軌道車輛電動自動門控制系統開發

摘 要：電動門作為一種新型的自動門系統，在軌道交通車輛中被逐漸推廣應用。介紹了電動門的工作原理，測控系統采用數字化實時處理與控制技術、電磁兼容理論與技術，解決了軌道車輛運行時自動車門系統可靠性及精度問題。給出了自動門運行的控制方法及軟件編程流程圖，實際制作樣機達到了開發的預期目標。

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關鍵詞：軌道車輛;電動自動門;微波雷達;PID

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-187-02

Development of Control System for Orbit Vehicle Electric Automatic Door

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YANG Kaiyu1，2，GAO Yinhan1，LIU Changying2，MA Xilai 2

(1.Centre of Test Science，Jilin University，Changchun，130022，China;2.College of Instru. Electr. Engin.，Jilin University，Changchun，130022，China)

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Abstract：As a new type of automatic door system，electric door has been employed gradually in orbit traffic vehicles.The working principle for electric door is introduced; measurement and control systems are carried out using digitalized real-time processing control techniques，electromagnetism compatible theory and technology are two solutions for realization of reliability and precision when orbit vehicles run speedily.Methods for control automatic door system and software programm flowchart have been given.The Prototype has reached the development goal.

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Keywords：orbit vehicle;electric automatic door;microwave radar;PID

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

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軌上，導軌連接到驅動裝置，驅動裝置通過導軌帶動門板滑動。每個門都有鎖閉機構，在門關閉到位時，鎖閉機構實現機械鎖閉。車門具有零速保護和安全連鎖電路，開關門有報警裝置。電動門的驅動裝置是一組電機組件，每節車有一個主控制器來控制本節車的車門。主控制器是自動門的指揮中心，通過內部指令程序，發出相應指令，指揮電機或電鎖類系統工作；同時人們也可通過主控器調節門扇開啟速度、開啟幅度等參數；外部信號由感應探測器完成，當有移動的物體進入他的工作范圍時，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門，其工作流程如下：感應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，同時監控電機轉數及電流，以便控制電機在一定時候加力和進入慢行運行及反轉。電機得到一定運行電流后做正向運行，將動力經傳動機構使自動門扇開啟；自動門扇開啟后由控制器作出判斷，控制馬達作反向運動，關閉自動門扇。

2 控制系統的主控器及執行器

自動門測控系統的主控制器采用TI DSP，型號為TMS320C2812，是先進的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外圍設備，便于接口和模塊化設計，特別適合于有大批量數據處理的測控，利用DSP技術建立有效的信號處理模型以抑制干擾噪聲，達到信噪比最大，對本系統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ALCTEL的BG65PI電機，他具有高效率、省電、低噪音、高轉速、高扭力、連續使用不發熱等特性，大大超越傳統AC伺服馬達，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，達到了超靜運行。測控系統設計為智能化控制，可隨意設定門扇的運行速度，并可設定任意開度狀態；可自矯正使門扇保持平穩動作；能夠自動檢測門的寬度以保持最佳運行狀態；具有防夾功能，即當碰到障礙物或人體等異常狀況時，門扇自動反轉退出，運行過程中，由高速至低速平滑過度。

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圖1 主控器系統框圖

3 控制系統中的傳感器

對于自動門控制系統，就是傳感器在接收到外界有人存在時，進行開門動作，之后再關門，控制器不但要單獨控制車門，而且還要進行整車通信及其他聯系，因此能否有效開門及及時關門，保持車內有效環境都取決于控制器的設計。紅外熱釋電傳感器是以檢測人體所發出的8~13 μm的紅外線來控制的，由微波器件發出，經人體反射，再由器件檢出并放大，之后控制后續電路，他的特點是不管人員是否移動，只要處于感應器的掃描范圍內，他都會反應，無法進行關門，這對保證車箱內環境較小變化不利，因此不適合軌道車輛聯接的內端門，因此在這里我們選用微波感應器，又稱微波雷達，他對物體的移動進行反應，他的反應速度比紅外感應器快，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，雷達便不再反應，自動門就會關閉，由于本設計系統有防夾功能，可以解決有可能出現的夾人現象。

4 控制系統的控制方法與程序設計

4.1 采用的控制方法

控制方法采用直接數字控制方法，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：



y(t)=Kpx(t)+1Ki∫t0x(υ)d(υ)+Kddx(t)dt

(1)



其中Kp為比例境益，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。為減少計算量，改為用和式及差分計算，因此當采樣周期為T時有：

y(t)=Kpx(t)+1Ti∑ti=0x(i)T+Tdx(t)－x(t－1)T

(2)



在自動門開關閉過程中設一開關量信號做一位置信號ε，當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)有較快響應速度，自動門開閉反應快速；反之則較慢但有一定精度并實現一些所預設功能如防夾實現等。其計算公式為：



Δy(t)=KpΔx(t)+K1Kix(t)+Kd［Δx(t)－Δx(t－1)］

(3)



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

圖2 控制方法示意圖

對于一個完美的測控系統來說，必須能夠精確地復制被測信號的波形，分析計算后，給出準確的輸出控制信號，且在時間上沒有任何的延時。在實際的系統中，t時刻的輸入x(t)與輸出y(t)之間的關系為：y(t)=Kx(t－t0)，式中K，t0都是常量，在本閉環測控系統中，系統的輸出對輸入的滯后會破壞其穩定性，因此最大限度保證系統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測量及控制的死區時間。所謂死區時間可以定義為從“測量傳感器檢測到變量開始改變的瞬時”到“控制器對生產過程開始施加正確有效干預的瞬時”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，調整達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時間；另外調整控制器的偏差容錯度，即減弱控制器的整定參數，以此來減緩系統的響應速度，在不可能消除的情況下，減少死區時間。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)設計電器系統，克服信號干擾問題。

4.2 程序設計

軟件采用C28x匯編語言編寫，對信號實現實時處理，隨著DSP的發展，其主要工作已經轉向軟件開發，軟件開發將占據約80%的工作量，尤其算法已成為DSP核心，另外對電機的變速驅動，也最終由軟件實現。

圖3 軟件總體流程圖

5 結 語

經過軌道車輛模擬試驗運行，自動門運行速度在0～500 mm/s可調，開門時間01～10 s可調，探測角度大于[CM(21*2]150°，探測誤差角度、障礙物執行死區時間誤差率等項技

術指標達到合同相關標準。對電器、機械零部件長時間顛簸、強震動、沖擊環境下整個系統的可靠性及精度有了保證。

參 考 文 獻

［1］王昌明，孔德仁，何云峰.傳感與測試技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

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［2］董永貴，李慶祥.精密測控與系統［M］.北京:清華大學出版社，2005.

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［3］(美)Texas Instruments Incorporated.TMS320C28x系列DSP的CPU與外設［M］.張衛寧，譯.北京:清華大學出版社，2004.

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［4］黃頌紅，劉菊香.城市軌道車輛自動門系統［J］.電力機車技術，2001，24(4):27-29.

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［5］卜格非，陳德榮.采用時間控制法的自動門控系統［J］.工業控制計算機，2005，18(5):13-14.

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［6］龐元鳳，孟艷紅.客車塞拉門元件綜合試驗臺的研制［J］.鐵道車輛，2005，43(12):35-36.

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作者簡介 楊開宇 男，1971年出生，江蘇儀征人，博士研究生，講師。主要從事車輛測控儀器方面的研究。

高印寒 男，1951年出生，吉林敦化人，博士生導師。主要從事先進制造技術、車輛測試儀器方面的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。