基于PIC18F452列車內端自動門系統的設計

何 毅，陳維忠，許中榮

HE Yi1, CHEN Wei-zhong2, XU Zhong-rong2

（1. 南京工業大學 自動化與電氣工程學院，南京 210009；2. 南京浦鎮科技實業有限公司，南京 210032 ）

基于PIC18F452列車內端自動門系統的設計

The design for train indoor automatic door system based on PIC18F452

何 毅1，陳維忠2，許中榮2

HE Yi1, CHEN Wei-zhong2, XU Zhong-rong2

（1. 南京工業大學 自動化與電氣工程學院，南京 210009；2. 南京浦鎮科技實業有限公司，南京 210032 ）

本文介紹了列車用自動門系統的設計。著重介紹了控制系統基于UC3844開關電源的設計，基于PIC18F452單片機無刷直流電機控制板的硬件和軟件設計；并介紹了本系統中無刷直流電機換相方法，關門過程中門受到阻擋的判別方法。最后介紹了本系統軟件設計的思路。

單片機(PIC18F452)；IR2136；列車自動們

0 引 言

隨著我國鐵路事業的高速發展，市場需要大量高檔列車，除了列車的運行速度大大的提高之外，各種輔助設備也要求提升一個檔次。手動式列車內端拉門已經不適應高檔列車的要求，取而代之的是紅外感應或按鍵式內端自動門。當旅客通過內端門時，紅外感應開門或按鍵開門；旅客通過后自動關上門。

1 自動門系統結構及功能

本系統主要由控制系統、驅動機構和門扇總成三大部分組成?？刂茊卧脑O計基于PIC18F452單片機；動力驅動采用無刷直流電機，通過同步齒形帶或絲杠、螺母驅動門扇；機械設計主要對列車內、外端門的受力結構、外型尺寸以及上、下導軌、安裝、定位等進行設計。本系統中，控制單元核心采用PIC18F452高速單片機，單片機根據相關的輸入信號，控制無刷電機的正、反轉，通過絲杠、螺母或同步齒行帶驅動車門開啟或關閉。自動門的功能、參數簡要描述如下：門在無人通過狀態時，處于關閉狀態。當按下開門按鈕或紅外感應到人走近時，門自動打開。開門時間為3.5±0.5 秒，門完全打開后，延遲10±0.5 秒后自動關門。關門時間為6.5±0.5 秒。關門過程中若受到阻擋，且門所處的位置小于滿行程的98%時應立即開門（防擠壓功能），門開后延時2秒后再自動關門。開門過程中門若受阻擋，應立即停止，2 秒后繼續開門，直至完全打開。在門完全關閉或完全開啟時，若有外力拉動門扇，其行程大于等于滿行程的5%時，門應做出相應的開啟或關閉動作。

系統結構如圖1所示：

圖1 自動門系統結構

2 控制單元的硬件設計

控制單元硬件設計主要包括電源和主控制器兩部分。列車上自動門采用DC110V供電，無刷電機的額定電壓為DC24V，因此需要通過開關電源變換后給系統供電?？刂破鞯脑O計是基于PIC18F452單片機，開關電源的設計是基于UC3844。

2.1 開關電源的設計

UC3844是電流型脈寬調制控制器，既能電壓閉環反饋控制，又能電流閉環反饋控制。本系統中，以UC3844作為開關電源的主控芯片，電路結構采用正激式變換形式，以TL431芯片作為電壓輸出設定值的反饋輸出，與UC3844構成電壓反饋控制。電路結構如圖2所示。

圖2 開關電源電路結構圖

圖中IRF460與UC3844構成電流反饋；TL431與UC3844構成電壓反饋，輸出24VDC給直流無刷電機和電機控制器供電。

2.2 無刷電機控制器的設計

本系統中，無刷直流電機控制器的設計主要有：電源電路、三相全橋電路、三相全橋驅動電路、電流采樣電路、無刷直流電機位置傳感器采樣電路、輸入輸出接口、單片機控制電路設計和通訊電路設計等。其硬件結構如圖3所示?？刂破鞯脑O計基于單片機PIC18F452，單片機采集無刷直流電機位置傳感器的狀態，由此控制驅動無刷直流電機的運行。

圖3 無刷直流電機控制板硬件設計框圖

2.2.1 PIC18F452的特性

PIC18F452是一款高性能精減指令集位單片機，16位寬度指令，8位寬度數據。其指令兼容PIC16系列和PIC17系列單片機。內部32K FLASH，1.5K RAM；振蕩頻率最大可達40MHz，最大指令執行速度為10MIPS。8通道10位A/D，采樣速率高（可編程）。具有上電復位，電壓跌落偵測復位（可編程），上電延時等功能。內部FLASH典型可擦寫10萬次，內部EEPROM典型可擦寫100萬次，FLASH和EEPROM的數據可保存至少40年。部分I/O口具有狀態改變產生中斷的功能。

2.2.2 IR2136的特性

IR2136是高壓高速MOSFET或IGBT驅動器，常用于全橋電路的驅動，具有三組獨立的上側和下側三相輸出通道。邏輯輸入兼容CMOS或LSTTL，低至3.3V。具有過流檢測保護功能，當橋路電流采樣電壓大于0.5V時，六路輸出自動被終止；當過流消失RC時間后，六路輸出自動恢復。具有過流或低壓停止保護指示輸出（漏極輸出）。本系統中用IR2136驅動全橋電路，實現無刷電機的換相。

3 系統的控制原理

本系統中，選用帶霍爾位置傳感器的直流無刷直流電機，一方面，單片機根據霍爾位置傳感器的狀態來控制直流無刷電機的換相；另一方面，在一定的時間內，單片機根據霍爾位置傳感器狀態改變的次數來換算電機的轉速；同時在關門和開門的過程中，根據霍爾位置傳感器狀態改變的次數計算門的行程。

3.1 無刷直流電機的換相

PIC18F452單片機RB口的RB4、RB5、RB6和RB7具有電平變化中斷的功能，當霍爾信號發生變化時，單片機實時響應中斷采樣霍爾信號。無刷直流電機霍爾信號SA、SB、SC和單片機的接口電路如圖4。單片機根據霍爾信號的狀態，控制IR2136，進而控制三相全橋電路的輸出，實現電機的換相。

3.2 門阻擋和過流保護

在關門的過程中，當門受到阻擋時，應能自動打開，以免旅客受擠壓而受傷。檢測門受到阻擋的方法有兩種，一是電流法，當電機的驅動電流達到某一設定值并保持一段時間，就可判定關門受到了阻擋，圖5是檢測電機驅動電流的原理圖，電機驅動電流經0.05Ω電阻取樣后，再放大10倍后送單片機的模擬通道AN0采樣。同時，將放大后的電壓再與設定的電壓比較，起到硬件保護作用，當電機的取樣電流大于某一設定值后（4.1V），TLC272的IC2B輸出高電平至IR2136的ITRIP端，IR2136強行關閉全橋電路的輸出，保護功率管和電機不被燒毀。另一種是速度法，在關門過程中，當關門速度驟減，并保持一段時間，就可以判定關門受到了阻擋。

圖4 無刷電機霍爾位置傳感器與單片機的接口電路

3.3 開關門閉環控制

由于門系統的機械結構、安裝、負載等差異性，同樣的開關門速度，其電機的驅動電流是不一樣的。因此，在開關門的過程中，必須要進行速度和PWM輸出的PI閉環調節。本系統中，電壓斬波PWM調速采用上橋臂恒通，下橋臂PWM調制。

PI負反饋單閉環控制，可以實現轉速無靜差，如果對系統的動態性能要求較高，例如要求快速起制動、突加負載動態速降小等等，單閉環控制系統就難以滿足要求?？梢栽谒俣蓉摲答亞伍]環控制系統的基礎上，再引入電流負反饋環來控制系統動態過程的電流和轉矩。其中，電流環的一個重要作用就是保證電樞電流在動態過程中不超過允許值，即電流環首先能夠起到抑止超調的作用，對于轉速環，穩態無靜差是最根本的要求。在本系統中，采用PI速度調節和能滿足要求。

4 軟件設計

本系統軟件采用PIC單片機匯編語言設計，軟件編譯器是MPLAB IDE V7.30。程序主要部分有初始化模塊、系統參數采集存儲模塊、自檢模塊、按鍵處理模塊、計時模塊、開關門監視模塊、PI調節模塊、A/D采樣模塊、故障診斷模塊、電機換相模塊和通訊模塊等。程序設計框圖如圖6所示。

圖6 程序設計框圖

5 結論

本系統設計既涉及機械結構的設計，又涉及軟硬件設計，各方面需密切配合，才能完成系統功能的實現。從系統運行情況來看，系統控制穩定可靠，抗干擾能力強，尤其是PIC單片機具有優良的抗干擾能力和強大的功能，完全滿足本系統的要求；同時基于UC3844的開關電源有較好的過流和過載的能力，輸出的電壓穩定可靠。通過實際裝車運用證明，本設計控制系統穩定、可靠，機械結構設計合理。

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TP23

B

1009-0134(2010)09-0116-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.35

2010-02-05

何毅（1969-），男，講師，博士，研究方向為嵌入式系統與模式識別。