無刷永磁直流電動機(jī)在地鐵站臺門中的應(yīng)用

趙 斌

（佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東佛山528000）

0 引言

隨著電子技術(shù)、功率元件技術(shù)和高性能永磁材料技術(shù)的發(fā)展，無刷永磁直流電動機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械換向器，使這種電動機(jī)不但保留了直流電動機(jī)運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等優(yōu)點，而且具有交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點。無刷永磁直流電動機(jī)的這些優(yōu)點正好符合了地鐵站臺門（Platform Screen Door，PSD）運(yùn)動指標(biāo)的各項要求。

1 PSD的運(yùn)動要求

PSD安裝在地鐵、輕軌、列車客運(yùn)站的站臺兩側(cè)，將站臺與列車軌道區(qū)域隔離。在列車到站后，PSD與列車門同步打開和關(guān)閉，供乘客上下車。PSD可保證乘客的安全，同時也可為車站節(jié)省40%的空調(diào)冷（熱）量[1]。

PSD的開門速度要遵循“慢—快—慢”的速度曲線，關(guān)門速度要遵循“快—慢—更慢”的速度曲線，各個速度轉(zhuǎn)換區(qū)域的曲線要求平滑，無沖擊，如圖1、圖2所示。

圖1 PSD開門速度曲線

圖2 PSD關(guān)門速度曲線

2 PSD對無刷永磁直流電動機(jī)的控制原理

2.1 通過單片機(jī)PWM控制實現(xiàn)速度的控制

此系統(tǒng)采用三相△連接，功率元件采用兩兩通電方式。采用單片機(jī)實現(xiàn)全數(shù)字式控制，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機(jī)電樞電壓以實現(xiàn)調(diào)速。當(dāng)改變輸出脈沖寬度，就相當(dāng)于改變供給電動機(jī)繞組的平均電壓，從而控制了電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這里通過單片機(jī)控制P4.0口輸出PWM波的占空比達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，而通過P1.1口輸出高低電平控制電動機(jī)的啟停[2]。

此系統(tǒng)中的功率元件V1～V6既要負(fù)責(zé)PWM控制，又要負(fù)責(zé)換相的控制。控制原理如下：將單片機(jī)的P4.0口作為PWM輸出口，和P5口同接在或非門的輸入端，當(dāng)P4.0輸出為高電平時，則主電路中的V2、V4、V6都被封死；而當(dāng)P4.0輸出為低電平時，則主電路中的6只MOSFET仍然受P5口的控制去進(jìn)行電動機(jī)的正常換向。因此，只需對P4.0輸出的PWM波占空比進(jìn)行控制，就可控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.2 換相控制

換相是通過轉(zhuǎn)子位置傳感器來實現(xiàn)的，此系統(tǒng)使用的是磁敏式（霍爾元件）轉(zhuǎn)子位置傳感器。為獲得三相互差120°、寬度為180°的方波信號，使用3只霍爾元件，它們在空間的布置滿足相隔空間機(jī)械角度α=2π/3p（p為極對數(shù)）的條件。

此系統(tǒng)六極電動機(jī)的3個霍爾元件位置傳感器H1、H2、H3在空間相差機(jī)械角度為120°。當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子依次經(jīng)過霍爾元件H1、H2、H3時，H1～H3根據(jù)永磁體極性的不同將分別產(chǎn)生三相互差120°、寬度為180°的方波信號，如圖3（a）所示。H1、H2、H3三路位置信號送入單片機(jī)的上升沿中斷口CC0、CC2、CC3和下降沿中斷口INT0、INT1、INT2，經(jīng)軟件處理后，就可得到逆變器功率開關(guān)的使能信號，如圖3（b）所示[3]。

圖3 正轉(zhuǎn)時系統(tǒng)有關(guān)波形

2.3 正反轉(zhuǎn)的控制

通過改變定子繞組的換相次序即可改變轉(zhuǎn)動方向，換相表如表1所示。

表1 換相表

3 檢測反饋

3.1 檢測霍爾傳感器脈沖實現(xiàn)位移的反饋

此系統(tǒng)需要PSD位移和速度一一對應(yīng)的關(guān)系，那么首先要對位移和速度進(jìn)行精確的測量。這里直接利用控制換相的霍爾傳感器發(fā)出的脈沖來反映電動機(jī)的位移和轉(zhuǎn)速[4]。

若只需檢測一個霍爾元件H1的脈沖個數(shù)n，那么PSD的位移量s如式（1）所示：

式中，p為電動機(jī)的極對數(shù)；d為PSD的傳動元件螺母螺桿副旋轉(zhuǎn)一圈PSD所走過的路程。

在此系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，是把PSD從全開到關(guān)閉的總位移D存放在單片機(jī)的ROM中，在PSD第一次運(yùn)行時，PSD以勻速從全開到關(guān)閉走完總位移的行程，單片機(jī)記錄下走完全程霍爾元件H1的脈沖個數(shù)N，那么螺母螺桿副旋轉(zhuǎn)一圈PSD所走過的路程d=D/（N/p）。計算出d后，單片機(jī)將d的數(shù)值存放在ROM中，以后就可以用式（1）實時計算出PSD的位移量了。

3.2 檢測霍爾傳感器脈沖實現(xiàn)速度的反饋

如圖3（a）所示，單片機(jī)自動捕捉到霍爾傳感器信號的兩個上升沿，通過計算兩個上升沿的時間間隔T及在T內(nèi)計得的時鐘脈沖φ的個數(shù)m，則通過公式f=1/T=1/（mφ），即可得到電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

得到電動機(jī)的位移和速度后，根據(jù)存儲在單片機(jī)的ROM中圖1和圖2的數(shù)據(jù)表，通過查表的方式來找出PSD在s1位移點時的整定速度v1，然后比較整定速度v1和在s1位移點時實測到的速度值v，如果v1＞v，則提高單片機(jī)P4.0口輸出PWM波的占空比，或者提高專用控制器MC33035輸出的電壓信號ur。這樣，PWM波的占空比增大，逆變器輸出的電壓平均值升高，電動機(jī)速度上升，直到達(dá)到整定值v1。反之，如果v1＜v，則降低單片機(jī)P4.0口輸出PWM波的占空比，或者降低專用控制器MC33035輸出的電壓信號ur，原理同上，直到達(dá)到整定值v1。

3.3 檢測電流實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩反饋

由電機(jī)學(xué)可知，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為式（2）：

在通電期間，電動機(jī)的帶電導(dǎo)體處于相同的磁場下，各相繞組的感應(yīng)電動勢如式（3）所示：

式中，n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速；φm為主磁通；p為極對數(shù)；N為總導(dǎo)體數(shù)。

從逆變器的直流端看，三相△連接的定子繞組感應(yīng)電動勢Ed由兩相繞組并聯(lián)后再與另外一相繞組串聯(lián)后組成，所以有式（4）：

因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可化為式（5）：

式中，Id為PWM波電流的幅值；Ω=2πn/60。

由式（5）可以看出，無刷永磁直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式和普通直流電動機(jī)相同，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比，而磁通是恒定的，所以控制逆變器輸出PWM波電流的幅值即可控制轉(zhuǎn)矩[5]。

在此系統(tǒng)中，將兩相繞組電流采樣信號進(jìn)行放大和校正后，送入A/D轉(zhuǎn)換器后送入單片機(jī)的轉(zhuǎn)矩反饋輸入口。單片機(jī)將輸入的電流（轉(zhuǎn)矩）信號與整定的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)相比較，判斷增大或減小單片機(jī)輸出PWM波的占空比。PWM波的占空比變大，逆變器輸出的電壓幅值就升高，流過定子繞組的電流就增大；反之則小。電流幅值閉環(huán)調(diào)節(jié)后，逆變器輸出的電流幅值就能跟隨給定的值變化，從而實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。

4 結(jié)語

綜上所述，無刷永磁直流電動機(jī)在PSD中的應(yīng)用主要包括了電動機(jī)的驅(qū)動控制電路、換相控制、正反轉(zhuǎn)控制、PWM控制和位移/速度/轉(zhuǎn)矩的三閉環(huán)控制等功能。實踐表明，該系統(tǒng)在運(yùn)行中獲得了良好的動、靜態(tài)性能，采用適當(dāng)頻率的PWM信號時，PSD可得到如圖1和圖2所示的運(yùn)行曲線。由此可知，無刷永磁直流電動機(jī)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便、準(zhǔn)確，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣意義。

[1]張琛.直流無刷電動機(jī)原理及應(yīng)用[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]宋書中，常曉玲.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]吳守箴，臧英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1995.

[4]孫曉霞.永磁無刷直流電動機(jī)的設(shè)計和仿真研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[5]方力.基于單片機(jī)的直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械制造與自動化，2011，40（6）：175-177.