城市軌道車輛智能門控器關(guān)鍵技術(shù)研究

蔣玉虎王思明石彩霞

（1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，730070，蘭州；2.中國中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動(dòng)車設(shè)計(jì)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(guān)鍵技術(shù)研究

蔣玉虎1王思明1石彩霞2

（1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，730070，蘭州；2.中國中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動(dòng)車設(shè)計(jì)部，210031，南京∥第一作者，碩士研究生）

對(duì)城市軌道車輛門控器的關(guān)鍵技術(shù)問題提出了解決方案。針對(duì)門控直流無刷電機(jī)固有的低速換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，采用單斬p WM_ON的調(diào)節(jié)方式保證換向期間非換向相電流不變來抑制低速換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；結(jié)合DSp的直流無刷電機(jī)技術(shù)和自適應(yīng)模糊pID控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)門控直流無刷電機(jī)的雙閉環(huán)控制，以此來提高門控系統(tǒng)的魯棒性，并為防擠壓功能的準(zhǔn)確激活提供先決條件，針對(duì)防擠壓功能激活的時(shí)機(jī)判斷不精準(zhǔn)問題，采用分段激活法和全程電流保護(hù)法提高自動(dòng)門防擠壓功能的精確性和安全性。試驗(yàn)結(jié)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(guān)鍵技術(shù)

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

自動(dòng)門是城市軌道車輛經(jīng)常使用的設(shè)備之一，是關(guān)系乘客人生安全的重要一環(huán)。由自動(dòng)門故障引起的列車延誤事件及傷亡事故屢見不鮮。自動(dòng)門按驅(qū)動(dòng)方式的不同可分為電控氣動(dòng)門和電控電動(dòng)門。電控電動(dòng)門作為一種新型自動(dòng)門系統(tǒng)，其形式種類雖各不相同，但其實(shí)現(xiàn)的功能卻大同小異，性能參數(shù)也差不多［1］。目前，廣泛應(yīng)用的門控電機(jī)以直流電機(jī)為主。直流無刷電機(jī)作為一種新型電機(jī)，既繼承了傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了交流電機(jī)的各種優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。用直流無刷電機(jī)作為門控電機(jī)不僅能增加門控系統(tǒng)的可靠性，而且能延長(zhǎng)門控系統(tǒng)的使用壽命。門控系統(tǒng)的魯棒性和防擠壓功能的激活是門控系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)性能。這兩項(xiàng)技術(shù)性能直接影響著自動(dòng)門系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。因此，本文從這兩點(diǎn)出發(fā)，在門控直流無刷電機(jī)換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、調(diào)速性能、防擠壓功能激活三方面提出了三種切合實(shí)際的解決方案，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證該解決方案的正確性和可行性。

1　門控系統(tǒng)的構(gòu)成

城市軌道車輛自動(dòng)門系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)（如圖1所示）主要有主控制器、功率驅(qū)動(dòng)部分、隔離電路及驅(qū)動(dòng)電機(jī)4部分。主控制器選用TMS320F2812芯片作為控制芯片；功率驅(qū)動(dòng)部分選擇三相全橋驅(qū)動(dòng)電路，采用專用驅(qū)動(dòng)芯片+MOSFET管驅(qū)動(dòng)形式；隔離電路可避免主回路的強(qiáng)電信號(hào)干擾控制回路的弱電信號(hào)，并提高系統(tǒng)的安全性；驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用星型連接的直流無刷電機(jī)（BLDCM）。

門控系統(tǒng)的工作原理為：自動(dòng)門在開關(guān)門過程中通過信號(hào)處理器（DSp）對(duì)速度、位置和電流等信息進(jìn)行檢測(cè)和處理，將經(jīng)過處理的速度信號(hào)和電流信號(hào)作為閉環(huán)控制的反饋輸入，通過適當(dāng)?shù)目刂扑惴óa(chǎn)生合適的pWM（脈沖寬度調(diào)制）波形實(shí)現(xiàn)門控直流無刷電機(jī)的精確調(diào)速，并抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)，根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)顯示自動(dòng)門狀態(tài)并判斷是否啟動(dòng)防擠壓功能。此外，通過CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）通信接口實(shí)現(xiàn)與門控網(wǎng)絡(luò)的通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的遠(yuǎn)程控制和在線監(jiān)測(cè)，通過串行通信接口實(shí)現(xiàn)門控器的調(diào)試。

圖1　城市軌道車輛自動(dòng)門硬件結(jié)構(gòu)框圖

2　門控系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)

門控系統(tǒng)采用全數(shù)字閉環(huán)控制，如圖2所示。外環(huán)速度環(huán)采用自適應(yīng)模糊p ID（比例-積分-微分）控制器，內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用普通pID控制器。通過外環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)控制器，產(chǎn)生合適的脈寬調(diào)制波形實(shí)現(xiàn)對(duì)門控直流無刷電機(jī)的精確控制。

圖2　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型

2.1標(biāo)準(zhǔn)PID控制器

標(biāo)準(zhǔn)離散p ID控制器數(shù)學(xué)模型為：

式中：

Kp——比例系數(shù)；

Ki——積分系數(shù)；

Kd——微分系數(shù)；

e（k）——系統(tǒng)誤差；

k——采樣次數(shù)。

由于標(biāo)準(zhǔn)p ID控制器不具有在線整定參數(shù)的功能，故當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，很難滿足高精度控制要求。

2.2自適應(yīng)模糊PID控制器

自適應(yīng)模糊pID控制器不斷地檢測(cè)誤差e和誤差變化率Ce，根據(jù)模糊控制原理對(duì)pID 3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)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(gè)參數(shù)的初始值，Δkp、Δki、Δkd是解模糊后的模糊控制器的3個(gè)輸出值。

自適應(yīng)模糊p ID參數(shù)自整定原則如下：

（1）當(dāng)e值較大時(shí)，無論e的變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)取較大的Δkp以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)有較好的跟蹤性。為了防止Ce瞬時(shí)過大，取較小的Δkd。為了防止積分飽和，避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)限制積分作用，取Δki值為0。

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

（3）當(dāng)e值較小時(shí)，應(yīng)取較大的Δkp和Δki，以保證系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)特性。另外，考慮到控制系統(tǒng)的抗干擾性以及為避免產(chǎn)生較大的振蕩，應(yīng)取較大的Δkd。當(dāng)Ce值較大時(shí)，應(yīng)取較小的Δkd。

設(shè)置e和Ce的論域取值為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟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(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（ZO）、正小（pS）正中（p M）、正大（p B）7種。隸屬函數(shù)全都選擇三角形隸屬度函數(shù)。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(guī)則如表1，總共可以得到49條控制規(guī)則的模糊條件語句。

表1　Δkp、Δki、Δkd模糊規(guī)則表

2.3PWM_ON調(diào)節(jié)方式

由于直流無刷電機(jī)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(shí)完成，換相電流的變化速率不一定相等，從而產(chǎn)生電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)［3］。門控直流無刷電機(jī)固有的低速換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不僅影響門體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，而且影響防擠壓功能的控制精度。

門控直流無刷電機(jī)的換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值為［3］

式中：

SB——功率管T3的p WM調(diào)制函數(shù)；

SC——功率管T 2的p WM調(diào)制函數(shù)；

ΔTe——換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值；

E——最大反電動(dòng)勢(shì)值；

Ud——直流側(cè)電壓；

ω——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

Ls——等效電感。

由式（5）可得p WM不同調(diào)節(jié)方式會(huì)影響直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值的大小。根據(jù)關(guān)斷相電流的下降斜率和開通相電流的上升斜率之間的關(guān)系，門控直流無刷電機(jī)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)的關(guān)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(duì)門控直流無刷電機(jī)的低速（Ud＞4E）時(shí)換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，采用p WM_ON調(diào)節(jié)方式保證換向期間非換相相電流不變，即保證關(guān)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)。根據(jù)門控直流無刷電機(jī)霍爾信號(hào)來判斷三相相電流哪一相為非換相，并以該相電流的絕對(duì)值作為電流環(huán)的被控對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其保持恒定的控制。p WM_ON調(diào)節(jié)方式如圖4所示。

圖4　p WM_ON調(diào)制方式

3　防擠壓功能的優(yōu)化

由于城市軌道車輛自動(dòng)門的特殊結(jié)構(gòu)和對(duì)密封性的要求，很難采用傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的防擠壓功能。目前，廣泛采用電流變化方式實(shí)現(xiàn)防擠壓功能，其具體方法是利用電流傳感器測(cè)定門控電機(jī)的電樞電流值，當(dāng)自動(dòng)門擠壓到障礙物時(shí)，門控電機(jī)的電樞電流突然增大，門控系統(tǒng)便自動(dòng)啟動(dòng)防擠壓功能。這種控制方法思路簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)在于很難控制擠壓力的大小，而且門控電機(jī)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(xiàn)［5］認(rèn)為阻力與門控直流無刷電機(jī)的速度乙是線性的關(guān)系，故采用速度比較法來實(shí)現(xiàn)防擠壓功能。該方法的缺點(diǎn)主要為對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速性能要求較高。而且，如圖5所示，在T點(diǎn)（門控直流無刷電機(jī)的實(shí)際速度與給定速度的第一個(gè)交點(diǎn)）之前，實(shí)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(xiàn)［6］通過計(jì)算參考點(diǎn)停留在固定的位置是否超時(shí)來判斷是否啟動(dòng)防擠壓功能。缺點(diǎn)在于難于控制擠壓力的大小。

本文采用方法是；在T點(diǎn)以前，通過計(jì)算參考點(diǎn)停留在固定位置是否超時(shí)來判斷是否啟動(dòng)防擠壓功能；在T點(diǎn)以后采用速度比較法來實(shí)現(xiàn)防擠壓功能；在全程設(shè)定電機(jī)電樞電流的最大門限值，以保障其他方法失效時(shí)的人員安全，防止系統(tǒng)損壞。

圖5　門控直流無刷電機(jī)給定速度與實(shí)際速度曲線

4　仿真及試驗(yàn)結(jié)論

在matlab/Simulink軟件中建立了門控直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)該模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真；直流無刷電機(jī)參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.003 kg· m2，給定轉(zhuǎn)速n=800 r/min，給定轉(zhuǎn)矩為5 N·m，極對(duì)數(shù)為2，采用24 V直流電源供電，直流無刷電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為0.002。

圖6為不同控制方式下關(guān)門速度曲線，圖7、圖8分別為p WM_ON調(diào)節(jié)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(guān)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(zhuǎn)速為1 500 r/min的直流無刷電機(jī)作為門控驅(qū)動(dòng)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析。圖9 a）為在p WM_ON調(diào)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(zhuǎn)矩脈動(dòng)，能提高自動(dòng)門在起速階段的調(diào)速性能；圖9 b）為U、V兩相之間的電壓波形圖。

結(jié)果表明：①自適應(yīng)模糊p ID控制器與普通p ID控制器比較，其響應(yīng)速度快、超調(diào)小、魯棒性較好，能很好地跟蹤系統(tǒng)設(shè)定曲線，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，能夠提高門控系統(tǒng)的魯棒性。②自適應(yīng)模糊p ID控制到達(dá)T點(diǎn)時(shí)間早于普通p ID控制，到達(dá)固定點(diǎn)的容差時(shí)間較小，啟動(dòng)防擠壓功能更為精確；在T點(diǎn)以后，自適應(yīng)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(diào)節(jié)方式能夠很好地抑制門控直流無刷電機(jī)低速時(shí)換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)母線電壓影響較小，可提高自動(dòng)門在起速階段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，改善自動(dòng)門由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的抖動(dòng)問題，減小到達(dá)T點(diǎn)所用的時(shí)間，提高了在T點(diǎn)以前啟動(dòng)防擠壓功能的控制精度。④分段激活法和全程電流保護(hù)法不僅能提高激活防擠壓功能的控制精度，而且簡(jiǎn)單實(shí)用、安全可靠，節(jié)省了硬件成本。

圖9　試驗(yàn)波形實(shí)景圖

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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）