（机械电子工程专业论文）高速工业门控制器的研制.pdf

摘要硕士论文 摘要 随着物流仓库现代化水平的不断提高，进口高速工业门正逐渐占据国内高端市 场。国内工业门生产商面临着巨大竞争压力，正在通过不断提升产品技术含量以缩短 与国外品牌之间的差距。本课题“高速工业门控制器的研制”由海门市雪盾冷冻设 备有限公司与南京理工大学联合研制。 本文分析了平开式高速工业门的控制需求，基于转子磁场定向矢量控制原理和方 法，采用数字信号处理器( d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 ) 和智能功率模块( m a m x 2 0 u p 6 0 a 2 ) 等， 研制了小功率感应异步电机的矢量控制器，实现了工业门的高速、平滑的安全可靠运 行。论文重点论述了感应电机的数学模型解耦算法，运用s i m u l i n k 对转子磁通定向 矢量控制系统进行了仿真与分析，提出了一种简化的矢量控制实现方法。基于模块化 设计思想，设计开发了高速工业门控制器的工程样机。完成了工程样机的现场安装调 试和运行。样机运行结果表明，系统的各项性能参数达到了预定指标。 基于本文研究开发的小功率感应异步电机的矢量控制器，具有运行平稳、性价比 高，可替代国外同类型产品，将具有广阔的市场应用前景。 关键字：高速工业门，门控器，交流感应电机，空间矢量调制，转子磁场定向 a b s n 粥t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fl o g i s t i cw a r e h o u s em o d e r n i z a t i o n ，i m p o r t e d h i g h - s p e e di n d u s t r i a ld o o r sg r a d u a l l yo c c u p yt h ed o m e s t i ch i g h e n dm a r k e t d o m e s t i c i n d u s t r i a ld o o rm a n u f a c t u r e r sa r ec o n f r o n t e dw i t he r l o r m o u sp r e s s u r eo fc o m p e t i t i o n ，s o t h e yk e e pu p g r a d i n gp r o d u c tt e c h n o l o g yt ol e s s e nt h eg a pb e t w e e nd o m e s t i cb r a n d sa n d f o r e i g nb r a n d s t h et o p i c “d e v e l o p m e n to fd o o rc o n t r o lu n i tf o rh i 曲一s p e e di n d u s t r i a l d o o r s ”i sj o i n t l yd e v e l o p e db yh a i m e nx u e d u nr e f r i g e r a t i o ne q u i p m e n tc o ，l t d a n d n u n j i n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a f t e rt h ec o n t r o ld e m a n do fs l i d i n gh i g h - s p e e di n d u s t r i a ld o o r sa n a l y z e d ，v e c t o r c o n t r o lu n i tf o ra s y n c h r o n o u si n d u c t i o nm o t o rw i t hl i g h td u t yw a sd e v e l o p e db a s e do n d s p i c 3 0 f 4 0 11a n di r a m x 2 0 u p 6 0 a 2i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c ha d o p t e dc o n t r o l p r i n c i p l eo fd i r e c t i o n a lv e c t o ro fr o t o rm a g n e t i cf i e l d t h eu n i tr e a l i z e dh i g h s p e e d ，s m o o t h ， s a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fi n d u s t r i a ld o o r s m a t h e m a t i c a lm o d e ld e c o u p l i n ga l g o r i t h m o fi n d u c t i o nm o t o rw a sr e s e a r c h e d t h ec o n t r o ls y s t e mo fd i r e c t i o n a lv e c t o ro fr o t o r m a g n e t i cf l u xw a ss i m u l a t i o na n da n a l y s i sb ys i m u l i n k , a n das i m p l i f i e dv e c t o rc o n t r o l m e t h o dw a sp r o p o s e d b a s e do nm o d u l a d z a t i o nd e s i g nc o n c e p t ，e n g i n e e r i n gp r o t o t y p eo f k g h s p e e di n d u s t r i a ld o o rc o n t r o lu n i tw a sd e s i g n e d t e s ta n do p e r a t i o nr e s u l t si n d i c a t e d t h a tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fs y s t e ma c h i e v et h ei n t e n d e dt a r g e t v e c t o rc o n t r o lu n i to fa s y n c h r o n o u si n d u c t i o nm o t o rw i t hl i g h td u t yd e v e l o p e db a s e d o nt h i sa r t i c l eh a sf e a t u r e so fs m o o t ho p e r a t i o na n dc o s t - e f f e c t i v e i tc a nr e p l a c ef o r e i g n p r o d u c t so fs a m et y p e ，a n dw i l lh a v eab r o a dm a r k e tp r o s p e c t k e y w o r d s ：h i g h - s p e e di n d u s t r i a ld o o r s ，d o o rc o n t r o lu n i t ，a c i m ，s v p w m ，f o c 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已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：枷6 年月妇 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。、 研究生签名：魍蕾 一洳6 年石月彩日 硕士论文高速工业门控制器的研制 1 绪论 现代工业门是现代化物流仓库的周边设备和现代化工厂物流关口设备。工业门按 照开门动作方向分为两种：滑升门或隔断门( 垂直启闭) 、库门( 水平启闭) 。在现 代物流运行中，整体运行效率的提高和运行中的环境与卫生的保护越来越受到重视。 作为比较理想的解决方案，工业门被越来越多的项目采用。 现代工业门是指那些为满足现代化生产、搬运、仓储需求而设计的专业用门。一 般来讲，现代工业门应满足可靠性、密封性、隔音隔热性、安全性和寿命等方面的需 求。 高速工业门不但能大幅度提高生产效率，同时还有助于隔离不同的工作区域。在 目前叉车高速运载的场合提供更安全、更人性化的解决方案。 1 1 课题背景 根据钢门窗委员会2 0 0 6 年调查显示：当前我国门业的发展态势很好。多功能户 门的年需求量高达6 5 0 万套，目前的实际产量为4 0 0 万套。车库门的年需求量高达 3 0 0 万套，而实际产量为1 5 0 万套。自动门、工业门的需求量为4 6 0 万平方米，其中 工业门的需求量为2 1 0 万平方米。市场价值超过4 0 0 亿元人民币【1 1 ，经济效益非常可 观。目前国内大多数工业门生产企业无法跟上国外同行的技术脚步，在竞争中处于非 常不利的局面，无法取得高端工业门控制器的订单。国内一些节能要求很高的物流仓 库( 如冷库) 因为进口工业门价格数倍于国产工业门价格的因素目前还在使用低速工 , _ l k f t 2 1 。 海门雪盾冷冻设备有限公司( 以下简称雪盾公司) 是生产冷藏库门的国内知名企 业，雪盾公司有着几十年工业门与装卸平台的生产经验。主要门类产品有冷藏库门、 滑升门、自由门、通道门等。产品已供用于国内三十个省、自治区、直辖市的近万家 中、外资保鲜、储藏物流企业，并出口东南亚及日美等多个国家，取得了良好的社会 声誉。雪盾公司同时也是国标0 4 j 6 1 0 1 冷藏库门、保温门的参编单位。 雪盾公司在多年生产经营的过程发现国外的竞争对手在国内的市场占有率不断 上升，以美国r 公司、丹麦d 公司和德国h 公司为代表的快速工业门产品凭其技术 优势占据了国内一些高端工业门市场【3 】，给国内企业增加不少压力。公司认为必须迅 速提升自身产品性能，提高产品竞争力。由雪盾公司提出与南京理工大学进行校企合 作，开发高速工业门控制器，填补国内具有自主知识产权的高速工业门控制器产品空 白。 控制器是工业门系统的核心，虽然交流调速控制器已由八十年代后逐渐得到发 1 绪论 硕_ - t ：论文 展，但在工业门行业由于成本等诸多方面的因素一直没有得到推广。随着电子行业的 不断发展特别是新型电力电子器件的不断进步，尤其是绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的实用化，为工业门控制器采用交流电机变频控制技术提供了物质条件。微电子技术 的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得以单片机为 控制核心的全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。这些诸多因素 使成本不再是困扰工业门控制器发展的绊脚石。 1 2 工业门控制系统发展趋势 国内目前还没有研制出高速工业门控制器，根据其他行业自动门的发展经验一谁 领先以谁为参照，以国外高速工业门控制系统为导向与国内现有的工业门控制系统相 比较，有着以下特点： ( 1 ) 速度更快 电动工业门控制系统几乎全部选择异步电机作为拖动驱动源【4 j ，工业门是成本敏 感性产品，现有的工业门大多数还是采用六七十年代的电机控制技术接触器控 制。由于接触器只能控制电机启停而无法调速，使工业门的开关门动作冲击大，不平 稳，并且系统反应速度慢，曾经多次发生过工业门夹人致死的惨剧【5 j 。所以一些工业 门制造商为了降低系统冲击和提高安全性 6 】，通过增加减速器的减速比或选择极对数 高的电机来降低运行速度，效率低且不经济、不节能、不能满足现代化物流的需要。 随着电子技术的不断发展，特别是新型电力电子器件的不断进步，目前一些民用 自动门如感应式玻璃门已经采用变频调速控制，自动门在启闭过程中采用升降速控 制，其运行过程中的响应速度高，噪音小。国外一些工业门这几年也朝着调速方面发 展，一些应用的变频调速技术的工业门正在推向国内市场，这些高速工业门的售价大 约是国内普通工业门的2 3 倍。所以在国外工业门产品占领国内市场之前研发出具有 自主知识产权的高速工业门控制系统迫在眉睫。 普通工业门的丌关速度与高速工业门的开关速度差异很大，就拿冷减库门来说， 普通冷藏库门的门扇线速度大约为2 0 0 m m s ，而美国r 公司的高速密封门单门线速 度已经达到6 0 0 m m s ，普通滑升门的开关门速度大约为4 0 0 m m s ，而最快的滑升门已 超过了1 5 r n s 。如果以2 m 开度的双开门为例，普通工业门启闭一次需要1 0 秒，高 速工业门启闭一次加上升降速的时间总计不到5 秒的时间，如果以每天启闭2 0 0 次为 例，一年下来相当于有一百多个小时门处于打开状态! 这将会造成大量冷气泄漏。在 能源紧缺、倡导节能的今天，高速工业门的节能与环保的特性将会逐渐成为工业门的 行业标准中的条款。 ( 2 ) 性能更安全 在普通工业门运行时发生的安全事故对于高速门来说同样面临着严峻考验。同等 2 硕士论文 高速工业门控制器的研制 质量的门扇在速度上升3 倍的情况下动能将会达到原来的9 倍! 所以安全性一直是制 约工业门的运行速度的首要问题。工业门的安全事故一般分为两种：工业门夹持人员 和运输工具撞坏工业门。本着“以人为本”的原则，优先考虑防止工业门的夹人事故。 防止运输工具撞坏门扇可以通过在门扇打开位置安装防撞栏，或结合自由门的机械结 构设计门扇，这属于机械结构范畴不在本次设计考虑之中。 工业门在安全防护方面普遍采用防撞栏、安全边、安全感应开关等方式。高速工 业门在安全性方面的设计要比普通工业门复杂，不仅包括防撞栏、安全边、安全开关 这些常用的安全装置，在一些低温冷库，因库内湿度大、能见度低，经常发生运输工 具撞坏门扇的事故，为此高速工业门在门洞的正前方安装脚踏开关或微波传感器。当 有人或运输工具迈入这一区域时，如果门在关闭过程中会提前减速并以声光报警，若 门处在关闭位则以声光报警形式提醒。另外控制器本身内置软件防夹功能，高速工业 门在运行过程中实时检测电机驱动电流与电机转速，如果电机驱动电流突然增加而且 伴随着速度的下降同时超过预设值时则启动防夹保护功能。 ( 3 ) 控制更智能 高速工业门具备自学习功能，在开关门过程不断修正自身控制参数，随着开关门 次数的增加，开关门动作会越来越平滑。 控制器内置多条运行曲线，用户可以选择最适合当前工业门的运行曲线。 在传统物流库，周边设备从来没有考虑功能需求，更没有与物流设备放在同一个 概念下去理解。随着物流配送的专业化水平的提高，对物流配送周边设备提高更高要 求。高速工业门控制作为物流管理的关键环节，其与管理软件( 如管理信息系统m i s ) 接口也是必然趋势。 ( 4 ) 运行更可靠 高速工业门采用电力电子器件代替接触器的机械触点，机械触点受其机械的寿命 影响，机械触点对环境的要求也很高，在冷库中潮湿、盐雾等普遍存在，这些问题都 会造成触点腐蚀甚至粘连。如不及时处理会造成短路的严重事故。另外接触器直接启 动方式下的电机启动电流是额定电流的5 6 倍。 功率开关管的寿命理论上是无限长的，由于控制上采用变频调速。加在电机上的 电流也是缓慢上升的，额定电流也受到控制系统软硬件的控制。 总之，高速工业门是全面解决问题的最佳方案，高速工业门在满足安全性的前提 下大幅度提高生产效率，它们不仅可以高速启闭使叉车穿行自如，另外大大减少能量 的流失。 3 l 绪论顾：l ：论文 1 3 课题研究内容和研究目标 本课题以江苏海门雪盾冷冻设备有限公司的平开式高速工业门为研究对象，基于 转子磁场定向矢量控制原理和方法，采用数字信号处理器( d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 ) 和智能功 率模块( 承川o u p 6 0 a - 2 ) 等，研制了小功率感应异步电机的矢量控制器，实现 了工业门的高速、平滑的安全可靠运行。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 分析平开式高速工业门的技术指标和控制需求，完成高速工业门控制器的总 体方案论证与设计。 ( 2 ) 论述感应电机的数学模型，分析矢量控制的原理与实施流程，建立矢量控制 仿真模型并对仿真结果进行分析，提出一种简单可行的矢量控制算法。 ( 3 ) 设计电流环和速度环的p i d 控制策略，实现高速工业门快速平稳启闭。 ( 4 ) 基于数字信号处理器和智能功率模块等软硬件平台，完成平开式高速工业控 制门控制器的软硬件设计、开发及调试。 本课题的最终目标是设计并制作平开式高速工业门控制器，该控制器必须实现快 速平稳启闭，智能电气防夹，多种运行曲线控制等功能，填补国内具有自主知识产权 的高速工业门控制器产品空白。 1 4 论文的组织结构 论文的内容安排及组织结构如下： 第1 章绪论 通过对当前工业门市场调研与分析，提出论文研究内容与研究目标。 第2 章方案设计 分析高速工业门控制器的技术需求与指标，提出控制方案，并初步设计控制器的 机械结构。 第3 章控制算法研究 介绍变频调速的基本原理，引出矢量控制算法的意义。 介绍矢量控制的基本思想和异步电机的数学模型，并由此推导出一种矢量控制算 法的具体实施办法与步骤。 第4 章控制器设计 设计高速工业门控制器的各部分硬件电路，并对一些电路进行描述与计算。 根据工业门控制的特点将软件分层模块化设计，并对模块的设计要点进行描述。 设计出控制流程图与状态转移图。 第6 章系统调试 介绍工业门控制器在调试过程中的情况 4 硕士论文 高速工业门控制器的研制 第7 章总结与展望 对全文的工作做总结，对以后的研究重点作了铺垫。 5 2 方案设计 硕l ：论文 2 方案设计 根据根据功能需求与预定技术指标拟定高速工业门控制方案。 2 1 需求分析 经过诗订期的市场调研，根据美国r 公司的高速工业门的技术指标，雪盾公司提 出以下功能需求： 具有快速启闭功能； 启闭平稳，无明显冲击； 可在任意位置执行启闭： 具有电气防夹功能： 具有多条运行曲线供选择； 按照雪盾冷藏库门的使用工况作参考，提出以下技术指标： 环境温度：2 5 7 5 。c ； 环境湿度：9 8 ； 电源电压：2 2 0 v a c 2 0 ； 电机功率： i k w ，三相感应电机； 最大速度：单边关门速度6 0 0 m m s ，单边开门速度5 0 0 m m s ( 单边) ； 库门开度：2 0 0 0 r a m ； 库门重量：单扇1 5 0 k g ； 多功能输入：5 路； 多功能输出：4 路： 总线通讯：r s 2 3 2 ( 9 6 0 0 n ，8 ，1 ) ； 2 2 确定控制系统方案 根据功能需求中的第条要求，需要对电机进行调速控制。首先确定电机调速控 制策略。 工业门中普遍使用的感应异步电动机发明于1 8 8 9 年，具有结构简单以及耐久性 强的特点，是工业和民用电机应用中的主要设备。这种电机没有电刷和磁钢，转子采 用简单的铝质鼠笼结构，不会产生电刷磨损且成本低廉。感应异步电机的发明在电力 拖动史上有着十分重要的意义 9 1 。 随着各种加工技术的不断进步，许多生产机械对无级调速的要求也越来越迫切。 而感应异步电动机可以进行调速控制这一特性是“与生俱来”的，因为感应异步电动 6 硕士论文高速工业门控制器的研制 机的同步转速，即旋转磁场的转速为： n o ：皇堕 ( 2 2 1 ) = 二 ( 1 ) p， 式中：n o一电动机的同步转速，r m i n ； 厂一电流的频率，h z ： p一电机的极对数。 感应异步电动机实际转速公式： ：业( 1 - - s ) ( 2 2 2 ) p 式中：n m 一电动机的转速，r m i r a 厂一电流的频率，h z ； p 一电机的极对数； s 一转差率。 因此，要改变感应异步电机转速就有三种方法：变频调速法：改变电流的频率 变极对数调速：改变电机的极对数p ；变转差率调速：改变转差率s 。事实证 明变极对数调速法与变转差率调速法缺点非常明显：变极对数调速法只能做到四级有 级调速与无级调速相差甚远；变转差率调速法只适用于绕线转子异步电动机调速，绕 线转子异步电动机通过滑环与电刷改变外接电阻来进行调速，变转差率调速法不节能 并且滑环与电刷也是容易发生故障的薄弱环节。变频调速法通过连续改变定子供电频 率就能对异步电动机进行无级调速，虽然变频调速法是感应异步电动机一个基本特 性，但由于开关器件的发展滞后，变频调速法一直没有能够推广，直到2 0 世纪7 0 年代电力晶体管( g t r ) 问世，把变频调速推向了实用阶段，于8 0 年代初开始逐渐 推广。8 0 年代末绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的开发成功使变频调速技术在许多方 面得到了较大的提高 9 】。 由式( 2 2 1 ) 可知，改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调 速运行。 对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。这是因为， 如果磁通太弱，铁心利用不充分，在同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载 能力下降；反之，如果磁通太强，则处于过励磁状态，励磁电流变大，电动机的铁损 耗增加，为使电动机不过热，负载能力也要下降。如图2 2 1 所示，在磁路未饱和 的情况下励磁电流与磁通基本上呈线性关系，如图2 2 1 a 所示，但当磁通增大到一定 程度时，磁路将饱和。这时励磁电流再增加，磁通将增加得很少，如图2 2 1 b 所示。 当磁路饱和时励磁电流波形将发生严重的畸变。 7 2 方案设计硕上论文 中o 一 ； 一一 1 0 。 厂 一。 ： 一 l 乜= ( a ) 磁路未饱和( b ) 磁路饱和 图2 2 1 励磁电流波形 主磁通是定、转子合成磁动势产生的，为了使电动机的气隙磁通保持恒定，应当 在变频的同时，使定子的感应电动势与频率成正比例地变化j 。由电动势理论知道， 三相异步电动机定子每相电动势的有效值为： 蜀= 4 4 4 。 ( 2 2 3 ) 式中：e l 一定子每相电动势的有效值； 厂一定子频率； 一定子绕组的有效匝数； 驴m 一每极磁通。 由上式可见，磁通函m 的值是由e l 和厂共同决定的，对e l 和厂进行适当的控制就 可以使气隙磁通口m 保持额定值不变。变频通常分两种情况说明。 当变频的范围在基频( 电动机额定频率) 以下的时候，为了保持电动机的负载能 力，应保持气隙磁通不变，要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持e 1 萨常 数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制，这种控制称为恒磁通变频调速，属于 恒转矩调速方式。但是e 1 难于直接检测和直接控制。当e l 和厂的值较高时，定子的 漏阻抗压降相对比较小，可忽略不计，可以近似地认为u i 钮l ，在控制上保持定子电 压u 和频率厂的比值为常数，即保持明户常数，这就是恒压频比控制方式【l2 1 ，是近 似的恒磁通控制。 当频率较低时，矾和e l 都变小，定子漏阻抗压降( 主要是定子电阻压降) 不能 再忽略。这种情况下，人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙 磁通大体保持不变。定子电压和频率的关系曲线称为电压频率曲线，如图2 2 2 所示。 图2 2 2 中，表示没有补偿时的函数曲线：表示有补偿时的函数曲线。在实 际的应用中通常有多条电压频率曲线，可以根据负载性质和运行状况进行选择。 当变频的范围在基频以上的时候，频率由额定值向上增大，但电压矾受额定电 压奶n 的限制不能再升高，只能保持u i = u j n 不变。必然会使主磁通随着厂上升而减 8 硕士论文高速工业门控制器的研制 小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。 图2 2 2 电压频率曲线 因此，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率， 即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的调压变频 ( 、厂、厂、，f ) 调速控制。 w 变频调速对异步电动机进行变频控制时的机械特性如图2 2 3 所示。 图2 2 3 v v 、佰机械特性 异步电动机在满足电压频率不变的条件下机械特性如图2 2 3 曲线以下三条线 所示。图中曲线是在额定频率下的自然机械特性，临界转矩为n ，允许长时间运 行的转矩即为额定转矩死；曲线是频率较低时的机械特性，临界转矩为乃，比额 定频率时的临界转矩n 小了一些，允许长时间运行的转矩称为有效转矩弘，也小于 额定转矩死。可见频率越低，电动机的有效转矩越小，带负载能力也越小显然，这 样的机械特性难以和直流调速系统相比拟的。 从根本上说，这是用“u 户常数”近似地代替“蜀产常数 的结果，如图2 2 4 所示。 图2 2 4 ( a ) 所示是在额定频率下运行时，反电动势虱和外加电压巩之间的关系。 假设运行电流等于额定电流氐，则定子绕组的阻抗压降为au n 。 当频率下降为反时，在u 户常数的前提下，j , b 力n 电压下降为以。如果负载转矩 不变，则定子电流仍为氐，定子绕组的阻抗压降酞基本保持不变：u x au n 。 9 2 方案设计 硕：i j 论文 a ) 预定状态的电路不意图( b ) 低频匿仃盯电路不恿图 图2 2 4 异步电动机等效电路示意幽 显然，阻抗压降巩在外加电压以中所占的比例增大了，而反电动势晟在外加 电压巩中所占的比例则减小了。即当以饭= 常数时，比值晟仉实际上是随五的下降 而减小的。从而主磁通驴i 也随之减小，如图2 2 4 ( b ) 所示。所以，电动机的临界转矩 乃和有效转矩舛也都随之减小引。 为了使e x f x = 常数的条件得到满足，以维持磁通驴l 基本不变，人们首先想到的 办法是当频率下降时，在酞饭= 常数的基础上增加u ，适当提高队伍的比值，以补 偿阻抗压降u 在以中所占比例增大的影响。这种方法称为转矩补偿或电压补偿， 也叫转矩提升。因为是通过改变w 比束实现的，通常称为v f 控制法。 v f 控制法中，当转矩补偿线选定之后，电动机输入电压矾。的大小只和工作频 率反有关，而和负载轻重无关。 但许多负载在同一转速下，负载转矩是常常变动的，例如工业门在运行过程中， 当运行轨道中有杂物时造成门开关时受阻不同，杂物多或较大造成阻力大有时会影响 门的运行动作。 用户在决定u f 线时，只能根据负载最重时的状况( i i 硝n ) 进行选择。当负载 较轻时，电压的补偿量将处于“过补偿”：状态。这是因为：负载较轻时，电流，l 下降， 定子绕组的阻抗压降u 也减小。结果，比值f 。饭将偏大，使磁路饱和【3 j 。 因此当在变动负载中采用v f 控制法时，电动机磁路的饱和程序将随着负载的变 化而变化，如果工业门控制器中采用控制法并用电流作为防夹力检测时，会产生 防夹力检测不均匀，尤其在高速工业门控制中，可能会产生危险。 通用、厂、厂、，f 变频调速系统基本上解决了异步电机平滑调速的问题，在目前的变 频器领域已有广泛应用【l0 1 。 然而，在一些工业门应用场合( 如低温冷藏库门) ，在开关门到位时为了防止冲 击需要减速运行，而冷藏库门的门边有密封胶边，门在关到位的时候阻力非常大，用 、厂、厂、伍变频调速方式往往出现关不严或低速过载的情况。 由于常用的、厂、n 厂f 变频调速的低速性能差，长期以来，国内外学者一直在努力 l o 硕十论文高速工业门控制器的研制 去探索新的交流调速控制方案。希望能研究出与控制直流电动机相类似的成果。德国 西门子公司的工程师f b l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国 e c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”这两项成 果奠定了矢量控制的基础【l4 1 。这种原理的基本出发点是以转子磁通这一旋转的空间矢 量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，把定子电流中的励磁电 流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标系变换重 建的电机模型就可等效为一台直流电动机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和 磁通控制。 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流厶、厶、厶、 通过3 2 变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流厶、无，再通过按转子磁场定向 旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流矗、厶( 厶相当于直流电动机的励磁 电流；厶相当于与转矩成正比的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的控制方法，求得 直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制【l 卯。其实质 是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过 控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正 交或解耦控制。由于高速工业门有任意位置启闭和高速运行的需求，电机转子上需装 编码器。所以调速控制策略就采用闭环矢量控制。 2 3 选择主电路拓扑结构 由于高速工业门控制系统属于小功率电机拖动范畴，主电路选用小功率变频器中 普遍应用的“交直交”型拓扑结构，也就是整流逆变的结构形式。整流部分采用单 相整流桥式电路，逆变部分则以智能功率模块( i p m ) 为核心。逆变电路作为控制器 的功率电路的核心，其性能对整个控制器的影响至关重要 1 6 】。目前中小容量的变频器 中，开关器件大多使用绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 。i g b t 是先进的第三代功率模块， i g b t 的工作频率为1 - 2 0 k i - i z ，主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路， 即d c a c 变换中【1 7 】【1 8 】。i g b t 问世迄今有十多年历史，几乎已替代一切其他功率器 件，是较为理想的功率模块 1 9 】 2 0 】。 i p m 模块问世已有十年之久，目前最大功率可达1 1 0 k w ，可供变频器使用。它 是先进的混合集成功率器件，将i g b t 、驱动电路、保护电路集成化，因此具有高速、 高效、低耗和优化门极驱动及保护。国际整流器公司( i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r ，简称i r ) 推出一系列6 0 0 v 、1 6 a 和2 0 a 的i p m ，进一步扩大了模拟功率平台方案的阵营，并 使之成为i ri m o t i o n 集成设计平台( i r 的一种伺服解决方案) 一部分2 1 】 2 2 】【2 3 】。新 的i p m 有助于简化紧凑型、高性能变速运动控制功率平台的设计。 这些新型的i p m 是专为三相2 2 0 v 交流变频调速电机驱动器而设计的，将取专 1 1 2 方案设计顾上论文 有的高压集成电路( h v i c ) 与三相逆变功率平台集成在一起。其中，额定电流1 6 a 的器件适合7 5 0 w 至1 2 k w 的功率平台，2 0 a 器件则适合7 5 0 w 至2 2 k w 的功率平 台。所有新型口m 均采用高效率的单列直插式封装( s i p ) ，具有更好的散热特性。 i r a m x 2 0 u p 6 0 a 是一款2 0 a 、6 0 0 v 的i p m 。该i p m 内设温度监测功能，整个 集成h v i c 可以在电流和温度过高时提供保护，还具有欠压锁定功能，体现了高水平 的故障保护性能。 其s w 3 封装包含内置的功率芯片散热器，其中的单列直插式全传送模板架构既 可将电路板空间降至最低，又能简化散热器的绝缘及贴装模式。采用s i p 3 封装的 i r a m x 2 0 u p 6 0 a 是一款先进的解决方案，适合2 0 a 以下的全集成逆变驱动应用。 从r 供应商处了解到1 6 a 和2 0 ai p m 模块的价格是同等的，所以在本次设计中， 选用2 0 a 卧式安装的i r a m x 2 0 u p 6 0 a 2 。 2 4 选择检测元件 在闭环矢量控制中相电流检测电路是矢量控制器的关键环节，电流传感器同样也 是矢量控制器的重要器件。电机驱动的电流检测有多种方式，主流包括线性霍尔传感 器检测、线性光耦检测和压频转换检测这几种方式。其中霍尔传感器检测的性能比较 好，并且检测电路设计简单，但由于其价格高，在小功率电机控制器中难以推广。 i r 2 1 7 5 线性电流传感器是为了将电流信号从电机的高端驱动电路转换到低端驱动电 路而设计的 2 4 1 。i r 2 1 7 5 线性电流传感器检测原理是将检测电阻上所产生的电压转换 成载频为13 0 k h z 的p w m 信号。这样电流信号就能够被控制电路采集处理了。 闭环矢量控制中也需要对感应异步电机的转子速度进行采集，一般采用编码器或 旋转变压器作为检测元件 2 5 】。采用编码器传统工业门囡：勾运行速度慢，所以只需在在 开关f - j 蛰j 位点各装一个行程开关就可以实现工业门的任意位置启闭功能。由于高速工 业门的速度快、动能大，必须要在丌关门到位点前降速以较低的速度到位。所以门 扇的位置必须要实时监测，国外高速门中采用装有高精度编码器的伺服电机，由于伺 服电机成本高，在国内市场上推广会有难度，本次设计的高速工业门采用感应异步电 动机加装普通编码器的方式。 2 5 选择主控制芯片 因采用矢量控制技术，软件采用间接磁通控制法实现感应异步电动机的矢量控 制。当控制环周期为5 0 u s 时，软件需要大约1 0 m i p s 的c p u 开销，所以需要选择 2 0 m i p s 左右的c p u ，选用m i c r o c h i p 公司专为电机控制设计的1 6 位d s p 器件 d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 。d s p i c 3 0 f 4 0 1 1c p u 是高性能改良型r i s cc p u 内置以下资源【2 6 】： 4 8 k 字节片内f l a s h 存储空间( 其中1 6 k 指令字) ； 1 2 硕士论文高速工业门控制器的研制 2 k 字节数据ra m ； 1 k 字节e e p r o m ； 3 0 m i p s 运算速度； 3 0 个中断源； 5 个1 6 位定时计数器： 4 路1 6 位捕捉单元； 6 通道电机控制用p w m ； 1 0 位5 0 0 k s p s 采样a d ； 2 路u a r t ： l 路c a n2 0 b 。 d s p i c 3 0 f 4 0 11 的i o 接口驱动能力很强，每个i o 管脚可承爱2 5 m a 拉电流或2 5 m a 的灌电流。d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 的工作电压比较宽，从2 8 v 等级到5 v 等级都可以使用， 在本设计中5 v 电压等级，简化了控制电路电源设计。 2 6 确定输入输出接口 高速工业门的输入组件包括操作开关、到位丌关、锁门开关和安全丌关等，一般 输入组件都会提供给控制器一组干接点。所以输入电路采用交流输入接口比较便利可 靠。输出电路则采用继电器输出方式，每路输出提供一个干触点。 控制器采用全隔离设计，高速光耦在隔离型电机控制器中是不可或缺的一部分， 在控制器中需要对p w m 信号、i r 2 1 7 5 输出信号与保护信号进行高速光电隔离。如 图2 6 1 所示。 图2 6 1 控制器中高速光隔示意图 1 3 2 方案醴计 l t 女 方案设计定型后，画出控制系统的结构框图。如图252 所示 2 2 0 “ 2 7 选择开发环境 幽26 2 控制系统总体结构酎 高速工业门控制器开发环境采用m i c o c h j pm p l a bc 3 0c 语言编译器。m p l a b c 3 0 是一个遵循a n s ix 31 5 9 1 9 8 9 标准的优化c 编译器，它包括针对d s p i c 嵌入式 控制应用的语言扩展。这个编译器是基于w i n d o w s 操作系统的应用程序，它为开发c 代码提供了一个平台。它是来自刀：放软件组织的g c c 编译器口7 j 。 ：誉 i 薹蓍鉴 莲- - i - 爹w 警 ij 三二j 一 连；蚕蔫己 ；堇三二二一臣荨= 。 ， 吲2 7l m p i a bc 3 0 集成开援环境 硕士论文高速工业门控制器的研制 d s p i c 嵌入式控制程序是由m p l a bi c d 2 在线调试器是一款低价位的p i c 开发 工具，它利用f l a s h 工艺芯片的程序区自读写功能，使用芯片来实现仿真调试功能。 m p l a bi c d 2 使用的软件平台是m i c r o c h i p 的m p a l bi d ev 7 5 兼容w i n d o w s 操作 系统，其通信接口方式采用u s b1 1 ；工作电压范围为2 睢5 5 v ；m p l a bi c d 2 可以 支持大部分的f l a s h 工艺的p i c 芯片，它不仅可以用做调试器，同时还可以作为开发 型的烧写器使用【2 8 1 。 1 5 3 控制算法研究硕士论文 3 控制算法研究 3 1 异步电机数学模型 异步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。要确定异步电机矢 量控制的最佳控制方式，必须对系统动静态特性进行充分的研究。作为系统中的一个 主要环节，异步电机的特性显得尤为重要，建立一个适当的数学模型是研究其动静态 特性及其控制技术的理论基础。 为了分析方便，一般对三相异步电机做如下假定】： 电机定转子三相绕组完全对称； 定转子表面光滑，无齿槽效应； 定转子每相气隙磁动势在空间呈j 下弦分布； 磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计。 d 钐撕 图3 1 1 异步电机的坐标系 三相异步电机模型是由电压空间矢量定义的。异步电机在q f 3 坐标系( 见图 3 1 1 ) 上的系统模型见下列表达式： 电压方程式： u m = r s l 。s d4 - p 峰s d 一i 鼍s d u s q = r s l s q4 - p rs q + s d u 耐= r ，z 耐+ p 甲耐一( c o 一c o ) q 么( 3 1 1 ) u 唧= r ，i w4 - p 甲唧一( 国女一c o ) w 脚 u r d 。“w = 0 j 式中：p = 导一微分算子； 口r 国= p 8 一磁场转速( 同步转速) ； 磁通方程式： 飞s d = l 3 s d + l - d 匕= t + l ( 3 1 2 ) 1 6 硕士论文 高速工业门控制器的研制 飞电= l r i r d + l 妇 q = l r i r q 七l n j s q 式中：三。一定子漏感； 三，一转子漏感； l 一定子与转子间互感。 电磁转矩方程式： 乙= p p ( 匕白一匕岛) ( 3 1 3 ) 式中：乙一电磁转矩； p 。一磁极对数。 机械运动方程式： 乙：瓦+ 三拿 ( 3 1 4 ) pp u 1 式中：，：譬等 一定子漏感； j 3 z 一负载转矩。 在研究异步电机矢量控制策略中，主要采用两种坐标系：d - q 坐标系和q p 坐标 系。 3 2 矢量控制原理 交流电机的转矩一般和定转子旋转磁场及其夹角有关。因此要想控制转矩，必先 检测和控制磁通。在磁场定向矢量控制系统中，一般把d - q 坐标系放在同步旋转磁场 上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d 轴与转子磁场 方向重合，此时转子磁通q 轴分量为零( = 0 ) 。此时，p a r k 方程可表示为： u 耐= r l 。s d + p 甲耐一彩，甲二 ( 3 2 1 ) “凹= 足l s q + p q 0 一缈，一d ( 3 2 2 ) 0 = 耳如+ p q ( 3 2 3 ) 0 = r 如+ 缈，1 。( 3 2 4 ) = 厶0 + 厶如 ( 3 2 5 ) 匕2 t 岛+ 厶 ( 3 2 6 ) 丫订2 厶如+ 厶，岛 f 3 2 7 ) 0 = k + 厶 ( 3 2 8 ) 乙。= p p ( 岛+ 匕0 ) = e 争k ( 3 2 9 ) 上。 式中：彩，l = 0 9 ，- - 0 )一转差角速度。 将式( 3 2 5 8 ) 代入式( 3 2 1 4 ) ，得 1 7 3 控制算法研究硕士论文 u s d2k s l 妇+ p c l , l s d + l 0 一) 一国s u s l 5 q + l ”一嗨) 由式( 3 2 5 8 ) 得 i 可：一净匕 ：毕 将式( 3 2 1 1 ) 和式( 3 2 1 2 ) 代入式( 3 2 1 0 ) 得 铲r 驴以。慨。气竽卅地。每。) u s d =o 试+ p l s is d + p l m 二_ l 一s u s is q 一； is 整理后可得 “嘣。r s ts f l + 缸s 比七p i l - , m 气喇一s 缸s i s q 式中： 仃= 1 一差专一漏磁系数 同理可得 u 矿一o l , p i s q s m s i s d + 鼍飞r d l = 南。 式中： 。= 百c r l , 一转子时间常数 ”等苦 ( 3 2 1 0 ) 、 ( 3 2 1 1 ) ( 3 2 1 2 ) ( 3 2 1 3 ) ( 3 2 1 4 ) ( 3 2 1 5 ) ( 3 2 1 6 ) ( 3 2 1 7 ) 乙。= p ，争岛= 譬