新型列車自動門的開發(fā)

新型列車自動門的開發(fā)

1自動門替代傳統(tǒng)策略隨著近年來鐵路客運量的增加，人們對鐵路本身的要求也有所增加。作為列車車的最大可用部分，也是與游客最密切相關的部分。鑒于其巨大的挑戰(zhàn)，自動駕駛有一種比傳統(tǒng)手動駕駛更直接的趨勢。目前,國內各個列車制造廠商都在積極進行產(chǎn)品研發(fā),并相繼有新產(chǎn)品投產(chǎn)。這里,我們簡要介紹一種新的列車自動門技術。2自動關關自動我們的控制要求是:按下開門按紐,門自動打開。開門速度控制在710mm行程上3.5±0.5秒完成。開門過程中門若受阻擋,應立即停止,1-2秒后繼續(xù)開門,直至完全打開。門開到最大位置,延遲10±0.5秒后自動關門。關門速度為滿行程上6.5±0.5秒內完成。關門過程中若受到阻擋,且門所處的位置小于滿行程的98%時應立即開門,并再次延時10±0.5秒后自動關門。門運行至滿行程的80%時,自動減至原速度的一半繼續(xù)運行。在門完全關閉或完全開啟時,若有外力拉動門扇,其行程大于等于滿行程的5%時,門應做出相應的開啟或關閉動作。3系統(tǒng)原理3.1程序存儲、顯示系統(tǒng)和程序電路本設計的單片機采用美國Microchip公司的PIC16F877,這是一款堪稱中檔型里功能最強的單片機。它具有高性能RISC的CPU,僅有35條單字指令,除地址分支指令為兩個周期外,其余均為單周期指令,運行速度較快。內置8k×14bit的程序寄存器,368×8bit的數(shù)據(jù)存儲器和256×8bit的E2PROM,存儲容量大。外圍有22個高達25mA驅動電流的I/O口,8路模擬量輸入的10位A/D轉換器,3個定時計數(shù)器,14個中斷源,具有看門狗定時器,CCP模塊等功能部件,同時支持多種串、并行通訊方式,功能十分齊全,功耗也比較低,性價比非常高,與其它產(chǎn)品相比,在譬如高驅動電流I/O口等方面更適合我們的要求。驅動電機我們采用德國阿爾卡特公司生產(chǎn)的BG62X30無刷電機,為了降低設計難度,提高產(chǎn)品的可靠性,我們不采用單片機直接驅動電機工作的方式,而是由美國安森美公司開發(fā)的高性能第二代單元無刷直流電機控制芯片MC33035作為控制器,與配套的MC33039一起,實現(xiàn)電機轉速的閉環(huán)控制,其結構如圖1所示。3.2防擠壓功能實現(xiàn)列車自動門的防擠壓功能一般可以通過力傳感器對單片機動作來實現(xiàn),但這種設計需要額外的硬件,結構比較復雜,成本也相對較高,這里不準備采用。我們知道,在對電機轉速閉環(huán)控制的條件下,關門過程中遇到障礙物時,電機速度降低,驅動電流會增大,控制器就可以利用這點來判別門是否受到阻擋。這時,防擠壓程度可以通過電機的驅動電流變化程度來反映,這樣,我們就可以設置一個閥值,當電流變化超過這一設定值時,門控器發(fā)出信號,電機由正轉變?yōu)榉崔D,門即由關門動作轉為開門,防擠壓功能實現(xiàn)。這樣的設計雖然略微增加了軟件部分的工作量,但避免了硬件方案的缺點,是可行的。3.3轉速脈沖計數(shù)的確定我們沒有采用任何傳感器來確定門的具體位置,而是由無刷直流電機正反轉以及控制器對轉速脈沖的計數(shù)來確定門的具體位移,判別它是否位于滿行程的80%、98%或是移動了滿行程的5%。我們可以知道一個脈沖作用內門的行程值,就可以知道一個滿行程需要多少脈沖,這種通過計數(shù)脈沖確定門的行程位置的方法實際證明是有效的。4系統(tǒng)設計4.1自動門控制器硬件設計是所有系統(tǒng)設計的基礎,它由以下幾部分組成:(1)控制器單元;(2)無刷直流電機驅動單元;(3)狀態(tài)指示單元;(4)操作單元;(5)供電單元。這里我們只重點介紹系統(tǒng)的核心部分——自動門的控制器,其框圖如圖2所示。控制器單元實現(xiàn)開、關門操作、關門防擠壓、80%減速、98%減速、運動方向識別、運動故障檢測及報警、驅動無刷電機等功能。圖2中的RS232接口主要用于單片機的在線編程。與上位機通訊采用的是目前列車上運用較廣的MODBUS_RTU通訊協(xié)議,并在此基礎上增加了LANWORKS通訊功能,以適應電氣產(chǎn)品網(wǎng)絡化的發(fā)展要求。為了避免不必要的誤操作,我們在導軌兩端各安置了一個開關,當門關閉或完全開啟時,可以通過門扇上的隔離鎖帶動開關將車門鎖閉,防止意外發(fā)生。4.2系統(tǒng)總體流程圖軟件部分我們采用匯編語言編寫,由初始化、自檢、控制、ISP、通訊等各個模塊組成。值得一提的是,程序中各I/O口應使用宏定義的方式聲明,以方便日后修改、調試。這里限于篇幅,不給出具體的程序代碼,僅給出軟件流程圖,它足以反映系統(tǒng)軟件部分的工作過程與設計思想。系統(tǒng)總體流程圖如圖3所示。其中,記數(shù)模塊通過記數(shù)電機脈沖,記錄關門時的受阻位置,若與上一次受阻位置相同,則記數(shù)器加一,否則清零,這是故障報警功能實現(xiàn)中的一部分。自檢功能對于系統(tǒng)來說至關重要,它可以讓我們提前發(fā)現(xiàn)問題,避免不必要的損失,防患于未然。自檢程序流程圖如圖4所示。其中,Umax為自動門不受阻力時電機的最大電壓,根據(jù)實際情況及經(jīng)驗,其對應的最大壓力一般不超過100N。4.3干擾和故障記錄設計4.3.1系統(tǒng)的安全性設計以上簡要闡述了自動門的軟、硬件設計。然而我們的工作并沒有結束,系統(tǒng)能否在運行過程中安全無誤地實現(xiàn)控制功能才是系統(tǒng)設計成功的標志。由于實際工作環(huán)境中存在各式各樣的干擾,這些干擾對自動門的可靠運行會產(chǎn)生不利的影響,甚至會造成整個系統(tǒng)的癱瘓而無法運行,導致嚴重事故的發(fā)生?？梢?控制系統(tǒng)的抗干擾設計在整個系統(tǒng)設計中占有舉足輕重的地位,馬虎不得,下面我們從硬件和軟件兩方面同時著手解決這個問題。硬件抗干擾方面我們加強了互相影響的各模塊之間的隔離,這點在圖1和圖2中均有體現(xiàn),另外在設計電路時也充分考慮了各種影響,這些都是最基本的,這里不再詳細敘述。盡管在硬件設計中采取了一定的防范措施,但強烈的干擾和偶然出現(xiàn)的因素還是會影響我們的系統(tǒng),弄亂程序中正常的PC值、破壞RAM中的數(shù)據(jù)等而使系統(tǒng)出錯,所以在軟件設計時還要采取額外的措施。干擾使PC指針出錯時表現(xiàn)為程序不能按預計的軌道執(zhí)行,造成程序進入死循環(huán)或將多字節(jié)指令拆散執(zhí)行等嚴重后果。針對這種情況,我們采取的措施首先是設置看門狗電路,這很容易理解,一旦程序沒有按照事先設計的軌道運行,并超過一定的時間限制,看門狗電路就會產(chǎn)生一個復位信號,強行讓單片機復位,使程序從頭再來,避免“死機”。還有就是在非程序區(qū)中設置“軟件陷阱”,當程序彈飛到軟件陷阱中時,程序將自動執(zhí)行事先編寫好的干擾處理復位子程序,將程序重新納入正常軌道。還需要注意的是,在編程時我們應該在多字節(jié)指令間盡可能插入2條NOP指令,這樣就可以保護NOP指令后的多字節(jié)指令不被拆散執(zhí)行。當然,最好還是多使用單字節(jié)指令來編寫我們的程序。4.3.2led燈控制器設計再完善的系統(tǒng)由于各種軟、硬件自身原因或是疲勞失修總會發(fā)生故障,如果不讓工作人員第一時間內得知,后果不堪設想,這時故障報警系統(tǒng)就顯得十分必要,它是系統(tǒng)不可或缺的一部分。在設計中,我們采用單片機驅動兩片74HC595來控制一組LED燈,通過顯示不同的信號來指明故障原因,提高檢修人員的工作效率和速度。顯示的錯誤診斷代碼如表1所示。5自動門系統(tǒng)的應用前景展望總之,列車自動門的設計比較復雜,需要軟、硬件等各個方面綜合起來考慮。自動門作為新型列車門發(fā)展的趨勢,憑借其較之傳統(tǒng)手動門的強大優(yōu)勢,應用前景一片光明。實踐證明,我們設計的