基于单片机对电梯门机控制系统的设计

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1、电梯门机控制系统设计与分析1.1 电梯门机控制系统运行曲线的设计门机运行曲线的示意形状如图4-1所示。门机运行曲线按速度分区为:关门力矩保持区A0，开门低速区A1，开门加速区A2，开门高速区A3，开门减速区A4开门末段低速区A5，开门力矩保持区A6，关门低速及加速区A7，关门高速区A8，关门减速区A9，关门末段低速区A10，并且要求高速时速度过渡为光滑的S形曲线，其中高速过渡点为I2，I3，I6和I7。图1-1 电梯门机理想运行曲线图1.1.1 门机运行曲线的分段实现门机正转与反转运行曲线的设计原理是一样的，以下就以电机正转开门的运行曲线设计的实现为例进行讨论。为了论述方便，现以开门减速段的实

2、现方法说明曲线计算过程。设计开门运行曲线时，门机控制系统的速度变化采用如图4-2所示的速度与时间关系。图1-2 门机系统加减速特性由上述的时间速度控制可讨论系统运行的位移速度曲线。“门位移；时间；电机的速度；速度变化的时间间隔； 在内的速度变化。在速度下降的过程中，速度从开始下降，则在时刻，又 ，则有 （4-1）在一个速度变化时间内，则 （4-2）由此可知在一个内，其中由门机的一个程序运行循环时间所确定门位移的距离与成正比，当大时则门位移也大，当小时则门位移也小;在相同的情况下，如果要改变速度下降的快慢，则可改变的大小;同时由以上的推导可知，系统运行位移与电机速度是成二次曲线关系，则运行曲线在

3、高速前后的加减速变化是相当平滑的，而且加减速的过程相当迅速。图4-3 开门运行位移速度曲线由运行的对称性可知在加速段过程，其位移速度特性与减速段过程相类似，可得开门运行曲线的特性曲线，实际设计的门机控制系统开门运行曲线如图4.3所示，门机系统的关门运行曲线与开门曲线基本成中心对称关系1.1.2 S曲线加减速过程很好地实现电机加减速过程的S曲线，可使门机系统具有良好的运行特性，使电梯门开关平稳，减小电机所受的负载冲击，提高系统的可靠性，延长系统的使用寿命。本设计将电机的加减速过程分为三段，以加速过程为例，第一段采用匀加加速方式，第二段采用匀加速方式，第三段采用匀减加速方式，其工作曲线如图4-4所

4、示。同理对于减速过程也可以分为三个阶段，其加速与减速曲线如图4.5所示。图4-4 加速过程S曲线图4-5 加速曲线与减速曲线下面，以加速过程为例介绍S曲线的获得。1.1.3 连续时间下的分段速度表达式系统中假设匀加加速段(第一段)和匀减加速段(第三段)时间相等，且加加速度值和减加速度值相等。于是有 （4-3）现分段计算：（1）初试状态时，有 （4-4）（2）匀加加速段，即时，加速度的变化率为一常数，用来表示加速度的变化率，则有 （4-5）其中b是加加速度值，也是减加速度的绝对值，积分可得 （4-6） （4-7）当时，将代人式（4-6）和（4-7）得 （4-8） （4-9）（3）匀加速段，即 （

5、4-10） （4-11）当时，分别代人（4-10）和（4-11）可得 （4-12） （4-13）（4）匀减加速 （4-14） （4-15） （4-16）当时，分别代人（4-15）和（4-16） （4-17） （4-18）以上得出了匀加加速段调速过程的加速度式和速度式。1.1.4 连续S曲线的离散化若将S曲线加速/减速过程按时间平均分为20段，即，包括起点在内，共有21点。为了使电机加速/减速具有良好的特性，可将匀加加速段和匀减加速段适当取长一些，系统中,，即匀加加速段和匀减加速段分别占8个时间段，而匀加速段占4个时间段。加速度变化率的绝对值b是一系数，为方便分析，取。以上参数定好后，带入前面所

6、得各式，可求出各时间点的速度值，以点为例，该点位于第一段，按第一段所得表达式计算。 （4-19） 为方便数字量的存储，将计算出的速度乘以2，使之为整数。各速度点的对应值如表4-1所示。表1-1 各速度点对应的样点值tda/dtav2v0123456789101112131415161718192001111111100001111111101234567888887654321000.524.5812.51824.5324048566471.57883.58891.59495.5960149162536496480961121281431561671761831881911921.1.5 S曲

7、线的实现系统中将20个2v值保存在一个一维数组中(不存零点)，在主程序中系统初始化时将此数组设定为字符型全局变量，同时进行赋值。因为最大值为192小于256，可保存在一个字节中，所以将其设置为字符型，可节省数据存储器空间。实际运行中，需要加速/减速时，程序先根据加速/减速前后速度之差，以及第一加减速时间(正常运行情况)或第二加减速时间(堵转开门情况)，计算出整个加速/减速所需时间，再计算出每一步所需时间。将此时间换算成TimerA的定时值，由TimerA定时中断确定。对于具体的每一步，程序根据加速/减速前后速度之差，与当前步的2v/192相乘，得到当前所需转速与初始转速的偏移量，在与初始转速相

8、加(加速情况)减(减速情况)，得到当前所需转速，输出相应宽度的PWM波，达到控制目的。1.2 数字PID控制器的算法与参数选择PID控制算法是由比例，积分和微分三种算法组成。所以只要分别求出比例，积分和微分三种算法，然后将它们综合起来，就得到PID算法。下式即为增量式的PID控制器的算法: （4-20）其中 （4-21） （4-22） （4-23）离散PID控制算法的控制参数主要是和采样周期。PID控制器的质量主要决定于参数的选择是否合理。下面介绍上述参数选择的一些经验。（1）采样周期T的选择采样周期应比控制对象的最小一个时间常数还要小，否则采样信号无法反映系统的真实的过度过程。采样的频率至少

9、为有效信号频率的两倍，实际上选用4到6倍。采样频率的选择还应注意系统主要干扰的频谱，特别是工业电网的干扰，一般希望它们有整数倍的关系，这对抑制干扰大为有益。（2）的选择比例常数加大时，表示系统的放大倍数增加，系统的稳态误差将减小，提高了控制精度.通常比例系数是根据系统稳态误差的要求来选择，此外，当其增大时系统反应灵敏，但过大的将使系统趋于不稳定。积分控制能消除惯性系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度，但积分控制通常使系统的稳定性变差，需要合理的进行积分系数的选择。微分控制作用能反应误差变化率，产生越前的校正作用。合理地选择可以改善系统的动态性能。1.3 计算控制电路由系统组成框图可见，计算控

10、制电路是整个电梯门机控制系统的核心，它的正常工作是整个系统稳定的前提。由于电机控制的复杂性和即时性，要求控制电路具有强大的计算能力和快速的处理能力。在本系统中，采用了ATMEL公司的AT89C51单片机作为控制电路的处理单元，外加各种信号调整电路和参数掉电保持电路组成整个计算控制电路。1.3.1 参数掉电保持电路由于系统要求在掉电或停机后，下一次再开始运行时，应按照上一次的运行状态运作。因此，系统采用了参数掉电保持电路。此设计利用TL7705构成的电源监控电路，使单片机系统在掉电时自动保护现场数据。（1）TL7705的工作原理TL7705是电源监控用集成电路，采用8脚双列直插式封装，其内部结构

11、图4-6所示。图4-6中，基准电压发生器具有较高的稳定性，可由1脚输出2.5V基准电压，为了吸收电源的同脉冲干扰，通常在1脚上接一个0.1F的滤波电容来提高其抗干扰能力，被监控的电源电压由SENSE端7脚引入，经过R1和R2分压后送入比较器CMP1，与基准电压进行比较，当其值小于基准电压时，T1导通，定时电容CT通过T1放电，使CMP2比较器翻转，T2和T3导通，输出脚RESET为高电平，SESET反为低电平，当送入CMP1比较器的电压高于基准电压时，T1截止100A恒流源给CT充电，当CT上的电压高于2.5V时，CMP2比较器翻转，T2和T3截止，RESET和RESET反输出关断。图4-6

12、TL7705内部结构图（2）TL7705与AT89C51的接法图4-7中，R1、C1和74LSO4构成单片机的上电自动复位和手动按钮复位电路，备用电池P1及D1、D2实现掉电时备用电池的切换。电源正常时D1不导通，5V直接给单片机供电，并为电池P1充电，为了减小电池耗电，备用电池只给单片机供电，保护片内RAM中的数据，电源掉电后，其他外围电路的工作电压仅靠电源电容维持很短的时间，电位器RW用来调节检测电压，范围为4.54.75V，当掉电时，外围电路的电压下降到门限设定电压时，可将片外RAM中需要保护的数据写入片内RAM中，并使单片机进入掉电工作方式以完成数据保护，为了保证单片机有足够的处理时间

13、，取检测电压为4.75V，当电源电压降至4.75V时，TL7705由RESET反向单片机发出中断请求信号（INTO反）。单片机运行到一个可断断点后，相应中断，在中断服务程序中保护现场数据，使单片机进入掉电工作状态。图4-7 TL7705与AT89C51的接法1.3.2 电机转速反馈和电机运行方向辨别电路本系统中采用了光电码盘来测量电机的转速，由于电机的转速较低，所以在测速时，使用了T法也即测量几个脉冲之间的间隔时间来测速。为了满足测速精度要求，光电码盘使用了120齿/圈的码盘，保证了在低速时也有很好的精度。 在电梯门机运行参数中，电机运行方向是一个重要参数。常用的方向辨别法有判别电机反电势相序

14、的方法和光栅辨向电路法，由于本系统中速度反馈电路采用了光电传感器，而光栅辨向电路可共享光电传感器，因此本系统采用了这种方法。具体电路如图五所示。实现的方法是将两个光电传感器相差900相位安装，使它们产生相差900相位的A、B相脉冲波，经整形后送到辨向电路中，R1、C7将A相脉冲的前沿微分，微分尖脉冲同时加到两个与非门IC12A和IC12C，而它们分别由信号B和/B来选通，在电机正向运转时，FOR点为高电平，在电机逆向运转时，REV点输出高电平。图4-8 测速及辨向电路1.3.3 位置反馈及开关译码电路本系统中使用的是无刷直流电动机，它的速度调节需要其转子位置信号。转子位置信号的产生可分间接位置

15、检测技术和直接位置检测技术，间接位置检测技术即通过测试电机绕组的反电势，经计算求得，但在电机启动或低速运行时，电机反电势没有或很低，而此时的干扰又强，很难精确得出转子位置信号，这就需要进行特别处理，例如外同步方法并采用滤波来解决电机的起动和低速运行，这就增加了系统的复杂度，因此本系统没有采用这种方法。直接位置检测技术又分霍尔元件法，光电传感器法、差动变压器法以及接近开关法，在这之中，光电传感器具有高精度、高可靠性的特点，所以本系统中采用了光电传感器加码盘的方法。具体电路如图4-9所示。A、B、C三相位置信号是由三个互差120。电角度的光电传感器送出的方波信号，经过LM324整形后，送入AT89

16、C51进行最优电流导通角处理，处理后输出的三个互差1200电角度的方波信号送到GAL16VS进行开关译码。本系统使用的是1200导通方式，采用这种控制方式，具有以下优点： （1）不会出现1800控制方式中极力避免的上下桥臂直通现象；（2）与1200方波电机相匹配，可达到极佳运行特性；（3）导通逻辑简单，由于不用考虑死区问题，实现容易。图4-9 位置反馈及开关译码电路GAL16V8同时将译出的控制导通信号与PWM调制信号、故障自锁信号、电机正反转信号一起译码，实现电机转速、方向控制和故障保护功能。在实现PWM调制时，通常采用半桥全调制，即6个功率管中，只有上半桥的三个管子参与PWM调制，而下半桥

17、的三个管子不参与PWM调制。这种方法与6个管子均参与PWM调制的全桥全调制相比，尽管开关损耗降低了一半，但却造成了6个管子的开关损耗不均等，即下半桥的三个管子开关损耗低，上半桥的三个管子开关损耗高。为克服这一缺点，在本系统中采用了一种单极半调制的PWM控制方式。如图4-10所示。A、B、C为转子位置传感器输出信号，功率管QlQ6的6路控制信号为TlT6。采用这种调制方式，任意时刻只有一个功率管受调制，每只管子在120导通期间仅有后60“的调制作用。功率器件开关次数减少了一半。与全桥双极性调制相比，可明显降低开关损耗、并使损耗平均分配在每个管子上。在控制系统中采用了可编程逻辑器件GAL来实现无刷

18、直流电动机的换相功能。该GAL芯片输入PWM波，位置信号A、B、C，故障锁定信号LK和转向信号DIR;输出为TlT66路驱动信号，其逻辑函数表达式如下：图4-10 单级半调制开关信号GAL芯片在控制系统中起到了非常重要的作用可归纳为几点:（1）实现了电机驱动的快速换相功能。由于GAL芯片的快速性，其输出能迅速跟踪输入的跳变，及时判断位置传感器发出的信号，完成其换相功能。（2）用硬件实现了PWM波的单极半调制，使开关损耗平均分配在上下桥臂的6个管子上，减轻了总体上IGBT功率器件的负担，延长了管子寿命。（3）用一个简单的开关量实现了电机的正、反转，只要改变GAL芯片上DIR管脚的电平，高电平时，

19、按图3.8的正转逻辑触发Tl一T6，使电机正转，低电平时，按反转逻辑触发电机反转。开关信号从GAL16VS输出后，经过74LS04的驱动，6N136中，由6N136输出15V的开关信号驱动IPM。6N136送到高速数字光祸将强电的地和弱电的地隔离开来，保证系统的可靠性。这部分的电路有相同的6路，每一路的原理图如图4-11所示。图4-11 驱动信号的隔离1.3.4 键盘和数码显示电路若将门机控制系统的运行参数方便的进行操作及调试，应该完成键盘和显示电路设计的设计。一般设计包括串行和并行两种方式，由于串行接口具有抗干扰能力强，连线少的特点，所以本文采用了串行的方式。芯片选用了ZLG7289A，该芯

20、片具有SPI串行接口，可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)，还可连接多达64键的键盘矩阵，单块芯片即可完成LED显示、键盘接口等全部功能 ZLG7289A，内部含有译码器，可直接接收BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等 芯片与单片机之间共有4根连接线，其中CS为片选信号线，低电平有效，KEY为有键按下信号线，当有任意一键被按下时，ZLG7289A锁存该键键值，同时KEY由高电平变为低电平，直到CPU读取键值后，KEY才由低变高。CLK为时钟信号线，DIO为数据输入输出线。串行数据从DIO引脚送入芯片，并由CLK端同

21、步。当片选信号变为低电平后，DIO引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入ZLG7289的缓冲寄存器(DIO为输入态时)或将键盘数据从DIO脚送出(DIO为输出态时)。表4-2 ZLG7289的引脚及其功能见下表：引脚名称说明23、54678910-161718-25262728VddNCVssCSCLKDIOKEYSG-SADPDIG0-DIG7CLKORCRESET正电源无连接，必须悬空电源地片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据。同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升沿表示数据有效。串行数据输入/输出端，当芯片接收指令时，此引脚为输入端，当读取

22、键盘数据时，此引脚在读指令令最后一个时钟的下降沿变为输出端。按键有效输出端，平时为低电平，当检测到有效按键时，此引脚变为高电平。 段g段a驱动输出小数点驱动输出数字0数字7驱动输出振荡输出端RC振荡器连接端复位端1.4 驱动和保护电路控制电路中送出的控制信号送到驱动电路中，由驱动电路带动电机运行。驱动电路功率变换器由二极管整流桥、滤波电路、逆变器电路及相应的吸收、保护电路组成。整流桥将220V交流电整流为直流电，供逆变器使用。滤波电路由60OV/470pF的大电容及其断电泻放电阻组成。由于采用电容滤波，整个逆变器属于电压型逆变器。逆变器采用全桥全控式，开关元件由可关断器件组成，选用高频电力电子

23、器件绝缘栅双极品体管(IGBT)，它既有功率MOSFET高输入阻抗、高速特性、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有双极达林顿晶体管(GTR)大电流密度、低饱和压降、耐压高的特点。采用分立式驱动电路驱动IGBT较为经济，但很难得到良好性能，特别是由于IGBT内寄生晶体管、寄生电容的存在，门极信号受主电流影响等原因，使驱动电路的设计复杂。又由于分立元件参数的离散性很大，保护电路设计复杂，电路易受干扰，不易调试等原因，在本系统中决定采用富士电机的智能功率模块(IPM)来驱动电机。IPM与以往IGBT模块及驱动电路的组件相比具有如下特点：（1）内含驱动电路。设定了最佳的IGBT驱动条件，驱动电路与IG

24、BT间的距离很短，输出阻抗很低，因此，不需要加反向偏压。所需电源为下桥臂1组，上桥臂3组，共4组。（2）内含过电流保护(OC)、短路保护(SC)。由于是通过检测各IGBT集电极电流实现保护的，故不管哪个IGBT发生异常，都能保护，特别是下桥臂短路和对地短路的保护。（3）内含驱动电源欠电压保护(UV)。每个驱动电路都具有UV保护功能。当驱动电源电压UCC小于规定值UUV时，产生欠电压保护。（4）内含过热保护(OH)。OH是防止IGBT、FRD(快恢复二极管)过热的保护功能。IPM内部的绝缘基板上设有温度检测元件，检测绝缘基板温度TCOH (IGBT、FRD芯片异常发热后的保护动作时间比较慢)。RIPM进一步在各IGBT芯片内设有温度检测元件，对于芯片的异常发热能高速实现OH保护。（5）内含报警输出(ALM)。ALM是向外部输出故障报警的一种功能，当OH及下桥臂OC、TJOH、UV保护动作时，通过向控制IPM的微机输出异常信号，能切实停止系统。（6）采用陶瓷绝缘结构，可直接装在散热器上，散热效果好，输入、输出控制端子并排一列，使电路配线方便。该IPM的结构如图4-12所示，由图可见，在IPM内部集成了IGBT功率管及其续流二极管、预驱动电路和保护电路。主要性能参数如下：额定母线电压：600V；额定驱动电压：15V；额定电流：15A；最大开关频率:20KHZ。图4-12 富士IPM