可編程交流同步伺服電機驅動系統在工業門機上的應用

Abstract：This paper analyzes the technologies and flow of the control system based on the industrial door machine. And design the system structure. The implementation scheme and structure of the industrial door machine is described in detail.
Key words: Programmable Synchronous Servo Driver System
Industrial Door Machine Control System

引言：

近年來隨著物流倉儲設備的快速發展，有很多物流倉儲設備都選用多功能工業門機作為大宗貨物進出倉庫的閥門。工業門機具有快速、全自動、安全、可靠、多功能等多種優點，可以高效便捷的使貨物進出倉庫，保證倉庫內的環境清潔和安全,成為先進物流倉儲設備的重要組成部分。

一、概述：

傳統的工業門機的控制系統由可編程邏輯控制器PLC+變頻器+交流異步電動機組成：由PLC根據外部輸入信號進行邏輯運算控制，計算結果輸出信號給變頻器，再由變頻器驅動交流異步電機帶動門做出相應的動作。這種方式的驅動系統因其響應慢、啟動停止不平滑、能耗大、調速范圍小、輸出轉矩小、過載能力差、等自身缺點，越來越不能適應先進物流倉儲設備的快速發展。驅動系統響應慢會造成工業門的開啟與關閉的頻率降低，使貨物的物流速度明顯降低；工業門的啟動停止的不平滑，會對門的機械結構造成很大的沖擊，會明顯降低門的機械壽命；能耗大會造成設備的運營成本上升；而調速范圍小、輸出轉矩小、過載能力差，等缺點都會使工業門機系統的效率降低，運營成本上升，壽命降低。

同時整個控制系統的控制器是外置的，由于變頻器本身會對控制器及系統的輸入輸出設備存在著干擾，所以整個系統的抗干擾處理也是非常繁瑣的，也會造出系統成本的上升，不便于產品的推廣和使用。

而帶有可編程單元的交流同步伺服電機驅動系統就可以很好的解決了這一系列的問題。傳統的伺服系統是根據上位機的指令來動作的，它實時快速響應上位機的指令，具有極快的動態響應能力和較高的調速范圍，在額定轉速內，特別是在低速情況下，不會因負載的增加而使轉矩輸出減小、從而使轉速降低，轉速始終保持平穩，即可以有很寬的調速范圍，還具有兩到三倍的過載能力。另外，與交流異步驅動系統相比它有著明顯的節能優勢（一般節能可到20%左右），非常適合在先進工業門機上的應用。進口的高檔工業門機都采用國外交流同步伺服電機驅動系統，例如松下、倫茨LUNZE、SEW等國外的交流同步伺服電機驅動系統。而國產的交流同步伺服電機驅動系統在工業門機上的應用卻還是一個空白。

上海開通數控有限公司長期致力于工控產品的研發，是國內最早從事數控產品研發的公司之一，有著雄厚的研發實力。由上海開通數控研發的KT270系列伺服驅動器，采用DSP芯片，大大加快了數據的采集與處理速度，使電機運行性能良好；應用大規模門陣列電路，使產品具有很高的可靠性；使用最新的功率器件IPM，使驅動器的體積大為減小；具有寬速比、恒轉矩：調速比為1：5000；高速度、高精度：最高轉速可達3000rpm，回轉定位精度1/10000轉；KT270系列的功率范圍04KW～5.4KW（2NM～33NM），已廣泛應用于機床加工設備、紡織、印染、包裝等行業；為了填補國產交流同步伺服電機驅動系統在工業門機上應用的空白，上海開通數控有限公司在KT270系列伺服驅動器的基礎上開發了帶有可編程單元的、可用于工業門機的專用交流同步電機伺服驅動器KT270-FM。

二、工業門機的控制驅動系統介紹：

工業門機專用驅動系統由輸入輸出信號、交流同步伺服驅動器、交流永磁同步電機組成：

具體組成框圖見圖1：

圖1：工業門機專用驅動系統組成框圖

2、輸入信號：

上升鈕： 按下后，卷簾門就上升到設定的上限位置
下降鈕： 按下后，卷簾門就下降到設定的下限位置
禁止按鈕： 按下后，此門是禁止上升
急停鈕： 按下后卷簾門就停止動作（此時只有使用上升與雷達信號才可以取消停止動作，使門體上升到位）
感應： 當感應時，實現門的開啟，安裝在門的外側，（是可選項）
原點： 系統工作的起始位，每次斷電重新開機后，系統自己找原點并依此點為門體下降起始點。
前后極限： 當門體上升或下降超出規定的位置時（或程序跑飛時），前后極限作為一個保護裝置。

當此點感應時，系統會報警，同時馬達停止任何動作。復位時，必須手動脫離前后極限點，方可復位；

3、 輸出信號：

故障指示燈： 當有故障時，系統輸出報警燈
運行指示燈： 當門體正常的上，下運行時，須有燈亮提示
通行指示燈： 當門體開啟到位后，通行指示燈就亮

4、 正常運行工藝

當人從門外走向自動門時，門外的感應器感應到，自動門就立即上升，運行指示燈亮，自動門上升到位后，運行指示燈滅，通行指示燈就亮，并延時一段時間，延時時間到，通行指示燈就滅，運行指示燈再次亮，門就下降關閉，關閉過程中運行指示燈保持常亮，關到位后運行指示燈滅。反之，人從室內向外走時，自動門打開，其工作流程同從室外向室內走。

因感應器是選裝項，若沒感應器時，人要通過門時，須使用上升按鈕開門，門開后，同樣延時關門。

三、系統的設計與實現：

1、可編程輸入輸出接口：

可編程單元有8個可編程多功能輸入信號和4個可編程多功能輸出信號:每一個輸入與輸出信號都可以根據參數設置來選定其功能；同時每一個輸入與輸出信號的有效信號（高電平、低電平、上升沿、下降沿）都可以根據用戶的需要來設置。這樣做極大的提高了系統的靈活性，為用戶的操作提供了極大的便利，也提高了系統對于不同外圍硬件的適應性。

2、豐富的指令系統：

整個可編程單元有著豐富的指令系統，提供了70余條指令供用戶編程，可以靈活的實現用戶的功能；整個指令系統有運動控制指令，跳轉指令，邏輯運算指令、算術運算指令、比較指令、中斷控制指令、子程序調用指令、定時指令、輸入輸出指令、平滑過渡指令等多種類指令為用戶的不同控制需求提供了保障；

3、靈活的中斷優先控制：

整個可編程單元有十六級不同優先級別的中斷，每一級中斷可以由任何的一個輸入信號來觸發，這樣保證了系統中斷的靈活性。也使用戶的編程有了更多的選擇，為實現較復雜的控制功能提供了強有力的保證。

4、通訊功能：

整個系統還提供了RS485通訊功能,整個通訊協議嚴格遵循modbus通訊協議；可以通過由上海開通數控公司開發的基于PC的軟件來監控被控對象的運行工作狀態；整個通訊系統還可以連成網絡，實現對驅動器的聯控與群控。

5、門機位控功能程序設計：

考慮到工業門機的運行工藝，在編程的時候把整個程序分成初始化模塊、主循環模塊與中斷響應程序模塊。

在初始化模塊中主要是對系統進行一些配置，然后進行系統的回原點操作。由于驅動系統所帶的電機是的增量式光電編碼器，所以整個系統在初始上電的過程中，必須進行回原點操作，找到系統的初始定位原點。

在主循環程序模塊中又分成多個子程序模塊，根據不同的輸入信號來調用不同的子程序以完成不同的門機動作。

主循環程序中，程序不斷的掃描系統的輸入信號，一旦收到輸入信號后，程序就調用對應功能的子程序，然后將對應的數控子程序放在后臺運行，主程序繼續執行對輸入信號的掃描主程序，這樣可以保證對輸入信號的實時掃描。保證系統對輸入信號最大的實時掃描性。

例如：在收到上升信號后，主程序就調用門體上升的子程序。上升按鈕的服務子程序的主要功能是平穩而又快速的帶動門體上升，門體運行指示燈點亮；在上升到位后，運行指示燈熄滅，將輸出信號—通行指示燈點亮；在門延時一段時間后，再調用門體下降子程序，平穩而又快速的帶動門體下降；在門關到位后，運行指示燈熄滅，將門關到位輸出信號置位。

在中斷響應程序模塊中，主要是處理門機的保護機制功能。在門體下降的過程中一旦系統收到感應信號，主程序立即將當前，指令地址壓棧，同時將相應的程序標志位壓棧保護；然后再根據中斷向量表地址，跳轉到指定的中斷程序執行地址。

6、系統程序主框圖：

由于整個門機控制驅動系統將控制器集成到驅動器中，使系統的成本下降，可靠性上升，效率也大大的提高，抗干擾能力也有著顯著的提升，更便于用戶的使用與維護。填補了國內的空白，在國產驅動器中有著開創性的意義。

在實際的應用中我們的門機控制驅動系統比傳統的門機控制驅動系統效率明顯提升，能耗明顯降低，可靠性也有了顯著的提高，功能更完善，保護措施也進一步提高，達到了國外同類產品的先進水平，在國產伺服領域具有劃時代的意義。

五、結束語：

隨著我國伺服驅動器在工業控制與自動化領域的廣泛應用，帶有可編程單元的交流同步伺服驅動器在一些集成度要求較高的工控領域，完全可以替代中小型的PLC，取得更為經濟有效實用的控制效果。相信在不遠的將來，帶有可編程單元的交流同步伺服驅動器必定會在不同的工控與自動化領域取得更為廣泛的應用，取得更為顯著的經濟效益。

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