站臺門門機(jī)控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化應(yīng)用研究

郭順利，李 樊，李 帥，鐘建峰

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

1 引言

當(dāng)前半導(dǎo)體/集成電路行業(yè)面臨的問題主要有2個(gè)：①核心技術(shù)和供應(yīng)鏈?zhǔn)苤朴谌?，自主可控程度低；②受國際環(huán)境影響，國內(nèi)供應(yīng)鏈?zhǔn)茏?，價(jià)格高。軌道交通作為國民出行的重要交通方式之一，為響應(yīng)國家號召，提升發(fā)展水平，長久以來一直致力于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的自主可控。站臺門控制系統(tǒng)是軌道交通中應(yīng)用場景多、應(yīng)用數(shù)量大且關(guān)乎乘客生命財(cái)產(chǎn)安全和車輛運(yùn)營安全的重要組成部分，其核心技術(shù)和控制系統(tǒng)長期受制于國外半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，不利于站臺門行業(yè)的健康發(fā)展。實(shí)現(xiàn)站臺門裝備自主化及自主供給，擺脫核心技術(shù)和供應(yīng)鏈?zhǔn)苤朴谌说木置媸潜疚难芯康闹攸c(diǎn)。

本文論述了站臺門控制系統(tǒng)的構(gòu)成，剖析了站臺門門機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件門控單元（DCU），闡述了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對直流無刷電機(jī)的控制原理，并設(shè)計(jì)出以自主化設(shè)備作為處理器和逆變單元的門機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)過在京張高鐵站臺門項(xiàng)目樣機(jī)上的試驗(yàn)驗(yàn)證可知，自主化門控單元在滑動(dòng)門控制過程中運(yùn)行流暢平滑，具有良好的可靠性、魯棒性，滿足實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用需求。

2 站臺門控制原理

2.1 站臺門控制系統(tǒng)的構(gòu)成

站臺門控制系統(tǒng)主要由中央控制盤（PSC）、門機(jī)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及各種操作單元組成，站臺門控制系統(tǒng)如圖1所示。PSC主要負(fù)責(zé)數(shù)字信號處理及邏輯指令傳輸。 DCU是門機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)控制2扇滑動(dòng)門按照設(shè)定速度曲線進(jìn)行開/關(guān)門動(dòng)作，門控單元數(shù)量多且與行車直接相關(guān)，在站臺門控制系統(tǒng)中尤為重要。

2.2 直流無刷電機(jī)工作原理

目前行業(yè)內(nèi)多采用直流無刷電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)門進(jìn)行開/關(guān)門動(dòng)作。直流無刷電機(jī)精確穩(wěn)定控制是DCU研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)精準(zhǔn)、速度平滑、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的控制，也是DCU設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和基本原則。

DCU主要任務(wù)是通過驅(qū)動(dòng)電路控制直流無刷電機(jī)電壓、電流、頻率等控制量，改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使站臺門按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行開/關(guān)門動(dòng)作。直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路原理如圖2所示，由6個(gè)場效應(yīng)管（MOSFET）和直流無刷永磁電機(jī)組成。控制信號采用近似正弦的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）數(shù)字信號。三路控制信號各差120°。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)直流無刷電機(jī)給定位置和反饋信號，經(jīng)過SVPWM控制算法產(chǎn)生6路驅(qū)動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速帶動(dòng)站臺門進(jìn)行開/關(guān)門動(dòng)作。電機(jī)需要反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，只需要調(diào)整控制信號觸發(fā)類型控制寄存器即可。DCU驅(qū)使直流無刷電機(jī)按照設(shè)定的速度曲線運(yùn)作，進(jìn)而帶動(dòng)滑動(dòng)門執(zhí)行開門、關(guān)門以及防夾等功能。

圖2 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路原理圖

2.3 直流無刷電機(jī)的調(diào)速特性

通常在門機(jī)控制系統(tǒng)中，不但要求滑動(dòng)門在運(yùn)動(dòng)過程中具有很好的啟動(dòng)特性，而且要求在加速、勻速、降速過程中具有良好的調(diào)速性能。由于采用了脈寬調(diào)制方式，假定電樞電流連續(xù)，動(dòng)態(tài)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(dòng)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(jī)的電樞繞組反向電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系如下：

式（2）中，n是電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Ke是反向電動(dòng)勢系數(shù)，V / r · min-1。

由式（2）可推出

式（4）中，M表示轉(zhuǎn)矩，N · m；Km是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，N · m /A。由式（4）可知，假定轉(zhuǎn)速不變，改變母線電壓U可以控制直流無刷電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M；轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，可改變電壓實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。因此直流無刷電機(jī)的調(diào)速特性良好，通過調(diào)節(jié)母線電壓極易實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。滑動(dòng)門在開/關(guān)門過程中碰撞到障礙物時(shí)，將導(dǎo)致直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速驟降，由式（2）可知當(dāng)直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速驟降時(shí)電樞繞組的反向電動(dòng)勢E同時(shí)驟降，又由公式（1）可知，反向電動(dòng)勢E減小時(shí)電樞平均電流Iacp快速升高。DCU采用電樞平均電流上升和轉(zhuǎn)速驟降2種方式進(jìn)行站臺門遇阻判定，2 種方式融合后能更有效的應(yīng)用在復(fù)雜的站臺門運(yùn)營環(huán)境中。DCU確認(rèn)站臺門遇阻后，發(fā)出門報(bào)警指示并將遇阻狀態(tài)發(fā)送至PSC控制系統(tǒng)。

3 自主化硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 核心 MCU 選擇

站臺門門機(jī)系統(tǒng)是由芯片完成信號處理及運(yùn)動(dòng)控制的。處理器芯片相當(dāng)于門機(jī)控制系統(tǒng)的執(zhí)行大腦，占據(jù)關(guān)鍵位置。站臺門門機(jī)控制系統(tǒng)自主化重在應(yīng)用國有芯片實(shí)現(xiàn)站臺門的運(yùn)動(dòng)控制。通過對芯片（IC）市場調(diào)研和各種類型IC遴選，從兆易創(chuàng)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(chǎn)品中選取3款I(lǐng)C進(jìn)行初步的方案比選，比選清單如表1所示。

表1 國產(chǎn)MCU方案對比清單

從表1可知，在電機(jī)控制方面，兆易創(chuàng)新、航順具有優(yōu)勢；在經(jīng)濟(jì)方面，兆易創(chuàng)新GD32處理器已經(jīng)發(fā)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(shù)量，應(yīng)用覆蓋率穩(wěn)居中國本土首位，價(jià)格較同類型MCU便宜很多。從芯片的主頻、存儲、經(jīng)濟(jì)性、場景應(yīng)用等方面綜合考慮，最終選取兆易創(chuàng)新GD32F103VCT6作為門機(jī)控制系統(tǒng)的MCU。

3.2 自主化硬件電路設(shè)計(jì)

站臺門門機(jī)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由主電路、開關(guān)電源、母線狀態(tài)采樣、輸入/輸出（I/O）信號、RS485通信、反向電動(dòng)勢吸收、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、處理器等組成。自主化硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自主化硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

整體設(shè)計(jì)思路為DC電源輸入經(jīng)過整流橋矯正電源正負(fù)極方向后，為門機(jī)控制系統(tǒng)供電；檢測回路實(shí)時(shí)檢測110 V母線電壓、電流、SPM溫度及直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳入處理器；轉(zhuǎn)速采樣信號為數(shù)字信號，通過光電編碼器對直流無刷電機(jī)進(jìn)行數(shù)字測速。門機(jī)控制系統(tǒng)還具備系統(tǒng)自檢及故障檢測功能，對直流無刷電機(jī)的電壓、電流信號進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和分析，若出現(xiàn)故障可立即采取措施，以避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，并同時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，以便通知人工處理。門機(jī)控制系統(tǒng)的核心處理器采用專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的GD32F103VCT6處理器，該處理器自帶通用I/O、A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制（PWM）生成器、RS485通信接口、故障保護(hù)以及用于數(shù)字測速的捕捉器功能，可極大簡化控制電路的設(shè)計(jì)。

DCU硬件系統(tǒng)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(tǒng)中元器件的國產(chǎn)化率達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)了站臺門裝備自主化生產(chǎn)制造。系統(tǒng)涉及的電阻、電容均由國內(nèi)廠家國巨公司生產(chǎn)。開關(guān)電源采用反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件開關(guān)變壓器根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)由國內(nèi)廠家繞制，開關(guān)電源主要負(fù)責(zé)為各個(gè)芯片及負(fù)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(jìn)行RS485數(shù)據(jù)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(gòu)成，隔離光耦主要負(fù)責(zé)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(yīng)急門信號，并將采集到的信號傳送至兆易創(chuàng)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(dá)林頓陣列集成塊組成，根據(jù)滑動(dòng)門實(shí)時(shí)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(fù)責(zé)控制直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速；直流無刷電機(jī)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(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集直流無刷電機(jī)的狀態(tài)電流?；魻杺鞲衅髫?fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)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(jìn)行整形。差分編碼器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)瑞盟科技的差分線路接收器將差分信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫w管-晶體管邏輯電平（TTL）信號，TTL信號經(jīng)過脈沖整形后發(fā)送至GD32F103VCT處理器的捕捉器中進(jìn)行數(shù)字測速。在直流無刷電機(jī)帶動(dòng)滑動(dòng)門運(yùn)行的過程中，處理器實(shí)時(shí)檢測母線電壓、電流的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)檢測到母線電壓電流超限時(shí)，處理器觸發(fā)故障保護(hù)機(jī)制、屏蔽PWM產(chǎn)生器并將狀態(tài)及故障信息上傳至PSC監(jiān)控系統(tǒng)。

4 自主化軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)和邏輯控制2部分組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集母線、電機(jī)電流、SPM驅(qū)動(dòng)模塊的溫度及狀態(tài)，DCU根據(jù)邏輯控制發(fā)送的運(yùn)動(dòng)指令，控制滑動(dòng)門進(jìn)行開/關(guān)門動(dòng)作，同時(shí)將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息通過RS485通信接口上傳至PSC監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)DCU實(shí)時(shí)采集電磁鎖、應(yīng)急門、LCB等運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過處理后，控制電機(jī)帶動(dòng)門體運(yùn)動(dòng)，并以RS485通信方式將DCU整體運(yùn)行狀態(tài)上傳至PSC監(jiān)控系統(tǒng)。總體流程如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)總體流程圖

門機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置了3個(gè)調(diào)節(jié)器即三閉環(huán)控制，分別引入位置負(fù)反饋、速度負(fù)反饋、電流負(fù)反饋用于調(diào)節(jié)位置、轉(zhuǎn)速和電流。三者之間采用串級連接，位置調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作速度調(diào)節(jié)器的輸入，速度調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制SPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。三閉環(huán)從內(nèi)之外分別是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。為了獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，電流環(huán)、速度環(huán)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，位置環(huán)采用快速響應(yīng)的P調(diào)節(jié)器?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)三閉環(huán)控制流程圖

站臺門運(yùn)動(dòng)控制主要由開/關(guān)門控制組成。滑動(dòng)門在開門動(dòng)作前首先判斷滑動(dòng)門當(dāng)前所處位置，如果滑動(dòng)門處在關(guān)門到位的位置，系統(tǒng)發(fā)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(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)滑動(dòng)門進(jìn)行開門運(yùn)動(dòng)；如果提鎖失敗，電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)出報(bào)警并將報(bào)警信息上傳至邏輯控制?；瑒?dòng)門關(guān)門則是判斷門體當(dāng)前所處位置后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)直接帶動(dòng)滑動(dòng)門進(jìn)行關(guān)門動(dòng)作，滑動(dòng)門運(yùn)行至關(guān)門到位且電磁鎖落鎖后關(guān)門動(dòng)作完成。開/關(guān)門控制流程如圖6所示。

圖6 開/關(guān)門控制流程圖

5 功能驗(yàn)證與性能優(yōu)化

為驗(yàn)證國產(chǎn)化站臺門門機(jī)控制系統(tǒng)性能，將自主化DCU放置在京張高鐵站臺門項(xiàng)目樣機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行并用監(jiān)控軟件記錄開/關(guān)門過程中的運(yùn)行狀態(tài)。圖7和圖8分別為滑動(dòng)門開門和關(guān)門運(yùn)動(dòng)曲線。圖中藍(lán)線為滑動(dòng)門實(shí)際速度曲線，紅線為滑動(dòng)門目標(biāo)速度曲線。滑動(dòng)門在開/關(guān)門運(yùn)動(dòng)過程中，分別經(jīng)過啟動(dòng)加速、勻速、減速、停止運(yùn)行等4個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。從開/關(guān)門運(yùn)動(dòng)曲線圖中可以看出，滑動(dòng)門在加速和減速段跟蹤相對平滑，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)上，會(huì)出現(xiàn)速度誤差超調(diào)但在很短時(shí)間內(nèi)又可調(diào)至目標(biāo)速度范圍內(nèi)。運(yùn)行結(jié)果顯示，滑動(dòng)門在開關(guān)過程中具有很好的可靠性、魯棒性，門體動(dòng)作流暢、系統(tǒng)硬件及軟件運(yùn)行良好無故障。

圖7 開門速度曲線圖

圖8 關(guān)門速度曲線圖

6 結(jié)論

本文以站臺門門機(jī)控制系統(tǒng)的自主化關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，論述了門機(jī)控制系統(tǒng)的組成，研究了直流無刷電機(jī)調(diào)速特性、軟硬件自主設(shè)計(jì)及匹配性實(shí)驗(yàn)，形成了自主可控的站臺門門機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品，并且結(jié)合京張高鐵站臺門項(xiàng)目樣機(jī)完成自主化站臺門門機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的功能驗(yàn)證，打破了站臺門系統(tǒng)核心部件受制于人的被動(dòng)局面。