城市軌道車輛智能門控器關鍵技術研究

蔣玉虎王思明石彩霞

（1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，730070，蘭州；2.中國中車南京浦鎮車輛有限公司動車設計部，210031，南京∥第一作者，碩士研究生）

城市軌道車輛智能門控器關鍵技術研究

蔣玉虎1王思明1石彩霞2

（1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，730070，蘭州；2.中國中車南京浦鎮車輛有限公司動車設計部，210031，南京∥第一作者，碩士研究生）

對城市軌道車輛門控器的關鍵技術問題提出了解決方案。針對門控直流無刷電機固有的低速換向轉矩脈動問題，采用單斬p WM_ON的調節方式保證換向期間非換向相電流不變來抑制低速換向轉矩脈動；結合DSp的直流無刷電機技術和自適應模糊pID控制算法，實現對門控直流無刷電機的雙閉環控制，以此來提高門控系統的魯棒性，并為防擠壓功能的準確激活提供先決條件，針對防擠壓功能激活的時機判斷不精準問題，采用分段激活法和全程電流保護法提高自動門防擠壓功能的精確性和安全性。試驗結果表明，所采取的的方法合理、正確且是可行的。

城市軌道車輛；智能門控器；關鍵技術

First-author＇s address School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，730070，Lanzhou，China

自動門是城市軌道車輛經常使用的設備之一，是關系乘客人生安全的重要一環。由自動門故障引起的列車延誤事件及傷亡事故屢見不鮮。自動門按驅動方式的不同可分為電控氣動門和電控電動門。電控電動門作為一種新型自動門系統，其形式種類雖各不相同，但其實現的功能卻大同小異，性能參數也差不多［1］。目前，廣泛應用的門控電機以直流電機為主。直流無刷電機作為一種新型電機，既繼承了傳統直流有刷電機優點，又結合了交流電機的各種優點，得到了廣泛的應用。用直流無刷電機作為門控電機不僅能增加門控系統的可靠性，而且能延長門控系統的使用壽命。門控系統的魯棒性和防擠壓功能的激活是門控系統的兩大關鍵技術性能。這兩項技術性能直接影響著自動門系統的穩定性和安全性。因此，本文從這兩點出發，在門控直流無刷電機換向轉矩脈動、調速性能、防擠壓功能激活三方面提出了三種切合實際的解決方案，并通過試驗驗證該解決方案的正確性和可行性。

1　門控系統的構成

城市軌道車輛自動門系統硬件結構（如圖1所示）主要有主控制器、功率驅動部分、隔離電路及驅動電機4部分。主控制器選用TMS320F2812芯片作為控制芯片；功率驅動部分選擇三相全橋驅動電路，采用專用驅動芯片+MOSFET管驅動形式；隔離電路可避免主回路的強電信號干擾控制回路的弱電信號，并提高系統的安全性；驅動電機選用星型連接的直流無刷電機（BLDCM）。

門控系統的工作原理為：自動門在開關門過程中通過信號處理器（DSp）對速度、位置和電流等信息進行檢測和處理，將經過處理的速度信號和電流信號作為閉環控制的反饋輸入，通過適當的控制算法產生合適的pWM（脈沖寬度調制）波形實現門控直流無刷電機的精確調速，并抑制換向轉矩脈動，同時，根據檢測的信號顯示自動門狀態并判斷是否啟動防擠壓功能。此外，通過CAN（控制器局域網絡）通信接口實現與門控網絡的通信，實現自動門的遠程控制和在線監測，通過串行通信接口實現門控器的調試。

圖1　城市軌道車輛自動門硬件結構框圖

2　門控系統控制策略的設計

門控系統采用全數字閉環控制，如圖2所示。外環速度環采用自適應模糊p ID（比例-積分-微分）控制器，內環電流環采用普通pID控制器。通過外環控制器和內環控制器，產生合適的脈寬調制波形實現對門控直流無刷電機的精確控制。

圖2　雙閉環控制系統模型

2.1標準PID控制器

標準離散p ID控制器數學模型為：

式中：

Kp——比例系數；

Ki——積分系數；

Kd——微分系數；

e（k）——系統誤差；

k——采樣次數。

由于標準p ID控制器不具有在線整定參數的功能，故當系統參數變化時，很難滿足高精度控制要求。

2.2自適應模糊PID控制器

自適應模糊pID控制器不斷地檢測誤差e和誤差變化率Ce，根據模糊控制原理對pID 3個參數進行在線調整和修改如下：

kp=kp0+Δkp（2）

ki=ki0+Δki（3）

kd=kd0+Δkd（4）

其中kp0、ki0、kd0是pID控制器3個參數的初始值，Δkp、Δki、Δkd是解模糊后的模糊控制器的3個輸出值。

自適應模糊p ID參數自整定原則如下：

（1）當e值較大時，無論e的變化趨勢如何，都應取較大的Δkp以提高系統的響應速度，使系統有較好的跟蹤性。為了防止Ce瞬時過大，取較小的Δkd。為了防止積分飽和，避免出現較大的超調，應限制積分作用，取Δki值為0。

（2）當e在中等大小時，為了減小控制系統的超調，應取適中的Δki和Δkd及較小的Δkp，以保證控制系統的響應速度。

（3）當e值較小時，應取較大的Δkp和Δki，以保證系統有較好的穩態特性。另外，考慮到控制系統的抗干擾性以及為避免產生較大的振蕩，應取較大的Δkd。當Ce值較大時，應取較小的Δkd。

設置e和Ce的論域取值為負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、零（ZO）、正?。╬S）正中（p M）、正大（pB）7種。輸出語言變量kp、ki、kd的論域取值也為負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、零（ZO）、正?。╬S）正中（p M）、正大（p B）7種。隸屬函數全都選擇三角形隸屬度函數。模糊控制器采用Mamdani推理算法，解模糊化過程采用重心法。Δ kp、Δki、Δkd的模糊規則如表1，總共可以得到49條控制規則的模糊條件語句。

表1　Δkp、Δki、Δkd模糊規則表

2.3PWM_ON調節方式

由于直流無刷電機繞組呈感性，直流電壓為有限容量電壓源，因此換相期間換相繞組上電流變化不可能瞬時完成，換相電流的變化速率不一定相等，從而產生電機換相轉矩脈動［3］。門控直流無刷電機固有的低速換向轉矩脈動不僅影響門體運動的穩定性，而且影響防擠壓功能的控制精度。

門控直流無刷電機的換向轉矩脈動值為［3］

式中：

SB——功率管T3的p WM調制函數；

SC——功率管T 2的p WM調制函數；

ΔTe——換向轉矩脈動值；

E——最大反電動勢值；

Ud——直流側電壓；

ω——電機轉速；

Ls——等效電感。

由式（5）可得p WM不同調節方式會影響直流無刷電機的轉矩脈動值的大小。根據關斷相電流的下降斜率和開通相電流的上升斜率之間的關系，門控直流無刷電機在換相期間電流變化可分為三種情況（如圖3所示）?？梢钥闯?，抑制換相轉矩脈動的關鍵是要保持非換相電流的恒定。

圖3　換相期間三種電流變化曲線

針對門控直流無刷電機的低速（Ud＞4E）時換向轉矩脈動，采用p WM_ON調節方式保證換向期間非換相相電流不變，即保證關斷相電流下降斜率和開通相電流上升斜率相等來抑制換相轉矩脈動。根據門控直流無刷電機霍爾信號來判斷三相相電流哪一相為非換相，并以該相電流的絕對值作為電流環的被控對象，以實現對其保持恒定的控制。p WM_ON調節方式如圖4所示。

圖4　p WM_ON調制方式

3　防擠壓功能的優化

由于城市軌道車輛自動門的特殊結構和對密封性的要求，很難采用傳感器實現自動門的防擠壓功能。目前，廣泛采用電流變化方式實現防擠壓功能，其具體方法是利用電流傳感器測定門控電機的電樞電流值，當自動門擠壓到障礙物時，門控電機的電樞電流突然增大，門控系統便自動啟動防擠壓功能。這種控制方法思路簡單，其缺點在于很難控制擠壓力的大小，而且門控電機的電樞電流容易受到列車供電電壓的影響，因此精度較低。

文獻［5］認為阻力與門控直流無刷電機的速度乙是線性的關系，故采用速度比較法來實現防擠壓功能。該方法的缺點主要為對系統的調速性能要求較高。而且，如圖5所示，在T點（門控直流無刷電機的實際速度與給定速度的第一個交點）之前，實際速度與給定速度偏差值變化較大，故防擠壓功能控制精度較。文獻［6］通過計算參考點停留在固定的位置是否超時來判斷是否啟動防擠壓功能。缺點在于難于控制擠壓力的大小。

本文采用方法是；在T點以前，通過計算參考點停留在固定位置是否超時來判斷是否啟動防擠壓功能；在T點以后采用速度比較法來實現防擠壓功能；在全程設定電機電樞電流的最大門限值，以保障其他方法失效時的人員安全，防止系統損壞。

圖5　門控直流無刷電機給定速度與實際速度曲線

4　仿真及試驗結論

在matlab/Simulink軟件中建立了門控直流無刷電機控制系統的仿真模型，并對該模型雙閉環控制系統進行了仿真；直流無刷電機參數設置為定子相繞組電阻R=0.5Ω，定子相繞組自感L=0.022 H，互感M=1.72 mH，轉動慣量J=0.003 kg· m2，給定轉速n=800 r/min，給定轉矩為5 N·m，極對數為2，采用24 V直流電源供電，直流無刷電機的反電動勢系數為0.002。

圖6為不同控制方式下關門速度曲線，圖7、圖8分別為p WM_ON調節方式下的相電流波形和直流母線電壓波形。

圖6　不同控制方式下正常關門曲線

圖7　p WM_ON方式下的相電流波形

圖8　p WM_ON方式下的直流母線波形

以額定電壓為24 V、額定功率為120 W，額定轉速為1 500 r/min的直流無刷電機作為門控驅動樣機進行試驗分析。圖9 a）為在p WM_ON調制方式下的相電流波形圖，可見該方式能很好地抑制換向轉矩脈動，能提高自動門在起速階段的調速性能；圖9 b）為U、V兩相之間的電壓波形圖。

結果表明：①自適應模糊p ID控制器與普通p ID控制器比較，其響應速度快、超調小、魯棒性較好，能很好地跟蹤系統設定曲線，具有良好的動態特性，能夠提高門控系統的魯棒性。②自適應模糊p ID控制到達T點時間早于普通p ID控制，到達固定點的容差時間較小，啟動防擠壓功能更為精確；在T點以后，自適應模糊p ID能更好地跟隨給定速度，故采用速度比較法能較好地提高防擠壓的控制精度。③p WM_ON調節方式能夠很好地抑制門控直流無刷電機低速時換向轉矩脈動，對母線電壓影響較小，可提高自動門在起速階段的動態響應能力，改善自動門由于轉矩脈動引起的抖動問題，減小到達T點所用的時間，提高了在T點以前啟動防擠壓功能的控制精度。④分段激活法和全程電流保護法不僅能提高激活防擠壓功能的控制精度，而且簡單實用、安全可靠，節省了硬件成本。

圖9　試驗波形實景圖

［1］ 黃頌紅，劉菊香.城市軌道車輛自動門系統［J］.電力機車技術，2001，24（4）：27.

［2］ 侯春杰.基于遺傳算法的無刷直流電機自適應模糊控制［D］.洛陽：河南科技大學，2013.

［3］ 王哲.永磁無刷直流電機轉矩脈動抑制方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［4］ 周美蘭，高肇明，吳曉剛.五種p WM方式對直流無刷電機系統換相轉矩脈動的影響［J］.電機與控制學報，2013，7（17）：15.

［5］ 忻煜，付莊，趙言正.軌道交通屏蔽門遇障礙物算法研究［J］.機電一體化，2006，12（4）：42.

［6］ 張欣，王云寬，范國梁，等.軌道交通門機系統驅動控制器關鍵問題的研究［J］.鐵道學報，2008，30（5）：57.

［7］ 石堅，李鐵才.一種消除無刷直流電動機換相轉矩脈動的p WM調制策略［J］.中國電機工程學報，2012，32（24）：110.

［8］ 夏長亮.無刷直流電機控制系統［M］.北京：科學出版社，2009.

［9］ 吳紅星.基于DSp的電動機控制技術［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［10］ 王廷奇.基于DSp技術的直流無刷電機控制系統的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

［11］ 包向華，章躍進.基于Simulink的永磁無刷直流電機及控制系統的建模仿真［J］.電氣傳動自動化，2005，27（4）：30.

［12］ FU Guangjie，ZHAO Ziming.Improved Speed predictive Control for the Brushless DC Motor Adjusting Speed Study［J］.Information Technology Journal，2014，13（14）：2298.

［13］ SONG Joongho，ICK Choy.Commutation torque ripple reduction in brushless DC motor drives using a single DC current sensor［J］.IEEE Trans power Electric，2004，19（2）：312.

［14］ 張健，陳端，王少東.軌道交通車輛車門遠程監控系統的設計與實現［J］.城市軌道交通研究，2014（8）：32.

Key Technologies in the Design of Intelligent Door Control U-nit for Urban Rail Vehicles

Jiang Yuhu，Wang Siming，Shi Caixia

Several new methods are proposed to deal with the key issues of urban rail vehicle door control unit.Aiming at high torque ripples and bad performance due to phase commutation at low speed，p WM_ON modulation is used to guarantee the constant commutating current which can restrains the torque ripples；through combing DSp control technology of brushless DC motor with fuzzy p ID control algorithm，double closed loop control of motor is realized，which can improve the speed of response and provide a prerequisite for accurate activation of anti-extrusion；for the inaccurate timing of activating anti-extrusion，block activation method and full current protection method are used to improve the accuracy and security of anti-extrusion for automatic door.Testing result shows that these methods are correct and feasible.

urban rail vehicle；intelligent door control unit；key technology

U270.38+6

10.16037/j.1007-869x.2016.03.028

（2015-03-31）