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基于直线电机的自动门控制系统的研究

2018/2/13 3:00:02
【摘要】   【摘 要】为了设计出运行平稳、快速、安静、安全的高性能自动门驱动控制系统,提出了以数字信号处理器 DSP为控制核心 ,以智能控制功率模块 IPM为驱动 ,以直线感应电机作为伺服电机的高性能自动门机控制系统...

  【摘 要】为了设计出运行平稳、快速、安静、安全的高性能自动门驱动控制系统,提出了以数字信号处理器 DSP为控制核心 ,以智能控制功率模块 IPM为驱动 ,以直线感应电机作为伺服电机的高性能自动门机控制系统的设计方案。针对自动门机运行时速度调节的特殊性,采用了正弦脉宽调制方法(SPWM)。提高了整个自动门控制系统的性能。

  【关键词】数字信号处理器;直线电机;IPM智能功率模块;SPWM
  0.引言
  传统的自动门采用的交流旋转电机来实现,需要通过一些复杂的传动机构将电机旋转运动转换为直线运动以实现电梯门的开/关。由于交流旋转电机控制复杂,响应慢难以满足现代生活中人们对门机系统性能提出的更高要求。本文设计了一种采用扁平型直线感应电机驱动的自动门及以数字信号处理器DSP为控制核心的门机系统,该系统响应快,运行安静,稳定可靠。对该系统的控制方式采用了DSP的SPWM技术。
  1.直线电机结构和工作原理
  1.1直线电机的基本结构
  直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变,它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开,然后将电机的圆周展开成直线,由定子演变而来的一侧称为初级,由转子演变而来的一侧称为次级。
  1.2直线电机的工作原理
  初级绕组通入交流电源,便在气隙中产生行波磁场。次级在行波磁场切割下,将感应电动势并产生电流,该电流与气隙中的磁场相互作用就产生电磁推力。如果初级或次级中的任一级固定,则另一级将在推力的作用下做直线运动;这种无需中间转换装置把电能直接转变为直线运动的机械能的方法就是直线电机的工作原理。
  2.自动门系统设计
  本文采用了扁平型复合次级直线异步电机来驱动自动门。将电机的初级安装在其中一扇门的顶部;次级板安装在门架上;两扇门之间通过钢索连接实现同步联动。
  系统硬件设计:
  系统选用了TI公司的TMS320C2812芯片作为控制器的处理单元.该芯片专为工业自动控制设计,它的最高工作频率为40 MHz,指令周期20ns,有40个I/O引脚,16路AD转换器、4路通用定时器,具有16路PWM波的内置模块和脉冲编码捕获电路。逆变电路采用三菱公司的IPM(智能功率模块)PS21563-P。该IPM最大直流侧电压为600V,最大允许电流为10A,配合欠电压保护、短路保护,适合于小功率电机驱动。系统硬件结构图如图1。
  图1 系统硬件结构图
  3.电梯门机的控制方案
  SPWM 的基本原理就是用正弦波和三角载波进行比较产生 PWM脉冲序列:当基波(正弦波)高于三角载波时,相应的开关器件导通,反之,当基波低于三角载波时,相应的开关器件截止。产生的PWM脉冲序列作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。TMS320C2812DSP通过生成的SPWM信号来控制逆变器的开关管,进而实现直线电机的驱动。产生SPWM信号的软件法是通过计算来生成SPWM波,这里主要讲三种采样型的SPWM法。
  3.1自然采样法
  利用正弦波与三角波的交点时刻来决定开关管的开关模式,进而确定脉冲宽度和间隔时间。利用这一原理生成的SPWM波的方法就称为自然采样法。
  3.2规则采样法
  为了解决自然采样法中脉冲起止时间点计算的困难,提出了规则采样法。规则采样法又分非对称规则采样法和对称规则采样法。对称规则采样法通常只在载频三角波的顶点(或底点)位置对调制波采样。非对称规则采样法,既在三角波的顶点又在底点时刻对调制波进行采样。对称规则采样法原理图如图2:
  根据图2标注的参数,在E点处:u=Usin?棕t (4-1)
  同样,将三角波的一个周期T内按照A,B两点划分为t,t,t三个部分,由对称性可知t=t t=t
  t=(1+Msin?棕t) (4-2)t
  当参数T,M已知时就可根据式(4-2)实时计算出SPWM波的脉宽时间。
  t=t=(T-t)=(1-Msin?棕t) (4-3)
  其中M=即SPWM信号的幅值比。
  式4-3中,其中T、M和?棕都是在工作前就要确定好的值。只有t是需要确定的,对于某一个频点?棕,记首个采样点为tes,则对应该频点?棕的采样点集合为:
  A=a|a=f+nT,n=0,1,N-1 (4-5)
  其中,N是SPWM信号频在点?棕上的载波比。对于DSP而言,其计算能力是有限的,因此可以求出该频点上sin?棕t的一系列值:
  B=b|b=sin?棕(f+nT),n=0,1,N-1 (4-6)
  进而能够确定频点ws下SPWM脉冲有效时间集合为:
  C=c|c=[1+Msin?棕(f+nT)],n=0,1,N-1 (4-7)
  SPWM脉冲间隙时间集合为:
  D=d|d=[1+Msin?棕(f+nT)],n=0,1,N-1 (4-8)
  在使用DSP时,是直接将集合C、D存放到ROM中,调用时几乎不需要对数据作处理。对称规则采样法由于其对称性,它所提取的SPWM控制波形在存储上能够节约更多的存储空间,更适合在DSP上使用。
  4.结论
  该门机控制系统采用具有零传动的直线感应电机,它具有运行安静,响应快速,性能稳定等优点。采用TMS320LF2407A DSP作为核心处理器结合智能功率模块使系统的控制精度,稳定性能大大提高。
  【参考文献】
  [1]叶云岳.直线电机原理与应用.机械工业出版社,2000,6.
  [2]周勇.直线电机驱动电梯门机及其控制系统[D].浙江:浙江大学,2006.
  [3]郎东革.电梯门机控制系统的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2007,3i.

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