最終稿地鐵屏蔽門BLDC母線電流閉環(huán)控制及其換相補償?shù)难芯颗c實現(xiàn)增加專項名稱

1、地鐵屏蔽門BLDC母線電流閉環(huán)控制及其換相補償?shù)难芯颗c實現(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：地鐵屏蔽門是安裝于城市軌道交通沿線車站站臺邊緣，將站臺候車區(qū)與軌行區(qū)隔離的一種機電設(shè)備系統(tǒng)。無刷直流電機（BLDC）以其易于控制、維護成本低的特點應(yīng)用于該系統(tǒng)。分析了無刷直流電機電流開環(huán)控制中電流的沖擊引起的力矩波動、噪音等一系列問題，提出了一種母線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，同時也以低成本高效率的方式實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時提出了母線電流閉環(huán)換相補償?shù)姆桨?，提高了電流的穩(wěn)定性，減小了對設(shè)備的力矩沖擊，降低了電機噪聲，提高了系

2、統(tǒng)穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：屏蔽門，無刷直流電機，電流閉環(huán)，換相補償，母線電流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 地鐵屏蔽門電機選型地

6、鐵屏蔽門是安裝于城市軌道交通沿線車站站臺邊緣，將站臺候車區(qū)與軌行區(qū)隔離，與列車門對應(yīng)，是一種機電設(shè)備系統(tǒng)。屏蔽門的應(yīng)用將乘客與軌道和列車進行了隔離，提高了運營安全系數(shù)，改善了乘客候車的站臺環(huán)境，也利于節(jié)約運營成本和建設(shè)的成本。屏蔽門系統(tǒng)包含了滑動門、應(yīng)急門、端門以及（或）司機門等組成。其中應(yīng)急門一般當(dāng)作固定門使用，僅在應(yīng)急狀態(tài)可由乘客在列車上打開列車門后推動應(yīng)急門的解鎖裝置，或由站臺上的工作人員人工打開進行疏散，固其不需要應(yīng)用電動機。端門以及（或）司機門一般也由工作人員在需要時進行人工開啟關(guān)閉1-2?；瑒娱T的開啟和關(guān)閉一般是在列車到站時配合列車門動作進行動作，為乘客提供上下列車的通道3。所以對

7、滑動門的數(shù)量以及開關(guān)門的運動應(yīng)該由列車或者是站臺控制自動開啟和關(guān)閉。對運行曲線以及動作時間有著一定的嚴格要求4。由于需要控制門體的運動速度以及門體位置，采用直流電機的驅(qū)動方案比較合適。直流電機里以永磁直流電機的特點最適合在屏蔽門系統(tǒng)。永磁直流電機包含了有刷直流電機、無刷直流電機。有刷直流電機：其優(yōu)點為驅(qū)動電路較簡單，驅(qū)動算法較容易，電機驅(qū)動力矩與輸出電流成線性關(guān)系，在負載一定的情況下轉(zhuǎn)速與輸入電壓成線性關(guān)系?？偠灾?，有刷電機對于驅(qū)動的硬件以及控制算法，相對較簡單。但是其缺點為電刷以及整流子壽命短，電刷也會產(chǎn)生一定的電弧以及噪聲。無刷直流電機：其優(yōu)點為無電刷無整流子，不會產(chǎn)生電弧以及電弧產(chǎn)生的

8、噪聲，壽命長。缺點為需要專門的整流電流以及控制算法，硬件成本高，同時需要比較復(fù)雜的控制算法5。由于屏蔽門安裝在站臺上，列車運營期間不允許停止工作，有刷直流電機壽命短，在到達壽命周期時需要停止屏蔽門的運行進行維護，影響列車的運行。故該方案選擇無刷直流電機。1.2 無刷直流電機工作原理無刷直流電機的定子多類似于三相異步交流電機，將三相繞組對稱星形連接。轉(zhuǎn)子上粘有不同磁極的永磁體，可為單對極以及多對極，對極的多少影響到電機的位置精度。無刷直流電機的感應(yīng)電動勢為梯形，即在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的過程中，三相電壓交替成梯形分布。由于是直流電機，給繞組通入的電流為直流，由繞組產(chǎn)生的磁場并不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，無法帶動轉(zhuǎn)子進行轉(zhuǎn)

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

10、OFFOFF1.3 電機的選型綜合以上特點，該方案選擇無刷直流電機，型號為BG65. 為三相無刷直流電機，有霍爾傳感器，磁極數(shù)為5對。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、無刷直流電機的電流閉環(huán)控制2.1 概要 電流環(huán)的引入，是通過對電機電流的控制，更好的控制電機力矩的輸出，減少電機力矩的跳動，使電機運行更穩(wěn)定，減小電機噪聲，為速度控制提供更好的環(huán)境。同時電流環(huán)的引入可以控制住電機電流的上限，更好的對設(shè)備以及人身的安全進行保護。2.2 無電流閉環(huán)開環(huán)驅(qū)動 由于有霍爾傳感器的存在，可以時刻知曉轉(zhuǎn)子的位置，該電機的霍爾為

11、120°，故一個周期有六步，可按表1進行換相，電機即可實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。只要輸入一定的電壓，按六步相序的要求進行換相，電機就可以進行運動。在該條件下，使用電流耦合夾對電機相電流以及母線電流進行檢測，見圖1圖2.圖1 開環(huán)電機運行相電流圖2 開環(huán)電機運行母線電流圖1為電機其中一相電流，可見其驅(qū)動電流也為梯形分布，一個周期六步換相比較明顯，但是在打開當(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，對于電機輸出的瞬時力矩是比較大的。又由于在換相的時候，電流的建立時間比較慢，由圖中可知，上升時間需要5ms，在這種情況下，電

12、機輸出的瞬時力矩是比較小的。由以上沖擊，實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)電機的噪聲很大，在不同的轉(zhuǎn)速下噪聲不同，最高可達到85分貝，難以達到工程的要求。圖2的電機母線電流也足以說明，在這種情況下，電機、驅(qū)動器里的電流呈波動狀態(tài)，且波動較大。由此可見，在電流開環(huán)控制的時候，即輸出固定電壓的情況下，電機在換相時以及相序中無法輸出恒定的力矩。電機輸出的力矩若不考慮由電機自身產(chǎn)生的力矩波動的情況下，存在剛切換相的時候輸出力矩小、相序中力矩大情況。該情況不僅造成電機轉(zhuǎn)速的波動，同時也造成了電機噪聲，對傳動裝置產(chǎn)生了較大的沖動。另一個最重要的是，低速的情況下，由于換相時間長，電機電流的上沖使電機輸出的瞬時力矩上升，造成電機

13、運行的不穩(wěn)定，難以進行屏蔽門夾緊力的判斷。2.2 電流采集圖3 無刷直流電機的驅(qū)動橋路原理圖無刷直流電機的驅(qū)動電流為三個MOS管半橋組成，分別驅(qū)動WUV三相，其中任何兩相可以組成一個回路從而形成全橋，見圖3。由于采用了有傳感器無刷直流電機，電機的驅(qū)動為六步走，即在每一時刻，只有兩個MOS打開，其中一個上管一個下管，電流經(jīng)由上管至電機其中一相，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端，即不管電流流經(jīng)電機哪一相，最后都經(jīng)過該采樣電阻，由此，該方案中，電機電流的采集為母線電流，可近似理解為線電流。由于母線上電流方向固定都是從上至下，故無法檢測出電機繞組中的電流方向，電流

14、由原來的具有方便性的矢量簡化為只有大小的標量。電機電壓的輸出為PWM斬波的形式，斬波高速地開關(guān)，造成了電流只在斬波打開的時候形成，斬波關(guān)閉的時候電流消失。電流環(huán)需要高頻率的運算，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)的實現(xiàn)電流閉環(huán)需要較高的運算頻率。過高的運算頻率使硬件負荷上升，影響其它任務(wù)的執(zhí)行。根據(jù)電機特性，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倍進行電流環(huán)的運算，即80us進行一次電流環(huán)的

15、運算。該周期符合了運算頻率遠高于電機響應(yīng)頻率的要求，硬件負荷也容易接受。電流閉環(huán)采用傳統(tǒng)的位置式PI控制算法，對輸入以及輸出進行了安全限制。其具體算法為鑒于硬件電路以及電機可以承受的最大電流，將輸出電流限制在合理的8A以內(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，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，即使電機運行在低速，換相時間需要比較長時間的情況下，相電流也不會上沖過大，電機不會輸出過大力矩，保證了設(shè)備運行的穩(wěn)定。圖5 電流環(huán)

16、控制下母線電流由圖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，采用電機母線電流進行電流環(huán)控制，可以較好地控制電機相電流和母線電流，可以解決電機相中電流過沖問題，使電機和設(shè)備運行更加穩(wěn)定。同時也降低了電機的噪聲。3 電流環(huán)換相補償取圖4中的局部，見黑框。分析可知在黑框內(nèi)，電機進行了一次換相，該換相使相電流瞬間跌至近零。電流的重新建立需要耗時近3ms，占一相換相時間（8ms的）37%，在該時間內(nèi)，電機輸出的力矩減小，對設(shè)備

17、造成了一定的沖擊。由分析，該電流的跌落對電機運行的噪聲有一定的影響。對該情況進行分析。將電機的三相稱為WUV相，相應(yīng)的驅(qū)動電路上的MOS管分為WH、WL、UH、UL、VH、VL，其中H為上管，L為下管。電機六相的換相對應(yīng)至MOS管可以為這樣六步周期進行。圖4中黑框是處于上管開啟再是下管換相的時候，由實驗可知，該現(xiàn)象為電機特有特性，每一次上管的開啟上升時間較長，每一次下管的換相必然會出現(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題。電機的換相時機由霍爾信號產(chǎn)生的外部中斷進行。在中斷中，對電機進行換相時對換相情況進行記錄，當(dāng)產(chǎn)生了換相時，在電流環(huán)的運算中進行補償。雖然母

18、線電流已經(jīng)有電流閉環(huán)的存在，但是適合于正常運行的PI參數(shù)并不適合換相時的參數(shù)。因此設(shè)置一個放大參數(shù)，在下管換相后的幾個電流環(huán)周期內(nèi)，對電流進行補償。其算法如下：該算法并不影響積分的計算，不會使閉環(huán)算法的穩(wěn)態(tài)誤差產(chǎn)生影響，同時又能快速地將換相電流提升。根據(jù)電機特性的不同，在調(diào)試中尋找值，直到電機電流達到比較理想的情況。圖6 增加換相補償后的相電流圖7 增加換相補償后的母線電流由圖6可見，在電流閉環(huán)補償下，上管的開啟可以使電流迅速地上升，上升時間小于1ms，換相時產(chǎn)生的電流跌落的回升時間縮短為800us左右。同時觀察母線電流（見圖7），母線電流僅在換相時產(chǎn)生跌落以及回升后的上沖，整體電流較平穩(wěn)，電機力矩在控制范圍內(nèi)。再對電機的噪聲進行測試，噪聲為在60分貝。4 總結(jié)無刷直流電機可以根據(jù)霍爾的信號進行六步換相以使電機連續(xù)運轉(zhuǎn)。結(jié)定一定的電壓情況下，在其中一相中，電流會根據(jù)時間的變化，相電流以及母線電流會造成上升產(chǎn)生過沖，無電流閉環(huán)的時候，在一相中電機的輸出力矩會產(chǎn)生變化過沖，使電機的運行以及設(shè)備的運動