基于dsPIC30F5015的動車組自動門控制系統(tǒng)研究

馬 騰北京鐵路局北京動車客車段，北京 100039

基于dsPIC30F5015的動車組自動門控制系統(tǒng)研究

馬 騰北京鐵路局北京動車客車段，北京 100039

本文基于美國微芯科技公司的數(shù)字信號控制器dsPIC30F5015對動車組自動門控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件實現(xiàn)方法進(jìn)行了設(shè)計和研究，實現(xiàn)的功能有：動車組自動門的防擠壓功能、自動門打開和關(guān)閉時的速度緩沖，使控制系統(tǒng)精確、穩(wěn)定的運行。

dsPIC30F5015；動車組；自動門控制系統(tǒng)

動車組是自帶動力的，固定編組的列車兩端分別設(shè)有司機(jī)室進(jìn)行駕駛操作，配備現(xiàn)代化服務(wù)設(shè)施的旅客列車的單元，動車組技術(shù)源于地鐵，是新時代先進(jìn)科技的產(chǎn)物。

動車組列車的自動門對列車的安全運行起著至關(guān)重要的作用，因此，在動車組自動門的安全性能上要求在逐步提高。

控制系統(tǒng)通過對電機(jī)電流采樣的方法來實現(xiàn)自動門的防擠壓功能，電路圖如圖1所示：

圖1

HCPL-7840是安捷倫公司生產(chǎn)的光電隔離放大器，其作用就是檢測電機(jī)電流。電機(jī)電流通過一個外部采樣電阻得到模擬電壓，通過原級采樣信號輸入端進(jìn)入芯片，在次級得到一個差分輸入電壓，此差分輸入電壓和電機(jī)電流成正比關(guān)系。因為采樣點路所采集的電機(jī)電流是電壓信號，必須通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，HCPL-7840的輸入信號范圍是-1.6V～+1.6V的差分電壓信號[1]，AD轉(zhuǎn)換器要求的輸入信號一般滿足0V～5V范圍，因此，需要對采樣到的差分電壓信號進(jìn)行偏執(zhí)放大。TLV2371是5V單電源運放，令R3=R4，R5=R6，使TLV2371不僅達(dá)到差分放大的作用，而且減少了基極偏置電流引起的失調(diào)。根據(jù)經(jīng)驗，選擇R3=R4=10k，R5=R6=20k，在滿足香農(nóng)定理[1]的條件下，為了能夠達(dá)到頻率匹配、低通濾波、消除高頻噪聲干擾的作用，電路中安置了C4、C5。

設(shè)電機(jī)電樞電流大小為I，則檢測電路輸出的電壓是：

數(shù)字信號控制器中AD轉(zhuǎn)換器的輸入電壓Vad就是Vo，它與電機(jī)電流成正比例關(guān)系，因為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流之間存在線性關(guān)系，通過檢測擠壓時的臨界電流值，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流之間存在線性關(guān)系就能夠得出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)矩便可以計算出自動門的擠壓力，知道自動門的擠壓力同樣能夠算出電機(jī)電流的臨界值，當(dāng)電機(jī)電流超過控制系統(tǒng)設(shè)定的臨界值時，就會調(diào)用自動門的防擠壓軟件程序，從而使防擠壓功能得到實現(xiàn)。

通過在電機(jī)軸上安裝光電編碼器，來檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋控制。光電編碼器的輸出信號需要通過整形電路處理，圖2為整形電路。

圖2

光電編碼器輸出兩路正交的信號，A信號和B信號，A信號和B信號之間的相位差相差90度，直流電平為5V。光電編碼器如果延順時針方向旋轉(zhuǎn)，則A相信號超前B相信號90度，延逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，B相信號超前A相信號90度，為了產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，必須對編碼器的輸出信號進(jìn)行整形，整形電路的主要組成部分就是差動比較器LM2903，通過整形后的光電編碼器輸出信號送給dsPIC30F5015的正交編碼器借口模塊的兩個輸入端QEA和QEB，通過正交編碼器對A相和B相信號進(jìn)行解碼，得到用于累計計數(shù)值的16位向上/向下得計數(shù)器的時鐘信號和計數(shù)方向信號。正交編碼器接口框圖如圖3。

圖3

通過對脈沖個數(shù)的計算就可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)角位移，從而確定自動門所運行的位置，通過脈沖頻率的計算，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由此對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋控制，達(dá)到自動門打開和關(guān)閉時的速度緩沖功能。

為了有效的實現(xiàn)門速自動控制功能，采用負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用PID算法。動車組自動門控制系統(tǒng)的門速反饋控制[2-4]原理圖如圖4所示：

圖4

光電編碼器測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速后將信號送到信號控制器DSC，測得的轉(zhuǎn)速值和DSC設(shè)定的值之間存在一個偏差，這個偏差由PID算法處理后產(chǎn)生一個控制量，這個控制量能夠改變DSC發(fā)出的PWM信號的占空比，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度得到穩(wěn)定調(diào)節(jié)，并使得電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在系統(tǒng)設(shè)定的速度范圍內(nèi)。

防擠壓功能的軟件設(shè)計流程圖5。

圖5

當(dāng)壓力值超限時，調(diào)用防擠壓程序，使自動門電機(jī)制動，并開始反轉(zhuǎn)開門，當(dāng)門全開后，電機(jī)停轉(zhuǎn)等待5s鐘（此時間可以通過軟件設(shè)定改變），此時便是讓旅客和物體移開門道位置的時間，如果門沒有全開，則電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)開門動作，5s鐘過后，電機(jī)開始執(zhí)行正轉(zhuǎn)關(guān)門，若門已關(guān)好，則退出程序，開始行車反之則繼續(xù)執(zhí)行關(guān)門動作。

門速緩沖程序軟件設(shè)計流程圖6。

圖6

當(dāng)動車組啟動自動門系統(tǒng)程序時，軟件開始識別，執(zhí)行慢速開門動作，當(dāng)門全開的時候，開門參數(shù)存儲后計數(shù)器清零，繼續(xù)保持開門位置一段時間（此時間按實際需要通過軟件設(shè)定），反之則繼續(xù)執(zhí)行開門動作，之后，執(zhí)行慢速關(guān)門動作，門關(guān)好后，關(guān)門參數(shù)存儲，計數(shù)器清零，返回，反之則繼續(xù)執(zhí)行關(guān)門動作。在開門和關(guān)門的整個過程中，自動門控制系統(tǒng)通過光電編碼器一直在檢測這電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移，通過光電編碼器的檢測以及dsPIC30F5015對其信號的處理，就可以使門在其加速位置和減速位置改變其相應(yīng)的速度，從而保障自動門的安全關(guān)閉。

綜上所述，動車組關(guān)門時如果遇到障礙，阻礙車門關(guān)閉并達(dá)到一定的擠壓力時，車門不能強行關(guān)閉，此時車門應(yīng)自動重新打開，防止旅客受傷和物品的損壞，該過程就是動車組自動門的防擠壓功能。此外，動車組自動門在關(guān)閉的過程中速度也是變化的，類似于我們乘坐的電梯的門，在車門打開和關(guān)閉時需要緩沖，這就需要精確的檢測出出門的具體位置，并在相應(yīng)的位置做出速度變化的動作以實現(xiàn)緩沖的目的。

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1674-6708（2011）57-0202-02