劉 浩，郎誠廉

（同濟(jì)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(duì)于軌道交通的依賴度越來越高。列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）是城市軌道交通系統(tǒng)高效高密運(yùn)行必不可少的，目前我們國家的列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）基本上是引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ATO系統(tǒng)勢(shì)在必行，因此對(duì)列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的研究是很有必要的。但是要在實(shí)際的運(yùn)營系統(tǒng)上作研究和測(cè)試有很大困難，如果采用仿真的手段，建立一個(gè)通用的ATO系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)對(duì)ATO進(jìn)行研究，就能很好的解決這些問題。本文就是完成整個(gè)測(cè)試平臺(tái)中一個(gè)重要的部分—速度環(huán)境的設(shè)計(jì)，而且本設(shè)計(jì)已經(jīng)在上海地鐵3號(hào)線ATC車載設(shè)備運(yùn)行綜合仿真平臺(tái)中得到驗(yàn)證。

1 城軌ATC車載設(shè)備運(yùn)行綜合仿真平臺(tái)

ATC的一個(gè)重要的子系統(tǒng)—列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）能夠按照系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)行曲線和自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）的指令選擇最佳運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)列車速度的自動(dòng)調(diào)整，包括牽引、巡航、惰行、制動(dòng)和停車的控制以及車門開關(guān)的控制功能操作、準(zhǔn)確執(zhí)行行車計(jì)劃、提高行車效率，并實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的最佳控制及節(jié)能處理。城軌交通ATC車載設(shè)備運(yùn)行綜合仿真平臺(tái)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(dòng)仿真系統(tǒng)、車輛測(cè)速仿真平臺(tái)、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(jī)測(cè)速平臺(tái)用于模擬列車運(yùn)行速度并進(jìn)行速度檢測(cè)，實(shí)際ATO系統(tǒng)對(duì)其外圍接口的要求，決定了采用真實(shí)的測(cè)速傳感器。如圖1所示，使用和真車相同的速度傳感器檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)齒輪的輸出脈沖。速度傳感器檢測(cè)到的車輪轉(zhuǎn)速再提供給車載ATP和ATO。車載ATC主機(jī)與車輛仿真主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接，ATC主機(jī)根據(jù)ATS給出的信號(hào)和車輛目前的狀態(tài)，給出代表脈沖調(diào)制（PWM）信號(hào)的量送給車輛仿真主機(jī)；車輛仿真主機(jī)通過牽引制動(dòng)計(jì)算得出速度V，并將該速度信號(hào)送給電機(jī)測(cè)速平臺(tái)；電機(jī)測(cè)速平臺(tái)根據(jù)這個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)實(shí)物電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并采用測(cè)速傳感器得到的速度信號(hào)回送給ATC主機(jī)。

圖1 城軌交通ATC車載設(shè)備運(yùn)行綜合仿真平臺(tái)簡圖

2 步進(jìn)電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或者線位移的開環(huán)控制器件。在正常運(yùn)行的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置不受負(fù)載變化的影響，而只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，它就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按已經(jīng)設(shè)置好的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)就是按照步距角轉(zhuǎn)動(dòng)的?？梢酝ㄟ^控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

2.1 從轉(zhuǎn)矩角度

由于本設(shè)計(jì)中所用的傳動(dòng)齒輪是真車上與輪對(duì)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(shí)，電機(jī)輸出力矩會(huì)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(jì)算得出的電機(jī)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(shí)際輪對(duì)半徑，單位：m；

n：列車輪對(duì)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(dòng)慣量角度

根據(jù)齒輪形狀用公式（3）計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)

3.1 單片機(jī)選擇

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用微控制器STC11F04E單片機(jī)，它是單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)智能控制、高速通信、強(qiáng)干擾場合。

3.2 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路由3個(gè)部分組成：DC/DC電源模塊、單片機(jī)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(jī)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(jī)串行口對(duì)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(shí)現(xiàn)，對(duì)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(jī)實(shí)現(xiàn)通信，利用仿真機(jī)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(jī)?？刂齐娐啡鐖D2。

3.3 驅(qū)動(dòng)器電路

驅(qū)動(dòng)器的所有輸入信號(hào)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(hào)的電流驅(qū)動(dòng)能力至少15 mA。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光耦限流電阻為270Ω，當(dāng)輸入信號(hào)電壓高于5 V時(shí)，可根據(jù)需要外串電阻R進(jìn)行限流。如圖3所示，對(duì)于共陽接法，可以通過公式（4）計(jì)算驅(qū)動(dòng)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(dòng)器內(nèi)部光耦限流電阻，為270 Ω。

圖2 控制電路圖

通過計(jì)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(hào)；DIR為方向信號(hào)；EN為使能信號(hào)。

圖3 驅(qū)動(dòng)器電路圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于牽引和制動(dòng)控制仿真系統(tǒng)通過串口傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)（包括速度和方向數(shù)據(jù)），單片機(jī)要將其轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的輸入信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)的輸入信號(hào)包括步進(jìn)脈沖信號(hào)和方向電平信號(hào)。每接收一個(gè)脈沖信號(hào) CP，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角（細(xì)分時(shí)為一個(gè)細(xì)分步距角）步進(jìn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與 CP 的頻率成正比，CP 的脈沖個(gè)數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由 DIR信號(hào)決定。

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)速度控制，實(shí)際上就是控制脈沖的頻率，高速時(shí)使脈沖頻率增高，低速時(shí)使脈沖頻率降低。一般采用軟件延時(shí)法和定時(shí)器法來確定脈沖的周期，本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)延時(shí)。定時(shí)器法是利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)的，在每次進(jìn)入定時(shí)中斷后，改變定時(shí)常數(shù)，這種方法對(duì)于CPU運(yùn)行時(shí)間占用較少，比較適用。本設(shè)計(jì)中，脈沖延遲使用定時(shí)器0，串口傳輸數(shù)據(jù)使用定時(shí)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(shí)現(xiàn)的城軌列車速度模擬系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)在工作頻率內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)速度快。該系統(tǒng)已在上海地鐵3號(hào)線ATC車載設(shè)備運(yùn)行綜合仿真平臺(tái)中得到驗(yàn)證，該仿真平臺(tái)對(duì)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(cè)試平臺(tái)，這對(duì)ATO系統(tǒng)的研究開發(fā)與測(cè)試有著積極的作用。

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