轻轨自动门控制系统设计与实现

第第II页轻轨自动门控制系统的轻轨自动门控制系统的设计与实现 摘要 随着经济的飞速发展，轨道交通成为我国今后十年优先发展和重点突破的产业之一。为了满足轨道交通的发展需求，摆脱对国外自动门控制系统的技术依赖，结合我国实际控制要求，对轻轨自动门控制系统的实现方法进行了研究。在对列车总线和自动门控制方法进行研究后，提出了基于ARM微处理器并具有双CAN总线的轻轨电车自动门控制系统方案，设计出符合我国标准的轻轨电车自动门控制系统，包括硬件电路和软件开发，电路设计尽量减少电磁干扰的影响；研究现存自动门的防夹方法，给出了自动门运动控制系统算法及其实现程序，通过检测电机的电枢电流和自动门的位移两种方式叠加判断控制电机是否发生堵转，进而实现自动门控制系统的防挤压功能；编程时采用余弦函数拟合自动门的门速曲线，提高自动门运行过程中的平顺性；采用双CAN冗余通信模式，提高通信系统的可靠性。经过实验室调试和现场运行状况的分析，本门控系统性能良好，可靠性高，基本能满足实际应用要求。关键词：ARM微控制器电机控制防挤压双CAN通信第第=2\*ROMANII页AbstractWiththerapiddevelopmentofoureconomy,railtransitwillbecomeoneoftheindustriesthathavetheprioritytodevelopandmakebreakthroughinthefuturetenyears.Inordertomeettheneedsofrailtransit,andgetridofthetechnologicaldependenceonautomaticdoorcontrolsysteminforeigncountries,combiningwiththeactualcontrolrequirements,theimplementationmethodsofthecontrolsystemofautomaticdooroflightrailwerestudied.Afterthestudyofthetrainbusandautomaticdoorcontrolsystem,thecontrolsystemofautomaticdooroflightrailbasedonARMmicroprocessorascontrolcoresystemwithdoubleCANbuswasproposed.Thedesignofthecontrolsystemconformedtothestatestandard,includinghardwarecircuitandsoftware.Thedesignofhardwarecircuitshouldminimizetheinfluenceofelectromagneticinterference.Bythestudyoftheexistingautomaticprotectionmethod,automaticdoorcontrolsystemsalgorithmanditsimplementationprocedurecodewasproposed.Detectingarmaturecurrentanddisplacementofthedoordetermineswhetherthemotorisblocked,andthentorealizethefunctionofgatingsystemantiextrusion.Programmingusingpiecewiseapproximationofcosinefunctioncurvefittingdoorspeedcontrolalgorithm,improvingtheridecomfortintheprocessofautomaticdooroperation.UsingthedoubleCANcommunicationcanimprovethereliabilityofthesystem.Thelaboratorydebuggingandsiterunningprovedthatthedoorcontrolsystemisgoodinperformance,highreliability,andcanbasicallymeettherequirementsofpracticalapplication.Keywords:ARMmicrocontroller；motorcontrol；extrusionprevention；doubleCANcommunication第第PAGEV页目录1绪论 11.1课题研究背景及意义 11.2控制系统国内外研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 31.3列车通信网络国内外研究现状 51.3.1国外研究现状 51.3.2国内研究现状 61.4课题来源与主要研究内容 71.4.1课题来源 71.4.2主要研究内容 81.4.3结构安排 82自动门控制系统结构和工作原理 92.1车门控制系统结构组成 92.2轻轨电车自动门控制系统电磁兼容性研究 112.2.1自动门控制系统的电磁环境 112.2.2电磁干扰传输途径 122.2.3门控系统电磁干扰抑制方式 122.3控制系统硬件组成 132.3.1STM32F107VCT6芯片内部结构 132.3.2STM32F107最小系统 152.3.3控制信号输入电路 172.3.4EEPROM电路 192.3.5LJ245A双向收发电路 192.3.6总线接口电路 202.4供电电路 232.4.1系统电源结构 232.4.2电源转换电路 242.5电机驱动电路 272.5.1直流无刷电机基本结构 272.5.2电机驱动电路 282.6本章小结 313自动门的运行控制 323.1自动门的门速控制要求 333.2自动门的门速曲线拟合 333.3自动门的防挤压功能 343.4本章小结 374自动门控制系统软件研究 384.1系统初始化程序 384.2CAN总线远程通信 394.2.1远程通信方式 394.2.2CANopen协议 404.2.3CAN总线初始化 444.3门宽参数自学习程序 454.4自动门控制程序 484.4.1正常开门/关门程序 484.4.2门的隔离与紧急解锁 494.5本章小结 495系统测试 505.1基本功能测试 505.2CAN通信测试 525.3本章小结 56结论 57致谢 58参考文献 60攻读硕士学位期间发表的学术论文 65第第86页1绪论1.1课题研究背景及意义随着我国经济的快速发展，新一轮工业革命正在不断深化，轨道交通成为我国今后十年优先发展和重点突破的10个重点产业之一[1]。城市快速轨道交通指的是具有大运量的有轨公共交通运输系统,简称轨道交通。由于其快捷、安全、大运量和节能等优点，城市轨道交通在各大城市中备受青睐[2]。总的来看，我国目前城市公共交通的发展还是比较落后的，与发达国家相比还存在一定差距。我国的“公交优先”战略还处于起始阶段，存在基础设施滞后、运输效率不高、供给力不足等严重问题。目前我国正处于城镇化快速发展阶段，每年大概有1300多万人口从农村转为城市，每年城镇化进程以约1个百分点的速度向上增长。今年，我国城市公共交通总量将高达1000亿人次，年均增长率6%。在此情况下，对我国城市公共交通的发展更为迫在眉睫。由于城市兴旺发达而造成的交通堵塞等情况，仅仅依靠路面上的车辆是行不通的。轨道交通具有以下特点：(1)运输能力大；(2)能耗低；(3)运行速度高；(4)适应性强；(5)环境污染程度小[3]。轨道交通能的这些特点在较大程度上解决城市交通堵塞[4]。“十二五”期间，将是我国城市公共交通事业发展和转型的黄金时期，也是大力落实“公交优先”战略，使得公共交通健康、科学发展的机遇期[5]。到“十二五”末，300万人口以上的城市将建成以公共汽电车为主体，以轨道交通为支柱的城市公共交通服务系统；100至300万人口的中型城市基本建成公共汽电车占主导地位，轨道交通和快速公交不断发展的公共出行交通服务系统；100万人口以下的城市建立完善的依托公共汽电车为主体的城市公共交通服务系统，拥有万人公共交通车辆10标台以上[5]。近年来，轨道交通的大提速，使得轨道车辆向着高速、舒适、安全、高档的方向转变。其中自动门系统是整个车组的重要组成部分，门控系统的性能也随着轨道交通的发展而不断提高。公交自动门多为气动折叠门，驾驶员启动开关，电磁阀通电气路接通，门泵进气/排气，车门相应打开/关闭。公交自动门的灵敏度不高，但关门速度快。国内的动车组多采用单翼塞拉门，地铁多采用双翼对开门，都属于电动门。电动门的驱动装置通常是一组电机组件，每节车有一个主控制器来控制本节车的车门，灵敏度高，在关门过程中遇到障碍物车门会再次打开。目前我国轨道车辆自动门控制系统存在两个问题：(1)自主化率不高；(2)控制系统复杂程序功能没有充分发挥。根据地铁营运部门的相关统计，轨道车辆的车门是地铁在运营过程中需求量最大的设备之一。由于自动门系统频繁的打开与关闭，使得在行驶过程中自动门系统经常发生故障，“侵客”事件时常发生，影响了列车的运行秩序和正点运行，在上下班高峰时期，甚至会发生乘客伤亡的重大安全事故[6]。自动门控制系统的可靠性和安全性与乘客的自身利益密切相关，对轨道交通的舒适性、安全性、便于维护和美观性都有着直接的影响，同时也影响着轨道交通能否持续、稳定、健康的发展。远程监控和维护在很多领域均已涉及，但是对门控系统而言，在国内的相关产品和应用中并不多见，大多采用RS232或RS485等抗干扰能力差的串口方式进行通讯[7]，没有对门控系统的远程监控和维护给予高度重视。针对上述问题，本课题对轻轨电车自动门控制系统的结构、功能、远程通信监控等方面进行研究设计，实现了对电车车门的自动控制和远程监控与维护。在无形中降低了轻轨自动门控制系统的运行维护成本，大大减少了因车门系统故障而暂停服务的时间，避免了由自动门系统故障而导致的重大事故[8]。1.2控制系统国内外研究现状1.2.1国外研究现状自19世纪80年代世界上第一辆有轨电车在德国柏林工业展览会上亮相后，世界各国开始发展城市轨道交通[9]。从1883年到1924年,有轨电车在很多城市发展起来，同时全世界有13大城市建设了地铁，城市轨道交通在这一时期获得了较快发展。1924年至1949年，由于二战的爆发、汽车工业的大量发展、自身建设的巨大投资和建设周期，使得轨道交通在这一时期发展缓慢甚至出现了萎缩。1949年至1969年，由汽车工业的过度发展而导致的城市交通拥堵问题使得发展城市轨道交通又受到了重视。在这期间，有17个国家修建了地铁，城市轨道交通的发展进入了复兴时期[6]。现如今，日本、德国、奥地利和法国的城市轨道交通发展水平处于世界领先地位，日本的新干线开创了高速铁路的里程碑，使得日本成为各国城市轨道交通行业学习和效仿的榜样。现今国际上，德国的BODE公司、法国的FAIVELEY公司和奥地利的IFE公司等大型国际企业是城市轨道交通自动门系统的知名供应商。IEF公司成立于上世纪50年代，是自动门系统的主要生产企业之一。其产品有塞拉门、外摆门、内摆门、外侧移门、内藏式移门等门系统，适用于巴士、轻轨、地铁、旅游客车和有轨电车。其门体重力的传递方式为：门体—轴承—导杆—车体钢结构[10]。门控系统中基于微电子技术的监控装置可以在发生故障时点亮驾驶室的警示灯或者发出报警声。上海的AC03型和DC-01型地铁的车门系统就是该公司的产品。BODE公司在90年代初成功研制出电动双开塞拉门，曾经为北京一、二、五号线地铁提供配套自动门系统。其生产的电动塞拉门基于全数字微处理器，根据“平行四边形”原理实现了对车门运动过程的控制与监测；由于采用中央驱动装置，使得结构简单、零部件少、易于安装和维护。其门控系统通过485总线与上位机进行通信[11]。FAIVELEY公司成立于上世纪20年代，主要生产城市轨道交通中使用的空调、客车室门和屏蔽门等设备。其门体重力的传递方式为：门体—承座—车体钢结构[10]。通过具有信息记录功能的WITAMIN系统进行网络通信，实时传输列车自动门的相关运行数据。这种高速无线电通讯系统的应用，提高了城市轨道交通的运营率，并且能帮助制定运营与维护计划[12]。日本新干线列车如图1-1所示。图1-1新干线列车Fig.1-1TheShinkansenＴrain1.2.2国内研究现状1908年，我国第一辆有轨电车在上海通车，它标志着我国开始迈入到城市轨道交通行业。之后在哈尔滨、沈阳、北京、长春、大连、天津等较大城市也相继修建了有轨电车。在1997年，我国成功研制出国产M730铁路客车塞拉门，结束了以往城市轨道交通自动门全部依赖进口的局面。旧式有轨电车如图1-2所示。图1-2旧式有轨电车Fig.1-2Old-fashionedTram表1-1国内外主要品牌轨道车辆自动塞拉门系统比较Tab.1-1Comparisonofmainlybrandautomaticdoorsystemsforrailvehiclesdomesticandforeign中国康尼自动塞拉门系统德国BODE自动塞拉门系统法国FAIVELEY自动塞拉门系统奥地利IEF自动塞拉门系统动力源电动电动电动或气动电动或气动EDCU全数字闭环控制模拟-数字控制模拟-数字控制模拟-数字控制电机直流无刷直流有刷直流有刷直流有刷传动滑动丝杆螺母副滚珠丝杆螺母副滑动式丝杆螺母副或钢丝绳齿形带和丝杆螺母副锁闭单向自锁式无源电机锁闭装置电机反转解锁式锁闭装置电磁离合器锁闭装置二级锁锁闭装置现如今，我国生产城市轨道车门系统的厂商有：南京康尼机电有限公司、北京博得交通设备有限公司、青岛欧特美有限公司、上海法维莱交通车辆设备有限公司。康尼公司在1998年研制出的铁路高档客车塞拉门被科技部评定为“国家级重点新产品”。凭着此项技术，康尼公司打破了客车塞拉门完全依赖进口的局面，使得进口门降价50%，为国家节省2亿元经费。目前，康尼公司自主研发的自动门在国内城市轨道交通市场中的占有率达50%以上，在干线铁路市场上的占有率已达40%，更成为世界巨头阿尔斯通公司的A级供应商、西门子和庞巴迪公司的供应商[13]。国内外城市轨道交通自动门系统产品对比如表1.1所示[14]。吉林大学的刘长英，崔启明，高印寒，申坤等人研究了基于数字信号控制器dsPIC30F5015的动车组自动门控制系统，实现了客车门的自动控制[15]。天津大学的王强，赵宇等人研究了基于MOTOROLA的8位单片机MC68HC11K1的自动门控制系统，该系统采用了复杂可编程逻辑器件(CPLD)对步进电机进行控制，实现了系统的安全可靠运行[16-19]。广东工业大学的孟庆明，谢莉萍等人研究了基于AT89C52单片机和直流伺服控制芯片HIP4080AIP的自动门控制系统，实现了对永磁直流电机的PWM控制[20-23]。1.3列车通信网络国内外研究现状随着互联网的出现，新的远程交互形式的出世，使得专家系统可以通过远程网络提供服务。一个重要的应用是在工业领域中的远程控制，通过通信网络对远程设备进行干预、控制、维护和监控[24]。远程监控和维护系统的对象非常广泛，大到整个工厂、生产车间，小到系统中的各种具体零部件[25]。在城市轨道交通控制系统的远程监控和维护方面的发展趋势是:自动化、敏捷化、信息化、智能化。1.3.1国外研究现状远程监控和维护技术是国内外很多研究机构关注的热点问题。SMFPT(SocietyforMachineryFailurePreventionTechnology)、COMADEM(ConditionMonitoringandEngineeringManagement)、MIMOSA(MachineInformationManagementOpenSystemsAlliance)等国外组织机构从事设备故障诊断和维护咨询工作,并规范了信息交换格式和标准，推出了具有远程监测和维护功能的众多产品，如BENTLY公司推出的实时在线监测系统[26]；英特尔公司通过数字网络专线传输在半导体生产设备中收集到的监控和维护信息，取得了较为满意的效果[27]；国家仪器公司依靠WWW、Email等网络方式把网络通信模块添加到其产品中，实现了对数据的传输和设备的监控；通过安装在飞机发动机上的监控装置返回的数据，波音公司地面上的远程监控中心就能实现对飞机在空中运行状况的监测与记录。近年来，现场总线开始在车门通信系统中使用，如悉尼轻轨的自动门控制。德国MAS90防灾安全监控系统可以对列车设备进行监视和评估行车环境。日本的列车监测系统通过对行驶车辆上的重要设备工作状态进行检测管理，从而保障了车辆的安全运行。1.3.2国内研究现状由于通信需求和被控对象的不同,被控对象和远程监控和维护系统之间的通信模式主要有以下几种：(1)基于工业以太网的方式。这是当前远程监控和维护系统中采用比较多的实现方式，具有功耗低、传输速率、快易于实现的特点[28]。(2)基于ISDN、VPN等网络专线的方式。这种通信方式经常在高数据突发、传输数据多、传输质量要求较高的场合使用，系统成本较高[29]。(3)基于无线通信的方式。这种通信方式通常使用在环境恶劣、通信距离远、对象分布广的场合[30]。(4)基于公共电话网的方式。这种通信方式利用现有的公共电话资源透过拨号的方式与远端建立临时连接，经常使用在对数据量小，对实时性和安全性要求不高的场合[31]。我国城市轨道交通监控系统正处于不断发展之中，国内许多学者在自动门控制系统和远程监控与维护方面进行了大量的研究工作。东南大学张志胜、卢光青等发明的轨道列车车门智能门控器，能够在自动门控制系统与列车总线之间通过现场总线构成整个自动门控制系统网路。上位机通过网关模块把列车总线上的控制信号转换成CAN总线信号，通过CAN通讯方式把信号传输给自动门控制系统中控制电机的驱动模块从而实现自动门的运作，一个网关对应一组节点，一组节点对应一组电机驱动模块。此外，自动门控制系统网络中还集成了独立的监测诊断模块，通过对诊断模块中相应的检测接口检测，实现对自动门控制系统的检测和维护[32]。南车时代电气股份有限公司的吴正平，曾嵘，杨卫峰等人开发了一种基于TCN列车通信网络的多总线车辆通信控制系统，主要包括CPU处理器、FPGA电路、温控电路、CAN总线接口电路和MVB总线接口电路等。该实用新型控制系统采用模块化的结构，具有快速响应、存储空间大、便于用户实现图形编程的特点，适用于轨道交通中车辆级别控制、通信故障诊断等工业自动化相关领域[33]。哈尔滨工业大学的李瑞峰，顾义坤等人研究了以家用机器人为控制对象的基于GSM/GPRS网络的远程监控和维护系统，使得用户可以对家用机器人的行为进行远程监控[34]。国防科技大学的包清政，窦峰山，龙志强等人研究了磁悬浮列车综合性远程和维护管理系统，实现了磁悬浮列车运行过程中各种状态的监测[35]。华中科技大学的王传启等人研究了基于嵌入式Java技术的在工控领域中web服务器的实现问题，解决了传统web技术在远程监控和维护应用中的技术难点[36]。南京理工大学的陆宝春教授研发了一种面向敏捷制造的监控和维护系统(MDS)，基于Agent技术和总线技术，构建了一种可实现的MDS自适应结构系统，实现对装备的远程监控和维护[37]。西安交通大学的亢洁，罗钧吴等人研究了基于VPN(VirtualPrivateNetwork)网络的远程监控和维护系统，使得现场工控计算机能够对现场设备的各种运行状态进行监视[38]。1.4课题来源与主要研究内容1.4.1课题来源本课题来源于企业合作项目。1.4.2主要研究内容本课题围绕项目“轻轨自动门控制系统的设计与实现”进行了深入研究，设计出一套符合我国路况环境的轻轨电车自动门控制系统。论文的主要研究的内容是：(1)研究并设计了门控系统控制器。(2)构建了基于双CAN总线的列车远程通信网络。(3)自动门控制系统的软件设计。对自动门的门速曲线，门宽参数，防挤压功能进行了设计，提高了系统的可靠性。同时建立了基于双CAN冗余通信网络，对自动门系统进行远程控制。(4)现场调试与仿真。根据门宽参数的学习结果，通过Matlab软件对门速曲线进行拟合仿真。测试轻轨电车自动门的各种控制功能和远程通信是否达到预期效果。(5)结论部分对全文进行总结，并展望后续的研究工作。1.4.3结构安排本文共分为五章，安排如下：第一章：绪论。本章主要介绍自动门控制系统和列车远程通信的国内外研究现状，并对课题来源做了简要介绍。第二章：系统工作原理和硬件组成。本章根据门控系统的性能要求介绍了系统的硬件组成以及工作原理。分析无刷直流电机的工作原理,建立了基于ARM微控制器STM32F107的自动门控制系统。从自动门运行过程中的电磁兼容性和平稳性角度分析,以提高门控系统的控制性能和抗干扰性能。第三章：车门运动控制。本章根据自动门在运行过程中的门速控制要求对门速曲线进行拟合，并对车门的防挤压功能进行了设计。第四章：系统软件设计。本章对系统的初始化，门宽参数自学习，正常开/关门，车门隔离和紧急解锁等功能进行了软件实现，提高了系统的可靠性。同时建立了基于双CAN冗余通信网络，对自动门系统进行远程监控和维护。第五章：系统测试。对系统的基本控制功能和CAN通信平台进行测试。2自动门控制系统结构和工作原理本章以轻轨电车自动门控制系统功能的角度为出发点，介绍了门控系统的结构，硬件组成和控制方式。轻轨列车每侧设置5套双开电动式塞拉门，整车共有10套塞拉门。车门布置及门编号如图2-1所示。图2-1轻轨电车车门编号Fig.2-1TheLightRailVehicleDoor

Number轻轨列车采用四模块编组，包括两个带司机室的动车模块MC1、MC2，一个拖车模块T和一个动车模块M。列车在行驶过程中，司机室可以通过轻轨电车网络控制与诊断系统TCMS和门控系统进行通信，对自动门的运行状况进行控制和监测。门控系统应能适应亚热带气候条件，运行环境温度范围为：－5℃～＋40℃，相对湿度范围为：16%～100%，且能耐振动和噪声。2.1车门控制系统结构组成门控系统主要由10个模块组成，主要包括STM32F107VCT6主控芯片、通信接口电路、EEPROM模块、信号输入/输出电路、隔离电路、按键和车灯显示模块、电机驱动模块、直流无刷电机、电源电路和USB电路，连接方式如图2-2结构框图中所示。门控系统把经隔离电路的输入信号传送到CPU主控芯片中，根据按钮和总控室的开/关门控制命令通过电机驱动模块驱动直流电机正反转来实现自动门的开关操作。通过RS232总线实现电路板和PC机间的通信。通过双CAN总线实现了和总控室的通信。USB电路主要用于系统的在线升级。由于门控系统中不同功能模块的额定电压不同，所以需要专门电源电路分别为其供电。由于车内的电磁环境非常复杂，所以要对输入输出电路进行光电隔离。在电隔离的情况下以光为媒介进行信号传送，把输入输出的信号进行隔离，这样可以减小接地回路的干扰，避免电气与磁场噪声。图2-2门控系统结构框图Fig.2-2TheBlockDiagramofGatingSystem轻轨电车的自动门控制系统在运行的过程中要保证乘客的人身和物品安全。在关门过程中，一旦门控系统检测到有障碍物时，门控系统不能强行关门，当到达一定的挤压力时，门控系统必须控制电机反转回退一定距离然后再次进行关门，以防止乘客的人身和物品受到挤压而损伤。为了满足自动门在完全关闭时高气密性的要求并且不破坏门的结构，结合门的特殊结构，系统不允许在门体上安装传感器。在门的关闭过程中一旦碰到障碍物，就会引起电机负载转矩的突然增大，电机的电枢电流也会随之而增大。门控系统的防挤压功能是通过检测电机上的电枢电流实现的。当电枢电流超过事先系统设定的安全范围时，自动门控制系统就会发出相应的控制信号使得电机反转回退一定距离，进而自动门的防挤压功能得以实现。在门的运行过程中，必须要对门的位置状态进行检测。机械部分开关门限位开关通过接口电路将自动门的位置信息传送到处理器中。在门的传动系统中设置了两个限位开关：门开到位开关和门关到位开关。这两个限位开关安装在导轨中不同位置，对应着不同的状态信息。当门打开到指定位置，门开到位开关就进行闭合，门控系统接收到这一信号，就会输出相应的控制信号使得电机停止转动，从而实现开门动作。当门关闭到指定位置，门关到位开关就进行闭合，门控系统接收到这一信号，就会输出相应的控制信号使得电机停止转动，从而实现关门动作。当某一单门出现故障时，司机可以手动操作车门后的隔离开关，对故障门进行隔离，不影响列车对其他车门的控制，也不影响安全回路的功能。信号输入输出电路包括零速信号、电钥匙、紧急解锁、门隔离、门开到位、门关到位、电磁铁、指示灯、蜂鸣器等信号。2.2轻轨电车自动门控制系统电磁兼容性研究在国家标准GB/T4365-1995《电磁兼容术语》中，电磁兼容(EMC:Elec-tromagneticCompatibility)的定义为：系统或者设备在其所处电磁环境中，能够正常工作，并且不对该环境内其他任何器件造成不可承受的电磁干扰的能力。该标准与国际标准IEC60050(161)一致。2.2.1自动门控制系统的电磁环境表2-1轻轨自动门控制系统干扰源分类Tab.2-1TheInterference

SourceClassificationOfLightRailAutomaticDoorControl

System

种类形成原由及其影响自然干扰源雷电能够造成电气化设备短时间停电甚至电车断电空间电磁波辐射干扰运行时受到周围大功率广播等发射器的强电磁波辐射干扰谐波干扰列车不平衡牵引电流易造成谐波干扰脉冲干扰列车受电弓滑过接触网时由于跳动或接触不良火花放电产生脉冲干扰电源干扰工作电源经过线路的绝缘电阻和分布电容产生漏电而造成干扰。地线干扰信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合造成干扰开关通断干扰开关通断操作易引起电压瞬变、高频干扰，向空间中直接辐射电磁干扰其他敏感设备内部电力电子器件车内复杂的电力电子器件影响内部的弱电设备电力干扰电快速瞬变、电压变化、电涌、电力线谐波和闪电瞬变等轻轨电车的电磁环境分为车内和车外。由于车内采用了大量先进、精密的电力设备和电力电子器件等，使得门控系统中存在各种电磁干扰，在一定程度上影响了自动门控制系统的正常工作。车外的各种电力系统和雷电以电磁感应、电磁传导和电磁辐射等方式干扰自动门控制系统，影响设备工作的可靠性和安全性。轻轨电车自动门控制系统中干扰的主要来源及途径如表2-1所示。2.2.2电磁干扰传输途径电磁干扰的耦合途径大致分为三种：辐射耦合、感应耦合和传导耦合方式[39]。电磁干扰的形成过程如图2-3所示。图2-3电磁干扰形成过程Fig.2-3TheFormationOfElectromagneticInterference电磁干扰的危害程度分为一般危害、中等危害、非常危险和灾难性危害四个等级。它是一种环境污染形式，在轻轨电车中影响小到接收广播时产生的滋滋声，大到控制系统崩溃导致致命事故。它以不同形式导致电气和电子设备故障，妨碍无线电频谱的正常工作，甚至对人身产生直接影响[40]。2.2.3门控系统电磁干扰抑制方式自动门控制系统或系统内线路受到的电磁干扰的程度可表示为： (2-1)其中：为受干扰设备受到的电磁干扰程度；为噪声源强度；为噪声源通过某种传播途径到达受干扰处的耦合因素；为受干扰设备的敏感程度。、、三项是构成设备电磁干扰的三要素。抑制电磁干扰的技术研究也是围着这三项要素进行并采取有效措施，分别为：抑制噪声源的干扰强度；切断电磁干扰源进行耦合传播的途径；降低受干扰设备的电磁敏感性[41]。本门控系统针对电磁干扰问题做了以下几方面抑制措施：（1）采用隔离型DC-DC电源变换器作为直流稳压模块，抑制电源引入的干扰。（2）对输入/输出信号进行隔离，降低设备的敏感性。（3）用地线把模拟区和数字区隔离，分开接地[42]。（4）系统选择抗干扰性能优异的CAN总线作为通信总线[43][44]。（5）直流电机的控制方式选用抗干扰性能更强的脉冲控制模式。2.3控制系统硬件组成自动门的种类有多种，控制方式也有多种。目前，国内外一般把电动自动门的控制方式分为两种：（1）基于微控制器如单片机、现场可编程门阵列FPGA、DSP、ARM和CPLD等控制电机的电动门控制系统；（2）基于PLC来驱动电机的门控制系统[45]。由于轻轨列车间通信网路采用主备式冗余方式的双CAN总线通信，并且基于微控制器的控制系统具有体积小、稳定性高、方便安装等优点，所以本车门控制系统采用基于ARMCortex-M3内核、内部带有两路CAN通道的微控制器STM32F107VCT6实现门控系统的控制功能。2.3.1STM32F107VCT6芯片内部结构微控制器STM32F107VCT6的内部结构如图2-4所示。Cortex-M3内核是ARM公司专为在微控制系统、汽车车身系统、工业控制系统和无线网络等对功耗和成本要求较高的嵌入式应用领域实现高系统性能而设计的[46]。该内核采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取址与数据访问并行不悖。Cortex-M3基于ARMv7架构的32位处理器带有一个分机结构，其主要包括名为CM3Core的中心处理器内核和先进的系统外设，实现了内置的中断控制、存储器保护以及系统的调试和跟踪功能。这些外设可进行高度配置，允许Cortex-M3处理器处理大范围的应用并更贴近系统的要求。STM32系列微控制器采用了此内核，性能得到极大提高。图2-4STM32F107内部结构Fig.2-4TheInternalStructureOfSTM32F107STM32系列处理器目前分为4个系列：STM32F101标准型系列，最大工作频率36MHz；STM32F102系列，增加了对USB的支持，最大工作频率48MHz；STM32F103增强型系列，拥有更多片内RAM和更丰富的外设，包括USB、I2S、SDIO、CAN等,最大工作频率72MHz；STM32F105/STM32F107互联型系列,增加了USBOTG的支持、2路I2S、2路CAN总线，并增加了10M/100M以太网访问控制功能，最大工作频率72MHz。芯片的工作温度为：-40℃-+105℃；工作电压为：+2.0V至+3.6V，提供了两种不同的封装：64引脚和100引脚，在休眠模式下功耗为2QUOTE，在所有APB2设备都工作时功耗仅为36mA[47]。与其他符合设计要求的控制芯片相比，STM32F107控制芯片内部自带有两路CAN控制器bxCAN（BasicEx-tendCAN）模块，它支持2.0A和2.0B协议，基本满足了移植的要求[48]，不需要系统进行外部硬件CAN通道扩展。Cortex-M3内核中含有硬件调试模块，能进行复杂的硬件调试工作。当STM32微控制器通过调试器进行调试时，内核中的硬件调试模块开始工作。该微控制器支持两种接口调试：JTAG调试接口和串行接口。在进行硬件调试时，允许内核停止取指令或者访问数据，此时可以查询系统的外部状态和内核的内部状态。查询结束后，复原外设和内核，继续执行程序[49]。该芯片以ARM内核为核心，能与所有的ARM工具和软件兼容。同时由于该芯片内部接口丰富，电路设计时可以减少使用外部器件，使得电路结构更加简洁。2.3.2STM32F107最小系统STM32F107VCT6的最小系统由STM32F107VCT6Cortex-M3内核，电源输入部分，2个晶振电路，电容滤波电路，复位电路，选择跳线和JTAG接口电路组成，最小系统电路如图2-5所示。其中，是时钟频率为25MHz的晶振，作为系统的时钟源。是时钟频率为32.768kHz的晶振，作为RTC实时时钟的时钟源。在最小系统中复位信号是低电平有效。8个电容的作用是滤波。最小系统可以采用以下几种启动方式：(1)EmbeddeduserFlash(默认)；(2)SystemmemorywithbootloaderforISP；(3)EmbeddedSRAMfordebugging。启动方式通过配置BOOT0和BOOT1选择跳线设定，如表2-2所示。图2-5STM32F107VCT6最小系统Fig.2-5TheMinimumSystemOfSTM32F107VCT6表2-2启动方式设置描述Tab.2-2TheDescribesOfBootModeBOOT0BOOT1说明2-3Any设定userFlash启动方式。BOOT1可以在任意位置1-22-3设定Systemmemory启动方式，用于串口下载1-21-2设定EmbeddedSRAM启动方式默认设置是把BOOT0、BOOT1都设置到2-3脚上，这种方式运行的是用户烧进去的程序。当要进行串口烧写程序时，把BOOT0设置到1-2，按一下复位键将串口线和PC连接到USART上。用ST官方的ISP软件连接后就能对芯片进行程序烧写了，当烧好程序后把BOOT0设置回2-3，这样就能运行刚刚烧写好的用户程序了[50]。2.3.3控制信号输入电路为了提高系统的抗干扰性能，在输入信号接入之前要对其进行隔离,结构图如图2-6所示。ISP624是一款低输入电流的光耦合隔离器，能隔离高达7.5KV的峰值电压。由于隔离器的输入端为电流型低阻元件，所以它具有很好的共模抑制能力。门控系统的输入信号很多，如零速信号、电钥匙开门、紧急开门、安全回路、乘客开门、门开到位等，所以选用5组ISP624-4对这些输入信号进行隔离。图2-6输入信号隔离框图Fig.2-6TheBlockDiagramOfInputSignalIsolation这里以限位检测接口电路为例，介绍控制信号输入电路的隔离电路。自动门的行程是否结束是通过软件和硬件两方面来判断的。硬件方面，在自动门运行到整个行程的末端时，如果自动门的滑块碰到安装在导轨上的接触式限位开关的常开触点，导致线路闭合，主控制芯片捕获到这一状态之后，电动机停止转动，从而实现对自动门的行程控制，行程开关的内部结构如图2-7所示。图2-7行程开关内部结构Fig.2-7TheInternalStructure0f

TheTravelSwitch门控系统接收到行程限位开关的输入信号，经过低输入电流的ISP624型光电耦合隔离器对限位信号进行隔离输出到门控系统的微控制器中，控制器输出控制信号使得电机停止转动，关门到位检测电路如图2-8所示。图2-8门关到位检测电路Fig.2-8TheDetectionCircuitOfTheDoorClosedPosition自动门运行中还没碰到限位开关的常开触点时，光耦的输入电路断开，输入电压为零，没有导通，光耦输出端被拉高到3.3V高电平。一旦自动门碰到限位开关的常开触点，DcloseLock闭合，电路导通，经光耦隔离后，DoorCloseLock处输出低电平。光耦的导通压降为1.5V，承受电流为5～20mA,根据式2-2 (2-2)来确定输入电阻。综合考虑电路的可靠性和能耗，的阻值设定为。2.3.4EEPROM电路STM32芯片没有内部ROM，为了方便修改参数和在断电的情况下存储数据，在控制系统中扩展了外部电可插除只读存储器EEPROM，连接到芯片的I2C总线上。ATMEL公司的24C64为具有8K字节存储，支持1.8V到5.5V电源供电，可擦写100万次，数据可保存100年的串行电可插除只读存储器，具有多种封装可供选择。24C64的扩展电路如图2-9所示。图2-924C64扩展电路Fig.2-9TheExtension

CircuitOf24C64图中，A0-A2引脚为芯片的器选地址，当在同一总线上有多个器件时，可通过设定A0-A2引脚电平来选择器选地址。SDA是双向串行数据引脚，在芯片读写过程中用于输入或者输出地址、数据等。它是漏极开路，在使用时要连接一个上拉电阻。SCL是串行同步时钟信号，由主控芯片控制，根据程序要求，产生同步时钟信号。这里SDA和SCL引脚连接到了主控芯片的PB11和PB10引脚上。WP是写保护引脚，把此引脚接到地线上，主控芯片能够实现正常的读写。2.3.5LJ245A双向收发电路门控系统主控芯片的供电电压为3.3V，门控系统采用八进制双电源转换收发器LJ245A来处理与5V逻辑电平接合的5V容压输入/输出。该芯片可实现处于5V和3V环境中总线之间的接合，额定工作温度范围为-40℃到+125℃，电路如图2-10所示。图2-10LJ245电路Fig.2-10TheBidirectionalTransceiverCircuitOfLJ2453V总线VCC(B)的电压范围为1.5V至3.6V，5V总线VCC(A)的电压范围为1.5V至5.5V。除了挂起模式，其余情况下VCC(A)≥VCC(B)。通过设定输出使能OE引脚和方向控制DIR引脚的电平，选择传输方向。传输方向控制功能如表2-3所示：表2-3LJ245功能表Tab.2-3TheFunctionTableOfLJ245OEDIR传输方向LLB-ALHA-BHX隔离2.3.6总线接口电路RS232串口电路门控系统中有两路串口通讯，第一路为通过RS232总线与PC机进行连接测试。RS232是最常用的异步通讯接口，采用数据的接收与发送双线传输的通讯方式，使用EIA-232的逻辑电平标准。由于逻辑电平不同，门控系统的USART接口不能直接与PC机的RS232接口连接，需要进行电平转换。之前完成这一工作的接口电路多为MAX232，但随着3.3V或者更低压控制系统的出现，MAX232已经不能很好的实现通讯了。MAX3232不仅能实现5V系统与RS232接口的互联，也能完成3.3V低压系统与RS232接口的匹配[51]，电路如图2-11所示。图2-11MAX3232接口电路Fig.2-11TheInterfaceCircuitOfMAX3232第二路为门控系统通过串口与电机通信。由于在车辆运行过程中，车内的电磁环境非常复杂，所以串口隔离通信非常重要。串口隔离通信一般有三种实现方案：①采用RS232芯片+光耦，此方案成本低廉但是实现效果不理想；②采用RS232芯片+数字隔离器+隔离电压，此方案价格适中应用范围受限；③采用集成隔离电源的串口专用隔离芯片，此方案价格高、实现效果好。ADM3251E就是一种串口专用隔离芯片，符合EIA-232规范，数据传输速率高达460kbps。由于芯片内部为引脚TOUT和RIN提供了ESD高压保护，使得该芯片能够在经常需要拔插RS232电缆或者非常恶劣的电磁环境中工作。由于反相器和倍压器使用了4个0.1的电荷泵电容，该芯片能够支持5V单电源工作，工作温度范围为-40℃到+85℃[52]。ADM3251E的典型应用电路如图2-12所示。图2-12ADM3251E接口电路Fig.2-12TheInterfaceCircuitOfADM3251ECAN总线接口电路车门系统控制单元和轻轨电车网络控制与诊断系统（TCMS）之间采用两路冗余的标准CAN（ControllerAreaNetwork）接口2.0A，CANopen协议。CAN是控制器局域网络的简称，由于具有高可靠性和错误检测能力而被广泛使用与汽车计算机控制系统和环境恶劣、电磁辐射强的工业场所。在那些长距离应用中，由于强电磁干扰、高共模电压等，容易造成通信网络异常，严重情况下甚至损坏整个网络。因此对各个通信节点进行隔离就显得尤为重要。在控制器与收发器之间插入单独的隔离器件，比如光耦或数字隔离器，对电路设计有较高要求。采用隔离型总线收发器便可省去隔离电路的设计。本系统CAN总线收发器采用了ADI公司iCoupler技术的ADM3053芯片，该芯片内部集成了一个低功耗CAN总线收发器、二路数字信号隔离通道和isoPower技术的隔离式DC/DC转换器，符合ISO11898标准。ADM3053在CANopen协议和物理层总线间建立了一个完全隔离的总线接口，其隔离电压为2.5KV,能以高达1Mbps的传输速率工作，总线上至少可挂110个节点。该芯片具有热关断和限流特性，防止输出短路，其额定工作温度范围为工业温度范围[53]，CAN总线隔离接口电路如图2-13所示。图2-13中为iCoupler电源，通过一个10和一个100的去耦电容连接到GND1上。QUOTE为isoPower电源，通过一个100和一个10的去耦电容连接到GND1上。为隔离电源输入，必须供外部连接到隔离电源输出上。注意区分GND1为逻辑侧地，GND2为总线侧地。由图可以看出，由于该芯片的集成度高，在提高CAN隔离接口可靠性的同时也缩小了电路板尺寸。图2-13CAN总线隔离接口电路Fig.2-13TheIsolationInterfaceCircuitOfCANBusCAN总线有两种工作状态：主动和被动，当CANH和CANL之间的差分电压大于0.9V时，CAN总线处在主动状态；当差分电压小于0.5V时，总线处于被动状态。支持两种工作模式：斜率控制模式和高速模式。为了减少电磁干扰EMI，本系统选择斜率控制模式，在QUOTE与CANGND之间接入斜率电阻。2.4供电电路2.4.1系统电源结构轻轨电车的电源制式非常复杂。25KV母线网压经过轻轨电车内主变压器降压后再经整流器整流、直—交—直变流器变换得到24V直流电压，用于为24V蓄电池充电。轻轨电车向整个门控系统提供经整流滤波后的24V直流电源，允许的波动范围为：16.8～30V。由于车内电磁环境非常复杂，干扰大，所以要对蓄电池组提供的直流电源进行处理，从而获得不同幅值的稳定电源对门控系统各模块进行供电。把输入电源分为两路，一路经过直流变换得到隔离稳定的24V直流电源，并作为各硬件电路的电压源。以此为基础，利用24V转5V的直流电压变换得到5V直流电源作为通信模块、电机驱动模块、USB接口、LED显示等模块的电源。利用5V转3.3V的直流电压变换得到3.3V直流电源作为控制芯片及其辅助电路、JTAG仿真器接口电路、RS-232串口等电路的电源。利用24V转12V的直流电压变换得到12V直流电源作为电磁铁驱动等电路的电压。另一路作为电机输入电源。因为直流变换的输出功率有限，提供不了稳定的24V直流电源给电机，所以输入电源直接给电机供电。电源供电模块的结构框图如图2-14所示。图2-14电源模块结构框图Fig.2-14TheStructureDiagramOfPowerMoudle2.4.2电源转换电路列车内24V直流电源经整流滤波后提供给轻轨自动门控制系统。在整个门控系统中，STM32微控制器的额定电压是3.3V，外设电磁铁的额定电压是12V，RS232串行接口电路中需要5V电源，所以必须在电源转换电路中设计24V转5V、12V和5V转3.3V的电源转换模块。直流24V到5V的转换电路采用了WD6-24S05E7型DC-DC电源模块，输入电压范围为18～36V,输出电压为5V，输出电流为1200mA。WD6-24S05E7输出与输入高度隔离，内部具有短路保护，转换效率82%，外部电路简单。电源转换电路如图2-15所示。图2-1524V转5V电路Fig.2-15TheCircuitOf24VTo5V直流5V到3.3V的电源转换电路采用了LM1117-3.3V三端线性稳压芯片，输入电压范围4.75～10V，输出电流可达800mA，内部电路含有1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。内部提供热保护，输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性，电路结构如图2-16所示。图2-165V转3.3V电路Fig.2-16TheCircuitOf5VTo3.3V直流24V到12V的电源转换电路采用了单片集成的降压型LM2596-12开关电压调节器。其输出电流最大为3A,工作频率高达150KHz。封装形式为单列5脚贴片封装，添加4个外部元件就可以使用该电压调节器，这大大地简化了电源转换电路设计[54]。它可以用仅80的待机电流实现外部断电，同时具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路），典型电路结构如图2-17所示。图2-1724V转12V电路Fig.2-17TheCircuitOf24VTo12V图2-17中引脚为24V直流电压输入端；引脚是开关管发射极开路输出端，也是直流电压输出端；引脚是输入输出公共端，即接地端；引脚是稳压取样电压输入端，与输出端直接相连，通过IC内部分压网络监控输出电压的大小；引脚是使能控制端，在实际使用中，该脚一般接地或者通过外接元件置于低于1.23V的电压上。电感L7的选择主要由最大负载电流和输入电压两个参数决定。通过公式2-3可计算出电感电压与微秒的乘积： (2-3)其中，是开关饱和电压，取值为1.16V；是二极管正向导通压降，一般为0.5V。对于+12V的直流电源，输入电压约为24V，计算出为38.7QUOTE。最大负载电流约为1A，通过查询LM2596-12的数据手册得到电感L的数值为100。整流器内部开关关闭时需要一个吸纳二极管为电感上的电流提供回路。吸纳二极管必须是快恢复二极管，并且靠近LM2596开关整流器，因此二极管的管脚要短。由于所需的二极管正向压降低、开关速度快，肖特基二极管是首选，超快恢复或高效整流二极管也可以得到很好的控制效果。2.5电机驱动电路2.5.1直流无刷电机基本结构轻轨电车自动门的运行是由电机拖动来完成的，因此对自动门的控制实质是对电机的控制。由于直流电机调速性能优越，能实现平滑调速，并且控制电路简单，因此长久以来一直被使用在对启动和调速有较高要求的场合。但是由于直流电机换向器和电刷的存在，使得有刷电机换向困难，可靠性差，结构复杂，易产生电磁干扰，经常需要维护[55]。步进电机虽然具有优秀的启停和反转性能、较宽的调速范围，但难以获得较大的转矩，如果控制不当容易产生共振。因此本系统选用运行声音小、无火花、寿命长、速度高的直流无刷电机作为自动门的驱动电机。直流无刷电机由电机本体、电子换向电路和位置测算机构三部分构成。普通直流电机把电枢安装在转子上，定子用来产生恒定的磁场，通过电刷和换向器来不断改变电枢绕组中电流的方向，确保两个磁场的方向始终保持互相垂直，产生的恒定转矩驱动电动机转子旋转，从而实现直流电机的转动。直流无刷电机把电枢放在定子上，转子由永磁体构成，为了让电枢电流在不同磁极下换向使得电机转子能转动，无刷直流电动机通过使转子位置传感器把检测和获得的绕组间的相对位置信息传送给电子换向电路进行相应的换向控制[56]，直流无刷电机的基本组成结构如图2-18所示。图2-18直流无刷电机基本结构Fig.2-18TheBasicStructureOfBrushlessDCMotors本门控系统选用上海硅力科技有限公57BLM3A72-02-24V-3500R-147W型三相直流无刷电机来拖动轻轨电车自动门的运行。57BLM3A147型三相直流电机的铭牌参数：额定电压：24VDC额定电流：7.8A额定转矩：0.4N·m额定转速：3500rpm额定功率：147W减速比：1:102.5.2电机驱动电路门控系统采用ZKS008N-10A-24V驱动系统作为电机驱动器，实现对三相直流无刷电机转速的控制。ZKS008N型电机驱动器采用超大规模硬件集成电路，具有高度抗干扰性和快速响应的特性，采用步进脉冲（CLK+DIR）的控制模式，脉冲的频率对应于电机的转速，脉冲的个数对应于电机转过的位移。ARM控制器输出电机控制信号到电机驱动电路中，驱动器内部的脉冲编码电路对其进行编码，产生电机控制时序，后经放大电路进而控制电机运转。驱动器具有过流/过载/过热/保护、上电/故障指示、速度和故障输出等功能，外观如图2-19所示。ZKS008N驱动器的控制信号有六个：CLK+、CLK-、DIR+、DIR-、ENA+和ENA-信号，详细功能及作用如表2-4所示。电机驱动器接线如图2-20所示。图2-19电机驱动器外观Fig.2-19TheAppearanceOfMotorDriver表2-4驱动器控制信号的接线说明Tab.2-4TheWiringInstructionsOfDriveControlSignal名称功能说明CLK+脉冲给定脉冲频率CLK-DIR+方向控制悬空正转DIR-ENA+启停控制悬空运转ENA-图2-20电机驱动器接线说明Fig.2-19TheWiringInstructionsOfMotorDrive本驱动器采用ASCII码指令与计算机通讯。ASCII码指令的构成：发送端：指令+（参数）+0x0D回应端：#+数据+0x0D+0x0A指令：仅使用字母的字符串；参数：指令后为ASCII码数字，有些指令后面无参数；结束符：发送端以0x0D（回车）结束，回应端以0x0D，0x0A（换行）结束；字符不分大小写；带有参数的指令如省略参数，则把参数识别为0；如果指令错误或参数超出规定的范围，则驱动器将返回ERR+‘d’。d的取值范围为：0～9，其中’1’表示数值范围错误，’2’表示无效指令，’3’表示当前位置不在位置范围之内，’4’表示设定速度超过最大速度限制(RS232速控模式)。本电机驱动器内部采用PID控制又称比例、微分、积分控制，是工业生产中最常用的控制方式之一。控制原理为：根据系统事先的输入值和实际输出值计算出系统偏差，然后将偏差通过比例、微分、积分环节进行运算得到控制量，最后根据控制量控制被控对象[57]。其结构如图2-21所示。图2-21PID控制系统结构图Fig.2-21TheStructureDiagramOfPIDControlSystem其中，为系统输入值，为系统输出值，为系统输出值与输入值之间的偏差，即，将偏差经过比例、积分和微分三个环节作用并对结果求和，从而得到PID调节器的控制输出[58]。PID控制的表达式如下： (2-4)其中，为比例环节系数、为积分环节系数、为微分环节系数；为第次采样时刻输入的偏差值；为采样序号；为系统采样时间。PID控制器各校正环节作用如下：(1)比例环节即时成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分环节的作用强弱主要取决于积分系数，越小，积分作用越强，反之则越弱。(3)微分环节主要用于反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，能够在偏差信号变化速率太大之前，在控制系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间[59]。通过现场测试确定PID调节器的三个参数值。2.6本章小结本章论述了轻轨电车自动门控制系统的工作原理及硬件组成。该门控系统采用了意法半导体公司的STM32F107VCT6作为CPU芯片，上海硅力科技有限公司的57BLM3A72-02-24V-3500R-147W型三相直流无刷电机作为控制电机。门控系统根据司机控制室传来的控制命令,对电机进行控制，从而实现自动门的各种状态转换。本章详细描述了硬件系统的总体架构，在充分考虑电磁干扰的影响下，对隔离电路，EEPROM扩展电路，LJ245双向收发电路，总线接口电路等进行了硬件设计。3自动门的运行控制STM32F107微控制器对直流无刷电机有三个控制信号：MCLK-、MDIR-、MENA-。MCLK-是微控制器对电机的脉冲给定信号，MDIR-是电机正反转控制信号，MENA-是电机启停控制信号。直流无刷电机每旋转一周，电机驱动器中的LCKout向微控制器发送6个脉冲。微控制器通过内部定时器对驱动器发送的脉冲进行计数，根据计数结果从而判断自动门在运行过程中各个时刻所处的位置。直流无刷电机采用脉冲控制模式。微控制器通过内部定时器生成单脉冲模式输出，电机驱动器接收到脉冲给定信号MCLK-，进而设置电机的转速。根据电机驱动器说明书中相关参数，分析直流无刷电机的运行特性，得到微控制器给定脉冲频率与电机转速之间关系如图3-1所示。图3-1给定脉冲频率与电机转速对应关系Fig.3-1TheCorrespondingRelationshipBetween

TheGiven

PulseFrequency

AndMotorSpeed从图中可以看出，在一定范围内，微控制器的给定脉冲频率与电机的转速满足式(3-1)所示的线性关系。 (3-1)当微控制器给定电机的脉冲频率为时，电机的转速为最低速；当脉冲频率为时，电机的转速为最高。在较慢的给定频率下，由于减速机构的作用使得电机的扭力不足以拖动自动门运行。3.1自动门的门速控制要求轻轨电车自动门控制系统中，自动门的开关门时间为：3±0.5s。自动门在整个运动过程中的速度是不是均匀的。门刚启动时，由于要克服门体重量、机械摩擦等外界阻力，因此要求电机的启动力矩要大。为获得较大启动力矩，启动阶段电机的初速度要小，然后快速加速至高速。中间过程，自动门保持高速匀速。为了避免过大的机械冲击，在自动门运动到全行程末端处进行减速。在自动门正常开/关门过程中，电机有四个运动过程，分别为：加速，高速匀速，减速，低速匀速。加速阶段要求启动平稳并且超调量小；高速匀速阶段要求速度保持恒定；减速阶段要求响应迅速；低速匀速阶段要求速度恒定并能快速制动。自动门的运行曲线如图3-2所示。图3-2自动门的门速曲线Fig.3-2TheSpeedCurve0fAutomaticDoor其中直流电机在启动阶段以的初速度加速至最大速度，在高速匀速阶段保持最大速度，进入减速阶段后开始减速至，最终以此速度运行到终点。3.2自动门的门速曲线拟合假设轻轨自动门总宽度对应的脉冲数为，设定加速段和减速段均为全程的5%，低速保持距离为全程的2%，高速匀速段则为88%。门控系统中，由于电机的运行速度与给定脉冲频率成正比，因此可用脉冲频率表示电机运行速度，采用余弦函数曲线近似拟合自动门的位移脉冲与速度给定频率之间的函数关系，其数学表达式为 (3-2)其中，QUOTE为与电机转速成正比的微控制器脉冲给定频率，是开/关门过程中的最大给定频率，同时也是高速匀速阶段微控制器的给定频率，为自动门相对开/关门起始处的位移脉冲。至段为加速阶段，至段为高速匀速阶段，至段为减速阶段，至段为低速匀速阶段。自动门控制系统以门速曲线为依据，根据门宽自学习程序中获得的门宽参数，计算开门、关门时不同位置处微控制器的给定脉冲频率。3.3自动门的防挤压功能自动门的防挤压功能要求：在车门关闭过程中，如果车门关闭受阻，为了确保人和物品的安全，自动门重新打开一定距离，延时一段时间后再次进行关门。如果达到最大回退次数，自动门仍然无法关闭，车门将回退至起始位置处，直至故障解除，等待重新关门命令。防挤压功能的实现方式根据受挤压信号的来源，电控自动塞拉门的防挤压功能实现主要有四种方式：①气路压力变化式。通过压力开关检测气缸中的气压来判别是否遇到障碍物。该控制原理简单、成本低、结构精巧、易于维护，但反映不够灵敏，气源压力波动过大时易产生误动作。②门缘压力变化式。在关门过程中，如果遇到障碍物，门前缘密封胶条受到挤压导致内腔容积变小，顶起微型压力开关内的膜片，发出电信号给门控器，从而实现防挤压功能。该控制方式动作灵敏、原理新颖、性能可靠，但是密封胶条容易老化、破损从而导致漏气、挤压力变大等。③机械运动障碍式。通过电感式传感器发出的脉冲超过系统设定值来判别关门速度发生改变，进而实现防挤压功能。该控制方式动作灵敏、调试方便