SVPWM技術在車輛門上的應用

肖 義，王 嘯，梅嘉倫

(寧波中車時代電氣設備有限公司門系統技術中心，浙江 寧波 315000)

0 引言

軌道交通車輛門是旅客上下車及列車發生火災時的主要疏散通道，是車輛人機接口的關鍵部件之一。電動機作為車門動作的驅動部件，對其控制技術的研究與實現是整個車輛門控制系統最為重要的部分。目前，車輛門大多使用直流無刷電機(BLDC)，采用方波脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)調制方式?？臻g矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)就是通過逆變器不同的開關模式所產生的實際磁場去逼近理想的圓形旋轉磁場，從而形成PWM波。SVPWM把逆變器和電機看成一個整體來處理，相比于傳統的方波控制來說具有轉矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高等優點，被廣泛應用于開環系統和閉環系統中。

1 方案設計

1.1 整體方案

本系統采用電流環和速度環的雙閉環方案[1]實現對電機速度的控制，最終體現在車輛門上為實現對車門速度的控制，整體方案如圖1所示，具體步驟如下：

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)

由于存在積分飽和現象，采用積分限幅算法，即當積分項輸出I達到輸出限幅值時，停止對積分項的計算，此時積分項的輸出取上一時刻的積分值。對于參數的計算和調整方法如下[4]：(1)采用“齊格勒-尼克爾斯經驗法”確定初始值，首先只使用比例系數P，逐漸增加P直至系統出現等幅振蕩，記錄此時P的值以及振蕩周期T，根據公式：Kp=0.6P，Ki=0.5T，Kd=0.125T，得到PID參數初值。(2)根據實際情況調整參數，本系統將調整時間和最大超調量作為控制質量的依據，因此，通過聯合調節Kp和Ki在避免調整時間過長的同時減少最大超調，再通過Kd進一步調整系統穩定性。

(2)速度環控制。電機速度通過一段時間內編碼器數值可以計算得到，將實際速度反饋和給定的速度進行PID調節，參數調節方案與電流環一致，其輸出值當做轉矩電流的給定值。在本方案中，勵磁電流PID的給定值是固定為零，速度PID輸出值只當作轉矩電流量PID的給定值，此時轉矩與電流成正比，而加速度與轉矩成正比，因此可以有效控制速度。通過雙閉環得到uq和ud后，利用適當的坐標變換，如CLARKE逆變換，變為三相電壓，再利用PWM脈寬調制形成相應的PWM波形輸出，從而驅動電機轉動。

圖1 車輛門系統控制框圖

1.2 脈寬調制技術

PWM控制技術就是對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖(方波)，用這些脈沖來代替所需要的波形。通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓幅值，可以通過改變調制波的頻率來改變輸出電壓的頻率。圖2為三相逆變器，通過控制三相上下六個橋臂的通斷使得電流以設定的方式通過三相繞組就可以驅動電機。

圖2 三相逆變器

直流無刷電機和交流電機的定子一般有三相繞組，電流通過每相繞組產生一個磁場矢量，該磁場矢量與其他繞組的磁場求和，可以產生任意方向和幅值的磁場矢量和，而這個合成的磁場和轉子磁場之間的作用力就形成了使電機旋轉的轉矩。為了實現平滑穩定的轉矩控制，一個良好的控制方案應該以形成幅值恒定的圓形旋轉磁場為目標。

目前在車輛門領域最為常用的是普通的方波PWM控制方式。在這種方式下，電流通過三相繞組在空間上產生六個方向的合成磁場矢量。當電機轉動時，通過在空間分布的霍爾傳感器得到轉子所在的位置，每60°進行一次換相。這種三相六拍的控制方式產生一個近似平滑的電流空間矢量，但是其分布在六個離散的方向且有直流換相的突變，會導致轉矩的脈動和運行噪聲，在低速轉動時尤為明顯。

方波PWM方式難以實現低速時光滑平穩的電機控制，而正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)則解決了這個問題。SPWM技術就是通過脈寬調制用一組等高不等寬的矩形波(方波)來近似代替正弦波，使繞組中產生相隔120°的正弦電流。由于電機相電流為正弦且連續變化，無換相電流突變，在空間形成的磁場是幅值恒定的圓形旋轉磁場，與傳統的方波控制相比，可以很好地消除轉矩脈動，降低電機運行噪聲。

電壓空間矢量PWM(SVPWM)的出發點與SPWM不同[5]，SPWM調制是從三相交流電源出發，其著眼點是如何生成一個三相對稱正弦電源，而SVPWM是將逆變器和電動機看成一個整體，其著眼點是如何形成一個圓形旋轉磁場。SVPWM用8個基本電壓矢量合成空間期望分布的電壓矢量，其所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，并由產生圓磁通的結果決定逆變器的開關狀態，形成PWM波形。SVPWM比SPWM的電壓利用率高15%，這是兩者最大的區別，同時，SVPWM形成的圓形磁場更加穩定，因此選用SVPWM為控制方案。

2 理論原理

圓形旋轉磁場的方法如下。獲得根據磁鏈和電壓空間矢量的關系[6-7]，交流電動機定子繞組的電壓平衡關系式為：

(2)

其中，Is為定子三相電流的合成空間矢量，Rs為定子電阻。當電動機有一定轉速時，RsIs在式(2)中所占的比例很小，則式(2)可近似看作：

(3)

(4)

這樣，控制電動機旋轉磁場的軌跡就等效于控制電壓空間矢量的運動軌跡。圖3為三相交流電合成的空間電流矢量Us：

Us=UA0+UB0+UC0=usejω1t

(5)

可知，合成空間矢量Us以電源角頻率ω1的角速度在空間作圓形旋轉，即磁鏈空間矢量的軌跡也為圓形。結合磁鏈旋轉的角度，將Us進行park逆變換(park-1)，見式(6)、(7)，其中θ為轉子所在的角度，可以給出兩相靜止坐標系即(α，β)坐標系電壓空間矢量的分量uα、uβ，這兩個變量經過脈寬調制模塊(SVPWM)，得到逆變器所需要的六路PWM波，可生成近似正弦波的信號，電動機就會轉起來[8]。

uα=uscosθ

(6)

uβ=ussinθ

(7)

圖3 定子空間坐標系

(8)

扇區以及基本矢量確定之后，就可以利用一些方法將扇區邊界上的兩個基本矢量合成所需的矢量U，常用的為線性組合法。線性組合法把每一扇區分成若干個時間間隔為T0的小區間，插入線性組合的新電壓空間矢量Us，以獲得逼近圓形的旋轉磁場[10-11]。根據伏秒平衡原則，以第三扇區為例，通過關系式(8)和基本矢量的值即可以確定基本矢量的作用時間t1、t2。而SVPWM又分為五段式和七段式，七段式的SVPWM在每個PWM調制周期內SA、SB、SC有7種開關狀態，它除了相鄰矢量的作用時間外，通過插入(000)、(111)補全整個周期，相比于五段式，七段可實現每次切換只有一個開關動作，圖5為第3扇區的七段式SVPWM。

=uα+juβ

(9)

圖4 電壓空間矢量扇區

圖5 七段式SVPWM

3 應用驗證

硬件平臺為由TI公司的DSP芯片和相應外圍電路組成的控制器，軟件平臺為CCS。所得到的實際輸出的SVPWM波形如圖6所示，此時，三項相電流為正弦波，采集到的U相電流如圖7所示。

圖6 三相PWM波形輸出

車輛門一般運行在速度較低的狀況下，且直接面向乘客，若車門運行時發生抖動和噪音，會在一定程度上影響乘客的乘坐體驗。圖9、圖10和圖11為在帶門機負載的情況下，分別使用傳統的方波PWM驅動、SPWM驅動以及本文提出的SVPWM驅動時帶門機負載的情況下，速度電流雙閉環的跟蹤結果。

圖7 U相電流

圖8 電流跟蹤曲線

圖9 PWM控制速度曲線

圖10 SPWM控制速度曲線

圖11 SVPWM控制速度曲線

根據圖10可以看到，給速度一個設定值±25 cm/s，通過速度PID控制器的調節，速度達到設定值且較為平穩，最終選取的參數為Kp=0.28，Ki=0.01，Kd=0.1，速度采樣點間隔為2 ms。速度環的輸出作為q軸電流的設定值，d軸電流的設定值為零，以此實現最大轉矩控制，圖8為電流跟蹤結果，電流反應速度快，且通過電流PID控制器的調節可以實現較為平滑的跟蹤曲線，最終選取的PID參數為Kp=0.4，Ki=0.05，Kd=0.5，電流采樣點間隔為0.1 ms。通過比較分析可以知道，圖9速度出現一定范圍的抖動且實際運動中有輕微的噪聲，而圖10、圖11的運動情況相對平滑且沒有明顯的噪聲出現。在此基礎上比較輸入電壓可以得出，SVPWM電壓利用率高于SPWM。

4 結論

本文在分析車輛門電機控制方案的基礎上，主要研究了空間矢量脈寬調制技術(SVPWM)在車輛門上的應用，實現了車輛門領域上電機控制的應用創新。通過對PWM、SPWM和SVPWM原理的分析可知，相比于傳統的控制方式來說，SVPWM技術可以使速度控制更加平滑，轉矩脈動小、噪聲低、效率高，最終成功在車輛門上得到驗證，車門以穩定的速度進行平滑的開關門運動，效果良好。