一种轨道客车电动门的控制方法及控制系统与流程
本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种轨道客车电动门的控制方法及控制系统。
背景技术
目前，市场上主要存在气动门和电动门两种自动门。电动门的控制核心单元是单片机，同时还辅以不同种类的传感器和驱动电路等。但是，现有的电动门控制方法大多仅针对标准状态进行设计，在特殊情况下如受到外界扰动时抗干扰性能很差，导致电动门无法实现平稳运动。
因此，如何提供一种抗干扰性能强的电动门控制方法及控制系统，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种电动门的控制方法及控制系统，根据转速差的大小确定是否引入积分控制，不仅能够避免电机转速出现较大的超调量，而且还能够有效消除驱动电机的转速静差，提高转速控制精度，从而使电动门进行平稳的开启运动。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种轨道客车电动门的控制方法，所述控制方法包括：
获取驱动电机的实时转速，所述驱动电机为驱动被控电动门运动的电机；
根据所述实时转速与期望转速确定所述驱动电机的转速差；
判断所述转速差是否小于或者等于分界阈值，获得第一判断结果；
当第一判断结果表示所述转速差小于或者等于分界阈值时，根据所述转速差和pid控制算法确定转速控制量；
当第一判断结果表示所述转速差大于分界阈值时，根据所述转速差和pd控制算法确定转速控制量；
根据所述转速控制量确定所述驱动电机的占空比。
可选的，所述转速控制量为占空比增量。
可选的，所述根据所述实时转速与期望转速确定所述驱动电机的转速差之前，还包括：
获取当前采样序列号及软启动采样周期阈值；
判断所述当前采样序列号是否小于所述软启动采样周期阈值，获得第二判断结果；
当所述第二判断结果表示所述当前采样序列号小于所述软启动采样周期阈值时，将所述占空比增量确定为常数；
当所述第二判断结果表示所述当前采样序列号大于或者等于所述软启动采样周期阈值时，继续执行所述“根据所述实时转速与期望转速确定所述驱动电机的转速差”。
可选的，所述判断所述转速差是否小于或者等于分界阈值，获得第一判断结果之前，还包括：
判断所述转速差是否大于或者等于动作阈值，获得第三判断结果；
当所述第三判断结果表示所述转速差小于动作阈值时，将所述占空比增量确定为0；
当所述第三判断结果表示所述转速差大于或者等于动作阈值时，继续执行所述“判断所述转速差是否小于或者等于分界阈值，获得第一判断结果”。
可选的，所述根据所述转速控制量确定所述驱动电机的占空比之后，还包括：
基于模糊控制方法对所述占空比进行修正，获得修正后的占空比。
可选的，所述基于模糊控制方法对所述占空比进行修正，获得修正后的占空比，具体包括：
获取供电电源的实时电压及模糊控制表，所述供电电源为给所述驱动电机供电的电源；
根据所述实时电压及期望电压确定电压差；
根据所述电压差确定所述驱动电机的电枢电压变化量；
根据所述电枢电压变化量确定占空比变化率；
根据所述占空比变化率和所述电压差查询模糊控表，获得占空比修正参数；
根据所述占空比及所述占空比修正参数修正所述驱动电机的占空比，获得修正后的占空比。
可选的，所述根据所述转速控制量确定所述驱动电机的占空比之后，还包括：
获取所述驱动电机的驱动脉冲；
判断所述驱动脉冲的占空比是否大于零，获得第四判断结果；
当所述第四判断结果表示所述驱动脉冲的占空比大于零时，判断所述驱动电机的实时转速是否大于零，获得第五判断结果；
当所述第五判断结果表示所述驱动电机的实时转速等于零时，则发出系统报警信号。
可选的，当所述第五判断结果表示所述驱动电机的实时转速大于零时，获取所述被控电动门的行程范围及所述被控电动门的当前位置；
判断所述当前位置是否在所述行程范围内，获得第六判断结果；
当第六判断结果表示所述当前位置超出所述行程范围时，判断限位开关是否发出限位报警信号，获得第七判断结果；
当第七判断结果表示限位开关未发出限位报警信号时，则发出系统报警信号。
一种电动门的控制系统，所述控制系统包括：
转速获取模块，用于获取驱动电机的实时转速，所述驱动电机为驱动被控电动门运动的电机；
转速差确定模块，用于根据所述实时转速与期望转速确定所述驱动电机的转速差；
第一判断模块，用于判断所述转速差是否小于或者等于分界阈值，获得第一判断结果；
转速控制量确定模块，用于当第一判断结果表示所述转速差小于或者等于分界阈值时，根据所述转速差和pid控制算法确定转速控制量；
当第一判断结果表示所述转速差大于分界阈值时，根据所述转速差和pd控制算法确定转速控制量；
占空比确定模块，用于根据所述转速控制量确定所述驱动电机的占空比。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的轨道客车电动门的控制方法及控制系统，首先根据驱动电机的实时转速与期望转速确定驱动电机的转速差，然后根据转速差的大小确定是否引入积分控制。当转速差大于分界阈值时，即当实时转速与期望转速的偏差较大时，取消积分作用，采用pd控制算法确定转速控制量。当转速差小于或者等于分界阈值时，即当实时转速较为接近期望转速时，引入积分控制，采用pid控制算法确定转速控制量。通过上述分段控制不仅能够避免电机转速出现较大的超调量，而且还能够有效消除驱动电机的转速静差，提高转速控制精度，从而使电动门进行平稳的开启运动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种轨道客车电动门的控制方法的流程图；
图2为本发明实施例2提供的电动门的控制系统的结构框图；
图3为本发明实施例3提供的一种轨道客车电动门的控制方法的流程图；
图4为本发明实施例3提供的改进后的pid控制方法的流程图；
图5为本发明实施例3提供的实现故障自检的流程图；
图6为本发明实施例3提供的初始化流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电动门的控制方法及控制系统，根据转速差的大小确定是否引入积分控制，不仅能够避免电机转速出现较大的超调量，而且还能够有效消除驱动电机的转速静差，提高转速控制精度，从而使电动门进行平稳的开启运动。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
图1为本发明实施例1提供的一种轨道客车电动门的控制方法的流程图。如图1所示，一种电动门的控制方法，所述控制方法包括：
步骤101：获取驱动电机的实时转速，所述驱动电机为驱动被控电动门运动的电机。
步骤102：根据所述实时转速与期望转速确定所述驱动电机的转速差。
步骤103：判断所述转速差是否小于或者等于分界阈值，获得第一判断结果。
当第一判断结果表示所述转速差小于或者等于分界阈值时，执行步骤104。
当第一判断结果表示所述转速差大于分界阈值时，执行步骤105。
步骤104：根据所述转速差和pid(proportionintegrationdifferentiation.比例-积分-微分)控制算法确定转速控制量。
步骤105：根据所述转速差和pd(proportiondifferentiation.比例-微分)控制算法确定转速控制量。本实施例中，所述转速控制量为占空比增量。
步骤106：根据所述转速控制量确定所述驱动电机的占空比。
优选地，本实施例中，执行所述步骤102：根据所述实时转速与期望转速确定所述驱动电机的转速差之前，还包括：
获取当前采样序列号及软启动采样周期阈值；
判断所述当前采样序列号是否小于所述软启动采样周期阈值，获得第二判断结果；
当所述第二判断结果表示所述当前采样序列号小于所述软启动采样周期阈值时，将所述占空比增量确定为常数a；
当所述第二判断结果表示所述当前采样序列号大于或者等于所述软启动采样周期阈值时，继续执行所述“根据所述实时转速与期望转速确定所述驱动电机的转速差”。
优选地，执行所述步骤103：判断所述转速差是否小于或者等于分界阈值，获得第一判断结果之前，还包括：
判断所述转速差是否大于或者等于动作阈值，获得第三判断结果；
当所述第三判断结果表示所述转速差小于动作阈值时，将所述占空比增量确定为0；
当所述第三判断结果表示所述转速差大于或者等于动作阈值时，继续执行所述“判断所述转速差是否小于或者等于分界阈值，获得第一判断结果”。
优选地，执行所述步骤106：根据所述转速控制量确定所述驱动电机的占空比之后，还包括：
基于模糊控制方法对所述占空比进行修正，获得修正后的占空比。
具体地，所述基于模糊控制方法对所述占空比进行修正，获得修正后的占空比包括：
获取供电电源的实时电压及模糊控制表，所述供电电源为给所述驱动电机供电的电源；
根据所述实时电压及期望电压确定电压差；
根据所述电压差确定所述驱动电机的电枢电压变化量；
根据所述电枢电压变化量确定占空比变化率；
根据所述占空比变化率和所述电压差查询模糊控表，获得占空比修正参数；
根据所述占空比及所述占空比修正参数修正所述驱动电机的占空比，获得修正后的占空比。
为了提高系统的故障自检功能，本实施在执行完所述步骤106：根据所述转速控制量确定所述驱动电机的占空比之后，还包括：
获取所述驱动电机的驱动脉冲；
判断所述驱动脉冲的占空比是否大于零，获得第四判断结果；
当所述第四判断结果表示所述驱动脉冲的占空比大于零时，判断所述驱动电机的实时转速是否大于零，获得第五判断结果；
当所述第五判断结果表示所述驱动电机的实时转速等于零时，则发出系统报警信号；
当所述第五判断结果表示所述驱动电机的实时转速大于零时，获取所述被控电动门的行程范围及所述被控电动门的当前位置；
判断所述当前位置是否在所述行程范围内，获得第六判断结果；
当第六判断结果表示所述当前位置超出所述行程范围时，判断限位开关是否发出限位报警信号，获得第七判断结果；
当第七判断结果表示限位开关未发出限位报警信号时，则发出系统报警信号。
实施例2：
图2为本发明实施例2提供的电动门的控制系统的结构框图。如图2所示，所述电动门的控制系统包括：
转速获取模块201，用于获取驱动电机的实时转速，所述驱动电机为驱动被控电动门运动的电机；
转速差确定模块203，用于根据所述实时转速与期望转速确定所述驱动电机的转速差；
第一判断模块203，用于判断所述转速差是否小于或者等于分界阈值，获得第一判断结果；
转速控制量确定模块204，用于当第一判断结果表示所述转速差小于或者等于分界阈值时，根据所述转速差和pid控制算法确定转速控制量；
当第一判断结果表示所述转速差大于分界阈值时，根据所述转速差和pd控制算法确定转速控制量；
占空比确定模块205，用于根据所述转速控制量确定所述驱动电机的占空比。
实施例3：
图3为本发明实施例3提供的一种轨道客车电动门的控制方法的流程图。如图3所示，系统进行初始化后判断被控对象是内端门还是外端门。本实施例中被控对象是内端门，因此需要确定内端门参数，计算内端门驱动电机的瞬时转速，并测定其电源电压。根据电机的实时转速和期望转速计算转速差。根据转速差采用改进的pid算法计算占空比后，再利用模糊控制表修正占空比，利用修正后的占空比控制电机，以实现电动门的平稳运行。
本发明针对负载扰动的影响采用数字化的积分分离式pid算法对驱动电机进行控制。
首先对pid算法进行离散化处理：
以t为采样周期，k为采样序号，以数值求和的形式代替积分，以数值差分的形式代替微分。可以得到以下的表达式：
t＝kt，
其中，e(t)表示时间t对应的连续误差，ej表示第j个采样周期的误差。
结合pid表达式：
其中kp为比例系数，ti为积分时间，td为微分时间，t为采样周期，kp为比例系数，ki积分系数，kd为微分系数，uk为控制器输出的转速控制量，本实施例中，所述转速控制量为占空比增量。
电动门在运行过程中分为启动，高速匀速，减速，低速匀速四个阶段。在高速匀速的过程中，电动门只受到阻力的作用；在启动和减速的过程中存在加速度，电动门受到阻力以及自身质量的影响，对于质量不同的电动门调节的时间会存在差异。由于传统的pid控制算法抗干扰能力有限，因此本发明在传统pid的基础上进行改进，获得改进后的pid算法。本实施例提供的控制方法控制驱动电机启动的过程包括以下三个步骤：
首先，令驱动电机软起动，通过占空比的匀速变化即可完成；
其次，令电机实现平稳加速，通过积分分离式pid即可实现；
最后，令电机保持匀速的状态，通过带死区的pid算法实现。本实施例中，驱动电机为直流电机。
本发明所采用的改进pid算法的核心是积分分离式pid控制方法，这种控制方法的核心思想是在不同的情况下引入或者取消积分环节，比如为了避免较大的超调量，在偏差值比较大的时候取消积分的环节。当控制量接近目标值的时候，为了提高控制精度并消除静态误差，此时采用积分环节。具体实现步骤如下：
获取分界阈值ε，ε＞0；
当ek＞ε时，采用pd控制算法确定转速控制量；
当ek＜ε时，采用pid控制算法确定转速控制量。
同时，本实施例还设置了一个动作阈值e0以约束系统偏差。e0的大小通过实验获得，在确定e0时需要保证以下三点：
消除系统误差带来的扰动，避免系统的控制动作过于频繁。
对外界扰动对系统造成的影响，具有较高的灵敏度，避免产生较大的迟滞。
保证电动门控制系统的运动过程符合控制要求，即电动门能够进行平稳运动。
本实施例采用的控制方法的表达式如下：
其中，
ek为所测得的实时转速与期望转速的差值，将ek作为控制器的输入，uk为控制器的输出值，即转速控制量，ε表示分界阈值，e0表示动作阈值，控制器的输出uk为占空比增量。系统最终输出的占空比由控制器的输出值和上一个采样周期的占空比决定，占空比可表示为：mk+1＝mk+uk，其中，mk+1表示第(k+1)个采样周期的占空比，mk表示第k个采样周期的占空比，uk表示第k个采样周期控制器输出的转速控制量，即第k个采样周期的占空比增量。
图4为本发明实施例3提供的改进后的pid控制方法的流程图。如图4所示，结合上述分析可知，本实施例中驱动电机的占空比m0的初始值为50％，在驱动电机启动后，占空比m以常数a为步长，逐步递增的实现电机的软起动。当采样序列号k达到软启动采样周期阈值n后，计算此时的速度差ek，当速度差ek＞e0时，进一步比较ek与ε的关系确定应该采用pid控制算法还是pd控制算法。转速差ek随着电机速度的增加不断减小，当ek≤ε时，采用带死区的pid算法计算占空比，得到稳定的占空比输出量。当ek＞ε时，采用pd算法计算占空比。
针对电源电压可能造成的扰动，本发明采用模糊控制算法对占空比进行修正。现有技术中，当电源电压恒定为24v时，驱动电机的输出转速为y＝am+bx，其中a，b为常数，x为表示负载，y表示转速。当电压存在扰动的情况下，电机的转速输出为
本发明采用模糊控制控制对占空比进行修正。描述元素之间相关程度的数学模型称为模糊关系，模糊集合是表示模糊关系的一种方法。模糊控制可以对模糊集合进行定义和运算，完整的模糊控制系统可以分为输入输出接口，模糊控制器和被控对象三部分，模糊控制系统的核心内容是设计模糊控制器。本发明中针对电源电压的变化建立模糊控制，具体实现过程如下：
获取供电电源的实时电压及模糊控制表，供电电源为给所述驱动电机供电的电源；
根据实时电压及期望电压确定电压差；
根据电压差确定驱动电机的电枢电压变化量；
根据电枢电压变化量确定占空比变化率；
根据占空比变化率和电压差查询模糊控表，获得占空比修正参数；
根据述占空比及占空比修正参数修正驱动电机的占空比，获得修正后的占空比为：m′＝αm+β，其中，修正前的占空比为m，修正后的占空比为m′，则，其中α和β均为修正系数。
本实施例中，电源电压的扰动范围为16.8v～30v，当占空比m变化为m+1，即δm＝1时，电源电压为16.8v、24v、30v对应的驱动电机的电枢电压的变化量为0.042v、0.06v、0.075v，随着占空比变化率δm的增加，电机的电枢电压的变化也随之增大，因此，针对电源电压扰动的模糊控制算法中电源电压的改变量δu与占空比变化率δm有关。电压的变化范围从16.8v到30v，以24v为中心，可以认为变化范围是14v，以2v为步长，可以将电压的变化范围分为8个等级，可表示为-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，δm的变化范围为0～30，以5为步长，将δm分为7个等级，可表示为0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，本发明经过计算得出的模糊控制表如表1。
表1模糊控制表
实际应用中，可根据占空比变化率和电压差查询模糊控制器的模糊控制表，获得修正系数α和β后，即可对占空比进行修正。
能影响到轨道客车电动门控制系统的因素非常多，除去电源电压以及负载之外，还会受到机械结构和电子电路的影响。图5为本发明实施例3提供的实现故障自检的流程图。为了提高系统的安全性，本发明还设置有自检算法来检测系统是否出现故障，如图5所示，具体步骤如下：
系统启动后通过输出的pwm信号的占空比来控制电机进行转动的转速。若通过光电传感器测得电机的转速为0，但是系统却处于输出pwm信号的过程，即pwm信号的占空比大于零，且电动门应处于关门或开门的运动状态，说明系统出现故障，可能是光电传感器或者电机的驱动单元出现问题，此时系统发出报警信号。如果光电传感器测得的速度不为0，那么进一步测量并记录电动门的位置，并将电动门的位置和电动门的行程范围相比较，如果电动门的位置到达或者超出电动门的行程范围，但是限位开关没有发出触发信号，那么系统中的限位开关可能发生了故障，系统发出报警信号。如果电动门的位置没有超过行程范围，那么测试电源电压和电机电枢的电流，若此时的模数转换器ad的反馈值没有处于正常范围值，那么说明模数转换器ad对应的采集电路出现问题，系统发出报警信号。
图6为本发明实施例3提供的初始化流程图。本发明还在系统初始化的过程中计算运行所需的所有参数，如图6所示，首先系统进入初始化过程，轨道客车电动门慢速打开，此时判断电动门的位置是否开到门限位置，如果没有达到门限的位置则继续开门，如果开到门限位置则记录此时电动门的位置，系统接下来计算减速的位置，随后启动关门程序，电动门开始慢速关门，判断此时关门是否到达门限位置，如果没能达到门限位置则继续关门，直到电动门关门到位位置，记录电动门此时的位置。通过电动门完整的运行过一次关门过程，系统可以得到电动门的行程范围。
本发明针对负载的扰动采用改进的pid算法进行控制，其核心思想是在不同的情况下引入或者取消积分环节。比如，为了避免较大的超调量，在偏差值比较大的时候就取消积分的环节。当控制量接近目标值的时候，为了提高控制精度并消除静态误差，此时采用积分环节，以实现电动门的平稳运行。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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