周 振

（攀枝花學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，攀枝花 617000）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和中國汽車行業(yè)的高速發(fā)展，中國的汽車保有量已居世界前列。也造成了城市交通的擁擠，交通管理部門基于環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約的角度，大力提倡城市出行使用公交車作為主要交通工具。各地均大力發(fā)展公交汽車系統(tǒng)，采取了增加公交線路，改善公交車輛檔次及狀況等措施。但是，公交系統(tǒng)也存在著很多的問題，其中之一就是車門的快速有效的關(guān)閉和防夾安全問題，在很多城市中都發(fā)生過公交車門夾傷乘客的現(xiàn)象。公交車門的安全快捷的關(guān)閉及防夾安全問題提上了各城市公交公司及交通管理部門的日程。本文中，提出一種基于自適應(yīng)控制的車門速度調(diào)節(jié)及安全防夾系統(tǒng)的簡易模型以有效控制車門的關(guān)閉及開啟運行狀態(tài)和安全防夾性能。

1 調(diào)速控制系統(tǒng)

1.1 控制核心選擇

MSP430F2131是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，處理器通過16位RISC系統(tǒng)，16位 CPU集成寄存器和常量發(fā)生器來獲得最大代碼效率，處理器功耗非常低，其低供電電壓范圍在1.8V 3.6V之間，在超低電流消耗模式下，可使用電池供電；最多可實現(xiàn) 8路12位 A/D轉(zhuǎn)換，I/O端口48個，UART 2個，內(nèi)置 16位定時器2個，7路 PWM輸出等，因此片上外圍模塊非常豐富；有3種時鐘模塊：ACLK 、SMCLK和 MCLK，LFXT1可提供32768Hz的時鐘給外圍設(shè)備，LFXT2可提供8MHz 的時鐘供單片機運行使用，DCO 為單片機內(nèi)部提供，并具有鎖相環(huán)，為系統(tǒng)提供一個內(nèi)部時鐘源，當(dāng) XTALT2無法提供時，依靠DCO運行，整個時鐘可以通過DCOCTL BCSCTL1 BCSCTL2和 SR 等控制寄存器中相應(yīng)的位來選擇和控制，以滿足使用的要求；有7 種源操作數(shù)，4 種目的操作數(shù)，其尋址方式非常豐富，而且只需要簡單的27條指令，而且存儲器可完成多種運算，片內(nèi)寄存器數(shù)量多，查表處理方法高效，因此可以較容易的編寫出好的程序；該系列單片機支持在線仿真和編程，其編譯器功能強大，所以有高效方便的開發(fā)方式，加之具有FLASH存儲器，可利用單片機的 JTAG 接口或片內(nèi) BOOT ROM，在一臺 PC 及一個JTAG 控制器的幫助下實現(xiàn)程序的下載，迅速完成程序的在線調(diào)試，及時修改片內(nèi)寄存器和內(nèi)存的內(nèi)容，大大提高了效率； MSP430系列單片機采用熔絲保密功能和 256位保密字相結(jié)合以充分保證安全，幾乎沒有解密的可能。又由于MSP430系列具有運行環(huán)境溫度范圍寬（-40 +85℃）、軟硬件的相兼容范圍非常廣等特點，因此目前被認(rèn)為是自動控制高速化、低功耗化發(fā)展的的必然趨勢。因此本系統(tǒng)選擇MSP430F2131作為控制核心，其引腳功能和管腳排列如圖1所示。

1.2 驅(qū)動方式選擇

現(xiàn)在客車自動門多采用氣動開啟及關(guān)閉，存在著瞬態(tài)反應(yīng)較慢、速度調(diào)節(jié)困難等缺點，本文中為了實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)與防夾系統(tǒng)的互相適應(yīng)，采用電機驅(qū)動的動力方式，無刷電動機在快速性、可控性、體積重量、經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯的優(yōu)勢。無刷電動機作為高性能調(diào)速電機的應(yīng)用范圍越來越廣泛。也為本文中公交車門的改進(jìn)提供了廣泛的產(chǎn)品基礎(chǔ)。

圖1 MSP430F2131引腳功能和管腳排列圖

1.3 控制方法

在公交汽車車門設(shè)計中，必須首先考慮的是車門的長期穩(wěn)定可靠運行的需要。公交客車車門開閉頻繁，工作環(huán)境較差，潤滑等保障系統(tǒng)設(shè)置困難。而且同一輛客車的車門，也會隨著使用時間的增加，產(chǎn)生老化和磨損。其物理性能會發(fā)生變化。這種復(fù)雜多邊的特性和復(fù)雜的工作環(huán)境，不能使用精確的數(shù)學(xué)模型給予描述，因之借用自適應(yīng)自動控制方法，使控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。公交車門自動控制調(diào)速具有一定程度不確定性，也就是描述車門運動及運行環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的。從系統(tǒng)內(nèi)部來講，描述車門運動的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計者事先并不一定能準(zhǔn)確知道。而外界環(huán)境對車門速度控制系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動來表示。這些擾動通常是不可預(yù)測的。此外，還有一些測量時產(chǎn)生的不確定因素進(jìn)入系統(tǒng)。因之采用自適應(yīng)系統(tǒng)，可以收集整理運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，達(dá)到更為良好的控制狀態(tài)，保證車門持續(xù)可靠的運行。

1.4 速度控制策略

為了獲得比較平穩(wěn)的加減速特性，減少機械沖擊和增加過載狀況（夾到物體）下制動的靈敏度，在電機加減速時采用多段控制，加減速行程均為3段或以上加速方式。第一個階段，在車門獲得開啟或關(guān)閉信號時，加速度由零開始加大，加速過程為加速度遞增加速狀態(tài)。第二個階段，在車門運動速度達(dá)到一定程度時，采用勻加速狀態(tài)，加速度保持不變。第三個階段，加速過程為遞減加速運行狀態(tài)。在這3個階段中，第一階段和第三階段車門速度變化為曲線變化方式，第二階段為直線變化方式。然后進(jìn)入減速運行方式，同樣的三個階段，直到車門達(dá)到關(guān)閉或開啟極限。

圖2 速度時間瞬態(tài)圖

在開始控制時由于沒有車門的運動信號進(jìn)行比較，所以直接對車門速度進(jìn)行控制。因此稱為“前饋”。前饋控制屬于開環(huán)控制，前饋控制器輸出到“前向通道”的信號（作用在控制系統(tǒng)的信號）稱為前饋信號。

由于車門系統(tǒng)的擾動最終要使系統(tǒng)偏離所要求的控制值，檢測到系統(tǒng)的擾動時系統(tǒng)并未發(fā)生偏離，這時候若能給系統(tǒng)的控制器加入一個前饋信號“提前”進(jìn)行控制，就會有效地避免控制系統(tǒng)過大地偏離期望值。因此，在自動控制系統(tǒng)中通常說前饋控制具有改善系統(tǒng)的動態(tài)性能的作用。但是，由于前饋控制信號是在系統(tǒng)還沒有偏離期望值時就提供的一種控制，因此其控制精度較差。因此它的靜態(tài)精度較低。本系統(tǒng)中前饋控制與反饋控制配合使用。將前饋控制裝置和反饋控制裝置的參數(shù)設(shè)置為可變量，由自適應(yīng)系統(tǒng)通過參考數(shù)學(xué)模型和實際系統(tǒng)的差異值來進(jìn)行調(diào)整，保證二者差異趨向于最小。

2 安全防夾設(shè)計

現(xiàn)在中國的公交車輛很少設(shè)置有安全防夾系統(tǒng)，很多城市是通過制度或者條令來保障乘客安全，比如廣州市曾經(jīng)頒布過關(guān)于公交車輛車門關(guān)閉后至車輛開動之間的規(guī)定，要求公交車輛必須在車門關(guān)閉后至少3秒才能行進(jìn)。

這些安全規(guī)定及可視化措施有很大的用處，但由于乘客擁擠及公交車輛運行情況復(fù)雜的特點，還沒能有效防護(hù)乘車人員的上下車安全。

所以，關(guān)于公交客車車門安全防夾技術(shù)的研究就提上了日程。國家專利局確定了多項客車車門防夾技術(shù)的專利，均是利用電子壓力傳感技術(shù)來完成安全防夾的任務(wù)，通過軟管（申請?zhí)枺?00520073898）或設(shè)置于門軸上的凸輪（申請?zhí)枺?00520073784）來感受壓力，在壓力到一定程度（基準(zhǔn)值為300KN左右）的情況下，自動打開，避免對乘客的損傷。這種單純的壓力感應(yīng)式的車門防夾技術(shù)解決了車門夾傷人員的問題。但是仍然存在著夾住乘客衣物等較薄物體而產(chǎn)生拖帶的隱患。本文中使用紅外線探測輔以剛性物體整體承載式壓力傳感器的安全防護(hù)設(shè)計。

2.1 紅外線探測

紅外線三維探測光幕系統(tǒng)，由分別安裝在車門左、右兩個立柱上的發(fā)射器、接收器組成，發(fā)射器、接收器通過連接電纜與控制盒相連組成紅外線平行光幕，光幕產(chǎn)生的探測信號通過連接電纜集中在控制盒內(nèi)由運算核心處理?？梢栽谲囬T入口區(qū)域建立一個平面的覆蓋整個車門空間的探測范圍。有效的檢測范圍內(nèi)存在的物體，迅速的反饋給控制核心，控制核心可通過控制電路使車門關(guān)閉動作停止或反轉(zhuǎn)，從而大大減少了門碰撞乘客的幾率。

2.2 剛桿式壓力感受裝置

在汽車車門防夾安全技術(shù)中，主要解決的問題是防止人員身體及攜帶物品被夾住。在這個問題中，只關(guān)心是否有物體被車門夾住，而不關(guān)心在車門的什么部位，以及被夾物品的各種特性等等問題。所以不考慮物品的被夾部位，可以將壓力感受部位設(shè)置成為一剛性的長桿，上下連接壓力傳感器并裝于車門對接口處，外面可包橡膠軟皮等物品以減少夾到人員身體時造成的傷害。當(dāng)有物品被加住的時候，剛桿整體受力，壓迫上下的壓力傳感器。這樣的情況下上下的壓力傳感器數(shù)值不一樣，可選數(shù)值較大的一方作為評判基準(zhǔn)，通過單片機與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值對比，輸出給車門電機控制系統(tǒng)，使其控制車門開啟，避免夾傷乘客。

經(jīng)過雙重探測的車門防夾系統(tǒng)可以有效的保證車門開啟及關(guān)閉時的安全，但是也要考慮到在某些情況下，由于車門防夾系統(tǒng)的存在所造成的車門誤打開的情況。因之應(yīng)設(shè)置防夾系統(tǒng)的作用時間，只有在車門受控制開始打開及關(guān)閉的時間段防夾系統(tǒng)運作。在車門完全關(guān)閉以后，即車門伸展至關(guān)閉狀態(tài)后，防夾系統(tǒng)為休眠狀態(tài)，避免發(fā)生誤打開車門的情況。

圖3 剛桿壓力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文中，調(diào)速控制與防夾控制共用一個系統(tǒng)控制核心，以MSP430單片機為核心，無刷直流電動機為驅(qū)動機的調(diào)速系統(tǒng)方案。系統(tǒng)的加減速控制采用曲線控制方式，提高了系統(tǒng)性能，增強了系統(tǒng)的適應(yīng)性，并將自適應(yīng)控制應(yīng)用于系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以很好地滿足公交車門所面臨的各種復(fù)雜工況。整個控制系統(tǒng)由計算控制電路、視覺及聽覺警告電路、驅(qū)動和保護(hù)電路、開關(guān)執(zhí)行機構(gòu)及開關(guān)狀態(tài)反饋電路組成。控制電路根據(jù)設(shè)定參數(shù)和外部輸入的信號，完成計算及邏輯控制任務(wù)；視覺及聽覺警告電路在車門過載（夾到物體）時以聲音或燈光閃爍等形式向駕駛員提請注意，以采取相應(yīng)保護(hù)措施。驅(qū)動和保護(hù)電路完成電機與車門的驅(qū)動，并在過載（夾到物體）時反向驅(qū)動車門運動，確保系統(tǒng)的安全可靠；開關(guān)執(zhí)行機構(gòu)包含步進(jìn)電機及門軸等結(jié)構(gòu)，完成車門開啟、關(guān)閉、調(diào)速及反轉(zhuǎn)等功能。開關(guān)狀態(tài)反饋電路作用在于限制車門防夾系統(tǒng)的作用時間，避免在車門關(guān)閉好以后，由于外界影響而使控制核心產(chǎn)生誤判斷而打開車門。同時兼顧了緊急狀態(tài)下，車門必須能在緊急疏散鈕的作用下打開，這也要求車門系統(tǒng)應(yīng)具備備用電源，可供車門開啟2次以上。在備用電源不起作用時，應(yīng)能以普通人的力量強行向兩邊打開車門。

4 結(jié)束語

本文對公交客車車門的調(diào)速和防夾系統(tǒng)進(jìn)行探討及系統(tǒng)設(shè)計。主要完成的功能是更好的控制車門開啟及關(guān)閉的速度及防止乘客夾傷及物品被車門夾住拖帶造成的嚴(yán)重后果。提出了一種車門控制及驅(qū)動以及車門防夾的二合一設(shè)計方案?？梢员容^方便的對現(xiàn)有公交車輛進(jìn)行改進(jìn)。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，能滿足安全要求。

[1] 謝新民, 丁鋒. 自適應(yīng)控制系統(tǒng)[M]. 清華大學(xué)出版社,2002.

[2] 魏連榮, 朱益江. 交直流調(diào)速系統(tǒng)[M]. 北京師范大學(xué)出版社, 2008.