（电力电子与电力传动专业论文）高速电动门无刷电机驱动及控制系统研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t n ee l c c t 血d 0 0 ri sal 【i n do fh i g l l - t e c hm a c l 曲eu 血c dc l c c t r i c i t yp f l ) d u c t ，i ti s u s e di n c r c 硒i n 出y i l lt h em a r k c tm o s to ft h ee l e c t r i cd o o 璐a r cb 弱e do na cm o t o r sw i t h c o d e r ，t h e r ca r em 柚yp r o b l e m si nt h j ss y s t e m 舡t h eb m s l l l e s sd c ( b l d c ) m o t o rw i t h h a l li su s e di nt h ee l e c t r i cd 0 0 rs y s t e m ，t h es y s t e mi sc 0 n t r o l l e de 鹤i l y ，觚di tc 觚f u l f i u m o r cc o n d i t i o 船，f e w c rs y s t 锄 c o m p o n e n t s ， 卸dl o w e rs y s t 锄c 0 s t柚di n c r c 懿e p e r f b 姗觚c e s w i t hav i e wo fr e a l i t y ，t h i sp a p c rh 弱d e v e l o p e dah i g l l s p c e de l c c t r i c d 0 0 rc o n t m ls y s t e m h lt h i sp a p e r ，a l u t i 0 fb u i l d i l l gal l i g l l - s p e c de l e c t r i cd 0 0 rc o n t r o ls y s t e mf 研 b m s h l e s sd cm o t 0 璐w i t hh a i ，i ，p o s i t i s e n 硌b 撇d0 nc 8 0 5 1 f 3 1 0i sp f c n t c d ， i i l c l u d i n ge l e c t r o m o t i o na n dp l u gb r a l 【i n gs t m t e 酉e s ，锄dt w o c l o s e dl o o p sw h i c hi n d u d c v e l o c i t y 龃dp o s i t i o nc l o s e d1 0 0 pa r ed e s i 印e d 舡t h ee l e c t r i cd o o rr c q u i r c d ，t h e 职mi sa d o p t e di nt h i ss y s t e m i tm a k e st h e s y s t e ms t m c t u r es i m p l e 褫ds t a b i l e t h em o d u l ed e s i 印m e t h o da n d t h ea n t i - i n t e r f c r e n c e t e c h n i q u ea r ea d o p t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hm a k et h es y s t e ms a f e w i t h i p ( 】门l a b s i m u u n kt 0 0 1w e 锄a l y z et h ec o n t m ls y s t e mm o d e l ，i n c l u d i n ge l e c t r o m o t i o n 柚d p l u gb r a k i n gs t r a t e g i e s n r o u 曲t h es j m u l a t i o nc o m p a r e dw j t hl h ec x p e r j m e n t a t j 伽，w e l 【i l o wt h a tt h er e s u l ti sr i g l l t 孤di t9 0 0 df o rn e x tw o r k n ep ic o n t r o la r i t h l n e t i ci sm o s ta p p l i c a b l eo fm 觚yp o s s i b l ec h o i c e sa f t c r e x h a u s t i v ed i s c u s s i o n ，i n v e s t i g a t i o n ，s i m u l a t i o n 觚dc o m p a r i s o n t h et h e o r y0 fs y s t e m b r a l 【i i l gi sm a i n l ya n a l y z e d ，b m k i n g 孤d o r i e n t a t i o np r o b l 锄i ss o l v e db yt h ec o m b i n e d e n e r g yc o n s u m p t i o nb r e a k i n ga n dp l u gb r a k i n g k e y w o r d s ： e l e 嘶cd o o r ； b l d c ； c 8 0 5 1 f 3 1 0 ；c o n t r o ls t r a t e g y ； s i m u l a t i o n i l 溯办j 董大茅 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：灞踊日期：仞口净夕月秒7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 指导教师签名：套素牮 u i 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 电动门概述 第1 章绪论 近年来，电动门( 卷帘门) 得到了越来越广泛的应用。它采用交流电机驱动， 两侧安装了导轨，与变速系统合成一体，配有智能型安全障碍物感应系统，具有 自动延时自动关门功能，无论在开门或关门过程中，遇到障碍物或轻微碰撞后， 安全系统会做出合适的判断，指令电机开门自动上升回位或停止，避免发生危险， 如果遇到断电可应用蓄电池。现代电动门是装卸平台的理想选择，对于现代物流 及仓储中装卸平台，需选用与其相配用的门体同时使用才能提高工作效率。电动 门运行功能快速，可保证频繁装卸的升降台、叉车等，使其更加自由的出入，安 全可靠。 随着市场的发展，每年全球各类自动门、电动门年安装总量已达6 0 0 0 万门， 并且以2 2 的速度递增，而中国更已成为全球自动门、电动门及出入口控制设备 的最大市场及生产制造中心。但国内的产品多为从国外进口。国外生产自动门的 公司很多，常见的公司有德国的b u 峪l ，瑞士的t o r m a x ，意大利的p a ，日本 的n a t i o n a l 等等。这些产品功能繁多，性能可靠，但普遍价格偏高，操作复杂。 如瑞士的t o r m a x 生产的电动门，其控制采用微处理器，在无任何道轨的情况下 均能按预定路线行驶，如受外力影响而使机头完全偏离预定路线时，它会自动检 索预定路线，自动纠错，保证门体按预定路线行驶，其门的开启速度可达1 5 m s ， 可自动检测开关门行程位置，自动适应门体阻力的变化，且噪音低，功能多，但 其价格也是国产的几倍；而国内设计的同类产品性能不稳定，故障率较高，需要 频繁的维护，增加了运营成本。 与国外相比，目前国内电动门产业的现状是： ( 1 ) 厂家多，规模小，几年来，电动门在国内得到了快速的发展。据不完 全统计，目前国内大大小小生产车库自动门开门机的厂家已有5 0 多家，但普遍生 产规模小，自主研发能力差。从新产品开发能力和质量稳定性方面还不具备和进 口产品竞争的实力。 ( 2 ) 专业化分工趋势显现，早期的开门机生产厂家，一般是自主研发和生产， 顶多委托代加工部分零部件。近两年来，出现了专门生产开门机主要部件的厂家， 如电机、主控板、遥控器传动件、塑料件等出现了专业生产厂家，这一趋势使生 湖北工业大学硕士学位论文 产开门机的门槛降低，进入的厂家进一步增多，导致竞争更加激烈。 ( 3 ) 高、低档次的市场分明，进口产品借助质量和品牌优势，占据了高端市 场，目前国内厂家的产品基本上也都具备了比较完善的功能，但生产工艺略嫌粗 糙，质量水平参差不齐，整体档次较低，主要集中在低端市场。 ( 4 ) 产品同质化和市场特点导致利润微薄，产品同质化严重，其结果是众多 厂家一味地比拼价格，导致利润微薄。同时，由于价格过低，也使产品的持续改 进和发展受到限制。 下表是一家公司的技术指标，在国内是很有代表性，能满足一般的要求，但 在智能化方面还有待进一步发展。 表1 1万盛快速门主要技术指标及特点 开启速度每秒1 1 5 m 的最低开启速度( 可调) ，高频开启( 1 0 0 0 1 5 0 0 次天) 1 门框下面有红外线感应装置( 人、车辆经过时门体不下落) 2 门帘底部有压力感应器，门体下落时受力2 公斤左右自动上升； 安全可靠 3 可根据风压大小安装自动脱轨系统( 受撞击时自动停止、门体回位) ； 4 控制系统使用低压安全电源，接地端子连接需方提供的专用地线。 德国名牌s e w 电机、三相3 8 0 v ，5 0 h z 、i p 5 5 功率为0 7 5 千瓦到1 5 驱动系统千瓦，1 5 0 0 转分；承载大负荷s 4 型。专用马达强力刹车器蜗轮减速机 一体式。 日本三菱变频器、p l c 电脑编程控制，断路器、熔断器、继电器与各种 控制箱 常用性保护装置兼容。 1 2 电动门驱动及控制技术的发展 随着电动门市场的发展，使用者对电动门的要求也越来越高，电动门的技术 也有了长足的发展。从手动到电动，从单一功能到多功能，无不体现着电动门行 业的发展。而今，人们对电动门提出更高的要求，如智能化，现在已有产品是将 整个运行过程用程序编程，但智能化不高，如程序易错乱、系统易失控，影响电 动门的正常使用。今后的电动门还将进一步提高智能化程度，如自动检测开关门 行程位置，自动适应门体阻力的变化，以始终保持较高的遇障保护灵敏度等。除 以上外，还将增加一些新的功能，如免维护，采取多种措施，减少使用过程中的 维护工作；多样化，将会有各种各样不同外观和功能的产品，满足用户的不同需 要；高安全性，随着用户安全意识的提高，安全性将是用户非常注重的一项指标， 也将是一项基本要求，如和住宅安防系统配合使用等。 2 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 电动门的无刷电机驱动 近年来，无刷直流电机由于其高功率密度、性能好、结构简单、输出转矩大 等特点，受到普遍关注【l l ，广泛应用于伺服系统、医疗器械、仪器仪表、化工、轻 纺以及家电行业( 冰箱、空调、洗衣机等) 等国民经济的各个方面1 2 j 。 1 3 1 无刷直流电动机 无刷直流电动机( 以下简称无刷电机) 是随着永磁材料、电力电子技术、计 算机技术等迅速发展起来的一种新型电机。与传统有刷直流电动机相比，无刷电 机转子为永磁体，定子嵌放电枢绕组，有利于更好地散热；采用电子换相代替换 向器及电刷的机械换向装置，可靠性更高、免维修、寿命长、电磁干扰小、噪音 低，无刷电机与有刷直流电机性能比较见表1 2 。 表1 2无刷直流电动机与有刷直流电动机性能比较 项目无刷电机传统直流电机 2 0 0 0 0 h 以上，取决于轴承3 0 0 0 5 0 0 0 h 对负载和环 使用寿命 寿命 境条件变化明显 难，需定期检查和更换电 维修容易，且基本不需维修 刷 噪声小大( 有电刷噪声) 很高( 电机热量从定子散 高( 主要是整流损耗和励 效率磁损耗，但发热在转子 发) 上) 功率密度高较高 与交流异步电动机相比，无刷电机调速和控制性能优良，转动惯量小，动态 响应快；无刷电机的转子为永磁体，无励磁损耗，因而无刷电机的效率和功率密 度更高，更适合于空间有限的场合【3 1 ，无刷电机与交流异步电机性能比较见表3 。 表1 3 无刷电机与交流异步电动机性能比较 项目无刷电机交流异步电机 效率高( 无转子损耗)低( 有转子绕组损耗) 功率密度 一 低两 过载能力两低 动态响应性能很快( 转动惯量小)快( 转动惯量大) 调速范围小( 弱磁范围窄)大( 弱磁范围宽) 价格局 低 3 湖北工业大学硕士学位论文 由于无刷电机的优异性能，其应用更加广泛。据美国m 订预测公司的报告， 仅就1 9 8 6 年美国市场而言，在全部控制电机中，无刷电机占7 ，而1 9 9 1 年占1 6 ， 增长速度很快1 4 j 。 我国是稀土王国，稀土蕴藏量共计3 7 0 0 万吨，占世界总储量的8 0 ，这为我 国发展稀土电机创造了得天独厚的物质条件【5 】o1 9 8 3 年以前，由于稀土永磁材料 价格昂贵，研究开发重点是军工领域等要求高性能而价格不是主要因素的高科技 领域。1 9 8 3 年，性能优异而价格相对低廉的钕铁硼永磁材料问世，研究开发重点 转移到工业和民用电机上1 6 j 。 稀土无刷电机的主要特点有8 1 ： ( 1 ) 噪音小：与传统直流电机相比，没有电刷，所以不会产生机械换向引起 的噪音； ( 2 ) 稀土永磁材料的高磁能积，使得电机可明显降低重量，减小体积； ( 3 ) 稀土永磁材料的内禀矫顽力h c 极高，磁场定向性好，容易实现在气隙中 建立近似于矩形波德磁场，电机可设计成方波电机，与1 2 0 0 导通型三相逆变器相 匹配，可实现方波驱动，从而可有效地减少力矩波动，同时提高电机的出力。而 且，电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小，故稀土永磁无刷直流电机更适合突 然反转，堵转驱动等特殊场合的性能要求。 1 3 2 无刷直流电动机控制 近几年来，随着微电子技术的迅速发展，使得各种高性能微处理器不断推出， 加速了无刷直流电机控制系统的发展。由于微处理器技术的日益更新，无刷直流 电机控制系统开始由传统的模拟技术转向微处理器控制的数字技术。数字控制系 统技术不但使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论的应用提供了物质 基础。特别是适用于实时控制系统的工业单片机和高速数字信号处理器。在电机 控制中的应用，大大简化了系统结构，提高了系统性能。微处理器控制系统把计 算机技术与自动控制理论相结合，这种系统与模拟硬件构成的系统相比较，具有 以下特点： ( 1 ) 程序控制：任何一种控制规律的实现都可以程序化，而控制规律的改变 只不过是程序的改变而已； ( 2 ) 数字控制：计算机的输入输出信息都是数字信息，计算机控制系统对被 控对象的信息进行采样、量化、保持等变换； ( 3 ) 实时控制：计算机的信息处理过程与控制过程相适应； ( 4 ) 综合控制：可以以计算机为中心实现多变量、多回路、多对象、多工具、 4 湖北工业大学硕士学位论文 变参数和自适应的综合控制。 而今，第三代电力电子器件智能功率模块口m 已推出，并进入实用阶段。 2 0 世纪8 0 年代初发展起来的新型复合器件i g b t ，其集功率g t r 和m o s h t 的优点于一体：高的输入阻抗，开关速度高，开关损耗小，驱动电路简单，驱动 需求功率小【9 j 。在大功率电力电子器件应用中，i g b t 已经取代g t r 和m o s h t 成为主流。目前，由i g b t 单元构成的功率模块在智能化方面得到了迅速发展，智 能功率模块口m 不仅包括基本组合单元和驱动电路，还具有保护和报警功能。口m 以其完善的功能和高可靠性创造了很好的应用条件，利用i p m 的控制功能，与微 处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统。i p m 模块适用变频器、直流调 速系统、d c d c 变换器以及有源电力滤波器等 随着控制理论的不断发展，智能控制1 1 0 】在无刷电动机控制中的应用己经成为 一种新趋势。许多现代控制理论如p m 控制、矢量控制、模糊算法、神经元网络 和专家系统等，均被用于无刷直流电机的控制。其中，经典p m 控制与模糊控制 相结合的f 忱z v p i d 控制，人工神经网络和模糊控制相结合的复合控制，以及遗 传算法和模糊控制相结合的控制方法代表着当前智能控制的研究方向。智能控制 是控制理论发展的高级阶段，其最大特点是自学习、自适应、自组织等功能，能 够解决模型不确定性问题、非线性控制问题等比较复杂的问题。 随着电子器件的发展，无刷电机向高电压，大电流方向发展，新的控制方式 和策略使得无刷直流电机进一步发展，不论是电磁噪声还是电流波形都得到改善。 在各种高性能控制系统中选用无刷电机是一种必然趋势【9 1 ，电动门系统采用无刷直 流电机驱动，体现出节能环保、高性能、低成本、高效率等特点。这里特别要指 出的是，在电动门中采用无刷电机驱动，通过合适速比涡轮涡杆减速机减速，可 以大大减化系统的控制策略。 1 4 本文研究的内容及论文安排 本课题的主要工作及研究内容为： ( 1 ) 广泛阅读与课题相关的文献资料，深入了解永磁无刷直流电机及控制策 略； ( 2 ) 研究电动门系统的设计方案，分别进行了电动方案、四象限运行方案进 行设计，从软件及硬件上进行实现； ( 3 ) 建立电动门系统m a t l a b s i n u l i n k 仿真模型，验证系统的可行性； ( 4 ) 对电动门系统进行了实验，获得了主要的实验波形和结果。 5 湖北工业大学硕士学位论文 本文的章节安排如下： 第一章综述电动门及其电机驱动与控制技术的现状和发展趋势； 第二章介绍高速电动门的系统构成，对系统中的主要单元进行分析，讨论 电动门用高压无刷电机控制器、霍尔定位原理和系统的计算机控制； 第三章本章研究基于高速电动门上、下电动运行的计算机控制系统，比较 详尽地讨论了电动门的最佳控制监线以及系统的软、硬件实现，最后给出了高速 电动门高的部分调试结果。； 第四章本章研究基于四象限运行的高速电动门的计算机控制系统，构建了 系统的软、硬件，并进行了试验，并讨论了系统的抗干扰问题； 第五章建立电动门系统m a t l a b ，s i 姗l i n l 【仿真模型，对系统的电动和倒拉反转 方案进行了仿真，仿真结果和试验一致。 6 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章高速电动f 】无蓐唾电机驱动及控制系统概述 本章首先介绍高速电动门的系统构成，然后对系统中的主要单元进行分析， 重点讨论电动门用高压无刷电机控制器、霍尔定位原理和系统的计算机控制。 2 1 高速电动门的系统构成 电动订系统是用在大型仓库、会展中心等地方，它两边装有导轨，保障运行 平稳、快速。其主要技术指标如下表： 表2 1 电动门系统指标 项目 技术指标 运行速度 开启频率 驱动系统 控制系统 1 m 席 1 0 0 0 - 1 5 0 0 _ 天 硼炖桃，2 2 0 a c ，1 8 稠幽，熏5 k w m c u 编程控制，1 p m 模块 本文研究的高速电动门系统由外部信号、单片机、无刷电帆及其通用控制器、 减速机、滚筒、蓄电池等部分构成，系统框图如图2 1 所示。 图2 重电动门系统框图 电动门系统采用湖北工业大学稀土电机及控制研究所自主开发的高压稀土永 磁无刷电机及其通用控制器。高压无刷电机额定功率1 5 千瓦，额定转速1 8 0 0 转 分，控制器输入电压为2 2 0 v ( 交流) 。系统的外部信号包括无线遥控信号、光电 7 湖北工业大学硕士学位论文 感应信号、雷达信号、位置校正信号和键盘初始化。键盘初始化的作用是根据电 动门的不同规格，在电动门安装时由技术人员写入相关的参数。减速机构速比为 2 5 ，蓄电池作为外部停电时控制器的备用电源。 在本系统中，控制核心是单片机，它完成系统的控制逻辑、外部信号的处理、 过流、过压的保护以及速度、位置闭环。当有外部信号过来时，如光电感应、雷 达感应等，单片机就会发出相应的指令进行控制。当控制系统要求电动门转动时， 无刷电机通过减速机带着滚筒转动，由于门体就固定在滚筒上，所以门体就被卷 起。在试验中，门体是用嵌入了铁条的布来代替。 2 2 组合铁心高压稀土永磁无刷电机 所谓组合铁心，即定子铁心由若干小铁心拚接而成，集中绕组绕制在每块小 铁心的齿上。如下图2 2 ： 图2 2 组合铁心结构图 在电动门无刷电机试制过程中，尝试了两种定子结构：一种是采用传统的定 子铁心冲片，槽内放置分布绕组；另一种采用组合铁心，在其齿上绕制集中绕组。 按前一种方案试制过程中，遇到了下线和端部接线的困难。由于电动门无刷电机 定子铁心内径不大，人工下线时操作空间非常狭小，加之漆包线较粗，要求的槽 满率较高，下线效率很低，因此不能满足大批量、自动化生产的工艺要求；另外， 由于端部接头多，使端部过高过厚，需要较深的端盖，导致电机体积增大。显然， 对电动门无刷电机来讲，传统的定子结构不是一个较好的选择方案。 为了解决上述问题，试制中尝试了组合铁心，集中绕组绕制在每块小铁心的 湖北工业大学硕士学位论文 齿上。与传统的定子铁心冲片相比，采用这种定子结构有许多优点：一是可以采 用机器自动绕线，大大减小下线工时；二是可以简化定子铁心冲模，对于8 极1 2 槽组合定子铁心结构，只需制造1 个铁心冲模即可；三是可以利用大电机冲片过 程中的边角材料进行冲片，这样材料几乎没有什么浪费，显著地提高了材料的利 用率；四是线圈端部高度明显降低，便于霍尔电路板的安装。总之，组合铁心是 一种非常适合电动门无刷电机的定子结构。 当然，组合铁心对冲片精度有较高要求。若定子铁心冲片精度过低，会使铁 心拚接困难，组合铁心的同心度也不好，直接影响电机性能。组合铁心制造时， 要选用高速铁心自扣冲模，这种冲模冲片速度高，同时还可以叠片成形，大大提 高组合定子铁心的制造效率。 本系统驱动电机采用无刷电机作为驱动电机，其结构为8 极1 2 槽，如图2 3 。 图2 38 极1 2 槽结构示意图 2 3 基于i p m 的高压无刷电机控制器 本系统无刷电机控制器功率开关器件选用同本三菱公司的p s 2 1 2 6 7i p m 【1 1 】， 它自带了驱动电路、高低电平转换电路，驱动欠压保护电路、过流保护电路，其 最大特点是在信号输入接口匹配3 v 、5 v 正逻辑驱动，而且与控制电路不需要采 用光耦电气隔离，即可以和i o 输出电压3 3 v 的m c u 直接相连，简化了控制器 的硬件结构，同时降低了控制器的成本。 9 湖北工业大学硕士学位论文 2 3 1 高压无刷电机控制器简介 本系统的高压无刷电机控制器，能够实现无刷电机的起停、平滑调速、制动、 正反转、过流保护、过热保护、恒电流起动等功能，并具有运行可靠、集成度高、 操作简便、保护功能完善、调速范围宽，低速转矩脉动小，系统效率高等优点。 表2 2 电动门控制器指标 项目指标 额定电压 额定电流 系统效率 调速范围 散热器温升 2 3 2i p m 器件的选择 2 2 0 v ( a c ) l o a ( d c ) 9 0 1 0 一l 6 0 。c ( 不带风扇) 智能功率模块1 1 2 】( h l t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，i p m ) 是一种先进的功率开关器 件，具有g ，m ( 大功率晶体管) 高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点【1 3 】【1 4 1 ， 以及m o s h t ( 场效应晶体管) 高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。 而且i p m ( 内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小 了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件 的发展方向，即模块化、复合化和功率集成，在电力电子领域得到了越来越广泛 的应用【1 5 j 1 1 6 1 。与其它方案( 如l g b t ，g t o 等) 相比，采用口m 智能功率模块有 以下优点： ( 1 ) 开关速度快：i p m 内的i g b t 芯片都是选用高速型，而且驱动电路紧靠 i g b t 芯片，驱动延时小，所以i p m 开关速度快，开关损耗小。 ( 2 ) 低功耗：i p m 内的i g b t 导通压降较低，开关速度又快，故i p m 的功耗小。 ( 3 ) 快速的过流保护：i p m 实验时检测i g b t 电流，当发生严重过载或直接短 路造成过流时，i g b t 将被软关断，同时送出一个故障信号。 ( 4 ) 过热保护：在靠近i g b t 芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，过热 时，i p m 内部控制电路将截止栅极驱动，不响应控制输入信号，直到温度恢复正 常，从而保护了功率器件并送出保护信号。 ( 5 ) 桥臂对管护锁功能：串联的上下桥臂的驱动信号互锁，有效地防止了直通 现象的发生，提高了工作的可靠性。 ( 6 ) 驱动电源过压、欠压保护：i g b t 的驱动控制电源一般为1 5 v ，当高于或 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 低于1 0 时，就会造成驱动能力不够，增加导通损耗，甚至会烧坏功率开关管。 而在检测到电压高于或低于标准电压一定时间才截止驱动信号，这样就避免了由 干扰毛刺造成的瞬间干扰产生的误动作。 图2 4 口m 榨制器框图 2 4 高速电动门无刷电机驱动的霍尔定位 2 4 1 转子位置传感器 在无刷直流电动机中，转子位置传感器主要起两个作用：一是通过它检测转 子所处的位置，以便确定定子绕组电流换相驱动导通顺序；二是确定电子换相电 路驱动线路中功率晶体管的导通角，从而确定电枢磁场的磁状态。为了实现这两 个目的，工程上可以采用电磁式旋转变压器、光电式传感器、高频耦合式传感器、 磁阻元件传感器和霍尔元件传感器等，不同类型的转子位置传感器的比较如表2 3 。 表2 3 不同类型的转子位置传感器的比较 项目 结构体积耄茬纂毒精度功耗譬萎蓁鎏瘩型式 旋转变压器复杂大方便大高小高不严宽 光电式 警 较大 絮 较大较高较小较差较严一般 磁阻元件简单小难小低小较差较严较窄 霍尔元件简单小难小低大差严窄 高频耦合式简单较小方便小较低小高不严宽 湖北工业大学硕士学位论文 霍尔元件传感器具有重量轻、尺寸小、制造成本底和便于大规模生产等优点， 也存在着对环境条件要求严、温度适应范围窄和可靠性差等缺点1 1 7 j 。本系统无刷 电机采用霍尔元件传感器，它也能满足电动门系统的要求。 2 4 2 霍尔定位原理 在本系统中，霍尔信号【1 8 l 还有另一个应用，即起到定位作用。无刷电机每转 一圈的霍尔脉冲数是一定的，当减速机的速比和滚筒的外径确定后，电机每走一 个脉冲所对应电动门的运行高度也是一定的，因此只要准确计算霍尔信号的脉冲 数，就能保证电动门行程的准确性。程度设计时，根据电动门的行程计算出对应 的总霍尔脉冲数，电动门上升时在计数器中加一个脉冲，下降时在计数器中减去 一个脉冲，然后与终点脉冲数进行比较，直至相等为止。 对于无刷电机驱动的电动门，不需要额外的器件产生脉冲信号，只需用无刷 电机换相所需的霍尔脉冲信号即可。本系统高压无刷电机采用三相星形六状态控 制方式，电机内配置3 个霍尔元件，彼此相差1 2 0 0 电角度n 无刷电机每转一圈所 产生的霍尔脉冲数p 为 p = 6 p ( 2 1 ) 式中， p 为无刷电机的极对数。 无刷电机的一个霍尔脉冲对应转子旋转6 0 0 电角度， 位精度为 日。生 玛 电动门的运行高度，即定 ( 2 2 ) 式中， d 为电动门滚筒的直径； ，为减速机的速比。 本系统中，无刷电机为四对极，减速机速比为2 5 ，滚筒直径为1 3 3m m ，则电 动门的精度为0 6 9m m ，即程序计数一个脉冲，电动门位移0 6 9m m ，此精度对于 一般电动门来说能够满足要求。显然，增加无刷电机的极对数和减速机的速比， 或减小滚筒的直径，都能够提高电动门的位置控制精度。 当然，程序运行过程中脉冲计数会有积累误差。如本系统要求电动门在3 0 锄 内完成加、减速，无刷电机的加速度和电流很大，过大的电流会对霍尔信号产生 干扰，检测电路可能会将这些干扰信号当作有效脉冲计入，电动门运行若干周期 后，累积偏差加大，使电动门的行程发生较大变化。为了解决这一问题，电动门 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 上还装有霍尔校正装置，电动门上升、下降时都会自动进行位置校正，以保证电 动门长期运行不会出现位置偏差。 2 5 高速电动门的计算机控制 无刷直流电动机控制器【1 9 1 的结构已有多种形式，如今流行的方法是使用高性 能的数字信号处理器来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求【冽【2 1 l 。将一 系列外围设备如模数转换器( d ) ，脉宽调制发生器( p w m ) 和数字信号处理器 ( d s p ) 集成在一起，就获得一个即功能强大又非常经济的电机控制专用m c u 。 2 5 1m c u 选型 m c u 的选用原则是综合考虑性能价格比。在电动门系统中，m c u 不需要做 复杂算法，速度不需要特别快；经过反复论证，对m c u 的i o 端口只要2 5 个以 内：需要有d ，a 输出，考虑到带d a 输出的m c u 价格都偏高，就采用p w m 加 滤波电路来实现d a 输出。综上，本系统选用c y 印a l 公司c 8 0 5 1 f 微控制器系列 的c 8 0 5 1 f 3 1 0 为控制核心。 2 5 2m c u 特点 c 8 0 5 1 f 3 1 0 器件是完全集成的混合信号片上系统型m c u 芯片【2 2 1 ，一些主要特 性如下： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) ； 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ； 带模拟多路器、真正1 0 位2 0 0k s p s 的2 5 通道单端差分a d c ； 高精度可编程的2 5 m h z 内部振荡器； 1 6 k b ( c 8 0 5 1 f 3 1 0 1 ) 可在系统编程的f l a s h 存储器； 1 2 8 0 字节片内洲； 硬件实现的s m b u s 1 2 c 、增强型u a r t 和增强型s p i 串行接口； 4 个通用的1 6 位定时器； 具有5 个捕捉比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器定时器阵列 ( p c a ) ： 片内上电复位、v d d 监视器和温度传感器； 片内电压比较器( 2 ) ； 2 9 2 5 个端口i o ( 容许5 v 输入) ； 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 2 5 3 数字测速 图2 5c 8 0 5 1 f 3 1 0 原理框图 ，i h 啊e f t w m l ，r x l 玉譬 a r 7 p j p 一 一 ， ， 数字测速【2 3 】i 卅瞵】具有测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等优点，被广 泛应用于调速要求高、调速范围大的调速系统。现在常用的数字测速方法有三种： m 法、t 法、m 厂r 法。 m 法测速是指在一定的时间t c 内测取编码器输出的脉冲个数m 1 ，用以计算这 段时间内的平均转速，把m 1 除以t c 就可得到编码器输出脉冲的频率厂l m ，瓦， 所以又称频率法，如图2 6 。电动机每转一圈共产生z 个脉冲，把f 1 除以z 就得到 电动机的转速。在习惯上，时间t c 以秒为单位，而转速是以每分钟的转速f m i n 为单位，则电动机的转速为 n ：垦堕( 2 3 )n = 2l z j 夕 z 瓦 上式中，z 和t c 均为常值，因此转速n 正比于脉冲个数m 1 。高速时m l 大，量化 误差较小，随着转速的降低误差增大，转速过低时m 1 将小于1 ，测速装置便不能 正常工作。所以m 法测速只适用于高速段。衡量测速算法的好坏，还需要知道它 的分辨率和误差率。分辨率是用来衡量测速方法对被测转速变化的分辨能力的， 用q 表示， q = 以2 一咒1 ( 2 4 ) 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 q 越小，说明该测速方法的分辨能力越强。 误差率指转速实际值和测量值之差，l 与实际值n 之比定义为测速误差率，记 作 。 6 。兰坚1 0 0 ( 2 5 ) 测速误差率反映了测速方法的准确性，6 越小，准确度越高。 m 法测速的分辨率为 q 一掣一等一罢 沼6 ， 误差率为 6 嘶l6 0 似l 一1 ) 6 一等 1 0 0 。上1 0 0 ( 2 7 ) m 1 么= f 。 门几n 门nn “；nn 几几门编码器输出脉冲 _ = 二= 二二= 二= 堑二二二二= 二= = 测速时间 图2 6m 法测速 t 法测速是指在编码器两个相邻输出脉冲的间隔时间内，用一个计数器对已知 频率为而的高频时钟脉冲进行计数，并由此来计算转速。在这里，测速时间源于 编码器输出脉冲的周期，所以又称周期法。在t 法测速中，准确的测速时间t t 是 用所得的高频时钟脉冲个数m 2 计算出来的，即正；m ：厂0 ，则电动机转速为 聘：旦；盟( 2 8 )聘= = 二二l z 一6 ， z 2 ：刎2 高速时m 2 小，量化误差大，随着转速的降低误差减小，所以t 法测速适用于 低速段，与m 法恰好相反。它的分辨率为 q z 施一鬻= 茄 沼叻 综合式( 1 8 ) 和式( 1 9 ) ，可得 q ；兰l ( 2 1 0 ) 。6 0 ，o 一勐 它的误差率为 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 f 。钓f q n 坐甓里灯慨一南姐嗍 协1 1 ) z m ， nn n 几n 丌丌n 几n 几几几几几哪雠几几几几nnn 口几删 卜i高频时钟脉冲 t c - m 2 f o 一 允许记数时间 - jl 广广编码器输出脉冲 图2 7t 法测速 m 厂r 法测速是把m 法和t 法结合起来，既检测t c 时间内编码器输出的脉冲个 数m l ，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数m 2 ，用来计算转速，称作m 厂r 法测速。设高频时钟脉冲的频率为毛，则准确的测速时间互一m ：厂o ，而电动机 转速为 行：盟：鱼唑! 厶 ( 2 1 2 ) 行= 2 = = o k z - 工z ， z 7 ：删2 采用m 厂r 法测速时，应保证高频时钟脉冲计数器与编码器输出脉冲计数器同 时开启与关闭，以减小误差，如图2 8 r l i 厂1 聂，l 1 一荛码器输出脉 几几几f 1nnnnn 几nn 几几nf 1nr 二2n 几nn 丌n 几门nnn 厂 卜卜叫高频时钟脉冲 二二二二二二二二二二二二二二二三二二二二二 允许记数脉冲 图2 8m 厂r 法测速 m 厂r 法测速分辨率在高速段与m 法相近，在低速段与t 法相近，所以兼有m 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 法和t 法的特点，在高速和低速都具有较强的分辨能力。它的误差率在低速时m 厂r 法趋向于t 法，在高速段m 厂r 法相当于t 法的m 1 次平均，而在这m 1 次中最多产 生一个高频时钟脉冲的误差。因此，m 厂r 法测速可在较宽的转速范围内，具有较 高的测速精度。 通过以上分析，m 厂r 法是结合了另两种方法的长处【2 6 j 【勿，所以在本系统中采 用的就是m 厂r 数字测速法，其软件设计在第3 章介绍。 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章基于电动运行高速电动门的计算机控制 本章研究基于高速电动门上、下电动运行的计算机控制系统，比较详尽地讨 论了电动门的最佳控制曲线以及系统的软、硬件实现，最后给出了高速电动门高 的部分调试结果。 3 1 系统组成及特点 3 1 1 系统组成及系统特点 电动门系统由外部信号、m c u 、无刷电机及其通用控制器、涡轮蜗杆减速机、 滚筒、蓄电池等部分构成，系统框图如图2 1 所示。本章研究一种基于霍尔信号定 位、稀土永磁无刷直流电动机( 以下简称无刷电机) 驱动的新型高速电动门控制 系统。本系统主要有两大特点：一为霍尔定位；二为电动上、下运行。首先，无 刷电机不仅具有良好的加、减速性能，而且还可以用反映电机转子位置的霍尔信 号来实现电动门的定位，省去了传统电动门中的定位编码器，简化了系成结构， 降低了成本；其次，采用永磁无刷电机驱动的电动门，下放时电机仍处于电动运 行状态，而不是传统电动门异步电动机驱动需要的制动状态，这是由于无刷电机 永磁转子磁拉力所产生的制动力矩，通过减速机的放大，制动力矩如果大于电动 门的重力力矩，电动门便不能由重力力矩拖动下放，必须依靠无刷电机的反向电 动运行才能实现电动门的下降，这样系统控制得以简化；第三，在传统电动门中 必须有机械或电磁制动装置，当控制器外部停电时，制动装置能“锁住”电动门，以 保证系统的安全，而无刷电机驱动的电动门则可省去该制动装置，当控制器断电 时，无刷电机通过减速机放大的制动力矩同样能“锁住”电动门。 3 1 2 位置控制 位置控制，就是通过霍尔脉冲信号个数来确定电动门位置【2 8 1 【2 9 】【3 0 1 ，即霍尔定 位。位置的改变，是通过电动机的工作来实现的，电动机的速度控制通常是按梯 形速度图进行的。在不同的使用情况下，最优的或最合理的速度图是不相同的。 图3 。1 和图3 2 是两种最常用的速度图，图中的最高角速度是电动机所允许的最大 加速度和最大减速度，所以能保证时间最省。图3 2 中加减速阶段的角速度近似于 指数函数，开始时角加速度较小并逐渐增大，已避免冲击：减速阶段到最后的角 湖北工业大学硕士学位论文 减速度越来越小，有利于准确停在目标位置上。两种速度曲线小的面积都应该等 于所要求的角位移量。 v o 图3 1 等加减速曲线自图3 2 指数加减速曲线图 为了准确地对设备进行位置控制【3 1 】【3 2 1 ，一般对位置自动控制有以下几点要求： ( 1 )电动机转矩不得超过电动机和机械系统的最大允许转矩； ( 2 )能在最短时间里完成定位动作，并且定位符合规定的精度； ( 3 )在控制过程中部应产生超调现象，并且系统应稳定； ( 4 )由于计算机是通过软件进行控制的，所以还要求控制算法简单。 为了满足上述要求，必须按最佳控制曲线来进行控制【3 3 1 【划【3 5 1 。 理想定位过程如图3 3 ，设位置偏差为s ：位黄的初始偏差为s o ：被控对象的 最大线速度为v m ；受最大允许动态转矩限制的最大允许加速度和最大允许减速度 都为a m 。从图3 3 可以看出，为了尽快地消除位置偏差，使被控对象能迅速移动 到所要求的位置上，就应使电动机以最大加速度a m 起动。那么，在加速阶段有下 列关系 y 一口。f ( 3 - 1 ) 则位置偏差量s 为 n & 一上眺一s 。一上口。础一s 。一言吖2 ( 3 - 2 ) 于是到达的时间为 厶：竖 ( 3 3 ) 1 口m 将( 3 2 ) 式代入( 3 1 ) 式，则此时的位置偏差值为 s 。；s 。一妄叠一 ( 3 4 ) 二“m 式中， 善是在加速阶段移动距离，如图3 1 所示。 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 由于此时还未达到所要求的设定位置，因此还需以最大速度y m 继续移动。而 何时进行减速是需要解决的，要处理好减速时间，必须综合考虑，以使得定位时 间最短而且定位准确。一般是采用最大允许加速度和最大允许减速度相等的原则， 因此，在减速阶段移动的距离正好等于加速阶段移动的距离。如果在s 2 = v 2 撬 处开始以最大允许减速度a m 减速，当速度减到零时，达到要求的设定位置，即s = 0 。 图3 3 理想定位过程 从以上的分析可以看出，要实现如图3 3 所以得理想定位过程可以分为3 个阶 段： ( 1 ) 首先以最大加速度口m ，加速到y 剐m ； ( 2 ) 维持y 剐m 运行直到s ：一吒知。； ( 3 ) 以s ：t 吒孙。处开始以最大减速度日m 减速，直到v ：o ，s = 0 。 从理论上说，这种定位过程在最短时间内应达到完成定位动作的目的，但是 在实际上不那么容易实现。由于受到采样采样控制和传动装置响应滞后的影响， 使得切换时间不可能正好是理想减速曲线的减速点，而有可能延长定位时间。下 面就来分析和研究s 从s 2 到0 的减速过程，并且探讨解决的办法。 设在s ：；吒2 口。处开始以最大允许减速度口m 减速，则 y = l ，。一口，o f o ) ( 3 - 5 ) s ；s 2 一舻 ( 3 - 6 ) 从式( 3 5 ) 和式( 3 6 ) 中消去t ，即得 ，2 = 2 口。s 或 v = ( 2 口。s ) l 心 ( 3 7 ) 由式( 3 7 ) 可以看出，当s 在s 2 到o 的区间时，v = f ( s ) 关系曲线为一抛 物线，如图3 4 所示由式( 3 7 ) 可得 l i m 坐， ( 3 8 ) 湖北工业大学硕士学位论文 从式( 3 8 ) 可以看出，在位置偏差很小的情况下，要实现如图3 4 所示的理 想减速过程所需系统的开环放大系数很大，因此，由于减速不准，不容易控制在 抱闸范围之内，故此种理想定位过程是不可能实现的。电动门系统上未安装机械 抱闸装置，而是靠电子制动实现机械抱闸功能。当转速还较高时，反电动势较大， 由 u 一压 l - 一玑 知，此时抱闸，电流i 将非常大，所以不允许抱闸。 j l ， ， 二) 么二二准确减