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摘要：为保证城市轨道交通系统安全平稳运行，保障乘客的生命财产安全，90%以上的轨道交通站台都安装了站台屏蔽门系统。对地铁安全门驱动控制器，提出了一种电机控制软件构架。该构架以嵌入式操作系统为基础调度各控制任务，将控制任务分为高优先级任务和低优先级任务。在该控制构架基础上，完成了地铁安全门驱动控制器的软件系统，并在样机上进行了应用测试，该电机控制软件构架运行稳定，能够满足现场应用的需求。
关键词：地铁安全门；控制构架；驱动控制器
地铁安全门是地铁环控系统的重要部件，可以保证乘客的安全，降低列车噪声对车站环境的影响，为乘客提供舒适的乘车环境。地铁安全门控制系统是一个集机械、电子、通信、控制为一体的复杂控制系统，对于系统的可靠性和电磁兼容性等方面要求非常严格。在地铁安全门控制系统中，门控单元（DCU）为其核心部件。DCU主要包括逻辑控制单元、电机驱动控制器、直流电机、接口单元以及相关软件等。其中，电机驱动控制器是整个D C U的重要组成部分，它根据接收到的控制命令驱动电机进行开关门操作，同时通过总线反馈安全门的运行状态。电机驱动控制器的控制好坏直接影响安全门运行的平稳性和安全性。
一、电机控制软件构架
电机控制软件构架由嵌入式操作系统为基础调度各控制任务。各控制任务分为高优先级任务和低优先级任务。驱动控制任务为高优先级任务，驱动控制任务采用层次处理方式，包括应用层、算法层和驱动层。应用层位于最高层，主要与电机的运行需求相关。在应用层中，可设定电机的运行圈数、运转方向、运行速度曲线、遇阻电流阈值等相关参数。算法层直接与控制算法相关，采用何种控制算法及其全部软件编程均在该层中实现。驱动层位于最底层，直接与微处理器和电机相关。驱动层接收算法层的计算结果，改写微处理器中控制脉宽调制占空比的寄存器，控制电机的转速和转向；同时驱动层直接针对控制对象，根据不同种类的电机，采用不同的控制方式。低优先级任务包括故障监控、更新系统状态字、串口收发处理、CAN收发处理以及其他任务。
根据电机控制软件构架，开发了基于16位微处理器dsPIC30F6010A的全数字直流有刷电机驱动控制系统。该驱动控制系统的软件采用定时器T1定时1ms作为系统时基。主程序分时间片循环调用各个任务。高优先级任务每1ms执行1次，主要工作是驱动控制程序的运行。由于高优先级任务对时间响应要求高，因此，放在T1中断程序中完成。低优先级任务每100m s执行1次，主要完成的工作有：故障监控、更新系统状态字、与上位机通信等。通过上位机可实现运动曲线参数的设置、运行状态、故障信息的监控以及数据示波显示等功能。低优先级任务对于时间响应要求不高，因此，放在主程序中完成。
二、驱动控制任务的分层设计
1、应用层设计。安全门在开关门运动过程中，都要经历加速段、高速段、减速段、慢速度阶段，而且一般开门运动速度比关门运动速度快。在应用层程序中，通过设定开关门运行的最高速度vm，最低速度vl，加速时间ta，匀速时间tb，减速时间tc变量来控制速度曲线。在程序中开辟出一块存储区域，存储多组速度曲线，方便用户调用。同时针对关键技术指标，如开关门启动时间差等，还可以在上位机中对个别门的运动参数进行细调，这样的方式更有利于现場调试。
在应用层中， 还可以设定开关门的遇阻参数，包括门体夹紧阈值、遇阻后退距离、重关门次数等。另外，与电机配置相关的参数也是在应用层中设定的，这些参数包括：电机减速机传动比、带轮直径以及编码器分辨率等。
2、算法层设计。为提高控制精度，保证安全门运行的平稳性，系统采用了双闭环控制算法：外环速度环、内环电流环。实际运行中，在电机启动、停车或大幅度增减设定值时，短时间内系统会产生很大的偏差，在积分环节的作用下，可能造成强烈的积分饱和作用，使系统振荡，因此，在速度环和电流环中采用了积分饱和限幅的控制算法。速度环的控制周期为1m s。电流环是在模拟/数字（A/D）转换中断程序中运行的，程序设定为PWM信号进入1次A/D转换中断，PWM频率设定为16 kHz，因此，电流环的控制周期为125 μs。
3、驱动层设计。驱动方式采用H 桥单极可逆PWM驱动，它由开关管和续流二极管组成， 单电源供电。当电动机正转时，V1开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V2开关管则受PWM反相信号控制，V3保持常闭，V4保持常开。当电机反转时，V3开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V4开关管则受PWM反相信号控制，V1保持常闭，V2保持常开。单极性可逆PWM驱动可以实现电机象限运动，是一种应用非常广泛的驱动方式。
在驱动层中， 设置单片机输出PWM波，其中PWM 1H、PWM1L 为互补输出， PWM 2H 和PWM 2L 为互补输出。两路互补PWM脉冲死区时间设置为3μs。程序运行过程中，根据算法层的运算结果，刷新PWM占空比寄存器PD C1和PD C2，来改变电机的运算速度。单片机正交编码器接口采集电机编码器信号，计算电机的转速。采用霍尔电流传感器采集母线电流，然后送入单片机的A/D转换接口进行采集计算。
4、试验与分析。实验采用的设备：全高门样机2扇门总重150kg；电机采用120W直流有刷电机，额定电压24V，额定电流4.9A，额定转速3350 r/min，编码器线数500；减速机减速比15：1，带轮直径50mm，传动方式为同步带传动。
根据轨道交通安全门的招标需求，每扇滑动门最大运行速度时具有的动能不应超过10 J。关门过程中， 最后100mm行程为慢速爬行区，动能不应超过1 J。根据该需求，计算得安全门运行最高速度为520 mm/s，安全门慢速爬行区最高速度为160 mm/s。考虑到安全裕量，试验中设定安全门运行最高速度为420 m m/s，慢速爬行区速度为100 mm/s。调试过程中，需反复调整各运行段的PI参数值，使安全门达到最好的运行状态。
该电机控制软件构架运行稳定，能够支持系统中各控制任务快速、高效地调度与交互。在该构架基础上完成的驱动控制系统，实测开关门速度曲线与预先设定的速度曲线基本一致，稳态误差小，不存在震荡现象。超调量小，响应速度快，动态性能好，具有良好的抗干扰性。同时，该软件构架针对用户需求变更或外部硬件环境的改变，又具有良好的复用性和扩展性，大大降低了编程人员的工作量。
参考文献：
[1] 阚庭明，王富章，.城市轨道交通站台安全门系统门控制单元设计[J]. 制造业自动化， 2012（23）.
[2] 仇维斌，欧红香. 一种基于TMS320LF2407A的地铁屏蔽门门机控制器设计[J]. 微电机，2012（9）.
[3] 王晓明. 电动机的DSC控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.
（作者单位：沈阳地铁集团有限公司运营分公司）
关键词：地铁安全门；控制构架；驱动控制器
地铁安全门是地铁环控系统的重要部件，可以保证乘客的安全，降低列车噪声对车站环境的影响，为乘客提供舒适的乘车环境。地铁安全门控制系统是一个集机械、电子、通信、控制为一体的复杂控制系统，对于系统的可靠性和电磁兼容性等方面要求非常严格。在地铁安全门控制系统中，门控单元（DCU）为其核心部件。DCU主要包括逻辑控制单元、电机驱动控制器、直流电机、接口单元以及相关软件等。其中，电机驱动控制器是整个D C U的重要组成部分，它根据接收到的控制命令驱动电机进行开关门操作，同时通过总线反馈安全门的运行状态。电机驱动控制器的控制好坏直接影响安全门运行的平稳性和安全性。
一、电机控制软件构架
电机控制软件构架由嵌入式操作系统为基础调度各控制任务。各控制任务分为高优先级任务和低优先级任务。驱动控制任务为高优先级任务，驱动控制任务采用层次处理方式，包括应用层、算法层和驱动层。应用层位于最高层，主要与电机的运行需求相关。在应用层中，可设定电机的运行圈数、运转方向、运行速度曲线、遇阻电流阈值等相关参数。算法层直接与控制算法相关，采用何种控制算法及其全部软件编程均在该层中实现。驱动层位于最底层，直接与微处理器和电机相关。驱动层接收算法层的计算结果，改写微处理器中控制脉宽调制占空比的寄存器，控制电机的转速和转向；同时驱动层直接针对控制对象，根据不同种类的电机，采用不同的控制方式。低优先级任务包括故障监控、更新系统状态字、串口收发处理、CAN收发处理以及其他任务。
根据电机控制软件构架，开发了基于16位微处理器dsPIC30F6010A的全数字直流有刷电机驱动控制系统。该驱动控制系统的软件采用定时器T1定时1ms作为系统时基。主程序分时间片循环调用各个任务。高优先级任务每1ms执行1次，主要工作是驱动控制程序的运行。由于高优先级任务对时间响应要求高，因此，放在T1中断程序中完成。低优先级任务每100m s执行1次，主要完成的工作有：故障监控、更新系统状态字、与上位机通信等。通过上位机可实现运动曲线参数的设置、运行状态、故障信息的监控以及数据示波显示等功能。低优先级任务对于时间响应要求不高，因此，放在主程序中完成。
二、驱动控制任务的分层设计
1、应用层设计。安全门在开关门运动过程中，都要经历加速段、高速段、减速段、慢速度阶段，而且一般开门运动速度比关门运动速度快。在应用层程序中，通过设定开关门运行的最高速度vm，最低速度vl，加速时间ta，匀速时间tb，减速时间tc变量来控制速度曲线。在程序中开辟出一块存储区域，存储多组速度曲线，方便用户调用。同时针对关键技术指标，如开关门启动时间差等，还可以在上位机中对个别门的运动参数进行细调，这样的方式更有利于现場调试。
在应用层中， 还可以设定开关门的遇阻参数，包括门体夹紧阈值、遇阻后退距离、重关门次数等。另外，与电机配置相关的参数也是在应用层中设定的，这些参数包括：电机减速机传动比、带轮直径以及编码器分辨率等。
2、算法层设计。为提高控制精度，保证安全门运行的平稳性，系统采用了双闭环控制算法：外环速度环、内环电流环。实际运行中，在电机启动、停车或大幅度增减设定值时，短时间内系统会产生很大的偏差，在积分环节的作用下，可能造成强烈的积分饱和作用，使系统振荡，因此，在速度环和电流环中采用了积分饱和限幅的控制算法。速度环的控制周期为1m s。电流环是在模拟/数字（A/D）转换中断程序中运行的，程序设定为PWM信号进入1次A/D转换中断，PWM频率设定为16 kHz，因此，电流环的控制周期为125 μs。
3、驱动层设计。驱动方式采用H 桥单极可逆PWM驱动，它由开关管和续流二极管组成， 单电源供电。当电动机正转时，V1开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V2开关管则受PWM反相信号控制，V3保持常闭，V4保持常开。当电机反转时，V3开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V4开关管则受PWM反相信号控制，V1保持常闭，V2保持常开。单极性可逆PWM驱动可以实现电机象限运动，是一种应用非常广泛的驱动方式。
在驱动层中， 设置单片机输出PWM波，其中PWM 1H、PWM1L 为互补输出， PWM 2H 和PWM 2L 为互补输出。两路互补PWM脉冲死区时间设置为3μs。程序运行过程中，根据算法层的运算结果，刷新PWM占空比寄存器PD C1和PD C2，来改变电机的运算速度。单片机正交编码器接口采集电机编码器信号，计算电机的转速。采用霍尔电流传感器采集母线电流，然后送入单片机的A/D转换接口进行采集计算。
4、试验与分析。实验采用的设备：全高门样机2扇门总重150kg；电机采用120W直流有刷电机，额定电压24V，额定电流4.9A，额定转速3350 r/min，编码器线数500；减速机减速比15：1，带轮直径50mm，传动方式为同步带传动。
根据轨道交通安全门的招标需求，每扇滑动门最大运行速度时具有的动能不应超过10 J。关门过程中， 最后100mm行程为慢速爬行区，动能不应超过1 J。根据该需求，计算得安全门运行最高速度为520 mm/s，安全门慢速爬行区最高速度为160 mm/s。考虑到安全裕量，试验中设定安全门运行最高速度为420 m m/s，慢速爬行区速度为100 mm/s。调试过程中，需反复调整各运行段的PI参数值，使安全门达到最好的运行状态。
该电机控制软件构架运行稳定，能够支持系统中各控制任务快速、高效地调度与交互。在该构架基础上完成的驱动控制系统，实测开关门速度曲线与预先设定的速度曲线基本一致，稳态误差小，不存在震荡现象。超调量小，响应速度快，动态性能好，具有良好的抗干扰性。同时，该软件构架针对用户需求变更或外部硬件环境的改变，又具有良好的复用性和扩展性，大大降低了编程人员的工作量。
参考文献：
[1] 阚庭明，王富章，.城市轨道交通站台安全门系统门控制单元设计[J]. 制造业自动化， 2012（23）.
[2] 仇维斌，欧红香. 一种基于TMS320LF2407A的地铁屏蔽门门机控制器设计[J]. 微电机，2012（9）.
[3] 王晓明. 电动机的DSC控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.
（作者单位：沈阳地铁集团有限公司运营分公司）