仇維斌，嚴(yán) 巖，黃巧亮，歐紅香

（1. 今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州，213102；2. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江，212003；3. 常州大學(xué)，江蘇 州，213164）

基于MC56F8346控制器的塞拉門控器研究

仇維斌1，嚴(yán) 巖2，黃巧亮2，歐紅香3

（1. 今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州，213102；2. 江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江，212003；3. 常州大學(xué)，江蘇 州，213164）

介紹了一種基于MC56F8346控制器的高速列車塞拉門控器的設(shè)計(jì)。其控制器采用速度、電流雙閉環(huán)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的控制，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI控制器控制，設(shè)計(jì)中分別運(yùn)用了安全繼電器及狀態(tài)機(jī)來增加塞拉門運(yùn)行的安全性和可靠性。給出了硬件框圖以及軟件控制算法。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的高速列車塞拉門控制器能滿足系統(tǒng)要求。

MC56F8346；安全繼電器；DCU

0 引言

高速列車塞拉門是乘客上下旅客列車的通道，因其數(shù)量較多、操作頻繁而成為高速列車上至關(guān)重要的部件，要求其必須安全可靠。塞拉門控制系統(tǒng)主要由司機(jī)室主控屏、門控器（Door Control Unit，簡(jiǎn)稱DCU）、執(zhí)行電機(jī)、輸入輸出模塊、聲光報(bào)警裝置和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，并與列車控制和管理系統(tǒng)（Train Control and Management System，簡(jiǎn)稱TCMS）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成對(duì)列車車門的實(shí)時(shí)控制與監(jiān)視[1-3]。

DCU作為高速列車塞拉門控制系統(tǒng)的一個(gè)主要部件，擔(dān)負(fù)著接收來自司機(jī)室的控制命令、驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行開關(guān)門動(dòng)作、通過總線網(wǎng)絡(luò)反饋門狀態(tài)信息等任務(wù)。因此，它的可靠性將極大地決定整個(gè)塞拉門控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。研究在硬件架構(gòu)及軟件算法的設(shè)計(jì)方面充分考慮了DCU運(yùn)行的可靠性、安全性。同時(shí)為了滿足高速列車運(yùn)行的復(fù)雜干擾環(huán)境，充分考慮了產(chǎn)品的電磁兼容性[4]。

1 系統(tǒng)功能

作為塞拉門控制系統(tǒng)的核心部件，DCU具有以下主要功能：

1）接收來自司機(jī)室的控制命令；開門、關(guān)門時(shí)間在3s～7s范圍內(nèi)可調(diào)；開門、關(guān)門無故障使用次數(shù)不少于50萬次；執(zhí)行開關(guān)門動(dòng)作時(shí)，DCU能按照事先存儲(chǔ)的速度曲線進(jìn)行動(dòng)作。

2）采集門狀態(tài)信息及各種故障信息并通過MVB(Multifunction Vehicle Bus)總線發(fā)送至司機(jī)室控制屏，以方便司機(jī)直觀了解門狀態(tài)及故障信息[2]。

3）通過DCU內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)通信接口，在線或離線調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。

4）進(jìn)行門寬測(cè)定，并儲(chǔ)存電機(jī)速度曲線、電流曲線以及門寬等參數(shù)。

5）通過時(shí)間/位移、敏感膠條、電流三種方法進(jìn)行障礙物檢測(cè)，并可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整重新開關(guān)門延遲時(shí)間和開關(guān)門次數(shù)等參數(shù)。6）具有系統(tǒng)自診斷能力。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了滿足高性能、模塊化的要求，DCU的硬件設(shè)計(jì)采用雙處理器模式，即DCU內(nèi)部包含兩塊獨(dú)立的控制單元,分別是邏輯控制單元和驅(qū)動(dòng)控制單元，二者通過通訊線聯(lián)系，達(dá)到無縫對(duì)接；同時(shí)為了滿足高度安全、高度可靠的要求，DCU硬件設(shè)計(jì)時(shí)巧妙運(yùn)用安全繼電器；此外，本設(shè)計(jì)還采用CAN通信實(shí)現(xiàn)同一節(jié)車廂內(nèi)DCU之間信息共享。

2.1 飛思卡爾MC56F8346處理芯片簡(jiǎn)介

飛思卡爾芯片以可靠性及抗干擾性著稱，這一特點(diǎn)使其被廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。MC56F8346是飛思卡爾公司推出的一款同時(shí)具備數(shù)字信號(hào)(DSP)處理能力和微控功能的芯片。它具有以下功能[5]：

1）處理速度達(dá)到60 MIPS，具有良好的數(shù)字處理能力和微控制器功能。

2）2個(gè)16位的PWM(脈寬調(diào)制)通道。全硬件控制的PWM輸出足以滿足無刷直流電機(jī)高精度、高可靠性的控制要求。

3）高性能ADC通道，提供多達(dá)16路的模擬輸入，非常適合無刷直流電機(jī)伺服控制中的電流環(huán)控制。

4）內(nèi)部集成的同步串行接口SPI、異步串行通信接口SCI以及CAN通訊模塊，能夠很好地滿足DCU與司機(jī)室以及DCU彼此之間的通信[4]。

5）電機(jī)驅(qū)動(dòng)的外部保護(hù)中斷，能夠滿足DCU對(duì)電機(jī)控制安全性的要求。

6）內(nèi)部集成的正交編碼脈沖測(cè)速電路，能夠減小采樣誤差，顯著改善電機(jī)控制效果。

由于DCU是在復(fù)雜干擾環(huán)境下應(yīng)用的一種需要高度安全、高度可靠的部件，所以采用MC56F8346作為控制器的核心單元無論在控制精度還是可靠性方面都能得到保證。

2.2 邏輯控制單元硬件設(shè)計(jì)

邏輯控制單元以MC56F8346芯片為核心部件，集成SCI、CAN、數(shù)字IO、ADC、QEP等功能，并外擴(kuò)RAM、ROM等資源。該部分的硬件框圖如圖1所示。

邏輯控制單元完成對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變量的采集、開關(guān)門邏輯分析、故障報(bào)警及記錄的處理；進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃并將生成的運(yùn)動(dòng)指令傳給驅(qū)動(dòng)板；通過MVB和RS485模塊分別與TCMS、便攜式測(cè)試設(shè)備(Portable Test Equipment，簡(jiǎn)稱PTE)進(jìn)行通訊，完成參數(shù)設(shè)置下載以及數(shù)據(jù)顯示等功能；通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與本節(jié)車廂內(nèi)其余3個(gè)DCU之間的通訊。

2.3 驅(qū)動(dòng)控制單元硬件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)控制單元以MC56F8346控制器為核心部件，主要負(fù)責(zé)無刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制；接收邏輯板發(fā)過來的指令信號(hào)完成電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)切換。驅(qū)動(dòng)控制單元內(nèi)部具有過流、過壓、欠壓等保護(hù)。該部分的硬件框圖如圖2所示。

為了提高系統(tǒng)集成度及可靠性，研究采用了智能功率模塊IPM PS21563，該IPM和外圍的泵升供電電路構(gòu)成直/交流轉(zhuǎn)換電路逆變器，通過六個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷將直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖輸出，連接到電機(jī)的三相繞組來控制電機(jī)。此外該模塊與控制器的外部中斷接口連接，在出現(xiàn)異常情況時(shí)，可立即通過中斷接口關(guān)斷MC56F8346所有6路脈寬調(diào)制PWM波輸出。這些特點(diǎn)使它非常適合無刷直流電機(jī)高可靠性的伺服控制。

圖1 邏輯控制單元硬件框圖

圖2 驅(qū)動(dòng)控制單元硬件框圖

通過光電編碼器檢測(cè)無刷直流電機(jī)的速度，反饋脈沖接入MC56F8346芯片的QEP電路[6]。

通過VSM025A電壓霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)母線電壓，電壓反饋接入MC56F8346芯片的A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)母線電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

通過CSM015LX電流霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)電樞電流，電流反饋接入MC56F8346芯片的A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)化成數(shù)字量參與電流環(huán)運(yùn)算[7]。

2.4 安全繼電器驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

安全繼電器位于DCU內(nèi)部，有兩對(duì)無源觸點(diǎn)輸出，其中一對(duì)常開觸點(diǎn)與DCU解鎖指令信號(hào)串聯(lián)，另一對(duì)常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在列車安全回路中。當(dāng)安全繼電器被激活，常開觸點(diǎn)閉合，DCU解鎖指令可以輸出；常閉觸點(diǎn)斷開，列車安全回路斷開；當(dāng)安全繼電器未激活時(shí)，常開觸點(diǎn)斷開，DCU解鎖指令輸出無效，常閉觸點(diǎn)閉合，列車安全回路閉合。此設(shè)計(jì)不但避免了列車運(yùn)行時(shí)，車門因DCU誤動(dòng)作而打開，而且保證了只有在車門都關(guān)閉的情況下，列車才能啟動(dòng)，極大地提高了列車運(yùn)行的安全性?？紤]到硬線信號(hào)的可靠性，本設(shè)計(jì)采用硬件電路來實(shí)現(xiàn)安全繼電器的激活與去激活。安全繼電器驅(qū)動(dòng)電路硬件原理圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DCU的硬件設(shè)計(jì)采用了雙處理器技術(shù)，軟件分為兩部分，即邏輯控制單元部分和驅(qū)動(dòng)控制單元部分。其中邏輯控制單元主要完成對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變量的采集、開關(guān)門邏輯分析、故障報(bào)警及記錄的處理；進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃并將生成的運(yùn)動(dòng)指令傳給驅(qū)動(dòng)板；負(fù)責(zé)與TCMS、PTE、本節(jié)車廂內(nèi)DCU的通訊以及與驅(qū)動(dòng)控制單元的內(nèi)部聯(lián)系。而驅(qū)動(dòng)控制單元主要負(fù)責(zé)無刷直流電機(jī)的伺服控制；對(duì)電機(jī)電樞電流、電壓、溫度的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過流、過壓、欠壓等保護(hù)。

圖3 安全繼電器驅(qū)動(dòng)電路硬件原理圖

3.1 邏輯控制單元的門狀態(tài)及有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

在邏輯控制單元軟件設(shè)計(jì)中，根據(jù)門的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)定了狀態(tài)機(jī)變量，見表1。

表1 狀態(tài)機(jī)變量

圖 4提供了用于邏輯控制單元開關(guān)門完整的有限狀態(tài)機(jī)。系統(tǒng)在每個(gè)狀態(tài)中，不斷判斷轉(zhuǎn)移條件，若轉(zhuǎn)移條件為真，則狀態(tài)改變。

圖4 邏輯控制單元有限狀態(tài)機(jī)切換圖

3.2 邏輯控制單元軟件設(shè)計(jì)

邏輯控制單元軟件由多個(gè)任務(wù)和數(shù)據(jù)緩沖池構(gòu)成，任務(wù)分為高優(yōu)先級(jí)任務(wù)、低優(yōu)先級(jí)任務(wù)、中斷任務(wù)和空閑任務(wù)。系統(tǒng)設(shè)置2ms時(shí)鐘中斷。高優(yōu)先級(jí)任務(wù)每2ms執(zhí)行1次，10個(gè)任務(wù)依次循環(huán)執(zhí)行，20ms完成一次循環(huán)。低優(yōu)先級(jí)任務(wù)每20ms執(zhí)行1個(gè)，120ms完成一次循環(huán)。此外，還不定時(shí)的執(zhí)行空閑任務(wù)和中斷任務(wù)。時(shí)間片分配及邏輯控制單元流程圖如圖5所示[8]。

圖5 邏輯控制單元程序框圖

空閑任務(wù)在高優(yōu)先級(jí)任務(wù)和低優(yōu)先級(jí)任務(wù)所占時(shí)間片中的空閑時(shí)間內(nèi)執(zhí)行。包括RS485總線數(shù)據(jù)發(fā)送。

中斷任務(wù)包括CAN總線接收中斷、RS485總線接收中斷、MVB總線接收中斷，定時(shí)器中斷。

3.3 驅(qū)動(dòng)控制單元軟件設(shè)計(jì)

為了滿足塞拉門開關(guān)過程中對(duì)平穩(wěn)度的要求，設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，即以速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)通過級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成，速度外環(huán)的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的輸入。無刷直流電機(jī)調(diào)速雙閉環(huán)控制框圖如圖6所示。

圖6 電機(jī)控制原理框圖

控制算法采用增量式數(shù)字PI算法?？紤]到PI算法的積分環(huán)節(jié)會(huì)出現(xiàn)積分飽和，而一旦發(fā)生積分飽和，將會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生很大的超調(diào)量。為此，本設(shè)計(jì)中的速度環(huán)和電流環(huán)均采用積分飽和限幅以及積分分離的控制算法。電機(jī)控制程序流程圖如圖7所示。其中，速度環(huán)控制周期為1ms，電流環(huán)控制為0.2ms。PWM頻率為15kHz，電流采樣在PWM周期到時(shí)啟動(dòng)，電機(jī)控制在PWM中斷中完成。速度環(huán)控制包括：速度獲取、速度環(huán)PI控制、積分分離及積分限幅、換相檢測(cè)。電流環(huán)控制包括：電流檢測(cè)、電流環(huán)PI控制、積分分離及積分飽和限幅、PWM輸出限幅等。

4 結(jié)語

本文介紹了一種高速列車塞拉門控器的設(shè)計(jì)。目前，該產(chǎn)品已順利通過功能試驗(yàn)、絕緣耐壓試驗(yàn)、環(huán)境溫度試驗(yàn)、沖擊振動(dòng)試驗(yàn)、EMC試驗(yàn)、以及 50萬次耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明，該產(chǎn)品能夠很好地滿足高速列車運(yùn)行的各種要求。

圖7 電機(jī)控制程序流程圖

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Study on Sliding Plug Door Control Unit Based on MC56F8346 Controller

QIU Wei-bin1, YAN Yan2, HUANG Qiao-liang2, OU Hong-xiang3
(1. KTK Group Co., Ltd., Changzhou 213102, China; 2. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 3. Changzhou University, Changzhou 213164, China)

The design of a sliding plug door control unit for high speed train based on MC56F8346 controller is introduced. Brushless DC motor is controlled by using speed and current double closed loop mode in the controller, and the speed regulator and current regulator are controlled by PI controller.The safety relay and state machine are adopted separately in design to increase safety and reliability of sliding plug door moving. The hardware block diagram and software control algorithm are given. The test results indicate that the design of the plug door controller for high speed train can meet the system requirements.

MC56F8346；safety relay；DCU（Door Control Unit）

TP23

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.002

仇維斌（1972-），男，高級(jí)工程師，碩士。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞骷夹g(shù)及傳動(dòng)控制。