朱偉，朱浩淵

(南京康尼電子科技有限公司，江蘇南京210013)

基于永磁同步直線電機(jī)的城軌門系統(tǒng)研究

朱偉，朱浩淵

(南京康尼電子科技有限公司，江蘇南京210013)

永磁同步直線電機(jī)作為新型城軌門系統(tǒng)的驅(qū)動裝置，其性能直接影響門系統(tǒng)的運(yùn)行效果。理論分析了永磁同步電機(jī)矢量控制(SVPWM)原理,在以TI公司DSP為核心的硬件平臺上實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁場定位控制算法。同時分析了電子門控器(EDCU)設(shè)計和門系統(tǒng)控制方案的設(shè)計以及開關(guān)門曲線設(shè)計，并經(jīng)實驗加以驗證。

永磁同步直線電機(jī)；空間矢量脈寬調(diào)制；開關(guān)門曲線

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，軌道交通的需求也處于一段高速增長的時期。車門系統(tǒng)作為城軌車輛的重要組成部分，如何能實現(xiàn)高效和安全的驅(qū)動成為了當(dāng)今研究的一個重點(diǎn)。實現(xiàn)城軌門系統(tǒng)在水平方向上的運(yùn)動，目前常見的方法是通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)加絲桿的方式實現(xiàn)。永磁同步直線電機(jī)(PMSLM)直接產(chǎn)生直線運(yùn)動，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，動力是在氣隙磁場中直接產(chǎn)生的，可獲得比傳統(tǒng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)更高的定位精度和快速響應(yīng)速度。目前，永磁同步直線電機(jī)一般采用矢量控制策略(SVPWM)，使得電流諧波含量減少，轉(zhuǎn)矩脈動減小[1]。本文闡述了以TI公司電機(jī)控制專用DSP芯片作為控制核心的電子門控器，對永磁同步直線電機(jī)進(jìn)行矢量控制，從而實現(xiàn)對城軌門系統(tǒng)行程和速度的精確控制。

1 門系統(tǒng)的整體設(shè)計

常見的旋轉(zhuǎn)電機(jī)門系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，門扇連接在螺母上，通過絲桿將電機(jī)和螺母連接。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，絲桿和螺母的相對運(yùn)動即可控制車門的開門和關(guān)門動作。此方式僅使用一臺電機(jī)即可驅(qū)動一套雙開門系統(tǒng)，成本較低。兩扇門的運(yùn)動使用同一根絲桿傳動，開關(guān)門同步性好。此外，為了保證電機(jī)輸出足夠扭矩驅(qū)動門扇，需要利用減速器來提升輸出扭矩。

基于永磁同步直線電機(jī)的城軌門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見圖2，利用永磁同步直線電機(jī)對門扇進(jìn)行直接驅(qū)動和控制。直線電機(jī)門系統(tǒng)直接使用永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動門扇，極大地減少了門系統(tǒng)運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。由于直線電機(jī)不需要減速器來達(dá)到輸出扭矩的要求，同時也沒有絲桿和螺母這樣的傳動裝置，系統(tǒng)的效率有了很大的提升，門系統(tǒng)的效率可以提升10%-20%；取消了減速器，門扇控制的響應(yīng)速度也有較大提高；由于直線電機(jī)直接驅(qū)動門扇，電機(jī)本身的控制精度即可表示門系統(tǒng)的控制精度。

這樣的系統(tǒng)由于部件的減少，節(jié)約了空間。門系統(tǒng)安裝在軌道交通車輛的側(cè)方，為了保證乘客乘車的安全，除了門扇部分外漏，其他部分包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)需要安裝在車頂隔層。車頂隔層同時還集成了空調(diào)、照明系統(tǒng)、智能指示系統(tǒng)等。直線電機(jī)門系統(tǒng)由于傳動部件的減少，節(jié)省了門系統(tǒng)的安裝空間，對整體車輛空間布置也有很大的幫助。

由于兩扇門的運(yùn)動方向不同，每扇門需要一臺直線電機(jī)對其進(jìn)行控制。直線電機(jī)門系統(tǒng)中將雙開門的左右側(cè)分位相對獨(dú)立的兩套門系統(tǒng)，兩個控制器，兩臺直線電機(jī)，兩套鎖閉系統(tǒng)，以及相應(yīng)的到位開關(guān)。這樣可以使得左右側(cè)門系統(tǒng)相互獨(dú)立，在某側(cè)門喪失功能后仍可以通過另一側(cè)門扇實現(xiàn)開關(guān)門的功能，提高車門的可靠性。后期可以通過開發(fā)控制雙電機(jī)的門控器來實現(xiàn)兩側(cè)門扇的統(tǒng)一控制，來降低成本以及減少各個開關(guān)的布置。

圖1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動門結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 直線電機(jī)驅(qū)動門結(jié)構(gòu)簡圖

2 永磁同步直線電機(jī)矢量控制的基本原理

永磁同步直線電機(jī)可以看作是旋轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，如圖3所示，它可以看成是將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī)的圓周展成平面，因而其工作原理也與旋轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)相似。在直線電機(jī)中，由運(yùn)動相對性原理，動子的直線運(yùn)動，可理解為定子相對于動子作反方向直線運(yùn)動，因此“旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系”則固定在定子上，和定子一起相對于動子作直線運(yùn)動。于是讓d軸位于次級永磁體N極軸線上，q軸則超前d軸90°，也就是極距的1/4。

永磁同步直線電機(jī)矢量控制的控制框圖如圖4所示，永磁同步直線電機(jī)矢量控制由速度環(huán)與電流環(huán)雙閉環(huán)構(gòu)成。速度環(huán)可以增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，從而實現(xiàn)對門扇速度的精確控制；電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，主要由PI控制器、PARK變換、PARK反變換、CLARKE變換以及SVPWM構(gòu)成，由于勵磁電流分量id在永磁同步直線電機(jī)的推力控制中起的作用不大，一般采用id=0的控制策略來簡化電流環(huán)，實現(xiàn)解耦控制[2]。

圖3 永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 PMSLM雙閉環(huán)控制框圖

3 永磁同步直線電機(jī)門控器設(shè)計

根據(jù)永磁同步直線電機(jī)的矢量控制原理，以及門系統(tǒng)的控制應(yīng)用需求，設(shè)計了新型的電子門控器(EDCU)。主要采用TI公司電機(jī)電機(jī)控制專用DSP芯片作為主控制器。其片內(nèi)集成了PWM，ADC，QEP，GPIO等電機(jī)控制基本外設(shè)，另外還有豐富的通信外設(shè)，如CAN，SCI，SPI等，功率驅(qū)動部分采用高性能IPM模塊。電流采樣使用專用電流采樣芯片，為電流環(huán)提供了高性能的電流采樣。門控器系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 EDCU系統(tǒng)框圖

永磁同步直線電機(jī)采用分辨率為15微米的磁柵與霍爾傳感器作為位置反饋元件?；魻栃盘栍糜诖_定矢量控制時d軸所處的矢量扇區(qū)。而磁柵的A，B信號用于精確位置計算，磁柵Z信號可以用作初始定位的角度校正。需要特別注意磁柵A,B,Z信號的抗干擾處理，否則會導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行異常以及初始定位失敗。因此線纜必須是帶屏蔽的線纜，并可靠接地。另外，對于磁柵尺讀頭的安裝位置也要求有較高的精度。

4 永磁同步直線電機(jī)門系統(tǒng)電控設(shè)計

永磁同步直線電機(jī)的動子安裝在門扇上，而定子則安裝在攜門架上。兩個門扇各安裝一臺直線電機(jī)和一臺門控器。這樣的配置方式，使得每個門扇可以單獨(dú)控制開/關(guān)，即使在某個門扇發(fā)生故障的時候，另外一扇門也可以實現(xiàn)開/關(guān)，使得門系統(tǒng)開關(guān)門更加可靠。

4.1 門控系統(tǒng)運(yùn)行功能

臺架電控系統(tǒng)設(shè)計了自動和手動兩種運(yùn)行模式。在手動模式下，兩臺門控器將同時收到開/關(guān)門列車線命令，被激活的車門會在開/關(guān)門列車線的命令下執(zhí)行開門或關(guān)門；在自動模式下，左側(cè)門作為主門，右門則作為從門，當(dāng)主門收到從門關(guān)鎖到位信號后將發(fā)出允許從門開門命令，兩扇門將同時開啟，在開到位后延時關(guān)閉。

4.2 門控系統(tǒng)防擠壓功能

4.2.1 關(guān)門防擠壓功能

通過門位置傳感器的檢測，將門的運(yùn)動分成距離段，如果在給定的時間內(nèi)門未通過這些距離段，障礙檢測被激活。如果障礙檢測被激活，將會施加一個持續(xù)0.5s的最大關(guān)門力(≤150N)。之后門自動打開150mm(打開距離可調(diào))左右，停止1秒(1-8s可調(diào))后，再次關(guān)閉，以便清除障礙物。

這個循環(huán)將重復(fù)3次，且在3次連續(xù)關(guān)門順序中如果障礙檢測都被激活，門將運(yùn)動到開門終點(diǎn)位置并停留在這一位置，將由內(nèi)側(cè)車門指示燈指示以引導(dǎo)司機(jī)注意這個故障。

4.2.2 開門防擠壓功能

在開門過程中有障礙檢測功能，障礙檢測可被激活3次。開門時若有障礙會使開門循環(huán)停止1秒，在3次開門動作之后門將會停在此位置并且EDCU會認(rèn)為此位置是最大可達(dá)開門位置，此時任何關(guān)門指令都可將門關(guān)閉。

4.3 門控系統(tǒng)鎖閉功能

直線電機(jī)臺架使用電磁鎖，當(dāng)關(guān)門時，安裝在門扇上的鎖舌會進(jìn)入電磁鎖閉機(jī)構(gòu)，此時可以完成鎖閉，同時觸發(fā)鎖到位開關(guān)信號。當(dāng)門控器接收到開門命令時，會通過輸出口向電磁鎖通入直流電0.5s(具體時間可調(diào))，此時電磁鐵得則會解鎖，門扇開始執(zhí)行開門動作。

4.4 門控系統(tǒng)開關(guān)門曲線設(shè)置

門系統(tǒng)執(zhí)行開/關(guān)門動作是按照預(yù)先設(shè)定好的速度曲線進(jìn)行運(yùn)行的。軟件根據(jù)電機(jī)參數(shù)以及初始速度值，最高速度值，加速度值，減速度值，運(yùn)行總距離，運(yùn)行總時間等運(yùn)行參數(shù)，計算出每個速度給定周期合理的速度增量，這樣門控器即可按照設(shè)定的運(yùn)動曲線運(yùn)行。

5 實驗結(jié)果分析

本文使用青島產(chǎn)某永磁同步直線電機(jī)，康尼電子自主研發(fā)的門控器在臺架上進(jìn)行實驗。電機(jī)額定推力70N，額定電流2.4A，電阻5.3Ω，電感15.6mH,極距32mm，動子重量1.7Kg，有效行程710mm。電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，比例系數(shù)kp=2.6，積分時間TI=0.002s。電流反饋波形如圖6所示，電流跟蹤給定較好。一般，電流調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)好后基本不用再調(diào)整。速度環(huán)同樣采用PI調(diào)節(jié)器，比例系數(shù)kp=260,積分時間常數(shù)TI=100ms。關(guān)門速度給定與反饋波形見圖7，實際速度能夠較好地跟隨關(guān)門曲線設(shè)置。由于門扇相對于直線電機(jī)動子屬于大慣性環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)器比例系數(shù)需足夠大，而積分時間也相對較長。在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)低速抖動比較明顯，這是由于電機(jī)全行程氣隙磁密度分布不均勻，所以對低速運(yùn)行的影響比較大，低速時存在較大運(yùn)行波動[3]。如果要改善這種狀況，必須進(jìn)一步提高直線電機(jī)生產(chǎn)的工藝水平。

圖6 電流階躍響應(yīng)波形

圖7 關(guān)門速度給定與反饋波形

6 結(jié)論

本文分析了永磁同步直線電機(jī)的矢量控制策略，給出了門控器的設(shè)計框圖與門系統(tǒng)的設(shè)計思想，并在臺架上進(jìn)行了實驗驗證。實驗證明永磁同步直線電機(jī)作為城軌門系統(tǒng)的新型動力來源，控制方案可行，控制效果滿足要求。為新一代高性能城軌門系統(tǒng)的研究作了相應(yīng)的技術(shù)積累。

[1]王曉明,王玲.電動機(jī)的DSP控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[2]張代林.永磁同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制策略和實驗研究[D].華中科技大學(xué),2006.

[3]楊少東.永磁直線同步電機(jī)控制技術(shù)的研究[D].浙江大學(xué),2006.

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2017-07-12