趙 斌
(佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,廣東佛山528000)
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(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械換向器,使這種電動(dòng)機(jī)不但保留了直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn),而且具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)正好符合了地鐵站臺(tái)門(mén)(Platform Screen Door,PSD)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的各項(xiàng)要求。
PSD安裝在地鐵、輕軌、列車客運(yùn)站的站臺(tái)兩側(cè),將站臺(tái)與列車軌道區(qū)域隔離。在列車到站后,PSD與列車門(mén)同步打開(kāi)和關(guān)閉,供乘客上下車。PSD可保證乘客的安全,同時(shí)也可為車站節(jié)省40%的空調(diào)冷(熱)量[1]。
PSD的開(kāi)門(mén)速度要遵循“慢—快—慢”的速度曲線,關(guān)門(mén)速度要遵循“快—慢—更慢”的速度曲線,各個(gè)速度轉(zhuǎn)換區(qū)域的曲線要求平滑,無(wú)沖擊,如圖1、圖2所示。
圖1 PSD開(kāi)門(mén)速度曲線
圖2 PSD關(guān)門(mén)速度曲線
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(shí)現(xiàn)全數(shù)字式控制,通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓以實(shí)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(dòng)機(jī)繞組的平均電壓,從而控制了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這里通過(guò)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(guò)P1.1口輸出高低電平控制電動(dòng)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??刂圃砣缦拢簩纹瑱C(jī)的P4.0口作為PWM輸出口,和P5口同接在或非門(mén)的輸入端,當(dāng)P4.0輸出為高電平時(shí),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(shí),則主電路中的6只MOSFET仍然受P5口的控制去進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的正常換向。因此,只需對(duì)P4.0輸出的PWM波占空比進(jìn)行控制,就可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
換相是通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器來(lái)實(shí)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(hào),使用3只霍爾元件,它們?cè)诳臻g的布置滿足相隔空間機(jī)械角度α=2π/3p(p為極對(duì)數(shù))的條件。
此系統(tǒng)六極電動(dòng)機(jī)的3個(gè)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(guò)霍爾元件H1、H2、H3時(shí),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(hào),如圖3(a)所示。H1、H2、H3三路位置信號(hào)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(kāi)關(guān)的使能信號(hào),如圖3(b)所示[3]。
圖3 正轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)有關(guān)波形
通過(guò)改變定子繞組的換相次序即可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向,換相表如表1所示。
表1 換相表
此系統(tǒng)需要PSD位移和速度一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,那么首先要對(duì)位移和速度進(jìn)行精確的測(cè)量。這里直接利用控制換相的霍爾傳感器發(fā)出的脈沖來(lái)反映電動(dòng)機(jī)的位移和轉(zhuǎn)速[4]。
若只需檢測(cè)一個(gè)霍爾元件H1的脈沖個(gè)數(shù)n,那么PSD的位移量s如式(1)所示:
式中,p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù);d為PSD的傳動(dòng)元件螺母螺桿副旋轉(zhuǎn)一圈PSD所走過(guò)的路程。
在此系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中,是把PSD從全開(kāi)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(shí),PSD以勻速?gòu)娜_(kāi)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(gè)數(shù)N,那么螺母螺桿副旋轉(zhuǎn)一圈PSD所走過(guò)的路程d=D/(N/p)。計(jì)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(shí)時(shí)計(jì)算出PSD的位移量了。
如圖3(a)所示,單片機(jī)自動(dòng)捕捉到霍爾傳感器信號(hào)的兩個(gè)上升沿,通過(guò)計(jì)算兩個(gè)上升沿的時(shí)間間隔T及在T內(nèi)計(jì)得的時(shí)鐘脈沖φ的個(gè)數(shù)m,則通過(guò)公式f=1/T=1/(mφ),即可得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
得到電動(dòng)機(jī)的位移和速度后,根據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的ROM中圖1和圖2的數(shù)據(jù)表,通過(guò)查表的方式來(lái)找出PSD在s1位移點(diǎn)時(shí)的整定速度v1,然后比較整定速度v1和在s1位移點(diǎn)時(shí)實(shí)測(cè)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(hào)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(dòng)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(hào)ur,原理同上,直到達(dá)到整定值v1。
由電機(jī)學(xué)可知,電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為式(2):
在通電期間,電動(dòng)機(jī)的帶電導(dǎo)體處于相同的磁場(chǎng)下,各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如式(3)所示:
式中,n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;φm為主磁通;p為極對(duì)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(dòng)勢(shì)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(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式和普通直流電動(dòng)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(hào)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(hào)與整定的轉(zhuǎn)矩?cái)?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(guò)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。
綜上所述,無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)在PSD中的應(yīng)用主要包括了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(shí)踐表明,該系統(tǒng)在運(yùn)行中獲得了良好的動(dòng)、靜態(tài)性能,采用適當(dāng)頻率的PWM信號(hào)時(shí),PSD可得到如圖1和圖2所示的運(yùn)行曲線。由此可知,無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便、準(zhǔn)確,具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣意義。
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