SVPWM技术在车辆门上的应用

肖 义，王 啸，梅嘉伦

(宁波中车时代电气设备有限公司门系统技术中心，浙江 宁波 315000)

0 引言

轨道交通车辆门是旅客上下车及列车发生火灾时的主要疏散通道，是车辆人机接口的关键部件之一。电动机作为车门动作的驱动部件，对其控制技术的研究与实现是整个车辆门控制系统最为重要的部分。目前，车辆门大多使用直流无刷电机(BLDC)，采用方波脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)调制方式。空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)就是通过逆变器不同的开关模式所产生的实际磁场去逼近理想的圆形旋转磁场，从而形成PWM波。SVPWM把逆变器和电机看成一个整体来处理，相比于传统的方波控制来说具有转矩脉动小、噪声低、电压利用率高等优点，被广泛应用于开环系统和闭环系统中。

1 方案设计

1.1 整体方案

本系统采用电流环和速度环的双闭环方案[1]实现对电机速度的控制，最终体现在车辆门上为实现对车门速度的控制，整体方案如图1所示，具体步骤如下：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(1)

由于存在积分饱和现象，采用积分限幅算法，即当积分项输出I达到输出限幅值时，停止对积分项的计算，此时积分项的输出取上一时刻的积分值。对于参数的计算和调整方法如下[4]：(1)采用“齐格勒-尼克尔斯经验法”确定初始值，首先只使用比例系数P，逐渐增加P直至系统出现等幅振荡，记录此时P的值以及振荡周期T，根据公式：Kp=0.6P，Ki=0.5T，Kd=0.125T，得到PID参数初值。(2)根据实际情况调整参数，本系统将调整时间和最大超调量作为控制质量的依据，因此，通过联合调节Kp和Ki在避免调整时间过长的同时减少最大超调，再通过Kd进一步调整系统稳定性。

(2)速度环控制。电机速度通过一段时间内编码器数值可以计算得到，将实际速度反馈和给定的速度进行PID调节，参数调节方案与电流环一致，其输出值当做转矩电流的给定值。在本方案中，励磁电流PID的给定值是固定为零，速度PID输出值只当作转矩电流量PID的给定值，此时转矩与电流成正比，而加速度与转矩成正比，因此可以有效控制速度。通过双闭环得到uq和ud后，利用适当的坐标变换，如CLARKE逆变换，变为三相电压，再利用PWM脉宽调制形成相应的PWM波形输出，从而驱动电机转动。

图1 车辆门系统控制框图

1.2 脉宽调制技术

PWM控制技术就是对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲(方波)，用这些脉冲来代替所需要的波形。通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压幅值，可以通过改变调制波的频率来改变输出电压的频率。图2为三相逆变器，通过控制三相上下六个桥臂的通断使得电流以设定的方式通过三相绕组就可以驱动电机。

图2 三相逆变器

直流无刷电机和交流电机的定子一般有三相绕组，电流通过每相绕组产生一个磁场矢量，该磁场矢量与其他绕组的磁场求和，可以产生任意方向和幅值的磁场矢量和，而这个合成的磁场和转子磁场之间的作用力就形成了使电机旋转的转矩。为了实现平滑稳定的转矩控制，一个良好的控制方案应该以形成幅值恒定的圆形旋转磁场为目标。

目前在车辆门领域最为常用的是普通的方波PWM控制方式。在这种方式下，电流通过三相绕组在空间上产生六个方向的合成磁场矢量。当电机转动时，通过在空间分布的霍尔传感器得到转子所在的位置，每60°进行一次换相。这种三相六拍的控制方式产生一个近似平滑的电流空间矢量，但是其分布在六个离散的方向且有直流换相的突变，会导致转矩的脉动和运行噪声，在低速转动时尤为明显。

方波PWM方式难以实现低速时光滑平稳的电机控制，而正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)则解决了这个问题。SPWM技术就是通过脉宽调制用一组等高不等宽的矩形波(方波)来近似代替正弦波，使绕组中产生相隔120°的正弦电流。由于电机相电流为正弦且连续变化，无换相电流突变，在空间形成的磁场是幅值恒定的圆形旋转磁场，与传统的方波控制相比，可以很好地消除转矩脉动，降低电机运行噪声。

电压空间矢量PWM(SVPWM)的出发点与SPWM不同[5]，SPWM调制是从三相交流电源出发，其着眼点是如何生成一个三相对称正弦电源，而SVPWM是将逆变器和电动机看成一个整体，其着眼点是如何形成一个圆形旋转磁场。SVPWM用8个基本电压矢量合成空间期望分布的电压矢量，其所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，并由产生圆磁通的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。SVPWM比SPWM的电压利用率高15%，这是两者最大的区别，同时，SVPWM形成的圆形磁场更加稳定，因此选用SVPWM为控制方案。

2 理论原理

圆形旋转磁场的方法如下。获得根据磁链和电压空间矢量的关系[6-7]，交流电动机定子绕组的电压平衡关系式为：

(2)

其中，Is为定子三相电流的合成空间矢量，Rs为定子电阻。当电动机有一定转速时，RsIs在式(2)中所占的比例很小，则式(2)可近似看作：

(3)

(4)

这样，控制电动机旋转磁场的轨迹就等效于控制电压空间矢量的运动轨迹。图3为三相交流电合成的空间电流矢量Us：

Us=UA0+UB0+UC0=usejω1t

(5)

可知，合成空间矢量Us以电源角频率ω1的角速度在空间作圆形旋转，即磁链空间矢量的轨迹也为圆形。结合磁链旋转的角度，将Us进行park逆变换(park-1)，见式(6)、(7)，其中θ为转子所在的角度，可以给出两相静止坐标系即(α，β)坐标系电压空间矢量的分量uα、uβ，这两个变量经过脉宽调制模块(SVPWM)，得到逆变器所需要的六路PWM波，可生成近似正弦波的信号，电动机就会转起来[8]。

uα=uscosθ

(6)

uβ=ussinθ

(7)

图3 定子空间坐标系

(8)

扇区以及基本矢量确定之后，就可以利用一些方法将扇区边界上的两个基本矢量合成所需的矢量U，常用的为线性组合法。线性组合法把每一扇区分成若干个时间间隔为T0的小区间，插入线性组合的新电压空间矢量Us，以获得逼近圆形的旋转磁场[10-11]。根据伏秒平衡原则，以第三扇区为例，通过关系式(8)和基本矢量的值即可以确定基本矢量的作用时间t1、t2。而SVPWM又分为五段式和七段式，七段式的SVPWM在每个PWM调制周期内SA、SB、SC有7种开关状态，它除了相邻矢量的作用时间外，通过插入(000)、(111)补全整个周期，相比于五段式，七段可实现每次切换只有一个开关动作，图5为第3扇区的七段式SVPWM。

=uα+juβ

(9)

图4 电压空间矢量扇区

图5 七段式SVPWM

3 应用验证

硬件平台为由TI公司的DSP芯片和相应外围电路组成的控制器，软件平台为CCS。所得到的实际输出的SVPWM波形如图6所示，此时，三项相电流为正弦波，采集到的U相电流如图7所示。

图6 三相PWM波形输出

车辆门一般运行在速度较低的状况下，且直接面向乘客，若车门运行时发生抖动和噪音，会在一定程度上影响乘客的乘坐体验。图9、图10和图11为在带门机负载的情况下，分别使用传统的方波PWM驱动、SPWM驱动以及本文提出的SVPWM驱动时带门机负载的情况下，速度电流双闭环的跟踪结果。

图7 U相电流

图8 电流跟踪曲线

图9 PWM控制速度曲线

图10 SPWM控制速度曲线

图11 SVPWM控制速度曲线

根据图10可以看到，给速度一个设定值±25 cm/s，通过速度PID控制器的调节，速度达到设定值且较为平稳，最终选取的参数为Kp=0.28，Ki=0.01，Kd=0.1，速度采样点间隔为2 ms。速度环的输出作为q轴电流的设定值，d轴电流的设定值为零，以此实现最大转矩控制，图8为电流跟踪结果，电流反应速度快，且通过电流PID控制器的调节可以实现较为平滑的跟踪曲线，最终选取的PID参数为Kp=0.4，Ki=0.05，Kd=0.5，电流采样点间隔为0.1 ms。通过比较分析可以知道，图9速度出现一定范围的抖动且实际运动中有轻微的噪声，而图10、图11的运动情况相对平滑且没有明显的噪声出现。在此基础上比较输入电压可以得出，SVPWM电压利用率高于SPWM。

4 结论

本文在分析车辆门电机控制方案的基础上，主要研究了空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)在车辆门上的应用，实现了车辆门领域上电机控制的应用创新。通过对PWM、SPWM和SVPWM原理的分析可知，相比于传统的控制方式来说，SVPWM技术可以使速度控制更加平滑，转矩脉动小、噪声低、效率高，最终成功在车辆门上得到验证，车门以稳定的速度进行平滑的开关门运动，效果良好。