ATO仿真平臺中速度環(huán)境模擬的設(shè)計與實現(xiàn)

劉 浩，郎誠廉

（同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200331）

隨著城軌交通的快速發(fā)展，人們對于軌道交通的依賴度越來越高。列車自動控制系統(tǒng)（ATC）是城市軌道交通系統(tǒng)高效高密運行必不可少的，目前我們國家的列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）基本上是引進國外的先進技術(shù)和設(shè)備，生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ATO系統(tǒng)勢在必行，因此對列車自動駕駛系統(tǒng)的研究是很有必要的。但是要在實際的運營系統(tǒng)上作研究和測試有很大困難，如果采用仿真的手段，建立一個通用的ATO系統(tǒng)測試平臺對ATO進行研究，就能很好的解決這些問題。本文就是完成整個測試平臺中一個重要的部分—速度環(huán)境的設(shè)計，而且本設(shè)計已經(jīng)在上海地鐵3號線ATC車載設(shè)備運行綜合仿真平臺中得到驗證。

1 城軌ATC車載設(shè)備運行綜合仿真平臺

ATC的一個重要的子系統(tǒng)—列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）能夠按照系統(tǒng)設(shè)定的運行曲線和自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）的指令選擇最佳運行工況，實現(xiàn)列車速度的自動調(diào)整，包括牽引、巡航、惰行、制動和停車的控制以及車門開關(guān)的控制功能操作、準確執(zhí)行行車計劃、提高行車效率，并實現(xiàn)列車運行的最佳控制及節(jié)能處理。城軌交通ATC車載設(shè)備運行綜合仿真平臺包括ATS仿真系統(tǒng)、車輛電路仿真、牽引控制仿真系統(tǒng)、車輛制動仿真系統(tǒng)、車輛測速仿真平臺、并伴有三維的前景和側(cè)景仿真以及聲音仿真系統(tǒng)等。其中，電機測速平臺用于模擬列車運行速度并進行速度檢測，實際ATO系統(tǒng)對其外圍接口的要求，決定了采用真實的測速傳感器。如圖1所示，使用和真車相同的速度傳感器檢測電機驅(qū)動的傳動齒輪的輸出脈沖。速度傳感器檢測到的車輪轉(zhuǎn)速再提供給車載ATP和ATO。車載ATC主機與車輛仿真主機通過網(wǎng)絡(luò)連接，ATC主機根據(jù)ATS給出的信號和車輛目前的狀態(tài)，給出代表脈沖調(diào)制（PWM）信號的量送給車輛仿真主機；車輛仿真主機通過牽引制動計算得出速度V，并將該速度信號送給電機測速平臺；電機測速平臺根據(jù)這個信號驅(qū)動一個實物電機和傳動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動，并采用測速傳感器得到的速度信號回送給ATC主機。

圖1 城軌交通ATC車載設(shè)備運行綜合仿真平臺簡圖

2 步進電機的選擇

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或者線位移的開環(huán)控制器件。在正常運行的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置不受負載變化的影響，而只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)，當步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它就會驅(qū)動步進電機按已經(jīng)設(shè)置好的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，步進電機的旋轉(zhuǎn)就是按照步距角轉(zhuǎn)動的。可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度，從而達到調(diào)速的目的；同時可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。

2.1 從轉(zhuǎn)矩角度

由于本設(shè)計中所用的傳動齒輪是真車上與輪對同軸的齒輪，如果齒輪質(zhì)量全部集中在邊緣的話，一定是滿足要求的，所以可以根據(jù)公式（1）估算轉(zhuǎn)矩M：

式中，m：齒輪質(zhì)量，單位：kg；

g：重力加速度，單位：m/s2；

r：齒輪半徑，單位：m。

由矩頻特性曲線可知，在轉(zhuǎn)速很高時，電機輸出力矩會迅速下降，只有最大靜力矩的1/4或1/5，所以，按照轉(zhuǎn)矩計算得出的電機最大靜力矩應(yīng)該在4 M～5 M左右。

2.2 從轉(zhuǎn)速角度

車輪轉(zhuǎn)速與列車速度可用公式（2）表示：

式中，R：列車實際輪對半徑，單位：m；

n：列車輪對轉(zhuǎn)速，單位：r/min；

v：列車速度，單位：km/h。

由上式可知n= 25v/3πR。

2.3 從轉(zhuǎn)動慣量角度

根據(jù)齒輪形狀用公式（3）計算轉(zhuǎn)動慣量：

式中，R：齒輪外半徑，單位：m；

a：齒輪截面寬度一半，單位：m；

h：齒輪截面高度，單位：m。

3 控制電路的設(shè)計

3.1 單片機選擇

對于步進電機控制系統(tǒng)采用微控制器STC11F04E單片機，它是單時鐘/機器周期（1T）的單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的8051在指令代碼上完全兼容，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成有高度可靠的復(fù)位電路，主要針對智能控制、高速通信、強干擾場合。

3.2 單片機控制電路

單片機控制電路由3個部分組成：DC/DC電源模塊、單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)和在線編程電路。DC/DC電源模塊提供控制電路所需功率和穩(wěn)壓。在單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)中，將P1口的第2位作為方向控制位，P1口的第3位作為脈沖控制位。STC11F04E單片機串行口對應(yīng)的硬件部分是TxD和RxD引腳，如果將串行口功能在P3口實現(xiàn)，對應(yīng)的管腳是RxD/P3.0，TxD/P3.1，通過MAX232A和USB轉(zhuǎn)串口線與仿真機實現(xiàn)通信，利用仿真機的STC-ISP軟件加載“用戶程序”以及發(fā)送數(shù)據(jù)到STC單片機。控制電路如圖2。

3.3 驅(qū)動器電路

驅(qū)動器的所有輸入信號均通過內(nèi)部光耦隔離，為確保內(nèi)置高速光耦可靠導(dǎo)通，要求提供控制信號的電流驅(qū)動能力至少15 mA。驅(qū)動器內(nèi)部光耦限流電阻為270Ω，當輸入信號電壓高于5 V時，可根據(jù)需要外串電阻R進行限流。如圖3所示，對于共陽接法，可以通過公式（4）計算驅(qū)動電流：式中：VCC—電源電壓，為5 V；

UD—二極管導(dǎo)通電壓，為0.7 V；R0—驅(qū)動器內(nèi)部光耦限流電阻，為270 Ω。

圖2 控制電路圖

通過計算可以得知，使用灌電流的方式可以滿足上述要求，并且不用外串電阻。

圖3中，CP為脈沖信號；DIR為方向信號；EN為使能信號。

圖3 驅(qū)動器電路圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

對于牽引和制動控制仿真系統(tǒng)通過串口傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)（包括速度和方向數(shù)據(jù)），單片機要將其轉(zhuǎn)化為步進電機的輸入信號。步進電機的輸入信號包括步進脈沖信號和方向電平信號。每接收一個脈沖信號 CP，驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角（細分時為一個細分步距角）步進，電機的轉(zhuǎn)速與 CP 的頻率成正比，CP 的脈沖個數(shù)決定了步進電機旋轉(zhuǎn)的角度。電機的轉(zhuǎn)動方向由 DIR信號決定。

用單片機實現(xiàn)步進電機的實時速度控制，實際上就是控制脈沖的頻率，高速時使脈沖頻率增高，低速時使脈沖頻率降低。一般采用軟件延時法和定時器法來確定脈沖的周期，本設(shè)計采用定時器來實現(xiàn)延時。定時器法是利用單片機內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的，在每次進入定時中斷后，改變定時常數(shù)，這種方法對于CPU運行時間占用較少，比較適用。本設(shè)計中，脈沖延遲使用定時器0，串口傳輸數(shù)據(jù)使用定時器1。

流程圖如圖4。

圖4 主程序流程圖

5 結(jié)束語

采用已實現(xiàn)的城軌列車速度模擬系統(tǒng)，步進電機在工作頻率內(nèi)運行平穩(wěn)，響應(yīng)速度快。該系統(tǒng)已在上海地鐵3號線ATC車載設(shè)備運行綜合仿真平臺中得到驗證，該仿真平臺對地鐵檢修人員和駕駛員的培訓(xùn)教學(xué)起到了重要作用。城軌列車速度模擬系統(tǒng)還可以應(yīng)用于ATO系統(tǒng)測試平臺，這對ATO系統(tǒng)的研究開發(fā)與測試有著積極的作用。

[1]楊 宏，李國輝. 基于Proteus與單片機的步進電機控制設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2010（5）：104- 106.

[2]肖金球. 增強型51單片機與仿真技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3]劉保廷，程樹康. 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

[4]劉曉山. 單片機在步進電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機電工程技術(shù)，2004 ，33（1）：69-70.

[5]陳學(xué)軍.混合式步進電機SPWM細分驅(qū)動控制技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2006.