地鐵站臺屏蔽門控制系統研制

張玉超，張冀，徐科軍，王剛，黃中全

（1.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 404001）

地鐵站臺屏蔽門控制系統研制

張玉超1，張冀1，徐科軍1，王剛2，黃中全2

（1.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 404001）

針對地鐵站臺屏蔽門控制系統高可靠性要求，設計了一種基于MCU＋CPLD＋IPM架構的無刷直流電機驅動控制方案。加入電流環顯著減小了母線電流的波動。樣機經過模擬裝置控制實驗與屏蔽門控制實驗，實驗結果表明，系統的動態特性良好，可靠性較強，證明文中提出的方法的可行性。

站臺屏蔽門；無刷直流電機；雙閉環

地鐵屏蔽門是一種圍繞地鐵站臺邊緣設置、局部開關可控的連續屏墻。它將站臺與軌道隔離，可以防止乘客跌落軌道而發生危險，也可以防止列車進站帶來強風和灰塵，為乘客提供了一個安全、舒適的乘車環境。

本文針對站臺屏蔽門門控系統運行特點，設計一種MCU＋CPLD＋IPM結構的屏蔽門控制系統方案，研制控制系統的硬件平臺，設計系統的軟件，在硬件架構和軟件算法方面充分考慮了控制系統運行的可靠性。樣機實驗結果表明，系統的各項性能指標滿足設計要求，控制系統具有響應迅速、可靠性高的特點，具有很好的工程應用前景。

1 屏蔽門結構和控制系統要求

1.1 站臺屏蔽門的結構

站臺屏蔽門控制系統的機械結構圖如圖1所示。安裝方式采取下支撐方式，采用無刷直流電機驅動，屏蔽門的下部裝有同步帶，耦合在從動輪上，電機軸上裝有主動輪，與從動輪互相耦合?？刂破鞲鶕T的運行方向、運行速度和無刷電機霍耳傳感器反饋的位置信號進行PWM波形的調制，調制波形送入功率驅動電路，電機帶動傳動輪進行轉動，從而實現屏蔽門的開關。

圖1 屏蔽門控制系統機械結構圖Fig.1 Mechanical structure of screen door control system

1.2 控制系統設計要求

根據屏蔽門實際運行的工況要求，控制系統應具有以下功能：

1）快速、平穩地執行主控制器發出的開、關門信號，在要求的時間內完成屏蔽門的運行，其中開啟時間為2.5～3s，關閉時間為3～3.5s；

2）按照設定的速度曲線進行開關門動作，且運行的動能和速度滿足要求，開關門的位置比較精確；

3）可靠性較高，能夠長時間安全可靠工作，電路具有相應的各種保護功能，在突發情況下不會損壞器件；

4）可以采集屏蔽門的運行狀態及各種故障信息并發送到主控制器，使主控制器能夠集中進行管理和監控。

根據以上設計要求，屏蔽門控制系統應當具有響應快速、定位精準、運行可靠和故障自診斷等特性，因此，在硬件設計和軟件算法上應有特殊的處理。

2 系統硬件設計

控制系統的硬件結構如圖2所示，可以分為3個部分，即控制回路、功率回路和機組。為了滿足安全、可靠、高效的設計要求，控制器選用了MCU＋CPLD＋IPM組合的方案。MCU選用英飛凌公司的XE164FM。XE164FM單片機以強大的電機控制功能和高可靠性著稱，在控制精度和可靠性方面都得到保證。CPLD選用Altera公司的EPM570T100C5，主要起二級保護的功能，保障系統安全可靠運行。IPM選用三菱公司的PS21965，內部集成了功率橋及其驅動與保護電路，在簡化電路設計的同時，極大地提高了系統的可靠性。

圖2 硬件結構圖Fig.2 The diagram of the hardware

2.1 主回路部分

主回路采用交-直-交電壓型變頻器結構。IPM集成了逆變橋，經過PWM的控制來驅動無刷直流電機。圖3是逆變橋電路圖，以三菱公司的PS21965為核心，由 R1，D1～D3，C1～C3組成自舉電路，為逆變橋3個上橋臂提供柵源電壓VGS。D7，R29，C45，C049構成了逆變橋的尖峰吸收回路，在PCB布局時要盡量靠近IPM放置。U1為霍耳型電流反饋元件，提供電流反饋，以便軟件進行電流環計算。

圖3 IPM及其外圍電路Fig.3 IPM and its peripheral circuits

2.2 控制回路部分

控制回路部分主要由XE164FM芯片、檢測電路、驅動電路和保護電路組成。通過檢測母線電流來實現電流反饋；IPM的過流信號反饋給CPLD，在CPLD內部進行過流保護，在控制器過流的情況下及時關斷輸出；6路PWM信號經過CPLD送入IPM模塊，進行PWM調制；CPLD對6路PWM信號進行檢測，一旦出現上下橋臂同時導通就立即關斷PWM的輸出，以防止短路。XE164FM參與整個系統的控制與管理，完成速度、電流的雙閉環全數字調節，通過輸出三相6路PWM信號控制開關管的關斷來實現無刷直流電機的調速。

此外，控制回路部分還實現CAN通信、控制器運行狀態指示和聲光報警等功能。

2.3 其他隔離與保護電路

整個系統的保護電路包括過壓保護、欠壓保護、過流保護、熱保護、防浪涌保護電路等。主回路與控制回路之間的信號傳輸全部采用光耦進行隔離。

由于電機制動過程中，電流會回饋到主回路，導致母線電壓升高，所以主回路中的過壓保護電路特別重要。圖4為110V欠電壓過電壓保護電路，電路下半部分為欠壓檢測部分，這里的TL431作電壓比較器使用。其余部分為過壓保護電路，可限制最高電壓為153V，當電壓大于153V 時，Q5導通，U26導通，Q3導通，CC27＿OVINT信號變高電平，送到單片機；接著Q4，U25，Q7導通，單片機發出的PWM 驅動信號CC19＿brake使Q7開始斬波降壓，直到母線電壓降低。C35與Q3的輸出電阻構成一個RC延時電路，防止斬波器工作在臨界狀態，即：母線電流經過Q7泄放，CC27＿OVINT又變低，Q7便關斷，如此反復。

圖4 過壓與欠壓保護電路Fig.4 Over voltage and under voltage protection circuits

由于漏感和MOSFET較大的開通電容的影響，使得其關斷時會承受一個很高的電壓尖峰。為了減小這個尖峰，使用RCD緩沖電路。RCD緩沖電路可以抑制MOSFET關斷損耗和漏極電壓上升率。當關斷時，電阻被二極管短路，二極管直接跟電容串聯。C58起到吸收尖峰電壓的作用，當開通時，形成放電回路，電阻R62的加入給電容提供一個能量泄放通道，同時也避免電容中所有的儲能都消耗在開通時的開關管上從而造成開關過熱。C58的取值需要足夠大，使得開關管電壓上升速度足夠緩慢，保證開關管不受到沖擊。而C58因為損耗的原因也不能太大，而R62的大小沒有特別要求，R越小，C58的放電速度越快，但因C58需要在開關管導通時放電，因此開關管的瞬態工作電流也相應增大，一般只需要在Ton的時間內保證C58在下次開關管關斷時，放完電荷就可以了。

2.4 反饋信號檢測

系統的反饋信號包括電流反饋、轉速反饋和屏蔽門位置檢測3種。電流反饋采用安裝在母線的HALL型電流傳感器來完成，電路如圖3中U1所示。電機轉速反饋由安裝在直流無刷電機內的HALL位置傳感器完成。屏蔽門的位置檢測也是依靠電機HALL位置傳感器來檢測的，經過蝸輪蝸桿機構減速之后，每個HALL脈沖對應屏蔽門位移0.1mm。

3 系統軟件設計

系統的軟件包括主程序、捕獲中斷程序和定時器單元周期匹配程序。在主程序中對MCU外設單元進行初始化并啟動電機；在捕獲中斷里進行換相處理和電機轉速計算；在定時器周期匹配中斷里進行雙閉環PI調節。

3.1 換相和轉速計算

3路霍耳位置信號送入CPLD，邊沿鎖存后進行或運算后在360°的電角度內可得到相隔60°（電角度）的6個脈沖信號，將這個信號送進MCU的捕獲單元，捕獲單元進行上升邊沿檢測，檢測到脈沖時說明換相時刻到來，軟件進行換相處理。

捕獲單元還用來計算電機轉速。計算相鄰2個霍耳脈沖的定時器計數值的差，再乘以定時器的時間分辨率，就得到了相鄰2個脈沖的時間間隔，然后換算成轉速。2路電機的轉速計算都是通過同一個定時器來完成的，為了保證轉速計算的準確，允許溢出，在軟件中設置軟件定時器對定時器的溢出次數進行增運算，在計算轉速時將定時器的溢出次數考慮進去，從而計算出真實的電機轉速。

3.2 雙閉環PI調節

為了讓電機轉速和母線電流可以得到實時調節，選擇在1ms時進行電流環的調節，10ms時進行速度環的調節，最后根據調節結果改變PWM的占空比。電流、轉速兩個閉環均采用位置型數字PI控制，PI計算公式如下：

雙閉環PI調節的流程圖如圖5所示，為了防止PI控制器出現積分飽和而帶來控制效果的惡化，速度環采用防積分飽和式PI控制器，在計算控制量時首先判斷上次的控制量是否已經超出極限范圍，若超出了上限則只累加負偏差，若超過了下限則只累加正偏差，這樣可以避免控制量長時間停留在飽和區。

圖5 雙閉環調速軟件流程圖Fig.5 Flow chart of double closed-loop regulation

實驗過程中，雙閉環的PI參數整定采用工程整定法，通過觀察電機響應曲線的上升時間、超調量與穩態誤差等指標來調整PI參數。實驗過程中采用方波激勵來進行電流環整定，整定結果如圖6所示，從圖6中可以看到，電流響應曲線基本無超調，無靜態誤差，上升時間在20ms左右。轉速環采用階躍響應來進行整定，整定結果如圖7所示，上升時間200ms左右，無超調，無靜態誤差。

圖6 電流環整定結果Fig.6 Current loop adjusting result

圖7 轉速環波形Fig.7 Waveform of motor speed loop

4 實驗驗證

硬件調試完成后，我們首先在模擬飛輪裝置上進行了軟件調試與電機響應性能測試的實驗。當各項性能滿足要求后，再將控制器安裝到站臺屏蔽門上，在實際工況下進行測試。

4.1 模擬飛輪裝置與電機

使用的直流無刷電機參數為：額定電壓U＝220V，額定功率P＝200W，額定轉速n＝3 200 r／min，額定電流I＝1.8A，極對數p＝5，繞組電阻R＝2Ω，繞組電感L＝0.002 4H，轉動慣量J＝0.000 35kg·m2。

由于屏蔽門體積比較大，同時在門開關過程中產生的噪聲也很大，不方便在實驗室安裝。為方便在實驗室條件下進行軟件的調試工作，我們設計了模擬飛輪裝置，安裝在電機減速齒輪的傳動軸上，模擬屏蔽門轉動慣量，方便我們在實驗室條件下進行調試。

根據動能守恒折算門的轉動慣量，安全門質量50kg，折算至電機軸時的半徑r＝2.45mm，其轉動慣量為3.5×10-2kg·m2。采用均質鋼板加工成飛輪直接裝于減速后的傳動軸上來模擬門的轉動慣量。我們選用密度ρ＝7e8＋3kg／m3，直徑為184mm，厚度為40mm的鋼質圓盤作為飛輪。并通過在飛輪上打孔添加配重的方法來調節動平衡，具體方法為在飛輪上以65mm為邊長畫一個同心的正六邊形，六邊形每個頂角處鉆通孔，孔徑與所選螺栓匹配。選用螺栓直徑10mm左右，長100mm左右，用螺母固定于飛輪上，通過增減螺栓上的金屬墊片調整飛輪的動平衡。

4.2 控制器性能

模擬屏蔽門關閉中的減速動作，電機的參考轉速在2.5s時給定為800r／min，轉速的響應波形如圖8所示。

圖8 電機測試轉速波形Fig.8 The speed waveform of motor testing

采用傳統PI調節時，很容易出現減速時超調量過大，會使屏蔽門的運行不夠平滑。因此，在設計中采取開環減速的方式，減速完成后再加入PI閉環調節，從圖8中可以看出，采用開環減速的方式明顯改善了超調現象。

為了驗證電流環調節的有效性，對電機運行時的母線電流進行了觀測。圖9為不帶電流環，僅有轉速環時的母線電流波形。帶電流環的雙閉環調節時電機的啟動電流波形如圖10所示。兩圖比較可以看出，僅有速度環調節時母線上的電流沒有得到控制，存在大的電流尖峰脈沖，因此對電路造成了較大沖擊，嚴重影響了系統的可靠性；而采用帶電流閉環的控制算法時，母線上的尖峰電流得到了很大的抑制，運行平穩，因此控制系統的可靠性得到了很大的提高。

圖9 無電流環的母線電流Fig.9 Bus current without current loop

圖10 帶電流環的母線電流Fig.10 Bus current with current loop

4.3 實驗現場

將控制系統安裝在屏蔽門上之后，我們對控制系統控制屏蔽門開關的過程進行了測試。

圖11為屏蔽門關閉過程中轉速曲線與行程曲線。

圖11 屏蔽門關閉過程行程曲線與轉速曲線Fig.11 The displacement curve and speed curve of screen door closing process

從圖11中可以看到，屏蔽門的運行過程可以分為高速運行階段和低速運行階段兩部分。這樣做是為了在兩扇門關閉的時候減小沖擊。每扇門的總行程為1m。

5 結論

站臺屏蔽門控制系統軟硬件平臺經過了實驗室階段在模擬飛輪裝置上的性能測試和實際工況的實測表明系統各項性能較好，滿足設計要求，具有以下特點：

1）根據站臺屏蔽門運行時間長、可靠性要求高、工況惡劣等特點，設計了 MCU＋CPLD＋IPM的控制器方案，在IPM內部固有的保護功能基礎上，增加CPLD二級保護功能，確保門控系統長期安全、可靠運行；

2）采用帶電流環的雙閉環控制方法，調速指標滿足設計要求；

3）顯著抑制了母線上的電流尖峰，減小了對硬件電路的沖擊，明顯提高了系統的可靠性；

4）設計了模擬飛輪裝置，模擬負載的轉動慣量，便于我們前期在實驗室進行軟硬件的設計與調試工作；

5）研制的樣機安裝在站臺屏蔽門上，在實際工況下進行了實驗驗證，系統的各項性能指標滿足設計要求，具有很好的工程應用前景。

［1］ Miller T J E.Brushless Permanent Magnet and Reluctance Motor Drives［M］.England：Oxford Science Publications，1993.

［2］ 中華人民共和國建設部，CJ-T236-2006，《中華人民共和國城鎮建設行業標準-城市軌道交通站臺屏蔽門》［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［3］ Chen Lidong，Shi Lei.Design of Control System of Solar Cell Lamination Machine Based on Double MCU［C］∥Changsha：Proceeding of the ICMTMA，2010，1：1049-1048.

［4］ Liu Guohai，Zhang Hongtao.Design and Analysis on Permanent-magnet BLDC Motor for Automatic Door［C］∥Wuhan：ICEMS，2008：3171-3176.

［5］ Implementation of a Speed Controlled Brushless DC Drive Using TMS320F240［EB／OL］.［1997-7］.Texas Instruments Inc，http：／／focus.ti.com／general／docs／lit／getliterature.tsp？literature-Number＝bpra077＆fileType＝pdf.

［6］ Jim Lepkowski.Motor Control Sensor Feedback Circuits［EB／OL］.［2003］.Microchip Technology Inc，http：／／www.microchip.com／stellent／idcplg？IdcService＝SS＿GET＿PAGE＆nodeId＝1824＆appnote＝en012139.

修改稿日期：2012-01-19

Control System Development for Metro Platform Screen Door

ZHANG Yu-chao1，ZHANG Ji1，XU Ke-jun1，WANG Gang2，HUANG Zhong-quan2

（1.SchoolofElectricalandAutomationEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，Anhui，China；2.ChongqingChuanyiAutomationCo.，Ltd.，Chongqing404001，China）

Aimed at the demand for high reliability in metro platform screen door control system，a control scheme of BLDC based on MCU，CPLD and IPM was proposed.With the current closed loop，the bus current spikes are suppressed.The model machine has been tested in simulation equipment controlling experiment and platform screen doors controlling experiment.The results of the test show that the system has excellent dynamic performances and high reliability，thus the validity and the feasibility of the proposed approach are proved.

platform screen doors；brushless DC motor（BLDCM）；double closed loop

TP273

A

張玉超（1986-），男，碩士研究生，Email：zhangyuchao111＠126.com

2011-06-10