基于永磁同步电动机的工业卷闸门控制器研制

基于永磁同步电动机的工业卷闸门控制器研制

周实，鲍立成，董瑞刚，李福生

上海电气集团股份有限公司 中央研究院，上海 200070

摘要：基于永磁同步电动机，介绍一种先进的工业卷闸门用控制器设计，主要对主电路、驱动电路、电源电路及检测电路的硬件设计方案进行了描述，并对设计的软件流程进行阐明。经实验验证，研制出的控制器可以直接带动永磁同步电动机驱动卷闸门，并达到良好的运行效果。

关键词：永磁同步电动机； 卷闸门； 控制器

近年来，战略性新兴产业、合同能源管理政策、市场化节能环保服务体系建设、资源综合利用和“节能产品惠民工程”的高效电机推广为电机行业发展带来了重大机遇，与之相关的电机生产制造商以及电机配套企业也迎来了产品更新换代的市场增长潜力。特别是为了适应低碳经济时代的节能技术创新趋势，高效的永磁同步电动机已逐渐成为未来市场的主流1]。

现今市场上的卷闸门还都是使用异步电动机驱动系统，其结构比较复杂，而且需要增加减速装置，控制性较差，可靠性低，今后必然会被能直接驱动的永磁同步电动机驱动系统所取代。本文设计了一种基于永磁同步电动机的工业卷闸门控制器。

1总体结构

传统的自动门控制器(包括卷闸门)是以继电器逻辑控制或是用PLC集成控制，体积大，安装繁琐2]。本文的控制器采用DSP集中控制方式，先进的控制策略具有高效率、高可靠性、易安装的特点，整个控制器由主电路、控制电路、驱动电路及辅助电路构成。主电路根据系统功率和电压要求采用交直交变换方式，由单相整流电路、三相逆变电路和永磁同步电动机组成；控制电路采用以TI公司的TMS320F2802为核心的控制芯片，实现矢量控制、转速闭环、SVPWM算法等；辅助电路包括开关电源电路、保护电路、位置检测电路、电流检测电路及数码显示电路等3]。系统总体结构如图1所示。

图1　系统总体结构

2硬件设计

2.1　核心控制芯片

TMS320F2802是TI公司推出的一款性价比极高的DSP，采用32位的28xTM内核，片上有32kB的程序Flash和6kB的数据RAM，既适合在线运算数据表格的存储，也能大量存储变量，与同等价位其他型号DSP相比，可有效提高系统性能。TMS320F2802具有3个外部中断、3个32位定时器、6路16位PWM信号和可以实现500kHz高分辨率的HRPWM，能很好地满足控制器的设计要求，并符合工程上“量体裁衣”原则。此外，TMS320F2802采用128位密码，加密区域有Flash、L0、L1，防止代码读出，能可靠地保护控制器的软件产权4]。

2.2　主电路与驱动电路

主电路设计如图2所示，220V交流电压经过整流桥KBPC3510整流后稳压滤波输出约310V直流电，然后通过逆变电路将直流电逆变成可控的三相交流电给永磁同步电动机供电。

图2　主电路结构

逆变电路直接选用IPM智能功率模块IM23400，它集成了IGBT和驱动电路，并自带过流、过温、短路、欠压等保护功能。具体逆变以及驱动电路设计如图3所示，PWM信号经过快速光耦HCPL4504隔离输入给IPM，IPM最终输出电动机所需的三相交流电。

图3　驱动电路结构

2.3　电源电路

电源电路采用TI公司的TL3845P芯片设计而成的反激式开关电源，结构如图4所示。该电源电路能分别提供一路15V和两路隔离的5V电压，其中15V用于IPM的供电，一路5V用于运放、JTAG口、比较器、光耦、DSP(所需3.3V和1.8V提供电源来源)的供电，另一路5V给予控制电动机抱闸的继电器线圈供电。

图4　电源电路结构

2.4　电流检测电路

电流传感器选用芯片ACS712ELCTR-20A，具有体积小、噪声低、精度高的优点。相电流被该芯片转化为比例大小的电压信号，然后再经过运放调理电路输出到DSP的ADC口，具体电路如图5所示。

图5　电流检测电路结构

2.5　位置检测电路

电动机转子位置检测的好坏对控制器系统性能有着极为重要的影响，这里选用一种新型磁旋转编码芯片AS5145，分辨率每转4096个位置，后端与缓冲器SN74LVC244 ADGVR连接，最终输出电动机转子的位置信号给DSP，具体数据处理在软件部分给予阐述。设计结构如图6所示。

图6　位置检测电路结构

3软件设计

该控制器的软件设计包括主程序、定时器中断程序以及软件保护程序等5]。

3.1　主程序

主程序流程如图7所示，主要完成对寄存器、变量等的初始化工作，然后进入循环等待中断阶段，当中断发生时，则响应中断子程序。

图7　主程序流程图

3.2　定时器中断程序

控制器核心程序是以定时器的下溢中断作为中断源，在其间完成转子初始定位、位置检测、转速计算、电流调节以及调制波形的产生等任务，总流程如图8所示。

图8　定时器中断程序流程图

其中速度调节与初始位置检测子程序流程如图9所示。

图9　速度调节与初始位置检测子程序流程图

电流环中的d、q轴电流采用PI调节，具体流程如图10所示。

图10　电流环子程序流程图

3.3　软件保护程序

当系统发生故障时，进入保护中断，封锁PWM信号输出。其流程如图11所示。

图11　软件保护程序流程图

4实验验证

研制的控制器如图12所示，最后在SECCA电机测试台(图13)上模拟卷闸门负载情况对控制器进行了测试。

图12　控制器样机实物图

图13　SECCA电机测试台

图14所示为给定转速200r/min、负载10N·m时的A、B相电流波形以及电压波形，可以看出电动机两相电流呈稳定互差120°的正弦波，相电压波形呈马鞍形波(SVPWM调制得到的波形)。

图14　给定转速为200r/min、负载转矩为10N·m时A、B相电流响应波形以及A相电压波形

最后，对变负载情况进行实验，电流响应波形如图15所示，变化曲线完全满足卷闸门负载的需求。

图15　负载由10增至20N·m时和20减至10N·m的A、B相电流波形

5结论

设计的控制器简单、实用，由于使用的是永磁同步电动机，能源的节约得到进一步体现，与传统的卷闸门系统相比，精简了产品结构，系统性能得到提高，有利于日后的维护和保养。总之，研制的控制器具有不错的市场价值和应用场景。

参考文献

1] 何文．全面促进电机设备高效发展N]．中国建设报，2012-11-06(005).

2] 张春林．自动门系统的设计与应用J]．数字技术与应用，2014(1)： 165-166.

3] 郭庆鼎，孙宜标，王丽梅．现代永磁电动机交流伺服系统M]．北京： 中国电力出版社，2008： 30-59.

4] Texas Instruments Inc. TMS320F2802x，TMS320F-2802xx，(Piccolo) MCUs DATASHEETZ]． 2010.

5] 王晓明．电动机的DSP控制—TI公司DSP应用(第2版)M]. 北京： 北京航空航天大学出版社，2009： 170-178．

Development of Industrial Rolling-gate Controller Based on PMSM

ZhouShi,BaoLicheng,DongRuigang,LiFusheng

Shanghai Electric Group Co.,Ltd. Central Academe， Shanghai 200070， China

Abstract:Introduced an industrial rolling-gate controller that was designed based on permanent magnet synchronous motor (PMSM). It gived a main description on the hardware design of the main circuit, driver circuit, power supply circuit and sensing circuit while the software flowchart in the design was also addressed. The experiments proved that the developed controller could drive the rolling-gate directly via a PMSM and achieve sound performance.

Key Words:PMSM； Rolling Gate； Controller

中图分类号:TM 351

文献标识码:B

文章编号：1674-540X(2015)01-014-05

作者简介：周实(1986-)，男，硕士，助理工程师，主要从事电机控制、电力电子方向的研究工作，
E-mail： beyond2010z@163.com

收稿日期：2014-11-23