无刷永磁直流电动机在地铁站台门中的应用探讨

龙仲

摘    要：随着我国经济的高速发展，对交通的需求量不断增加，各种地铁工程越来越多。地铁站台门是地铁站的重要组成部分，其运行质量，直接关系到乘客的安全。为了进一步提高地铁站台门的工作效果，可以将无刷永磁直流电动机有效应用其中。为此，我将要在本文中对无刷永磁直流电动机在地铁站台门中的应用进行探讨，希望对促进我国地铁交通事业的发展，可以起到有利的作用。

关键词：无刷永磁直流电动机;地铁站台门;应用

1  前言

随着电子技术、功率元件和高性能永磁技术的不断发展，无刷直流电动机的技术越来越成熟，其采用电子换向器来取代了传统的机械换向器，还可以有效保留直流电动机运行效率高、无励磁损耗、调速性能好的优点，其结构也比较简单，后期的维护难度较小。由于无刷直流电动机具有这些优点，其非常适合在地铁站台门中进行应用。

2  地铁站台门的运动要求

地铁站台门被设置在客运站和轨道之间，可以将乘客与轨道安全隔离起来。在列车到来之后，地铁站台门可以同步打开和关闭，能够保证乘客安全上下车。通过台门的使用，还可以有效节约地铁站空调的使用量。在地铁站台门运行的过程中，其遵循慢、快、慢的速度曲线，缓慢进行启动，然后快速将门打开，在最后再将门缓慢关闭。

3  无刷直流电机的控制原理

无刷直流电机采用的是三角形连接，功率元件采用的是两两通电的方式。其内部采用了单片机系统进行控制，通过脉宽调制技术对电枢的电压进行控制，从而实现调速的目的。通过改变脉冲的宽度，来有效改变电枢电压的有效值，从而达到控制电机转速的目的。在这个过程中，单片机是通过P4.0口，来输出pwm波的，通过P1.1口来控制电机的启停。

在系统工作过程中，其功率元件V1-V6需要受到PWM波的控制。如果P4.0输出为高电平，其电路当中的V2、V4、V6就会被封死，只有在P4.0口为低电平时候，才可以控制电机正常进行换向。因此，只需要对P4.0口进行控制，就可以对电机的转速进行控制。

电机的换相操作是依靠位置传感器来完成的，在该系统中采用的是磁敏式的转子位置传感器，从而有效获得相位相差120度、宽度为180度的方波信号，其采用了3只霍尔元件，在空间布置上，满足电机极数的要求。

4  检测反馈

位置反馈。在实际对位置进行反馈的过程中，采用的是编码器来提取位置信号的。地铁站台门采用的丝杠螺母传动机构，电机首先通过齿轮传动的方式来带动丝杠进行旋转，丝杠带动螺母进行前后运动，门是和螺母固定在一起的。编码器安装在丝杠的末端，能够跟随丝杠一起转动。编码器使用的是1000线的增量式编码器，工作过程中可以输出两路差分信号。通过将这些差分信号输入到单片机专用的QEP编码控制端口，可以提取出编码器的各种信息，实现对编码器的脉冲进行计数，得到丝杠的转速和转动方向，这些量在台门闭环控制中发挥着非常重要的作用。

其电流采用的模糊控制方法，通过控制电机的电流，就可以控制电机的扭矩输出。在进入到PWM波中断后，就会启动单片机的AD采集功能，对电机电枢绕组的电流进行采集，然后得到电流目标值和实际值的误差Δi。为了尽量较少Δi，启动用了电流模糊控制对电机电枢绕组实际电流值进行控制。通过PWM中断系统建立对电机电流控制系统，就可以直接完成对电机电枢绕组电流控制，进而控制电机的运行状态，在需要改变电机运转速度时，对目标电流进行控制即可，为了保证对电流的控制精度，对电流采用了模糊控制方法。单片机对采样电阻的电位进行采样后，就可以得到电机绕组当前的电流值is，通过和参考电流值求差，得到偏差量Δi，该偏差值被送入到模糊控制器进行模糊推理，经过模糊推理得到模糊控制量，通过对该量进行去模糊化处理，就可以得到PWM波的占空比，进而对H桥电路进行控制，让电机绕组电流跟随参考电流进行变化，减少Δi。

电机的实际控制过程中，为了实现对电机运行速度的准确控制，对电机速度采用了PI控制算法。PI调节器在电机控制系统中非常常用，PI调节器的工作原理是通过将给定值和反馈值进行比较得到差值，然后利用该差值来调节受控量，有效减少反馈值和给定值的误差。PI调节器在模拟系统中的应用规律为：

由于DSP属于离散运算器，需要采用差分方程的形式，通过离散化处理可以得到：u（k）=Kpe（k）+[u1]（k），这种差分方程的近似性比较好，但每次都需要对e（i）进行累加，计算量比较大。为了降低程序运算量，人们提出了增量式PI算法。第k拍控制量可以写成u（k）=u（k-1）+[Δu]（k），可以根据当前的偏差和上一拍的控制量和偏差，计算出累加求出前拍控制量u（k），这样进一步简化PI算法程序，提高程序的执行效率。

为了实现电机对位置的闭环控制，采用了增量离散PI软件控制算法。在无刷直流电机的控制过程中，通常采用的是脉冲、方向控制方式，外部脉冲通过单片机的IO引脚进入到芯片内部，通过内部脉冲触发电路启动DSP的外部中断，中断程序负责对脉冲进行计数，如果此时方向信号为正，则总脉冲信号加一，如果方向信号为负，则总脉冲信号减一。通过脉冲数量和角度值的换算，就可以得到步进电机的位置控制值SL，然后被送入到电机PI位置闭环控制模块，实现对无刷直流位置闭环控制。

电源失压保护。电源能否正常供电，对电机驱动器的正常工作有着非常直接的影响，一旦电源不能正常供电，驱动器电路中的各种元器件就不会正常工作，大功率器件可能出现失控的现象，对电路安全造成直接的影响。为此，在电路中增加了外部电压检测模块，通过采样电阻对外部電压进行采样，并启用单片机的AD采集功能，得到该采样电阻的电压值，经过对该电压值的换算，就可以得到电源电压，一旦检测到电源电压低于标准电压，就会将功率电路关闭，避免大功率电路出现失控的现象，提高硬件电路的安全性，并会驱动报警灯闪烁，提醒相关人员及时对故障进行处理。

5  结语

随着时代的不断发展，对地铁站台门控制提出了更高的要求，我们应该做好对台门系统的优化和改造工作，使用更加先进的永磁无刷直流电机系统，提高台门运行动态特性，还能进一步提高系统运行稳定性。

参考文献：

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