基于51单片机电梯门控制器毕业设计论文.docx
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基于51单片机电梯门控制器毕业设计论文
摘要
伴随着我国现代化程度的提高,电梯成为高层建筑中的重要交通工具。
本文针电梯门的基本运行特点从分析和比较入手,引出本课题所需要解决的问题,设计出一款电梯门机控制器,包括硬件和软件两方面的内容。
本文分析了异步电动机SPWM变频调速的工作原理和技术要点,异步电动机的变频控制系统采用单片机和智能功率模块作为核心。
单片机采用16位单片机MSP430F149,该芯片中集成了许多功能模块,能够简化系统的设计;功率器件使用三菱智能功率模块PS21265APDIP-IPM,其内置的驱动功能和保护功能能够大大的提高系统的可靠性。
系统的硬件设计部分按照功能和供电类型来划分,在基本的单片机和功率器件的基础上设计用户操作界面和相关的电源、保护电路等,硬件部分的大部分电路具有通用性,可以作为通用变频器的系统硬件。
通过软件编程实现相应的检测功能和输出控制功能,使用C语言编写软件,具有语法简单、可移植性好和易于调试等优点。
关键词:
电梯门变频调速MSP430单片机SPWM智能功率模块
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第1章前言
1.1课题的研究背景和意义
近年来全控性功率器件如双极型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、场效应管(MOSFET)以及新兴的智能功率模块的出现和迅速发展,使得变频器中所使用的功率逆变器件的体积不断减小、功能不断完善。
尤其是最近出现的智能功率模块(IPM),不但能提供一定的输出功率,而且内部集成驱动电路和保护电路等,具有控制、监测和保护等功能,制造工艺的发展使得IPM结构更加紧凑。
利用SPWM技术在较高的载波频率下工作,使得逆变器的输出波形非常逼近于正弦波。
使用全数字的控制方式不但能够简化电路,还能够改善系统的可靠性和易用性,同时能够轻而易举地为系统添加监控、显示和保护等功能。
在电梯门机控制系统中使用集成度高、体积较小、运行稳定的智能化专用控制设备是一种必然的发展趋势。
1.2课题所需要解决的问题
(1)SPWM在电动机变频调速控制中的应用,以及这种技术在微处理器上的实现方法。
如何在所选定16位单片机MSP430F149上稳定高效的实现三相SPWM控制波形的输出问题。
(2)电梯系统中的外部控制信号以何种方式与控制器进行通讯,控制器对外部输入的控制信号的响应方式。
在不同的输入状态下控制器的输出状态,以及控制器如何在各个状态之间切换。
(3)系统的抗干扰技术。
异步电动机控制系统属于弱电控制强电的系统,功率开关器件的导通和关断都会对系统造成很大的干扰,尤其是工作电压较低的控制部分电路。
同时,系统还会受到外界的干扰,也会对外界的其他设备造成干扰,如何抑制干扰并且增强系统的抗干扰能力成为影响系统能否稳定工作的一个重要问题。
(4)系统的保护功能。
门机控制系统必须能够长期、稳定的工作,但是部分情况下出现的异常情况会导致系统硬件的损坏。
因此,从硬件上和软件上同时加入必要的保护手段来增强系统的保护功能也显得尤为重要的。
1.3课题的主要研究内容和目的
本设计中使用TI公司的16位高性能单片机MSP430F149作为控制核心、三菱公司的第3.5代智能功率模块PS21265APDIP-IPM作为功率逆变器件。
针对本课题的主要工作,在论文中将工作主要分成以下几个方面作阐述:
(1)简要的描述了课题的研究背景和研究意义,分析了课题在研究和设计以及实际应用中可能会遇到的技术性问题,介绍了本课题的研究内容和最终目的。
(2)对SPWM技术做了分析性介绍,介绍的侧重点在于设计中所选用的对称规则采样法。
(3)课题所设计的电梯门机变频控制器是一款有针对性的研发产品,在设计中必须遵循电梯门机的控制原理和控制要求,因此在论文的第四章部分对电梯门机的控制作了概要性地叙述。
(4)论文的主体部分,占论文的大部分篇幅。
分别从硬件和软件两个方面详细阐述了系统的设计理念和设计思路,包括硬件各个部分的构成和作用,软件各个功能模块在系统中的作用,以及在系统的设计等环节中需要注意的和特殊处理的问题。
(5)论文的最后一个部分测试了系统的性能,并列出了部分的测试结果。
第2章MSP430F149单片机的介绍
2.1系统微处理器结构和原理
系统的硬件部分的控制核心使用了TI公司的16位高性能MSP430F149单片机,用来检测系统的输入状态,控制系统各个部分的输出。
2.2MSP430单片机特点
(1)低电压、低功耗
(2)强大的处理能力
(3)稳定的工作性能
(4)丰富的片内资源
2.3MSP430F149部分功能模块
MSP430F149单片机具有丰富的片内资源,包括时钟模块、捕获/比较模块、Flash模块、看门狗定时器模块、定时器模块、以及通用I/O口模块I,6J,MSP430F149单片机内部结构图如2-1所示。
图2-1MSP430F149功能框图
(1)时钟模块
①高速晶体振荡器,高速晶体振荡器连接到MSP430F149的高频振荡器,最高可以产生8MHz的XT2CLK,该时钟可以通过各时钟的分频器作1}2,4,8分频后作为MCLK,SMCLK时钟信号。
②低速晶体振荡器,低频晶体振荡器连接到MSP430F149的低频振荡器,一般使用32768Hz晶体振荡器产生LFXT1CLK低频信号,该时钟也可以通过各时钟的分频器作1}2}4,8分频后作为MCLK}SMCLK,ACLK时钟信号。
③DCO实际上是一个数字可编程的RC振荡器,能够在其它两个时钟源失效的情况下自动被选用作系统时钟源。
同XT2CLK相同,DCOCLK可以经过个时钟分频器作1,2,4,8分频后作为MCLK,SMCLK的时钟信号。
(2)ADC12数模转换模块
MSP430F149中带有的12位模数转换模块具有采样和保持功能,采样速度达到200ksps,并且在4种工作模式下,可以选择包括内置的温度传感器在内的4个内部采集通道和8个外部采集通道。
(3)看门狗(WDT)定时器
MSP430F149中包含了16位、8种可选定时时间的看门狗定时器模块,看门狗定时器在程序发生故障时能够控制系统的重新启动。
通过设置看门口控制寄存器WDTCTL的值,可以选择看门狗的工作状态:
通过设置SSEL,ISI和ISO控制位可以组合出8种定时器,通过设置TMSEL控制位可以设置看门狗模块的工作模式:
看门狗模式、定时器模式和关闭模式。
(4)通用10端口[171]
(5)16位定时器Timer–B
(6)Flash存储器模块
Flash存储器模块是Flash型器件的通用模块,主要用于存储程序代码、数据表格以及用户信息等,用户可以通过JTAG或者是芯片内的软件来实现对Flash的写入和擦除操作。
MSP430F149中的Flash以段作为基本的操作单位,FLASH存储区可以划分为主存储区和信息存储区。
(7)MSP430的JTAG接口[18][19]。
根据TI公司的要求,与CPU相连的标准JTAG接口具有14个针脚,其针脚定义如图2-2所示:
图2-2MSP430的JTAG接口定义
MSP430F149单片机的引脚数目多达64个,通过独立的引脚能够实现JTAG功能的外接,而类似MSP430F123这样的引脚数目(MSP430F123仅有28个引脚)较少的单片机,则需要通过引脚的复用技术来解决这种问题,因此通过JTAG调试这一类MSP430单片机时,需要注意复用的引脚在调试状态下的功能等问题。
针对MSP430系列单片机市场上有多种JTAG产品,有很多的相关资料和电路可以借鉴。
这里,我们根据一种常见的TI公司的FET430P14xJTAG仿真器的电路图,自制出JTAG工具来完成调试工作。
在系统调试过程中,该JTAG工作稳定,配合IARSYSTEM公司“IAREmbeddedWorkbenchEvaluationforMSP430”集成开发环境,能够实现程序代码下载、程序运行控制等调试所需要的基本功能。
这种便捷的、简化的开发环境,为整个系统的开发带来了极大的便利。
第3章电力电子器件与SPWM调速
3.1电力电子技术发展史
电力电子学(PowerElectronics)是研究采用半导体器件实现对电能的控制和变换的学科。
1974年,国际上接受了W·Newll的定义,即把电力电子学作为介于电力、电子和控制之间的交叉学科.
图3-1电力电子学结构图
电力电子技术是应用于电力领域的技术,它以电力电子学作为理论基础,是一门20世纪后半叶诞生并发展的崭新技术。
它随着电力半导体的发展而发展,从1957年的晶闸管的发明作为电力电子技术的开始,电力电子器件始终向着大容量、高速度、高集成度的方向不断发展。
电力电子器件种类很多,并且仍然有新型器件出现,可以按照其开关方式和控制能力划分为不可控器件、半控器件和全控器件三类。
3.1.1双极型晶体管(BJT)
双极型晶体管是一种由电子和空穴两种载流子参与导电的电流控制型器件,在控制BJT导通或者截至时,需要通过控制端向BTJ内灌入电流或者拉出电流。
BJT从一种状态向另一种工作状态转换时,受到其内部载流子浓度的影响,需要一个过渡过程,这就制约了BJT的反应速度。
3.1.2场效应管(MOSFET)
场效应管是一种单极型的电压控制型器件,有着工作速度快、无二次击穿、易于驱动等相对于BJT的显著优点。
MOSFET目前在高性能开关电源、逆变器等需要较高的开关速度的场合得到广泛的应用。
3.1.3绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
IGBT是一种混合型的电力电子器件,它融合了场效应管和双极型晶体管的特点:
控制方面,IGBT具备场效应管的输入阻抗高、速度快的场控特性:
输出驱动方面,IGBT具备BJT的低输出饱和压降、耐压高和承受电流大的特性。
这些良好的控制特性和驱动特性使得IGBT较BJT的驱动更简单、保护更容易,开关频率更高等优点,因而在应用领域中占据了很大的市场份额。
3.2智能功率模块(IPM)
IPM是一种新型的电力电子器件。
尽管前面介绍的IGBT具有BJT和MOSFET的优点,但是必须有驱动电路和保护电路等的配合才能够正常、稳定的运行,但是这些电路增加了系统空间和系统复杂性,降低了系统的可靠性。
3.3基于MSP430单片机的电梯门控制器的设计
(1)对于电力电子器件,都有其最大工作电流和最大工作电压。
(2)电力电子器件在使用时会不同情况的发热,IPM的工作温度为一20度一100度(不结露)。
在使用时,应当根据功率模块的发热量和周围环境,添加适当的被动散热或者主动散热措施。
(3)PS21265APDIP-IPM的设计载波频率上限为20KHz,设计手册上指出其频率上限随着外界温度、湿度条件以及控制方法的不同有所变化,实际使用时应根据所选用的控制电路,调整载波频率。
(4)使用外部单电源驱动IPM内部的驱动电路时,应保证外部单电源供电稳定,添加电源防干扰的措施,防止因电源噪声所带来的干扰而产生误动作。
(5)IPM的输入的控制信号应当尽量短,以减少外界对控制信号的干扰。
3.4SPWM变频调速工作原理
在本设计中使用了应用广泛的正弦脉宽调制(SinePulseWideModulition,SPWM)技术,所谓的正弦脉宽调制是指将一个正弦波划分成N个等幅但是不等宽的方波脉冲,每一个方波的宽度都与其对应时刻的正弦波的值成正比,这些等幅脉冲序列通过由恒定直流供电的逆变器,驱动相应的开关器件。
第4章电梯门控制系统的设计需求
4.1电梯门控制器的工作环境
普通电机门机控制器直接安装在电梯吊箱的顶部,并且在门机控制器的外面加有通风良好的金属箱做电磁屏蔽和防水保护等功能,这些电梯提供的防护措施简化了门机变频控制器设计。
电梯吊箱通过在电梯间里面悬浮的电缆连接来取电,一般为220V/50Hz的交流电,因此在一般的实验室设计和测试时,可以使用市电来替代电梯吊箱中的供电。
电梯门机控制系统的结构图如图4-1所示:
开门/关门
(控制信号)
→
门机控制器
→
交流电动机
→
减速箱
↑
↓
电梯门/行程开关/光幕开关
图4-1电梯门机控制系统结构图
4.2门机变频控制器的控制模式
根据设计要求,所设计的控制器使用行程开关组作为位置检测开关。
行程开关组由安装在电梯门的导轨上4个磁性霍尔传感器组成的,分别用来检测开门到位、关门到位以及电梯门执行动作过程中的两个速度的切换点,门机控制器接收行程开关反馈回的开关量,从而判断电梯门当前的所在位置状态,从而控制电动机的转速和方向。
电梯系统的外部接线端设计了切换开关,用于在调试状态和系统状态之间切换。
当处于调试状态时,控制器不会响应系统外部的开门关门控制信号,此时手动开门、手动关门控制信号有效,门机控制器根据手动开关的指令执行动作,按下手动开门按键,控制器驱动电机执行开门动作,按下手动关门按钮,控制器驱动电机执行关门动作;当处于系统状态时,门机控制器正常响应由中央控制器传送来的控制指令,手动按钮不起作用。
图4-2系统输入输出信号图
4.3系统的开门和关门过程
系统中有XK1-XK4共4个行程开关,在电梯门的导轨上,控制器根据开关反馈回来电梯门的位置信号,控制输出频率,调整电动机的运行频率,进而控制电梯门的运动速度,电梯门在开门和关门过程中的频率曲线与开关的位置状态如图4-3所示:
图4-3电梯开关门速度曲线
在开门和关门过程中的XK1-XK4的电平变化时序如图4-4和4-5所示:
图4-4开门时序图
图4-5关门时序图
对不同的电梯吊箱的设计,部分电梯吊箱需要在关门过程结束后,由电机继续输出一个很低频率的低转动力矩来保持电机门的关门紧闭状态,在设计中,可以选择的输出频率为0.5Hz。
4.4用户界面的要求
尽管针对电梯门机所设计的门机变频控制器具有很强专用性,相比于通用变频器内部固化了很多的特性参数,但是仍然需要用户在此基础上针对不同的环境调整某些参数,如开门、关门执行过程中各个频率段的参数、针对不同的电梯门选择合适的输出力矩、继电器组的输出状态等,因此控制器上必须设计用户界面。
在本设计中的操作界面上,设计了8个按键,在系统软件中定义了按键的操作顺序和调整的参数,供用户输入控制指令、调整参数等。
显示界面上,先后设计了LCD(1602,带背光)和LED(4位8段)数码管两种显示方案,但是由于电梯门机控制器工作环境和操作环境的限制,从显示的清晰的和现场的光照情况方面考虑,选用了4位8段红色LED数码管作为状态显示方案,通过简化的代码和数字向用户反馈系统信息,并且这种显示方法在电梯吊箱这样的工作环境中能很好的工作,获得很理想的显示亮度和显示效果。
4.5系统硬件总体构
电梯门机控制器需要在稳定工作的前提下,通过分析输入开关控制量状态、向外输出变频的三相正弦交流电,进而控制电梯吊箱上的变频电机工作。
本文中主要讨论电梯门机变频控制器系统的硬件和软件的设计,分析系统各个部分的工作电压和所实现的主要功能,将系统的硬件部分分为功率部分、控制核心、用户界面、连接埠和接口以及附加硬件五个部分。
系统主要部分结构框图如图4-6:
图4-6系统结构
4.6系统功率电路
功率部分包含了整个门机变频控制中所有的高电压部分的器件:
包括电源的转换和控制、功率的逆变输出以及附加在这部分基础之上的防浪涌保护、功率驱动等电路,所实现的功能也很明确:
电源供电和逆变输出。
从上述的角度分类,功率部分划分为IPM功率驱动、IPM驱动电源、IPM隔离与驱动电路、IPM功率电源和系统低电压电源五个部分。
4.7IPM功率电源
IPM功率电源将供电的220V/50Hz的交流电通过整流滤波等处理后为IPM提供直流电。
IPM功率电源部分包含了保险丝的过流熔断保护、防电磁干扰的无源滤波电路以及基本的整流滤波等电路。
对于电梯门机变频控制器来说,在工作过程中一方面要防止电梯间中的电磁干扰对系统造成的影响,另一方面变频器与开关电源类似,使用较高的频率控制开关管的导通和关断,在此过程中的电压和电流的突变都会造成较大的电磁干扰。
因此为了保证电梯门机变频控制器自身的稳定运行以及电梯系统中其他电气设备的正常运行,必须在设计和使用中注意防范EMI(电磁干扰)的问题。
4.8IPM功率驱动
IPM功率驱动部分主要由PS21265APDIP-IPM功率模块、模块外接的采样电阻(康铜合金丝)、压敏电阻和水泥电阻等构成,电路图如图4-7.
图4-7IPM功率驱动电路图
其中瓷解质电容CIO用于吸收IPM在开关瞬间所产生的高频脉冲干扰。
电阻Rs为470V压敏电阻14D471K,能够吸收大量的短时间的雷电等浪涌电压,保证压敏电阻两端的电压不超过其额定电压,进而保护IPM的工作电压,在电路中,压敏电阻的另一个重要功能是配合电阻R7和风吸收电动机在断电瞬间产生的高压感生电流。
图4-8压敏电阻工作原理图
按照图中的电路所示,仅取U相桥臂和V向桥臂,电路中用电感L表示电动机的线圈,U相桥臂由IGBT1,IGBT2以及反向续流二极管FWD1,FWD2组成,V相桥臂由IGBT3,IGBT4以及反向续流二极管FWD3,FWD4组成。
定性分析该电路,在正常工作时,电流按照P->a->b->N的流向,当由于断电等其他原因IGBT1和IGBT2同时关闭时,电路中将不存在闭合回路,但是由于电动机线圈(电感)的续流作用,将产生一个很大的感生电动势,a为负极,b为正极,通过续流二极管FWDI,FWD4的作用,感生电动势将直接加在P,N两端,即在这种情况下,IPM将承受可能超过其极限工作电压的感生电压,将会造成IPM的损坏。
电路中添加压敏电阻后,由于压敏电阻的工作特性,当感生电压超过压敏电阻的额定电压后,压敏电阻进入低阻态,电路中存在闭合回路,通过R7,凡吸收大量的感应电压,限制了P,N两端的电压,从而保护了IPM电源P,N两端的电路。
这部分电路是在屡次烧毁IPM的情况下所设计添加的,在后续的测试中,有效的保护了IPM。
DIP-IPM中内置了过流保护电路,能够在IPM过流时,能够关断IPM的下桥臂,并输出错误信号(Fo),直到过流状态消失为止。
在使用过流保护电路时,需要根据系统正常工作时的电流选取合适阻值的采样电阻,为了避免由于引线电感干扰所引起的短路保护误动作,应在电路中加入时间常数为1.5-2us的RC延时电路,组成三菱公司推荐的SC保护外部电路。
4.9IPM驱动电源
IPM驱动电源是指为IPM驱动提供电源的++15V电源以及驱动芯片所使用的+5V部分,这部分的工作电流极小,因此通过小型变压器隔离降压后,整流滤波获得++18V的直流电,通过LM7815获得IPM驱动用的+15V电源,然后通过LM7805获得供74HC04和隔离光祸使用的+5V电源。
图4-9IPM驱动电源电路原理图8
4.10IPM驱动与隔离电路
SPWM控制信号通过高速光藕输入到IPM的控制端,IPM的错误输出信号也通过高速光祸输出到单片机的I/O口上。
图4-10IPM驱动与隔离电路原理图
4.11系统低压电源的设计
根据整个系统的低压部分的电源需求,其中控制核心的MSP430F149单片机及其外围的电路,如逻辑保护电路74HC04和74HC08,用户界面部分的静态显示驱动74HC595和LED数码管都工作在+3.3V电压下,而对外输出开关信号的4组继电器则需要+5V电压驱动。
除此之外,系统接受外界输入的开关量状态信号时,需要为其提供+24V的上拉电流。
从系统工作电源的角度划分,控制核心部分包含了除用户界面之外的绝大部分的低压器件,控制核心主要部分工作在+3.3V电源下,继电器部分工作在+5v电源下,为输入开关量提供上拉的最高电压也不超过+24V;从功能的角度划分,控制核心具有接受开门指令、关门指令、行程开关、光幕信号的开光量输入,生成6路带有逻辑保护能力的SPWM控制波形、控制4组继电器输出状态、接受用户界面部分的控制指令、控制用户界面的显示状态等功能。
因此,从功能上划分控制核心的组成,包括MSP430F149控制核心、继电器及驱动电路、外部开关量输入与隔离电路、复位控制电路、SPWM逻辑保护电路、用户配置保存芯片和低电压电源处理七个部分。
4.12低电压电源处理部分
功率部分的系统低压开关电源向控制核心提供了一路++5V/IA的电源,对于MSP430控制核心以及逻辑保护等部分电路,其工作电压为++3.3V,但是继电器仍然需要++5V供电,因此,进入控制核心的+5V/IA电源需要经过预处理后才能供给MSP430等电路。
图4-11低电压电源与处理
4.13外部开关量输入与隔离电路
在电梯门及控制系统中,为了防止电梯间内的电磁干扰,在信号的传输环节使用了十24V电平传输信号,以提高抗干扰能力,但是控制的开关量信号与单片机之间既需要电平匹配,还要与输入的开关量之间完全隔离。
图4-12开关量输入隔离电路图
4.14继电器及驱动电路
门机变频控制系统需要对外输出四路开关量信号,其中包括开门到位信号、关门到位信号,一路控制系统故障保护输出信号和一路保留的可以通过软件设定状态的信号,这些开关量信号用
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