vp最终稿-地铁屏蔽门BLDC母线电流闭环控制及其换相补偿的研究与实现(增加专项名称).doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流vp最终稿-地铁屏蔽门BLDC母线电流闭环控制及其换相补偿的研究与实现(增加专项名称).精品文档.地铁屏蔽门BLDC母线电流闭环控制及其换相补偿的研究与实现陈健 朱何 王文伟 曹焱浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310053摘要：地铁屏蔽门是安装于城市轨道交通沿线车站站台边缘，将站台候车区与轨行区隔离的一种机电设备系统。无刷直流电机（BLDC）以其易于控制、维护成本低的特点应用于该系统。分析了无刷直流电机电流开环控制中电流的冲击引起的力矩波动、噪音等一系列问题，提出了一种母线电流单电流采样下的电流闭环控制方案，该方案控制了电流以及力矩的波

2、动，同时也以低成本高效率的方式实现闭环控制。同时提出了母线电流闭环换相补偿的方案，提高了电流的稳定性，减小了对设备的力矩冲击，降低了电机噪声，提高了系统稳定性。关键词：屏蔽门，无刷直流电机，电流闭环，换相补偿，母线电流The research and realization of the close-loop control of BLDCs bus current and compensation of the phase shiftChen Jian, Zhu He, Wang Wenwei, Cao YanZhejiang SUPCON Co., Ltd., Hangzhou, Zhej

3、iang, 310053Abstract：Platform Screen Door of the underground is a System of mechanical-electrical equipment, which is set in the station of the citys rail, separating the waiting room from the rail and the train. Brushless DC motor (BLDC) is chosen in the system with the feature of easy to control a

4、nd low maintain cost. The problems are analyzed that the torque fluctuation and the noise produced by the current open-loop control. The method of current close-loop control based on single bus current is put forward, which can well reduce the fluctuation of the motors current and torque, as well as

5、 low cost and high efficiency. The compensation under phase shift of bus current close-loop control is researched, to stabilize the motors current, reduce the attack to the equipment and noise, and improve the stability of the system.Keywords: Platform Screen Door, Brushless DC motor, current close-

6、loop control, compensation under phase shift, bus current1、绪论1.1 地铁屏蔽门电机选型地铁屏蔽门是安装于城市轨道交通沿线车站站台边缘，将站台候车区与轨行区隔离，与列车门对应，是一种机电设备系统。屏蔽门的应用将乘客与轨道和列车进行了隔离，提高了运营安全系数，改善了乘客候车的站台环境，也利于节约运营成本和建设的成本。屏蔽门系统包含了滑动门、应急门、端门以及（或）司机门等组成。其中应急门一般当作固定门使用，仅在应急状态可由乘客在列车上打开列车门后推动应急门的解锁装置，或由站台上的工作人员人工打开进行疏散，固其不需要应用电动机。端门以及（或

7、）司机门一般也由工作人员在需要时进行人工开启关闭1-2。滑动门的开启和关闭一般是在列车到站时配合列车门动作进行动作，为乘客提供上下列车的通道3。所以对滑动门的数量以及开关门的运动应该由列车或者是站台控制自动开启和关闭。对运行曲线以及动作时间有着一定的严格要求4。由于需要控制门体的运动速度以及门体位置，采用直流电机的驱动方案比较合适。直流电机里以永磁直流电机的特点最适合在屏蔽门系统。永磁直流电机包含了有刷直流电机、无刷直流电机。有刷直流电机：其优点为驱动电路较简单，驱动算法较容易，电机驱动力矩与输出电流成线性关系，在负载一定的情况下转速与输入电压成线性关系。总而言之，有刷电机对于驱动的硬件以及控

8、制算法，相对较简单。但是其缺点为电刷以及整流子寿命短，电刷也会产生一定的电弧以及噪声。无刷直流电机：其优点为无电刷无整流子，不会产生电弧以及电弧产生的噪声，寿命长。缺点为需要专门的整流电流以及控制算法，硬件成本高，同时需要比较复杂的控制算法5。由于屏蔽门安装在站台上，列车运营期间不允许停止工作，有刷直流电机寿命短，在到达寿命周期时需要停止屏蔽门的运行进行维护，影响列车的运行。故该方案选择无刷直流电机。1.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机的定子多类似于三相异步交流电机，将三相绕组对称星形连接。转子上粘有不同磁极的永磁体，可为单对极以及多对极，对极的多少影响到电机的位置精度。无刷直流电机的感应

9、电动势为梯形，即在转子转动的过程中，三相电压交替成梯形分布。由于是直流电机，给绕组通入的电流为直流，由绕组产生的磁场并不会产生旋转，无法带动转子进行转动。故驱动器需要在合适的时机，对绕组里的电流进行换相，以外部控制的方式使绕组可以产生旋转的磁场，使转子可以连续地运转6。换相可以有两种方式：1、由电机绕组产生的梯形感应电动势，可以知晓转子相对于定子的相对位置，便可知定子在当前情况应该输出的磁场位置；2、在转子上粘贴的永磁体，可以由霍尔器件检测，由此可知转子的位置，输出合适的相序。表1 无刷直流电机的换相相序表（六步换相表）霍尔信号513264WHONONOFFOFFOFFOFFWLOFFOFFO

10、FFONONOFFUHOFFOFFONONOFFOFFULONOFFOFFOFFOFFONVHOFFOFFOFFOFFONONVLOFFONONOFFOFFOFF1.3 电机的选型综合以上特点，该方案选择无刷直流电机，型号为BG65. 为三相无刷直流电机，有霍尔传感器，磁极数为5对。其额定电流为3.9A，额定转速为2800rpm，额定扭矩为250Nmm，相与相内阻为0.3，电感为3.8mH. 2、无刷直流电机的电流闭环控制2.1 概要 电流环的引入，是通过对电机电流的控制，更好的控制电机力矩的输出，减少电机力矩的跳动，使电机运行更稳定，减小电机噪声，为速度控制提供更好的环境。同时电流环的引入可

11、以控制住电机电流的上限，更好的对设备以及人身的安全进行保护。2.2 无电流闭环开环驱动 由于有霍尔传感器的存在，可以时刻知晓转子的位置，该电机的霍尔为120，故一个周期有六步，可按表1进行换相，电机即可实现连续转动。只要输入一定的电压，按六步相序的要求进行换相，电机就可以进行运动。在该条件下，使用电流耦合夹对电机相电流以及母线电流进行检测，见图1图2.图1 开环电机运行相电流图2 开环电机运行母线电流图1为电机其中一相电流，可见其驱动电流也为梯形分布，一个周期六步换相比较明显，但是在打开当前相的情况下，电流的上冲比较厉害，两相之间，前一相电流为7A，后一相电流为5A，两相之间相电流差值为2A。

12、在这种情况下，对于电机输出的瞬时力矩是比较大的。又由于在换相的时候，电流的建立时间比较慢，由图中可知，上升时间需要5ms，在这种情况下，电机输出的瞬时力矩是比较小的。由以上冲击，实际应用中发现电机的噪声很大，在不同的转速下噪声不同，最高可达到85分贝，难以达到工程的要求。图2的电机母线电流也足以说明，在这种情况下，电机、驱动器里的电流呈波动状态，且波动较大。由此可见，在电流开环控制的时候，即输出固定电压的情况下，电机在换相时以及相序中无法输出恒定的力矩。电机输出的力矩若不考虑由电机自身产生的力矩波动的情况下，存在刚切换相的时候输出力矩小、相序中力矩大情况。该情况不仅造成电机转速的波动，同时也造

13、成了电机噪声，对传动装置产生了较大的冲动。另一个最重要的是，低速的情况下，由于换相时间长，电机电流的上冲使电机输出的瞬时力矩上升，造成电机运行的不稳定，难以进行屏蔽门夹紧力的判断。2.2 电流采集图3 无刷直流电机的驱动桥路原理图无刷直流电机的驱动电流为三个MOS管半桥组成，分别驱动WUV三相，其中任何两相可以组成一个回路从而形成全桥，见图3。由于采用了有传感器无刷直流电机，电机的驱动为六步走，即在每一时刻，只有两个MOS打开，其中一个上管一个下管，电流经由上管至电机其中一相，再由另一相回到下管，以此形成回路。图3中，电流采样电阻在电流回路的负端，即不管电流流经电机哪一相，最后都经过该采样电阻

14、，由此，该方案中，电机电流的采集为母线电流，可近似理解为线电流。由于母线上电流方向固定都是从上至下，故无法检测出电机绕组中的电流方向，电流由原来的具有方便性的矢量简化为只有大小的标量。电机电压的输出为PWM斩波的形式，斩波高速地开关，造成了电流只在斩波打开的时候形成，斩波关闭的时候电流消失。电流环需要高频率的运算，由此需要更高的频率采集电流。采集电流有两种方式：采集特征电流、采集平均电流。固定的电流采集方式可以保证参与电流环运算的数据的一致性，保证电流控制的稳定性。在该方案中采用了平均电流的采集方式。2.3 电流闭环的实现电流闭环需要较高的运算频率。过高的运算频率使硬件负荷上升，影响其它任务的

15、执行。根据电机特性，其电气响应为12ms。斩波周期为40us. 两者权衡后，采用斩波周期的2倍进行电流环的运算，即80us进行一次电流环的运算。该周期符合了运算频率远高于电机响应频率的要求，硬件负荷也容易接受。电流闭环采用传统的位置式PI控制算法，对输入以及输出进行了安全限制。其具体算法为鉴于硬件电路以及电机可以承受的最大电流，将输出电流限制在合理的8A以内。图4 电流环控制下相电流图4为电流环参与下的其中一相相电流的波形，与图1的开环相电流比较，在相序中的相电流已经被控制，减少了相电流的冲击。由图可见，两相之前，前一相相电流最大值为7.2A，后一相相电流最大值为7.3A，已经接近相等。在这种

16、情况下，即使电机运行在低速，换相时间需要比较长时间的情况下，相电流也不会上冲过大，电机不会输出过大力矩，保证了设备运行的稳定。图5 电流环控制下母线电流由图5可知，在电流闭环参与下，每一相的最大电流都为设定的1.8A上下，只在换相瞬间电流跌为零或者产生上冲，相中电流上升并保持。电流的维持使电机冲击降低，噪声减少，不同转速下噪声不同，最高在70分贝。2.4 电流环结论由此可见，采用电机母线电流进行电流环控制，可以较好地控制电机相电流和母线电流，可以解决电机相中电流过冲问题，使电机和设备运行更加稳定。同时也降低了电机的噪声。3 电流环换相补偿取图4中的局部，见黑框。分析可知在黑框内，电机进行了一次

17、换相，该换相使相电流瞬间跌至近零。电流的重新建立需要耗时近3ms，占一相换相时间（8ms的）37%，在该时间内，电机输出的力矩减小，对设备造成了一定的冲击。由分析，该电流的跌落对电机运行的噪声有一定的影响。对该情况进行分析。将电机的三相称为WUV相，相应的驱动电路上的MOS管分为WH、WL、UH、UL、VH、VL，其中H为上管，L为下管。电机六相的换相对应至MOS管可以为这样六步周期进行。图4中黑框是处于上管开启再是下管换相的时候，由实验可知，该现象为电机特有特性，每一次上管的开启上升时间较长，每一次下管的换相必然会出现电流瞬间的下跌。由此，在该情况下，如何快速地使电流上升成为必须解决的问题。

18、电机的换相时机由霍尔信号产生的外部中断进行。在中断中，对电机进行换相时对换相情况进行记录，当产生了换相时，在电流环的运算中进行补偿。虽然母线电流已经有电流闭环的存在，但是适合于正常运行的PI参数并不适合换相时的参数。因此设置一个放大参数，在下管换相后的几个电流环周期内，对电流进行补偿。其算法如下：该算法并不影响积分的计算，不会使闭环算法的稳态误差产生影响，同时又能快速地将换相电流提升。根据电机特性的不同，在调试中寻找值，直到电机电流达到比较理想的情况。图6 增加换相补偿后的相电流图7 增加换相补偿后的母线电流由图6可见，在电流闭环补偿下，上管的开启可以使电流迅速地上升，上升时间小于1ms，换相

19、时产生的电流跌落的回升时间缩短为800us左右。同时观察母线电流（见图7），母线电流仅在换相时产生跌落以及回升后的上冲，整体电流较平稳，电机力矩在控制范围内。再对电机的噪声进行测试，噪声为在60分贝。4 总结无刷直流电机可以根据霍尔的信号进行六步换相以使电机连续运转。结定一定的电压情况下，在其中一相中，电流会根据时间的变化，相电流以及母线电流会造成上升产生过冲，无电流闭环的时候，在一相中电机的输出力矩会产生变化过冲，使电机的运行以及设备的运动造成不稳定。同时电机运行会产生较大的噪声。增加了电流闭环之后，在一相中电流可以控制在设定的范围，不会产生电流的过冲，使电机输出的力矩得到控制，电机以及设备

20、的运行变得稳定。但是电流的建立以及换相产生的电流跌落使电机输出力矩会产生影响较大的变化。电机运行噪声还是有一定的严重。针对换相对电流闭环进行补偿，在换相后采用补偿使电流迅速地建立，使上升时间减少了2ms多。使电流电机更加稳定，输出力矩更平稳，电机噪声减小，达到地铁屏蔽门运行静音的要求，使站台噪声量达到要求。参考文献：1刘承东. 屏蔽门系统在地铁中的应用J.城市交通研究,2000,(01):43-45. 2陈海辉. 地铁屏蔽门的机械设计及力学模型J.华南理工大学学报(自然科学版),2004,(04):74-77.3梁永波. 地铁屏蔽门控制系统介绍J.科技资讯,2009,(19):69-71.4王珩. 浅谈地铁屏蔽门电气控制系统J.地铁与轻轨,2003,(05):52-55.5李利平,益斌,徐卫忠. 无刷直流电机的控制研究J.H电气自动化,2012,(03):15-17.6张琛. 无刷直流电动机原理及应用M.北京:机械工业出版社,2004.作者简介：陈健，1979出生，男，北京人，工程师，主要从事控制系统、EPA总线技术设计研发等方面的工作。通讯地址：浙江杭州市滨江区六和路309号F座20楼邮政编码：310053联系电话：0571-88851888电子邮箱：chenj