站臺安全門電機控制器的設計

廖洪運，李志闊，劉 鵬，唐一非

（1. 天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300000；2. 同方泰德國際科技（北京）有限公司，北京 100083；3. 同方股份有限公司，北京 100083）

站臺安全門電機控制器的設計

廖洪運1，李志闊2，劉 鵬3，唐一非3

（1. 天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300000；2. 同方泰德國際科技（北京）有限公司，北京 100083；3. 同方股份有限公司，北京 100083）

文章給出了應用于有軌電車站臺安全門的直流電機控制器的控制方案，重點描述了系統硬件架構和軟件控制流程，并對驅動控制算法進行了探討。硬件上以 Microchip 的 16 位處理器為核心控制單元，控制部分與驅動部分完全隔離，提高系統的抗干擾性。軟件上采用雙閉環控制方法，速度調節器與電流調節器采用增量式數字 PI 算法。實驗表明該電機控制器能夠滿足現場應用的需求。

有軌電車；站臺安全門；直流電機；控制器

近年來，有軌電車在我國發展迅速。2014 年，南京河西有軌電車 1 號線投入運營，2015 年該線站臺上改造安裝了安全門系統。目前的安全門電機控制器雖能實現基本功能，但有響應速度慢、控制精度低、運行不夠平穩等缺點。本文在原有直流電機控制器的基礎上，從軟、硬件方面進行了優化，自主研發了應用于有軌電車站臺安全門的電機控制器系統，給出了硬件框圖以及軟件控制方案。

1　電機控制器概述

站臺安全門系統是一種安裝于候車站臺上的防護性裝置，其核心控制部件為電機控制器。站臺安全門的控制系統主要包括電機控制器、安全門控制盤、紅外控制器、站臺遙控器、就地控制盒等設備。其中，電機控制器作為控制系統的核心部分，直接決定了安全門運行的平穩性和安全性。

電機控制器主要實現的功能有以下幾點：

（1）響應安全門控制盤或就地控制盒發過來的控制命令，驅動電機進行開關門操作。

（2）門體在開關門運動過程中，以設定的速度曲線運動，速度曲線參數可調。在關門過程中，每扇滑動門最大動能不應超過 10 J，最后 100 mm 行程的動能不應超過 1 J。

（3）關門過程中具有防夾保護功能。

（4）具有故障顯示和報警功能，并能夠通過總線發送到安全門控制盤。

2　電機控制器的硬件設計

電機控制器以M i c r o c h i p公司的16位處理器dsPIC30F6010A 為核心控制單元。該處理器集成了電機控制PWM模塊、正交編碼器模塊 QEI 以及 AD 轉換接口等，為電機驅動控制的開發提供了方便。另外，該處理器還具有 CAN 通訊接口和 UART 通訊接口。電機控制器的硬件框圖如圖 1 所示。

為提高整個系統的抗干擾性，電機控制器的控制部分與驅動部分采用光耦完全隔離。處理器通過 IO 口接收控制命令，經過分析計算后，輸出具有一定占空比的4 路 PWM 波。PWM 波通過 H 橋驅動電路驅動電機以一定的速度和方向運轉。同時，光電編碼器檢測電機的運轉速度，以脈沖信號的形式反饋給處理器的 QEI 模塊，處理器根據此脈沖信號計算當前電機的運行速度，參與速度環的運算。另外，電流霍爾傳感器檢測流過電機的電流，進入處理器的 AD 轉化引腳，轉化成數字量參與電流環運算。

圖 1 電機控制器硬件框圖

電機控制器實時采集母線電壓值，并將該值與設定的最高母線電壓和最低母線電壓進行比較。一旦電壓超過極限范圍，硬件電路將產生相應的電平信號。處理器根據該信號，進行故障處理或報警。

當電機在減速制動過程中，電機處于發電狀態。電能通過電機回饋至直流回路，導致母線電壓瞬間升高。該電壓尖峰對于電源模塊會造成很大的沖擊甚至損壞，因此系統中設計了耗能電路。耗能電路的原理是當電機處于減速制動狀態時，如果母線電壓升高一定值（在此設定為 3 V），則將一耗能電阻接入電源母線兩端，消耗電機制動過程中回饋的電能。待母線電壓回降到正常范圍內后，耗能電阻自動切斷。整個耗能電路采用全硬件控制，響應速度快，能夠很好抑制電機剎車過程中的回饋電壓沖擊。

電機控制器還具有串行通信接口和 CAN 通信接口，串行通信接口主要用于上位機對電機控制器進行參數下載和數據示波顯示。由于整個站臺采用 CAN 總線作為通訊控制局域網，因此每個電機控制器通過 CAN 通訊接口連接到總線上，使安全門控制盤能夠進行集中控制和監測。

3　電機控制器的控制算法和軟件設計

3.1控制算法

為保證安全門在運動過程中具有良好的平穩性，同時按照設定的速度曲線精確運行。系統采用了雙閉環控制，即外環速度環、內環電流環。控制框圖如圖 2所示。

圖 2 直流電機雙閉環控制框圖

速度調節器和電流調節器采用增量式數字 PI 算法，算法公式為：

式（1）中，uk-1為第 k-1 次采樣時刻的輸出值；ek-1為第 k-1 次采樣時刻輸入的偏差值；K1為比例系數；K2為積分系數。

實際運行中，在電機啟動、停車或遇阻處理過程中，短時間內系統會產生很大的偏差，這會使 PI 運算的積分積累很大，引起輸出的控制量增大，這一控制很容易超出執行機構的極限值，引起強烈的積分飽和效應，造成系統振蕩、調節時間延長等不利結果。為了防止積分飽和帶來的不利影響，在速度環和電流環中采用了積分飽和限幅的控制算法。

另外，開關門的運動過程都要經歷加速段、高速段、減速段、慢速段 4 個階段，給定的速度曲線一般為梯形曲線，如圖3所示。梯形曲線的加速度具有突變性，速度變化不夠平滑，因此梯形曲線對電機具有一定的沖擊性。為了減輕對電機的柔性沖擊，提高電機運行的平穩性，將給定的梯形速度曲線首先經過濾波計算，變成 S 型速度曲線后，再進入速度環控制運算，如圖 4 所示。

圖 3 梯形速度曲線

圖 4 S型速度曲線

采用的濾波計算公式如下所示：

式（2）中，v 為本次運算的速度；v' 為上次運算的速度；r 為上次運算所得的余數；C 為濾波時常數，一般取整數。

3.2軟件程序設計

軟件中采用定時器 T1 定時 1 ms 作為系統時基。在T1 中斷程序中，分時間片循環調用各個處理程序。

低優先級處理程序每 100 ms 執行 1 次，主要完成的工作有：更新系統的運行狀態和故障信息；處理串口數據，實現與上位機的通訊；處理 CAN 總線數據，將狀態信息和故障信息發送到中央控制盤。低優先級處理程序的流程框圖如圖 5 所示。

速度環處理程序每 10 ms 執行 1 次，主要工作是：響應外部控制命令，確定電機的運轉方向；根據設定的速度進行濾波計算；進行速度環運算。速度環處理程序流程框圖如圖 6 所示。

電流環處理程序設定在 AD 中斷程序中進行。程序中設定每 16 個 PWM 進入 1 次 AD 中斷，在 AD 中斷程序中采樣電流值并進行電流環運算。由于 PWM 頻率設定為 16 kHz，因此電流環的運行周期為 1 ms。 AD 中斷程序流程框圖如圖 7 所示。

另外，保證各處理程序的運行時間分別小于各自運行時間片的 1/3，每 1 個處理程序運行完成后即時釋放CPU，使 CPU 能運行其他的空閑任務。

圖 5 低優先級處理程序流程框圖

圖 6 速度環處理程序流程框圖

圖 7 AD中斷程序流程框圖

4　實驗驗證

將電機控制器安裝到有軌電車站臺安全門樣機上進行測試。樣機參數如下：單扇樣機門重 40 kg；電機額定功率 96 W，額定電壓 24 V，額定電流 4 A，額定轉速 3 200 rpm，編碼器分辨率為 100；減速機減速比為 15 : 1；傳動方式為同步帶傳動，帶輪直徑為 50 mm。為了達到每扇滑動門的動能要求，安全門運行最高速度設定為 450 mm/s，慢速爬行區速度設定為 100 mm/s。

調試過程中，通過上位機軟件讀取電機的實際運行速度曲線。參照速度曲線，反復調整安全門各運行階段的 PI 參數值以及給定速度的濾波參數，使安全門在運行的 4 個階段，速度變化平滑無沖擊，此時為最佳運行狀態。電機速度曲線如圖 8 所示。

圖 8 開關門速度曲線

5　結論

（1）提出了有軌電車站臺安全門的電機控制器設計方案，并完成了在安全門樣機上的測試。

（2）該電機控制器控制精度高，響應速度快，運行平穩無沖擊，并具有完善的故障檢測和保護功能。

（3）該電機控制器已完成了百萬次開關門壽命實驗，能夠滿足現場應用的需要。

（4）該設計方案，也對同領域的地鐵站臺屏蔽門、BRT 站臺安全門的驅動控制具有參考意義。

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［3］ 仇維斌，歐紅香. 一種基于TMS320LF2407A的地鐵屏蔽門門機控制器設計［J］. 微電機，2009（9）.

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［5］ 王曉明. 電動機的DSC控制［D］. 北京：北京航空航天大學，2009.

責任編輯 孫銳嬌

Design of Motor Controller for Safety Gate on Tram Platform

Liao Hongyun， Li Zhikuo， Liu Peng， et al.

This paper presents the control scheme of the DC motor controller applied to safety screen gate of tram platform， the description is focusing on the system hardware architecture and software control flow and discussion on the drive control algorithm method. On the hardware， the 16 bit processor of Microchip is the core control unit，the control part and the drive part are completely separated， and the anti-interference ability of the system is improved. Double closed loop control method is used in the software， the speed regulator and the current regulator are used in the incremental digital PI algorithm. Tests show that the motor controller can meet the requirements of the fi eld application.

tram， platform safety gate， DC motor，controller

TP273

2016-05-26

廖洪運（1976—），男，高級工程師