基于霍爾定位高速電動(dòng)門(mén)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
李新華，潘 涌，莊百興，楊垂恭
(1湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068；2臺(tái)灣阪神電機(jī)有限公司，臺(tái)灣)
摘要：介紹中了一種新型電動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)。電動(dòng)門(mén)由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，c8051F040單片機(jī)控制．由無(wú)刷電動(dòng)機(jī)霍爾位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)門(mén)的定位。
O引 言
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速電動(dòng)門(mén)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電動(dòng)門(mén))的使用日益廣泛。電動(dòng)門(mén)的幾何尺寸不僅越來(lái)越大，而且提升和下放速度也越來(lái)越高。如大型倉(cāng)庫(kù)、會(huì)展中心的電動(dòng)門(mén)寬可達(dá)lO m，高接近5m，提升和下放速度要在1 m／s以上。目前電動(dòng)門(mén)一般采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)由變頻器和可編程控制器PLc構(gòu)成，采用編碼器定位。眾所周知，異步電動(dòng)機(jī)效率低，編碼器安裝比較麻煩，還需要機(jī)械(或電磁)制動(dòng)裝置，變頻器和編碼器成本也較高，這些會(huì)使系統(tǒng)成本增加，影響電動(dòng)門(mén)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
本文研究一種基于霍爾信號(hào)定位、稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)刷電動(dòng)機(jī))驅(qū)動(dòng)的新型高速電動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)。首先，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不僅具有良好的加、減速性能，而且還可以用反映電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)門(mén)的定位，省去了傳統(tǒng)電動(dòng)門(mén)中的定位編碼器，簡(jiǎn)化了系成結(jié)構(gòu)，降低了成本；其次，采用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)門(mén)，下放時(shí)電機(jī)仍處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，而不是傳統(tǒng)電動(dòng)門(mén)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要的制動(dòng)狀態(tài)，這是由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)永磁轉(zhuǎn)子磁拉力所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，通過(guò)減速機(jī)的放大，制動(dòng)力矩如果大于電動(dòng)門(mén)的重力力矩，電動(dòng)門(mén)便不能由重力力矩拖動(dòng)F放，必須依靠無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的反向電動(dòng)運(yùn)行才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)門(mén)的F降，這樣系統(tǒng)控制得以簡(jiǎn)化；第三，在傳統(tǒng)電動(dòng)門(mén)中必須有機(jī)械或電磁制動(dòng)裝置，當(dāng)控制器外部停電時(shí)，制動(dòng)裝置能“鎖住”電動(dòng)門(mén)，以保證系統(tǒng)的安全，而無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)門(mén)則可省去該制動(dòng)裝置，當(dāng)控制器斷電時(shí)，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)放大的制動(dòng)力矩同樣能“鎖住”電動(dòng)門(mén)。
1系統(tǒng)構(gòu)成
電動(dòng)門(mén)系統(tǒng)由外部信號(hào)、單片機(jī)、無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及其通用控制器、減速機(jī)、滾筒、蓄電池等部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖l所示。
電動(dòng)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用自主開(kāi)發(fā)的一種高壓稀土永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及其通用控制器，如圖2所示。無(wú)刷電動(dòng)機(jī)額定功率1. 5 kw，額定轉(zhuǎn)速1 800r／min，控制器輸入電壓為220 V(交流)。系統(tǒng)的外部
信號(hào)包括無(wú)線遙控信號(hào)、光電感應(yīng)信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、位置校正信號(hào)和鍵盤(pán)初始化。鍵盤(pán)初始化的作用是根據(jù)電動(dòng)門(mén)的不同規(guī)格，在電動(dòng)門(mén)安裝時(shí)由技術(shù)人員寫(xiě)入相關(guān)的參數(shù)。減速機(jī)構(gòu)速比為25，蓄電池作為外部停電時(shí)控制器的備用電源。
選用cygnal公司c8051F微控制器系列的c805lF040單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制芯片。c805lFxxx單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高。片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件，這樣在設(shè)計(jì)電動(dòng)門(mén)硬件電路時(shí)不需要接人太多的外部電路，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、可靠。
單片機(jī)是電動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)的控制核心。它負(fù)責(zé)檢測(cè)外部信號(hào)，當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí)執(zhí)行與之對(duì)應(yīng)的操作，使電動(dòng)門(mén)上升、下降或急停；若檢測(cè)到外部有意外情況時(shí)就執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理，如電動(dòng)門(mén)在下放中，雷達(dá)感應(yīng)到附近移動(dòng)物體時(shí)，電動(dòng)門(mén)自動(dòng)返回至頂部。
2電動(dòng)門(mén)的定位與位置校正
無(wú)刷電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈的霍爾脈沖數(shù)是一定的，當(dāng)減速機(jī)的速比和滾筒的外徑確定后，電機(jī)每走一個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)電動(dòng)門(mén)的運(yùn)行高度也是一定的，兇此只要準(zhǔn)確計(jì)算霍爾信號(hào)的脈沖數(shù)，就能保證電動(dòng)門(mén)行程的準(zhǔn)確性。程序設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)電動(dòng)門(mén)的行程計(jì)算出對(duì)應(yīng)的總霍爾脈沖數(shù)，電動(dòng)門(mén)上升時(shí)在計(jì)數(shù)器中加一個(gè)脈沖，下降時(shí)在計(jì)數(shù)器中減去一個(gè)脈沖，然后與終點(diǎn)脈沖數(shù)進(jìn)行比較，直至相等為止。
對(duì)于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)門(mén)，不需要額外的器件產(chǎn)生脈沖信號(hào)，只需用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)換相所需的霍爾脈沖信號(hào)即可。本系統(tǒng)高壓無(wú)刷電動(dòng)機(jī)采用三相星形六狀態(tài)控制方式，電機(jī)內(nèi)配置三個(gè)霍爾元件，彼此相差120o電角度，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的霍爾脈沖數(shù)P：
P=6p (1)
式中：p為無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。
無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的一個(gè)霍爾脈沖對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60o電角度，電動(dòng)門(mén)的運(yùn)行高度，即定位精度為：
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