城軌塞拉門控制系統虛擬樣機建立方法研究

王祖進，史 翔，貢智兵，顧萍萍，譚文才，王 衛

（1. 南京康尼機電股份有限公司，江蘇 南京 210038；2. 南京工業大學，江蘇 南京 210009）

0 引言

傳統的軌道塞拉門設計常采用方法是先進行門系統的需求分析，然后生產研制出樣機，然后再進行門系統的工作運行實驗，當通過實驗發現問題時，需要修改設計，再加工樣機，再進行樣機實驗，如此反復進行，設計開發過程周期長、成本高。

隨著計算機技術的快速發展而發展起來的控制系統虛擬樣機技術[1-5]，是以控制理論為核心，加上成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界面技術，將分散的設計和分析技術集成在一起對設計產品進行虛擬性能測試的一種高新技術。它可以在很短時間內完成多次物理樣機無法完成的仿真試驗，分析不同的設計方案，直至獲得樣機模型整機系統的優化方案。另外，還能夠進行系統不同工況的試驗，如不同溫度下的性能測試等。利用虛擬樣機技術不但可以降低開發成本、縮短開發周期，而且可以極大地提高產品設計的質量[6-8]。

因此，本文采用虛擬樣機技術，建立塞拉門控制系統虛擬樣機仿真平臺，為門系統的設計提供一種仿真模型，降低開發成本、縮短開發周期，提高產品設計的質量，具有很高的經濟效益。首先建立直流無刷電機的仿真模型[9-13]，然后對電源電壓、采樣時間、載波頻率等參數進行設置，采用速度單閉環控制對電機的空載轉速和額定轉速進行驗證，采用速度、電流雙閉環控制對參考輸入速度曲線進行仿真分析，將仿真結果和實驗結果進行對比，最后根據對比結果對PI（Proportional Integral，比例積分）參數進行調整，得到控制系統的虛擬樣機模型。

1 建立電機仿真模型

在Matlab/Simulink軟件環境下，對直流無刷電機進行建模[14-15]，包括：電機本體建模、三相逆變器建模、換向邏輯控制建模、轉速控制建模等。其中采用永磁同步電機模塊來搭建直流無刷電機，選用直流電壓源，三相逆變器采用Universal Bridge模塊，換向邏輯控制模塊利用三個霍爾傳感器信號、PWM 信號和轉速信號組合解碼生成逆變橋開關器件的控制信號，整個控制系統采用PWM調速。

2 參數設置

對電機仿真模型的仿真參數進行設置，其中電機本體的參數設置如表1所示；電源電壓為110 V；三相逆變器的參數設置如表2所示；PWM生成器的載波頻率為20 kHz。

表1 電機參數設置Tab.1 Parameters setting of the motor

3 單閉環控制

電機仿真模型建立好以后，需要對模型和參數的準確性進行驗證，為此搭建了如圖1所示的單閉環控制系統仿真模型。設置采樣時間為5×10-6s，電機的空載轉速為 4200 rpm，電機的額定轉速為3200 rpm，電機的額定扭矩為0.45 N.m，所以控制系統輸入的目標速度為 4200rpm，電機的負載 Tm采用階躍信號，在0到0.1秒之間Tm的值為0，0.1秒以后Tm的值為0.45。

表2 三相逆變器參數設置Tab.2 Parameters setting of the three-phase inverter

設置仿真時間為0.2 s，調整PI參數，得到電機的轉速曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，仿真模型中電機的空載轉速約為4200 rpm，電機的額定轉速約為3200 rpm，從而表明建立的電機仿真模型和設置的參數是正確的。

4 雙閉環控制

城軌塞門控制系統采用的是速度和電流雙閉環控制，根據實際門控器的控制邏輯建立雙閉環控制系統仿真模型，包括：內環電流PI控制和外環速度PI控制，如圖3所示。設置采樣時間為1×10-5s，控制系統輸入的參考速度曲線如圖4所示。根據輸入速度曲線，將塞拉門的運動過程分為6個不同的工作區域，即啟動段、加速段、高速段、減速段、緩行段和加強段，每個運動階段采用不同的PI參數進行控制。對塞拉門系統進行實驗測試，得到電機輸出扭矩曲線，如圖5所示，以實驗得到的電機輸出扭矩作為電機的負載Tm。

5 仿真分析

圖1 單閉環控制系統Fig.1 Single closed loop control system

圖2 電機轉速仿真結果Fig.2 Simulation results of the motor speed

設置仿真時間為 3 s，調整各個運動階段的 PI參數，得到電機的轉速曲線和電機的驅動電流曲線。對塞拉門系統進行實驗測試，得到電機的轉速曲線和電機的驅動電流曲線。將仿真結果與實驗結果進行比較，如圖6和7所示。若電機轉速和電機電流的誤差小于5%，說明所建模型的準確性及仿真分析的可行性；若兩者誤差大于5%，說明所建模型與真實模型存在較大的誤差，調整PI參數，直至兩者誤差小于5%，至此，得到控制系統的虛擬樣機模型。

6 結論

基于Matlab/Simulink的模擬仿真功能，提出了一種城軌塞拉門控制系統虛擬樣機建立方法。對整個門系統的控制過程進行了仿真，得到了電機的輸出轉速和驅動電流，并與實驗數據進行了對比，根據對比結果對PI參數進行了調整，最終得到了高精度的虛擬樣機模型。文中方法避免了傳統分析方法需要在實際樣機完成后才能進行的缺點，直接通過計算機虛擬環境就可以定量、準確分析門系統的控制性能，可大大降低開發成本、縮短開發周期，降低產品開發的風險。該方法還可以推廣應用到其他類似的復雜控制系統的仿真分析中，實現快速、高質量、低成本的設計目標，具有很高的參考價值。

圖3 雙閉環控制系統Fig.3 Double closed loop control system

圖4 參考速度曲線Fig.4 Reference velocity curve

圖5 電機的輸出扭矩曲線Fig.5 Output torque curve of the motor

圖6 電機轉速的結果對比Fig.6 Results comparison of the motor speed

圖7 電機電流的結果對比Fig.7 Results comparison of the motor current

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