（机械制造及其自动化专业论文）新型冷库门运动控制器研究与设计.pdf

摘要 冷库门运动控制器设计是决定冷库门产品整体性能的关键，是工业门生产企 业提升其自身竞争力的核心技术之一。 本文以江苏省海门市雪盾冷冻设备有限公司与南京理工大学产学研合作为 背景，针对企业原有的冷库门控制器在门速不能准确控制、有效防夹区段过窄及 人机接口不完善等方面的不足，提出了改进型冷库门控制器设计方案。对原冷库 门驱动电机控制方案、防夹方法及部分接口电路的硬软件进行了改进设计。 首先，提出了基于模糊神经网络的驱动电机直接转矩控制方案，并通过将其 与传统直接转矩控制方法下的m a t l a b s i m u l i n k 仿真结果进行对比，理论上验证 了该方案可实现准确快速的速度控制，且具有较小的转矩脉动。 其次，基于基本的电机定子电流检测防夹方法，提出了多点上限电流实时插 补的防夹方案，扩大了冷库门有效防夹区段，在此基础上还增加了机械防夹结构， 使冷库门的运行更加安全可靠。 进而，根据新控制方案的需要，完成了系统硬件和软件的详细改进设计。对 基于d s p 的运动控制器硬件电路进行了改进设计，如：按键及旋钮接口电路、 定子电流检测电路及通讯接口电路。用c 语言完成了各个控制软件模块的编程， 如开关门动作控制模块、电机控制模块和系统中断模块等。 最后，通过现场调试，验证了系统可实现对门速的准确控制，关门防夹力明 显减小，人机接口功能也使系统运行更加方便灵活，这些都表明冷库门运行性能 得到一定提升。 关键词：冷库门，运动控制器，模糊神经网络控制，直接转矩，防夹，数字信 号处理器 a b s t r a c t a sak e yf a c t o rw h i c hd e t e r m i n i n gt h ew h o l ep e r f o r m a n c eo fr e f r i g e r a t o rd o o r , t h ed e s i g no ft h em o t i o nc o n t r o l l e ri sr e g a r d e d 弱o n eo fc o r et e c h n o l o g i e so f m a n u f a c t u r e r sw h i c hc a ne n h a n c et l l e i rc o m p e t i t i v e n e s s b a s e do nt h er e s e a r c hc o o p e r a t i o nb e t w e e nn a n j i n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya n dx u e d u nf r o z e ne q u i p m e n tc o ，l t d i nh a i m e n , j i a n g s up r o v i n c e , f a c e dt os h o r t a g e so ft h eo r i g i n a ld e s i g n , s u c ha si n a c c u r a c yc o n t r o lo fd o o rs p e e d , n a r r o wa n t i s q u e e z er a n g ea n di n c o m p l e t em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n ds oo n , b o t h h a r d w a r ea n ds o t t w a r ed e s i g ns c h e m eo fa d v a n c e dr e f r i g e r a t o rd o o rm o t i o nc o n t r o h e r w a sp u tf o r w a r d t h em o t o rc o n t r o ls t r a t e g y , a n t i s q u e e z em e t h o d ，a n dp a r to f m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ew e r ei m p r o v e d f i r s t l y , ad i r e c tt o r q u ei n d u c t i o nm o t o rc o n t r o l ( d t c ) s t r a t e g yw h i c hb a s e do n f u z z yn e u r a ln e t w o r k ( f n n ) w a sp r o p o s e d b ys i m u l a t i o na n dc o m p a r i s o nt ot h e p e r f o r m a n c eo fo r i g 1t r a d i t i o n a ld t c s y s t e mw i t hm a t l a b s i m u l i n k ，i tw a ss h o w n t h e o r e t i c a l l yt h a tm o r ea c c u r a t ea n df a s t e rs p e e d e o n t r 0 1a n ds m a l l e rt o r q u ep u l s a t i o n h a db e e na c h i e v e d t h e n ，am u l t i c u r r e n t - u p p e r - l i m i t so n - l i n ei n t e r p o l a t o ra n t i - s q u e e z em e t h o di s p r o p o s e db a s e do nm o t o rs t a t o rc u r r e n td e t e c t i o na n t i - s q u e e z em e t h o d , a n da l s oa m e c h a n i c a la n t i s q u e e z ec o n s t r u c tw a sd e s i g n e d t h ee f f e c t i v er a n g ei se x t e n d e ds oa s t oi m p r o v er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yd u r i n gd o o ro p e r a t i o n m o r e o v e r , t h ed e t a i l e dd e s i g no fa d v a n c e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew a sc a r r i e d o u t h a r d w a r ec i r c u i t s w h i c hi n c l u d eb u t t o na n dh o bc i r c u i t ，s t a t o rc u r r e n td e t e c t i o n c i r c u i ta n dr s 2 3 2i n t e r f a c ec i r c u i t ，w e r ed e s i g n e db a s e do nd s e s o f t w a r em o d u l e s ， w h i c hi n c l u d e do p e na n dc l o s em o d u l e ，m o t o rc o n t r o lm o d u l ea n ds e v e r a li n t e r r u p t i o n m o d u l e sw e r ed e v e l o p e dw i t hcl a n g u a g e f i n a l l y , t h r o u g hf i e l dt e s t i n g ，i tw a ss h o w n t h a td o o rs p e e dc o u l db ec o n t r o l l e d a c c u r a t d y , t h ea n t i s q u e e z ef o r c ec o u l db ed e c r e a s e do b v i o u s l y , a n dt h em a n - m a c h i n e i n t e r f a c ec a nw o r kf l e x i b i l i t y a sar e s u l t , t h ea d v a n c e dr e f r i g e r a t o rd o o rm o t i o n c o n t r o l l e re n h a n c e st h ep e r f o r m a n c eo fr e f r i g e r a t o rd o o r k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t o r d o o r ，m o t i o nc o n t r o l l e r ，f n n - d t c ，a n t i - s q u e e z e ，d s p 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。 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： 如严月m 一日 硕士论文新型冷库门运动控制器设计 1 绪论 1 1 引言 冷库门是一种工业门，属于物流周边设备【1 1 。运动控制器作为冷库门的核心 器件，通过电机和传动系统控制着整个冷库门的运行过程。其性能的好坏直接关 系到冷库门的使用功能能否实现，以及运行性能的优劣，是衡量一个冷库门产品 整体性能的关键指标。因此，在整个工业门制造领域，运动控制器的设计已经成 为各个厂家提升其自身竞争力的核心技术，对于运动控制器的研究设计更成为整 个工业门设计过程中最关键的一环。 随着高性能微电子芯片、电力电子器件和各种传感器件的不断涌现，以及新 的控制方法特别是智能控制方法的发展完善，为冷库门控制系统的发展提供了广 阔的空间。 近几年，国外的工业门制造行业中涌现出了大量新型的运动控制器【2 训，这 些厂家的工业门控制器的控制功能各有千秋，但从整体来看，呈现以下的发展趋 势： ( 1 ) 智能化控制方法 主要体现在冷库门驱动电机速度控制方面【s 罐1 。已有越来越多的智能控制方 法被应用于冷库门控制器的设计，使冷库门运行速度更加快速、平稳。美国的 s t a n l e y 公司的m f 系列平开门拖动电机就是用模糊方法对自动门运行速度进行 调节的，有效的减小了自动门的实际运行速度与理想速度曲线之间的误差p j 。 此外，普通的冷库门在每次开启时，门扇将走遍整个行程。冷库内外温差较 大，当冷库门处于打开状态时，冷库内的冷气会快速扩散至冷库外，造成冷气流 失。此时，库内制冷设备必须消耗额外的能量来维持库内温度，造成了电能的浪 费。 为了减少冷库内冷气的流失，降低冷库制冷设备的开支，日本t a n a k a 公司 开发出一种智能自动工业门，它能根据不同通行物的不同体形特征决定门需要开 多大。这种智能门上装配有大量红外传感器，当人或车辆需要穿过门的时候，构 成门扇的水平条( 由计算机控制) 便根据人的头、肩、身躯、脚、手及随身携带的 箱包等参数再加上5 厘米至1 5 厘米的剩余活动空间准确打开【1 0 】。 瑞典c r a w f o r d 公司生产的2 0 0 0 型工业门具有更多的智能化功能：智能化防 夹力设置功能、智能化速度曲线设置、智能化开关门速度及位置检测。这些功能 都使工业门的使用变得更加方便、安全【l 。 ( 2 ) 参数化设计思想 1 绪论硕士论文 传统的运动控制器通常是针对特定的传动系统和冷库门体进行设计的。如果 冷库门电机参数、传动比或冷库门重量发生变化，则整个控制器软件要重新调整。 这不仅给调试工作带来不便，而且增加了厂家的生产成本。此外，即便是相同的 冷库门，用户也可能需要根据实际情况对原有的运行参数做出调整，而传统的控 制器一旦软硬件设计调试完成，其控制参数不能在线调整，给用户带来极大不便。 o b e d 公司的o b d 1 5 0 自动门采用闭环的无刷电机速度控制算法，实现对电 机速度的准确的控制。在此基础上，其控制器面板上配置了调制旋钮、组合按键 以及l e d 显示屏，提供给用户良好的人机接口。这些外设不仅可以实时显示工 业门运行状态信息，而且允许用户对自动门运行相关参数进行修改，若修改过的 参数不能满足要求，还可一键恢复至初始设置【1 2 1 。 ( 3 ) 完善的安全策略 冷库门重量通常较大，运行过程中如果夹到或撞到工作人员或运货车辆将造 成严重的事故，后果不堪设想。在国内，工业门夹伤人的事故常有发生【1 3 】。现代 社会注重以人为本，产品安全性能的好坏已经变成评价一个企业社会责任感的重 要指标。目前，冷库门的安全性能越来越受到各生产厂商的重视，他们采取了各 种措施以保证门运行的安全性。 传统的防夹方法是在冷库门内缘安装安全开关装置，当有物体碰到开关时， 通过电器控制回路使冷库门电机停转，达到防夹防撞的目的【1 4 】。这种方法使控制 系统成本增加，但由于机械开关容易出现故障，其可靠性并不好。 瑞士r e c o r d 公司生产的d s t a l 7 型双开工业门安装有微波感应器，当人靠 近门时，感应器感到运动，门扇打开。如果开门延迟时间内，感应器没有探测到 任何运动，门扇关闭【1 5 】。c r a w f o r d 公司生产的2 0 0 0 型自动门则是通过检测无刷 电机端电流来计算电机输出力矩的变化。当门体遇到障碍时，电流增大，达到一 定的安全电流上限时，控制器控制自动门作回程动作，避免夹伤人员。 与国外工业门控制器产品相比，由于国内工业门产业起步较晚，技术相对落 后。以南京宝豪公司生产的自动门为例，其传动系统使用无刷直流电机作为动力 源。由于成本限制，电机功率较小，导致冷库门开关速度较低( 关门速度 2 0 0 7 5 0 m m s ) ；防夹算法较简单，安全性能差；没有提供人机交互接口，运行过 程中参数无法调整。 本项目是由江苏省海门市雪盾冷冻设备有限公司提出委托申请，以南京理工 大学机械工程学院为研究主体，在公司原有控制器的基础上，使用智能控制方法 和参数化思想，对其进行多方面改进，为雪盾牌电动冷藏库门系列产品设计更加 安全的智能化运动控制器。 1 2 冷库门控制器关键技术发展现状 2 硕士论文新型冷库门运动控制器设计 冷库门控制器的设计涉及多项关键技术。其中，对冷库门运动速度的准确控 制是整个控制算法的核心，也是实现参数化设计的基础；冷库门防夹方法是系统 安全运行的基本保障；系统参数化设计保证了控制器的可移植性，实现了运行参 数的在线可调。 1 2 1 驱动电机控制技术 由于冷库门是成本敏感性产品，雪盾牌冷库门选择了三相异步电机作为系统 动力源。这种冷库门拖动电机是一个时变、非线性、强耦合系绀1 6 1 ，且冷库门路 况复杂，不同的传动系统所需电机输出力矩也不同，这种复杂性使得各厂家将对 冷库门速度控制方法的研究设计作为整个控制器设计过程的重点【1 7 捌】。 目前，国内外工业门普遍使用的速度控制方法主要有三种：v f 控制算法、 矢量控制算法以及直接转矩控制方法。此外，随着智能控制理论和方法的不断发 展完善，出现了各种智能冷库门速度控制方法【2 2 】。 ( 1 ) v f 速度控制算法 v f 控制算法是各工业门生产厂家最早研究并使用的速度控制方法，雪盾牌 冷库门原有运动控制器使用的正是这种速度控制技术瞄l 。这种方法基于异步电 机静态数学模型，实际上是一种开环控制系统。 运用这种方法的优点是结构简单，易于实现，成本低，这也正是原有控制器 使用此方法控制冷库门运动速度的原因；其缺点是控制速度静态和动态性能都不 好，调试过程较长，且不易实现参数化设计，因此目前使用这种速度控制方法的 工业门已经越来越少了。 ( 2 ) 矢量控制算法 矢量控制系统的基本原理首先是由德国西门子公司工程师f e l i xb l a s c h k e 以 及美国p c c u s t m a n 与a a c l a r k 在2 0 世纪7 0 年代共同提出的，后来w l e o n h a r d 教授利用空间矢量模型完成了高性能矢量控制系统的论述。 国内的吴玉香和毛宗源设计的自动门控制器上使用了矢量控制的方法实现 自动门速度的准确控制【2 4 】。这种方法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 矢量在适当的坐标系下分解为励磁电流矢量和转矩电流矢量，分别进行控制，保 持励磁电流矢量的幅值不变，直接以瞬时转矩电流矢量为控制对象。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，实现 了正交或解耦控制。 与v f 方法相比，运用矢量速度控制方法使冷库门运行速度范围扩大：它的 速度控制范围为o 1 0 0 ，而恒v f 控制只能达到1 0 1 0 0 ，这使得冷库门启动 过程更加平稳：它的启动性能也明显优于恒v f 控制，启动转矩可达1 0 0 ，而恒 v f 控制只能达到6 0 8 0 。然而，在冷库门速度控制算法实现时，整个速度控制 1 绪论硕士论文 方法受拖动电机参数影响较大，其速度控制的性能会受到一定影响。更为关键的 是冷库门速度的矢量控制算法要经过复杂的坐标变换、矢量变换等运算，对硬件 性能要求较高，同时给控制器具体算法的实现带来麻烦。 ( 3 ) 直接转矩控制算法 2 0 世纪8 0 年代中期，德国的m d c p e n b r o c k 和日本的i t a k a h a s h i 等人相继提出 了六边形乃至接近圆形磁链轨迹的异步电机直接转矩控制方法。 西北工业大学与北京航天一院万源公司合作开发的电梯门机控制器，就采用 了直接转矩方法来控制电梯门运动速度【2 5 】。这种方法不考虑如何使用定子电流解 耦，它把冷库门拖动电机输出转矩直接作为被控量进行控制，从而实现对冷库门 的速度调节，它强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是，通过转矩两点式 调节器( b a i l g b a l l 对空制) 把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动 限制在一定的容差范围内，容差大小由频率调节器来控制。它的控制效果不取决 于电机数学模型，而是取决于转矩的实际状况。 门速控制既简单又直接，具有较高的速度动态响应。直接转矩控制直接在定 子坐标系上分析交流电动机的数学模型，控制电动机的转矩和磁链，省掉矢量旋 转变换等复杂的变换和计算，使冷库门速控制算法的实现变得简单易行，同时大 大减小了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。但其输出转矩有脉 动，磁链模型在低速时误差大，又使冷库门控制系统的调速范围受到限制，智能 控制方法是一个很好的补充。 将直接转矩控制与智能控制方法相结合，会大大减小拖动电机输出转矩的脉 动，使冷库门运行速度更加平稳，同时减小系统运行噪声 2 6 - 2 s 】。 1 2 2 智能化控制技术 智能控制是当今多学科交叉的前沿领域之一。诸如专家系统、模糊逻辑、遗 传算法、神经网络以及生物技术等一系列智能控制方法。其研究中心始终是解决 传统控制理论、方法所难以解决的不确定性问题【2 引。 冷库门拖动电机是高阶、多变量、强耦合的非线性时变系统，无论是矢量控 制，还是直接转矩控制算法并没有从根本上改变系统非线性特性。智能控制不依 赖冷库门驱动系统数学模型，在控制中有能力充分考虑系统的不确定性；此外， 智能控制具有明显的非线性特征。研究冷库门速度的智能控制方法，在改善速度 控制性能和增加平稳性方面具有明显的意义。因此，目前许多工业门也在其控制 器中不同程度的使用了智能控制方法。如驱动电机控制【3 0 】、电机及传动系统参数 辨识、系统故障诊断、安全防夹控制等方面。 墨西哥的p c & op o n c ec r u z 与j 懿s i c ap i l a fs a n t o sp a r o d e s 在其论文中提出了 一种异步电机智能直接转矩控制方法【3 l 】。他们设计了一种模糊逻辑来调节p i 速 4 硕士论文 新型冷库门运动控制器设计 度控制器的参数，一种新型模糊神经网络定子电阻估计算法，在此基础上提出了 一种完整的智能直接转矩控制方案。这种方法控制逆变器具有恒定的开关频率， 减小了i g b t 器件的开关损耗。同时，由于对电机定子电阻的在线估计，为后续 的转矩和磁链估计提供了准确依据，从而减小了转矩脉动，改善了低速性能。 在国内，沈阳工业大学的李海平等人提出一种基于模糊神经网络的直接转矩 控制方案【3 2 】。这种方案使用模糊神经网络算法控制逆变器输出最优的电压矢量调 制信号。控制系统仿真结果表明：这种方法不需要太多的训练步骤就可以达到可 接受的精确度。使用这种方法的直接转矩控制系统在转矩控制和低速运行中表现 优良。郎东革等人也曾使用一种参数自适应p i d 方法设计电梯门速度控制算法 【2 l l 。这种算法是根据电机反馈量，使用专家知识库内已有的信息自动对p i d 的 三个控制参数k 、k i 、，以及采样周期t 进行自动选择调整。当电梯门路况 比较恶劣时，也可以使用参数自寻优在线整定方法确定。 此外，由于不同的冷库门传动系统参数不同，控制器必须在软硬件不改变的 情况下适应不同的冷库门。利用智能控制的方法使冷库门具有一定的自适应和自 学习的能力将是一种很好的解决方法。 刘文泽等人在其研制的电梯门控制器中设计了一种门宽自学习算、法【3 3 】。这种 方法控制电梯门在初次使用缓速运行。当门体走完整个行程，控制器自动记录门 宽，并根据学习所得门宽参数智能生成正常运行速度曲线。通过使用这种方法， 控制器在不需要任何改动的基础上便可以适用于不同门宽的电梯门。 同济大学的马伟泽等人还提出了一种自适应的电动车窗无传感器防夹控制 策略瞰l 。利用这种方法，有效地消除了因电机特性和路况变化引起的防夹误动作。 日本的t a n a k a 公司甚至已经开发出智能化的体型识别系统，这种系统能有 效地识别将要通过自动门的物体形体特征，从而决定门的开度。 总之，通过使用智能控制技术可以实现驱动电机的高性能控制，冷库门的自 学习功能，更加安全的防夹功能以及冷库门开度决策功能，使冷库门运行调试更 方便、速度更平稳，同时达到一定的节能效果。 相对于国外而言，国内的工业门行业对于智能控制方法的应用才处于刚起步 的阶段，相应的智能控制其产品无论从功能还是从数量来说都要落后于国外。但 是由于有国外的研究成果作为参考，在将来的一段时间相信国内的智能控制器将 有一个快速的发展。 1 2 3 防夹技术 工业产品优良的安全性能是企业义不容辞的社会责任，同时也是赢得市场的 必备条件。防夹技术作为一种十分有效地安全手段，越来越广泛的应用于电动车 窗和自动门控制系统【3 5 。3 8 】。根据不同应用情况，防夹方法大体可以分为两大类： 1 绪论硕士论文 无机械接触式防夹和接触式防夹【3 4 。 ( 1 ) 无机械接触式防夹 这种防夹方法要求控制器在自动门窗体与被夹物体接触前做出反应。一般要 求系统有集成的传感器( 红外和超声波等) 以及辅助电路模块和线路。当传感器 探测到有物体靠近时，提前启动防夹动作。 国内的程小金等人在其论文中提出一种光纤传感器防夹传感系统【3 9 】。该系统 安装在车窗框内，并基于斑纹图样的变化来获得信号。斑纹图样的变化被光电传 感器阵列测量，其传感信号经过a d 转换器送进计算机内进行处理，然后，驱 动车窗马达进行相应的动作。因为没有外力施加在物体上，这种控制策略是最优 的。但由于要装置附加的传感器，使得系统的成本增加。 ( 2 ) 接触式防夹 在这种防夹策略下，将接触所产生的阻力传递给控制器，用以指示有物体被 夹住。由电机学原理可知，电机的工作电流与其输出转矩成正比，而输出转矩又 随电机阻力的变化而变化，于是可以将阻力的传递转化为电流的传递。通过检测 电机电流变化来判断是否夹到物体。 这种方法又可以细分为有传感器的防夹与无传感器防夹。山东省科学院的刘 广敏等人就设计了一种无传感器电动车窗防夹控制剁矧。这种控制器在逆变器直 流电压输入端增加一1 0 曲电阻，将电流信号转化为电压信号。然后在经过一级 放大电路将电压信号传递给主控芯片进行采样。再对采样电流进行数字滤波，并 求取电流变化斜率值，最终通过判断电流变化速率的快慢来判断是否遇到障碍 物。此外，这种控制器还是用检测车窗上升时间来作为辅助判据，增加了防夹系 统的稳定性。 接触式防夹方法在夹到物体时才会启动防夹动作，但这种方法不需要附加的 传感器件，有利于降低控制系统生产成本。考虑到雪盾公司对冷库门整体成本严 格限制，采用接触式的防夹方法比较合理的。 1 - 3 主要研究内容 本课题是在江苏省海门市雪盾冷冻设备有限公司公司原有控制器的基础上， 使用智能控制方法和参数化设计思想，对其进行各方面改良设计，为雪盾牌电动 冷藏库门系列产品设计更加安全的智能化运动控制器。 原有控制器采用v f 开环电机速度控制法，速度不易准确控制，调试困难； 虽然具有防夹功能，但防夹控制算法比较简单，只能对较大的加紧力做出响应， 撞伤夹伤人的危险依然存在；此外，控制器没有提供人机交互接口，使得冷库门 运行过程中参数无法调整。本课题主要正对上述原有冷库门运动控制器中存在的 6 硕士论文 新型冷库门运动控制器设计 问题进行相关控制算法的及硬件革新。主要的工作包括以下几个方面： ( 1 ) 确定控制需求及总体功能方案 调查了解运动控制器硬件结构和软件控制算法，分析其存在的问题与不足， 根据厂家提出的要求确定控制需求，设计新型控制器总体功能方案： ( 2 ) 冷库门拖动电机控制算法研究 研究设计基于模糊神经网络的冷库门拖动异步电机直接转矩控制系统，并使 用m a t l a b s i m u l i n k 软件对控制系统进行建模仿真，与传统直接转矩控制方式 进行比较，验证新控制系统的可行性； ( 3 ) 设计更加安全可靠的防夹算法 分析原有防夹算法的不足，设计新的防夹控制算法，使得控制器性能更加的 安全稳定，且有利于实现系统的参数化； ( 4 ) 控制器软硬件设计和实现 对原有控制器硬件进行改进设计，主要包括：电机定子电流检测电路、按键 及旋钮电路和人机接口电路，使其能满足新控制系统的控制需求，并使用相应的 编成环境完成控制算法的编写及调试。 1 4 论文的组织结构 一论文的内容安排及组织结构如下： 第1 章绪论 对本论文的研究背景进行简略说明，总结了国内外冷库门控制器的发展现 状，并且对论文的主要工作进行了简要说明； 第2 章冷库门控制器总体方案设计 通过分析原有控制系统的软硬件结构，总结其缺点与不足，提出新的控制需 求。在此基础上，针对不同功能要求设计具体的控制方案( 智能控制系统总体功 能设计、电机驱动方案、防夹方案以及硬件总体方案) ； 第3 章电机驱动控制系统建模仿真 使用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对f n n 直接转矩电机驱动控制方案进行建 模仿真，验证控制方案可行性，并与传统直接转矩电机驱动控制方法性能进行比 较； 第4 章冷库门控制器软硬件详细设计 在原有的控制器硬件基础上，根据新的控制性能需求，重新设计控制器硬件 结构。在此基础上使用c 语言实现控制算法的详细设计； 第5 章冷库门控制系统调试 在加载试验台对控制其软硬件各模块分别进行调试，在满足控制要求的条件 i 绪论 硕士论文 下，再将控制器整体与冷库门传动系统对接，进行现场调试； 第6 章总结与展望 对全文的工作进行总结，对以后的研究重点作了展望。 8 硕士论文新型冷库门运动控制器设计 2 冷库门运动控制器总体方案设计 本章首先对雪盾牌冷库门机械传动系统进行简要介绍，同时对原有的控制器 硬件结构及软件控制算法进行分析，总结原有控制器在软硬件方面的不足，提出 控制系统改良需求；在此基础上提出新型控制系统软硬件的总体设计方案。 2 1 需求分析 2 1 1 冷库门传动系统及原有运动控制器介绍 ( 1 ) 冷库门传动系统 如图2 1 所示，为冷库门传动系统示意图： 图2 1 冷厍门传动系统不意图 冷库门拖动电机输出端连接一个减速比等于4 0 的减速器，减速器输出端直 接驱动链轮，链轮带动传动链条来回运动。冷库门体通过机械离合器接受链条传 递来的动力。离合器处于常开状态，当遇到突发停电状况或自动控制系统出现故 障时方便冷库门的人工开启和关闭，当控制器正常发挥作用时，离合器便与链条 结合，电机动力方能拖动冷库门体运动。 ( 2 ) 原有运动控制器硬件 原有的运动控制器硬件拓扑结构如图2 2 所示。 整个控制器以m i e r o c h i p 公司的d s p 芯片d s p i c 3 0 f 4 0 11 a 为核心，主要的 控制对象为智能功率模块( i p m ) 瓜a m x 2 0 u p 6 0 a 2 。两相市电经过整流滤波一 路输出直流电压供给逆变器，另一路通过一稳压电源模块生成5 v 和1 5 v 的电压 为板上各芯片提供工作电压。此外，控制器还包括其他一些外围输入输出电路。 9 2 冷库门运动控制器总体方案设计硕士论文 图2 2 原有控制器硬件拓扑 ( 3 ) 原有驱动电机控制策略 控制器软件的核心是异步电机调速控制算法。原有控制器使用基于静态电机 模型的恒压频比( v f ) 控制方法。这种控制方法的出发点是控制三相异步电机 每极磁通。保持恒定。根据电机学理论，在不考虑定子电阻的情况下定子电动 势可表示为： e = 4 4 4 f n o 。 ( 2 1 ) 式中：卜定子每相电动势的有效值 f 定子频率 n 一定子绕组的有效匝数 。每极磁通 在忽略定子电阻及漏磁通的情况下，可近似的认为定子电压v = e ，为了控 制巾，恒定，变频方法通常可以分为两种情况： 在基频以下控制v f = c o n s t ( 其中，v 代表定子电源电压，f 代表定子电源 频率) 。 当频率较低时，v 和e 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，控制其采取了提高定子电压的方法以补偿定子电阻压降 的影响，使气隙磁通大体保持不变。补偿前和补偿后的电压频率关系曲线如图 2 3 所示。 1 0 硕士论文 新型冷库门运动控制器设计 v v n v o u f nf 图2 3 补偿前后的v f 曲线 图2 3 中，v n 为电机额定电压，f n 为额定频率。曲线1 为未经电压补偿的 电压频率对应曲线，曲线2 为经过电压补偿的情况。这种补偿的原理是在电压频 率为0 时，给定电压偏置值v o ，在此基础上再按线性规律给出电压和频率的对 应关系。 在基频之上调速时f 向上升高，而由于电机额定电压的限制v 不得不保持一 定，最高等于额定电压。这种情况实际上是恒功率调速状态，调速期间电机输出 功率保持不变，电机输出转矩则随着电源频率的升高而降低。转矩与频率的关系 如图2 4 所示。 u f n f 图2 4v f 控制时异步电机机械特性 ( 4 ) 原有冷库门防夹方法 除了电机控制算法之外，原有的冷库门控制器还有简单的防夹控制算法。由 于厂家对于控制器成本的限制，以及考虑到实际运行过程中的可靠性因素，控制 器采用了定子电流防夹方案。当冷库门遇到强力障碍物时，拖动电机的输入负载 会增大，反映在定子端，其每相定子电流会随之增大，通过实时检测定子电流和 设置防夹电流上限的方法就能在检测电流超出设置上限时，启动相应的安全措 施。 2 冷库门运动控制器总体方案设计硕士论文 行程) 图2 5 原有冷厍门防夹区段不意图 如图2 5 所示，1 区为冷库门关门加速区，2 区为恒速关门区，3 区为关门减 速区，4 区位关门到位区。原有控制器只设置了一个防夹电流上限值，为了保持 尽量小的防夹力，同时又不至引起冷库门的误动作，选择以高速区2 区电流值为 参考设置防夹电流。这种设置方法下，2 区为有效防夹区。 2 1 2 原有冷库门运动控制器存在问题分析 原有的冷库门运动控制器实现了基本的运动速度控制功能，具备了一定的防 夹能力。在此基础上控制器还具有简单的门宽自学习功能及运行错误l e d 显示 功能。这些功能满足了冷库门最基本的开关控制要求，但由于原有硬件条件和控 制算法的固有缺陷，要实现控制器的智能化和参数可调则相当困难。这些不足主 要体现在以下几方面： ( 1 ) 电机驱动控制算法的不足 v f 控制法中，在基频以下调速时，当转矩补偿线选定之后，电动机输入电 压v 的大小只和工作频率f 有关，而和负载轻重无关【4 l 】。 但是，由于冷库门质量较大( 一般为1 5 0 k g ) ，加减速过程中在冷库门的惯 性力作用下电机负载转矩的变化非常明显。此外，由于冷库门体与导轨之间的路 况比较复杂，也可能造成负载转矩的变化。这时，冷库门的运动速度会受到严重 影响，实际转速和期望转速之间会有一定差距，给冷库门速度调试带来不便。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甚至 会影响门的运行动作。 其次，冷库门运动速度要求较高，在冷库门运动的高速区电机必然要在基频 以上工作，这使得此区段的冷库门实际运行速度很难准确计算。要使冷库门运行 速度达到要求，只能采用现场调试的方法。在没有对控制器软硬件结构深入了解 的情况下，调试工作对于厂家的技术人员来说变得遥不可及，大大降低了控制器 的可移植性，不符合参数化设计思想要求。即便是在对控制器非常了解的前提下， 也不能随意的提高电源频率。频率过高会使电机可以输出的最大转矩变小，以至 1 2 硕士论文新型冷库门运动控制器设计 于小于负载转矩而发生电机堵转的现象，可能导致电机烧毁。 ( 2 ) 防夹控制策略的不足 原有控制器只设置单一防夹电流的方法虽可在一定程度上实现防夹功能，但 是由于冷库门的开关是一个加减速过程，而且由于同一冷库门运行路况的不同， 在运行过程中电机定子电流是一个不断变化的过程。一段行程的防夹电流上限值 对于另外一段行程来说可能偏大，亦可能偏小。不论是偏大还是偏小都会对控制 系统总体性能造成不良影响。此外，对于不同类型的冷库门，其防夹电流上限必 然会有所不同。而原有防夹方法，其防夹电流上限是通过现场调试确定的，只能 采用人工测试的方法，针对具体的冷库门逐一标定电流上限，浪费了时间和人力 资源。可以看出，防夹控制智能化水平较低，同时不符合参数化的设计方法。 ( 3 ) 人机接口方面的不足 原有控制器硬件配备有l e d 数码管，用以显示冷库门运行故障信息。除此 之外，在硬件方面，原有控制器不具有任何键盘、调节旋钮等输入设备；软件方 面，也不具备运行参数设置及显示功能需要的相应算法。总之，原有控制器人机 接口功能较单一，给整个系统的现场调试及实际运行带来极大不便，越来越不能 满足现代物流领域的使用需求。 2 1 3 新型控制器需求设计 通过以上分析，可将新型控制器的设计需求简要总结如下： ( 1 ) 更加稳定、准确、可控的冷库门运动速度( 能准确的按照指令给定速 度运行) ，要求双扇门关闭速度不低于1 5 m s ； ( 2 ) 更加安全可靠的防夹功能( 夹紧力上限2 0 0 n ) ，且具有智能化自适应 功能，无需人工设置防夹电流； ( 3 ) 良好的人机接口，要求具有运行参数实时显示功能( 速度、电机定子 电流、门开度及运行方向) ，以及各项参数在线调节功能( 最大速度、运动速度 曲线、门扇开度及开启缓行距离) ： 为满足上面提出的各项需求，以下进行冷库门运动控制器总体方案的设计。 2 2 新型控制器总体方案设计 2 2 1 基于模糊神经网络的冷库门驱动电机直接转矩控制方案设计 为了使冷库门速度可以准确控制，同时为运行参数的在线调节打下基础，使 用闭环的直接转矩控制方法作为新型运动控制器驱动电机控制策略。本节首先分 析建立了矢量式表示的异步电机数学模型；在此基础上，介绍了直接转矩控制的 基本原理；最后，为新型控制器设计了一种基于模糊神经网络的直接转矩控制系 2 冷库门运动控制器总体方案设计硕士论文 统。 2 211 异步电机动态数学模型 根据空间矢量的数学分析方法， 损) 如下式所示【4 2 】： 蜘= r + 孥1 l t 驴r r i r + 警一歹 虬= l j , + l j , 描述异步电机的矢量形式数学模型( 忽略铁 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) = z j , + ( 2 5 ) 以上方程组中各参数的物理意义为： 、蚱定、转子电压矢量 虮、虬定、转子磁链矢量 置、母定、转子绕组电阻 、定、转子电流矢量 丘、l 定、转子自感和互感 式( 2 2 ) 与式( 2 3 ) 分别为定子和转子电压方程，而式( 2 4 ) 与式( 2 5 ) 分别为定子和转子磁链方程。 由电磁转矩、机械角速度、机械功率以及机械能之间的关系可以推导出以定、 转子电流矢量表达的电磁转矩方程： z = - - p 杪。 ( 2 ) l e2 一沙， lz6lr夕 以为电机极对数。根据作用与反作用原理，可将上式改写成： z = 一p 。虬 ( 2 7 ) 此外，还有转速方程： 乃2 瓦+ 妄等 ( 2 8 ) 式中，各符号所表示的物理量如下： 乃负载转矩 ，电机转子转动惯量 国电机转子转速 2 2 1 2 直接转矩控制基本原理 ( 1 ) 基本思路 1 4 硕士论文 新型冷库门运动控制器设计 由2 2 2 1 节中的矢量方程即式( 2 5 ) 可得： = ( - li , ) ( 2 9 ) 将式( 2 9 ) 代入式( 2 4 ) ，可将定子电流空间矢量表示为： 2 鸶一麦 ( 2 1 0 ) 式中，为定子瞬态电感，t = 丘一己4 。 将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 7 ) 中，可得： 互= 见舞l 1 1 l s i n 屯 ( 2 i i ) l ，f 式中，屯是定子磁链和转子磁链矢量间的空间电角度，称为负载角。 式( 2 i i ) 表明，电磁转矩决定于定子磁链矢量和转子磁链矢量的矢量积， 既决定于两者幅值和其间空间电角度。若i 和i l 保持不变，则由式( 2 1 1 ) 可得： ，恚= 见矗l l i 虬l c o s 露 q j 2 ) 通常，在稳态情况下，露的值较小，显然露对电磁转矩的调节和控制作用 是明显的。 由电机学理论可以证明，转子磁链矢量与定子磁链矢量相比，变化速度相对 要慢一些。在定子磁链矢量作用下，转子磁链矢量的动态响应具有一阶滞后特性。 在动态控制中，只要控制的响应时间比转子时间常数快得多，那么在这短暂 的过程中就可以认为转子磁链矢量是不变的，进而只要保持定子磁链的幅值不 变，通过改变6 ，就可以迅速的改变控制电磁转矩，这就是感应电机直接转矩控 制的实质【4 3 】。 ( 2 ) 逆变器开关状态与定子电压空间矢量 本项目中所选用的逆变器为i g b t 电压源型逆变器，逆变器与电机的连接情 况如图2 6 所示。 图2 6 中，代表直流电压。e ，品，品相当于三个单刀双投开关。当e = 1 时，表示a 桥臂上边的开关闭合，下边的开关关断；当邑= 0 时，情况刚好相反。 同样，岛，& 的两种状态分别代表b ，c 桥臂上i g b t 的工作情况。逆变器一共 可组合出八种开关状态，分别对应八种不同的电压空间矢量略。- 叱。如表2 1 所 示。 2 冷库门运动控制器总体方案设计硕士论文 c c 图2 6 逆变器与电机连接图( 以逆变器1 0 0 状态为例) 表2 1 开关状态与开关电压矢量 s s | s c 1 0 01 1 00 1 00 1 lo o l1 0 1 1 1 l0 0 0 lu , 2 u s 3 虬45心6虬78 其中，在心，和。两种状况下，逆变器使电机定子三相绕组短路，不能产生 任何磁场，称为零电压矢量。其他六种状态则不同了。以u s 。为例，对应的开关 状态是( 1 0 0 ) ，即a 相绕组正相连接，b 相绕组和c 相绕组反相连接，此时定 子电压矢量虬，在定子轴系中可以表示为： 厅 虬- 2 ；k ( 2 1 3 ) 亦即，定子电压矢量。的方向与a 相绕组轴线一致。同理，还有其余五个电压 矢量，如图2 7 所示。 q 套 。 广 u s 3 i 。 d 图2 7 六个开关电压空间矢量 ( 3 ) 定子电压矢量调制与定子磁链矢量轨迹 当存在定子电压矢量作用下，定子磁链矢量的幅值和相位将发生变化，如果 忽略定子电阻的影响，则两者具有微分关系。 1 6 硕士论文 新型冷库门运动控制器设计 如果逆变器开关状态按0 0 1 ，1 l o ，1 0 1 的顺序变化，每次变化的时间间 隔相同，就得到六个以步迸形式输出的电压矢量心，：，在这六个电 压矢量的依次作用下，定子磁链矢量的变化轨迹为一正六边形，如图2 8 所示( a 、 b 、c 分别为定子三相绕组轴线) 。 c 图2 8 六个步进电压作用下的定子磁链轨迹 但是，从图2 8 中可见，定子磁链矢量虮的幅值不是恒定的，其正六边形的 拐点处达到最大值，当运动到与正六边形某一条边垂直的位置时幅值最小，每相 绕组值不会是时间的正弦函数，定子每相电流波形也将是非正弦的。 式( 2 1 1 ) 表明希望帆的幅值能基本保持恒定，这将有利于转矩的控制和减 小脉动，并使定子每相磁通基本按正弦规律变化。为