基于MC56F8346控制器的塞拉门控器研究.docx

技术交流基于 MC56F8346 控制器的塞拉门控器研究仇维斌 1，严岩 2，黄巧亮 2，欧红香 3（1. 今创集团股份有限公司，江苏 常州，213102；2. 江苏科技大学，江苏 镇江，212003；3. 常州大学，江苏 州，213164）Study on Sliding Plug Door Control UnitBased on MC56F8346 ControllerQIU 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, Zhenjiang212003, China; 3. Changzhou University, Changzhou 213164, China)Abstract: The design of a sliding plug door control unit for high speed train based on MC56F8346controller 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.Key words: MC56F8346；safety relay；DCU（Door Control Unit）0引言高速列车塞拉门是乘客上下旅客列车的通道，因 其数量较多、操作频繁而成为高速列车上至关重要的 部件，要求其必须安全可靠。塞拉门控制系统主要由 司机室主控屏、门控器（Door Control Unit，简称DCU）、执行电机、输入输出模块、声光报警装置和现场总线网络等构成，并与列车控制和管理系统（Train Control and Management System，简称TCMS）进行数据通讯， 完成对列车车门的实时控制与监视1-3。DCU 作为高速列车塞拉门控制系统的一个主要部作者简介：仇维斌（1972-），男，高级工程师，硕士。主要研究方向为电力电子变流技术及传动控制。7机电设备 2015/1摘 要：介绍了一种基于 MC56F8346 控制器的高速列车塞拉门控器的设计。其控制器采 用速度、电流双闭环方式实现对无刷直流电机的控制，速度调节器和电流调节器均采用 PI 控 制器控制，设计中分别运用了安全继电器及状态机来增加塞拉门运行的安全性和可靠性。给 出了硬件框图以及软件控制算法。试验结果表明，所设计的高速列车塞拉门控制器能满足系 统要求。关键词：MC56F8346；安全继电器；DCU中图分类号：TP23文献标志码：ADOI：10.16443/ki.31-1420.2015.01.002有以下功能5：1）处理速度达到60 MIPS，具有良好的数字处理 能力和微控制器功能。2）2个16位的PWM(脉宽调制)通道。全硬件控制 的PWM输出足以满足无刷直流电机高精度、高可靠性 的控制要求。3）高性能ADC通道，提供多达16路的模拟输入， 非常适合无刷直流电机伺服控制中的电流环控制。4）内部集成的同步串行接口SPI、异步串行通信 接口SCI以及CAN通讯模块，能够很好地满足DCU与司 机室以及DCU彼此之间的通信4。5）电机驱动的外部保护中断，能够满足DCU对电 机控制安全性的要求。6）内部集成的正交编码脉冲测速电路，能够减小 采样误差，显著改善电机控制效果。由于DCU是在复杂干扰环境下应用的一种需要高 度安全、高度可靠的部件，所以采用MC56F8346作为 控制器的核心单元无论在控制精度还是可靠性方面都 能得到保证。2.2 逻辑控制单元硬件设计逻辑控制单元以MC56F8346芯片为核心部件，集 成SCI、CAN、数字IO、ADC、QEP等功能，并外扩 RAM、ROM等资源。该部分的硬件框图如图1所示。 逻辑控制单元完成对系统状态变量的采集、开关 门逻辑分析、故障报警及记录的处理；进行运动规划 并将生成的运动指令传给驱动板；通过MVB和RS485 模块分 别与TCMS 、便 携式 测试设 备(Portable Test Equipment，简称PTE)进行通讯，完成参数设置下载以 及数据显示等功能；通过CAN总线实现与本节车厢内其余3个DCU之间的通讯。2.3 驱动控制单元硬件设计驱动控制单元以MC56F8346控制器为核心部件， 主要负责无刷直流电机的运动控制；接收逻辑板发过 来的指令信号完成电机运动状态切换。驱动控制单元 内部具有过流、过压、欠压等保护。该部分的硬件框 图如图2所示。为了提高系统集成度及可靠性，研究采用了智能功率模块IPM PS21563，该IPM和外围的泵升供电电路 构成直/交流转换电路逆变器，通过六个开关管的导通和 关断将直流电压转换成脉冲输出，连接到电机的三相绕件，担负着接收来自司机室的控制命令、驱动电机执行开关门动作、通过总线网络反馈门状态信息等任务。 因此，它的可靠性将极大地决定整个塞拉门控制系统 的可靠性和安全性。研究在硬件架构及软件算法的设 计方面充分考虑了 DCU 运行的可靠性、安全性。同时 为了满足高速列车运行的复杂干扰环境，充分考虑了 产品的电磁兼容性4。1系统功能作为塞拉门控制系统的核心部件，DCU具有以下 主要功能：1）接收来自司机室的控制命令；开门、关门时间 在3s7s范围内可调；开门、关门无故障使用次数不少 于50万次；执行开关门动作时，DCU能按照事先存储 的速度曲线进行动作。2）采集门状态信息及各种故障信息并通过MVB (Multifunction Vehicle Bus)总线发送至司机室控制屏， 以方便司机直观了解门状态及故障信息2。3）通过DCU内设置的数据通信接口，在线或离线 调整系统参数。4）进行门宽测定，并储存电机速度曲线、电流曲 线以及门宽等参数。5）通过时间/位移、敏感胶条、电流三种方法进行 障碍物检测，并可根据实际情况适当调整重新开关门 延迟时间和开关门次数等参数。6）具有系统自诊断能力。2系统硬件设计为了满足高性能、模块化的要求，DCU的硬件设 计采用双处理器模式，即DCU内部包含两块独立的控 制单元,分别是逻辑控制单元和驱动控制单元，二者通 过通讯线联系，达到无缝对接；同时为了满足高度安 全、高度可靠的要求，DCU硬件设计时巧妙运用安全 继电器；此外，本设计还采用CAN通信实现同一节车 厢内DCU之间信息共享。2.1 飞思卡尔MC56F8346处理芯片简介飞思卡尔芯片以可靠性及抗干扰性著称，这一特 点使其被广泛运用于工业控制、汽车电子、医疗器械 等领域。MC56F8346是飞思卡尔公司推出的一款同时 具备数字信号(DSP)处理能力和微控功能的芯片。它具2015/1 机电设备8Academic Research技术交流图1 逻辑控制单元硬件框图2.4 安全继电器驱动电路硬件设计安全继电器位于DCU内部，有两对无源触点输出， 其中一对常开触点与DCU解锁指令信号串联，另一对 常闭触点串联在列车安全回路中。当安全继电器被激 活，常开触点闭合，DCU解锁指令可以输出；常闭触 点断开，列车安全回路断开；当安全继电器未激活时， 常开触点断开，DCU解锁指令输出无效，常闭触点闭 合，列车安全回路闭合。此设计不但避免了列车运行 时，车门因DCU误动作而打开，而且保证了只有在车 门都关闭的情况下，列车才能启动，极大地提高了列 车运行的安全性。考虑到硬线信号的可靠性，本设计 采用硬件电路来实现安全继电器的激活与去激活。安 全继电器驱动电路硬件原理图如图3所示。图2 驱动控制单元硬件框图组来控制电机。此外该模块与控制器的外部中断接口连接，在出现异常情况时，可立即通过中断接口关断 MC56F8346 所有 6 路脉宽调制 PWM 波输出。这些特 点使它非常适合无刷直流电机高可靠性的伺服控制。通过光电编码器检测无刷直流电机的速度，反馈 脉冲接入 MC56F8346 芯片的 QEP 电路6。通过 VSM025A 电压霍尔传感器检测电机母线电压，电压反馈接入 MC56F8346 芯片的 A/D 转换电路， 实现对电机母线电压的实时监控。通过CSM015LX电流霍尔传感器检测电机电枢电流，电流反馈接入MC56F8346芯片的A/D转换电路，转 化成数字量参与电流环运算7。3系统软件设计DCU的硬件设计采用了双处理器技术，软件分为 两部分，即逻辑控制单元部分和驱动控制单元部分。 其中逻辑控制单元主要完成对系统状态变量的采集、 开关门逻辑分析、故障报警及记录的处理；进行运动 规划并将生成的运动指令传给驱动板；负责与TCMS、 PTE、本节车厢内DCU的通讯以及与驱动控制单元的 内部联系。而驱动控制单元主要负责无刷直流电机的 伺服控制；对电机电枢电流、电压、温度的监测，实 现对电机的过流、过压、欠压等保护。9机电设备 2015/1图3 安全继电器驱动电路硬件原理图3.1 逻辑控制单元的门状态及有限状态机设计在逻辑控制单元软件设计中，根据门的运动状态 设定了状态机变量，见表 1。图 4 逻辑控制单元有限状态机切换图表 1状态机变量3.2 逻辑控制单元软件设计逻辑控制单元软件由多个任务和数据缓冲池构 成，任务分为高优先级任务、低优先级任务、中断任 务和空闲任务。系统设置 2ms 时钟中断。高优先级任 务每 2ms 执行 1 次，10 个任务依次循环执行，20ms 完 成一次循环。低优先级任务每 20ms 执行 1 个，120ms 完成一次循环。此外，还不定时的执行空闲任务和中断 任务。时间片分配及逻辑控制单元流程图如图 5 所示8。图 4 提供了用于逻辑控制单元开关门完整的有限状态机。系统在每个状态中，不断判断转移条件，若 转移条件为真，则状态改变。图 5 逻辑控制单元程序框图2015/1 机电设备10状态名称状态标号说明ST_INIT0初始化状态ST_READY1系统准备好ST_BOOTCLOSING2启动关门状态ST_STCLOSING3门宽测定状态(关门)ST_STOPENNING4门宽测定状态(开门)ST_CLOSING5正在关门状态ST_OPENNING6正在开门状态ST_CLOSED7门已关闭和闭锁状态ST_OPENNED8门已全开状态ST_CLSDOORFRMV9门自由移动状态(关门)ST_OPENDOORFRMV10门自由移动状态(开门)ST_BRAKECLOSING11关门刹车状态ST_BRAKEOPENNING12开门刹车状态ST_DOORBACKING13门回动状态ST_DOORISOLATION14门隔离状态ST_DOOREMERGENCY15门紧急操作状态ST_EEDCLOSING16紧急关门状态ST_FATALERR17致命故障状态Academic Research技术交流空闲任务在高优先级任务和低优先级任务所占时间片中的空闲时间内执行。包括 RS485 总线数据发送。 中断任务包括CAN总线接收中断、RS485总线接收中断、MVB总线接收中断，定时器中断。3.3 驱动控制单元软件设计为了满足塞拉门开关过程中对平稳度的要求，设 计采用双闭环方式对电机进行控制，即以速度外环和 电流内环通过级联方式构成，速度外环的输出作为电 流内环的输入。无刷直流电机调速双闭环控制框图如图6所示。图7 电机控制程序流程图图6 电机控制原理框图参考文献:控制算法采用增量式数字PI算法。考虑到PI算法的积分环节会出现积分饱和，而一旦发生积分饱和，将 会使系统产生很大的超调量。为此，本设计中的速度 环和电流环均采用积分饱和限幅以及积分分离的控制 算法。电机控制程序流程图如图7所示。其中，速度环 控制周期为1ms，电流环控制为0.2ms。PWM频率为15kHz，电流采样在PWM周期到时启动，电机控制在 PWM中断中完成。速度环控制包括：速度获取、速度 环PI控制、积分分离及积分限幅、换相检测。电流环 控制包括：电