（电机与电器专业论文）基于dsp的永磁同步电梯门机控制系统的设计.pdf

基于d s p 的永磁同步电梯门机控制系统的设计 d e s i g no fp m s m e l e v a t o rd o o r - m o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m yo fo u rc o u n t r ya n dt h ei n c r e m e n t o fm o d e mb u i l d i n g s ，t h ep o p u l a r i z a t i o nr a t eo ft h ee l e v a t o rr i s e si n c r e a s i n g l y a sa l l i m p o r t a n tc o m p o n e n to fe l e v a t o rs y s t e m , t h ee l e v a t o rd o o r - m o t o ri sa l s ot h ep a r tt h a tf a c e s p a s s e n g e r sd i r e c t l y t h e r e f o r e ，i ti sm e a n i n g f u lt od e s i g nak i n do fe l e v a t o rd o o r - m o t o r c o n t r o ls y s t e mt h a th a sh i 【g hp e r f o r m a n c eo fs p e e dr e g u l a t i o na n dr e l i a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h i s p u r p o s e ，t h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ee l e v a t o rd o o r - m o t o rc o n t r o ls y s t e mi s a c c o m p l i s h e di nt h i sp a p e r t h ed s p i st h em a i nc o n t r o l l e ro ft h es y s t e m ，p mi st h ed r i v e r a n dt h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) i st h es e r v om o t o r f i r s t l y ，s p e e dr e g u l a t i n gs y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g yo fp m s m i si n t r o d u c e di nt h ep a p e r i nt h i sp a r t , t h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fs p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t e c h n i q u ei se m p h a s i z e d b a s e do nt h ec o n c l u s i o no fs v p w mt e c h n i q u e ，af a s t a l g o r i t h mt ob er e a l i z c do nd s pi sp r o p o s e di nt h ep a p e r b a s eo nt h i s f a s ta l g o r i t h m , t h e r e a l i t z t i o nm e t h o do fs p e e dr e g u l a t i n gs y s t e mw i t hd s pi s g i v e ni nt h i sp a p e r s o m e i m p o r t a n t sl i n ko fp m s m c o n t r o ls y s t e mj u s tl i k es t a r t i n ga n dp o s i t i o n i n ga r ea l s oi n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r t h e s ew o r k sh yaf o u n d a t i o nf o rr e a l i z a t i o no ft h es o t t w a r ea n dh a r d w a r eo f e l e v a t o rd o o r - m o t o rc o n t r o ls y s t e m i nt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，t h ed i g i _ t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a0 f ，nc o m p a n y i su s e da st h em a i nc o n t r o l l e ro ft h es y s t e m t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ac o m p o s e sm a n ys p e c i a l m o d u l 鼯w h i c ha l e s p e c i a l l yd e s i g n e df o rm o t o rc o n t r o ls y s t e m t h ea p p l i c a t i o no f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad e c r e a s e so ft h ed e s i g no fm a n yp e r i p h e r a li n s t r u m e n t s t h e 口mi s a p p l i e dh e r ea sp o w e ri n s t r u m e n tw h o s ei n n e rp r o t e c tc i r c u i tr a i s e st h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e m m a i np o w e rc i r c u i t , p o w e rs u p p l yc i r c u i t , m a i nc o n t r o l l e rc i r c u i t , h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o nc i r c u i ta n de i ( c e m ali n t e r f a c ec i r c u i ta r ee x p l a i n e di nd e t a i l si nt h em o d u l a r i z a t i o n s e q u e n c ei nt h ep a p e r i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，t h ed e s i g no fs p e e dc u r v e so ft h ee l e v a t o r d o o r - m o t o ri sg i v e ni nt h i sp a p e r t h es o r w a r et or e a l i z es p e e dr e g u l a t i n gs y s t e mo fp m s m i se m p h a s i z e di nt h i sp a r t t h es o r w a r eo ft h ef u n c t i o na ss e l f - l e a r n i n g ，h u m a n c o m p u t c r i n t e r a c t i o n , p a r a m e t e r sa c c e s s i n gi nt h ee l e v a t o rd o o r - m o t o rc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e di n t h ep a p e r t h ef l o w c h a r to f t h es o f t w a r ei sa l s og i v e ni nt h i sp a p e r a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，e x p e r i m e n t so ft h ew h o l es y s t e mh a v eb e e nc a r r i e do u t ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ti sp r e s e n t e da n da n a l y z e db r i e f l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h e i i 大连理工大学硕士学位论文 r m e o r m a - c eo ft h es y s t e mc a l lf i tt h ea p p l i c a t i o no fe l e v a t o rd o o r - m o t o rs y s t e m , a n dt h e s y s t e mo b t a i n sg o o dp e r f o r m a n c eo fh i g hp r e c i s i o n , s t r o n gr e l i a b i l i t ya n df a s tr e s p o n s ew h i c h c a nb eb r o a d l ya p p l i e di ni n d u s t r i a lf i e l d k e yw o r d s ：e l e v a t o rd o o r - m o t o r ：p m s m ：d s p ：s v p w m i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：名戋于墅 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1电梯门机控制系统的发展概况 随着我国社会经济的不断发展和现代中高层建筑的增多，电梯的普及率日益提高， 特别是在大中城市，电梯作为高层建筑中垂直升降的交通工具已和人们的日常生活密不 可分。电梯门机作为电梯系统的重要组成部分，是电梯系统中动作最频繁的部分，而电 梯门开关不正常也是现代电梯系统运行过程中比较容易出现的故障。因此，电梯门的开 关不仅要动作可靠、准确，而且还必须运行平稳、反应迅速、动态特性好，这对电机本 身及其控制系统均提出了较高韵要求j 随着电力电子技术的发展，电裙门机控制系统经一 过近二、三十年的发展，稳定性、可靠性和集成度不断地提高，市场上的新产品也不断 地涌现。 早期的电梯门机大多采用直流电机驱动，利用直流电机电刷换向实现正反转控制， 串、并联电阻实现高低速控制。采用直流电动机驱动的特点是：调速方法简单，能在较 宽的范围内平稳且方便地调节速度，实现频繁的快速启动、制动和反转，有较强的过载 能力，能承受频繁的冲击负载。但是直流电机结构复杂，制造成本高，运行维护工作量 大，故障率也较高l l j 。另外，采用电枢串、并联电阻作升、降压调速，它的调速性能很 差，尤其是在低速运行时，由于采用串、并联电阻实现调速，电机的机械特性很软，往 往是速度调整合适了，转矩又不足了，造成电梯门不能可靠到位【2 】。同时在调速电阻上 还要产生能量的浪费。 随着新型电力电子器件的不断涌现，使得高频化脉宽调制( p w m ) 成为可能，变频技 术也获得了飞速发展。基于交流调速技术的成熟和变频器的广泛应用，出现了一种可编 程逻辑器件( p l c ) 与变频器结合的电梯门机驱动系统，它提高了电梯门机控制系统的可 靠性，改善了电梯门机的运行特性，能使电梯门机达到较理想的运行曲线i 3 1 。在这类系 统中，变频器的频率控制采用外部端子多步频率选择控制方式，由p l c 控制变频器的 运行。p l c 与变频器的硬件结构图如图1 1 所示。x 4 x l 端子的开关状态二进制组合 0 0 0 1 - 11 l1 ，对应于多步频率1 1 - i z 1 5 i - i z ，每一步频率值对应于一个转速。改变x 4 x 1 端子的开关状态的二进制组合就可以实现速度的变化。因此对p l c 进行编程控制v 1 引脚的输出按给定曲线规律变化，就可以实现电梯门机的转速按给定曲线规律变化。 基于d s p 的永磁同步电梯门机控制系统的设计 图1 1p l c 与变频器的硬件连接图棚 f i g i 1 p l cc o n n e c tw i t hc o n v e r t o r 这种控制方法较以前有了很大的进步，电梯门机运行的平滑性和快速性有了很大的 提高。但是这种调速方式实际上是一种有级的变速，它是把从零速到最高速分成若干级， 通过改变不同的级来实现换速。因此该系统门机运行的平滑性受到级数的限制，级数越 多，则平滑性越好，系统也越大，越复杂。另外，该系统p l c 控制器与变频器分离， 系统经济性、可靠性还有待进一步的提高。整个系统体积大，编程困难，实时性不强也 是它的一个主要问题。 随着单片机、d s p 控制器等微处理器在电机控制领域的广泛应用，当前的电梯门机 控制系统普遍使用微处理器为核心，采用更精确的变频调速算法实现电梯门机的调速， 系统框图如图1 2 所示。使用这种全数字的控制方式不但能够简化电路，还能够提高系 统的可靠性和易用性，同时能够轻而易举地为系统添加监控、显示和保护等功能。 图1 2 微处理器为核心的电梯门机控制系统 f i g 1 2 e l e v a t o rd o o r - m o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 目前，在电梯门机控制器市场上，这类电梯门机控制系统可谓种类繁多，按照电梯 门机驱动电机的调速系统进行划分，大致可以分为直流门机和交流门机两大类。前面已 经介绍，传统的电梯门机多采用直流门机，利用电阻分压和分流方式进行调速控制，运 行时能耗高、噪声大，而且调整困难、故障率高【5 司。因此市场上首先出现了以微处理 器为核心，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制( p w m ) 控制方式的新型直流门 机控制系统，这种新型直流门机控制系统为传统的直流门机系统的改造带来了方便，在 提高了控制性能的同时也节省了改造成本。但由于直流电机本身存在着成本高，维护困 难，故障率高的缺陷，因此这种直流门机也成为了一种过渡性产品。 近几年来，随着交流变频调速技术的广泛应用，交流门机已成为电梯行业发展的一 大趋势 7 1 。交流门机可以分为两类，分别是交流异步门机和永磁同步门机。由于异步电 机比较普遍，价格低廉，而且控制方法比永磁同步电机简单，因此异步门机控制系统发 展迅速，在目前的电梯门机市场中占有很大的份额。异步门机控制系统大多采用正弦脉 宽调制( s p w m ) 进行变压变频控制，也有较高级的控制系统采用矢量控制或直接转矩 控制方法进行速度、电流双闭环控制。永磁同步电动机和异步电动机相比，电动机的功 ? 率密度和效率都大幅度提高，效率由原来的6 0 提高到9 0 以上，功率因数接近1 ，可 节约电能约3 5 。而且永磁同步电动机的低速力矩性能好，高效运行区域宽。总之，电 梯门机控制系统采用永磁同步电动机调速系统有着明显的优势，在提高系统性能的同 时，有效降低系统的占用空间，节约了电能【s 】。因此永磁同步门机已经成为电梯门机市 场上的最新一代产品，被称为绿色门机，但是由于永磁同步电机的控制方法较为复杂， 目前在国内市场上推出永磁同步门机产品的企业也比较少，因此永磁同步门机也成为了 电梯门机产品的一种新的研究方向。 本文所研究的电梯门机控制系统就是以数字信号处理器为核心，采用s v p w m 算法 控制永磁同步电机调速，实现了一种功能完整、成本较低、运行可靠的永磁同步电梯门 机控制系统。 1 2 电梯门机控制系统的技术要求 在整个电梯系统中，电梯门机控制系统的主要任务是接收来自上位管理系统发送的 门机控制信号，驱动门电动机运行，以控制电梯轿厢门和厅门的开关【9 】。对于电梯门机 控制系统本身而言，其必须具有快捷、安静、准确和安全等特点。高性能的电梯系统必 须有平稳、低噪、高效、安全的门机控制系统，以缩短乘客候梯时间，提高电梯的运输 能力，并使乘客安全进出轿厢【l o 】。 基于d s p 的永磁同步电梯门机控制系统的设计 本文所设计的电梯门机控制系统的具体要求如下： ( 1 ) 控制电梯门机的开关门速度按照开关门运行曲线调节。保证电梯门机的起动、 停止、和速度切换均过渡平滑、无冲击性。 ( 2 ) 电梯门机开门到位或关门到位要求输出恒定转矩。防止门被轻易扒开而发生 危险。 ( 3 ) 自学习功能。电梯门机控制系统需要具备门宽自学习功能，按照不同的门宽 生成开关门曲线，以适应不同型号的电梯轿门。 ( 4 ) 两种运行模式。电梯门机具有端子控制开关门和自动开关门演示两种运行模 式。端子控制开关门是电梯门机运行的一般模式，即通过外部控制信号的输入进行开关 门动作；自动开关门演示模式一般在电梯门机参数调整时使用，也可以用于产品的演示 与测试，自动开关门间隔时间可以通过修改参数进行调节。 ( 5 ) 力矩监控功能。在关门期间，一旦力矩大于设定值，控制器能自动识别并反 向开门，开门到位后重新执行关门动作，同时记录故障代码。 ( 6 ) 故障保护和故障记录功能。基本故障类型有：短路故障、开门故障、关门故 障、码盘故障等。当短路故障发生时，主控制器能够自动封锁p w m 输出，保护电梯门 机控制器和电机，同时记录下相应的故障信息。当开门故障、关门故障、码盘故障发生 时，可以通过继电器输出故障信号，并保存故障信息。要求系统可以保存最近l o 次故 障信息，以便维修时查询。 ( 7 ) 具有人机交互功能。可以通过人机交互接口选择运行模式，调节运行参数， 查询故障代码。 ( 8 ) 输入输出端子。输入信号包括开门信号、关门信号、光幕信号等。输出端子 包括开门到位信号、关门到位信号以及故障信号等。 1 3 永磁同步电机的特点与分类 1 3 1永磁同步电机的特点 三相永磁同步电机是从绕线式转子同步电动机发展而来的，它用强抗退磁的永磁体 代替了绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁线圈、滑环和电刷，从而克服 了绕线式转子同步电机的致命弱点【1 1 】。永磁同步电机体积小、重量轻，能够达到快速、 准确的控制要求，同时由于近年来稀土永磁材料和控制技术的发展，永磁同步电机以其 一系列优点，在中小容量的伺服电动机中占据了重要的地位，被广泛地应用于风机、水 泵、工业机器人、办公自动化、数控机床以及航空航天等领域i i z j 。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 永磁同步电机具有以下特点： ( 1 ) 由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁，如钕铁硼( n d f e b ) 、 钐钻等，其磁能积高，可获得较高的气隙磁通密度，因此容量相同时电机的体积小、重 量轻，相对普通异步电机体积减小3 0 - 7 0 ，重量减少2 5 - - 6 0 。 ( 2 ) 由于转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷的摩擦损耗，因此运行效率高。 中小型永磁同步电动机的效率比普通感应电机可提高5 ，节电率1 0 。 ( 3 ) 永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率 因数近于1 ，减小了定子电流，提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网 品质因数，减小了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省了电网投资【1 3 1 。 ( 4 ) 转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好。 ( 5 ) 调速比范围宽，控制精度高，运行平稳、噪声小、过载能力大。 基于永磁同步电机的以上优点可以看出，与其它感应电机相比，采用永磁同步电动 机作为电梯门机控制系统的驱动电机有着明显的优势，在提高系统性能的同时，可以有 效降低系统的占用空间，节约能源。 “1 3 2 永磁同步电机的分类与比较 永磁同步电机按照磁路设计以及驱动电流波形的不同可以分为两类【l 刁： “ ( 1 ) 梯形波永磁同步电机：驱动电流为方波，气隙磁场分布呈梯形波分布，定子 上产生梯形感应电动势的永磁同步电机被称为梯形波永磁同步电机。由于这种电机控制 方法更接近于直流电动机，但是没有电刷，故通常称作无刷直流电机( b r u s h l e s sd c m o t o r ，简称b l d c m ) 。 ( 2 ) 正弦波永磁同步电机：驱动电流为正弦波电流，气隙磁场分布为正弦分布， 定子上产生的感应电动势也为正弦波的永磁同步电机通常被称为正弦波永磁同步电机 ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，简称p m s m ) ，这种电机多用于伺服系统和高 性能调速系统。 永磁无刷直流电机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的 气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应电动势也是梯形波的。这种电机在控制时 由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流，在理想状态下，同一相的电动势和电流波 形图如1 3 ( a ) 所示。由于各相电流都是方波，逆变器的电压只需按直流p w m 的方法进 行控制，比各种交流p w m 控制都要简单得多，这也是设计梯形波永磁同步电机的初衷。 然而由于绕组电感的作用，换向时电流不能突变，其波形其实只能是近似梯形的，因而 通过气隙传送到转子的电功率也是梯形i 皮。这样就会造成实际的转矩波形在每次换向时 基于d s p 的永磁同步电梯门机控崩l 系统的设计 产生波动，而用p w m 调压调速又使转矩波形平定部分出现波纹，这样的转矩脉动使梯 形波永磁同步电机的调速性能低于正弦波永磁同步电机。 佩 i - e a 一 ( a ) 无刷直流电机( b ) 永磁同步电机 图1 3 理想情况下永磁电机的电动势与电流波形图 f i g 1 3 e l e c t r o m o t i v ef o r c ea n dc u r r e n tw a v e f o r m so f p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r 正弦波永磁同步电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上 保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，驱动电压和电流也应为正弦波，从而减少 了由谐波磁场引起的各种损耗和转矩脉动，提高了电机的效率，并且使得电机在运行时 转动更加平稳，噪声也得到了降低u 4 j 。 由此可见，与无刷直流电机( b l d c m ) 相比，由于正弦波永磁同步电机( p m s m ) 定子绕组的电流波形为正弦波，它的高次谐波幅值小、转矩脉动小、低速运行平稳， 更适用于电梯门机的拖动【3 刀。 1 4 本论文的研究背景及主要内容 近年来，永磁同步电梯门机以其效率高、低速性能好、节能等优势，成为了电梯门 机产品新的发展方向。然而，与异步电梯门机变频驱动系统相比，电梯门机永磁同步电 动机控制系统的复杂性和成本都有所提高。因此，在国内市场上，永磁同步门机产品的 研制仍处于起步阶段。因此，研制一种成本较低、运行可靠、集成度高的永磁同步电梯 门机控制系统具有较高的实际意义和应用价值。 针对当前的电梯技术发展状况，结合国内电梯门机控制领域的最新成果，并从实际 角度出发，本课题设计了一种具有良好调速性能的永磁同步电梯门机控制系统，并完成 硬件电路的设计及软件程序的编写。本论文共分为五章。主要内容介绍如下： 大连理工大学硕士学位论文 第一章为绪论。主要介绍电梯门机控制系统的发展概况以及电梯门控系统的技术要 求，并且介绍了永磁同步电机的特点与分类。 第二章为永磁同步电动机调速系统及其d s p 控制策略。首先从控制算法的角度出 发，介绍了空间矢量脉宽调制技术及其实现方法，并提出了一种查表法实现s v p w m 的 快速算法。然后又从控制系统整体角度着手，提出了永磁同步电动机的d s p 控制策略， 为电梯门机控系统的软、硬件设计做准备。 第三章为电梯门机控制系统的硬件设计。本部分介绍了功率主回路、电源电路、主 控制电路、位置、速度信号检测电路、人机交互接口电路、外部输入输出电路的设计等， 主要从器件选型和电路功能角度进行详细的分析。 第四章为电梯门控系统的软件设计。本部分给出了电梯门机运行曲线的设计，并按 模块化的思路对整个系统的各个软件部分进行分析，完成永磁同步电机调速模块、门宽 自学习模块、p i d 算法模块、人机交互模块、参数存取模块的设计。 最后一章为实验结果与总结，并对整个系统的设计作了回顾和展望。 基于d s p 的永磁同步电梯门机控制系统的设计 2 永磁同步电动机调速系统及控制策略 2 2 空间矢量脉宽调制技术( s v p 嗍) 2 2 1 脉宽谓制( p 硼) 技术 脉宽调制( p w m ) 技术是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状 的电压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目的一门技术，是目前逆变器 主要采用的控制技术【1 5 1 。p w m 控制的主电路图如图2 1 所示。通过控制信号a 、a ，、b 、 b 、c 、c ，按照一定的规律控制功率器件q i - - - q 6 的开关，从而使逆变电路获得不同的 波形的输出。 图2 1p w m 逆变器拓扑图 f i g 2 1t o p o l o g yo fp w m i n v e r t e r 目前，采用高速功率器件的电压型p w m 变频器的主导控制技术有： ( 1 ) 正弦脉宽调制( s p w m ) 控制技术。 ( 2 ) 消除指定次数谐波的p w m ( 卸巳p w m ) 控制技术。 ( 3 ) 电流滞环跟踪p w m ( c h p w m ) 控制技术。 ( 4 ) 电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制技术，或称磁链轨迹跟踪控制技术。 这四种p w m 控制技术中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标，第三种是 以输出电流接近正弦波为控制目标，第四种是以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目 标。目前，四种p w m 技术中在电机控制中应用最为广泛的是正弦脉宽调制( s p w m ) 和 电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 正弦脉宽调制( s p w m ) 是利用正弦调制波对三角形载波进行调制。当调制波与载 波相交时由它们的交点( 相比较) 确定逆变器开关器件的通断时刻，从而得到等幅不等 宽的矩形脉冲，其脉冲的占空比按正弦规律变化。经逆变器输出的这种矩形脉冲加入到 具有感性负载的电动机定子三相绕组中，当脉冲频率足够高时其电流波形近似为正弦 波。如果这种电流所产生的磁势在定子空间按正弦分布且在时间上按正弦规律变化，便 可在定子空间中产生旋转磁场。改变调制波的幅值和频率便可改变定子旋转磁场的输出 转矩和转速【1 6 1 。这种方法具有数学模型简单、控制线性度好和容易实现的优点，但是也 有电压利用率低的缺点。 电压空间矢量脉宽调制( s 、偿w m ) 技术从电动机角度出发，以三相对称正弦波电 压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链 矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开关模式，形成p w m 波，因此这 种方法可以叫做“磁链轨迹跟踪控制 。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的， 因此又叫做“电压空间矢量脉宽调制技术弦。s v p w m 是目前比较流行的变频技术，由 于其供给电动机的是理想磁链圆，因此电动机工作更平稳，噪音更低，同时也提高了电 源电压的利用效率。与s p w m 技术相比，s v p w m 的特点是整流后的直流电压的利用 率高，在开关频率相同的情况下旋转磁场的脉动成分小。因此，本文设计的永磁同步电 梯门机控制系统就采用s v p w m 技术作为控制系统的最终逆变环节。 2 2 2空间矢量脉宽调制技术( 洲) 的基本原理 p w m 变频器一般都是电压源型的，可以方便的按需要控制输出电压。但在交流变 频调速系统中实际需要的是正弦波电流，在电机绕组中通以三相平衡的正弦波电流，且 能使合成的电磁转矩恒定，不含脉动分量。当用三相平衡的正弦电压向交流电机供电时， 电动机的定子磁链空间矢量幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的 空间旋转磁场( 磁链圆) 【1 7 】。因此如果有一种方法，使逆变电路能向交流电机提供可变 频电源、并能保证电动机形成定子磁链圆，就可以更好地实现交流电动机的变频调速。 基于这一目标，把逆变器和电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制p w m 电压， 这样就产生了电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术。 在理想电源供电时，某时刻加到电机三相绕组上的三相对称电压为： 阡痧， s 咄神 s i n ( 耐一2 ) s i n ( c o t 一4 ) ( 2 1 ) 基于d s p 的永磁同步电梯门机控制系统的设计 其中，珥为线电压有效值，缈为电源角频率，、巩和玑分别为三相定子绕组的 相电压。 逆变器的输出电压用空间电压矢量u 可以表示为： 霄 拈信( 玩+ a u b 榴2 蚴 ( 2 卫) 其中，口：p 中为p a r k 算子。 利用c l a r k 变换的a b c 一筇坐标转换公式( 由三相坐标到静止的两相坐标的变换) ： 1 l 22 压压 22 根据三相系统向两相系统变换保持幅值不变的原则， 将( 2 1 ) 式进行坐标变换， 可以得到： 。 阱 李錾 - 像3 ， 其中，玑、u ，分别为空间电压矢量u 在口、轴上的投影。 阱嘲 组4 ， 由式( 2 4 ) 可见，当理想电源供电时，加到电机绕组上的瞬时空间电压矢量会以 一定大小的角速度旋转，其轨迹在复平面上是一个圆心在原点、半径为“的圆周，如图 u = r 懈 ( 2 5 ) 大连理工大学硕士学位论文 ：r 无打：眇，e ，耐面：兰生p j ( 耐- t 1 2 ) ：旦p ，( 耐一膏2 ) ( 2 6 ) ；。j j 碉p 其中兀为电源频率。 由式( 2 6 ) 可见，磁通矢量是一个比电压矢量落后州2 的旋转矢量，磁通矢量的轨 迹为圆，其半径为： ，= u , 2 勿f ， ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) ，不难看出当电压频率比研伤为常数时，磁通轨迹半径，也为常数。 这样随着国的变化，磁通矢量的定点的运动轨迹就形成了一个以，为半径的圆形，即 得到了一个理想的磁通圆，如图2 2 中的所示。当磁通矢量在空间旋转一周时，电压 矢量也连续地按磁通圆的切线方向运动2 曩弧度，其运动轨迹与磁通圆重合。这样，电 动机旋转磁场的形状问题就可以化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。 s v p w m 法就是以此理想磁通圆为基准圆的。 p 厂 、 广f = + _ 广一 一 iii - = + - - + 一 广 一 iiii 避! - _ = = t = j = = _ o ) l j l l jl j 讲o j 哪 g n d 0 h o g o f q 伽 o c o b ! r 图3 1 3l e d 显示电路 f i g 3 1 3 c i r c u i to f l e d d i s p l a y 氅r 3 1 7 h 号墅! gg = = i u l 9f 如图3 1 3 所示为l e d 显示电路，电路中所用l e d 为2 位8 段共阳极l e d 。电路 中用7 4 h c 5 9 5 芯片动态驱动两位l e d ，7 4 h c 5 9 5 功能是将串入s e r 端口的数据并行输 出，s c k 口为串行时钟输入口，r c k 口为数据并行输出使能端。i 、分别为两位l e d 的电源输入口，由于l e d 使用动态驱动方法，需用2 个普通o 口作为选通端，轮番选 通2 个l e d 。s c l r 口可以直接接到单片机的复位端口，单片机复位的同时会清除l e d 的显示。a t m e g a 8 单片机本身带有硬件的s p i 口，因此可以利用硬件s p i 接口s c k 、 s s 、m o s i 控制数据的串行输出，大大简化了程序设计。信号线上的r c 滤波电路提高 了串行输出数据和时钟信号的抗干扰性，保证了数据的正确显示，不会出现乱码。 3 6 2 串行通讯接口电路 串行通讯电路是人机交互接口中比较重要的一部分，电梯门机的参数的修改和存取 都是通过串行通讯进行，因此必须在d s p 与单片机之间建立一个稳定可靠的串行通讯 接口电路。 图3 1 4 单片机部分串行通讯接口电路 f 培3 1 4 c 眈味0 f s e r i a l 删m l i c 舶nm t 盯f a c e0 f m c u 图3 1 5d s p 部分串行通讯接口电路 基于d s p 的永磁同步电梯门机控制系统的设计 如图所示，图3 1 4 为单片机a t m e g a 8 部分的通讯接口电路，图3 1 5 为d s p 部分 的通讯接口电路，串行通讯时将j 1 0 3 与j 1 0 4 相连接。为了保证串行通讯信号的稳定性， 系统中将5 v 、3 3 v 的信号转为2 4 v 的信号进行传输。单片机的串行输出信号经过两个 三极管q 3 0 3 和q 3 0 4 将5 v 信号转化为2 4 v 信号，通过两级r c 滤波电路和光电耦合器 的隔离进入d s p 串行接收口。d s p 的串行输出信号经过光电耦合器将信号转化为2 4 v ， 然后经过滤波电路和稳压电路进入单片机的串行输入口，由于d s p 的f o 口的驱动能力 有限，这里使用一个p n p 三极管q 1 0 1 来驱动光电耦合器。 3 7 外围输入输出电路 电梯门机控制系统需要接收外部命令，来控制电梯门的动作，图3 1 6 为外部信号输 入电路，输入信号通过光电耦合器进行光电隔离输入d s p 的a d 转换端口。输入信号必 须为0 2 4 v 的开关量，当输入信号为2 4 v 时，光耦不导通，a d 口检测到高电平；当输 入信号为0 v 时，光耦导通，a d 口检测到低电平。 图3 1 6 输入接口电路 f i g 3 1 6 c i r c u i to f i n p u ti n t e r f a c e 如图3 1 7 所示，电梯门机控制系统通过继电器作为信号的输出，电路中采用 u l n 2 0 0 3 驱动继电器，u l n 2 0 0 3 的逻辑为非门。当d s p 的i o 口输出高电平时，经过 u l n 2 0 0 3 反向，继电器的2 脚为低电平，继电器吸合，4 、5 脚导通；当d s p 的i o 口 输出低电平时，反之4 、5 脚断开。 大连理工大学硕士学位论文 继电器输出 j r 2 0 0 3 图3 1 7 继电器输出电路 f 谵3 1 7 c i r c u i to f r e l a yo u t p u ti n t g l f a c 洽 3 9 基于d s p 的永磁同步电梯门机控制系统的设计 4电梯门机控制系统的软件设计 4 1电梯门机运行曲线设计 现代电梯讲究工作效率，电梯门机必须具有开关迅速的特点。为了既能使电梯门开 关迅速又能避免在起端和终端发生冲撞，要求电梯门机应按理想速度曲线自动调节开关 门过程中运行的速度【3 3 】。图4 1 给出了电梯门机在开关门过程中的门位置一速度运行曲 线图。其中，上曲线为门机开门过程运行曲线，下曲线为门机关门过程运行曲线。f p l 一f p 6 ，f c l - - f c 7 为门机开关门运行到各个阶段的速度给定值，单位用h z 表示，p 1 一 p 6 ，c i - - c 7 为电梯门机运行阶段的换速位置点，用门宽的百分比表示。 鲁 蜊 艘 广 f p l l 开门 f p 3f p 4 乏 ， _ _ _ 一_ _ 一一j p lp 2p 3p 4p 5 p 6 门位置 c 7c 6c 5c 4c 3q c l 一 、j 一 - _ _ _ ， 一v v f c 4f c 3 关门 r 图4 1电梯门机的开关门速度曲线 f i g 4 1o p e n i n ga n dc l o s i n gs p dg u r v 髓o ft h ee l e v a t o rd o o r - m o t o r ( ) 大连理工大学硕士学位论文 下面以关门过程为例说明门机运行的过程。关门曲线变化过程可以分为如下几个部 分：低速启动运行( c 1 c 2 ) 一加速至全速运行( c 2 - - c 3 - 一c a ) 一减速运行( o m 5 ) 一门刀动作( c 6 ) 一小转矩推进运行( c 7 ) 。 在关门过程中，c 2 4 2 3 - - c 4 阶段为常规阶段，一般占整个行程的7 0 以上，其余的 均为缓冲行程，主要目的就是为了门机启动和停止时平稳。另外在开门到位和关门到位 后通常有一个很小的转矩输出，其作用是防止门被轻易扒开而发生危险【3 2 】。 在实际运行过程中，各个阶段所占的比例随电梯门机的规格的不同而不同，因此需 要控制系统具有门宽自学习功能，而且通过人机交互接口可以调整各个换速点的位置和 速度，以便适用于不同规格的电梯轿门的应用州。 ， 4 2 永磁同步电机的调速程序设计 4 2 1 三相s v p w 波的产生方法 ： 在永磁同步电机变频调速程序中，一项重要的工作就是产生频率可变的s v p w m 波。本文采用了查s v p w m 表的方法产生频率可变的s v p w m 波，大大减少了程序中 的计算量，减轻了d s p 处理器的运算负担。在2 3 2 中已经介绍了这种方法的基本思想， 下面具体介绍一下产生s v p w m 波的软件实现方法。 1k 一l i i _ 死殴j f f l ii。i il 删州 一广一 觥 iii i l l _ 图4 2 对称的咧波形的产生 f i g 4 2 g e n e r a t i o no f s y m m e t d cp w mw a v e f o r m 基于d s p 的永磁同步电梯门机控制系统的设计 在程序设计时，采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的事件管理器中的比较单元可以产生对称的 p w m 波形。本系统中采用了事件管理器e v b ，e v b 模块中有3 个全比较单元c m p r 4 、 c m p r 5 、c m p r 6 。每一个比较单元都有两路相关的p w m 输出，因此共有p w m 7 - p w m l 2 六路p w m 输出，其中与同一比较单元对应的p w m 波形是互补的，这六路p w m 输出 可以用于驱动p m 模块中的六个开关管。比较单元输出p w m 波形是采用比较寄存器与 定时器值匹配输出的方式实现的，每次给全比较单元c m p r x 一个时间值，当定时器运 行到与这个时间值相等时，d s p 的p w m 口输出的波形发生跳变，跳变的方式在系统初 始化时需要设定好。系统实际运行中，使用的是对称的p w m 波形生成方式，即将定时 器的计数模式设置为连续增i 成计数模式，这样，在定时器的一个周期内通常有两次比较 匹配，一次在定时器时钟增计数期间，一次在减计数期间，通过改变比较寄存器c m p r x 的值就可以改变p w m 波形的占空比，如图4 2 所示。 程序中将通用定时器3 定时周期设置为i 3 m s ，即p w m 波形的周期为l 3 m s ，载波 频率为3 k h z 。每次进入定时器比较中断时，按照一定的步长查s v p w m 表得到正弦值， 通过简单的计算处理，即可得到随s v p w m 表值变化的比较寄存器的值，更新比较寄存 器c m p r x 的值，即可以产生s v p w m 波形。 比较寄存器c m p r x 值可以由以公式4 1 确定，公式中s p t w m ( p t r ) 为查s v p w m 表 所获得的表值，p t r 代表查表的指针，由于s v p w m 表值为q 1 4 格式，因此需要程序右 移1 4 次得到q 0 格式的表值；电压空间矢量的幅值巩由速度p i 调