最終稿地鐵屏蔽門(mén)BLDC母線(xiàn)電流閉環(huán)控制及其換相補(bǔ)償?shù)难芯颗c實(shí)現(xiàn)增加專(zhuān)項(xiàng)名稱(chēng)

1、地鐵屏蔽門(mén)BLDC母線(xiàn)電流閉環(huán)控制及其換相補(bǔ)償?shù)难芯颗c實(shí)現(xiàn)陳健 朱何 王文偉 曹焱浙江中控技術(shù)股份有限公司，浙江杭州，310053摘要：地鐵屏蔽門(mén)是安裝于城市軌道交通沿線(xiàn)車(chē)站站臺(tái)邊緣，將站臺(tái)候車(chē)區(qū)與軌行區(qū)隔離的一種機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)。無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）以其易于控制、維護(hù)成本低的特點(diǎn)應(yīng)用于該系統(tǒng)。分析了無(wú)刷直流電機(jī)電流開(kāi)環(huán)控制中電流的沖擊引起的力矩波動(dòng)、噪音等一系列問(wèn)題，提出了一種母線(xiàn)電流單電流采樣下的電流閉環(huán)控制方案，該方案控制了電流以及力矩的波動(dòng)，同時(shí)也以低成本高效率的方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。同時(shí)提出了母線(xiàn)電流閉環(huán)換相補(bǔ)償?shù)姆桨?，提高了電流的穩(wěn)定性，減小了對(duì)設(shè)備的力矩沖擊，降低了電機(jī)噪聲，提高了系

2、統(tǒng)穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：屏蔽門(mén)，無(wú)刷直流電機(jī)，電流閉環(huán)，換相補(bǔ)償，母線(xiàn)電流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, Zhejiang, 310053Abstract：Platform Screen Door of the underground is a System of

3、 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 and low maintain cost. The problems are analyzed that the torque fluctuation

4、 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 low cost and high efficiency. The compensation under phase shift of bus cu

5、rrent 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-loop control, compensation under phase shift, bus current1、緒論1.1 地鐵屏蔽門(mén)電機(jī)選型地

6、鐵屏蔽門(mén)是安裝于城市軌道交通沿線(xiàn)車(chē)站站臺(tái)邊緣，將站臺(tái)候車(chē)區(qū)與軌行區(qū)隔離，與列車(chē)門(mén)對(duì)應(yīng)，是一種機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)。屏蔽門(mén)的應(yīng)用將乘客與軌道和列車(chē)進(jìn)行了隔離，提高了運(yùn)營(yíng)安全系數(shù)，改善了乘客候車(chē)的站臺(tái)環(huán)境，也利于節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本和建設(shè)的成本。屏蔽門(mén)系統(tǒng)包含了滑動(dòng)門(mén)、應(yīng)急門(mén)、端門(mén)以及（或）司機(jī)門(mén)等組成。其中應(yīng)急門(mén)一般當(dāng)作固定門(mén)使用，僅在應(yīng)急狀態(tài)可由乘客在列車(chē)上打開(kāi)列車(chē)門(mén)后推動(dòng)應(yīng)急門(mén)的解鎖裝置，或由站臺(tái)上的工作人員人工打開(kāi)進(jìn)行疏散，固其不需要應(yīng)用電動(dòng)機(jī)。端門(mén)以及（或）司機(jī)門(mén)一般也由工作人員在需要時(shí)進(jìn)行人工開(kāi)啟關(guān)閉1-2?；瑒?dòng)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉一般是在列車(chē)到站時(shí)配合列車(chē)門(mén)動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)作，為乘客提供上下列車(chē)的通道3。所以對(duì)

7、滑動(dòng)門(mén)的數(shù)量以及開(kāi)關(guān)門(mén)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該由列車(chē)或者是站臺(tái)控制自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉。對(duì)運(yùn)行曲線(xiàn)以及動(dòng)作時(shí)間有著一定的嚴(yán)格要求4。由于需要控制門(mén)體的運(yùn)動(dòng)速度以及門(mén)體位置，采用直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案比較合適。直流電機(jī)里以永磁直流電機(jī)的特點(diǎn)最適合在屏蔽門(mén)系統(tǒng)。永磁直流電機(jī)包含了有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)。有刷直流電機(jī)：其優(yōu)點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)電路較簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)算法較容易，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩與輸出電流成線(xiàn)性關(guān)系，在負(fù)載一定的情況下轉(zhuǎn)速與輸入電壓成線(xiàn)性關(guān)系?？偠灾?，有刷電機(jī)對(duì)于驅(qū)動(dòng)的硬件以及控制算法，相對(duì)較簡(jiǎn)單。但是其缺點(diǎn)為電刷以及整流子壽命短，電刷也會(huì)產(chǎn)生一定的電弧以及噪聲。無(wú)刷直流電機(jī)：其優(yōu)點(diǎn)為無(wú)電刷無(wú)整流子，不會(huì)產(chǎn)生電弧以及電弧產(chǎn)生的

8、噪聲，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)為需要專(zhuān)門(mén)的整流電流以及控制算法，硬件成本高，同時(shí)需要比較復(fù)雜的控制算法5。由于屏蔽門(mén)安裝在站臺(tái)上，列車(chē)運(yùn)營(yíng)期間不允許停止工作，有刷直流電機(jī)壽命短，在到達(dá)壽命周期時(shí)需要停止屏蔽門(mén)的運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)，影響列車(chē)的運(yùn)行。故該方案選擇無(wú)刷直流電機(jī)。1.2 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理無(wú)刷直流電機(jī)的定子多類(lèi)似于三相異步交流電機(jī)，將三相繞組對(duì)稱(chēng)星形連接。轉(zhuǎn)子上粘有不同磁極的永磁體，可為單對(duì)極以及多對(duì)極，對(duì)極的多少影響到電機(jī)的位置精度。無(wú)刷直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形，即在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，三相電壓交替成梯形分布。由于是直流電機(jī)，給繞組通入的電流為直流，由繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)并不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，無(wú)法帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)

9、動(dòng)。故驅(qū)動(dòng)器需要在合適的時(shí)機(jī)，對(duì)繞組里的電流進(jìn)行換相，以外部控制的方式使繞組可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子可以連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)6。換相可以有兩種方式：1、由電機(jī)繞組產(chǎn)生的梯形感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可以知曉轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的相對(duì)位置，便可知定子在當(dāng)前情況應(yīng)該輸出的磁場(chǎng)位置；2、在轉(zhuǎn)子上粘貼的永磁體，可以由霍爾器件檢測(cè)，由此可知轉(zhuǎn)子的位置，輸出合適的相序。表1 無(wú)刷直流電機(jī)的換相相序表（六步換相表）霍爾信號(hào)513264WHONONOFFOFFOFFOFFWLOFFOFFOFFONONOFFUHOFFOFFONONOFFOFFULONOFFOFFOFFOFFONVHOFFOFFOFFOFFONONVLOFFONONOFF

10、OFFOFF1.3 電機(jī)的選型綜合以上特點(diǎn)，該方案選擇無(wú)刷直流電機(jī)，型號(hào)為BG65. 為三相無(wú)刷直流電機(jī)，有霍爾傳感器，磁極數(shù)為5對(duì)。其額定電流為3.9A，額定轉(zhuǎn)速為2800rpm，額定扭矩為250Nmm，相與相內(nèi)阻為0.3，電感為3.8mH. 2、無(wú)刷直流電機(jī)的電流閉環(huán)控制2.1 概要 電流環(huán)的引入，是通過(guò)對(duì)電機(jī)電流的控制，更好的控制電機(jī)力矩的輸出，減少電機(jī)力矩的跳動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)行更穩(wěn)定，減小電機(jī)噪聲，為速度控制提供更好的環(huán)境。同時(shí)電流環(huán)的引入可以控制住電機(jī)電流的上限，更好的對(duì)設(shè)備以及人身的安全進(jìn)行保護(hù)。2.2 無(wú)電流閉環(huán)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng) 由于有霍爾傳感器的存在，可以時(shí)刻知曉轉(zhuǎn)子的位置，該電機(jī)的霍爾為

11、120°，故一個(gè)周期有六步，可按表1進(jìn)行換相，電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。只要輸入一定的電壓，按六步相序的要求進(jìn)行換相，電機(jī)就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在該條件下，使用電流耦合夾對(duì)電機(jī)相電流以及母線(xiàn)電流進(jìn)行檢測(cè)，見(jiàn)圖1圖2.圖1 開(kāi)環(huán)電機(jī)運(yùn)行相電流圖2 開(kāi)環(huán)電機(jī)運(yùn)行母線(xiàn)電流圖1為電機(jī)其中一相電流，可見(jiàn)其驅(qū)動(dòng)電流也為梯形分布，一個(gè)周期六步換相比較明顯，但是在打開(kāi)當(dāng)前相的情況下，電流的上沖比較厲害，兩相之間，前一相電流為7A，后一相電流為5A，兩相之間相電流差值為2A。在這種情況下，對(duì)于電機(jī)輸出的瞬時(shí)力矩是比較大的。又由于在換相的時(shí)候，電流的建立時(shí)間比較慢，由圖中可知，上升時(shí)間需要5ms，在這種情況下，電

12、機(jī)輸出的瞬時(shí)力矩是比較小的。由以上沖擊，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)電機(jī)的噪聲很大，在不同的轉(zhuǎn)速下噪聲不同，最高可達(dá)到85分貝，難以達(dá)到工程的要求。圖2的電機(jī)母線(xiàn)電流也足以說(shuō)明，在這種情況下，電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器里的電流呈波動(dòng)狀態(tài)，且波動(dòng)較大。由此可見(jiàn)，在電流開(kāi)環(huán)控制的時(shí)候，即輸出固定電壓的情況下，電機(jī)在換相時(shí)以及相序中無(wú)法輸出恒定的力矩。電機(jī)輸出的力矩若不考慮由電機(jī)自身產(chǎn)生的力矩波動(dòng)的情況下，存在剛切換相的時(shí)候輸出力矩小、相序中力矩大情況。該情況不僅造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，同時(shí)也造成了電機(jī)噪聲，對(duì)傳動(dòng)裝置產(chǎn)生了較大的沖動(dòng)。另一個(gè)最重要的是，低速的情況下，由于換相時(shí)間長(zhǎng)，電機(jī)電流的上沖使電機(jī)輸出的瞬時(shí)力矩上升，造成電機(jī)

13、運(yùn)行的不穩(wěn)定，難以進(jìn)行屏蔽門(mén)夾緊力的判斷。2.2 電流采集圖3 無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋路原理圖無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流為三個(gè)MOS管半橋組成，分別驅(qū)動(dòng)WUV三相，其中任何兩相可以組成一個(gè)回路從而形成全橋，見(jiàn)圖3。由于采用了有傳感器無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)為六步走，即在每一時(shí)刻，只有兩個(gè)MOS打開(kāi)，其中一個(gè)上管一個(gè)下管，電流經(jīng)由上管至電機(jī)其中一相，再由另一相回到下管，以此形成回路。圖3中，電流采樣電阻在電流回路的負(fù)端，即不管電流流經(jīng)電機(jī)哪一相，最后都經(jīng)過(guò)該采樣電阻，由此，該方案中，電機(jī)電流的采集為母線(xiàn)電流，可近似理解為線(xiàn)電流。由于母線(xiàn)上電流方向固定都是從上至下，故無(wú)法檢測(cè)出電機(jī)繞組中的電流方向，電流

14、由原來(lái)的具有方便性的矢量簡(jiǎn)化為只有大小的標(biāo)量。電機(jī)電壓的輸出為PWM斬波的形式，斬波高速地開(kāi)關(guān)，造成了電流只在斬波打開(kāi)的時(shí)候形成，斬波關(guān)閉的時(shí)候電流消失。電流環(huán)需要高頻率的運(yùn)算，由此需要更高的頻率采集電流。采集電流有兩種方式：采集特征電流、采集平均電流。固定的電流采集方式可以保證參與電流環(huán)運(yùn)算的數(shù)據(jù)的一致性，保證電流控制的穩(wěn)定性。在該方案中采用了平均電流的采集方式。2.3 電流閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)需要較高的運(yùn)算頻率。過(guò)高的運(yùn)算頻率使硬件負(fù)荷上升，影響其它任務(wù)的執(zhí)行。根據(jù)電機(jī)特性，其電氣響應(yīng)為12ms。斬波周期為40us. 兩者權(quán)衡后，采用斬波周期的2倍進(jìn)行電流環(huán)的運(yùn)算，即80us進(jìn)行一次電流環(huán)的

15、運(yùn)算。該周期符合了運(yùn)算頻率遠(yuǎn)高于電機(jī)響應(yīng)頻率的要求，硬件負(fù)荷也容易接受。電流閉環(huán)采用傳統(tǒng)的位置式PI控制算法，對(duì)輸入以及輸出進(jìn)行了安全限制。其具體算法為鑒于硬件電路以及電機(jī)可以承受的最大電流，將輸出電流限制在合理的8A以?xún)?nèi)。圖4 電流環(huán)控制下相電流圖4為電流環(huán)參與下的其中一相相電流的波形，與圖1的開(kāi)環(huán)相電流比較，在相序中的相電流已經(jīng)被控制，減少了相電流的沖擊。由圖可見(jiàn)，兩相之前，前一相相電流最大值為7.2A，后一相相電流最大值為7.3A，已經(jīng)接近相等。在這種情況下，即使電機(jī)運(yùn)行在低速，換相時(shí)間需要比較長(zhǎng)時(shí)間的情況下，相電流也不會(huì)上沖過(guò)大，電機(jī)不會(huì)輸出過(guò)大力矩，保證了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定。圖5 電流環(huán)

16、控制下母線(xiàn)電流由圖5可知，在電流閉環(huán)參與下，每一相的最大電流都為設(shè)定的1.8A上下，只在換相瞬間電流跌為零或者產(chǎn)生上沖，相中電流上升并保持。電流的維持使電機(jī)沖擊降低，噪聲減少，不同轉(zhuǎn)速下噪聲不同，最高在70分貝。2.4 電流環(huán)結(jié)論由此可見(jiàn)，采用電機(jī)母線(xiàn)電流進(jìn)行電流環(huán)控制，可以較好地控制電機(jī)相電流和母線(xiàn)電流，可以解決電機(jī)相中電流過(guò)沖問(wèn)題，使電機(jī)和設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定。同時(shí)也降低了電機(jī)的噪聲。3 電流環(huán)換相補(bǔ)償取圖4中的局部，見(jiàn)黑框。分析可知在黑框內(nèi)，電機(jī)進(jìn)行了一次換相，該換相使相電流瞬間跌至近零。電流的重新建立需要耗時(shí)近3ms，占一相換相時(shí)間（8ms的）37%，在該時(shí)間內(nèi)，電機(jī)輸出的力矩減小，對(duì)設(shè)備

17、造成了一定的沖擊。由分析，該電流的跌落對(duì)電機(jī)運(yùn)行的噪聲有一定的影響。對(duì)該情況進(jìn)行分析。將電機(jī)的三相稱(chēng)為WUV相，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路上的MOS管分為WH、WL、UH、UL、VH、VL，其中H為上管，L為下管。電機(jī)六相的換相對(duì)應(yīng)至MOS管可以為這樣六步周期進(jìn)行。圖4中黑框是處于上管開(kāi)啟再是下管換相的時(shí)候，由實(shí)驗(yàn)可知，該現(xiàn)象為電機(jī)特有特性，每一次上管的開(kāi)啟上升時(shí)間較長(zhǎng)，每一次下管的換相必然會(huì)出現(xiàn)電流瞬間的下跌。由此，在該情況下，如何快速地使電流上升成為必須解決的問(wèn)題。電機(jī)的換相時(shí)機(jī)由霍爾信號(hào)產(chǎn)生的外部中斷進(jìn)行。在中斷中，對(duì)電機(jī)進(jìn)行換相時(shí)對(duì)換相情況進(jìn)行記錄，當(dāng)產(chǎn)生了換相時(shí)，在電流環(huán)的運(yùn)算中進(jìn)行補(bǔ)償。雖然母

18、線(xiàn)電流已經(jīng)有電流閉環(huán)的存在，但是適合于正常運(yùn)行的PI參數(shù)并不適合換相時(shí)的參數(shù)。因此設(shè)置一個(gè)放大參數(shù)，在下管換相后的幾個(gè)電流環(huán)周期內(nèi)，對(duì)電流進(jìn)行補(bǔ)償。其算法如下：該算法并不影響積分的計(jì)算，不會(huì)使閉環(huán)算法的穩(wěn)態(tài)誤差產(chǎn)生影響，同時(shí)又能快速地將換相電流提升。根據(jù)電機(jī)特性的不同，在調(diào)試中尋找值，直到電機(jī)電流達(dá)到比較理想的情況。圖6 增加換相補(bǔ)償后的相電流圖7 增加換相補(bǔ)償后的母線(xiàn)電流由圖6可見(jiàn)，在電流閉環(huán)補(bǔ)償下，上管的開(kāi)啟可以使電流迅速地上升，上升時(shí)間小于1ms，換相時(shí)產(chǎn)生的電流跌落的回升時(shí)間縮短為800us左右。同時(shí)觀察母線(xiàn)電流（見(jiàn)圖7），母線(xiàn)電流僅在換相時(shí)產(chǎn)生跌落以及回升后的上沖，整體電流較平穩(wěn)，電機(jī)力矩在控制范圍內(nèi)。再對(duì)電機(jī)的噪聲進(jìn)行測(cè)試，噪聲為在60分貝。4 總結(jié)無(wú)刷直流電機(jī)可以根據(jù)霍爾的信號(hào)進(jìn)行六步換相以使電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)定一定的電壓情況下，在其中一相中，電流會(huì)根據(jù)時(shí)間的變化，相電流以及母線(xiàn)電流會(huì)造成上升產(chǎn)生過(guò)沖，無(wú)電流閉環(huán)的時(shí)候，在一相中電機(jī)的輸出力矩會(huì)產(chǎn)生變化過(guò)沖，使電機(jī)的運(yùn)行以及設(shè)備的運(yùn)動(dòng)