基于dsPIC30F5015的动车组自动门控制系统研究

摘 要 本文基于美国微芯科技公司的数字信号控制器dsPIC30F5015对动车组自动门控制系统的硬件构成及软件实现方法进行了设计和研究，实现的功能有：动车组自动门的防挤压功能、自动门打开和关闭时的速度缓冲，使控制系统精确、稳定的运行。

关键词 dsPIC30F5015；动车组；自动门控制系统

中图分类号U48 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）57-0202-02

动车组是自带动力的，固定编组的列车两端分别设有司机室进行驾驶操作，配备现代化服务设施的旅客列车的单元，动车组技术源于地铁，是新时代先进科技的产物。

动车组列车的自动门对列车的安全运行起着至关重要的作用，因此，在动车组自动门的安全性能上要求在逐步提高。

控制系统通过对电机电流采样的方法来实现自动门的防挤压功能，电路图如图1所示：

HCPL-7840是安捷伦公司生产的光电隔离放大器，其作用就是检测电机电流。电机电流通过一个外部采样电阻得到模拟电压，通过原级采样信号输入端进入芯片，在次级得到一个差分输入电压，此差分输入电压和电机电流成正比关系。因为采样点路所采集的电机电流是电压信号，必须通过AD转换器转换成数字信号，HCPL-7840的输入信号范围是-1.6V~+1.6V的差分电压信号[1]，AD转换器要求的输入信号一般满足0V~5V范围，因此，需要对采样到的差分电压信号进行偏执放大。TLV2371是5V单电源运放，令R3=R4，R5=R6，使TLV2371不仅达到差分放大的作用，而且减少了基极偏置电流引起的失调。根据经验，选择R3=R4=10k，R5=R6=20k，在满足香农定理[1]的条件下，为了能够达到频率匹配、低通滤波、消除高频噪声干扰的作用，电路中安置了C4、C5。

设电机电枢电流大小为I，则检测电路输出的电压是：

Vo=(Vout+-Vout-)R5/R3

=2*8*0.01I

=0.16I

数字信号控制器中AD转换器的输入电压Vad就是Vo，它与电机电流成正比例关系，因为电机的转矩和电流之间存在线性关系，通过检测挤压时的临界电流值，根据电机的转矩和电流之间存在线性关系就能够得出电机的转矩，根据转矩便可以计算出自动门的挤压力，知道自动门的挤压力同样能够算出电机电流的临界值，当电机电流超过控制系统设定的临界值时，就会调用自动门的防挤压软件程序，从而使防挤压功能得到实现。

通过在电机轴上安装光电编码器，来检测电机的转速和位置，实现对电机转速的反馈控制。光电编码器的输出信号需要通过整形电路处理，图2为整形电路。

光电编码器输出两路正交的信号，A信号和B信号，A信号和B信号之间的相位差相差90度，直流电平为5V。光电编码器如果延顺时针方向旋转，则A相信号超前B相信号90度，延逆时针方向旋转时，B相信号超前A相信号90度，为了产生标准的方波信号，必须对编码器的输出信号进行整形，整形电路的主要组成部分就是差动比较器LM2903，通过整形后的光电编码器输出信号送给dsPIC30F5015的正交编码器借口模块的两个输入端QEA和QEB，通过正交编码器对A相和B相信号进行解码，得到用于累计计数值的16位向上/向下得计数器的时钟信号和计数方向信号。正交编码器接口框图如图3。

通过对脉冲个数的计算就可以得到电机的转角位移，从而确定自动门所运行的位置，通过脉冲频率的计算，得到电机的转速，由此对电机的转速进行反馈控制，达到自动门打开和关闭时的速度缓冲功能。

为了有效的实现门速自动控制功能，采用负反馈的闭环控制系统。闭环控制系统中采用PID算法。动车组自动门控制系统的门速反馈控制[2-4]原理图如图4所示：

光电编码器测得电机的转速后将信号送到信号控制器DSC，测得的转速值和DSC设定的值之间存在一个偏差，这个偏差由PID算法处理后产生一个控制量，这个控制量能够改变DSC发出的PWM信号的占空比，从而使电机的转动速度得到稳定调节，并使得电机转速维持在系统设定的速度范围内。

防挤压功能的软件设计流程图5。

当压力值超限时，调用防挤压程序，使自动门电机制动，并开始反转开门，当门全开后，电机停转等待5s钟（此时间可以通过软件设定改变），此时便是让旅客和物体移开门道位置的时间，如果门没有全开，则电机继续反转开门动作，5s钟过后，电机开始执行正转关门，若门已关好，则退出程序，开始行车反之则继续执行关门动作。

门速缓冲程序软件设计流程图6。

当动车组启动自动门系统程序时，软件开始识别，执行慢速开门动作，当门全开的时候，开门参数存储后计数器清零，继续保持开门位置一段时间（此时间按实际需要通过软件设定），反之则继续执行开门动作，之后，执行慢速关门动作，门关好后，关门参数存储，计数器清零，返回，反之则继续执行关门动作。在开门和关门的整个过程中，自动门控制系统通过光电编码器一直在检测这电机的转速和位移，通过光电编码器的检测以及dsPIC30F5015对其信号的处理，就可以使门在其加速位置和减速位置改变其相应的速度，从而保障自动门的安全关闭。

综上所述，动车组关门时如果遇到障碍，阻碍车门关闭并达到一定的挤压力时，车门不能强行关闭，此时车门应自动重新打开，防止旅客受伤和物品的损坏，该过程就是动车组自动门的防挤压功能。此外，动车组自动门在关闭的过程中速度也是变化的，类似于我们乘坐的电梯的门，在车门打开和关闭时需要缓冲，这就需要精确的检测出出门的具置，并在相应的位置做出速度变化的动作以实现缓冲的目的。

参考文献

[1]李勇.光电隔离放大器HCPL-7840在电机电流采样中的应用[J].自动测量与控制，2008，27(7)：60-62.

[2]王喜明，高伟.单片机对直流伺服电机控制的研究[J].科学技术与工程，2007，7(14)：3588-3590.

[3]张红娟，李维.基于PIC单片机的直流电机PWM调速系统[J].机电工程，2005，22(2)：10-12.

[4]杨勇，李成福，王岚.IGBT-PWM直流调速系统在船模自航中的应用[J].应用科技，2008，35(8)：55-58.