直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于地鐵、辦公室、實(shí)驗(yàn)室和偽裝室等場所。以前的自動(dòng)門系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，維護(hù)方便。直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不用加任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的新穎電機(jī)。在直線運(yùn)動(dòng)的場合,采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式較傳統(tǒng)方式有明顯的優(yōu)勢(shì),如結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、噪聲低以及維護(hù)方便等。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)門方案十分新穎,且隨著材料、控制技術(shù)的發(fā)展以及新型控制元器件的出現(xiàn),使得這種方案有了可實(shí)施性。1自動(dòng)門運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)門系統(tǒng)由電源、門體、門機(jī)和控制系統(tǒng)四個(gè)部分構(gòu)成,其中控制系統(tǒng)構(gòu)成部分如圖1所示。方案中采用艾默生公司的變頻器產(chǎn)品SK-4T0015G,該變頻器響應(yīng)特性快速,集成了無速度傳感器矢量調(diào)速方法,能實(shí)時(shí)根據(jù)負(fù)載的變化進(jìn)行有效的電流控制,特別是在低速1Hz下可以提供150%額定輸出轉(zhuǎn)矩,保證了低速穩(wěn)定性要求。而且該產(chǎn)品采用業(yè)界超薄設(shè)計(jì),集成化高,安裝和使用都很方便。自動(dòng)門運(yùn)行過程需要檢測(cè)的信號(hào)很多,控制狀態(tài)較多,選用PLC作為系統(tǒng)的控制指揮中心。PLC把來自變頻器的狀態(tài)信號(hào),位置信號(hào)以及自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的指令,經(jīng)過收集處理后,完成對(duì)變頻器的狀態(tài)控制和對(duì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的信息反饋。在系統(tǒng)中選用松下PLC,型號(hào)FP0-C14,它有8個(gè)輸入端,6個(gè)輸出端,配件選配模數(shù)轉(zhuǎn)換器。開關(guān)門過程電機(jī)都運(yùn)行在低速狀態(tài)而且速度處在不斷變化中,需要電機(jī)有很好的低速穩(wěn)定性能、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和機(jī)械特性,并選用某公司圓筒型直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī),最大推力100N,堵轉(zhuǎn)電流1.95A,額定速度1.4m/s。2主要技術(shù)問題的分析2.1直線電機(jī)運(yùn)行曲線設(shè)計(jì)自動(dòng)門系統(tǒng)是一種周期性運(yùn)行設(shè)備,根據(jù)相關(guān)要求,關(guān)門過程持續(xù)時(shí)間在3s～4s,整個(gè)行程長度設(shè)計(jì)為1500mm,關(guān)門運(yùn)行過程分為加速、勻速、減速、低速和停止五個(gè)階段,為保證過門者不被夾傷,規(guī)定在整個(gè)行程中動(dòng)能不能超過10J,或者保證推力在150N以下。直線電機(jī)速度計(jì)算還需要從旋轉(zhuǎn)電機(jī)速度同步轉(zhuǎn)速公式轉(zhuǎn)換過來,旋轉(zhuǎn)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速:則直線電機(jī)磁場運(yùn)動(dòng)的線速度為:其中:τ—極距,取τ=14mm,p—極對(duì)數(shù)。直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)單行程平均速度為:分配各段時(shí)間如下關(guān)門速度曲線所示,最大速度取為vsmax=0.7m/s,則:在關(guān)門最后階段動(dòng)能降得更低,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取頻率為最大頻率的一半,f2=10Hz。為保證運(yùn)行過程中平均動(dòng)能不超過10J,作如下檢驗(yàn)計(jì)算:計(jì)算得到:v<0.8m/s根據(jù)以上計(jì)算,設(shè)計(jì)速度滿足要求,運(yùn)行曲線設(shè)計(jì)如圖2所示。開門過程沒有防夾等因素的考慮,其運(yùn)行過程可以分為起動(dòng)加速、勻速保持、減速和停止四個(gè)階段,其運(yùn)行速度曲線設(shè)計(jì)如圖3所示。2.2電機(jī)區(qū)域方向乘子檢測(cè)為了確定直線電機(jī)在何處進(jìn)行加、減速以及起動(dòng)停止位置,需要對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)計(jì)算以及行程要求,電機(jī)圓筒兩端適合安裝起動(dòng)、停止信號(hào)行程開關(guān),根據(jù)過門者的身體寬度和門運(yùn)行動(dòng)能的大小安裝加減速行程開關(guān),其模型見圖4。2.3可靠運(yùn)行運(yùn)行自動(dòng)門系統(tǒng)是一種自動(dòng)設(shè)備,對(duì)于在關(guān)門過程中可能發(fā)生的意外必須給予考慮,做好安全防護(hù)工作,既可以防止運(yùn)行過程中夾傷行人,且可以保護(hù)電機(jī)本身的可靠運(yùn)行。自動(dòng)門控制系統(tǒng)中安裝了光幕開關(guān),為了防止各種原因使光幕開關(guān)產(chǎn)生誤動(dòng)作信號(hào),系統(tǒng)采用雙重保護(hù)措施,還利用了表征推力大小的堵轉(zhuǎn)電流信號(hào),堵轉(zhuǎn)電流是電機(jī)在堵轉(zhuǎn)情況下一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行參數(shù),為了可靠以及節(jié)省成本的要求,利用變頻器輸出檢測(cè)到的定子輸出電流,通過松下PLC產(chǎn)品選件模擬信號(hào),輸入/輸出單元將輸出電流轉(zhuǎn)化成的電壓信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,在PLC里面讀取數(shù)字量并與給定量作比較,若檢測(cè)量大于給定量,則輸出反轉(zhuǎn)信號(hào)。2.4頻率在線控制模式該控制系統(tǒng)變頻器完整的主回路接線圖設(shè)計(jì)如圖5,控制回路接線如圖6。圖6中X0～X5信號(hào)輸入開關(guān)為瞬時(shí)開關(guān),X0經(jīng)優(yōu)化后,該開關(guān)集合了使能,起動(dòng)以及正、反轉(zhuǎn)功能,其中X1,X2在直線電機(jī)電壓上升時(shí)處于閉合狀態(tài),COM為PLC輸入COM端。變頻器相關(guān)參數(shù)設(shè)置的正確與否直接影響直線電機(jī)的運(yùn)行。根據(jù)計(jì)算,最大運(yùn)行速度設(shè)為25Hz,加速率為25Hz/s,減速率為30Hz/s。頻率給定及運(yùn)行控制方式模式選擇為Pr,該模式提供四種頻率選擇:接線方式相對(duì)簡單,通過輸入開關(guān)選擇不同頻率;矢量控制方法是近來發(fā)展起來的一種新型調(diào)速方法,低速平穩(wěn),動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,具有直流電機(jī)的良好的調(diào)速性能,經(jīng)過多種控制模式的運(yùn)行比較,選擇開環(huán)矢量控制模式,即設(shè)置編號(hào)41為Ur模式。在停機(jī)狀態(tài)下,Y輸出端為“0”,按下使能起動(dòng)鍵X0,Y1和Y2輸出為“1”,起動(dòng)變頻器并且正轉(zhuǎn)(開門),加速到行程開關(guān)2,開始勻速前行,到行程開關(guān)3時(shí)Y4輸出變?yōu)椤?”,開始減速,到行程開關(guān)4停機(jī)并且使所有輸出歸為“0”。在開門停止處設(shè)置有自鎖機(jī)構(gòu),一方面可以使直線電機(jī)準(zhǔn)確停機(jī),另一方面可以讓自動(dòng)門處于固定位置防止擺動(dòng)。再次按下鍵X0,Y1和Y3輸出為“1”起動(dòng)變頻器并且反轉(zhuǎn)(關(guān)門),當(dāng)直線電機(jī)到達(dá)行程開關(guān)3開始勻速運(yùn)行到行程開關(guān)2后,Y4輸出為“1”,頻率跳轉(zhuǎn)直線電機(jī)減速運(yùn)行,降低了門的動(dòng)能,這樣有助于防止夾傷過門者,在關(guān)門過程中通過模擬模塊檢測(cè)電流信號(hào)值,若檢測(cè)電流值大于給定值,使Y2輸出“1”,“Y3”輸出“0”,直線電機(jī)往相反方向運(yùn)行。2.5主程序和電流反饋PLC控制程序由主程序及中斷程序兩部分組成,在主程序里面監(jiān)視各位置開關(guān)狀態(tài)的動(dòng)作,根據(jù)開關(guān)狀態(tài)完成門運(yùn)動(dòng)速度及方向的處理,并且完成與上位機(jī)的通訊工作,中斷程序里面完成光幕信號(hào)和電流反饋信號(hào)的處理,主程序及電流反饋中斷程序框圖如圖7,圖8所示。整個(gè)程序的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系,程序完成后要反復(fù)進(jìn)行調(diào)試修改,確定程序能夠按照預(yù)設(shè)的方式和速度運(yùn)行,合理利用PLC內(nèi)部繼電器將會(huì)給程序設(shè)計(jì)帶來很大幫助。3plc運(yùn)行檢測(cè)本文研究設(shè)計(jì)了基于PLC和變頻器的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)門控制系統(tǒng),簡要介紹變頻器和PLC的選型方法,完成了直線電機(jī)位置