道閘機(jī)的交流永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于道閘機(jī)的機(jī)電控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種道閘機(jī)的交流永磁同步伺 服電機(jī)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有道閘一般采用普通直流電機(jī)或異步交流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，整個(gè)運(yùn)行過程基本 保持恒定速度，導(dǎo)致抬桿或落桿在啟動(dòng)、到位時(shí)沒有加減速過程，道桿剛性啟動(dòng)或停止，會(huì) 造成道桿晃動(dòng)劇烈，對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等造成損傷；部分采用變頻器或結(jié)合變頻技術(shù)的專 用控制器驅(qū)動(dòng)異步交流電機(jī)的道閘，雖然抬桿或落桿在啟動(dòng)或到位時(shí)可以進(jìn)行加、減速控 制，但由于交流異步電機(jī)沒有反饋系統(tǒng)，且電機(jī)本身特性原因?qū)е抡{(diào)速性能差，實(shí)際使用 效果不理想；以上兩種技術(shù)在驅(qū)動(dòng)道桿遇到障礙物如人或車輛時(shí)都不會(huì)自動(dòng)停止，造成事 故?！兑环N道閘機(jī)的直流變頻控制系統(tǒng)》實(shí)用新型專利授權(quán)公告號(hào)CN202068370U，申請(qǐng)?zhí)?201120129905. 0 ;《直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、通道閘和控制方法》實(shí)用新型專利授權(quán)公告號(hào) CN202535300U，申請(qǐng)?zhí)?01220038493. 4,發(fā)明專利授權(quán)公告號(hào)CN102545741A，申請(qǐng)?zhí)?201210026419. 5 ;以上兩個(gè)專利都是一種采用直流變頻控制器控制直流無刷電機(jī)的道閘， 該方案采用帶霍爾位置傳感器的直流無刷電機(jī)，使用三相六步方波控制技術(shù)，雖然在速度 控制方面相對(duì)于異步電機(jī)有了很大提高，但由于電機(jī)和控制方法的特點(diǎn)，導(dǎo)致的電機(jī)運(yùn)行 噪音大和速度反饋不精準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)道桿遇到障礙物如人或車輛時(shí)雖然可以檢測(cè)到阻礙，但由 于速度或位置反饋精度較低，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，還需要進(jìn)一步改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種道閘運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)沖擊感小，遇 障礙物停機(jī)或反轉(zhuǎn)迅速的道閘機(jī)的交流永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的道閘機(jī)的交流永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，包括 開關(guān)電源模塊、電機(jī)位置檢測(cè)模塊、電機(jī)電流檢測(cè)模塊、控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋、交流永 磁同步電機(jī)、減速機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、道閘道桿；所述開關(guān)電源模塊的輸入端連接有電源，所述 開關(guān)電源模塊的輸出端連接控制模塊的供電輸入端和電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋的供電輸入端，所述 控制模塊的信號(hào)輸出端連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋的信號(hào)輸入端，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋的輸出端 連接交流永磁同步電機(jī)的輸入端，所述交流永磁同步電機(jī)輸出端連接減速機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的 輸入端，所述減速機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端連接道閘道桿的輸入端；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋的 電機(jī)相電流信號(hào)輸出端連接電機(jī)電流檢測(cè)模塊的輸入端，所述電機(jī)電流檢測(cè)模塊的輸出端 連接控制模塊的輸入端；所述交流永磁同步電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)輸出端連接電機(jī)位置 檢測(cè)模塊的輸入端，所述電機(jī)位置檢測(cè)模塊的輸出端連接控制模塊的輸入端。
[0005] 在上述技術(shù)方案中，所述控制模塊通過10接口或RS485/RS232通訊接口接收的抬 桿或落桿控制命令、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋的驅(qū) 動(dòng)信號(hào)輸入端。
[0006] 在上述技術(shù)方案中，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋的電源信號(hào)輸入端連接開關(guān)電源模塊的 310V直流電壓輸出端。
[0007] 在上述技術(shù)方案中，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋的輸出端連接到交流永磁同步電機(jī)的U、
[0008] 在上述技術(shù)方案中，所述交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過減速機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與道閘 道桿連接，控制道閘道桿的抬、落動(dòng)作。
[0009] 在上述技術(shù)方案中，所述交流永磁同步電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器為霍爾元件位 置傳感器或電磁式位置傳感器或光電式位置傳感器。
[0010] 在上述技術(shù)方案中，所述電機(jī)電流檢測(cè)模塊的電流檢測(cè)模塊為橋臂電阻采樣模塊 或霍爾效應(yīng)電流互感器。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種道閘機(jī)的交流永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的控制方法，包括 以下步驟：
[0012] ①：控制模塊接收上位機(jī)發(fā)出的抬桿命令；
[0013] ②：電機(jī)位置檢測(cè)模塊檢測(cè)交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息和電機(jī)電流檢測(cè)模 塊檢測(cè)交流永磁同步電機(jī)的相電流輸入到控制模塊；
[0014] ③：控制模塊根據(jù)設(shè)定的道閘道桿運(yùn)行角速度0. 3rad/s?1. 2rad/s，計(jì)算出PWM 控制信號(hào)并輸出6路PWM信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋；
[0015] ④：電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋的六個(gè)絕緣柵雙極晶體管（IGBT)根據(jù)6路PWM信號(hào)開啟或關(guān) 閉，驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0016] ⑤：交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過減速機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)道閘道桿向上抬起；
[0017] ⑥：在運(yùn)行到抬桿動(dòng)作總行程的0?20%時(shí)，控制模塊根據(jù)設(shè)定的道閘道桿運(yùn)行 角速度〇. 7rad/s?2. 4rad/s進(jìn)行加速并保持該速度；
[0018] ⑦：在運(yùn)行到抬桿動(dòng)作總行程的60?80%時(shí)，控制模塊根據(jù)設(shè)定的道閘道桿運(yùn)行 角速度0. 3rad/s?0. 7rad/s進(jìn)行減速，并在完成全部抬桿行程時(shí)逐步減速到0,完成抬桿 動(dòng)作；
[0019] ⑧：控制模塊接收上位機(jī)發(fā)出的落桿命令；
[0020] ⑨：電機(jī)位置檢測(cè)模塊檢測(cè)交流永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息和電機(jī)電流檢測(cè)模塊 檢測(cè)交流永磁同步電機(jī)的相電流輸入到控制模塊；
[0021] ⑩：控制模塊根據(jù)設(shè)定的道閘道桿運(yùn)行角速度0. 3rad/s?1. 2rad/s，計(jì)算出PWM 控制信號(hào)并輸出6路PWM信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋（5);
[0022] 電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋（5)的六個(gè)絕緣柵雙極晶體管根據(jù)6路PWM信號(hào)開啟或關(guān)閉， 驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)（6)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0023] ?:交流永磁同步電機(jī)（6)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過減速機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（7)帶動(dòng)道閘道桿（8) 向下落下；
[0024] ◎:在運(yùn)行到落桿動(dòng)作總行程的0?20%時(shí)，控制模塊（4)根據(jù)設(shè)定的道閘道桿 (8)運(yùn)行角速度0. 7rad/s?2. 4rad/s進(jìn)行加速并保持該速度；
[0025] ?：在運(yùn)行到落桿動(dòng)作總行程的60?80%時(shí)，控制模塊（4)根據(jù)設(shè)定的道閘道桿 (8)運(yùn)行角速度0. 3rad/s?0. 7rad/s進(jìn)行減速，并在完成全部落桿行程時(shí)逐步減速到0， 完成落桿動(dòng)作。
[0026] 上述的道閘機(jī)的交流永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的控制方法中，所述控制模塊 (4)通過10 口或RS485/RS232通訊接口接收上位機(jī)發(fā)出的抬桿命令和落桿命令。
[0027] 上述的道閘機(jī)的交流永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的控制方法中，所述控制模塊 (4) 根據(jù)設(shè)定的道閘道桿（8)運(yùn)行角速度0. 3rad/s?1. 2rad/s，采用磁場(chǎng)定向控制策略， 使用空間矢量脈寬調(diào)制算法，計(jì)算出PWM控制信號(hào)，輸出6路PWM信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋 (5) 。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：整個(gè)系統(tǒng)在抬桿或落桿過程中采用區(qū)段 的曲線速度設(shè)定，在啟動(dòng)階段采用較低的啟動(dòng)速度，使啟動(dòng)機(jī)械沖擊較??；在中間運(yùn)行階 段，采用較高的運(yùn)行速度加快整個(gè)抬桿或落桿過程的時(shí)間；在緩?fù)ｋA段，采用較低的緩?fù)Ｋ?度，使道閘桿停止平穩(wěn)減小機(jī)械沖擊。在整個(gè)運(yùn)行過程中速度變化都是連續(xù)的，如果發(fā)生阻 礙，控制系統(tǒng)為了達(dá)到既定的運(yùn)行速度會(huì)快速增大驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電流，從而有一個(gè)電流 突變的過程，控制模塊通過電機(jī)電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到該過程即可判定道桿在運(yùn)行過程中碰 到阻礙，系統(tǒng)自動(dòng)停止工作或反轉(zhuǎn)，起到保護(hù)作用。
[0029] 本發(fā)明采用開關(guān)電源和控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，體積更小更穩(wěn)定，采用正弦波驅(qū)動(dòng) 電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、速度控制更平穩(wěn)精準(zhǔn)，控制道閘桿在啟動(dòng)、運(yùn)行、停止時(shí)的加、減速曲線 平穩(wěn)。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明道閘機(jī)交流永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明的交流永磁同步電機(jī)（6)的磁場(chǎng)定向控制控制策略圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變橋（5)主要由六個(gè)絕