基于STM32的电梯门机智能控制系统

柳瑶瑶，冯银飞，曹鑫巍，谢熙承，张加岭，时 斌

1 引言

中国已成为全球容量最大、增长最快的电梯市场。然而其门机种类繁多，参数设置比较麻烦。为适应市场需求，将电梯门电机驱动控制与电梯门逻辑控制高度集成的一体化的控制系统方案受到了电梯制造厂商的普遍欢迎。这种一体化控制方案采用一个MCU协调完成电梯门的逻辑控制和电梯门电机的运动控制，提高了系统的柔性，节省了制造成本，实现了资源的优化应用。本文以STM32F407控制器为核心控制部件，以三相桥式逆变模块作为电机的主逆变电路，采用SVPWM控制技术，利用高精度编码器AD2S1200实时检测电机的位置和速度，同时采集电机的电流值，将信息进行反馈，并通过PI调节调控电机的运行状态，设计出具有过流、过压、短路、过载、软启动等保护功能的永磁同步电机电梯门控制系统。该控制系统经过了实验验证，并通过了EMI检测，具有噪声小、运行平稳等特点。

2 系统硬件组成

如图1所示为系统的总体硬件结构框图。整个系统可分为功率主回路、电源电路和控制电路三个部分。

功率主回路中选用了Infineon公司的20N60C3作为三相桥式逆变器的主控器件。该器件属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（10＾7～10＾12Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、无二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

开关电源选用以TL494集成控制器为核心元器件的小功率驱动电源，并为控制电路所需要的各种不同的电压等级供电。

在控制回路中，采用基于ARM CortexA-M4内核的STM32F407芯片作为主控芯片，连接电机的驱动控制模块、电流检测模块、电机位置与速度检测模块和电梯开关量输出模块，通过程序控制组成了一个智能电梯控制系统。

图1 系统总体硬件结构框图

2.1 电源电路

2.1.1 开关电源电路设计

目前，市场上有许多种不同的电源电路，其中半桥式开关电源因其输出功率大的优势而得到了广泛应用。本文选用以TL494集成控制器为核心元器件的半桥式开关电源。TL494是一种固定频率的脉宽调制电路，满足开关电源所需要的全部要求，特点是采用推挽/单端输出，其最高工作频率为300kHz，这使得高频变压器能够快速储存和释放能量，经高频整流滤波后即可获得连续的输出电压。由于系统输入电压为220VAC，而系统中需要的电压有 90V、24V、15V、12V、5V、3.3V 等多种电压等级，因此本开关电源需要加入变压器来产生所需要的各种电压。由TL494构成反馈回路提供电机所需要的90V强电，并将三路24V辅路电源电压集成在同一变压器上，一路供TL494工作，另两路分别产生其他的电压等级。

如图2所示为半桥式开关电源主要参与能量的转换通路图。变压器T1参与能量转换，变压器T2起到相位控制的作用。变压器T1-Ⅳ和Ⅴ绕组整流输出直流电压并供给TL494，TL494输出互补调制脉冲（PWM）控制VT1和VT2的通断，变压器T2-Ⅳ和Ⅴ轮流通过电流并耦合到变压器T1-Ⅰ和Ⅲ上来决定VT3和VT4的通断。

图2 半桥式开关电源参与能量的转换通路

2.1.2 稳压电路

TL494自带有稳压功能，其输出电压经采样电阻分压和滤波后加到Tl494误差放大器的同相输入端。正常工作时，电路要维持误差放大器的同相输入端和反相输入端的电压基本相等。反相输入端电压由TL494内部基准电压（Vref＝5V）经过电阻分压得到。因此，若由于某种原因引起输出电压升高，误差放大器的同相输入端的电压会随之升高，TL494输出脉冲的占空比会减小，从而可稳定输出电压，反之亦然。

2.2 功率主回路

系统的功率主回路采用三相全桥控制方式。主回路的驱动芯片采用IR2130，该芯片中有六个高压栅极驱动器，具有死区时间设置、过流保护、欠压锁定等功能。IR2136电路部分的主要作用就是接收STM32F407主芯片的控制信号，然后驱动逆变电路，IR2130驱动电路图如图3所示。

图3 IR2130驱动电路图

2.3 信号调理控制电路

2.3.1 位置、速度检测电路

在高性能电机的控制中，转子位置的测量精度对电机的控制效果影响很大。为提高电机转子位置信号的测量精度，本文设计采用AD2S1200作为电机位置与速度信息采集的元器件。AD2S1200作为旋转变压器—数字转换器单片集成芯片，可输出12位绝对位置信息和带符号的11位速度信息，具有±11弧分精确度，其最大跟踪速度为1000 r/s。

如图4所示为AD2S1200励磁驱动的外围电路。本文设计采用的永磁同步电机旋变所需的励磁电压范围为 3～7V，初、次级电压比为 0.286，而AD2S1200输出的励磁信号峰-峰值为8.2V，接收的正余弦信号峰-峰值为3.6±10%V。本文所采用的旋转变压器的励磁电流的峰峰值为11V，需要结合旋变参数调整驱动器的增益，一般情况下增益缓冲器的设定通过下图中的R1、R2调节即可，本设计采用的增益为1.5。旋变的次级输出信号uNs1和uNs3，uNs2和uNs4经滤波电路后直接进入 AD2S1200的 SIN、SINLO、COS和COSLO四个管脚。输出波形与接收波形图如图5所示。

图4 AD2S1200励磁驱动的外围电路

图5 AD2S1200输出波形与接收波形图

2.3.2 电流采样电路

电流采样模块的作用是将电路采集的电流模拟量转变为数字量，以供主控芯片STM32F407对信息进行分析，从而控制电机的运行。本文采用AD芯片ADS8332与电流霍尔传感器HBC-LSP相结合的模块对两相电流A和B进行采集。这种方法测量范围广，反应速度快，兼具电流互感器和电子电路的优点，保证了高准确度和线性度。

2.4 保护电路

2.4.1 软启动保护

刚上电工作时，TL494输出基准电压5V，经电容C耦合加到死区时间控制端，其电压短暂高于3V，输出互补调制脉冲皆为低电平。一旦电容C充电结束，则基准电压经电阻分压加到死区时间控制端，其电压约为0.5V，TL494正常工作，实现了开关电源的软启动保护。

2.4.2 过流保护

（1）开关电源过流保护

当因故障使输出电流过大时，连接在开关电源输出端与TL494的误差放大器2的同相输出端之间的电阻电压会变大，误差放大器2的同相输出端电压会升高，一旦其高于40mV，则误差放大器2会输出高电压，迫使输出脉冲占空比下降，从而实现过流保护的作用。

（2）驱动过流保护

IR2130自带过流信号检测引脚VS0，如图3所示的芯片13号引脚，由外接电阻与三相桥臂下桥臂开关管源极相连，检测电阻Rs上的电压送至IR2130的9脚ITRIP作比较，当发生过流时，可得到及时的信号Fault，其经过光耦隔离电路送给主控芯片，可关断SVPWM信号，即可关断驱动信号，从而实现了驱动过流保护。

3 系统软件设计

电梯门机主要有开门和关门两个主要功能。在正常开关门运行过程中，需要根据门机位置改变运行速度。门机速度则根据位置信息、电流信息等经主控芯片STM32F407进行判断与调节，得到相应位置速度的SVPWM波，从而由硬件实现对电机的控制。因此，电梯门机控制系统软件程序主要有初始化程序、主控程序、门宽自适应程序、保护程序等。

如图6所示为整个软件设计的主流程图。

图6 软件设计主流程图

3.1 电机控制程序

本文设计的电机控制程序采用的是空间矢量调制技术，其流程图如图7所示。定时器产生中断时，程序将经由ADS8332采集的两相电流经过Clarke 变换（3s/2s），再经过 Park 变换（2s/2r），并结合由AD2S1200采集的电机位置信息，得到旋转坐标系下的Id、Iq。通过PI调节可得到Vd、Vq，再经过Park反变换可得到Vα、Vβ，最后可计算出调制波形，并通过驱动模块控制电机的运行。其中，PWM的工作频率为8.4kHz，电流环调节器的控制周期为1.25ms，速度、位置环的调节周期为 10ms。

图7 电机控制程序流程图

3.2 门宽自适应程序

程序初始化以后，门机慢速运转，完成一次开、关门动作。控制程序通过AD2S1200反馈的信号得到门机的实际门宽。程序根据门机的实际门宽自动调节门机的运行速度曲线参数，达到实际应用不同门宽的要求。

3.3 保护程序

本文设计通过检测由驱动芯片IR2130采集的过流信号来关断PWM信号，以实现对电路的保护作用。

4 传导电磁干扰抑制实验

电梯能给人们的生活带来便利，但因其自身固有的特性也引入了电磁干扰。电梯门系统包括门机控制器、门机马达、门机架子和光幕等，而门机控制器是一个重要的干扰源。这些干扰主要来源于电梯门控制驱动系统输入端整流部分所产生的高次谐波、直流-交流（DC-AC）高频逆变器和逆变器输出端到电机电缆之间所产生的共模电磁干扰。

因此，需要在交流市电与整流电路之间加入电磁抗干扰（Electro-Magnetic Interference，简称 EMI）滤波电路，如图8所示。EMI滤波电路由两个压敏电阻、两个X电容、两个Y电容和一个共模电感L1构成。通过压敏电阻的高压导通性能，吸收掉电网中的浪涌电压和尖峰。辐射干扰包括共模辐射和差模辐射，利用两个Y电容的低通性能和共模电感对共模干扰的高阻抗特性，可以滤除掉电网及外界的高频共模干扰，并能有效地抑制自身的共模干扰。同时，可利用两个X电容来滤除掉电网中的差模干扰。

图8 EMI滤波电路

另外，在保证电路驱动能力的情况下，可增加门极电阻，同时可给开关元器件增加吸收回路，如图9所示。在开关管T1和T4两端增加RLCD吸收回路，其工作原理如下：T1开通时，储存在电容C1上的能量经过T1、电感L1和L2、二极管D4及电阻R1所构成的放电回路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt。

图9 驱动桥臂吸收回路

为抑制电机侧的电磁干扰，通过增加铁氧体磁环来抑制共模电压所产生的高频电磁干扰。将A、B、C三相输入线等效为一根能产生共模电流Icm的导线，并通过磁环来实现电磁干扰的抑制。

如图10所示为电梯门控制驱动系统在专业环境下进行CISPR11 Electric Field Strength 3m QP Class A实验所测得的电磁辐射频谱图。通过有效的屏蔽措施和正确的干扰抑制方法，完全可以将电磁干扰抑制到20dB左右，符合规定要求。

图10 电磁辐射频谱图

5 转速闭环实验

为验证PMSM双闭环控制系统的准确可靠运行，给定转速 n1＝120r/min，根据公式 n＝60f/P 可得理论上定子电流频率f＝4Hz，电流周期T＝125ms。图11（a）为通过示波器检测的定子绕组在上述情况下的逆变桥电流波形图，图11（b）为通过联轴器带动的发电机输出侧电流波形，由图可知，电流周期t＝125ms，实验结果与理论相符。

图11 n1＝120 r/min 时电流波形图

6 结束语

本文讨论了电梯门机控制系统。根据电梯门机的运行特性，采用SVPWM控制技术，设计了电机控制程序和门机自控程序等功能模块。实验证明该门机控制器具有良好的运行特性，电机运转平稳，噪音小，且逻辑判断错误和处理故障及时。但对于永磁同步电机应用更为广泛的伺服领域，这种控制方法还存在一定的缺陷。对更大范围调速、更快指令响应、更稳运行特征的追求，以及对精确位置控制的尝试，这些都有待更进一步的研究。

参考文献：

［1］储海燕，许 刚.基于AD2S1200的旋转变压器解码电路的设计［J］.科学技术与工程，2012，20（12）.

［2］马冬梅.基于STM32的电梯门机控制系统设计［J］.微特电机，2014，9（42）：80-82.

［3］张 程.基于STM32的永磁同步电机驱动器设计［J］.福建工程学院学报，2011，1（9）：61-64.

［4］张 锐，白连平.永磁交流伺服电机控制系统的研究［J］.电气技术，2011，（3）：6-9.

［5］Hui Wang，Xue Ren Dong，Xiao Wei Yang，Feng Nan Liu.Research of permanent magnet synchronous motor speed control system based on DSP［J］.Trans Tech，2012.