SVPWM技術(shù)在車輛門上的應(yīng)用

肖 義，王 嘯，梅嘉倫

(寧波中車時(shí)代電氣設(shè)備有限公司門系統(tǒng)技術(shù)中心，浙江 寧波 315000)

0 引言

軌道交通車輛門是旅客上下車及列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)的主要疏散通道，是車輛人機(jī)接口的關(guān)鍵部件之一。電動(dòng)機(jī)作為車門動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)部件，對(duì)其控制技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)是整個(gè)車輛門控制系統(tǒng)最為重要的部分。目前，車輛門大多使用直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)，采用方波脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)調(diào)制方式?？臻g矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)就是通過(guò)逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁場(chǎng)去逼近理想的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而形成PWM波。SVPWM把逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體來(lái)處理，相比于傳統(tǒng)的方波控制來(lái)說(shuō)具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)中。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 整體方案

本系統(tǒng)采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)方案[1]實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制，最終體現(xiàn)在車輛門上為實(shí)現(xiàn)對(duì)車門速度的控制，整體方案如圖1所示，具體步驟如下：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(1)

由于存在積分飽和現(xiàn)象，采用積分限幅算法，即當(dāng)積分項(xiàng)輸出I達(dá)到輸出限幅值時(shí)，停止對(duì)積分項(xiàng)的計(jì)算，此時(shí)積分項(xiàng)的輸出取上一時(shí)刻的積分值。對(duì)于參數(shù)的計(jì)算和調(diào)整方法如下[4]：(1)采用“齊格勒-尼克爾斯經(jīng)驗(yàn)法”確定初始值，首先只使用比例系數(shù)P，逐漸增加P直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，記錄此時(shí)P的值以及振蕩周期T，根據(jù)公式：Kp=0.6P，Ki=0.5T，Kd=0.125T，得到PID參數(shù)初值。(2)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)，本系統(tǒng)將調(diào)整時(shí)間和最大超調(diào)量作為控制質(zhì)量的依據(jù)，因此，通過(guò)聯(lián)合調(diào)節(jié)Kp和Ki在避免調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的同時(shí)減少最大超調(diào)，再通過(guò)Kd進(jìn)一步調(diào)整系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(2)速度環(huán)控制。電機(jī)速度通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)編碼器數(shù)值可以計(jì)算得到，將實(shí)際速度反饋和給定的速度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，參數(shù)調(diào)節(jié)方案與電流環(huán)一致，其輸出值當(dāng)做轉(zhuǎn)矩電流的給定值。在本方案中，勵(lì)磁電流PID的給定值是固定為零，速度PID輸出值只當(dāng)作轉(zhuǎn)矩電流量PID的給定值，此時(shí)轉(zhuǎn)矩與電流成正比，而加速度與轉(zhuǎn)矩成正比，因此可以有效控制速度。通過(guò)雙閉環(huán)得到uq和ud后，利用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，如CLARKE逆變換，變?yōu)槿嚯妷?，再利用PWM脈寬調(diào)制形成相應(yīng)的PWM波形輸出，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 車輛門系統(tǒng)控制框圖

1.2 脈寬調(diào)制技術(shù)

PWM控制技術(shù)就是對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖(方波)，用這些脈沖來(lái)代替所需要的波形。通過(guò)改變輸出方波的占空比來(lái)改變等效的輸出電壓幅值，可以通過(guò)改變調(diào)制波的頻率來(lái)改變輸出電壓的頻率。圖2為三相逆變器，通過(guò)控制三相上下六個(gè)橋臂的通斷使得電流以設(shè)定的方式通過(guò)三相繞組就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖2 三相逆變器

直流無(wú)刷電機(jī)和交流電機(jī)的定子一般有三相繞組，電流通過(guò)每相繞組產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)矢量，該磁場(chǎng)矢量與其他繞組的磁場(chǎng)求和，可以產(chǎn)生任意方向和幅值的磁場(chǎng)矢量和，而這個(gè)合成的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的作用力就形成了使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩。為了實(shí)現(xiàn)平滑穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩控制，一個(gè)良好的控制方案應(yīng)該以形成幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)。

目前在車輛門領(lǐng)域最為常用的是普通的方波PWM控制方式。在這種方式下，電流通過(guò)三相繞組在空間上產(chǎn)生六個(gè)方向的合成磁場(chǎng)矢量。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)在空間分布的霍爾傳感器得到轉(zhuǎn)子所在的位置，每60°進(jìn)行一次換相。這種三相六拍的控制方式產(chǎn)生一個(gè)近似平滑的電流空間矢量，但是其分布在六個(gè)離散的方向且有直流換相的突變，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和運(yùn)行噪聲，在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)尤為明顯。

方波PWM方式難以實(shí)現(xiàn)低速時(shí)光滑平穩(wěn)的電機(jī)控制，而正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)則解決了這個(gè)問(wèn)題。SPWM技術(shù)就是通過(guò)脈寬調(diào)制用一組等高不等寬的矩形波(方波)來(lái)近似代替正弦波，使繞組中產(chǎn)生相隔120°的正弦電流。由于電機(jī)相電流為正弦且連續(xù)變化，無(wú)換相電流突變，在空間形成的磁場(chǎng)是幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與傳統(tǒng)的方波控制相比，可以很好地消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低電機(jī)運(yùn)行噪聲。

電壓空間矢量PWM(SVPWM)的出發(fā)點(diǎn)與SPWM不同[5]，SPWM調(diào)制是從三相交流電源出發(fā)，其著眼點(diǎn)是如何生成一個(gè)三相對(duì)稱正弦電源，而SVPWM是將逆變器和電動(dòng)機(jī)看成一個(gè)整體，其著眼點(diǎn)是如何形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。SVPWM用8個(gè)基本電壓矢量合成空間期望分布的電壓矢量，其所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，并由產(chǎn)生圓磁通的結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。SVPWM比SPWM的電壓利用率高15%，這是兩者最大的區(qū)別，同時(shí)，SVPWM形成的圓形磁場(chǎng)更加穩(wěn)定，因此選用SVPWM為控制方案。

2 理論原理

圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法如下。獲得根據(jù)磁鏈和電壓空間矢量的關(guān)系[6-7]，交流電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓平衡關(guān)系式為：

(2)

其中，Is為定子三相電流的合成空間矢量，Rs為定子電阻。當(dāng)電動(dòng)機(jī)有一定轉(zhuǎn)速時(shí)，RsIs在式(2)中所占的比例很小，則式(2)可近似看作：

(3)

(4)

這樣，控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡就等效于控制電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖3為三相交流電合成的空間電流矢量Us：

Us=UA0+UB0+UC0=usejω1t

(5)

可知，合成空間矢量Us以電源角頻率ω1的角速度在空間作圓形旋轉(zhuǎn)，即磁鏈空間矢量的軌跡也為圓形。結(jié)合磁鏈旋轉(zhuǎn)的角度，將Us進(jìn)行park逆變換(park-1)，見(jiàn)式(6)、(7)，其中θ為轉(zhuǎn)子所在的角度，可以給出兩相靜止坐標(biāo)系即(α，β)坐標(biāo)系電壓空間矢量的分量uα、uβ，這兩個(gè)變量經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制模塊(SVPWM)，得到逆變器所需要的六路PWM波，可生成近似正弦波的信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)起來(lái)[8]。

uα=uscosθ

(6)

uβ=ussinθ

(7)

圖3 定子空間坐標(biāo)系

(8)

扇區(qū)以及基本矢量確定之后，就可以利用一些方法將扇區(qū)邊界上的兩個(gè)基本矢量合成所需的矢量U，常用的為線性組合法。線性組合法把每一扇區(qū)分成若干個(gè)時(shí)間間隔為T0的小區(qū)間，插入線性組合的新電壓空間矢量Us，以獲得逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[10-11]。根據(jù)伏秒平衡原則，以第三扇區(qū)為例，通過(guò)關(guān)系式(8)和基本矢量的值即可以確定基本矢量的作用時(shí)間t1、t2。而SVPWM又分為五段式和七段式，七段式的SVPWM在每個(gè)PWM調(diào)制周期內(nèi)SA、SB、SC有7種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它除了相鄰矢量的作用時(shí)間外，通過(guò)插入(000)、(111)補(bǔ)全整個(gè)周期，相比于五段式，七段可實(shí)現(xiàn)每次切換只有一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，圖5為第3扇區(qū)的七段式SVPWM。

=uα+juβ

(9)

圖4 電壓空間矢量扇區(qū)

圖5 七段式SVPWM

3 應(yīng)用驗(yàn)證

硬件平臺(tái)為由TI公司的DSP芯片和相應(yīng)外圍電路組成的控制器，軟件平臺(tái)為CCS。所得到的實(shí)際輸出的SVPWM波形如圖6所示，此時(shí)，三項(xiàng)相電流為正弦波，采集到的U相電流如圖7所示。

圖6 三相PWM波形輸出

車輛門一般運(yùn)行在速度較低的狀況下，且直接面向乘客，若車門運(yùn)行時(shí)發(fā)生抖動(dòng)和噪音，會(huì)在一定程度上影響乘客的乘坐體驗(yàn)。圖9、圖10和圖11為在帶門機(jī)負(fù)載的情況下，分別使用傳統(tǒng)的方波PWM驅(qū)動(dòng)、SPWM驅(qū)動(dòng)以及本文提出的SVPWM驅(qū)動(dòng)時(shí)帶門機(jī)負(fù)載的情況下，速度電流雙閉環(huán)的跟蹤結(jié)果。

圖7 U相電流

圖8 電流跟蹤曲線

圖9 PWM控制速度曲線

圖10 SPWM控制速度曲線

圖11 SVPWM控制速度曲線

根據(jù)圖10可以看到，給速度一個(gè)設(shè)定值±25 cm/s，通過(guò)速度PID控制器的調(diào)節(jié)，速度達(dá)到設(shè)定值且較為平穩(wěn)，最終選取的參數(shù)為Kp=0.28，Ki=0.01，Kd=0.1，速度采樣點(diǎn)間隔為2 ms。速度環(huán)的輸出作為q軸電流的設(shè)定值，d軸電流的設(shè)定值為零，以此實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩控制，圖8為電流跟蹤結(jié)果，電流反應(yīng)速度快，且通過(guò)電流PID控制器的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)較為平滑的跟蹤曲線，最終選取的PID參數(shù)為Kp=0.4，Ki=0.05，Kd=0.5，電流采樣點(diǎn)間隔為0.1 ms。通過(guò)比較分析可以知道，圖9速度出現(xiàn)一定范圍的抖動(dòng)且實(shí)際運(yùn)動(dòng)中有輕微的噪聲，而圖10、圖11的運(yùn)動(dòng)情況相對(duì)平滑且沒(méi)有明顯的噪聲出現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上比較輸入電壓可以得出，SVPWM電壓利用率高于SPWM。

4 結(jié)論

本文在分析車輛門電機(jī)控制方案的基礎(chǔ)上，主要研究了空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)在車輛門上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了車輛門領(lǐng)域上電機(jī)控制的應(yīng)用創(chuàng)新。通過(guò)對(duì)PWM、SPWM和SVPWM原理的分析可知，相比于傳統(tǒng)的控制方式來(lái)說(shuō)，SVPWM技術(shù)可以使速度控制更加平滑，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、效率高，最終成功在車輛門上得到驗(yàn)證，車門以穩(wěn)定的速度進(jìn)行平滑的開(kāi)關(guān)門運(yùn)動(dòng)，效果良好。