馬 騰北京鐵路局北京動車客車段,北京 100039
基于dsPIC30F5015的動車組自動門控制系統(tǒng)研究
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本文基于美國微芯科技公司的數(shù)字信號控制器dsPIC30F5015對動車組自動門控制系統(tǒng)的硬件構成及軟件實現(xiàn)方法進行了設計和研究,實現(xiàn)的功能有:動車組自動門的防擠壓功能、自動門打開和關閉時的速度緩沖,使控制系統(tǒng)精確、穩(wěn)定的運行。
dsPIC30F5015;動車組;自動門控制系統(tǒng)
動車組是自帶動力的,固定編組的列車兩端分別設有司機室進行駕駛操作,配備現(xiàn)代化服務設施的旅客列車的單元,動車組技術源于地鐵,是新時代先進科技的產(chǎn)物。
動車組列車的自動門對列車的安全運行起著至關重要的作用,因此,在動車組自動門的安全性能上要求在逐步提高。
控制系統(tǒng)通過對電機電流采樣的方法來實現(xiàn)自動門的防擠壓功能,電路圖如圖1所示:
圖1
HCPL-7840是安捷倫公司生產(chǎn)的光電隔離放大器,其作用就是檢測電機電流。電機電流通過一個外部采樣電阻得到模擬電壓,通過原級采樣信號輸入端進入芯片,在次級得到一個差分輸入電壓,此差分輸入電壓和電機電流成正比關系。因為采樣點路所采集的電機電流是電壓信號,必須通過AD轉換器轉換成數(shù)字信號,HCPL-7840的輸入信號范圍是-1.6V~+1.6V的差分電壓信號[1],AD轉換器要求的輸入信號一般滿足0V~5V范圍,因此,需要對采樣到的差分電壓信號進行偏執(zhí)放大。TLV2371是5V單電源運放,令R3=R4,R5=R6,使TLV2371不僅達到差分放大的作用,而且減少了基極偏置電流引起的失調(diào)。根據(jù)經(jīng)驗,選擇R3=R4=10k,R5=R6=20k,在滿足香農(nóng)定理[1]的條件下,為了能夠達到頻率匹配、低通濾波、消除高頻噪聲干擾的作用,電路中安置了C4、C5。
設電機電樞電流大小為I,則檢測電路輸出的電壓是:
數(shù)字信號控制器中AD轉換器的輸入電壓Vad就是Vo,它與電機電流成正比例關系,因為電機的轉矩和電流之間存在線性關系,通過檢測擠壓時的臨界電流值,根據(jù)電機的轉矩和電流之間存在線性關系就能夠得出電機的轉矩,根據(jù)轉矩便可以計算出自動門的擠壓力,知道自動門的擠壓力同樣能夠算出電機電流的臨界值,當電機電流超過控制系統(tǒng)設定的臨界值時,就會調(diào)用自動門的防擠壓軟件程序,從而使防擠壓功能得到實現(xiàn)。
通過在電機軸上安裝光電編碼器,來檢測電機的轉速和位置,實現(xiàn)對電機轉速的反饋控制。光電編碼器的輸出信號需要通過整形電路處理,圖2為整形電路。
圖2
光電編碼器輸出兩路正交的信號,A信號和B信號,A信號和B信號之間的相位差相差90度,直流電平為5V。光電編碼器如果延順時針方向旋轉,則A相信號超前B相信號90度,延逆時針方向旋轉時,B相信號超前A相信號90度,為了產(chǎn)生標準的方波信號,必須對編碼器的輸出信號進行整形,整形電路的主要組成部分就是差動比較器LM2903,通過整形后的光電編碼器輸出信號送給dsPIC30F5015的正交編碼器借口模塊的兩個輸入端QEA和QEB,通過正交編碼器對A相和B相信號進行解碼,得到用于累計計數(shù)值的16位向上/向下得計數(shù)器的時鐘信號和計數(shù)方向信號。正交編碼器接口框圖如圖3。
圖3
通過對脈沖個數(shù)的計算就可以得到電機的轉角位移,從而確定自動門所運行的位置,通過脈沖頻率的計算,得到電機的轉速,由此對電機的轉速進行反饋控制,達到自動門打開和關閉時的速度緩沖功能。
為了有效的實現(xiàn)門速自動控制功能,采用負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中采用PID算法。動車組自動門控制系統(tǒng)的門速反饋控制[2-4]原理圖如圖4所示:
圖4
光電編碼器測得電機的轉速后將信號送到信號控制器DSC,測得的轉速值和DSC設定的值之間存在一個偏差,這個偏差由PID算法處理后產(chǎn)生一個控制量,這個控制量能夠改變DSC發(fā)出的PWM信號的占空比,從而使電機的轉動速度得到穩(wěn)定調(diào)節(jié),并使得電機轉速維持在系統(tǒng)設定的速度范圍內(nèi)。
防擠壓功能的軟件設計流程圖5。
圖5
當壓力值超限時,調(diào)用防擠壓程序,使自動門電機制動,并開始反轉開門,當門全開后,電機停轉等待5s鐘(此時間可以通過軟件設定改變),此時便是讓旅客和物體移開門道位置的時間,如果門沒有全開,則電機繼續(xù)反轉開門動作,5s鐘過后,電機開始執(zhí)行正轉關門,若門已關好,則退出程序,開始行車反之則繼續(xù)執(zhí)行關門動作。
門速緩沖程序軟件設計流程圖6。
圖6
當動車組啟動自動門系統(tǒng)程序時,軟件開始識別,執(zhí)行慢速開門動作,當門全開的時候,開門參數(shù)存儲后計數(shù)器清零,繼續(xù)保持開門位置一段時間(此時間按實際需要通過軟件設定),反之則繼續(xù)執(zhí)行開門動作,之后,執(zhí)行慢速關門動作,門關好后,關門參數(shù)存儲,計數(shù)器清零,返回,反之則繼續(xù)執(zhí)行關門動作。在開門和關門的整個過程中,自動門控制系統(tǒng)通過光電編碼器一直在檢測這電機的轉速和位移,通過光電編碼器的檢測以及dsPIC30F5015對其信號的處理,就可以使門在其加速位置和減速位置改變其相應的速度,從而保障自動門的安全關閉。
綜上所述,動車組關門時如果遇到障礙,阻礙車門關閉并達到一定的擠壓力時,車門不能強行關閉,此時車門應自動重新打開,防止旅客受傷和物品的損壞,該過程就是動車組自動門的防擠壓功能。此外,動車組自動門在關閉的過程中速度也是變化的,類似于我們乘坐的電梯的門,在車門打開和關閉時需要緩沖,這就需要精確的檢測出出門的具體位置,并在相應的位置做出速度變化的動作以實現(xiàn)緩沖的目的。
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1674-6708(2011)57-0202-02