CN108386094A - 一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法，在对每个单门实现位置、速度闭环控制的基础上，采用自适应模糊耦合控制算法实现了双自动门同步协调控制，保证两扇门的运行状态基本一致。自动门上部安装的永磁同步直线电机电流环采用电流预测控制算法，提高了永磁同步直线电机电流环的响应速度。同时，通过一种高性能的SVPWM电流重构方法估算永磁同步直线电机的转子电流，从而实现自动门到位防撞、防夹人等功能，还节省了四个霍尔电流传感器，降低了使用成本。

Description

一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步直线电机控制技术领域，具体涉及到一种高性能的永磁同步直线电机双开自动门控制方法。

背景技术

近年来直线电机驱动的自动门因体积小、效率高、安装方便等优势正在逐渐取代传统的旋转电机加传动机构驱动的自动门，永磁直线电机单门控制系统已经开始在市场上崭露头角。双永磁同步电机的同步控制是指两个伺服系统的协调运行，不仅在速度上实现同步，在位置上也需要同步，这对于自动门系统相当重要，如果出现不同步的情况，自动门运行会出现错误，容易发生安全事故。但是自动门在长期运行中，经常会遇到受力不平衡的问题，比如导轨运行一段时间后变形倾斜、运行过程中受到外力干扰等，传统的同步控制方法都是在安装时进行调节，所以解决双自动门系统在长期运行后稳定的实时同步问题，对于双自动门控制系统极为关键。

传统永磁同步直线电机控制系统采用三闭环转子磁场定向控制，通过电流传感器采样三相电流实现电流闭环。但传统电流传感器存在成本过高、容易损坏等问题。尤其在自动门运行过程中，电流传感器损坏会导致一系列安全事故。

传统永磁同步直线电机三闭环控制系统中的电流环算法大多采用PI控制算法，电流环控制延时为2个控制周期，存在响应速度慢、超调量过高等问题。

发明内容

技术问题：本发明提供一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法，采用双自动门自适应模糊耦合控制算法实现自动门同步协调控制，电流环采用改进的预测控制方法，提高了电流的响应速度，并采用高性能的SVPWM电流重构方法，计算永磁同步直线电机电磁推力大小，在成本上节省了四个电流传感器，增强了系统的稳定性。并且针对自动门实际工作中出现的到位防撞、防夹人、手动模式等一系列问题提供了解决方法。

技术方案：本发明的永磁同步直线电机双开自动门控制方法，采用双自动门自适应模糊耦合控制算法实现自动门同步协调控制，采用高性能的SVPWM电流重构方法，计算永磁同步直线电机电磁推力大小。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1：初始化位置补偿算法、电流重构算法、控制器参数；

步骤2：确定两侧自动门宽度和减速距离；

步骤3：自动门进入正常运行工作状态，根据自动门门框上设置的红外传感器传来的高低电平开关信号，按以下方式进行实时处理：

当检测到红外传感器信号由低电平变为高电平时，认定为开门信号，启动两个自动门的永磁直线电机朝外侧开启方向运行，运行时通过二自由度自适应模糊前馈补偿算法修正两个自动门的相对位置误差；

当检测到红外传感器信号由高电平变为低电平时，认定为关门信号，启动两个自动门的永磁直线电机朝内侧关闭方向运行；

通过电流重构算法实时判断永磁直线电机电流是否异常增大，如异常增大，则判定自动门夹到人，控制两个自动门的永磁直线电机朝外侧开启方向运行；当判断电流异常增大的状况持续时间超过判断阈值时，则判断自动门为卡死状态，关断所有驱动信号，自动门切换为手动模式，使自动门在外力作用下随意运动。

进一步的，本发明方法中，步骤3中通过二自由度自适应模糊前馈补偿算法修正两个自动门的相对位置误差是根据下式计算位置补偿量：

Δp＝f(e_v，e_p，μ_A)

其中Δp是模糊控制器的输出即位置补偿量，e_v为两扇自动门上分别安装的两个永磁同步直线电机的速度之差，e_p为两个永磁同步直线电机的位置之差，μ_A为模糊控制隶属函数，通过自适应模块在线调整。

进一步的，本发明方法中，步骤3中的电流重构算法是根据永磁同步直线电机的逆变器状态来估算转子的三相电流并判断电流异常增大。

进一步的，本发明方法中，自动门的永磁直线电机的电流内环启动和运行过程中均采用电流预测控制算法进行闭环控制。

进一步的，本发明方法中，电流预测控制算法，通过下式计算永磁同步直线电机电流环控制器下一时刻的输出值：

式中，k+1表示下一时刻，k表示当前时刻，k-1表示上一时刻，k-2表示上上时刻，u_q(k-1)表示k-1时刻永磁同步直线电机q轴电压，u_q(k-2)表示k-2时刻永磁同步直线电机q轴电压，u_q(k)表示k时刻永磁同步直线电机q轴电压，i_q(k)表示k时刻q轴电流，i_q(k-2)表示k-2时刻q轴电流，Ts为采样时间，L_q为电机定子q轴电感，i_qr为期望q轴电流值，u_q(k+1)表示永磁同步直线电机电流环控制器下一时刻的输出值。

进一步的，本发明方法中，步骤2中按照如下方式确定两侧自动门宽度：控制自动门来回运动两次，到边速度为0时记录下门宽信息，来回两次运动后取四次数据的平均值作为门宽参数；按照如下方式确定减速距离：将自动门加速到电机额定速度时所运行的距离作为减速距离。

进一步的，本发明方法中，步骤3中的判断阈值为20秒到35秒。

本发明方法的步骤1中的电流重构算法为：

在每个基本电压矢量作用期间，其开关状态保持不变，电流回路固定，此时母线电流与电机绕组的相电流存在一定的对应关系。将每相桥臂上开关管导通下开关管关断的状态定义为“1”，将下开关管导通上开关管关断的状态定义为“0”，由此得开关状态为(100)时电流回路时，此时电流从A相绕组流入，B、C相绕组流出，即母线电流与A相电流一致，可以得到A相电流i_a；同理开关状态为(110)时，电流从A、B相绕组流入，C相绕组流出，即母线电流与C相电流一致，可以得到C相电流i_c。同理，如上所述，可以得出B相电流i_b。

本发明方法步骤2中计算两侧自动门宽度的方法为：

系统初次上电运行时，控制门来回运动两次，到边速度为0时微处理器(MCU)记录下门宽信息，来回两次运动后取四次数据的平均值作为门宽参数，将这两个参数写入MCU的Flash中，保证数据断电不消失。

本发明方法采用高性能的SVPWM电流重构方法，实现自动门的防夹人等功能，具体为：

根据门的位置信息和速度信息，PMLSM的霍尔传感器显示没有到边且出现SVPWM电流重构器重构出的电流异常增大时，判断有障碍物阻挡门前进，此时控制电机动子迅速反向运动，提高自动门的安全性。

自动门系统包括两组永磁同步直线电机、MCU、驱动电路、霍尔位置检测电路、红外传感器以及过压过流保护电路等。其中，每组永磁同步直线电机包括两个定子绕组和一个动子，定子绕组串联连接，动子上装有门板；每组电机两个定子绕组的中间装有三路线性霍尔传感器。针对该系统提出了一种简单低成本、高性能双电机耦合控制方法，在对每个单门实现位置、速度闭环控制的基础上，实现了双自动门同步协调控制，保证两扇门的运行状态基本一致。同时，通过一种高性能的SVPWM电流重构方法，实现电流的闭环控制，从而实现自动门到位防撞、防夹人等功能，还节省了四个霍尔电流传感器，降低了使用成本。

有益效果：本发明与现有技术比，具有以下优点：

本发明控制方法采用双自动门自适应模糊耦合控制算法实现自动门同步协调控制，传统的双自动门自适应算法大多采用PI控制算法，PI控制算法实现简单，运用广泛，但是PI控制算法是单输入单输出的控制算法，想要双自动门的位置和速度都同步，就必须采用两个PI控制器，实现复杂，参数设置繁琐。本发明提出的二自由度自适应模糊前馈补偿控制器的输入为位置和速度，输出为补偿为止，可以获得更好的同步效果，同时，本发明提出的控制器采用支持向量机来实时在线调节模糊控制的隶属函数，从而使模糊规则可以动态调整，有效地解决了因自动门长期运行导致电机不同步的问题。

本发明所述永磁同步直线电机矢量控制系统中的电流环采用了一种改进的预测控制方法，相对于传统PI调节器，改进预测方法可在实现对电流指令快速跟踪的同时避免出现超调及振荡调整过程，动态性能显著提高。相对于传统预测控制方法，改进方法仅使用一个电机参数且避开了转速等信息，在减少对模型参数准确性依赖的同时能有效避免测量噪声的影响。改进的预测控制方法，利用相邻周期的两个预测模型相减来消除定子电压中的恒定项，降低参数敏感性的同时实现对电流的闭环控制。改进预测控制方法在实现对电流指令快速跟踪的同时可避免超调和振荡调整过程，动态控制性能更优。

本发明提供一种直线电机双开自动门控制方法，采用高性能的SVPWM电流重构方法，来估算电机转子的相电流，而传统的控制方法必须有最少两项电流传感器来检测电流大小。通过对电机转子相电流的估算，双电机自动门系统就可以节省了四个电流传感器，有效地降低了成本。并且针对自动门实际工作中出现的到位防撞、防夹人、手动模式等一系列问题提供了解决方法。

附图说明

图1为本发明的硬件结构示意图

图2为双门电机结构示意图

图3为每组电机具体示意图

图4为相邻两次霍尔计算电角度分布示意图

图5为霍尔信号选通电路示意图

图6为PWM占空比更新时序图

图7为双门协调控制方法示意图

图8为自适应模糊耦合控制算法结构图

图9为理想的单次运动速度波形示意图

图10为系统软件流程图

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明的永磁同步直线电机双开自动门控制方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化位置补偿算法、电流重构算法、控制器参数；

构建双永磁同步直线电机(PMLSM)矢量控制系统，所述双永磁同步电机矢量控制系统模型包含两套PMSLM矢量控制系统和一个速度、位置补偿算法模块。PMSLM矢量控制系统包括PMLSM、四个控制器、三相全桥电压源型逆变器、霍尔传感器、SVPWM算法模块、Park变换模块、Clark变换模块、逆Park变换模块和电流重构算法模块。位置补偿算法模块采用二自由度自适应模糊前馈补偿控制器。电流控制器采用一种基于预测模型的电流控制器，速度和位置控制器采用普通PI控制器，电流重构算法模块根据母线电压推算出PMLSM实际相电流i_a、i_b、i_c。实际相电流通过Clark变换得到两相静止电流i_α、i_β。PMLSM两相静止电流i_α、i_β通过Park变换得到d-q轴电流i_d、i_q。转子实测电角度θ和转速ω由霍尔传感器得到。如图1所示，自动门系统包括两组永磁同步直线电机、微处理器(MCU)、驱动电路、霍尔位置检测电路、红外传感器以及过压过流保护电路。如图2所示，两组电机定子绕组分别串联连接，在每组定子绕组中间装有三个线性霍尔传感器。其中每一组电机的结构如图3所示，定子绕组1和2串联连接增加单门的移动距离，一组三个线性霍尔传感器装在两个绕组中间，距离为动子永磁体一对极距的三分之一，对应着120度电角度，门板负载挂在动子绕组上。理想情况下，定子和动子之间的磁密对应电角度相差120度正弦分布，有如下关系式：

式中，U_Ha，U_Hb，U_Hc为三路线性霍尔传感器输出电压经过调理电路和AD采样电路后送到控制器的值，并去除了偏置的电压值；M是传感器对应最大磁密时的电压；θ是霍尔传感器a所在位置对应的电角度。在上式的基础上，进行一些变换即可得到电角度与的U_Ha，U_Hb，U_Hc关系式，得到：

得到与动子正余弦值成正比的U_α，U_β值后，进而在控制器中进行式所示的反正切运算，即可得到区间在[0，2π]的电角度值。

每组电机的三路霍尔电压信号经MCU采集后，对每一次计算得出的位置信号进行累加，得到实时位置。考虑到自动门最快运行速度0.5m/s，两次霍尔采样间隔50μs，所以一次采样周期门最多运行25μm，远小于永磁同步直线电机的一对极距，所以在一个采样周期内，门不会运动过一整个极距，对应电角度不会跨过一整个周期即2π。如图4所示，根据门的运行状态和电角度0～2π的关系对门位置计算分为四种情况：(1)自动门正向运动且两次采集霍尔信号所对应的电角度在一个0～2π周期内；(2)自动门正向运动且两次采集霍尔信号所对应的电角度从略小于2π到跨过到下一个周期略大于0；(3)自动门反向运动且两次采集霍尔信号所对应的电角度在一个0～2π周期内；(4)自动门反向运动且两次采集霍尔信号所对应的电角度从略大于0到跨过到下一个周期略小于2π。

这四种情况判断条件和位置计算方法分别为：

式中，θ₁为前一次计算得到的电角度，θ₂为下一次计算得到的电角度，τ为永磁同步直线电机的极距。为了消除累计误差，每次检测到门回到初始位置时，将此时的位置信号置为0。而电机运行的速度可以根据位置信号对时间微分得到。如图5所示，霍尔信号选通电路，两组电机共六路霍尔电压信号，分别经由选通器，按照逻辑顺序依次由MCU控制选通，再经一路信号调理电路将0～5V的霍尔电压信号转换为0～3.3V的MCU的ADC输入信号，MCU将数据记录，等六路信号采集完，计算实时的电角度，这样可以只需要一路信号调理电路就可以分别将这六路霍尔电压输入低压MCU，节省了成本。

电流重构算法具体为：在每个基本电压矢量作用期间，其开关状态保持不变，电流回路固定，此时母线电流与电机绕组的相电流存在一定的对应关系。将每相桥臂上开关管导通下开关管关断的状态定义为“1”，将下开关管导通上开关管关断的状态定义为“0”，由此得开关状态为(100)时电流回路时，此时电流从A相绕组流入，B、C相绕组流出，即母线电流与A相电流一致，可以得到A相电流i_a；同理开关状态为(110)时，电流从A、B相绕组流入，C相绕组流出，即母线电流与C相电流一致，可以得到C相电流i_c。同理，如上所述，可以得出B相电流i_b

步骤2：确定两侧自动门宽度和减速距离；

按照如下方式确定两侧自动门宽度：控制自动门来回运动两次，到边速度为0时记录下门宽信息，来回两次运动后取四次数据的平均值作为门宽参数；按照如下方式确定减速距离：将自动门加速到电机额定速度时所运行的距离作为减速距离。

在自动门即将到达边界时，设置一段减速距离，到达减速范围内给直线电机通入相反相序电压，使门迅速减至预设的较小速度，再低速到边，防止出现到边因速度过大而反弹，理想的单次运动速度波形如图9所示。其中，减速距离不能太大也不能太小，减速距离和门的负载质量以及门行进的速度有关。PMLSM正向电磁力加速和反向电磁力减速的机械运动方程如下式：

假设正向运动的速度方向为正，并假设正反向电磁力F_e大小相同，导轨摩擦阻力相同，且忽略摩擦系数B(直线电机摩擦系数很小)。由上式可以看出，摩擦减速时方向加速度绝对值比正向加速大，由于加速时摩擦力是阻力，减速时摩擦力是助力，在电磁力相同的情况下，加速距离比减速距离长。根据这一特点可以将自动门启动时，加速到额定速度的距离作为减速的距离设定值，保证减速距离足够且不会太长。这样当门重和额定速度这两个值，导致加速距离变化时，同样减速距离也会自动适应，随之变化。

步骤3：自动门进入正常运行工作状态，根据自动门门框上设置的红外传感器传来的高低电平开关信号，按以下方式进行实时处理：

当检测到红外传感器信号由低电平变为高电平时，认定为开门信号，启动两个自动门的永磁直线电机朝外侧开启方向运行，运行时通过二自由度自适应模糊前馈补偿算法修正两个自动门的相对位置误差；

当检测到红外传感器信号由高电平变为低电平时，认定为关门信号，启动两个自动门的永磁直线电机朝内侧关闭方向运行；

通过电流重构算法实时判断永磁直线电机电流是否异常增大，如异常增大，则判定自动门夹到人，控制两个自动门的永磁直线电机朝外侧开启方向运行；当判断电流异常增大的状况持续时间超过判断阈值时，则判断自动门为卡死状态，关断所有驱动信号，自动门切换为手动模式，使自动门在外力作用下随意运动。

电流预测控制算法具体实施为：

永磁同步电机定子电压方程为：

采用数字控制方式时，典型的电流采样和PWM占空比更新时序如图6所示。进入当前控制周期(kT_S)后，采样得到当前电流值(i_d(k)，i_q(k))并与给定值(i_dr，i_qr)比较，运行电流环得到需要施加的电压矢(u_d(k+1)，u_q(k+1))。受硬件条件限制，当前控制周期kT_S计算得到的电压矢量通常需要等到下一个控制周期(k+1)T_S期间再施加。等到下一周期结束时，电流才有可能跟踪上本周期的电流指令(i_dr，i_qr)。基于这样的分析，以q轴电压方程为例，在(kT_S)至(k+2)T_S的2T_S时间间隔内进行离散化，得到式(8)。进入第k个控制周期后，i_d(k)，i_q(k)，i_qr，u_q(k)，ω等均已知，因此根据式(5)即可求出u_q(k+1)。由于此处u_q(k+1)的求解过程符合永磁同步电机数学模型即式(7)，因此理论上该电压值可以在两个控制周期内把电机q轴电流从当前状态i_q(k)调整到期望状态i_qr，提高了电流的响应速度。

在(k-2)T_S至kT_S的时间间隔内，同样列写q轴离散电压方程为：

将式(9)与式(8)相减，得

因为电阻忽略电阻的影响，简化上式得到改进的电流预测控制方法如式(11)所示：

从式(11)可以看出，改进方法仅利用了一个电机参数即电机电感，物理意义明显，便于实际调整及应用。即使电感设置值不准确，改进方法也不会出现电流稳态误差。因为一旦出现误差，等式右边第一项会出现一个固定偏差，偏差的积分作用会计算得到新的u_q(k+1)使电流误差减小，因此，可以认定改进预测控制方法是闭环结构。

在对每个单门实现位置速度双闭环控制的基础上，针对双门的同步协调问题，采用二自由度自适应模糊前馈补偿控制器，具体为：

PMLSM1和PMLSM2的位置误差为：

其中，Δp＝f(e_v，e_p，μ_A)，Δp是模糊控制器的输出，为位置补偿量。e_v为两个电机的速度误差，e_p为两个电机的位置误差。如图7和图8所示：e_v，e_p构成二维模糊控制器的两个输入量，μ_A为模糊控制隶属函数，通过自适应模块在线调整；e₁为PMLSM1的位置误差，e₂为PMLSM2的位置误差，p₁为PMLSM1的的当前位置，p₂为PMLSM2的的当前位置，p为给定位置。

其中，v₁、v₂为两个PMLSM的运行速度，e_v为两个PMLSM的运行速度差。

系统整体软件流程图如图10所示，在此基础上还可以增加其他功能。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：初始化位置补偿算法、电流重构算法、控制器参数；

步骤2：确定两侧自动门宽度和减速距离；

步骤3：自动门进入正常运行工作状态，根据自动门门框上设置的红外传感器传来的高低电平开关信号，按以下方式进行实时处理：

当检测到红外传感器信号由低电平变为高电平时，认定为开门信号，启动两个自动门的永磁直线电机朝外侧开启方向运行，运行时通过二自由度自适应模糊前馈补偿算法修正两个自动门的相对位置误差；

当检测到红外传感器信号由高电平变为低电平时，认定为关门信号，启动两个自动门的永磁直线电机朝内侧关闭方向运行；

通过电流重构算法实时判断永磁直线电机电流是否异常增大，如异常增大，则判定自动门夹到人，控制两个自动门的永磁直线电机朝外侧开启方向运行；当判断电流异常增大的状况持续时间超过判断阈值时，则判断自动门为卡死状态，关断所有驱动信号，自动门切换为手动模式，使自动门在外力作用下随意运动。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法，其特征在于，所述步骤3中通过二自由度自适应模糊前馈补偿算法修正两个自动门的相对位置误差是根据下式计算位置补偿量：

Δp＝f(e_v，e_p，μ_A)

其中Δp是模糊控制器的输出即位置补偿量，e_v为两扇自动门上分别安装的两个永磁同步直线电机的速度之差，e_p为两个永磁同步直线电机的位置之差，μ_A为模糊控制隶属函数，通过自适应模块在线调整。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法，其特征在于，所述步骤3中的电流重构算法是根据永磁同步直线电机的逆变器状态来估算转子的三相电流并判断电流异常增大。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法，其特征在于，所述自动门的永磁直线电机的电流内环启动和运行过程中均采用电流预测控制算法进行闭环控制。

5.根据权利要求4所述的一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法，其特征在于，所述电流预测控制算法，通过下式计算永磁同步直线电机电流环控制器下一时刻的输出值：

式中，k+1表示下一时刻，k表示当前时刻，k-1表示上一时刻，k-2表示上上时刻，u_q(k-1)表示k-1时刻永磁同步直线电机q轴电压，u_q(k-2)表示k-2时刻永磁同步直线电机q轴电压，u_q(k)表示k时刻永磁同步直线电机q轴电压，i_q(k)表示k时刻q轴电流，i_q(k-2)表示k-2时刻q轴电流，Ts为采样时间，L_q为电机定子q轴电感，i_qr为期望q轴电流值，u_q(k+1)表示永磁同步直线电机电流环控制器下一时刻的输出值。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法，其特征在于，所述步骤2中按照如下方式确定两侧自动门宽度：控制自动门来回运动两次，到边速度为0时记录下门宽信息，来回两次运动后取四次数据的平均值作为门宽参数；按照如下方式确定减速距离：将自动门加速到电机额定速度时所运行的距离作为减速距离。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种永磁同步直线电机双开自动门控制方法，其特征在于，所述步骤3中的判断阈值为20秒到35秒。