CN114488797A - 一种自动开关门运动曲线规划方法及控制器和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动开关门运动曲线规划方法及自动门控制器和控制方法。采用余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线，得到开关门时不同位置相应的给定速度信号，系统即可完成相应的控制。本发明亦给出了具有上述功能的门机控制器的软硬件结构。本发明有益效果是：采用变加速度的运动控制策略设计的自动开关门运动曲线规划方法，位置、速度和加速度都能通过位置伺服系统得到有效的控制，显著特点在于运动的初始段和结束段的速度变化平缓，不存在冲击，而在运动的中段,速度变化快。提高了系统的整体平均运功速度和关门效率，也能提高门控系统的安全性。

Description

一种自动开关门运动曲线规划方法及控制器和控制方法

技术领域

本发明涉及自动门控制领域，具体涉及一种自动开关门运动曲线规划方法及控制器和控制方法。

背景技术

自动门被广泛得运用在我们得日常生活之中，如地铁、高铁，公交车等城市轨道公共车辆，以及宾馆、超市，医院等现代建筑的自动门。随着社会的发展的需要和科学技术的进步，人们对自动门控制器的能力提出了更高的需求，体现在安全性、可靠性、稳定性，快速性等方面，其中一项重要的能力就是：在没有物体接触门时，门处在开启状态的时候，延时恰当的时间后以最佳速度曲线关闭门。比如有些城市轨道交通车辆屏蔽门闭门和开门时过量，产生的冲击力会对系统的部件造成损坏，增大自动门开启和关闭的误差时间，影响车辆的运行效率。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

现有自动门开门和关门时过量，产生的冲击力会对系统的部件造成损坏，增大自动门开启和关闭的误差时间。

2.技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种自动开关门运动曲线规划方法，包括以下步骤：

步骤一：构建一个正弦波加速度函数，速度曲线呈余弦特性；步骤二：根据上式得出的曲线算法，规划门速曲线；步骤三：通过步骤二得到的规划好的门速曲线，速度环控制电机的实际速度，在门速曲线基础上得到自动开关门关于时间t的位置函数曲线，进一步通过位置环控制电机的实际位置，通过电流环控制电动机的实际加速度。

在步骤一中正弦波加速度曲线方程为：

上式中，t为自动门关门过程的时间变化，KT为自动开关门速度从0到最大值V_max所用的时间。

在步骤二中所述的门速曲线，包含四个阶段：C₁关门加速段、C₂高速匀速段、C₃减速段、C₄关门挤压段，步骤二所述的门速曲线，规定L_S1为自动门从起始位置加速到最高速度Vmax时候的行程，L_av为高速匀速段运行的行程，L_S2为自动门从最高速度Vmax减速到最低速度段Vmin运行的行程，L_△为低速匀速段运行的行程，

控制系统中，关门加速段速度曲线数学表达式为：

控制系统中，关门高速匀速段速度曲线数学表达式为：

b)V(t)＝V_max t₁<t≤t₂

控制系统中，减速段速度曲线数学表达式为：

控制系统中，关门挤压段(低速匀速)速度曲线数学表达式为：

i.V(t)＝V_min t₃<t≤t₄

T_S1为自动开关门速度从0到最大值V_max所用的时间，T_av为自动开关门在高速匀速段运行的时间，T_S2为自动开关门在减速段运行的时间，T_△为自动开关门在挤压段所运行时间，V表示的是自动开关门运行的速度，V_max表示高速匀速段的速度，也是开关门的最大速度，V_min是开关门挤压段的速度。

在控制系统中，门速曲线数学表达式满足：

T_Z<t_max，

在上式中L_Z＝L_S1+L_av+L_S2+L_S3其中L_Z为门的总行程,T_Z＝T_S1+T_av+T_S2+T_△,其中T_Z表示门总行程所用的时间，t表示开关门的位移时间变化量，t₁＝T_s1，t₂＝T_S1+T_av，t₃＝T_S1+T_av+T_S2,T_Z＝t₄，

控制系统中，关门加速段速度位置曲线数学表达式为：

控制系统中，高速匀速段位置曲线数学表达式为：

P(t)＝V_max·t t₁<t≤t₂

控制系统中，减速段位置曲线数学表达式为：

控制系统中，挤压段位置曲线数学表达式为：

P(t)＝V_min·t t₃<t≤t₄

在上式中，P表示的是自动开关门运行的位置，采用余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线的控制方法得到最佳的门速曲线，得到开关门时不同位置相应的给定速度信号，系统即可完成相应的控制。

本发明还提供了自动开关门运动曲线规划方法的自动门控制器，驱动模块采用无刷直流电机作为门控制器的驱动电机，并采用功率MOS三相桥式电路给无刷直流电机馈电，无刷直流电机内置霍尔传感器，自动门控制器采用STM32F427芯片作为控制器，通过获取无刷直流电机的位置、速度和电流进行相应的控制。以两只LEM霍尔电流传感器检测电流，根据基尔霍夫电流准则，计算出第三相的电流值，利用STM32F427的高速A/D通道完成对电机电路信号的采样和转换。

还包括无刷直流电机转角、速度、转矩观测模型、位置控制模块、速度控制模块、D轴电流控制模块、Q轴电流控制模块、旋转变换模块、逆旋转变换模块，还包括硬件模块，所述硬件模块采用霍尔电流检测器构成两相电流检测模块，采用智能功率模块IPM构成逆变器实现对电机的驱动。

本发明还提供了自动开关门运动曲线规划方法的自动门控制器的控制方法包括以下步骤：

步骤1：利用余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线的控制方法的得到自动开关门的位曲线，并设置门机控制系统的位置指令输入信号η；

步骤2：对门机控制系统中转子位置传感器输出的H₁、H₂、H₃进行检测，形成位置反馈信号η*；

步骤3：以位置环给定信号η减去转子位置传感器测得的位置反馈信号η*,得到位置误差，此位置误差经过位置控制调节器得到信号u_a；

步骤4：通过速度给定信号u_a减去转子位置传感器测得的速度反馈信号u_a ^*,得到位置误差，此位置误差经过抗积分饱和的比例积分调节运算得到信号u_b；

步骤5：对门机控制系统的输出电流iA、iB进行检测，并与绝对值电路输出的转矩方向信号DIR及转子位置传感器输出的H₁、H₂、H₃一同通过电流反馈信号合成电流反馈信号if；

步骤6：信号u_b通过绝对值电路输出转矩控制信号MCMD与前述电流反馈信号ia进行比较，得到电流误差，此电流误差经过抗积分饱和的比例积分运算输出PWM；

步骤7：输出的PWM和前述的转子位置传感器输出的H₁、H₂、H₃一同通过换相逻辑，控制三相逆变器，驱动无刷直流电机。

3.有益效果：

本发明采用采用余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线的控制策略，位置、速度和加速度都能通过位置伺服系统得到有效的控制，显著特点在于运动的初始段和结束段的速度变化平缓，不存在冲击，而在运动的中段,速度变化快。提高了系统的整体平均运功速度和关门效率，也能提高门控系统的安全性。

运用本发明的方法设计的自动门控制系统，应用场景广泛，特别适用于轨道车辆自动门系统，车门在关闭过程中无撞击，噪声低，可靠的关闭到位，有效克服了现有技术中存在的问题，提高了车门的安全性和可靠性，使整个列车的运行效率得到显著的提升。

附图说明

图1为本发明实施例中运动规划曲线示意图。

图2为本发明实施例中一种方法流程示意图。

图3为本发明实施例中自动门控制器软硬件结构图。

图4为本发明实施例中门机控制器的控制原理图。

具体实施方式

下面来对本发明进行详细说明。

一种自动开关门运动曲线规划方法，为了保障自动开关门的柔顺性，采用余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线，得到开关门时不同位置相应的给定速度信号，系统即可完成相应的控制。所述过程包括以下步骤：

步骤一：构建一个正弦波加速度函数a(t)，速度曲线呈余弦特性，从而保障了关门的起始段和结束段速度变化的平缓，减少了冲击，体现了柔顺性。

正弦波加速度曲线方程为：

上式中，t为自动门关门过程的时间变化，KT为自动开关门速度从0到最大值V_max所用的时间。

步骤二：根据上式得出的曲线算法，规划门速曲线。

进一步地，步骤二所述的门速曲线，包含四个阶段：C₁关门加速段、C₂高速匀速段、C₃减速段、C₄关门挤压段(低速匀速)。

进一步地，步骤二所述的门速曲线，规定L_S1为自动门从起始位置加速到最高速度Vmax时候的行程，L_av为高速匀速段运行的行程，L_S2为自动门从最高速度Vmax减速到最低速度段Vmin运行的行程，L_△为低速匀速段运行的行程。

进一步地，控制系统中，关门加速段速度曲线数学表达式为：

进一步地，控制系统中，关门高速匀速段速度曲线数学表达式为：

V(t)＝V_max t₁<t≤t₂

进一步地，控制系统中，减速段速度曲线数学表达式为：

进一步地，控制系统中，关门挤压段(低速匀速)速度曲线数学表达式为：

V(t)＝V_min t₃<t≤t₄

进一步地，在控制系统中，门速曲线数学表达式还应满足：T_Z<t_max，

在上式中L_Z＝L_S1+L_av+L_S2+L_S3其中L_Z为门的总行程,T_Z＝T_S1+T_av+T_S2+T_△,其中T_Z表示门总行程所用的时间，t表示开关门的位移时间变化量，t₁＝T_s1，t₂＝T_S1+T_av，t₃＝T_S1+T_av+T_S2,T_Z＝t₄，T_S1为自动开关门速度从0到最大值V_max所用的时间，T_av为自动开关门在高速匀速段运行的时间，T_S2为自动开关门在减速段运行的时间，T_△为自动开关门在挤压段所运行时间，V表示的是自动开关门运行的速度，V_max表示高速匀速段的速度，也是开关门的最大速度，V_min是开关门挤压段的速度。

步骤三：通过步骤二得到的规划好的门速曲线，速度环可以控制电机的实际速度，在门速曲线基础上可以得到自动开关门关于时间t的位置函数曲线，进一步可以通过位置环控制电机的实际位置。与此同时，电动机的实际速度可以由速度环控制。由于电动机的电流一般与转矩是成正比的，而转矩又是与加速度成正比的，所以通过电流环可以控制电动机的实际加速度。

进一步地，控制系统中，关门加速段速度位置曲线数学表达式为：

进一步地，控制系统中，高速匀速段位置曲线数学表达式为：

P(t)＝V_max·t t₁<t≤t₂

进一步地，控制系统中，减速段位置曲线数学表达式为：

进一步地，控制系统中，挤压段位置曲线数学表达式为：

P(t)＝V_min·t t₃<t≤t₄

在上式中，P表示的是自动开关门运行的位置，采用余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线的控制方法得到最佳的门速曲线，得到开关门时不同位置相应的给定速度信号，系统即可完成相应的控制。

为达到上述目的，本发明还提供了基于自动开关门运动曲线方法的自动门控制器，所述驱动模块采用无刷直流电机作为门控制器的驱动电机，并采用功率MOS三相桥式电路给无刷直流电机馈电，无刷直流电机内置霍尔传感器，自动门控制器采用STM32F427芯片作为控制器，通过获取无刷直流电机的位置、速度和电流进行相应的控制。以两只LEM霍尔电流传感器检测电流，根据基尔霍夫电流准则，可以计算出第三相的电流值，利用STM32F427的高速A/D通道完成对电机电路信号的采样和转换。所述自动门控制器内还包括无刷直流电机转角、速度、转矩观测模型、位置控制模块、速度控制模块、D轴电流控制模块、Q轴电流控制模块、旋转变换模块、逆旋转变换模块，所述自动门控制器还包括硬件模块，所述硬件模块采用霍尔电流检测器构成两相电流检测模块，采用智能功率模块IPM构成逆变器实现对电机的驱动。

本发明还提供一种自动开关门运动曲线规划方法及自动门控制器的控制方法，包括如下的步骤：

步骤1：利用余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线的控制方法的得到自动开关门的位置曲线，并设置门机控制系统的位置指令输入信号η。

步骤2：对门机控制系统中转子位置传感器输出的H₁、H₂、H₃进行检测，形成位置反馈信号η*。

步骤3：以位置环给定信号η减去转子位置传感器测得的位置反馈信号η*,得到位置误差，此位置误差经过位置控制调节器得到信号u_a。

步骤4：通过速度给定信号u_a减去转子位置传感器测得的速度反馈信号u_a ^*,得到位置误差，此位置误差经过抗积分饱和的比例积分调节运算得到信号u_b。

步骤5：对门机控制系统的输出电流iA、iB进行检测，并与绝对值电路输出的转矩方向信号DIR及转子位置传感器输出的H₁、H₂、H₃一同通过电流反馈信号合成电流反馈信号if；

步骤6：信号u_b通过绝对值电路输出转矩控制信号MCMD与前述电流反馈信号ia进行比较，得到电流误差，此电流误差经过抗积分饱和的比例积分运算输出PWM。

步骤7：输出的PWM和前述的转子位置传感器输出的H₁、H₂、H₃一同通过换相逻辑，控制三相逆变器，驱动无刷直流电机。

本发明是具体涉及一种自动开关门运动曲线规划方法，显著特点在于运动的初始段和结束段的速度变化平缓，不存在冲击，根据此要求提出余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线，并基于此规划了门速曲线运动路径，在门速曲线基础上可以得到自动开关门关于时间t的位置函数曲线，进一步可以通过位置环控制电机的实际位置。与此同时，电动机的实际速度可以由速度环控制。显著特点在于运动的初始段和结束段的速度变化平缓，不存在冲击，而在运动的中段,速度变化快。提高了系统的整体平均运功速度和关门效率，也能提高门控系统的安全性。运用此方法设计的自动门控制系统，应用场景广泛，特别适用于轨道车辆自动门系统，车门在关闭过程中无撞击，噪声低，可靠的关闭到位，有效克服了现有技术中存在的问题，提高了车门的安全性和可靠性，使整个列车的运行效率得到显著的提升。

Claims (8)

1.一种自动开关门运动曲线规划方法，包括以下步骤：步骤一：构建一个正弦波加速度函数，速度曲线呈余弦特性；步骤二：根据上式得出的曲线算法，规划门速曲线；步骤三：通过步骤二得到的规划好的门速曲线，速度环控制电机的实际速度，在门速曲线基础上得到自动开关门关于时间t的位置函数曲线，进一步通过位置环控制电机的实际位置，通过电流环控制电动机的实际加速度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤一中正弦波加速度曲线方程为：

上式中，t为自动门关门过程的时间变化，KT为自动开关门速度从0到最大值V_max所用的时间。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤二中所述的门速曲线，包含四个阶段：C₁关门加速段、C₂高速匀速段、C₃减速段、C₄关门挤压段，步骤二所述的门速曲线，规定L_S1为自动门从起始位置加速到最高速度Vmax时候的行程，L_av为高速匀速段运行的行程，L_S2为自动门从最高速度Vmax减速到最低速度段Vmin运行的行程，L_△为低速匀速段运行的行程，

控制系统中，关门加速段速度曲线数学表达式为：

a)

控制系统中，关门高速匀速段速度曲线数学表达式为：

b)V(t)＝V_max t₁<t≤t₂

控制系统中，减速段速度曲线数学表达式为：

c)

控制系统中，关门挤压段(低速匀速)速度曲线数学表达式为：

i.V(t)＝V_min t₃<t≤t₄

T_S1为自动开关门速度从0到最大值V_max所用的时间，T_av为自动开关门在高速匀速段运行的时间，T_S2为自动开关门在减速段运行的时间，T_△为自动开关门在挤压段所运行时间，V表示的是自动开关门运行的速度，V_max表示高速匀速段的速度，也是开关门的最大速度，V_min是开关门挤压段的速度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：在控制系统中，门速曲线数学表达式满足：

T_Z<t_max，

在上式中L_Z＝L_S1+L_av+L_S2+L_S3其中L_Z为门的总行程,T_Z＝T_S1+T_av+T_S2+T_△,其中T_Z表示门总行程所用的时间，t表示开关门的位移时间变化量，t₁＝T_s1，t₂＝T_S1+T_av，t₃＝T_S1+T_av+T_S2,T_Z＝t₄。

5.如权利要求1-3任一项权利要求的方法，其特征在于：控制系统中，关门加速段速度位置曲线数学表达式为：

0<t≤t₁

控制系统中，高速匀速段位置曲线数学表达式为：

P(t)＝V_max·t t₁<t≤t₂

控制系统中，减速段位置曲线数学表达式为：

t₂<t≤t₃

控制系统中，挤压段位置曲线数学表达式为：

P(t)＝V_min·t t₃<t≤t₄

在上式中，P表示的是自动开关门运行的位置，采用余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线的控制方法得到最佳的门速曲线，得到开关门时不同位置相应的给定速度信号，系统即可完成相应的控制。

6.一种如权利要求1-5任一项自动开关门运动曲线规划方法的自动门控制器，其特征在于：驱动模块采用无刷直流电机作为门控制器的驱动电机，并采用功率MOS三相桥式电路给无刷直流电机馈电，无刷直流电机内置霍尔传感器，自动门控制器采用STM32F427芯片作为控制器，通过获取无刷直流电机的位置、速度和电流进行相应的控制。以两只LEM霍尔电流传感器检测电流，根据基尔霍夫电流准则，计算出第三相的电流值，利用STM32F427的高速A/D通道完成对电机电路信号的采样和转换。

7.如权利要求6所述的自动开关门运动曲线规划方法的自动门控制器，其特征在于：还包括无刷直流电机转角、速度、转矩观测模型、位置控制模块、速度控制模块、D轴电流控制模块、Q轴电流控制模块、旋转变换模块、逆旋转变换模块，还包括硬件模块，所述硬件模块采用霍尔电流检测器构成两相电流检测模块，采用智能功率模块IPM构成逆变器实现对电机的驱动。

8.一种如权利要求6或7所述的自动开关门运动曲线规划方法的自动门控制器的控制方法包括以下步骤：

步骤1：利用余弦函数曲线近似拟合自动开关门的运动曲线的控制方法的得到自动开关门的位置曲线，并设置门机控制系统的位置指令输入信号η；

步骤2：对门机控制系统中转子位置传感器输出的H₁、H₂、H₃进行检测，形成位置反馈信号η*；

步骤3：以位置环给定信号η减去转子位置传感器测得的位置反馈信号η*,得到位置误差，此位置误差经过位置控制调节器得到信号u_a；

步骤4：通过速度给定信号u_a减去转子位置传感器测得的速度反馈信号u_a ^*,得到位置误差，此位置误差经过抗积分饱和的比例积分调节运算得到信号u_b；

步骤5：对门机控制系统的输出电流iA、iB进行检测，并与绝对值电路输出的转矩方向信号DIR及转子位置传感器输出的H₁、H₂、H₃一同通过电流反馈信号合成电流反馈信号if；

步骤6：信号u_b通过绝对值电路输出转矩控制信号MCMD与前述电流反馈信号ia进行比较，得到电流误差，此电流误差经过抗积分饱和的比例积分运算输出PWM；

步骤7：输出的PWM和前述的转子位置传感器输出的H₁、H₂、H₃一同通过换相逻辑，控制三相逆变器，驱动无刷直流电机。

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