站臺安全門電機(jī)控制器的設(shè)計

廖洪運，李志闊，劉 鵬，唐一非

（1. 天津市地下鐵道集團(tuán)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(jī)控制器的設(shè)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(tuán)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(yīng)用于有軌電車站臺安全門的直流電機(jī)控制器的控制方案，重點描述了系統(tǒng)硬件架構(gòu)和軟件控制流程，并對驅(qū)動控制算法進(jìn)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(qū)動部分完全隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾性。軟件上采用雙閉環(huán)控制方法，速度調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器采用增量式數(shù)字 PI 算法。實驗表明該電機(jī)控制器能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需求。

有軌電車；站臺安全門；直流電機(jī)；控制器

近年來，有軌電車在我國發(fā)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(tǒng)。目前的安全門電機(jī)控制器雖能實現(xiàn)基本功能，但有響應(yīng)速度慢、控制精度低、運行不夠平穩(wěn)等缺點。本文在原有直流電機(jī)控制器的基礎(chǔ)上，從軟、硬件方面進(jìn)行了優(yōu)化，自主研發(fā)了應(yīng)用于有軌電車站臺安全門的電機(jī)控制器系統(tǒng)，給出了硬件框圖以及軟件控制方案。

1　電機(jī)控制器概述

站臺安全門系統(tǒng)是一種安裝于候車站臺上的防護(hù)性裝置，其核心控制部件為電機(jī)控制器。站臺安全門的控制系統(tǒng)主要包括電機(jī)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(shè)備。其中，電機(jī)控制器作為控制系統(tǒng)的核心部分，直接決定了安全門運行的平穩(wěn)性和安全性。

電機(jī)控制器主要實現(xiàn)的功能有以下幾點：

（1）響應(yīng)安全門控制盤或就地控制盒發(fā)過來的控制命令，驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行開關(guān)門操作。

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

（3）關(guān)門過程中具有防夾保護(hù)功能。

（4）具有故障顯示和報警功能，并能夠通過總線發(fā)送到安全門控制盤。

2　電機(jī)控制器的硬件設(shè)計

電機(jī)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(jī)控制PWM模塊、正交編碼器模塊 QEI 以及 AD 轉(zhuǎn)換接口等，為電機(jī)驅(qū)動控制的開發(fā)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(jī)控制器的硬件框圖如圖 1 所示。

為提高整個系統(tǒng)的抗干擾性，電機(jī)控制器的控制部分與驅(qū)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(jīng)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(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)以一定的速度和方向運轉(zhuǎn)。同時，光電編碼器檢測電機(jī)的運轉(zhuǎn)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(jù)此脈沖信號計算當(dāng)前電機(jī)的運行速度，參與速度環(huán)的運算。另外，電流霍爾傳感器檢測流過電機(jī)的電流，進(jìn)入處理器的 AD 轉(zhuǎn)化引腳，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量參與電流環(huán)運算。

圖 1 電機(jī)控制器硬件框圖

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

當(dāng)電機(jī)在減速制動過程中，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。電能通過電機(jī)回饋至直流回路，導(dǎo)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(tǒng)中設(shè)計了耗能電路。耗能電路的原理是當(dāng)電機(jī)處于減速制動狀態(tài)時，如果母線電壓升高一定值（在此設(shè)定為 3 V），則將一耗能電阻接入電源母線兩端，消耗電機(jī)制動過程中回饋的電能。待母線電壓回降到正常范圍內(nèi)后，耗能電阻自動切斷。整個耗能電路采用全硬件控制，響應(yīng)速度快，能夠很好抑制電機(jī)剎車過程中的回饋電壓沖擊。

電機(jī)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(jī)對電機(jī)控制器進(jìn)行參數(shù)下載和數(shù)據(jù)示波顯示。由于整個站臺采用 CAN 總線作為通訊控制局域網(wǎng)，因此每個電機(jī)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(jìn)行集中控制和監(jiān)測。

3　電機(jī)控制器的控制算法和軟件設(shè)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(wěn)性，同時按照設(shè)定的速度曲線精確運行。系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)控制，即外環(huán)速度環(huán)、內(nèi)環(huán)電流環(huán)?？刂瓶驁D如圖 2所示。

圖 2 直流電機(jī)雙閉環(huán)控制框圖

速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用增量式數(shù)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(shù)；K2為積分系數(shù)。

實際運行中，在電機(jī)啟動、停車或遇阻處理過程中，短時間內(nèi)系統(tǒng)會產(chǎn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限值，引起強(qiáng)烈的積分飽和效應(yīng)，造成系統(tǒng)振蕩、調(diào)節(jié)時間延長等不利結(jié)果。為了防止積分飽和帶來的不利影響，在速度環(huán)和電流環(huán)中采用了積分飽和限幅的控制算法。

另外，開關(guān)門的運動過程都要經(jīng)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(jī)具有一定的沖擊性。為了減輕對電機(jī)的柔性沖擊，提高電機(jī)運行的平穩(wěn)性，將給定的梯形速度曲線首先經(jīng)過濾波計算，變成 S 型速度曲線后，再進(jìn)入速度環(huán)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(shù)；C 為濾波時常數(shù)，一般取整數(shù)。

3.2軟件程序設(shè)計

軟件中采用定時器 T1 定時 1 ms 作為系統(tǒng)時基。在T1 中斷程序中，分時間片循環(huán)調(diào)用各個處理程序。

低優(yōu)先級處理程序每 100 ms 執(zhí)行 1 次，主要完成的工作有：更新系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障信息；處理串口數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與上位機(jī)的通訊；處理 CAN 總線數(shù)據(jù)，將狀態(tài)信息和故障信息發(fā)送到中央控制盤。低優(yōu)先級處理程序的流程框圖如圖 5 所示。

速度環(huán)處理程序每 10 ms 執(zhí)行 1 次，主要工作是：響應(yīng)外部控制命令，確定電機(jī)的運轉(zhuǎn)方向；根據(jù)設(shè)定的速度進(jìn)行濾波計算；進(jìn)行速度環(huán)運算。速度環(huán)處理程序流程框圖如圖 6 所示。

電流環(huán)處理程序設(shè)定在 AD 中斷程序中進(jìn)行。程序中設(shè)定每 16 個 PWM 進(jìn)入 1 次 AD 中斷，在 AD 中斷程序中采樣電流值并進(jìn)行電流環(huán)運算。由于 PWM 頻率設(shè)定為 16 kHz，因此電流環(huán)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(wù)。

圖 5 低優(yōu)先級處理程序流程框圖

圖 6 速度環(huán)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(jī)控制器安裝到有軌電車站臺安全門樣機(jī)上進(jìn)行測試。樣機(jī)參數(shù)如下：單扇樣機(jī)門重 40 kg；電機(jī)額定功率 96 W，額定電壓 24 V，額定電流 4 A，額定轉(zhuǎn)速 3 200 rpm，編碼器分辨率為 100；減速機(jī)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(dá)到每扇滑動門的動能要求，安全門運行最高速度設(shè)定為 450 mm/s，慢速爬行區(qū)速度設(shè)定為 100 mm/s。

調(diào)試過程中，通過上位機(jī)軟件讀取電機(jī)的實際運行速度曲線。參照速度曲線，反復(fù)調(diào)整安全門各運行階段的 PI 參數(shù)值以及給定速度的濾波參數(shù)，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(tài)。電機(jī)速度曲線如圖 8 所示。

圖 8 開關(guān)門速度曲線

5　結(jié)論

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

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

（3）該電機(jī)控制器已完成了百萬次開關(guān)門壽命實驗，能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需要。

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

［1］ 鄭磊，劉婷婷. 南京河西有軌電車機(jī)電系統(tǒng)接口管理［J］. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2013（6）.

［2］ 張玉華. 快速公交車站站臺門系統(tǒng)的設(shè)置探討［J］. 工業(yè)安全與環(huán)保，2011（37）.

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

［4］ Using the dsPIC30F for Sensorless BLDC Control（AN901）［Z］. Microchip Corporation application. 2004.

［5］ 王曉明. 電動機(jī)的DSC控制［D］. 北京：北京航空航天大學(xué)，2009.

責(zé)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