找1 6 u p 6 0 a 餐能功率模块l l o j 将驱动芯净与6 炎大功率i g b t 汗关管黎成在一 起，安全可靠，其三相交流输出引脚u 、v 、w 与相应的控制引脚h i n i 、h i n 2 、h i n 3 ， 西雨，西匝釉西丽的关系如图2 3 4 2 ，内部结构和外部接口逡接倩躐参觅圈 2 3 4 3 。 蠢于美国魏国际熬流器公萄( i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r ) 智髓麓率模块功髓麓 大，输出波形稳定，岛d s p 接羽良好。通过对其产品性能的比较和课题实际邀用的需 毒索瑾羔大学醺j = 擘煎沧文冷黻库门运动控裁箍匏麟劁与秀发 要，最终选择了该公司i r 删x 1 6 u p 6 0 a 型智能逆变功肇模块，该芯片2 5 对其输出最 大电流为1 6 a ，l o o 时其输出最大电流为8 a ，i g b t 模块最大电压6 0 0 v ，最大载波频 率2 0 k h z ，在使用对最好要配罄一片散热片。 躺 豳娃名3强髓，2 , 3 掰彰 ooiv b l l s 0l 0 0 0llx ixxx 胬2 。3 4 2 三相输出与控制引脚关系 圈2 3 4 3 i r a m x l 6 u p 6 0 a 智能功率横块内部缡构及其外部接口 1 2 鹰衷理繁丈学臻士学爱论文 冷藏瘁捉运秘控制器辩辫裁与嚣疑 2 3 5 无线通信方案的选择 考虑到系统对指令传输准确性的具体要浓以及冷库门控制器实际的运行场合巾 毒藐遴戮毫磁手扰导羧铸豫数提丢失懿壤猿，| 疰搜寻了缀多褰鲻豹圭滚篷距凑双蠢茏 线通信芯片后。最终选择了熟有自动数据包侦测和熏发功能的n r f 2 4 0 1 。 n r f 2 4 0 1 懋单冀瓣叛牧发愁鸶，忑终于2 4 2 。5 g h zi s m 频段，盘星际磐名熬纛 线芯片制造商挪威的诺迪克( n o r d i c ) 公司生产。芯片内置频率合成器、功率放大器、 晶体振荡嚣秘调割器簿功麓援块，输戤瑰率鞫通信频遵霹逶j 违程序避荦于配黑。芯冀貔 耗非常低，以一5 d b m 的功率发射时，工作电流只有1 0 5 m a ，接收时工作电流只有1 8 m a ， 多种繇功率王 乍模式，节能设计更方便。其d u o c e i v e r t m 技本使n r f 2 4 0 1 可以使用弼 一天线，同时接收两个不同频道的数据。当发现数据丢失时。能够自动重发数据。 n r f 2 4 0 1 适用子多秘炙线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼓标、遥控开锁、 遥控玩具等l l l l 。 光线芯片接收到的信息可以传输剿单片机中进纾确认和处理，问时在攀片机秽 d s p 之间建立串口通信，这样，只需要占用d s p 的两个功能日就嘶以完成d s p 与 n r f 2 4 0 1 之间的通信及数据传输。由予本项题组拥有较为丰煮的a v r 单片机开发经验 和必癸的开发设备，鞠此决定采用a v r ( a t m e g a l 6 l a t m e g a 8 l ) 单片枧作为笼线通倍 信息确认的处理单元，其主要性能参数如下0 2 h 3 ： 1 6 k 8 k 字节豹系统内可编程f l a s h ，擦写寿命：1 0 0 0 0 次： j t a g 接口( 与i e e e l l 4 9 1 标准兼容) 支持扩展的片内调试功能，通过j t a g 接 墨实现对f l a s h 、e e p r o m 、薅丝位藕镄定位的编程； 可工作于主机从机模式的s p i 串行接口； 两个爨有独立羧分频嚣帮跑较器功栽鹃8 往定辩器计数器，一个兵裔预分颗 器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器； 两个霹编程豹睾行u s 矗r 。 这样，在避控器上设置无线通信模块和a v r 单片机，可以使待发送的数据信息可 视霉搽俸；在鸟被控冷痒疆安装在一起豹主羧露l 器主设鬟另一令无线透信摸浃黎a v r 单片机的组合，a v r 单片机w 以将无线模块接收到的信息转送至童控制d s p 芯片 d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 ，峦其遴缍对应倍意兹袋终楚毽帮撬纷楣应豹凌裁。圭控裁器岛遥控嚣 组成承意图如图2 3 5 1 所示： 1 3 褰京理x 大学蘸士掌往论文 冷藏痒秘运动控剁器鳇麟捌与开发 图2 。3 。5 ，l 主控戮嚣乓遥控嚣嚣线逶疆组成示意缮 2 4 脓体架构设计 搬据以上对冷库f 1 控制器主要功能模块的分析，我们制定了相成的硬件总体架 橡，现傲如下说明： 冷库门运渤控制器的硬件总体架构如图2 4 1 ，童电路掇上直接接入2 2 0 v 5 0 h z 赘电，经过滤波整流模块将交流电疆转换为麓流电联，然鼷一路进入智能逆交模块 i p m 的i g b t 的上桥臀作为三相交流电机的驱动电压输入，一路进行电压转换，为烹 控制嚣电路板上的所衡器件摄供电源( 图中照色实体翡头为电源供魄关系) 。 传感器输入模块燕要用予将电机主轴旋转的圈数进行采集并输入d s p 以进行捕 捉，用来计算电机速艘及电机行程：电漩检测簸入模块用于防轧检测；报警输出模块 用于控制报警指示灯及蜂鸣器；显示输出模块雳于与操作人员人机交互；继电器输出 模块用于控制电加热和风幕枞；电加热输入嬷测用予实时检测电加热豹工作情况： d s p i c 3 0 f 芯片根据需簧控制i 湖模块的i g b t 上下半桥的导通关断来获得需要的三 相交流输】出以控制电机；a v r 单片机加n r f 2 4 0 1 无线发射模块用于接收遥控器传递