可编程交流同步伺服电机驱动系统在工业门机上的应用

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：

近年来随着物流仓储设备的快速发展，有很多物流仓储设备都选用多功能工业门机作为大宗货物进出仓库的阀门。工业门机具有快速、全自动、安全、可靠、多功能等多种优点，可以高效便捷的使货物进出仓库，保证仓库内的环境清洁和安全,成为先进物流仓储设备的重要组成部分。

一、概述：

传统的工业门机的控制系统由可编程逻辑控制器PLC+变频器+交流异步电动机组成：由PLC根据外部输入信号进行逻辑运算控制，计算结果输出信号给变频器，再由变频器驱动交流异步电机带动门做出相应的动作。这种方式的驱动系统因其响应慢、启动停止不平滑、能耗大、调速范围小、输出转矩小、过载能力差、等自身缺点，越来越不能适应先进物流仓储设备的快速发展。驱动系统响应慢会造成工业门的开启与关闭的频率降低，使货物的物流速度明显降低；工业门的启动停止的不平滑，会对门的机械结构造成很大的冲击，会明显降低门的机械寿命；能耗大会造成设备的运营成本上升；而调速范围小、输出转矩小、过载能力差，等缺点都会使工业门机系统的效率降低，运营成本上升，寿命降低。

同时整个控制系统的控制器是外置的，由于变频器本身会对控制器及系统的输入输出设备存在着干扰，所以整个系统的抗干扰处理也是非常繁琐的，也会造出系统成本的上升，不便于产品的推广和使用。

而带有可编程单元的交流同步伺服电机驱动系统就可以很好的解决了这一系列的问题。传统的伺服系统是根据上位机的指令来动作的，它实时快速响应上位机的指令，具有极快的动态响应能力和较高的调速范围，在额定转速内，特别是在低速情况下，不会因负载的增加而使转矩输出减小、从而使转速降低，转速始终保持平稳，即可以有很宽的调速范围，还具有两到三倍的过载能力。另外，与交流异步驱动系统相比它有着明显的节能优势（一般节能可到20%左右），非常适合在先进工业门机上的应用。进口的高档工业门机都采用国外交流同步伺服电机驱动系统，例如松下、伦茨LUNZE、SEW等国外的交流同步伺服电机驱动系统。而国产的交流同步伺服电机驱动系统在工业门机上的应用却还是一个空白。

上海开通数控有限公司长期致力于工控产品的研发，是国内最早从事数控产品研发的公司之一，有着雄厚的研发实力。由上海开通数控研发的KT270系列伺服驱动器，采用DSP芯片，大大加快了数据的采集与处理速度，使电机运行性能良好；应用大规模门阵列电路，使产品具有很高的可靠性；使用最新的功率器件IPM，使驱动器的体积大为减小；具有宽速比、恒转矩：调速比为1：5000；高速度、高精度：最高转速可达3000rpm，回转定位精度1/10000转；KT270系列的功率范围04KW～5.4KW（2NM～33NM），已广泛应用于机床加工设备、纺织、印染、包装等行业；为了填补国产交流同步伺服电机驱动系统在工业门机上应用的空白，上海开通数控有限公司在KT270系列伺服驱动器的基础上开发了带有可编程单元的、可用于工业门机的专用交流同步电机伺服驱动器KT270-FM。

二、工业门机的控制驱动系统介绍：

工业门机专用驱动系统由输入输出信号、交流同步伺服驱动器、交流永磁同步电机组成：

具体组成框图见图1：

图1：工业门机专用驱动系统组成框图

2、输入信号：

上升钮： 按下后，卷帘门就上升到设定的上限位置
下降钮： 按下后，卷帘门就下降到设定的下限位置
禁止按钮： 按下后，此门是禁止上升
急停钮： 按下后卷帘门就停止动作（此时只有使用上升与雷达信号才可以取消停止动作，使门体上升到位）
感应： 当感应时，实现门的开启，安装在门的外侧，（是可选项）
原点： 系统工作的起始位，每次断电重新开机后，系统自己找原点并依此点为门体下降起始点。
前后极限： 当门体上升或下降超出规定的位置时（或程序跑飞时），前后极限作为一个保护装置。

当此点感应时，系统会报警，同时马达停止任何动作。复位时，必须手动脱离前后极限点，方可复位；

3、 输出信号：

故障指示灯： 当有故障时，系统输出报警灯
运行指示灯： 当门体正常的上，下运行时，须有灯亮提示
通行指示灯： 当门体开启到位后，通行指示灯就亮

4、 正常运行工艺

当人从门外走向自动门时，门外的感应器感应到，自动门就立即上升，运行指示灯亮，自动门上升到位后，运行指示灯灭，通行指示灯就亮，并延时一段时间，延时时间到，通行指示灯就灭，运行指示灯再次亮，门就下降关闭，关闭过程中运行指示灯保持常亮，关到位后运行指示灯灭。反之，人从室内向外走时，自动门打开，其工作流程同从室外向室内走。

因感应器是选装项，若没感应器时，人要通过门时，须使用上升按钮开门，门开后，同样延时关门。

三、系统的设计与实现：

1、可编程输入输出接口：

可编程单元有8个可编程多功能输入信号和4个可编程多功能输出信号:每一个输入与输出信号都可以根据参数设置来选定其功能；同时每一个输入与输出信号的有效信号（高电平、低电平、上升沿、下降沿）都可以根据用户的需要来设置。这样做极大的提高了系统的灵活性，为用户的操作提供了极大的便利，也提高了系统对于不同外围硬件的适应性。

2、丰富的指令系统：

整个可编程单元有着丰富的指令系统，提供了70余条指令供用户编程，可以灵活的实现用户的功能；整个指令系统有运动控制指令，跳转指令，逻辑运算指令、算术运算指令、比较指令、中断控制指令、子程序调用指令、定时指令、输入输出指令、平滑过渡指令等多种类指令为用户的不同控制需求提供了保障；

3、灵活的中断优先控制：

整个可编程单元有十六级不同优先级别的中断，每一级中断可以由任何的一个输入信号来触发，这样保证了系统中断的灵活性。也使用户的编程有了更多的选择，为实现较复杂的控制功能提供了强有力的保证。

4、通讯功能：

整个系统还提供了RS485通讯功能,整个通讯协议严格遵循modbus通讯协议；可以通过由上海开通数控公司开发的基于PC的软件来监控被控对象的运行工作状态；整个通讯系统还可以连成网络，实现对驱动器的联控与群控。

5、门机位控功能程序设计：

考虑到工业门机的运行工艺，在编程的时候把整个程序分成初始化模块、主循环模块与中断响应程序模块。

在初始化模块中主要是对系统进行一些配置，然后进行系统的回原点操作。由于驱动系统所带的电机是的增量式光电编码器，所以整个系统在初始上电的过程中，必须进行回原点操作，找到系统的初始定位原点。

在主循环程序模块中又分成多个子程序模块，根据不同的输入信号来调用不同的子程序以完成不同的门机动作。

主循环程序中，程序不断的扫描系统的输入信号，一旦收到输入信号后，程序就调用对应功能的子程序，然后将对应的数控子程序放在后台运行，主程序继续执行对输入信号的扫描主程序，这样可以保证对输入信号的实时扫描。保证系统对输入信号最大的实时扫描性。

例如：在收到上升信号后，主程序就调用门体上升的子程序。上升按钮的服务子程序的主要功能是平稳而又快速的带动门体上升，门体运行指示灯点亮；在上升到位后，运行指示灯熄灭，将输出信号—通行指示灯点亮；在门延时一段时间后，再调用门体下降子程序，平稳而又快速的带动门体下降；在门关到位后，运行指示灯熄灭，将门关到位输出信号置位。

在中断响应程序模块中，主要是处理门机的保护机制功能。在门体下降的过程中一旦系统收到感应信号，主程序立即将当前，指令地址压栈，同时将相应的程序标志位压栈保护；然后再根据中断向量表地址，跳转到指定的中断程序执行地址。

6、系统程序主框图：

由于整个门机控制驱动系统将控制器集成到驱动器中，使系统的成本下降，可靠性上升，效率也大大的提高，抗干扰能力也有着显著的提升，更便于用户的使用与维护。填补了国内的空白，在国产驱动器中有着开创性的意义。

在实际的应用中我们的门机控制驱动系统比传统的门机控制驱动系统效率明显提升，能耗明显降低，可靠性也有了显著的提高，功能更完善，保护措施也进一步提高，达到了国外同类产品的先进水平，在国产伺服领域具有划时代的意义。

五、结束语：

随着我国伺服驱动器在工业控制与自动化领域的广泛应用，带有可编程单元的交流同步伺服驱动器在一些集成度要求较高的工控领域，完全可以替代中小型的PLC，取得更为经济有效实用的控制效果。相信在不远的将来，带有可编程单元的交流同步伺服驱动器必定会在不同的工控与自动化领域取得更为广泛的应用，取得更为显著的经济效益。

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