轨道车辆电动自动门控制系统开发

轨道车辆电动自动门控制系统开发

自动门系统是城市轨道交通车辆的一个重要部分，直接关系着乘客的安全。目前国内的动车组多数采用单翼塞拉门，地铁采用双翼对开门。国内常用的自动门主要是气动门，如单翼气动塞拉门、双翼气动内藏式对开门，但是电动门作为一种新型的自动门系统，也逐渐被推广应用。 

　　1 电动自动门工作原理

　　自动门的工作原理为门板由支架支撑在导轨上，导轨连接到驱动装置，驱动装置通过导轨带动门板滑动。每个门都有锁闭机构，在门关闭到位时，锁闭机构实现机械锁闭。车门具有零速保护和安全连锁电路，开关门有报警装置。电动门的驱动装置是一组电机组件，每节车有一个主控制器来控制本节车的车门。主控制器是自动门的指挥中心，通过内部指令程序，发出相应指令，指挥电机或电锁类系统工作；同时人们也可通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数．外部信号由感应探测器完成，当有移动的物体进入他的工作范围时，他就给主控制器一个脉冲信号；电机提供开门与关门的主动力，控制自动门门扇加速与减速运行。自动门门扇完成一次开门与关门，其工作流程如下：感应探测器将探测信号传至主控器，主控器判断后控制电机运行，同时监控电机转数及电流，以便控制电机在一定时候加力和进入慢行运行及反转。电机得到一定运行电流后做正向运行，将动力经传动机构使自动门扇开启；自动门扇开启后由控制器作出判断，控制马达作反向运动，关闭自动门扇。

　　2 控制系统的主控器及执行器

　　自动门测控系统的主控制器采用TI DSP，型号为TMS320C2812，是先进的32位定点DSP芯片，他不但运行速度高，处理功能强大，并且具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计，特别适合于有大批量数据处理的测控，利用DSP技术建立有效的信号处理模型以抑制干扰噪声，达到信噪比最大，对本系统的直流无刷电机的测控完全能够保证其实时性。直流无刷电机采用的是ALC-TEL的BG65PI电机，他具有高效率、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不发热等特性，大大超越传统AC伺服马达，配合T型齿条同步带，使门体自低速至高速的运行均具有超越的宁静性，达到了超静运行。测控系统设计为智能化控制，可随意设定门扇的运行速度，并可设定任意开度状态；可自矫正使门扇保持平稳动作；能够自动检测门的宽度以保持最佳运行状态；具有防夹功能，即当碰到障碍物或人体等异常状况时，门扇自动反转退出，运行过程中，由高速至低速平滑过度。

　　3 控制系统中的传感器

　　对于自动门控制系统，就是传感器在接收到外界有人存在时，进行开门动作，之后再关门，控制器不但要单独控制车门，而且还要进行整车通信及其他联系，因此能否有效开门及及时关门，保持车内有效环境都取决于控制器的设计。红外热释电传感器是以检测人体所发出的8～13 μm的红外线来控制的，由微波器件发出，经人体反射，再由器件检出并放大，之后控制后续电路，他的特点是不管人员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，他都会反应，无法进行关门，这对保证车箱内环境较小变化不利，因此不适合轨道车辆联接的内端门，因此在这里我们选用微波感应器，又称微波雷达，他对物体的移动进行反应，他的反应速度比红外感应器快，很适合于在轨道客车车门使用，他的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动，雷达便不再反应，自动门就会关闭，由于本设计系统有防夹功能，可以解决有可能出现的夹人现象。

4 控制系统的控制方法与程序设计

　　4.1 采用的控制方法

　　控制方法采用直接数字控制方法，是一种较好的在线实时控制，一般对输出控制量y(t)和输入位置量x(t)的PID控制算法为：

 

　　其中Kp为比例境益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。为减少计算量，改为用和式及差分计算，因此当采样周期为T时有：

　　在自动门开关闭过程中设一开关量信号做一位置信号ε，当计算的输入量位置量x(t)在此位置信号外时，即x(t)>ε时，输出控制量y(t)有较快响应速度，自动门开闭反应快速；反之则较慢但有一定精度并实现一些所预设功能如防夹实现等。其计算公式为：

　　式中当x(t)>ε时，K1=1；当x(t)≤ε时，K1=0。这样当自动门开启及关闭初始时可取消积分作用，积分的累积效应控制在很小范围，而且避免了系统振荡并使精度仍得以保证。

　　对于一个完美的测控系统来说，必须能够精确地复制被测信号的波形，分析计算后，给出准确的输出控制信号，且在时间上没有任何的延时。在实际的系统中，t时刻的输入x(t)与输出y(t)之间的关系为：y(t)=Kx(t-t0)，式中K，t0都是常量，在本闭环测控系统中，系统的输出对输入的滞后会破坏其稳定性，因此最大限度保证系统精确或不失真的条件就是t0=0，但实际反馈控制中t0不可能为0，也就不可避免地出现测量及控制的死区时间。所谓死区时间可以定义为从“测量传感器检测到变量开始改变的瞬时”到“控制器对生产过程开始施加正确有效干预的瞬时”之间的延迟时间。在试验过程中，将传感器安装至自动门中部位置，调整达到了探测信号的最短距离，减少了传输延时，在安装上消除一部分死区时间；另外调整控制器的偏差容错度，即减弱控制器的整定参数，以此来减缓系统的响应速度，在不可能消除的情况下，减少死区时间。消除误差的工作中，在保证可靠适用，避免带来成本提高，在充分试验后选择前面提到型号保证了上下元器件的可靠使用。采用电磁兼容性(EMC)设计电器系统，克服信号干扰问题。

　　4.2 程序设计

　　软件采用C28x汇编语言编写，对信号实现实时处理，随着DSP的发展，其主要工作已经转向软件开发，软件开发将占据约80％的工作量，尤其算法已成为DSP核心，另外对电机的变速驱动，也最终由软件实现。

　　5 结 语

　　经过轨道车辆模拟试验运行，自动门运行速度在0～500 mm／s可调，开门时间0.1～10 s可调，探测角度大于150°，探测误差角度、障碍物执行死区时间误差率等项技术指标达到合同相关标准。对电器、机械零部件长时间颠簸、强震动、冲击环境下整个系统的可靠性及精度有了保证。