軌道車輛電動(dòng)自動(dòng)門控制系統(tǒng)開發(fā)

軌道車輛電動(dòng)自動(dòng)門控制系統(tǒng)開發(fā)

自動(dòng)門系統(tǒng)是城市軌道交通車輛的一個(gè)重要部分，直接關(guān)系著乘客的安全。目前國內(nèi)的動(dòng)車組多數(shù)采用單翼塞拉門，地鐵采用雙翼對(duì)開門。國內(nèi)常用的自動(dòng)門主要是氣動(dòng)門，如單翼氣動(dòng)塞拉門、雙翼氣動(dòng)內(nèi)藏式對(duì)開門，但是電動(dòng)門作為一種新型的自動(dòng)門系統(tǒng)，也逐漸被推廣應(yīng)用。 

　　1 電動(dòng)自動(dòng)門工作原理

　　自動(dòng)門的工作原理為門板由支架支撐在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌連接到驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置通過導(dǎo)軌帶動(dòng)門板滑動(dòng)。每個(gè)門都有鎖閉機(jī)構(gòu)，在門關(guān)閉到位時(shí)，鎖閉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖閉。車門具有零速保護(hù)和安全連鎖電路，開關(guān)門有報(bào)警裝置。電動(dòng)門的驅(qū)動(dòng)裝置是一組電機(jī)組件，每節(jié)車有一個(gè)主控制器來控制本節(jié)車的車門。主控制器是自動(dòng)門的指揮中心，通過內(nèi)部指令程序，發(fā)出相應(yīng)指令，指揮電機(jī)或電鎖類系統(tǒng)工作；同時(shí)人們也可通過主控器調(diào)節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)．外部信號(hào)由感應(yīng)探測(cè)器完成，當(dāng)有移動(dòng)的物體進(jìn)入他的工作范圍時(shí)，他就給主控制器一個(gè)脈沖信號(hào)；電機(jī)提供開門與關(guān)門的主動(dòng)力，控制自動(dòng)門門扇加速與減速運(yùn)行。自動(dòng)門門扇完成一次開門與關(guān)門，其工作流程如下：感應(yīng)探測(cè)器將探測(cè)信號(hào)傳至主控器，主控器判斷后控制電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)控電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)及電流，以便控制電機(jī)在一定時(shí)候加力和進(jìn)入慢行運(yùn)行及反轉(zhuǎn)。電機(jī)得到一定運(yùn)行電流后做正向運(yùn)行，將動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使自動(dòng)門扇開啟；自動(dòng)門扇開啟后由控制器作出判斷，控制馬達(dá)作反向運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉自動(dòng)門扇。

　　2 控制系統(tǒng)的主控器及執(zhí)行器

　　自動(dòng)門測(cè)控系統(tǒng)的主控制器采用TI DSP，型號(hào)為TMS320C2812，是先進(jìn)的32位定點(diǎn)DSP芯片，他不但運(yùn)行速度高，處理功能強(qiáng)大，并且具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備，便于接口和模塊化設(shè)計(jì)，特別適合于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控，利用DSP技術(shù)建立有效的信號(hào)處理模型以抑制干擾噪聲，達(dá)到信噪比最大，對(duì)本系統(tǒng)的直流無刷電機(jī)的測(cè)控完全能夠保證其實(shí)時(shí)性。直流無刷電機(jī)采用的是ALC-TEL的BG65PI電機(jī)，他具有高效率、省電、低噪音、高轉(zhuǎn)速、高扭力、連續(xù)使用不發(fā)熱等特性，大大超越傳統(tǒng)AC伺服馬達(dá)，配合T型齒條同步帶，使門體自低速至高速的運(yùn)行均具有超越的寧靜性，達(dá)到了超靜運(yùn)行。測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為智能化控制，可隨意設(shè)定門扇的運(yùn)行速度，并可設(shè)定任意開度狀態(tài)；可自矯正使門扇保持平穩(wěn)動(dòng)作；能夠自動(dòng)檢測(cè)門的寬度以保持最佳運(yùn)行狀態(tài)；具有防夾功能，即當(dāng)碰到障礙物或人體等異常狀況時(shí)，門扇自動(dòng)反轉(zhuǎn)退出，運(yùn)行過程中，由高速至低速平滑過度。

　　3 控制系統(tǒng)中的傳感器

　　對(duì)于自動(dòng)門控制系統(tǒng)，就是傳感器在接收到外界有人存在時(shí)，進(jìn)行開門動(dòng)作，之后再關(guān)門，控制器不但要單獨(dú)控制車門，而且還要進(jìn)行整車通信及其他聯(lián)系，因此能否有效開門及及時(shí)關(guān)門，保持車內(nèi)有效環(huán)境都取決于控制器的設(shè)計(jì)。紅外熱釋電傳感器是以檢測(cè)人體所發(fā)出的8～13 μm的紅外線來控制的，由微波器件發(fā)出，經(jīng)人體反射，再由器件檢出并放大，之后控制后續(xù)電路，他的特點(diǎn)是不管人員是否移動(dòng)，只要處于感應(yīng)器的掃描范圍內(nèi)，他都會(huì)反應(yīng)，無法進(jìn)行關(guān)門，這對(duì)保證車箱內(nèi)環(huán)境較小變化不利，因此不適合軌道車輛聯(lián)接的內(nèi)端門，因此在這里我們選用微波感應(yīng)器，又稱微波雷達(dá)，他對(duì)物體的移動(dòng)進(jìn)行反應(yīng)，他的反應(yīng)速度比紅外感應(yīng)器快，很適合于在軌道客車車門使用，他的特點(diǎn)是一旦在門附近的人員不想出門而靜止不動(dòng)，雷達(dá)便不再反應(yīng)，自動(dòng)門就會(huì)關(guān)閉，由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)有防夾功能，可以解決有可能出現(xiàn)的夾人現(xiàn)象。

4 控制系統(tǒng)的控制方法與程序設(shè)計(jì)

　　4.1 采用的控制方法

　　控制方法采用直接數(shù)字控制方法，是一種較好的在線實(shí)時(shí)控制，一般對(duì)輸出控制量y(t)和輸入位置量x(t)的PID控制算法為：

　　其中Kp為比例境益，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。為減少計(jì)算量，改為用和式及差分計(jì)算，因此當(dāng)采樣周期為T時(shí)有：

　　在自動(dòng)門開關(guān)閉過程中設(shè)一開關(guān)量信號(hào)做一位置信號(hào)ε，當(dāng)計(jì)算的輸入量位置量x(t)在此位置信號(hào)外時(shí)，即x(t)>ε時(shí)，輸出控制量y(t)有較快響應(yīng)速度，自動(dòng)門開閉反應(yīng)快速；反之則較慢但有一定精度并實(shí)現(xiàn)一些所預(yù)設(shè)功能如防夾實(shí)現(xiàn)等。其計(jì)算公式為：

　　式中當(dāng)x(t)>ε時(shí)，K1=1；當(dāng)x(t)≤ε時(shí)，K1=0。這樣當(dāng)自動(dòng)門開啟及關(guān)閉初始時(shí)可取消積分作用，積分的累積效應(yīng)控制在很小范圍，而且避免了系統(tǒng)振蕩并使精度仍得以保證。

　　對(duì)于一個(gè)完美的測(cè)控系統(tǒng)來說，必須能夠精確地復(fù)制被測(cè)信號(hào)的波形，分析計(jì)算后，給出準(zhǔn)確的輸出控制信號(hào)，且在時(shí)間上沒有任何的延時(shí)。在實(shí)際的系統(tǒng)中，t時(shí)刻的輸入x(t)與輸出y(t)之間的關(guān)系為：y(t)=Kx(t-t0)，式中K，t0都是常量，在本閉環(huán)測(cè)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出對(duì)輸入的滯后會(huì)破壞其穩(wěn)定性，因此最大限度保證系統(tǒng)精確或不失真的條件就是t0=0，但實(shí)際反饋控制中t0不可能為0，也就不可避免地出現(xiàn)測(cè)量及控制的死區(qū)時(shí)間。所謂死區(qū)時(shí)間可以定義為從“測(cè)量傳感器檢測(cè)到變量開始改變的瞬時(shí)”到“控制器對(duì)生產(chǎn)過程開始施加正確有效干預(yù)的瞬時(shí)”之間的延遲時(shí)間。在試驗(yàn)過程中，將傳感器安裝至自動(dòng)門中部位置，調(diào)整達(dá)到了探測(cè)信號(hào)的最短距離，減少了傳輸延時(shí)，在安裝上消除一部分死區(qū)時(shí)間；另外調(diào)整控制器的偏差容錯(cuò)度，即減弱控制器的整定參數(shù)，以此來減緩系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在不可能消除的情況下，減少死區(qū)時(shí)間。消除誤差的工作中，在保證可靠適用，避免帶來成本提高，在充分試驗(yàn)后選擇前面提到型號(hào)保證了上下元器件的可靠使用。采用電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)電器系統(tǒng)，克服信號(hào)干擾問題。

　　4.2 程序設(shè)計(jì)

　　軟件采用C28x匯編語言編寫，對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，隨著DSP的發(fā)展，其主要工作已經(jīng)轉(zhuǎn)向軟件開發(fā)，軟件開發(fā)將占據(jù)約80％的工作量，尤其算法已成為DSP核心，另外對(duì)電機(jī)的變速驅(qū)動(dòng)，也最終由軟件實(shí)現(xiàn)。

　　5 結(jié) 語

　　經(jīng)過軌道車輛模擬試驗(yàn)運(yùn)行，自動(dòng)門運(yùn)行速度在0～500 mm／s可調(diào)，開門時(shí)間0.1～10 s可調(diào)，探測(cè)角度大于150°，探測(cè)誤差角度、障礙物執(zhí)行死區(qū)時(shí)間誤差率等項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到合同相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)電器、機(jī)械零部件長時(shí)間顛簸、強(qiáng)震動(dòng)、沖擊環(huán)境下整個(gè)系統(tǒng)的可靠性及精度有了保證。