| 基于霍爾定位高速電動門無刷電動機驅動控制系統
李新華，潘 涌，莊百興，楊垂恭
(1湖北工業大學，湖北武漢430068；2臺灣阪神電機有限公司，臺灣)
摘要：介紹中了一種新型電動門驅動及控制系統。電動門由無刷直流電動機驅動，c8051F040單片機控制．由無刷電動機霍爾位置信號實現電動門的定位。
O引 言
隨著經濟的快速發展，高速電動門(以下簡稱電動門)的使用日益廣泛。電動門的幾何尺寸不僅越來越大，而且提升和下放速度也越來越高。如大型倉庫、會展中心的電動門寬可達lO m，高接近5m，提升和下放速度要在1 m／s以上。目前電動門一般采用異步電動機驅動，控制系統由變頻器和可編程控制器PLc構成，采用編碼器定位。眾所周知，異步電動機效率低，編碼器安裝比較麻煩，還需要機械(或電磁)制動裝置，變頻器和編碼器成本也較高，這些會使系統成本增加，影響電動門產品的市場競爭力。
本文研究一種基于霍爾信號定位、稀土永磁無刷直流電動機(以下簡稱無刷電動機)驅動的新型高速電動門控制系統。首先，無刷電動機不僅具有良好的加、減速性能，而且還可以用反映電機轉子位置的霍爾信號來實現電動門的定位，省去了傳統電動門中的定位編碼器，簡化了系成結構，降低了成本；其次，采用永磁無刷電動機驅動的電動門，下放時電機仍處于電動運行狀態，而不是傳統電動門異步電動機驅動需要的制動狀態，這是由于無刷電動機永磁轉子磁拉力所產生的制動力矩，通過減速機的放大，制動力矩如果大于電動門的重力力矩，電動門便不能由重力力矩拖動F放，必須依靠無刷電動機的反向電動運行才能實現電動門的F降，這樣系統控制得以簡化；第三，在傳統電動門中必須有機械或電磁制動裝置，當控制器外部停電時，制動裝置能“鎖住”電動門，以保證系統的安全，而無刷電動機驅動的電動門則可省去該制動裝置，當控制器斷電時，無刷電動機通過減速機放大的制動力矩同樣能“鎖住”電動門。
1系統構成
電動門系統由外部信號、單片機、無刷電動機及其通用控制器、減速機、滾筒、蓄電池等部分構成，系統框圖如圖l所示。
電動門驅動電機采用自主開發的一種高壓稀土永磁無刷電動機及其通用控制器，如圖2所示。無刷電動機額定功率1. 5 kw，額定轉速1 800r／min，控制器輸入電壓為220 V(交流)。系統的外部
信號包括無線遙控信號、光電感應信號、雷達信號、位置校正信號和鍵盤初始化。鍵盤初始化的作用是根據電動門的不同規格，在電動門安裝時由技術人員寫入相關的參數。減速機構速比為25，蓄電池作為外部停電時控制器的備用電源。
選用cygnal公司c8051F微控制器系列的c805lF040單片機作為本系統的控制芯片。c805lFxxx單片機采用流水線結構，機器周期由標準的12個系統時鐘周期降為1個系統時鐘周期，處理能力大大提高。片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件，這樣在設計電動門硬件電路時不需要接人太多的外部電路，系統更加簡單、可靠。
單片機是電動門控制系統的控制核心。它負責檢測外部信號，當有按鍵動作時執行與之對應的操作，使電動門上升、下降或急停；若檢測到外部有意外情況時就執行相應的中斷處理，如電動門在下放中，雷達感應到附近移動物體時，電動門自動返回至頂部。
2電動門的定位與位置校正
無刷電動機每轉一圈的霍爾脈沖數是一定的，當減速機的速比和滾筒的外徑確定后，電機每走一個脈沖所對應電動門的運行高度也是一定的，兇此只要準確計算霍爾信號的脈沖數，就能保證電動門行程的準確性。程序設計時，根據電動門的行程計算出對應的總霍爾脈沖數，電動門上升時在計數器中加一個脈沖，下降時在計數器中減去一個脈沖，然后與終點脈沖數進行比較，直至相等為止。
對于無刷電動機驅動的電動門，不需要額外的器件產生脈沖信號，只需用無刷電動機換相所需的霍爾脈沖信號即可。本系統高壓無刷電動機采用三相星形六狀態控制方式，電機內配置三個霍爾元件，彼此相差120o電角度，無刷電動機每轉一圈所產生的霍爾脈沖數P：
P=6p (1)
式中：p為無刷電動機的極對數。
無刷電動機的一個霍爾脈沖對應轉子旋轉60o電角度，電動門的運行高度，即定位精度為：
式中：D為電動門滾筒的直徑；j為減速機的速比。
本系統中，無刷電動機為四對極，減速機速比為25，滾筒直徑為133 mm，則電動門的精度為O. 69mm，即程序計數一個脈沖，電動門位移O．69 mm，此精度對于一般電動門來說能夠滿足要求。顯然，增加無刷電動機的極對數和減速機的速比，或減小滾筒的直徑，都能夠提高電動門的位置控制精度。
當然，程序運行過程中脈沖計數會有積累誤差。如本系統要求電動門在30 cm內完成加、減速，無刷電動機的加速度和電流很大，過大的電流會對霍爾信號產生干擾，檢測電路可能會將這些干擾信號當作有效脈沖計人，電動門運行若干周期后，累積偏差加大，使電動門的行程發生較大變化。為了解決這一問題，電動門上還裝有霍爾校正裝置，電動門上升、下降時都會自動進行位置校正，以保證電動門長期運行不會出現位置偏差。
3軟件設計
電動門控制系統的軟件采用模塊化設計。主程序只是對子程序進行調用，具體功能由子程序執行。子程序包括：起動子程序、行程初始化子程序、無線遙控子程序、運行子程序、停止子程序、急停子程序、濾波子程序、顯示子程序和位置校正子程序。
3．1主程序
主程序流程圖如圖3所示。在主程序中，除了起動、運行、停車狀態外，還有一個待命狀態。這個狀態只是等待，門可以停止，但單片機卻一直在運行，必須給一個空閑狀態讓單片機等待命令。
3 2起動子程序
起動過程中，無刷電動機轉速的解析式：
式中：nL為轉速穩態值；TM為拖動系統機電時間常數。
為了實現無刷電動機的恒電流起動，或稱軟起動，起動程序模擬并輸出式(3)對應的曲線，此曲線由500個點擬合而成。模擬轉速曲線的關鍵是機電時間常數的確定，可以通過公式計算，也可以通過試驗測試得到。圖4是起動子程序流程圖。
3．3行程初始化子程序
c8051F系列單片機有Flash ROM，允許在程序運行時計算和存儲類似標定系數這樣的數據。這樣可在不知道電動門的準確高度時，現場按上或下行駛鍵使電動門慢速運行，自動偵測電動門的高度，程序自動將高度數據保存到Flash ROM中，以后程序便按此高度運行。通過此子程序的執行，可在源程序不變的條件下滿足不同規格電動門的要求。
3．4無線遙控子程序
在這個子程序中，考慮了使用者的一些誤操作。如電動門在上升和下降過程中，使用者按急停鍵有效，電動門急停，而按其它鍵無效，電動門無反應；使用者連續按同一方向鍵也無效；門上升到頂部停止后，使用者若再按上升鍵，程序將不予理睬，此時只有按下降鍵電動門才會向下運行。
3 5濾波子程序
如前所述，電動門的運行和定位是建立在霍爾信號脈沖準確計數的基礎上的。然而在系統調試過程中，霍爾信號會被干擾，特別是在電機加速起動時更加嚴重。本程序通過定時器濾掉高頻干擾，即當干擾信號頻率高于定時器的計數頻率時就被濾掉。加入濾波環節后，脈沖計數準確性大大提高，行程更加準確，效果比較理想。
4結語
與現有電動門相比，基于霍爾定位、采用無刷電動機驅動電動門的優勢十分明顯。這種電動門系統結構簡單，易于控制，可靠性高，成本較低，是一種高性價比的新型電動門。系統調試和試驗表明，電動門設計方案是合理的，完全滿足用戶要求。
參考文獻
[1] 萬學春工業快速門控制系統[J]機電一體化，2005(4)：72—73
[2]李新華，莊百興，武潔等l. 5 kw高壓元刷直流電動機及其控制器的研制[c]第十一屆中國小電機技術研討會論文集 |
