站臺門門機控制系統的國產化應用研究

郭順利，李 樊，李 帥，鐘建峰

（中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

1 引言

當前半導體/集成電路行業面臨的問題主要有2個：①核心技術和供應鏈受制于人，自主可控程度低；②受國際環境影響，國內供應鏈受阻，價格高。軌道交通作為國民出行的重要交通方式之一，為響應國家號召，提升發展水平，長久以來一直致力于實現關鍵設備的自主可控。站臺門控制系統是軌道交通中應用場景多、應用數量大且關乎乘客生命財產安全和車輛運營安全的重要組成部分，其核心技術和控制系統長期受制于國外半導體供應鏈，不利于站臺門行業的健康發展。實現站臺門裝備自主化及自主供給，擺脫核心技術和供應鏈受制于人的局面是本文研究的重點。

本文論述了站臺門控制系統的構成，剖析了站臺門門機控制系統的核心部件門控單元（DCU），闡述了傳動機構對直流無刷電機的控制原理，并設計出以自主化設備作為處理器和逆變單元的門機控制系統，經過在京張高鐵站臺門項目樣機上的試驗驗證可知，自主化門控單元在滑動門控制過程中運行流暢平滑，具有良好的可靠性、魯棒性，滿足實際工程項目中的應用需求。

2 站臺門控制原理

2.1 站臺門控制系統的構成

站臺門控制系統主要由中央控制盤（PSC）、門機系統、電源系統以及各種操作單元組成，站臺門控制系統如圖1所示。PSC主要負責數字信號處理及邏輯指令傳輸。 DCU是門機系統的關鍵部件，負責控制2扇滑動門按照設定速度曲線進行開/關門動作，門控單元數量多且與行車直接相關，在站臺門控制系統中尤為重要。

2.2 直流無刷電機工作原理

目前行業內多采用直流無刷電機作為執行機構，負責驅動滑動門進行開/關門動作。直流無刷電機精確穩定控制是DCU研究的難點和重點，實現對電機精準、速度平滑、脈動轉矩小的控制，也是DCU設計的出發點和基本原則。

DCU主要任務是通過驅動電路控制直流無刷電機電壓、電流、頻率等控制量，改變傳動機構的轉矩、速度、位移等機械量，使站臺門按照設定的運動參數進行開/關門動作。直流無刷電機驅動主電路原理如圖2所示，由6個場效應管（MOSFET）和直流無刷永磁電機組成。控制信號采用近似正弦的空間矢量脈寬調制（SVPWM）數字信號。三路控制信號各差120°。驅動器根據直流無刷電機給定位置和反饋信號，經過SVPWM控制算法產生6路驅動信號，最后通過智能功率模塊（SPM）輸出合適的電壓和電流，控制直流無刷電機的轉矩和轉速帶動站臺門進行開/關門動作。電機需要反向旋轉時，只需要調整控制信號觸發類型控制寄存器即可。DCU驅使直流無刷電機按照設定的速度曲線運作，進而帶動滑動門執行開門、關門以及防夾等功能。

圖2 直流無刷電機驅動主電路原理圖

2.3 直流無刷電機的調速特性

通常在門機控制系統中，不但要求滑動門在運動過程中具有很好的啟動特性，而且要求在加速、勻速、降速過程中具有良好的調速性能。由于采用了脈寬調制方式，假定電樞電流連續，動態電壓方程為：

式（1）中，U是電源電壓，V；E是電樞繞組反向電動勢，V；Iacp是電樞電流，A；racp是電樞電阻，Ω；ΔU是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）管壓降，V。

直流無刷電機的電樞繞組反向電動勢與轉速之間關系如下：

式（2）中，n是電機轉速，r/min；Ke是反向電動勢系數，V / r · min-1。

由式（2）可推出

式（4）中，M表示轉矩，N · m；Km是轉矩常數，N · m /A。由式（4）可知，假定轉速不變，改變母線電壓U可以控制直流無刷電機輸出轉矩M；轉矩不變時，可改變電壓實現轉速控制。因此直流無刷電機的調速特性良好，通過調節母線電壓極易實現平滑調速。滑動門在開/關門過程中碰撞到障礙物時，將導致直流無刷電機的轉速驟降，由式（2）可知當直流無刷電機的轉速驟降時電樞繞組的反向電動勢E同時驟降，又由公式（1）可知，反向電動勢E減小時電樞平均電流Iacp快速升高。DCU采用電樞平均電流上升和轉速驟降2種方式進行站臺門遇阻判定，2 種方式融合后能更有效的應用在復雜的站臺門運營環境中。DCU確認站臺門遇阻后，發出門報警指示并將遇阻狀態發送至PSC控制系統。

3 自主化硬件系統設計

3.1 核心 MCU 選擇

站臺門門機系統是由芯片完成信號處理及運動控制的。處理器芯片相當于門機控制系統的執行大腦，占據關鍵位置。站臺門門機控制系統自主化重在應用國有芯片實現站臺門的運動控制。通過對芯片（IC）市場調研和各種類型IC遴選，從兆易創新、龍芯中科、航順、華為海思、清華紫光、中芯國際等市場主流及使用量較大的產品中選取3款IC進行初步的方案比選，比選清單如表1所示。

表1 國產MCU方案對比清單

從表1可知，在電機控制方面，兆易創新、航順具有優勢；在經濟方面，兆易創新GD32處理器已經發展成為中國32位通用處理器（MCU） 市場主流之選，并以累積超過6億顆的出貨量、超過2萬家的客戶數量，應用覆蓋率穩居中國本土首位，價格較同類型MCU便宜很多。從芯片的主頻、存儲、經濟性、場景應用等方面綜合考慮，最終選取兆易創新GD32F103VCT6作為門機控制系統的MCU。

3.2 自主化硬件電路設計

站臺門門機控制系統的硬件系統主要由主電路、開關電源、母線狀態采樣、輸入/輸出（I/O）信號、RS485通信、反向電動勢吸收、電機驅動、處理器等組成。自主化硬件電路設計結構如圖3所示。

圖3 自主化硬件電路設計結構圖

整體設計思路為DC電源輸入經過整流橋矯正電源正負極方向后，為門機控制系統供電；檢測回路實時檢測110 V母線電壓、電流、SPM溫度及直流無刷電機的轉速，其中母線電壓、電流和SPM溫度的采樣信號為模擬信號，需通過模數轉換器（A/D）將模擬信號轉換為數字信號傳入處理器；轉速采樣信號為數字信號，通過光電編碼器對直流無刷電機進行數字測速。門機控制系統還具備系統自檢及故障檢測功能，對直流無刷電機的電壓、電流信號進行實時檢測和分析，若出現故障可立即采取措施，以避免故障進一步擴大，并同時發出報警信息，以便通知人工處理。門機控制系統的核心處理器采用專為電機控制設計的GD32F103VCT6處理器，該處理器自帶通用I/O、A/D轉換器、脈寬調制（PWM）生成器、RS485通信接口、故障保護以及用于數字測速的捕捉器功能，可極大簡化控制電路的設計。

DCU硬件系統由電阻電容、變壓器、芯片及智能模塊等多種元器件組成，系統中元器件的國產化率達到100%，實現了站臺門裝備自主化生產制造。系統涉及的電阻、電容均由國內廠家國巨公司生產。開關電源采用反激式開關電源設計，關鍵部件開關變壓器根據設計參數由國內廠家繞制，開關電源主要負責為各個芯片及負載供電。RS485通信電路主要采用納芯微電子公司的自帶隔離RS485集成芯片，以光隔離的方式與PSC進行RS485數據傳輸。外部輸入信號電路主要由光寶科技的16引腳4通道隔離光耦構成，隔離光耦主要負責采集控纜輸入信號、電磁鎖反饋信號、就地控制盒（LCB）控制信號、端門及應急門信號，并將采集到的信號傳送至兆易創新處理器GD32F103VCT中；外部輸出信號由隔離光耦及紫光科技的大電流達林頓陣列集成塊組成，根據滑動門實時狀態實現對門頭指示燈及蜂鳴器、端門指示燈、電磁鎖線圈的控制輸出。直流無刷電機驅動電路主要由奧倫德的快速光耦隔離及士蘭微電子的智能功率模塊（SPM）組成，主要負責控制直流無刷電機的轉速；直流無刷電機電流采樣由納芯微電子的線性光耦及圣邦微電子的精密放大器組成，負責實時采集直流無刷電機的狀態電流。霍爾傳感器負責實時檢測轉子位置信號，通過中微愛芯的反相器對采集后的脈沖信號進行整形。差分編碼器負責實時檢測直流無刷電機的轉速，經瑞盟科技的差分線路接收器將差分信號轉變為晶體管-晶體管邏輯電平（TTL）信號，TTL信號經過脈沖整形后發送至GD32F103VCT處理器的捕捉器中進行數字測速。在直流無刷電機帶動滑動門運行的過程中，處理器實時檢測母線電壓、電流的運行狀態，當檢測到母線電壓電流超限時，處理器觸發故障保護機制、屏蔽PWM產生器并將狀態及故障信息上傳至PSC監控系統。

4 自主化軟件系統設計

門機控制系統軟件主要由電機驅動和邏輯控制2部分組成，電機驅動部分主要負責實時采集母線、電機電流、SPM驅動模塊的溫度及狀態，DCU根據邏輯控制發送的運動指令，控制滑動門進行開/關門動作，同時將電機運行狀態信息通過RS485通信接口上傳至PSC監控系統。同時DCU實時采集電磁鎖、應急門、LCB等運行狀態，經過處理后，控制電機帶動門體運動，并以RS485通信方式將DCU整體運行狀態上傳至PSC監控系統。總體流程如圖4所示。

圖4 軟件系統總體流程圖

門機控制系統設置了3個調節器即三閉環控制，分別引入位置負反饋、速度負反饋、電流負反饋用于調節位置、轉速和電流。三者之間采用串級連接，位置調節器的輸出當作速度調節器的輸入，速度調節器的輸出當作電流調節器的輸入，電流調節器的輸出控制SPM電機驅動模塊。三閉環從內之外分別是電流環、速度環、位置環。為了獲得良好的靜態和動態性能，電流環、速度環調節器均采用帶限幅作用的比例積分（PI）調節器，位置環采用快速響應的P調節器。控制流程如圖5所示。

圖5 軟件系統三閉環控制流程圖

站臺門運動控制主要由開/關門控制組成。滑動門在開門動作前首先判斷滑動門當前所處位置，如果滑動門處在關門到位的位置，系統發出提鎖指令并判斷電磁鎖反饋的提鎖信號。如果提鎖成功，電機驅動帶動滑動門進行開門運動；如果提鎖失敗，電機驅動發出報警并將報警信息上傳至邏輯控制。滑動門關門則是判斷門體當前所處位置后，電機驅動直接帶動滑動門進行關門動作，滑動門運行至關門到位且電磁鎖落鎖后關門動作完成。開/關門控制流程如圖6所示。

圖6 開/關門控制流程圖

5 功能驗證與性能優化

為驗證國產化站臺門門機控制系統性能，將自主化DCU放置在京張高鐵站臺門項目樣機上進行運行并用監控軟件記錄開/關門過程中的運行狀態。圖7和圖8分別為滑動門開門和關門運動曲線。圖中藍線為滑動門實際速度曲線，紅線為滑動門目標速度曲線。滑動門在開/關門運動過程中，分別經過啟動加速、勻速、減速、停止運行等4個運行狀態。從開/關門運動曲線圖中可以看出，滑動門在加速和減速段跟蹤相對平滑，在狀態轉換節點上，會出現速度誤差超調但在很短時間內又可調至目標速度范圍內。運行結果顯示，滑動門在開關過程中具有很好的可靠性、魯棒性，門體動作流暢、系統硬件及軟件運行良好無故障。

圖7 開門速度曲線圖

圖8 關門速度曲線圖

6 結論

本文以站臺門門機控制系統的自主化關鍵技術為基礎，論述了門機控制系統的組成，研究了直流無刷電機調速特性、軟硬件自主設計及匹配性實驗，形成了自主可控的站臺門門機控制系統產品，并且結合京張高鐵站臺門項目樣機完成自主化站臺門門機控制系統關鍵技術的功能驗證，打破了站臺門系統核心部件受制于人的被動局面。