CN103780168A - 一种用于地铁屏蔽门的无刷直流电机滑模控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于地铁屏蔽门的无刷直流电机滑模控制系统，由滑模变结构控制器，电流调节器，PWM驱动电路，逆变器，BLDCM以及位置检测装置等部分组成；整个系统采用双闭环控制系统，内环采用传统的PI控制器，外环采用滑模变结构控制器。现今的地铁屏蔽门无刷直流电机控制系统均采用传统的PID，其过于依赖控制对象的模型参数，鲁棒性差，响应速度不够快。本发明采用的控制算法简单、响应速度快、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识。

Description

一种用于地铁屏蔽门的无刷直流电机滑模控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于地铁屏蔽门无刷直流电机滑模控制系统。

背景技术

随着轨道交通的服务水平的不断提高。对乘客的安全，车站环境及节能的要求也不断的提高。屏蔽门系统正是因为轨道交通的这些需要而产生的。地铁屏蔽门的执行电机通常采用无刷直流电机，无刷直流电机是一个多变量、强耦合的非线性系统。传统的无刷直流电机的控制系统为PID系统，PID系统过于依赖控制对象的模型参数，鲁棒性差，实际生产现场条件难以达到最优状态。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种用于地铁屏蔽门的无刷直流电机滑模控制系统，该控制算法简单、响应速度快、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识。

具体来说，本发明采用的技术方案如下：

一种用于地铁屏蔽门的无刷直流电机滑模控制系统，由滑模变结构控制器、电流检测模块、电流调节模块、PWM模块、逆变器模块和无刷直流电机BLDCM、速度计算模块和位置检测装置组成，其特征在于：该无刷直流电机滑模控制系统采用双闭环控制，即速度环作为外环，通过位置检测送到速度计算模块来实现速度计算，计算的速度与预定的速度相比较，送到滑模变结构控制器作为速度环的输入，采用滑模变结构控制器进行调节来提高系统的响应速度，增强系统的鲁棒性；电流环作为内环，其中电流环以检测到的逆变器输出的电流作为反馈电流，与滑模变结构控制器输出的参考电流作为电流环的输入。

优选地，所述滑模变结构控制器采用饱和函数的方法代替了符号函数，降低抖振。

有益效果：本发明由于采用滑模变结构控制器进行调节，系统的响应速度得到提高，鲁棒性得到增强。并且采用饱和函数的方法代替符号函数，能够降低普通滑模控制中存在的抖振。

附图说明

图1是滑模变结构控制器结构框图。

图2是屏蔽门理想速度曲线和滑模控制的位置跟踪曲线。

图3是地铁屏蔽门无刷直流电机控制系统设计框图。

具体实施方式

针对上述缺陷，本发明提供了一种用于地铁屏蔽门的无刷直流电机滑模控制系统，该控制算法简单、响应速度快、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于地铁屏蔽门的无刷直流电机滑模控制系统，由滑模变结构控制器、电流检测模块、电流调节模块、PWM模块、逆变器模块和无刷直流电机BLDCM、速度计算模块和位置检测装置组成；采用双闭环控制，即速度环作为外环，通过位置检测模块送到速度计算模块来实现速度计算，计算的速度与预定的速度相比较，送到滑模变结构控制器作为速度环的输入，采用滑模变结构控制器进行调节来提高系统的响应速度，增强系统的鲁棒性；电流环作为内环，其中电流环以检测到的逆变器输出的电流作为反馈电流，与滑模变结构控制器输出的参考电流作为电流环的输入。

在实际实施中,所述滑模变结构控制器的设计包括对被控系统的状态描述、切换函数的设计、控制律的选取以及稳定性分析。

具体设计步骤如下：

步骤一：建立无刷直流电机的非线性模型：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x_1}=x_2\\ \stackrel{\·}{x_2}=-\frac{r_{a}J+B_v{L}_a}{L_{a}J}{x}_2-\frac{B_v{r}_a+k_e{K}_T}{L_{a}J}{x}_1+\frac{B_v{r}_a+k_e{K}_T}{L_{a}J}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}-\frac{K_T}{L_{a}J}u+\frac{r_a{T}_1}{L_{a}J}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中:r_a为绕组线电阻；k_e为线反电势常数；K_T为电机转矩系数；x₁＝w_ref-w；w为电机角速度；w_ref为系统的参考角速度。

步骤二：切换函数的设计：

设计滑模切换函数为：

s＝c₁x₁+c₂x₂    （2）

式中：c₁,c₂为常数

步骤三：控制律的选取：

系统的控制律结构选取如下

u＝u_eq-αsgn(s)    （3）

式中：u_eq为等效控制，

步骤四：稳定性分析

系统的稳定性根据定义的Lyapunov函数

通过Lyapunov稳定性理论可得：

$\frac{1}{2}\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(s^2\right)=s\stackrel{\&CenterDot;}{s}<0---\left(4\right)$

即滑模进入条件。

为了消除抖振，可采用饱和函数方法，即用sat(s)代替sgn(s)。

$\mathrm{sat}\left(s\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \frac{s}{\mathrm{\&eta;}}>1\\ \frac{s}{\mathrm{\&eta;}}& \left|\frac{s}{\mathrm{\&eta;}}\right|\&le;1\\ -1& \frac{s}{\mathrm{\&eta;}}<-1\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中：η为很小的正常数。

所述地铁屏蔽门无刷直流电机控制系统由滑模变结构控制器，电流调节器，PWM驱动电路，逆变器，BLDCM以及位置检测装置等部分组成。

其中，速度环作为外环，采用滑模变结构控制器进行调节，来提高系统的响应速度，增强系统的鲁棒性。

速度环通过位置检测送到速度计算模块来实现速度计算。计算的速度与预定的速度相比较，送到滑模变结构控制器作为速度环的输入。

电流环作为内环，采用PI调节，当电流给定值发生变化时，PI控制方式可以迅速的做出响应，使输出电流跟踪给定电流的变化。

电流环以检测到的逆变器输出的电流作为反馈电流，与滑模变结构控制器输出的参考电流作为电流环的输入。

驱动电路采用PWM调制方式，通过给定电流值与检测电流值偏差作为PWM的输入控制信号，从而驱动电机。

下面结合附图对本发明近一步详细描述。

以地铁屏蔽门无刷直流电机控制系统为例进行说明。

地铁屏蔽门执行电机一般采用无刷直流电机，无刷直流电机的数学模型为如下非线性模型：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{x_1}=x_2\\ \stackrel{\&CenterDot;}{x_2}=-\frac{r_{a}J+B_v{L}_a}{L_{a}J}{x}_2-\frac{B_v{r}_a+k_e{K}_T}{L_{a}J}{x}_1+\frac{B_v{r}_a+k_e{K}_T}{L_{a}J}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ref}}-\frac{K_T}{L_{a}J}u+\frac{r_a{T}_1}{L_{a}J}\end{array}\right.---\left(6\right)$

取r_a=0.66Ω；k_e＝0.067V/(rad/s)；K_T＝0.073N*m/A；

J＝1.57×10^-5kg*m²；L_a＝1.4mH；B_V＝6.59×10^-6N*m(rad/s)。

应用滑动模态方程的等效控制法：

令 $\stackrel{\&CenterDot;}{s}=0,$ 即 $c_1\stackrel{\&CenterDot;}{x_1}+c_2\stackrel{\&CenterDot;}{x_2}=0---\left(7\right)$

带入式（6）可得：

$u_{\mathrm{eq}}=-\frac{L_{a}J}{K_T}((\frac{c_1}{c_2}+\frac{r_{a}J+B_V{L}_a}{L_{a}J})x_2+\frac{B_V{r}_a+k_e{k}_T}{L_{a}J}{x}_1+\frac{B_V{r}_a+k_e{k}_T}{L_{a}J}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ref}}+\frac{r_a{T}_l}{L_{a}J})---\left(8\right)$

由式（4）得

$s(c_1\stackrel{\&CenterDot;}{x_1}+\stackrel{\&CenterDot;}{c_2{x}_2})<0---\left(9\right)$

将式（3）（6）（8）带入式（9）可确定式（3）中的α取值。

将α和u_eq的值带入式（3）即可求出控制u的大小

由于滑模控制的抖振是必定存在的，所以为了消除抖振，可采用饱和函数方法，即用sat(s)代替u中的sgn(s)。

$\mathrm{sat}\left(s\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \frac{s}{\mathrm{\&eta;}}>1\\ \frac{s}{\mathrm{\&eta;}}& \left|\frac{s}{\mathrm{\&eta;}}\right|\&le;1\\ -1& \frac{s}{\mathrm{\&eta;}}<-1\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中：η为很小的正常数

如图1所示即为滑模变结构控制器的结构框图。

当s(x)＞0时开关切换到u⁺(x)状态，当s(x)＜0时开关切换到u^-(x)状态。得到的输出u作为输入送到无刷直流系统就可得到系统的输出x。

为了验证滑模变结构控制器的可行性，利用matlab对其进行仿真。

输入速度以地铁屏蔽门系统为例，地铁屏蔽门在关闭或者打开的时候需要3秒左右的时间，运动过程包括加速，匀速，减速，再匀速，再减速过程。

图2上侧图即为屏蔽门理想的速度曲线，下侧图为滑模变结构控制器的位置跟踪曲线，其中横坐标代表时间t/s，纵坐标代表门机速度响应速度，可以看出滑模变结构控制器具有很好的响应速度和鲁棒性。

图3所示为地铁屏蔽门无刷直流电机控制系统。

控制系统主要由滑模变结构控制器，电流调节器，PWM驱动电路，逆变器，BLDCM以及位置检测装置等部分组成。

其中，速度环作为外环，采用滑模变结构控制器进行调节，来提高系统的响应速度，增强系统的鲁棒性。

速度环通过位置检测送到速度计算模块来实现速度计算。位置检测主要通过HALL位置传感器检测电机转子的位置来实现。速度计算模块是利用旋转编码器来实现，旋转编码器与电机同轴相连，当电机转动时，带动编码器旋转，便发出转速信号。计算的速度与预定的速度相比较，送到滑模变结构控制器作为电流环的输入。

电流环作为内环，采用PI调节，当电流给定值发生变化时，PI控制方式可以迅速的做出响应，使输出电流跟踪给定电流的变化。电流采样通过DSP的A/D模块结合电流采样电路来实现。

驱动电路采用PWM调制方式，通过给定电流值与检测电流值偏差作为PWM的输入控制信号，从而驱动电机。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种用于地铁屏蔽门的无刷直流电机滑模控制系统，由滑模变结构控制器、电流检测模块、电流调节模块、PWM模块、逆变器模块和无刷直流电机BLDCM、速度计算模块和位置检测装置组成，其特征在于：该无刷直流电机滑模控制系统采用双闭环控制，即速度环作为外环，通过位置检测送到速度计算模块来实现速度计算，计算的速度与预定的速度相比较，送到滑模变结构控制器作为速度环的输入，采用滑模变结构控制器进行调节来提高系统的响应速度，增强系统的鲁棒性；电流环作为内环，其中电流环以检测到的逆变器输出的电流作为反馈电流，与滑模变结构控制器输出的参考电流作为电流环的输入。

2.根据权利要求1所述的用于地铁屏蔽门无刷直流电机滑模控制系统，其特征在于，所述滑模变结构控制器采用饱和函数的方法代替了符号函数，降低抖振。

Images