專利名稱：全數字門機控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及驅動門機開啟和關閉門體的控制裝置。

背景技術：
門機系統(tǒng)一般安裝在電梯門、自動門的門框上方，用于控制門體的開關。目前常見的門機控制器中采用直流電機、單相異步電機、三相異步電機等傳統(tǒng)電機作為執(zhí)行元件。這類裝置存在需經常維修，體積大，效率低，成本高等問題。另外控制方法上有些控制器采用速度開環(huán)控制，控制精度較差，對門機負載變化適應能力較差，不能滿足高檔電梯，自動門對門機的要求。
作為驅動電梯門、自動門的門機系統(tǒng)需要保證門體運行的安全性，當門體運動過程中遇到人或物的障礙物時需要及時準確的檢測到，并且完成相應的停止或反向運行指令以及故障顯示的功能。本系統(tǒng)采用的速度曲線規(guī)劃和障礙物檢測方法可以很好的保證安全性并且節(jié)約硬件成本。

實用新型內容為了解決上述問題，本實用新型的目的是降低門機驅動系統(tǒng)的故障率，提高系統(tǒng)使用壽命，提高系統(tǒng)控制精度和系統(tǒng)的安全性，為此本實用新型提出一種全數字門機控制系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提出一種全數字門機控制系統(tǒng)，包括 具有一電源，用于為系統(tǒng)提供電源； 具有一控制裝置與電源連接，用于輸出控制信號； 具有一電機與控制裝置連接，接收控制裝置控制信號，用于輸出驅動轉矩； 具有一減速機構的蝸輪蝸桿與電機連接，用于將電機的轉速降低，轉矩增大后傳動到第一齒輪上； 具有一第一齒輪固定在轉軸上； 具有一第二齒輪固定在轉軸上； 具有一皮帶與第一齒輪和第二齒輪滑動連接； 具有一第一門體的一端與第一連接件的一端連接； 具有一第二門體的一端與第二連接件的一端連接； 具有一連接件的另一端連接到皮帶上； 具有一滑軌的上面與第一門體和第二門體的底面滑動連接。
所述控制裝置包括處理單元、轉換電路、隔離單元、逆變器、電機、編碼器、傳感器、保護單元、控制器、數字示波器； 具有一處理單元的第一端與電源連接，用于接收電源電壓信號；具有處理單元的第二端和第三端，用于輸出經過處理單元處理的電壓信號； 具有一轉換電路的第一端與處理單元的第三端連接，用于提取處理單元的第三端經過處理單元處理的電壓信號；還具有轉換電路的第二端和第三端，用于輸出電壓信號； 具有一隔離單元的第一端與轉換電路第二端連接，用于接收轉換電路第二端的電壓信號；具有隔離單元的第二端，用于輸出經過隔離的脈寬調制PWM波；具有隔離單元的第三端，用于提取控制器的脈寬調制PWM波； 具有一逆變器的第一端與處理單元的第二端連接，用于提取處理單元第二端的電壓信號；還具有逆變器的第二端與隔離單元連接，用于提取隔離單元輸出的PWM波；具有逆變器的第三端，用于輸出三相電壓信號控制電機；具有逆變器的第四端，用于輸出過壓過流保護信號和電流信號； 具有一電機的第一端與逆變器的第三端連接，用于提取逆變器第三端輸出的三相電壓信號；具有電機的第二端，用于輸出轉子位置信息； 具有一編碼器的第一端與電機的第二端連接，用于提取電機第二端的轉子位置信息；具有一編碼器的第二端，用于輸出轉子速度脈沖信號，作為速度反饋； 具有一傳感器的第一端與逆變器的第四端連接，用于提取逆變器的第四端的電流信號；具有傳感器的第二端，用于輸出傳感器感應電流信號； 具有一保護單元的第一端與逆變器的第四端連接，用于提取逆變器第四端的電壓電流故障信號；具有保護單元的第二端，用于輸出濾波后的電壓電流故障信號； 具有一控制器的第一端與隔離單元的第三端連接，用于為隔離單元的第三端提供脈寬調制PWM波； 具有一控制器的第二端與保護單元的第二端連接，用于提取保護單元的第二端濾波后的電壓電流故障信號； 具有一控制器的第三端與電平轉換電路第三端連接，用于提取電平轉換電路第三端的電壓信號； 具有一控制器的第四端與數字示波器連接，用于為數字示波器提供數據顯示； 具有一控制器的第五端與傳感器的第二端連接，用于獲取傳感器的第二端的感應電流信號； 具有一控制器的第六端與編碼器的第二端連接，用于提取編碼器第二端的轉子速度脈沖信號。
所述控制器中數字信號處理DSP邏輯運算用于完成系統(tǒng)邏輯判斷、控制算法、功率模塊單元的控制、以及故障中斷的處理。
所述逆變器由智能功率模塊和外圍的泵升供電電路構成直交轉換電路，是通過六個開關管的導通和關斷將直流轉換成交流輸出，連接到電機的三相上，用來控制電機，逆變器直流母線上的過壓信號和智能功率模塊的過壓過流信號通過保護單元與控制器的中斷輸入接口連接，用于直接通過中斷關斷所有六路脈寬調制PWM波輸出。
所述控制裝置中控制器通過串行通訊接口上位機通訊，在線顯示所有用于電機控制的中間變量和門機重要參數。
本實用新型門機控制系統(tǒng)的速度曲線的規(guī)劃采用新穎的位置定位方法，利用編碼器確定門運行的位置，解決了門機運動加速過程中期望速度與實際速度偏差過大的問題，降低了硬件電路的成本。
通過安裝在電機軸上的編碼器檢測電機運轉的速度，通過霍爾電流傳感器LEM可以檢測電流，控制算法采用電流與速度雙閉環(huán)控制，保證了系統(tǒng)的控制精度和響應速度。
門體運行過程中會遇到障礙物，障礙物檢測采取電流檢測障礙物和位置檢測障礙物雙冗余方式，保證了門機運行過程中的安全性。這種優(yōu)化和管理機制合理的保證了系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。

圖1是本實用新型的門機構及控制系統(tǒng)結構框圖 圖2是本實用新型控制裝置結構框圖 圖3是本實用新型IPM逆變器主電路示意圖 圖4是本實用新型采用位置定位方法的速度曲線的規(guī)劃 圖5是本實用新型主程序框圖 具體實施方式

以下結合附圖詳細說明本實用新型技術方案中所涉及的各個細節(jié)問題。應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本實用新型的理解，而對其不起任何限定作用。
參照圖1，圖1顯示了本實用新型中全數字門機控制系統(tǒng)的實施結構框圖，包括 具有一電源1采用直流48v，用于為系統(tǒng)提供電源； 具有一控制裝置2與電源1連接，用于輸出控制信號； 具有一電機BLDCM與控制裝置2連接，接收控制裝置2控制信號，用于輸出驅動轉矩； 具有一減速機構的蝸輪蝸桿3與電機BLDCM連接，用于將電機BLDCM的轉速降低一定倍數，轉矩增大一定倍數后傳動到第一齒輪4上； 具有一第一齒輪4固定在轉軸6上； 具有一第二齒輪5固定在轉軸7上； 具有一皮帶8與第一齒輪4和第二齒輪5滑動連接； 具有一第一門體9的一端與第一連接件11的一端連接； 具有一第二門體10的一端與第二連接件11的一端連接； 具有一連接件11的另一端連接到皮帶8上； 具有一滑軌12的上面與第一門體9和第二門體10的底面滑動連接。
本實用新型中控制裝置2和無刷直流電機BLDCM是門裝置中把電能轉化為機械能、提供門驅動轉矩的裝置。下面將詳細介紹本實用新型的示例性實施例。實施例中采用的電機BLDCM為三相星接繞組的永磁無刷直流電機，反電勢為梯形波。如圖2是本實用新型控制裝置2結構框圖所示，包括有處理單元21采用電磁兼容EMI處理單元、轉換電路22采用電平轉換電路、隔離單元23采用光電隔離單元、逆變器24采用IPM逆變器、電機BLDCM、編碼器25采用光電軸角編碼器、傳感器26采用霍爾電流傳感器LEM、保護單元27采用過壓過流流保護單元、控制器28、數字示波器29。
控制裝置2由電源1直流48v供電然后通過IPM逆變器24給電機BLDCM供電。
具有一電磁兼容EMI處理單元21的第一端與直流電源1連接，用于接收直流電源1的48V電壓信號；具有電磁兼容EMI處理單元21的第二端和第三端，用于輸出經過EMI處理的48V電壓信號； 具有一電平轉換電路22的第一端與電磁兼容EMI處理單元21的第三端連接，用于提取電磁兼容EMI處理單元21的第三端經過EMI處理的48V電壓信號；具有電平轉換電路22的第二端，用于輸出5V和15V電壓信號；具有電平轉換電路22的第三端，用于輸出3.3V電壓信號； 具有一光電隔離單元23的第一端與電平轉換電路22第二端連接，用于接收電平轉換電路22第二端的5V電壓信號；具有光電隔離單元23的第二端，用于輸出經過光電隔離的6路脈寬調制PWM波；具有光電隔離單元23的第三端，用于提取控制器28的6路PWM波； 具有一IPM逆變器24的第一端與電磁兼容EMI處理單元21的第二端連接，用于提取電磁兼容EMI處理單元21第二端的48V電壓信號；具有IPM逆變器24的第二端與光電隔離單元23連接，用于提取光電隔離單元23輸出的6路PWM波；具有IPM逆變器24的第三端，用于輸出三相電壓信號控制電機；具有IPM逆變器24的第四端輸出電壓電流故障信號和電流信號； 具有一電機BLDCM的第一端與IPM逆變器24的第三端連接，用于提取IPM逆變器24第三端的三相電壓信號；具有電機BLDCM的第二端，用于輸出轉子位置信息； 具有一光電軸角編碼器25的第一端與電機BLDCM的第二端連接，用于提取電機BLDCM第二端的轉子位置信息；具有一光電軸角編碼器25的第二端，用于輸出轉子速度脈沖信號，作為速度反饋； 具有一霍爾電流傳感器26的第一端與IPM逆變器24的第四端連接，用于提取IPM逆變器24的第四端的電流信號；具有霍爾電流傳感器26的第二端，用于輸出傳感器感應電流信號； 具有一過壓過流保護單元27的第一端與IPM逆變器24的第四端連接，用于提取IPM逆變器24第四端的電壓電流故障信號；具有過壓過流保護單元27的第二端，用于輸出濾波后的電壓電流故障信號； 具有一控制器28的第一端與光電隔離單元23的第三端連接，用于為光電隔離單元23的第三端提供6路PWM波； 具有一控制器28的第二端與過壓過流保護單元27的第二端連接，用于提取過壓過流保護單元27的第二端濾波后的電壓電流故障信號； 具有一控制器28的第三端與電平轉換電路22第三端連接，用于提取電平轉換電路22第三端的3.3V電壓信號； 具有一控制器28的第四端與數字示波器29連接，用于為數字示波器29提供數據顯示； 具有一控制器28的第五端與霍爾電流傳感器26的第二端連接，用于獲取霍爾電流傳感器26的第二端的傳感的感應電流信號； 具有一控制器28的第六端與光電軸角編碼器25的第二端連接，用于提光電軸角編碼器25第二端的轉子速度脈沖信號。
控制器芯片采用美國Ti公司的TMS320F2407A專用數字信號處理器，控制器28中數字信號處理DSP邏輯運算用于完成系統(tǒng)邏輯判斷、控制算法、功率模塊單元的控制、以及故障中斷的處理。
圖3是逆變器24示意圖，逆變器24采用IPM逆變器由智能功率模塊IPM和外圍的泵升供電電路構成直交轉換電路。由控制器28的6路PWM產生單元產生的六路PWM波經過光電隔離單元23后輸出六路控制信號連接IPM逆變器24中六個開關管241，242，243，244，245，246的門極，就可以控制六個開關管的導通，進而控制IPM逆變器24輸出電壓的幅值和極性。
如圖3所示電機的三相繞組分別與IPM逆變器24上下橋臂相連，控制IPM逆變器24電壓輸出就可以控制電機BLDCM的轉速與轉向。由于選用的電機BLDCM帶用來檢測轉子位置的霍爾傳感器的三相電機，當控制電機BLDCM旋轉時，通過電機BLDCM內部的霍爾傳感器檢測轉子的位置，確定電機BLDCM繞組切換相的時間。轉子每轉過60度電角度就改變定子導通相，讓定子繞組產生的磁勢平均超前轉子90度，這樣電機BLDCM就可以按照預定的方向正常運行了。由于反電勢為梯形波，加入方波的電流信號就可以產生恒定的電磁轉矩。
安裝在電機BLDCM軸上的光電軸角編碼器25檢測電機BLDCM運轉的速度，霍爾電流傳感器26用于檢測IPM逆變器24直流側母線上的電流值，得到的電流模擬信號接入控制器28中的A/D檢測接口ADC，經過數字濾波后作為電流反饋參與DSP邏輯運算，可以實現(xiàn)電機BLDCM的電流、速度雙閉環(huán)控制。另一方面可以通過光電軸角編碼器25檢測出第一門體9和第二門體10移動的距離和位置。門機控制系統(tǒng)的速度曲線的規(guī)劃采用新穎的位置定位方法，解決了門機運動加速過程中期望速度與實際速度偏差過大的問題，降低了硬件電路的成本。
第一門體9和第二門體10運動的速度曲線分為加速階段、高速勻速階段、第一減速階段、低速勻速階段、第二減速階段，如圖4所示。
通常按照利用時間分段G3的方法確定速度給定曲線，即由控制裝置2事先計算出加速階段、勻速階段和減速階段的運行時間來確定減速點，而不是根據門體運行實際位置。由于加速階段需要系統(tǒng)提供很大的加速度，如果按照最大加速度來選取電機BLDCM輸出轉矩，會造成硬件成本過高和系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。因此驅動器的電流需要受到限制，也就是電機輸出轉矩變小，這樣，造成門體加速度無法達到給定值。如圖4所示，實際的速度曲線無法達到給定速度曲線。這樣，實際門體運行的距離無法達到給定運行距離。
我們采用按照位置定位的方法，由于實際加速度和給定加速度即圖中實際速度值和給定速度值的斜率在減速階段基本相符，不像在加速階段那樣有很大偏差。門體勻速運動階段的高速度，低速度，加減速階段的加速度、低速運動階段的運行距離和門體運行總距離為設定值。高速度設定范圍400-500mm/s，低速度設定范圍100-150mm/s，加速度設定范圍800-1200mm/s2，低速運動階段的運行距離設定范圍100-150mm，門體運行總距離范圍為980-1100mm。根據如下公式 v1、v2為高、低速度值，a為加速度，s為距離 減速點可以上述的已知數據由終點逆向推出。
步驟1利用低速度，加速度和門體運行總距離計算出第二減速點sdec2； 步驟2利用高速度，低速度，加速度，低速運動階段的運行距離和門體運行總距離計算出第一減速點sdec1； 步驟3在每次關門后門閉鎖的時候，門的位置復位清零； 步驟4利用光電軸角編碼器確定門運行的位置； 步驟5門體實際運行到減速點的時候，速度指令值G2即圖中的按位置定位速度給定值才開始減速。
實驗得到的速度曲線如圖中實際速度值所示?？梢钥闯?，按照位置定位的方法門體在勻速過程中運行的時間比按時間分段的方法長，這就彌補了加速過程中指令值G2與實際速度值G1之間的距離偏差，如下式所不 s1＝s2+s3 這里s1，s2，s3分別表示圖4中陰影部分的面積即門體運行的距離。
這種方法保證了電流在比較小的范圍內門體運動也能達到要求，節(jié)省了硬件成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
門體運行過程中會遇到障礙物，障礙物檢測采取電流檢測障礙物和位置檢測障礙物雙冗余方式，保證了門機運行過程中的安全性。所謂電流障礙物檢測即根據電流傳感器檢測到的電流與設置障礙物報警電流比較，超限則給報告產生障礙物事件。位置檢測障礙物即根據期望行程與光電編碼器檢測到的當前行程的差來判斷障礙物。
本實用新型主程序流程框圖如圖5所示軟件采用時間片管理，任務劃分，包括順序執(zhí)行任務和中斷任務，任務執(zhí)行的順序在任務從屬的函數中設計，以優(yōu)化反應時間。
順序執(zhí)行任務步驟如下 步驟a經過硬件和軟件初始化以后，即有限狀態(tài)機初始化，DSP初始化，導入參數，運動控制變量初始化，開中斷； 步驟b系統(tǒng)劃分1ms的時間片； 步驟c當時間片達到1ms，執(zhí)行運動規(guī)劃和獲取運動速度與位置；當時間片沒達到1ms，則執(zhí)行步驟b； 步驟d時間片1ms執(zhí)行一個任務，任務包括串口處理函數，障礙物檢測，中央處理單元，故障檢測函數，障礙物檢測，中央處理單元，串口數據發(fā)送，時間片依次分配給循環(huán)任務，8ms完成一次循環(huán)至步驟b。
串口處理函數功能讀寫系統(tǒng)參數，發(fā)送啟動，停止，剎車控制命令； 障礙物檢測功能電流障礙物檢測即根據霍爾電流傳感器26檢測到的電流與設置障礙物報警電流比較，超限則給報告產生障礙物事件。位置檢測障礙物即根據期望行程與光電軸角編碼器檢測到的當前行程的差來判斷障礙物。如存在障礙物，給出障礙物存在標志。
中央處理單元功能驅動軟件的主過程，協(xié)調其它的任務并且指揮傳動裝置的操作。引發(fā)系統(tǒng)變化的動作成為事件，根據當前的狀態(tài)處理出現(xiàn)的事件。
故障檢測函數功能進行控制參數內存數據異或校驗和檢查，10分鐘一次。控制參數在系統(tǒng)啟動時導入內存，檢驗數據正確后，生成異或校驗和。每次檢查時，重新計算控制參數檢驗和，與原始參數校驗和比較，如果不一致，則給出校驗錯誤致命故障，系統(tǒng)進入致命故障狀態(tài)。
中斷級任務包括電機控制中斷，系統(tǒng)時間片時基1ms的中斷，串口接收中斷操作。
這種優(yōu)化和管理機制合理的保證了系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
以上所述，僅為本實用新型中的具體實施方式
，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本實用新型所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本實用新型的包含范圍之內，因此，本實用新型的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求1、一種全數字門機控制系統(tǒng)，其特征在于，包括
具有一電源，用于為系統(tǒng)提供電源；
具有一控制裝置與電源連接，用于輸出控制信號；
具有一電機與控制裝置連接，接收控制裝置控制信號，用于輸出驅動轉矩；
具有一減速機構的蝸輪蝸桿與電機連接，用于將電機的轉速降低，轉矩增大后傳動到第一齒輪上；
具有一第一齒輪固定在轉軸上；
具有一第二齒輪固定在轉軸上；
具有一皮帶與第一齒輪和第二齒輪滑動連接；
具有一第一門體的一端與第一連接件的一端連接；
具有一第二門體的一端與第二連接件的一端連接；
具有一連接件的另一端連接到皮帶上；
具有一滑軌的上面與第一門體和第二門體的底面滑動連接。
2、根據權利要求1所述的全數字門機控制系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置包括處理單元、轉換電路、隔離單元、逆變器、電機、編碼器、傳感器、保護單元、控制器、數字示波器；
具有一處理單元的第一端與電源連接，用于接收電源電壓信號；具有處理單元的第二端和第三端，用于輸出經過處理單元處理的電壓信號；
具有一轉換電路的第一端與處理單元的第三端連接，用于提取處理單元的第三端經過處理的電壓信號；還具有轉換電路的第二端和第三端，用于輸出電壓信號；
具有一隔離單元的第一端與轉換電路第二端連接，用于接收轉換電路第二端的電壓信號；具有隔離單元的第二端，用于輸出經過隔離的脈寬調制PWM波；具有隔離單元的第三端，用于提取控制器的脈寬調制PWM波；
具有一逆變器的第一端與處理單元的第二端連接，用于提取處理單元第二端的電壓信號；還具有逆變器的第二端與隔離單元連接，用于提取隔離單元輸出的PWM波；具有逆變器的第三端，用于輸出三相電壓信號控制電機；具有逆變器的第四端，用于輸出過壓過流保護信號和電流信號；
具有一電機的第一端與逆變器的第三端連接，用于提取逆變器第三端輸出的三相電壓信號；具有電機的第二端，用于輸出轉子位置信息；
具有一編碼器的第一端與電機的第二端連接，用于提取電機第二端的轉子位置信息；具有一編碼器的第二端，用于輸出轉子速度脈沖信號，作為速度反饋；
具有一傳感器的第一端與逆變器的第四端連接，用于提取逆變器的第四端的電流信號；具有傳感器的第二端，用于輸出傳感器感應電流信號；
具有一保護單元的第一端與逆變器的第四端連接，用于提取逆變器第四端的電壓電流故障信號；具有保護單元的第二端，用于輸出濾波后的電壓電流故障信號；
具有一控制器的第一端與隔離單元的第三端連接，用于為隔離單元的第三端提供脈寬調制PWM波；
具有一控制器的第二端與保護單元的第二端連接，用于提取過壓過流保護單元的第二端濾波后的電壓電流故障信號；
具有一控制器的第三端與電平轉換電路第三端連接，用于提取電平轉換電路第三端的電壓信號；
具有一控制器的第四端與數字示波器連接，用于為數字示波器提供數據顯示；
具有一控制器的第五端與傳感器的第二端連接，用于獲取傳感器的第二端的感應電流信號；
具有一控制器的第六端與編碼器的第二端連接，用于提取編碼器第二端的轉子速度脈沖信號。
3、根據權利要求2所述的全數字門機控制系統(tǒng)，其特征在于控制器中數字信號處理DSP邏輯運算用于完成系統(tǒng)邏輯判斷、控制算法、功率模塊單元的控制、以及故障中斷的處理。
4、根據權利要求2所述的全數字門機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述逆變器由智能功率模塊和外圍的泵升供電電路構成直交轉換電路，是通過六個開關管的導通和關斷將直流轉換成交流輸出，連接到電機的三相上，用來控制電機，逆變器直流母線上的過壓信號和智能功率模塊的過壓過流信號通過保護單元與控制器的中斷輸入接口連接，用于直接通過中斷關斷所有六路脈寬調制PWM波輸出。
5、根據權利要求2所述的全數字門機控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制裝置中控制器通過串行通訊接口上位機通訊，在線顯示所有用于電機控制的中間變量和門機重要參數。
專利摘要本實用新型全數字門機控制系統(tǒng)，控制裝置與電源連接，電機與控制裝置連接，減速機構的蝸輪蝸桿與電機連接，第一齒輪固定在轉軸上；第二齒輪固定在轉軸上；皮帶與第一齒輪和第二齒輪滑動連接；第一門體的一端與第一連接件的一端連接；第二門體的一端與第二連接件的一端連接；連接件的另一端連接到皮帶上；滑軌的上面與第一門體和第二門體的底面滑動連接。解決門體運行加速過程中期望速度與實際速度偏差過大的問題，降低硬件成本。電流與速度雙閉環(huán)控制保證控制精度和響應速度。電流檢測障礙物和位置檢測障礙物雙冗余方式，保證門機運行過程中的安全性。
文檔編號E05F15/20GK201133182SQ20072019075
公開日2008年10月15日 申請日期2007年12月12日 優(yōu)先權日2007年12月12日
發(fā)明者欣 張, 王云寬, 范國梁, 秦曉飛 申請人:中國科學院自動化研究所