董嗣耀 陳超錄

摘要：本文重點(diǎn)論述了門機(jī)控制系統(tǒng)中門控單元DCU的硬件設(shè)計(jì)，包括DCU的電源系統(tǒng)、信號(hào)輸入電路和復(fù)位電路等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了門機(jī)系統(tǒng)電源輸入、狀態(tài)監(jiān)視、電機(jī)調(diào)整、隔離復(fù)位等功能，是首個(gè)實(shí)現(xiàn)DCU雙冗余設(shè)計(jì)及電機(jī)隔離功能的門機(jī)系統(tǒng)，提高了站臺(tái)門系統(tǒng)的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：自主屏蔽門;門機(jī)控制系統(tǒng);硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0184-02

0? 引言

門機(jī)系統(tǒng)是屏蔽門系統(tǒng)的核心部件之一，目前只有國(guó)外的屏蔽門廠商掌握了世界較先進(jìn)的電機(jī)伺服技術(shù)，造成了整個(gè)屏蔽門電氣系統(tǒng)價(jià)格居高不下，所以研制純自主的控制系統(tǒng)成為打破這一局面的唯一出路。

我司基于在軌道交通行業(yè)堅(jiān)實(shí)的驅(qū)動(dòng)、控制設(shè)計(jì)實(shí)力，創(chuàng)新性的在門機(jī)系統(tǒng)中使用雙處理器冗余設(shè)計(jì)，優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)，較國(guó)外的系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，降本增效奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1? TQMK1型地鐵自主屏蔽門門機(jī)控制系統(tǒng)

自主屏蔽門門機(jī)控制系統(tǒng)主要由門控單元（DCU），門機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和門體結(jié)構(gòu)組成，其中，門控單元（DCU）是電機(jī)控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，是接收開關(guān)門命令，控制滑動(dòng)門動(dòng)作并監(jiān)控整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)的關(guān)鍵部件，在每個(gè)門單元的上部頂箱內(nèi)均安裝有一套DCU。DCU用于控制單個(gè)站臺(tái)門的開關(guān)門運(yùn)動(dòng)，監(jiān)視滑動(dòng)門的各種狀態(tài)，并對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，它主要由微處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出電路、網(wǎng)絡(luò)接口、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路等組成。

處理器選型：DCU具有雙處理器結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)DSP和一個(gè)MCU。其中DSP負(fù)責(zé)通信，電機(jī)控制以及邏輯處理。MCU對(duì)DSP以及門體工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，可以對(duì)DSP進(jìn)行復(fù)位以及切除主電路，其具有最高的安全控制級(jí)別。

1.1 DSP選型

本系統(tǒng)的主處理器采用TI的TMS320F系列的DSP。該款產(chǎn)品輸出波形的精準(zhǔn)度更高，價(jià)格卻更為低廉，能耗小，性能更為突出，集成了USB、以太網(wǎng)口、蜂鳴器等諸多外設(shè)，存儲(chǔ)空間也較以前有了大幅的增加。

1.2 MCU選型

MCU我們選用Microchip公司新一代完成線程優(yōu)化的8位單片機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是管腳精簡(jiǎn)但兼容性強(qiáng)，運(yùn)算速度快，可直接驅(qū)動(dòng)LED，具備省電模式，能耗低，可應(yīng)用于實(shí)時(shí)、非連續(xù)的任務(wù)控制及低功耗的場(chǎng)合。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

本章對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，通過(guò)對(duì)電源模塊、控制模塊、復(fù)位電路等硬件電路的分析，證明該系統(tǒng)嚴(yán)格遵循國(guó)家電氣標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，滿足屏蔽門系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)應(yīng)急要求及可靠性的要求，并考慮了冗余設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的高可靠性和高穩(wěn)定性。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

從電源模塊輸入的電源包括：電源+110V、+5V、+15V、+24V。

①110V直流電源。由外部電源模塊提供，在內(nèi)部經(jīng)過(guò)濾波后作為主電路母線電壓。

②IPM電源+15V。由外部電源輸入，在內(nèi)部經(jīng)過(guò)DC/DC降壓處理后提供給IPM的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路和音頻。

③外部電源輸入保護(hù)。圖1是對(duì)外部輸入的DC 5V、DC 15V和DC 24V直流輸入進(jìn)行保護(hù)的設(shè)計(jì)原理。其最上面一個(gè)電路是外部開關(guān)電源經(jīng)內(nèi)部濾波后提供給數(shù)字電路的+5V電源，+5V分兩路作為DSP和MCU的電源。為防止外部電源高頻諧波干擾，并聯(lián)一個(gè)獨(dú)石電容進(jìn)行EMI抑制濾波。+5V電源和地之間用二極管D0（1N5908）進(jìn)行保護(hù)。并且在MCU電源+5'和DSP電源+5''之間串聯(lián)一個(gè)二極管（D1）S2Y，防止DSP損壞后反向擊穿，從而損壞MCU。中間的外部電源提供的+15V的電源輸入也和+5V基本相同，根據(jù)電壓等級(jí)，設(shè)計(jì)中二極管（D3）S2Y選用參數(shù)如上。對(duì)于圖1下部的+24V電源輸入沒(méi)有電容濾波，但是也有瞬變二極管D7進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。

④霍爾信號(hào)隔離電源?；魻杺鞲衅麟娫礊楠?dú)立的+5V電源，本設(shè)計(jì)使用TI公司的微型隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換芯片來(lái)完成降壓輸出，如圖2所示。

隔離DC/DC電源的額定功率為1W左右，輸入電壓為+5±10%V，輸出電壓為+5±2%V，開關(guān)頻率為400kHz。

由于輸入端DMOS管前向阻抗很低，所以上電后會(huì)有一個(gè)很大的電流沖擊，為避免這種沖擊對(duì)電源的造成影響，造成輸入電壓的降低，本設(shè)計(jì)在電源的輸入端放置了一個(gè)4.7uf電容，用于吸收電流沖擊，即如圖2所示。該電容要被放置在靠近輸入管腳的地方。

電源的輸出電路除了VOUT和0VOUT之外，還有一個(gè)用于校正VOUT的Vrec管腳本電源在工作的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生約為800kHz的紋波，為了減低紋波，本器件推薦在Vrec和輸出的GND之間放置了一個(gè)1uf的低ESR電容，同時(shí)在VOUT和0VOUT之間放置一個(gè)4.7μF電容。滿足輸出性能的需求。以上兩個(gè)電容需要盡可能的靠近所連接的管腳。設(shè)計(jì)中的器件參數(shù)選擇滿足要求。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)字信號(hào)輸入

數(shù)字隔離輸入電路原理如圖3所示。圖3中共有18路數(shù)字輸入通道，這些通道可以接收0～24 V、頻率小于5 kHz的數(shù)字輸入信號(hào)。18路的輸入通道電路是相同的，所以取其中一個(gè)線號(hào)（OC0）輸入為例進(jìn)行原理分析和計(jì)算。外部輸入信號(hào)信號(hào)（OC0）經(jīng)過(guò)光耦的光電轉(zhuǎn)換后，由邏輯觸發(fā)器整形以及變換后轉(zhuǎn)換后進(jìn)入DSP。

輸入信號(hào)和+24V電源中間用TVS二極管D12進(jìn)行保護(hù)，經(jīng)過(guò)分壓電路分壓，當(dāng)電壓值大于穩(wěn)壓二極管的閾值，二極管正向?qū)?，光耦中的LED發(fā)光。當(dāng)穩(wěn)壓二極管D13導(dǎo)通的時(shí)候，限流電阻R68可起到限流作用。

光耦U27前向電流：

式中：UMAX—最大輸入電壓24V;VZ—穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值9.5V;VF—TVS二極管正向浪涌峰值電壓1.1V;R68— 流電阻2400Ω。

該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光耦U27要求的最大前向電流IF=20mA，本設(shè)計(jì)中限流電阻設(shè)計(jì)選擇符合要求。

2.2.2 開門和使能信號(hào)隔離輸入

使能信號(hào)和開門信號(hào)的隔離輸入電路一共有四路，同時(shí)送入DSP和MCU中。選其一（圖4）進(jìn)行分析。CMD0+和CMD0-為來(lái)自外部開門使能信號(hào)。

開門使能信號(hào)處理與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路開門和使能信號(hào)的電壓為交流50V，當(dāng)穩(wěn)壓二極管D49導(dǎo)通的時(shí)候，限流電阻有限流作用，本設(shè)計(jì)中限流電阻取R122=7500Ω最大的前向電流：

式中：UMAX — 最大輸入電壓50V;VZ — 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值9.5V;VF —TVS二極管穩(wěn)壓值1.1V;R122 — 限流電阻7500Ω。

該值小于光耦要求的最大前向電流IF=20mA，本設(shè)計(jì)中限流電阻設(shè)計(jì)選擇符合要求。

3? 復(fù)位設(shè)計(jì)

門機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)位種類包括：DSP電源故障復(fù)位，MCU復(fù)位DSP和DSP復(fù)位MCU。

①DSP電源故障復(fù)位：當(dāng)DSP電源故障信號(hào)/RST'為低電平時(shí)，表明DSP電源故障，MCU復(fù)位DSP電源。②MCU復(fù)位DSP：當(dāng)MCU發(fā)現(xiàn)DSP工作有異常時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。復(fù)位DSP。③DSP復(fù)位MCU。當(dāng)DSP發(fā)現(xiàn)MCU工作異常的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，復(fù)位MCU。

4? 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)電源具有極高的輸出精度，且具有過(guò)壓保護(hù)功能，可以防止電流沖擊;輸入輸出電路進(jìn)行了隔離保護(hù)設(shè)計(jì)，各項(xiàng)參數(shù)均符合系統(tǒng)要求，且開創(chuàng)性的在門機(jī)系統(tǒng)中采用雙處理器的冗余設(shè)計(jì)，滿足屏蔽門系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)應(yīng)急要求及可靠性的要求，保證了系統(tǒng)的高可靠性和高穩(wěn)定性。

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