電梯門機伺服控制系統的設計與實現

摘 要：介紹了運用DSP作為主控制器件的電梯門機伺服控制系統的設計方案，該方案運用開關電源產生直流穩壓電源，運用DSP作為主控制器，運用IPM模塊作為逆變器橋，產生變頻三相交流電源，帶動電機運轉，驅動門機系統運行。實驗結果驗證了系統設計的可靠性和穩定性。

關鍵詞：電梯門機；伺服控制；開關電源；主回路；控制電路

中圖分類號：TM351" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0040-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.009

0" " 引言

隨著科技的發展和時代的進步，電梯成為人們最常接觸的交通設施，是高樓大廈必不可少的運輸工具，城市越發高樓密布，而樓層越高越離不開電梯[1-2]。電梯作為特種設備，其產品質量與使用者的人身安全息息相關，而門機作為電梯系統中頻繁動作、直接面對乘客的核心部件，決定了開關門速度、開關力矩、耐久性等性能[3]，因此電梯門機驅動控制發展迅速[4]。對于電梯制造商來說，電梯門機的控制是非常重要的一環[1]。因此，設計一款穩定可靠的門機伺服控制系統，在理論和實踐應用方面都具有重要的意義。

經過悉心研制和無數次實驗后，本項目推出了一款電梯門機伺服控制系統——WXXY-2D04A1，它是針對電梯門的專用變頻器產品，能大大提高電梯的使用性能，為電梯行業帶來了福音。

1" " 門機伺服控制系統的結構

圖1為門機伺服控制系統結構框圖，系統由主回路、控制電路、電源和故障保護電路組成，主回路由整流橋、濾波電路、IPM模塊和異步電機組成；控制電路以DSP芯片TMS320F2407為核心，用來實現矢量算法控制，產生SVPWM波形和相關電壓、電流檢測處理等功能；高頻開關電源用于產生5路直流低壓電源；故障保護電路包含電壓、電流、溫度等保護電路。

2" " 開關電源

圖2為門機伺服控制系統的開關電源電路，包括：整流電路、TOPSwitch開關電源電路、充放電電路和電源輸出電路；電源應用TOPSwitch開關電源技術，其主控制開關芯片U1能夠檢測輸出電源電流，并給予反饋，然后自動調節開關的占空比，實現開關穩壓電源的自動調節。另外，本電源應用高頻變壓器TR1，大大減小了電源的體積和重量。該電源為門機伺服控制系統提供7路直流開關電源：+15、+5、3.3、-15、G+24、G+15、G+5 V。其中，G+24、G+15、G+5 V與其他4路電源在電氣上相互隔離。

3" " 門機伺服控制系統主回路設計

門機伺服控制系統主回路主要由整流電路、濾波電路、啟動限流電路、制動泄放電路、基準電壓電路、逆變電路和保護電路等幾部分構成，其總體結構為交—直—交變頻器結構，屬于電壓源型變頻器，其結構示意如圖3和圖4所示。圖3包含整流/濾波電路、啟動限流電路、基準電壓電路及能耗泄放電路。

3.1" " 整流、濾波電路

圖3中，R18和R19為抗過壓壓敏電阻，220 V、50 Hz交流電經過電容C25～C30和電感L1濾波，再經整流橋B1整流為脈動直流電，脈動直流電經過大電容C31～C32濾波為310 V的脈動較小的直流電。電容C31～C32同時還在整流電路與逆變電路中起到儲能作用。

3.2" " 啟動限流電路

圖3中，繼電器RL1主要用于啟動限流，在上電的瞬間，由于開關電源還未能輸出，繼電器觸點1、3閉合，直流母線電壓VPP此時為0 V。當開關電源獲得輸出時，繼電器觸點1、2閉合，直流母線電壓VPP此時為310 V。這樣可以避免上電瞬間的尖峰電壓對電路系統以及元器件造成沖擊傷害。

3.3" " 基準電壓電路

基準電壓電路通過芯片U6 TL431和比較器U7 LM358產生2.5 V的基準電壓。

3.4" " 能耗泄放電路

能耗泄放電路通過R22和R23采樣直流母線電壓，與基準電壓2.5 V比較。當母線電壓VPP超過400 V時，U1的第5腳電壓超過基準電壓2.5 V，MOS管Q1導通，VPP通過制動電阻R26和Q1形成放電回路，消耗直流母線電壓的能量，使母線電壓降低，從而保護功率模塊。

3.5" " 逆變電路

逆變電路采用IR公司的IPM模塊U8 IRAMS10UP60B，U8的輸入信號UP、VP、WP、UN、VN和WN為來自緩沖器U14的6路SVPWM信號。U8的輸出信號VTH采集IPM模塊的溫度信號給控制芯片DSP。U8的21腳輸出IPM的故障信號，通過電阻R29～R31分壓，通過Q2放大后生成IPM-EN給DSP。當次故障信號為高電平時，說明IPM模塊有故障，DSP封鎖SVPWM信號；反之，DSP正常發出SVPWM控制信號。U8的22腳采樣IPM模塊的電流信號，通過運放U7 LM358放大后生成電流保護信號I-DC-AD給DSP。U8的1、2、4、5、7和8輸出三相變頻電壓給電機，驅動電機變頻運行。

4" " 門機伺服控制系統控制電路的設計

圖5為門機伺服控制系統控制電路，應用TI公司的DSP TMS320F2407芯片作為主控制芯片，DSP的IO接收外部信號，再通過算法控制產生控制信號，驅動電梯門機開關門運行。CODER-X和CODER-Y為電機編碼器輸入信號，PWM1～PWM6為SVPWM矢量控制信號，IOPE1～IOPE7信號分別為來自門機的關門限速信號、開門限速信號、關門到位信號、開門到位信號、開門信號、關門信號和安全信號，IOPF0-

H～IOPF2-H分別為來自門機的開門到位信號、關門到位信號和故障報警信號。其他的信號有通信信號、程序下載信號、撥碼信號等。圖5中U14、U15為緩沖器74ACT44芯片，同時也作為電平轉換芯片。

圖6為門機伺服控制系統外接電路，CODER-X和CODER-Y為電機編碼器輸入信號，IOPE1～IOPE7信號來自DSP的I/O口，其含義如前所述。其中，光耦U16和U17以及OC2～OC11的使用是為了光電隔離抗干擾。

5" " 門機伺服控制系統的實驗測試

圖7為門機伺服控制系統實驗測試圖，圖7（a）為門機伺服控制系統，P1-1～P1-3為電源輸入端子，P3-1～P3-5為旋轉編碼器接口端子，P4-1～P4-4和P5-1～P5-10為控制回路端子，P6-1～P6-9為RS422通信接口端子，P7-1～P7-3為門機變頻器輸出端子（電機接口）。

圖7（b）為門機伺服控制系統實驗測試信號，該信號為逆變橋的SVPWM波形，由圖可知，SVPWM波形性能好，穩定可靠。

此外，經過實驗測試，電梯門機伺服控制系統能實現門機的所有功能，性能安全、穩定、可靠，達到了設計的預期效果。

6" " 總結

1）采用TI公司推出的TMS320F2407芯片，專業化面向電機控制，性能、功能強，具有高速處理能力，實現了全數字化，長期運行不受溫漂和時漂的影響，具有很高的控制精度和可靠性。

2）電梯開門到位、關門到位以及開關門過程中的調速點可以選擇兩種方式給出——由編碼器給出、由磁開關給出。由于門系統方面的故障占電梯故障的大部分，因此采用TI公司DSP芯片的智能控制門機變頻器能大大提高電梯門系統的可靠性，從而提高電梯運行的可靠性。

3）采用按鍵操作和由LED顯示器提供的人機對話界面，同時還運用服務器，在現場調試過程中能非常方便地通過按鍵和服務器對變頻器的運行參數進行數值化調試。開門過程有5段曲線，關門過程有5段曲線，可以方便滿意地調出理想的門機運行曲線。可以通過LED顯示器和服務器觀測變頻器當前運行的頻率、電壓、行程等參數。

4）精心設計的開關電源使調速器受輸入工頻電源電壓波動影響小，使整個門機系統體積、質量大大減小，成本降低。

5）具有完善的故障檢測系統，可以監控直流母線電壓過壓（400 V為保護閾值）、欠壓，直流母線電流過流（2.5倍額定電流為保護閾值），IPM模塊過溫（80 ℃為過溫閾值），在檢測到這些故障信號后給出保護信號，使IPM-EN變成高電平，從而使PD和IPM模塊的FAULT腳變成低電平，封鎖SVPWM脈沖，保護系統。

[參考文獻]

[1] 王國濤.電梯門機控制系統設計與實現研究[D].上海：上海交通大學，2012.

[2] 宋巖松.智能化技術助提電梯維保質量策略研究[J].設備管理與維修，2021（12）：28-29.

[3] 黃根法，翁曉偉，徐華月，等.永磁電梯門機多參數在線檢測研究[J].機電信息，2023（6）：67-69.

[4] 黃戎.基于永磁同步電梯門機矢量控制的研究[J].中國電梯，2019，30（21）：18-24.

收稿日期：2024-08-12

作者簡介：唐美玲（1975—），女，四川資中人，博士，副教授，研究方向：電氣工程、電力電子與電力傳動。