基于dsPIC30F5015的動(dòng)車組自動(dòng)門控制系統(tǒng)研究

馬 騰北京鐵路局北京動(dòng)車客車段，北京 100039

基于dsPIC30F5015的動(dòng)車組自動(dòng)門控制系統(tǒng)研究

馬 騰北京鐵路局北京動(dòng)車客車段，北京 100039

本文基于美國(guó)微芯科技公司的數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F5015對(duì)動(dòng)車組自動(dòng)門控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，實(shí)現(xiàn)的功能有：動(dòng)車組自動(dòng)門的防擠壓功能、自動(dòng)門打開和關(guān)閉時(shí)的速度緩沖，使控制系統(tǒng)精確、穩(wěn)定的運(yùn)行。

dsPIC30F5015；動(dòng)車組；自動(dòng)門控制系統(tǒng)

動(dòng)車組是自帶動(dòng)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(dòng)車組技術(shù)源于地鐵，是新時(shí)代先進(jìn)科技的產(chǎn)物。

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

控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電機(jī)電流采樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)電機(jī)電流。電機(jī)電流通過(guò)一個(gè)外部采樣電阻得到模擬電壓，通過(guò)原級(jí)采樣信號(hào)輸入端進(jìn)入芯片，在次級(jí)得到一個(gè)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?yàn)椴蓸狱c(diǎn)路所采集的電機(jī)電流是電壓信號(hào)，必須通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，HCPL-7840的輸入信號(hào)范圍是-1.6V～+1.6V的差分電壓信號(hào)[1]，AD轉(zhuǎn)換器要求的輸入信號(hào)一般滿足0V～5V范圍，因此，需要對(duì)采樣到的差分電壓信號(hào)進(jìn)行偏執(zhí)放大。TLV2371是5V單電源運(yùn)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(yàn)，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(cè)電路輸出的電壓是：

數(shù)字信號(hào)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?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流之間存在線性關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)擠壓時(shí)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(jì)算出自動(dòng)門的擠壓力，知道自動(dòng)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(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定的臨界值時(shí)，就會(huì)調(diào)用自動(dòng)門的防擠壓軟件程序，從而使防擠壓功能得到實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)在電機(jī)軸上安裝光電編碼器，來(lái)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋控制。光電編碼器的輸出信號(hào)需要通過(guò)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(hào)，A信號(hào)和B信號(hào)，A信號(hào)和B信號(hào)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(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則A相信號(hào)超前B相信號(hào)90度，延逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，B相信號(hào)超前A相信號(hào)90度，為了產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，必須對(duì)編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形，整形電路的主要組成部分就是差動(dòng)比較器LM2903，通過(guò)整形后的光電編碼器輸出信號(hào)送給dsPIC30F5015的正交編碼器借口模塊的兩個(gè)輸入端QEA和QEB，通過(guò)正交編碼器對(duì)A相和B相信號(hào)進(jìn)行解碼，得到用于累計(jì)計(jì)數(shù)值的16位向上/向下得計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)和計(jì)數(shù)方向信號(hào)。正交編碼器接口框圖如圖3。

圖3

通過(guò)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)算就可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)角位移，從而確定自動(dòng)門所運(yùn)行的位置，通過(guò)脈沖頻率的計(jì)算，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由此對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋控制，達(dá)到自動(dòng)門打開和關(guān)閉時(shí)的速度緩沖功能。

為了有效的實(shí)現(xiàn)門速自動(dòng)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(dòng)車組自動(dòng)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(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速后將信號(hào)送到信號(hào)控制器DSC，測(cè)得的轉(zhuǎn)速值和DSC設(shè)定的值之間存在一個(gè)偏差，這個(gè)偏差由PID算法處理后產(chǎn)生一個(gè)控制量，這個(gè)控制量能夠改變DSC發(fā)出的PWM信號(hào)的占空比，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)流程圖5。

圖5

當(dāng)壓力值超限時(shí)，調(diào)用防擠壓程序，使自動(dòng)門電機(jī)制動(dòng)，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(shí)間可以通過(guò)軟件設(shè)定改變），此時(shí)便是讓旅客和物體移開門道位置的時(shí)間，如果門沒(méi)有全開，則電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)開門動(dòng)作，5s鐘過(guò)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(dòng)作。

門速緩沖程序軟件設(shè)計(jì)流程圖6。

圖6

當(dāng)動(dòng)車組啟動(dòng)自動(dòng)門系統(tǒng)程序時(shí)，軟件開始識(shí)別，執(zhí)行慢速開門動(dòng)作，當(dāng)門全開的時(shí)候，開門參數(shù)存儲(chǔ)后計(jì)數(shù)器清零，繼續(xù)保持開門位置一段時(shí)間（此時(shí)間按實(shí)際需要通過(guò)軟件設(shè)定），反之則繼續(xù)執(zhí)行開門動(dòng)作，之后，執(zhí)行慢速關(guān)門動(dòng)作，門關(guān)好后，關(guān)門參數(shù)存儲(chǔ)，計(jì)數(shù)器清零，返回，反之則繼續(xù)執(zhí)行關(guān)門動(dòng)作。在開門和關(guān)門的整個(gè)過(guò)程中，自動(dòng)門控制系統(tǒng)通過(guò)光電編碼器一直在檢測(cè)這電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位移，通過(guò)光電編碼器的檢測(cè)以及dsPIC30F5015對(duì)其信號(hào)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(dòng)門的安全關(guān)閉。

綜上所述，動(dòng)車組關(guān)門時(shí)如果遇到障礙，阻礙車門關(guān)閉并達(dá)到一定的擠壓力時(shí)，車門不能強(qiáng)行關(guān)閉，此時(shí)車門應(yīng)自動(dòng)重新打開，防止旅客受傷和物品的損壞，該過(guò)程就是動(dòng)車組自動(dòng)門的防擠壓功能。此外，動(dòng)車組自動(dòng)門在關(guān)閉的過(guò)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(shí)需要緩沖，這就需要精確的檢測(cè)出出門的具體位置，并在相應(yīng)的位置做出速度變化的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)緩沖的目的。

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1674-6708（2011）57-0202-02