無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)在地鐵站臺(tái)門中的應(yīng)用探討

龍仲

摘? ? 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對交通的需求量不斷增加，各種地鐵工程越來越多。地鐵站臺(tái)門是地鐵站的重要組成部分，其運(yùn)行質(zhì)量，直接關(guān)系到乘客的安全。為了進(jìn)一步提高地鐵站臺(tái)門的工作效果，可以將無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)有效應(yīng)用其中。為此，我將要在本文中對無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)在地鐵站臺(tái)門中的應(yīng)用進(jìn)行探討，希望對促進(jìn)我國地鐵交通事業(yè)的發(fā)展，可以起到有利的作用。

關(guān)鍵詞：無刷永磁直流電動(dòng)機(jī);地鐵站臺(tái)門;應(yīng)用

1? 前言

隨著電子技術(shù)、功率元件和高性能永磁技術(shù)的不斷發(fā)展，無刷直流電動(dòng)機(jī)的技術(shù)越來越成熟，其采用電子換向器來取代了傳統(tǒng)的機(jī)械換向器，還可以有效保留直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)也比較簡單，后期的維護(hù)難度較小。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，其非常適合在地鐵站臺(tái)門中進(jìn)行應(yīng)用。

2? 地鐵站臺(tái)門的運(yùn)動(dòng)要求

地鐵站臺(tái)門被設(shè)置在客運(yùn)站和軌道之間，可以將乘客與軌道安全隔離起來。在列車到來之后，地鐵站臺(tái)門可以同步打開和關(guān)閉，能夠保證乘客安全上下車。通過臺(tái)門的使用，還可以有效節(jié)約地鐵站空調(diào)的使用量。在地鐵站臺(tái)門運(yùn)行的過程中，其遵循慢、快、慢的速度曲線，緩慢進(jìn)行啟動(dòng)，然后快速將門打開，在最后再將門緩慢關(guān)閉。

3? 無刷直流電機(jī)的控制原理

無刷直流電機(jī)采用的是三角形連接，功率元件采用的是兩兩通電的方式。其內(nèi)部采用了單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過脈寬調(diào)制技術(shù)對電樞的電壓進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。通過改變脈沖的寬度，來有效改變電樞電壓的有效值，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在這個(gè)過程中，單片機(jī)是通過P4.0口，來輸出pwm波的，通過P1.1口來控制電機(jī)的啟停。

在系統(tǒng)工作過程中，其功率元件V1-V6需要受到PWM波的控制。如果P4.0輸出為高電平，其電路當(dāng)中的V2、V4、V6就會(huì)被封死，只有在P4.0口為低電平時(shí)候，才可以控制電機(jī)正常進(jìn)行換向。因此，只需要對P4.0口進(jìn)行控制，就可以對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

電機(jī)的換相操作是依靠位置傳感器來完成的，在該系統(tǒng)中采用的是磁敏式的轉(zhuǎn)子位置傳感器，從而有效獲得相位相差120度、寬度為180度的方波信號(hào)，其采用了3只霍爾元件，在空間布置上，滿足電機(jī)極數(shù)的要求。

4? 檢測反饋

位置反饋。在實(shí)際對位置進(jìn)行反饋的過程中，采用的是編碼器來提取位置信號(hào)的。地鐵站臺(tái)門采用的絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)首先通過齒輪傳動(dòng)的方式來帶動(dòng)絲杠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，絲杠帶動(dòng)螺母進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，門是和螺母固定在一起的。編碼器安裝在絲杠的末端，能夠跟隨絲杠一起轉(zhuǎn)動(dòng)。編碼器使用的是1000線的增量式編碼器，工作過程中可以輸出兩路差分信號(hào)。通過將這些差分信號(hào)輸入到單片機(jī)專用的QEP編碼控制端口，可以提取出編碼器的各種信息，實(shí)現(xiàn)對編碼器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到絲杠的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，這些量在臺(tái)門閉環(huán)控制中發(fā)揮著非常重要的作用。

其電流采用的模糊控制方法，通過控制電機(jī)的電流，就可以控制電機(jī)的扭矩輸出。在進(jìn)入到PWM波中斷后，就會(huì)啟動(dòng)單片機(jī)的AD采集功能，對電機(jī)電樞繞組的電流進(jìn)行采集，然后得到電流目標(biāo)值和實(shí)際值的誤差Δi。為了盡量較少Δi，啟動(dòng)用了電流模糊控制對電機(jī)電樞繞組實(shí)際電流值進(jìn)行控制。通過PWM中斷系統(tǒng)建立對電機(jī)電流控制系統(tǒng)，就可以直接完成對電機(jī)電樞繞組電流控制，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在需要改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)，對目標(biāo)電流進(jìn)行控制即可，為了保證對電流的控制精度，對電流采用了模糊控制方法。單片機(jī)對采樣電阻的電位進(jìn)行采樣后，就可以得到電機(jī)繞組當(dāng)前的電流值is，通過和參考電流值求差，得到偏差量Δi，該偏差值被送入到模糊控制器進(jìn)行模糊推理，經(jīng)過模糊推理得到模糊控制量，通過對該量進(jìn)行去模糊化處理，就可以得到PWM波的占空比，進(jìn)而對H橋電路進(jìn)行控制，讓電機(jī)繞組電流跟隨參考電流進(jìn)行變化，減少Δi。

電機(jī)的實(shí)際控制過程中，為了實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行速度的準(zhǔn)確控制，對電機(jī)速度采用了PI控制算法。PI調(diào)節(jié)器在電機(jī)控制系統(tǒng)中非常常用，PI調(diào)節(jié)器的工作原理是通過將給定值和反饋值進(jìn)行比較得到差值，然后利用該差值來調(diào)節(jié)受控量，有效減少反饋值和給定值的誤差。PI調(diào)節(jié)器在模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用規(guī)律為：

由于DSP屬于離散運(yùn)算器，需要采用差分方程的形式，通過離散化處理可以得到：u（k）=Kpe（k）+[u1]（k），這種差分方程的近似性比較好，但每次都需要對e（i）進(jìn)行累加，計(jì)算量比較大。為了降低程序運(yùn)算量，人們提出了增量式PI算法。第k拍控制量可以寫成u（k）=u（k-1）+[Δu]（k），可以根據(jù)當(dāng)前的偏差和上一拍的控制量和偏差，計(jì)算出累加求出前拍控制量u（k），這樣進(jìn)一步簡化PI算法程序，提高程序的執(zhí)行效率。

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)對位置的閉環(huán)控制，采用了增量離散PI軟件控制算法。在無刷直流電機(jī)的控制過程中，通常采用的是脈沖、方向控制方式，外部脈沖通過單片機(jī)的IO引腳進(jìn)入到芯片內(nèi)部，通過內(nèi)部脈沖觸發(fā)電路啟動(dòng)DSP的外部中斷，中斷程序負(fù)責(zé)對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果此時(shí)方向信號(hào)為正，則總脈沖信號(hào)加一，如果方向信號(hào)為負(fù)，則總脈沖信號(hào)減一。通過脈沖數(shù)量和角度值的換算，就可以得到步進(jìn)電機(jī)的位置控制值SL，然后被送入到電機(jī)PI位置閉環(huán)控制模塊，實(shí)現(xiàn)對無刷直流位置閉環(huán)控制。

電源失壓保護(hù)。電源能否正常供電，對電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的正常工作有著非常直接的影響，一旦電源不能正常供電，驅(qū)動(dòng)器電路中的各種元器件就不會(huì)正常工作，大功率器件可能出現(xiàn)失控的現(xiàn)象，對電路安全造成直接的影響。為此，在電路中增加了外部電壓檢測模塊，通過采樣電阻對外部電壓進(jìn)行采樣，并啟用單片機(jī)的AD采集功能，得到該采樣電阻的電壓值，經(jīng)過對該電壓值的換算，就可以得到電源電壓，一旦檢測到電源電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓，就會(huì)將功率電路關(guān)閉，避免大功率電路出現(xiàn)失控的現(xiàn)象，提高硬件電路的安全性，并會(huì)驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈閃爍，提醒相關(guān)人員及時(shí)對故障進(jìn)行處理。

5? 結(jié)語

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，對地鐵站臺(tái)門控制提出了更高的要求，我們應(yīng)該做好對臺(tái)門系統(tǒng)的優(yōu)化和改造工作，使用更加先進(jìn)的永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)，提高臺(tái)門運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性，還能進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

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