基于DSP控制的无刷直流电机在电梯门机中的应用

基于DSP控制的无刷直流电机在电梯门机中的应用 基于DSP控制的无刷直流电机在电梯门机 中的应用 基于DSP控制的无刷直流电机在 电梯门机中的应用 程众悦,季小尹 (西北工业大学,陕西西安710072) ApplicationoftheBrushlessDCMotorforElevatorDoorMachine CHENGZhong—yue.JIXiao—yin (NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072.China) 摘要:针对电梯门机的使用特点,介绍了采用电 机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A,以及功率 模块IRAM$10UP60A构成的无刷直流电机闭环调 速控制系统,给出了有关框图及实验结果. 关键词:DSP;无刷直流电机;电梯门机 中图分类号:TM301.2 文献标识码:A 文章编号:1001—2257(2006)06—0039—03 Abstract:Accordingtothespecificcharacteris— ticsofelevatordoormachine,thispaperinvestiga— tedclosedloopvelocityadjustmentcontrolsystem ofbrushlessDCmotorbasedonTM$320L— F2407ADSPandintegratedpowermodule IRAMS10UP60A.Thentheexperimentresultis given. Keywords:DSP;brushlessDCmotor;elevator doormachine 0引言 电梯门机的主要任务是接收上位机的信号,控 制电梯轿厢门和厅门的开与关,除了机械部分外,主 要由电机调速系统组成[1].为了保证电梯的正常工 作,其调速系统应具有较高的控制精度和较好的调 速性能.因此,采用TI公司生产的高性能,低价位 的电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407A,外 接IR公司最新推出的IRAMS10UP60A功率开关 器件后,构成一可用于电梯门机的稀土永磁无刷直 流电机调速系统. 收稿日期:2005—12—07 《机械与电子}2006(6) 1系统组成 电梯门机用永磁无刷直流电机调速系统的原理 如图1所示.该系统电机本体的三相绕组为Y联 结,逆变桥电路采用两两导通方式. 图1调运系统组成原理 2硬件电路 2.1设计特点 DSP芯片根据系统外设输入的信号,通过运算 处理,调节PWM波形占空比来对电机转速进行控 制[2].在设计中,主要考虑对输入信号进行采样与 滤波,使得DSP能接受到精确的输入指令信号,同 时考虑到电机在运转过程中的过流,过压和欠压等 故障保护措施,为了提高控制精度和调速性能,采用 速度,电流和位置的三闭环控制. 2.2功率主回路 系统电路采用三相全桥控制方式,主回路的功 率管采IRAMS10UP60A,它将一个三相逆变器功 率平台,栅驱动器和辅助电路结合在高性能绝缘型 封装内,内置温度监视,过温/过流保护,具短路能力 的IGBTs和欠压锁定功能,提供了高水平的安全工 ?39? 作功能.它集成了为高压侧驱动器所需的自举二极 管,以及为驱动内部电路的单极性电源,简化了模块 的使用嘲.因此,仅需将合适的自举电容C,C.,C. 连接至外部电路与1,4,7脚之间,如图2所示. 23 22 2t 20 ??------—-———一I19 18?-----—-?——… 17?—-———————,,, 16??———---—----一l 星l5?-———?——--I 暑14 13 乏12 兰10 7 5 4 2 1 图2系统功率主回路 由图2可以看出,来自DSPTMS320LF2407A 的6个PWM输出信号经过逻辑转换电路后,分别 输入到模块IRAMS1OUP60A的高,低压侧门极驱 动器逻辑输入相l5,2O脚.另外,1O脚为直流母 线正输入端,接+300V电压,21脚为温度检测和 停机管脚,22脚为+15V偏置电压,23脚为+15V 返回和基板地. 2.3DSP控制的主要接口电路 2.3.1DSP的控制电源设计 DSP应用系统一般都需要+3.3V电源,采用 TPS7333Q芯片按照图3所示的电路连接,就可以 从+5V得到+3.3V的DSP控制电压.其中, TPS7333Q的第8脚可用作DSP的外部复位引脚. . 451==]:-100~Fr36TPS7333Q7 1O0pF= 28 图3DSP电源电路 2.3.2DSP的晶振及复位电路 DSP所需外部晶振的典型接法如图4所示. 对于两脚晶振所接的电容典型值为2O,30F[. 晶振频率数值的大小根据DSP的工作频率决定. ?4O? 图4DSP晶振接法 DSP的复位信号有上电复位和手动复位,一般 将2个信号进行逻辑与,并送到DSP的复位输入引 脚.带有上电延迟复位和手动复位功能的复位电路 如图5所示. 图5DSP复位电路 2.4检测回路 2.4.1电流检测 如图2所示,模块的12,13,14脚为三相低压侧 IGBT发射极,它们共同作为电流检测用端口,经 DSPTMS32OLF24O7A的控制,在每一个PWM周 期都对电流进行一次采样,通过调节PWM占空比 对速度进行控制.另外需要注意的是,对电流的采 样时刻应该是在PWM周期的"开"期间的中部. 2.4.2转子位置及速度检测 这里采用3个霍尔元件来检测转子位置.电机 在正常运转的时候,每一个霍尔元件都会产生180 脉宽的输出信号,3个霍尔元件的输出信号互差 120..将其送入TMS32OLF24O7A的捕获单元,通 过对DSP设置为双沿触发捕捉中断功能,就可获得 6个脉冲信号用于绕组换相. 采用一圈120齿的圆盘形光栅,安装于带动轿 厢门动作的皮带轮转轴上,与光栅对应的光耦输出 脉冲信号,经整形处理后送人DSP.在DSP内部, 该脉冲信号一方面作为正比于电机转速的速度反馈 信号,另一方面,通过计数,该脉冲还可以判定门所 处的位置,实现门位置的检测. 3控制软件设计 该系统控制程序由一个主程序和若干子程序组 成,如l所示,主要完成门宽的自学习,运行参数 的修改以及按给定曲线调速运行等功能. 《机械与电子}2006(6) 表1控制程序组成 主程序主要由系统的初始化和主循环体组成. 系统的初始化包括DSP和外围器件的初始化,系统 全局变量的定义和赋初值.初始化完成后,程序进 入主循环体,根据预设的参数或者根据操作者的输 入进行控制.对于子程序来说,如门宽自学习测量, 其门宽参数的自学习过程设计为4个工作状态,即 慢速关门状态,门已关好状态,慢速开门状态,门已 开好状态[1],其如图6所示. 图6中断程序流程 对于调速运行子程序来说,又由中断服务子程 序,换相或修改占空比子程序等若干子程序所组成. 本设计的中断程序主要包括捕获中断和A/D转换 中断,其程序流程如图7所示.另外,在功率器件发 生过载保护时,会有PDPINT中断发生,在中断服 务程序中,停止PWM信号的产生和输出,并设置错 误标志. 《机械与电子}2006(6) 保存现场 速度参数计算 l 检测捕捉口电平 获得换相控制字 t 换相 恢复捕捉功能 恢复现场退出 (a)捕捉中断(b)A/D中断 图7中断程序流程 4实验与应用 对已研制的电梯门机稀土永磁无刷直流电机调 速系统样机进行了调试试验,其实测结果如下:额定 电压为220VAC,额定功率为180W,额定转矩为 1.8N?m,过载倍数为3.0,基转速为950r/min, 调速比为l:3O,系统最高效率为85(电机和控制 器),噪声?43dB(A).该电梯门机无刷直流电机 调速系统经与电梯主机配套使用,取得了良好的使 用效果,并能适应较宽的工作电压范围内安全使用. 5结束语 本系统具有体积小,重量轻,输出力矩大和效率 高的特点,并能适应较宽工作电压范围内的安全使 用.不仅适用于新型门机,也可用于旧电梯门机的 改造. 参考文献: [13季小尹,符向荣,郝卫生.电梯门机用无刷直流电机调 速系统设计与应用[J].微电机,2003,(5):22—24. [2]TexasInstrumentsIncorporated.TMS32OLF/LC24系 列DSP的CPU与外设[M].北京:清华大学出版社, 2004. [3]IRAMSIOUP60APreliminaryDatasheet[Z].IR公司, 2002. [4]扈宏杰.DSP控制系统的设计与实现[M].北京:机械 工业出版社,2004. 作者简介:程众悦(1981一),男,甘肃临洮人,西北工业大 学硕士研究生,研究方向为稀土永磁电机及其控制. ? 4l?