基于DSP与VF恒定转矩控制的门机变频器控制算法设计

惠林虎

(贵州师范大学 物理与电子科学学院，贵州 贵阳 550001)



基于DSP与VF恒定转矩控制的门机变频器控制算法设计

惠林虎

(贵州师范大学 物理与电子科学学院，贵州 贵阳 550001)

电梯作为大厦的交通工具，在人们的日常生活中已不可或缺，而在具体使用中，门故障是主要故障之一。门机变频器作为门机的控制单元，直接控制着门机的运行与调速。通过研究基于TMS320与VF恒定转矩控制的门机变频器控制算法，并设计了开发平台，硬件采用TMS320F2812及marathon异步电机，软件主要采用了SVPWM算法，最后进行了模拟仿真及电路实测，得到了速度—电压曲线。根据得到的实际记录的波形，验证了系统设计的有效性，可行性。

门机变频器；DSP；VF控制；控制算法

0 引言

电梯作为楼宇的交通工具，随着高楼大厦的日益增多，其地位也日显重要[1]。而乘客面对的主要问题与故障绝大多数来自于电梯门方面，主要有电梯门的开关、门开关速度等[2-5]。因此，如何更加良好地控制电梯门机是减少电梯故障的非常重要的一环。而门机变频器作为电梯门机的控制单元，控制着门机的运行与调速，它的设计与改进也就成了设计者的重要考虑方面之一。随着交流电机技术的日益成熟，电梯中门机多采用交流电机，门机变频器作为控制单元对其进行运行及速度等控制[6-8]。基于DSP的门机变频器，可以使电机的交流变频器和驱动控制器有效地结合在一起，使得门机控制可靠性更高、经济成本更低、控制更加灵活、同时体积比原来更加小巧。国外以DSP作为控制器的电梯门机控制系统的研究已成一定规模，但国内对其研究尚在起步阶段，还不成熟[9]。通过以TMS320F2812 DSP数字信号处理器为控制核心，开发了基于VF控制的电梯门机控制系统，具有一定的实际参考价值。

1 系统框架设计

变频器的主要作用为将电压、频率固定的交流电源转换为电压、频率可调的工作电源，以此来对电机进行控制。不管是VVVF变频，还是矢量控制变频，都为“交-直-交”的模式，先将交流电通过整流模块转换为直流电，再通过对直流电的处理，使之成为频率、电压均可控的交流电[10]。恒压频比VF控制适用于一些对动态性能要求不高的电机控制，例如风机、水泵等，它具有转矩控制，机械特性硬度高。

VVVF变频通过“交-直-交”模式可以对输出的交流电进行电压控制和频率控制，但不能对电压的相位进行控制调整。当负载突然发生变化时，电机会瞬时失步，需要一定的时间才能达到稳态[11]。所以VVVF变频控制精度不高，动态响应较慢。

图1 VF控制系统总体框图Fig.1 The overall block diagram of VF control system

图1为VF控制系统总体框图。其中PID是目前工业中常用的控制方法，它可以根据实际情况灵活调整，以更快的速度达到系统的稳态。

电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)是指对功率器件按照一个特殊的开关顺序控制，如对三相电压源逆变器(VSI)进行控制[12]。使用数学变换对电压进行控制，提高了直流母线电压利用率，适合数字控制[13]。

系统中速度环调节器将采用一般习惯使用的传统PID控制器。由于没有弱磁控制环节，isdref由外部给定。

2 控制算法的设计

系统中DSP硬件采用的是TMS320F2812，开发环境为CCS3.3。系统总程序主要由主程序和各中断程序组成。系统采用模块化设计方法，主要功能模块由PID调节器模块、SVPWM模块、PWM模块和转速采样QEP模块等。软件结构图如图2所示。上电后先执行初始化程序，对系统各参数进行设置，然后在中断程序中根据需要调用各中断功能程序。系统软件初始化完成后，在PWM周期结束时产生中断，进入SVPWM模块。系统的采样频率和SVPWM波形发生器寄存器的更新频率均与PWM周期有着直接的关系。具体设定PWM频率为10KHz。

图2 VF控制系统的软件结构图Fig.2 Software structure of VF control system

SVPWM模块由软件算法程序与硬件驱动程序构成。软件算法程序计算出开关时间Ta、Tb、Tc，从而控制电动机定子相电压的PWM信号的合适占空比；然后由硬件驱动程序控制执行。

其中算法模块包含以下几部分：

1)测定扇区；2)计算X、Y、Z；3)计算t1和t2；4)测定占空比taon，tbon和tcon；5)分配占空比Ta，Tb和Tc。

设定逆变器的上桥臂开关管导通时状态为1，反之为0，则三相逆变器共有8种开关状态。对应在三相电压的正交量(在(d，q)坐标系中)，其Clarke变换方程为：

(1)

Vsα和Vsβ根据晶体管命令信号的状态(a，b，c)，只有一个在(α，β)坐标中的有限值。Vsα和Vsα对应的相电压(VAN，VBN，VCN)的瞬时值如表1所示。

表1 开关模式相应的空间矢量及(α，β)Tab.1 Corresponding space vector of switch mode and (α, β)

对于一个电压矢量Uout，通过Clarke逆变换计算它的(α，β)轴分量Ualfa和Ubeta在三相静止坐标(A，B，C)上的映射分量Uref1、Uref2和Uref3，转换公式如下：

根据Ualfa和Ubeta求得Uout所在的扇区，并求得SVPWM调制周期T的比例t1和t2，进而求得占空比taon，tbon和tcon，分配占空比Ta，Tb和Tc。SVPWM算法如图3所示。

图3 SVPWM算法流程图 Fig.3 Flow chart of SVPWM algorithm

图4 PWM波形生成图Fig.4 PWM waveform generation

TMS320F2812通过事件管理器处理后生成PWM波形，波形生成图如图4所示。

TMS320F2812中CAPl/QEP1、CAP2/QEP2、CAP3/QEPI1(对于EVA)，CAP4/QEP4、CAP5/QEP5、CAP6/QEPI2(对于EVB)可以作为捕获单元输入，也可以作为正交编码脉冲电路输入。在此用CAP1/QEP1、CAP2/QEP2引脚作为正交编码脉冲电路输入。通用定时器T2(EVA)进行解码和计数。由QEP电路根据两路脉冲相位来判断电机转向，T2进行位置的绝对位置控制计数。

3 系统测试

系统硬件开发中选用的电机是marathon的三相异步电动机，型号为5K33GN2A，平台如图5所示。编译测试结构图如图6所示。

图5 硬件测试平台Fig.5 Hardware testing platform

图6 编译测试结构图Fig.6 Compiled test structure

首先设定三相交流电频率及幅值，在此基础上SVGEN模块生成对应桥臂PWM占空比Ta，Tb，Tc，进而输出给PWMGEN模块。然后引入速度测量模块QEP，在动态中验证速度反馈的驱动器和宏，以此验证系统的速度测量与速度反馈符合要求。接着在PID_REG3中模块得出参考速度和QEP生成的实际速度运算值，最后对SVPWM模块的输入电压进行了修正，通过改变PWM的6项输出来改变电机转速。最终实现了速度调控的目的。

将速度曲线输出到示波器，可以看到电机的速度—电压曲线如图7所示：

由图7可知，开始阶段转速跟随电压的增加而增加，达到转速稳定后电压也在一个稳定的范围；加负载后转速会有个突降，但通过转速环的作用，转速会迅速自动调节增加到原始稳定状态，实现了电机动态调速。

图7 电机的速度—电压曲线图Fig.7 Speed-voltage curve of motor

4 结论

主要通过研究了基于TMS320与VF恒定转矩控制的门机变频器控制算法，并设计了开发平台，硬件采用TMS320F2812及marathon 异步电机，软件主要采用了SVPWM算法，最后进行了模拟仿真及电路实测，得到了速度—电压曲线。得到了实际记录的波形，验证了系统设计的有效性、可行性。为门机变频器控制系统的设计和调试提供了新的思路，具有一定的参考价值。

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The algorithm scheme design of door machine inverter based on TM320 and VF constant torque control

HUI Linhu

(School of Physics and Electronics, Guizhou Normal University, Guiyang, Guizhou 550001, China)

The inverter is the core part of the elevator door machine controller, its performance is directly related to the functions of the elevator door machine such as operation or speed control. Using DSP to integrate the AC frequency converter and driving controller of the door machine has become one of the development direction. This paper discussed the inverter control algorithm based on TMS320 and VF constant torque control, and the development platform had been presented. The hardware adopted TMS320F2812 and marathon asynchronous motor, the software adopted the SVPWM algorithm. At last, the simulation and measurement of the circuit had been carried out, and the speed voltage curve was obtained. In the end, the actual waveforms have been recorded to compare with the simulation waveforms in order to verify the effectiveness of the system design.

door machine inverter; DSP; VF control; control algorithm

1004—5570(2016)05-0083-05

2016-05-11

贵州省教育厅特色重点实验室项目[黔教合KY字(2014)213]

惠林虎(1986-)，男，硕士，讲师，研究方向：控制理论与控制工程、计算机测控，E-mail: gznusean@163.com.

TU857

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