張玉超,張冀,徐科軍,王剛,黃中全
(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司,重慶 404001)
地鐵站臺(tái)屏蔽門控制系統(tǒng)研制
張玉超1,張冀1,徐科軍1,王剛2,黃中全2
(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司,重慶 404001)
針對(duì)地鐵站臺(tái)屏蔽門控制系統(tǒng)高可靠性要求,設(shè)計(jì)了一種基于MCU+CPLD+I(xiàn)PM架構(gòu)的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案。加入電流環(huán)顯著減小了母線電流的波動(dòng)。樣機(jī)經(jīng)過模擬裝置控制實(shí)驗(yàn)與屏蔽門控制實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性良好,可靠性較強(qiáng),證明文中提出的方法的可行性。
站臺(tái)屏蔽門;無刷直流電機(jī);雙閉環(huán)
地鐵屏蔽門是一種圍繞地鐵站臺(tái)邊緣設(shè)置、局部開關(guān)可控的連續(xù)屏墻。它將站臺(tái)與軌道隔離,可以防止乘客跌落軌道而發(fā)生危險(xiǎn),也可以防止列車進(jìn)站帶來強(qiáng)風(fēng)和灰塵,為乘客提供了一個(gè)安全、舒適的乘車環(huán)境。
本文針對(duì)站臺(tái)屏蔽門門控系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn),設(shè)計(jì)一種MCU+CPLD+I(xiàn)PM結(jié)構(gòu)的屏蔽門控制系統(tǒng)方案,研制控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái),設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件,在硬件架構(gòu)和軟件算法方面充分考慮了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,控制系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速、可靠性高的特點(diǎn),具有很好的工程應(yīng)用前景。
站臺(tái)屏蔽門控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。安裝方式采取下支撐方式,采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),屏蔽門的下部裝有同步帶,耦合在從動(dòng)輪上,電機(jī)軸上裝有主動(dòng)輪,與從動(dòng)輪互相耦合??刂破鞲鶕?jù)門的運(yùn)行方向、運(yùn)行速度和無刷電機(jī)霍耳傳感器反饋的位置信號(hào)進(jìn)行PWM波形的調(diào)制,調(diào)制波形送入功率驅(qū)動(dòng)電路,電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)屏蔽門的開關(guān)。
圖1 屏蔽門控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanical structure of screen door control system
根據(jù)屏蔽門實(shí)際運(yùn)行的工況要求,控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能:
1)快速、平穩(wěn)地執(zhí)行主控制器發(fā)出的開、關(guān)門信號(hào),在要求的時(shí)間內(nèi)完成屏蔽門的運(yùn)行,其中開啟時(shí)間為2.5~3s,關(guān)閉時(shí)間為3~3.5s;
2)按照設(shè)定的速度曲線進(jìn)行開關(guān)門動(dòng)作,且運(yùn)行的動(dòng)能和速度滿足要求,開關(guān)門的位置比較精確;
3)可靠性較高,能夠長時(shí)間安全可靠工作,電路具有相應(yīng)的各種保護(hù)功能,在突發(fā)情況下不會(huì)損壞器件;
4)可以采集屏蔽門的運(yùn)行狀態(tài)及各種故障信息并發(fā)送到主控制器,使主控制器能夠集中進(jìn)行管理和監(jiān)控。
根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求,屏蔽門控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有響應(yīng)快速、定位精準(zhǔn)、運(yùn)行可靠和故障自診斷等特性,因此,在硬件設(shè)計(jì)和軟件算法上應(yīng)有特殊的處理。
控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,可以分為3個(gè)部分,即控制回路、功率回路和機(jī)組。為了滿足安全、可靠、高效的設(shè)計(jì)要求,控制器選用了MCU+CPLD+I(xiàn)PM組合的方案。MCU選用英飛凌公司的XE164FM。XE164FM單片機(jī)以強(qiáng)大的電機(jī)控制功能和高可靠性著稱,在控制精度和可靠性方面都得到保證。CPLD選用Altera公司的EPM570T100C5,主要起二級(jí)保護(hù)的功能,保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。IPM選用三菱公司的PS21965,內(nèi)部集成了功率橋及其驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路,在簡化電路設(shè)計(jì)的同時(shí),極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。
圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The diagram of the hardware
主回路采用交-直-交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。IPM集成了逆變橋,經(jīng)過PWM的控制來驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)。圖3是逆變橋電路圖,以三菱公司的PS21965為核心,由 R1,D1~D3,C1~C3組成自舉電路,為逆變橋3個(gè)上橋臂提供柵源電壓VGS。D7,R29,C45,C049構(gòu)成了逆變橋的尖峰吸收回路,在PCB布局時(shí)要盡量靠近IPM放置。U1為霍耳型電流反饋元件,提供電流反饋,以便軟件進(jìn)行電流環(huán)計(jì)算。
圖3 IPM及其外圍電路Fig.3 IPM and its peripheral circuits
控制回路部分主要由XE164FM芯片、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路組成。通過檢測(cè)母線電流來實(shí)現(xiàn)電流反饋;IPM的過流信號(hào)反饋給CPLD,在CPLD內(nèi)部進(jìn)行過流保護(hù),在控制器過流的情況下及時(shí)關(guān)斷輸出;6路PWM信號(hào)經(jīng)過CPLD送入IPM模塊,進(jìn)行PWM調(diào)制;CPLD對(duì)6路PWM信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),一旦出現(xiàn)上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通就立即關(guān)斷PWM的輸出,以防止短路。XE164FM參與整個(gè)系統(tǒng)的控制與管理,完成速度、電流的雙閉環(huán)全數(shù)字調(diào)節(jié),通過輸出三相6路PWM信號(hào)控制開關(guān)管的關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的調(diào)速。
此外,控制回路部分還實(shí)現(xiàn)CAN通信、控制器運(yùn)行狀態(tài)指示和聲光報(bào)警等功能。
整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)電路包括過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、熱保護(hù)、防浪涌保護(hù)電路等。主回路與控制回路之間的信號(hào)傳輸全部采用光耦進(jìn)行隔離。
由于電機(jī)制動(dòng)過程中,電流會(huì)回饋到主回路,導(dǎo)致母線電壓升高,所以主回路中的過壓保護(hù)電路特別重要。圖4為110V欠電壓過電壓保護(hù)電路,電路下半部分為欠壓檢測(cè)部分,這里的TL431作電壓比較器使用。其余部分為過壓保護(hù)電路,可限制最高電壓為153V,當(dāng)電壓大于153V 時(shí),Q5導(dǎo)通,U26導(dǎo)通,Q3導(dǎo)通,CC27_OVINT信號(hào)變高電平,送到單片機(jī);接著Q4,U25,Q7導(dǎo)通,單片機(jī)發(fā)出的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)CC19_brake使Q7開始斬波降壓,直到母線電壓降低。C35與Q3的輸出電阻構(gòu)成一個(gè)RC延時(shí)電路,防止斬波器工作在臨界狀態(tài),即:母線電流經(jīng)過Q7泄放,CC27_OVINT又變低,Q7便關(guān)斷,如此反復(fù)。
圖4 過壓與欠壓保護(hù)電路Fig.4 Over voltage and under voltage protection circuits
由于漏感和MOSFET較大的開通電容的影響,使得其關(guān)斷時(shí)會(huì)承受一個(gè)很高的電壓尖峰。為了減小這個(gè)尖峰,使用RCD緩沖電路。RCD緩沖電路可以抑制MOSFET關(guān)斷損耗和漏極電壓上升率。當(dāng)關(guān)斷時(shí),電阻被二極管短路,二極管直接跟電容串聯(lián)。C58起到吸收尖峰電壓的作用,當(dāng)開通時(shí),形成放電回路,電阻R62的加入給電容提供一個(gè)能量泄放通道,同時(shí)也避免電容中所有的儲(chǔ)能都消耗在開通時(shí)的開關(guān)管上從而造成開關(guān)過熱。C58的取值需要足夠大,使得開關(guān)管電壓上升速度足夠緩慢,保證開關(guān)管不受到?jīng)_擊。而C58因?yàn)閾p耗的原因也不能太大,而R62的大小沒有特別要求,R越小,C58的放電速度越快,但因C58需要在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)放電,因此開關(guān)管的瞬態(tài)工作電流也相應(yīng)增大,一般只需要在Ton的時(shí)間內(nèi)保證C58在下次開關(guān)管關(guān)斷時(shí),放完電荷就可以了。
系統(tǒng)的反饋信號(hào)包括電流反饋、轉(zhuǎn)速反饋和屏蔽門位置檢測(cè)3種。電流反饋采用安裝在母線的HALL型電流傳感器來完成,電路如圖3中U1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋由安裝在直流無刷電機(jī)內(nèi)的HALL位置傳感器完成。屏蔽門的位置檢測(cè)也是依靠電機(jī)HALL位置傳感器來檢測(cè)的,經(jīng)過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速之后,每個(gè)HALL脈沖對(duì)應(yīng)屏蔽門位移0.1mm。
系統(tǒng)的軟件包括主程序、捕獲中斷程序和定時(shí)器單元周期匹配程序。在主程序中對(duì)MCU外設(shè)單元進(jìn)行初始化并啟動(dòng)電機(jī);在捕獲中斷里進(jìn)行換相處理和電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算;在定時(shí)器周期匹配中斷里進(jìn)行雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。
3路霍耳位置信號(hào)送入CPLD,邊沿鎖存后進(jìn)行或運(yùn)算后在360°的電角度內(nèi)可得到相隔60°(電角度)的6個(gè)脈沖信號(hào),將這個(gè)信號(hào)送進(jìn)MCU的捕獲單元,捕獲單元進(jìn)行上升邊沿檢測(cè),檢測(cè)到脈沖時(shí)說明換相時(shí)刻到來,軟件進(jìn)行換相處理。
捕獲單元還用來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。計(jì)算相鄰2個(gè)霍耳脈沖的定時(shí)器計(jì)數(shù)值的差,再乘以定時(shí)器的時(shí)間分辨率,就得到了相鄰2個(gè)脈沖的時(shí)間間隔,然后換算成轉(zhuǎn)速。2路電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算都是通過同一個(gè)定時(shí)器來完成的,為了保證轉(zhuǎn)速計(jì)算的準(zhǔn)確,允許溢出,在軟件中設(shè)置軟件定時(shí)器對(duì)定時(shí)器的溢出次數(shù)進(jìn)行增運(yùn)算,在計(jì)算轉(zhuǎn)速時(shí)將定時(shí)器的溢出次數(shù)考慮進(jìn)去,從而計(jì)算出真實(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。
為了讓電機(jī)轉(zhuǎn)速和母線電流可以得到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),選擇在1ms時(shí)進(jìn)行電流環(huán)的調(diào)節(jié),10ms時(shí)進(jìn)行速度環(huán)的調(diào)節(jié),最后根據(jù)調(diào)節(jié)結(jié)果改變PWM的占空比。電流、轉(zhuǎn)速兩個(gè)閉環(huán)均采用位置型數(shù)字PI控制,PI計(jì)算公式如下:
雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)的流程圖如圖5所示,為了防止PI控制器出現(xiàn)積分飽和而帶來控制效果的惡化,速度環(huán)采用防積分飽和式PI控制器,在計(jì)算控制量時(shí)首先判斷上次的控制量是否已經(jīng)超出極限范圍,若超出了上限則只累加負(fù)偏差,若超過了下限則只累加正偏差,這樣可以避免控制量長時(shí)間停留在飽和區(qū)。
圖5 雙閉環(huán)調(diào)速軟件流程圖Fig.5 Flow chart of double closed-loop regulation
實(shí)驗(yàn)過程中,雙閉環(huán)的PI參數(shù)整定采用工程整定法,通過觀察電機(jī)響應(yīng)曲線的上升時(shí)間、超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)來調(diào)整PI參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中采用方波激勵(lì)來進(jìn)行電流環(huán)整定,整定結(jié)果如圖6所示,從圖6中可以看到,電流響應(yīng)曲線基本無超調(diào),無靜態(tài)誤差,上升時(shí)間在20ms左右。轉(zhuǎn)速環(huán)采用階躍響應(yīng)來進(jìn)行整定,整定結(jié)果如圖7所示,上升時(shí)間200ms左右,無超調(diào),無靜態(tài)誤差。
圖6 電流環(huán)整定結(jié)果Fig.6 Current loop adjusting result
圖7 轉(zhuǎn)速環(huán)波形Fig.7 Waveform of motor speed loop
硬件調(diào)試完成后,我們首先在模擬飛輪裝置上進(jìn)行了軟件調(diào)試與電機(jī)響應(yīng)性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)各項(xiàng)性能滿足要求后,再將控制器安裝到站臺(tái)屏蔽門上,在實(shí)際工況下進(jìn)行測(cè)試。
使用的直流無刷電機(jī)參數(shù)為:額定電壓U=220V,額定功率P=200W,額定轉(zhuǎn)速n=3 200 r/min,額定電流I=1.8A,極對(duì)數(shù)p=5,繞組電阻R=2Ω,繞組電感L=0.002 4H,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.000 35kg·m2。
由于屏蔽門體積比較大,同時(shí)在門開關(guān)過程中產(chǎn)生的噪聲也很大,不方便在實(shí)驗(yàn)室安裝。為方便在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行軟件的調(diào)試工作,我們?cè)O(shè)計(jì)了模擬飛輪裝置,安裝在電機(jī)減速齒輪的傳動(dòng)軸上,模擬屏蔽門轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,方便我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行調(diào)試。
根據(jù)動(dòng)能守恒折算門的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,安全門質(zhì)量50kg,折算至電機(jī)軸時(shí)的半徑r=2.45mm,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為3.5×10-2kg·m2。采用均質(zhì)鋼板加工成飛輪直接裝于減速后的傳動(dòng)軸上來模擬門的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。我們選用密度ρ=7e8+3kg/m3,直徑為184mm,厚度為40mm的鋼質(zhì)圓盤作為飛輪。并通過在飛輪上打孔添加配重的方法來調(diào)節(jié)動(dòng)平衡,具體方法為在飛輪上以65mm為邊長畫一個(gè)同心的正六邊形,六邊形每個(gè)頂角處鉆通孔,孔徑與所選螺栓匹配。選用螺栓直徑10mm左右,長100mm左右,用螺母固定于飛輪上,通過增減螺栓上的金屬墊片調(diào)整飛輪的動(dòng)平衡。
模擬屏蔽門關(guān)閉中的減速動(dòng)作,電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速在2.5s時(shí)給定為800r/min,轉(zhuǎn)速的響應(yīng)波形如圖8所示。
圖8 電機(jī)測(cè)試轉(zhuǎn)速波形Fig.8 The speed waveform of motor testing
采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)時(shí),很容易出現(xiàn)減速時(shí)超調(diào)量過大,會(huì)使屏蔽門的運(yùn)行不夠平滑。因此,在設(shè)計(jì)中采取開環(huán)減速的方式,減速完成后再加入PI閉環(huán)調(diào)節(jié),從圖8中可以看出,采用開環(huán)減速的方式明顯改善了超調(diào)現(xiàn)象。
為了驗(yàn)證電流環(huán)調(diào)節(jié)的有效性,對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的母線電流進(jìn)行了觀測(cè)。圖9為不帶電流環(huán),僅有轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)的母線電流波形。帶電流環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)的啟動(dòng)電流波形如圖10所示。兩圖比較可以看出,僅有速度環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)母線上的電流沒有得到控制,存在大的電流尖峰脈沖,因此對(duì)電路造成了較大沖擊,嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性;而采用帶電流閉環(huán)的控制算法時(shí),母線上的尖峰電流得到了很大的抑制,運(yùn)行平穩(wěn),因此控制系統(tǒng)的可靠性得到了很大的提高。
圖9 無電流環(huán)的母線電流Fig.9 Bus current without current loop
圖10 帶電流環(huán)的母線電流Fig.10 Bus current with current loop
將控制系統(tǒng)安裝在屏蔽門上之后,我們對(duì)控制系統(tǒng)控制屏蔽門開關(guān)的過程進(jìn)行了測(cè)試。
圖11為屏蔽門關(guān)閉過程中轉(zhuǎn)速曲線與行程曲線。
圖11 屏蔽門關(guān)閉過程行程曲線與轉(zhuǎn)速曲線Fig.11 The displacement curve and speed curve of screen door closing process
從圖11中可以看到,屏蔽門的運(yùn)行過程可以分為高速運(yùn)行階段和低速運(yùn)行階段兩部分。這樣做是為了在兩扇門關(guān)閉的時(shí)候減小沖擊。每扇門的總行程為1m。
站臺(tái)屏蔽門控制系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)室階段在模擬飛輪裝置上的性能測(cè)試和實(shí)際工況的實(shí)測(cè)表明系統(tǒng)各項(xiàng)性能較好,滿足設(shè)計(jì)要求,具有以下特點(diǎn):
1)根據(jù)站臺(tái)屏蔽門運(yùn)行時(shí)間長、可靠性要求高、工況惡劣等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了 MCU+CPLD+I(xiàn)PM的控制器方案,在IPM內(nèi)部固有的保護(hù)功能基礎(chǔ)上,增加CPLD二級(jí)保護(hù)功能,確保門控系統(tǒng)長期安全、可靠運(yùn)行;
2)采用帶電流環(huán)的雙閉環(huán)控制方法,調(diào)速指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求;
3)顯著抑制了母線上的電流尖峰,減小了對(duì)硬件電路的沖擊,明顯提高了系統(tǒng)的可靠性;
4)設(shè)計(jì)了模擬飛輪裝置,模擬負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,便于我們前期在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軟硬件的設(shè)計(jì)與調(diào)試工作;
5)研制的樣機(jī)安裝在站臺(tái)屏蔽門上,在實(shí)際工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,具有很好的工程應(yīng)用前景。
[1] Miller T J E.Brushless Permanent Magnet and Reluctance Motor Drives[M].England:Oxford Science Publications,1993.
[2] 中華人民共和國建設(shè)部,CJ-T236-2006,《中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門》[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.
[3] Chen Lidong,Shi Lei.Design of Control System of Solar Cell Lamination Machine Based on Double MCU[C]∥Changsha:Proceeding of the ICMTMA,2010,1:1049-1048.
[4] Liu Guohai,Zhang Hongtao.Design and Analysis on Permanent-magnet BLDC Motor for Automatic Door[C]∥Wuhan:ICEMS,2008:3171-3176.
[5] Implementation of a Speed Controlled Brushless DC Drive Using TMS320F240[EB/OL].[1997-7].Texas Instruments Inc,http://focus.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literature-Number=bpra077&fileType=pdf.
[6] Jim Lepkowski.Motor Control Sensor Feedback Circuits[EB/OL].[2003].Microchip Technology Inc,http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1824&appnote=en012139.
修改稿日期:2012-01-19
Control System Development for Metro Platform Screen Door
ZHANG Yu-chao1,ZHANG Ji1,XU Ke-jun1,WANG Gang2,HUANG Zhong-quan2
(1.SchoolofElectricalandAutomationEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,Anhui,China;2.ChongqingChuanyiAutomationCo.,Ltd.,Chongqing404001,China)
Aimed at the demand for high reliability in metro platform screen door control system,a control scheme of BLDC based on MCU,CPLD and IPM was proposed.With the current closed loop,the bus current spikes are suppressed.The model machine has been tested in simulation equipment controlling experiment and platform screen doors controlling experiment.The results of the test show that the system has excellent dynamic performances and high reliability,thus the validity and the feasibility of the proposed approach are proved.
platform screen doors;brushless DC motor(BLDCM);double closed loop
TP273
A
張玉超(1986-),男,碩士研究生,Email:zhangyuchao111@126.com
2011-06-10