軌道車輛電動自動門控制系統(tǒng)開發(fā)

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

　　1 電動自動門工作原理

　　自動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)動裝置，驅(qū)動裝置通過導(dǎo)軌帶動門板滑動。每個門都有鎖閉機構(gòu)，在門關(guān)閉到位時，鎖閉機構(gòu)實現(xiàn)機械鎖閉。車門具有零速保護(hù)和安全連鎖電路，開關(guān)門有報警裝置。電動門的驅(qū)動裝置是一組電機組件，每節(jié)車有一個主控制器來控制本節(jié)車的車門。主控制器是自動門的指揮中心，通過內(nèi)部指令程序，發(fā)出相應(yīng)指令，指揮電機或電鎖類系統(tǒng)工作；同時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)．外部信號由感應(yīng)探測器完成，當(dāng)有移動的物體進(jìn)入他的工作范圍時，他就給主控制器一個脈沖信號；電機提供開門與關(guān)門的主動力，控制自動門門扇加速與減速運行。自動門門扇完成一次開門與關(guān)門，其工作流程如下：感應(yīng)探測器將探測信號傳至主控器，主控器判斷后控制電機運行，同時監(jiān)控電機轉(zhuǎn)數(shù)及電流，以便控制電機在一定時候加力和進(jìn)入慢行運行及反轉(zhuǎn)。電機得到一定運行電流后做正向運行，將動力經(jīng)傳動機構(gòu)使自動門扇開啟；自動門扇開啟后由控制器作出判斷，控制馬達(dá)作反向運動，關(guān)閉自動門扇。

　　2 控制系統(tǒng)的主控器及執(zhí)行器

　　自動門測控系統(tǒng)的主控制器采用TI DSP，型號為TMS320C2812，是先進(jìn)的32位定點DSP芯片，他不但運行速度高，處理功能強大，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，特別適合于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控，利用DSP技術(shù)建立有效的信號處理模型以抑制干擾噪聲，達(dá)到信噪比最大，對本系統(tǒng)的直流無刷電機的測控完全能夠保證其實時性。直流無刷電機采用的是ALC-TEL的BG65PI電機，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行均具有超越的寧靜性，達(dá)到了超靜運行。測控系統(tǒng)設(shè)計為智能化控制，可隨意設(shè)定門扇的運行速度，并可設(shè)定任意開度狀態(tài)；可自矯正使門扇保持平穩(wěn)動作；能夠自動檢測門的寬度以保持最佳運行狀態(tài)；具有防夾功能，即當(dāng)碰到障礙物或人體等異常狀況時，門扇自動反轉(zhuǎn)退出，運行過程中，由高速至低速平滑過度。

　　3 控制系統(tǒng)中的傳感器

　　對于自動門控制系統(tǒng)，就是傳感器在接收到外界有人存在時，進(jìn)行開門動作，之后再關(guān)門，控制器不但要單獨控制車門，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關(guān)門，保持車內(nèi)有效環(huán)境都取決于控制器的設(shè)計。紅外熱釋電傳感器是以檢測人體所發(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，他的特點是不管人員是否移動，只要處于感應(yīng)器的掃描范圍內(nèi)，他都會反應(yīng)，無法進(jìn)行關(guān)門，這對保證車箱內(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)，他對物體的移動進(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，他的特點是一旦在門附近的人員不想出門而靜止不動，雷達(dá)便不再反應(yīng)，自動門就會關(guān)閉，由于本設(shè)計系統(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

　　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時控制，一般對輸出控制量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為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。為減少計算量，改為用和式及差分計算，因此當(dāng)采樣周期為T時有：

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

　　式中當(dāng)x(t)>ε時，K1=1；當(dāng)x(t)≤ε時，K1=0。這樣當(dāng)自動門開啟及關(guān)閉初始時可取消積分作用，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。

　　對于一個完美的測控系統(tǒng)來說，必須能夠精確地復(fù)制被測信號的波形，分析計算后，給出準(zhǔn)確的輸出控制信號，且在時間上沒有任何的延時。在實際的系統(tǒng)中，t時刻的輸入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)測控系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出對輸入的滯后會破壞其穩(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，但實際反饋控制中t0不可能為0，也就不可避免地出現(xiàn)測量及控制的死區(qū)時間。所謂死區(qū)時間可以定義為從“測量傳感器檢測到變量開始改變的瞬時”到“控制器對生產(chǎn)過程開始施加正確有效干預(yù)的瞬時”之間的延遲時間。在試驗過程中，將傳感器安裝至自動門中部位置，調(diào)整達(dá)到了探測信號的最短距離，減少了傳輸延時，在安裝上消除一部分死區(qū)時間；另外調(diào)整控制器的偏差容錯度，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，在充分試驗后選擇前面提到型號保證了上下元器件的可靠使用。采用電磁兼容性(EMC)設(shè)計電器系統(tǒng)，克服信號干擾問題。

　　4.2 程序設(shè)計

　　軟件采用C28x匯編語言編寫，對信號實現(xiàn)實時處理，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，另外對電機的變速驅(qū)動，也最終由軟件實現(xiàn)。

　　5 結(jié) 語

　　經(jīng)過軌道車輛模擬試驗運行，成都自動門運行速度在0～500 mm／s可調(diào)，開門時間0.1～10 s可調(diào)，探測角度大于150°，探測誤差角度、障礙物執(zhí)行死區(qū)時間誤差率等項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到合同相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對電器、機械零部件長時間顛簸、強震動、沖擊環(huán)境下整個系統(tǒng)的可靠性及精度有了保證。