第2章 自动门控制系统构成及控制原理 不同控制系统的结构组成和控制原理是不同的，本章从动车组自动门控制系统功能性的角度出发，介绍控制系统的构成和控制策略，为系统的整体设计做好准备。

2.1系统构成系统主要由电源单元、控制单元和驱动单元组成，总体结构如图2.1所示。

图2.1 系统框图2.1.1动车组电源制式及自动门控制系统的电源结构各种型号动车组电源系统的制式非常复杂，其辅助电源是沿袭机车牵引客车的辅助电源设计的，25KV网压经动车组主变压器降压，通过二次侧辅助绕组输出790V交流电压，再经整流器整流得到600V直流电压，然后分四路输出[12]。

1. 110V直流电压。

由600V直流电压经直-交-直变流器变换后得到，供动车组控制电路用。

2. 380V/50Hz交流电压。

由600V直流电压经逆变器变换后得到，供各辅助电机用。

3. 220V/50Hz交流电压。

由380V/50Hz交流电压经变压器降压后得到，供单相电源用。

4. 24V直流电压。

动车组制动时由110V直流电压通过充电机为24V蓄电池充电后得到，用于自动门控制系统及其它24V电器供电。

动车运行时由110V直流电压通过动车组内部的变流器变换后得到，用于自动门控制系统及其它24V 电器供电。

动车组电源制式结构如图2.2所示。

图2.2 动车组电源制式结构动车组电源母线网压在19KV～29KV之间波动，而且车内有大量的牵引变压器，变流器、逆变器，电机等开关式功率器件和感性负载，使车内电磁环境异常复杂。

因此自动门控制系统必须对车内24V电压进行处理，以得到不同电压等级的稳定的直流电压，为自动门控制系统各功能模块供电。

动车组自动门控制系统所需要的直流电源是小功率电源，用到的电源有：1. 电桥电源。

由车内24V电源滤波后提供，允许波动范围为16.8～30V。

2. 光耦、控制面板的电源。

由门控器内DC/DC变换器产生的24V提供。

3. 数字信号控制器（DSC）及其他数字逻辑电路的电源。

由门控器内DC/DC 变换器产生的5V提供。

4. 数字信号控制器（DSC）内部AD转换器的基准电压。

由基准电压芯片产生的4.096V提供。

5. 电机驱动电路相关的逻辑电路和光电器件的电源。

由开关稳压模块产生的5V提供。

由以上分析可知，自动门控制系统的电源结构非常复杂，这些不同制式电压的稳定性和可靠性是整个控制系统正常工作的重要保证。

2.1.2控制单元组成对于应用在动车组的自动门控制系统的设计，国外通常是用可编程控制器和单片机作为系统的微处理器。

本文采用Microchip公司的数字信号控制器dsPIC30F5015作为控制核心，实现自动门系统的数字化控制。

系统控制单元主要由数字信号控制器(DSC)dsPIC30F5015及外围电路、隔离电路、行程限位检测电路、自动门防挤压电路以及转速与位置检测电路构成。

数字信号控制器dsPIC30F5015是系统的控制核心，通过检测控制按钮，限位开关、电源电压、负载电流、门运行速度和位置等信号，结合自动门当前的运动状态，产生对自动门各种运行方式的控制信号，同时利用本地显示电路显示当前控制系统工作模式或者故障信息。

隔离电路的作用是在自动门运行的过程中，出现特殊情况时，通过隔离电路可将功率驱动电路输入电压浮置，使电机脱离控制系统，自动门可以自由滑动。

自动门在运动的过程中，通过行程限位检测电路可以实现对自动门运行过程中一些固定位置的检测。

动车组的传动机构上设置了四个限位开关：分别是开门限位开关、关门限位开关、开门锁定限位开关、关门锁定限位开关。

开门限位开关，用于检测自动门是否处于打开位置，开门限位开关有一对常开触点和一对常闭触点，它们机械连接但电气分离：一对触点用于向列车安全回路传送信号；另一对触点向DSC发送“门开到位”信号，当某一对触点出现故障时，DSC收不到“门开到位”信息，系统将显示“车门故障”信息。

关门限位开关的作用与开门限位开关相同，只是检测“门关到位”的状态。

开门锁定限位开关用于检测车门处于开到最大并锁好位置，开门锁定限位开关具有与开门限位开关相同的特性，也是由一对常开触点和一对常闭触点组成。

当其被激活后，向控制系统发送车门已锁信号，同时向列车安全回路传送信号。

关门锁定限位开关与开门锁定限位开关作用相同，只是检测门是否关闭且锁好。

动车组自动门控制系统在工作的过程中必须保证乘客的安全。

在关门的过程中如果门道上存在障碍物或者有乘客通过时，不能强行关门，当达到一定挤压力时，系统必须控制电机反转将门重新打开，以防止将人夹伤或将物品夹坏，该功能称之为防挤压功能。

生产生活中自动门被应用在各种各样的场合，由于自动门具有智能化的特点，所以不论何种结构，何种控制方式的自动门一般都具有防挤压的功能，由于各种自动门应用场合的不同，其防挤压功能的实现方法也各有不同。

从障碍物检测的角度讲，主要有非接触式和接触式两种方式。

1. 非接触式，主要通过安装红外传感器的方式实现防挤压的功能，比如说一些电梯就是通过这类方法实现其防挤压功能的。

2. 接触式，主要是通过压力传感器或者气囊检测压力，还有就是通过霍尔传感器检测电流的方式来实现防挤压的功能，比如目前轻轨和地铁很多都是采用气囊检测突变压力的方式实现其防挤压功能的。

由于动车组自动门的特殊结构，不允许在门体上安装任何类型的传感器，否则将破坏自动门的整体结构，不能保证门在闭合时高度的气密性。

所以在动车组自动门防挤压功能的实现过程中，没有采用传感器，而是通过采样电机电枢电流的方式来实现防挤压功能的。

因为自动门在关门过程中如果遇到障碍物时，电机的负载转矩必然增大，电机电流也相应的增大，当电机电流超过系统设定值时，数字信号控制器将发出控制信号，实现自动门防挤压的功能。

自动门在运动的过程中，开、关门的速度是不同的，而且在门刚开启时和即将关闭时，门速是有缓冲的，这就需要精确的检测自动门在任意时刻的位置，使门速在加速点和减速点处改变。

另外，门运行在全行程的15%~85%这一阶段时，要求速度恒定，不能随路况环境的改变而改变(不同的路况环境下工作电压会有不同程度的波动，车体也会有不同程度的倾斜，环境的温度、湿度等也是不同的)，这就需要精确的检测电动机在任意时刻的转速进行反馈控制，所以转速和位置检测电路对系统能否正常工作起着至关重要的作用。

系统运行时，检测电路精确的检测这些物理量，然后将检测结果转换成数字量，反馈给数字信号控制器。

数字信号控制器对这些数据进行处理，处理的结果作为控制量对电动机进行反馈控制，从而构成闭环控制系统。

实现转速和位置测量的传感器很多，常用的有直流测速发电机和增量式光电编码器。

直流测速发电机是一种模拟测速装置，能够输出和电动机转速成比例的电信号，应用时必须经过A/D转换器转换成数字量才能和数字信号控制器接口，增量式光电编码器是一种数字传感器，它和数字信号控制器的接口电路简单。

另外增量式光电编码器是光学编码器，受电源和电子噪声的干扰小，而且体积小，安装方便，相对与直流测速发电机更适应于动车组的运行环境。

2.1.3驱动单元组成动车组自动门的驱动单元包括驱动电机和功率驱动电路。

车门的驱动要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性的特点。

在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的启动、制动和调速特性以及优异的动态性能，而且效率高，所以直到目前为止，在测控领域中直流电机仍然是大多数电机调速系统的最优选择。

随着永磁材料的发展，利用稀土材料制作的永磁式直流电动机其性能超过了电磁式直流电动机，目前已经被广泛的使用于机床进给驱动、工业机器人、计算机外围设备以及高精度伺服系统中。

这种直流电动机体积小，结构简单，具有效率高、带载能力强、机械特性硬、控制性能好、性能稳定、抗冲击等优点，非常适合动车组自动门控制系统的要求，所以本文选择了德国dunkermotoren公司的永磁直流电机GR63X55作为驱动设备。

从数字信号控制器内输出的PWM信号是TTL电平信号，不能直接驱动直流电机，必须通过半导体功率驱动电路对其进行功率变换后才能够驱动电机。

近年来随着新型半导体功率元器件的不断涌现和应用，直流电机的驱动方式发生了很大的变化，利用这些有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量，所以对于谐波成分大、功率因数差的相控变流器将逐步被斩波器或脉冲宽度调制(PWM)变流器所代替。

目前使用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(PWM)控制已成为一种常用的调速方式，所以在动车组自动门控制系统的设计中，采用了N-MOSFET管构成的电桥电路来驱动自动门。

2.2系统控制原理动车组自动门控制系统的功能可以这样概括：当乘客按下开门按键时，自动门快速打开，然后保持开门状态（保持时间由程序设定），开门保持状态结束后，自动门慢速关闭，如果在关门过程中遇到障碍物时，系统将控制自动门重新快速打开，然后保持开门状态，当开门保持状态结束后，自动门将重新慢速关闭。

从这个工作过程可以看出系统主要是围绕电机进行控制的。

2.2.1 电机PWM 调速原理直流电机的转速特性为：U IR n K −=Φ（2.1） 式中：U 为电枢电压，I 为电枢电流，R 为电枢回路总电阻，K 为电机结构参数，Φ为电机每极磁通量。

由式(2.1)可知，电机转速控制有三种方法：1. 改变电枢电压调速。

磁通和电枢回路总电阻不变，改变电动机的电枢电压U ，可以实现额定转速以下大范围平滑调速，机械特性硬，调压调速是目前直流调速系统采用的主要调速方案。

2. 弱磁调速。

保持电枢电压和回路总电阻不变，改变励磁磁通时，可以达到调速的目的，但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，调速范围小，一般不能超过2倍，否则特性变得很差。

另外，由于励磁线圈电感较大，动态响应差，所以这种方法实际中应用较少。

3. 改变串接于电枢回路中的附加电阻。

对于普通驱动系统的电动机，可在电枢回路串接电阻来实现调速，该方法理想空载转速不变，特性曲线斜率增加，以至于电枢电阻越大，特性越软，而且调速过程中能量损耗特别大。

所以这种方法实际应用中也是较少采用的。

通过以上分析比较，调压调速是最合适的。

为了获得可调的直流电压，利用功率开关元件的可控性和脉宽调制技术，将恒定直流电压，转换成幅值不变、频率不变，脉冲宽度可调的高频矩形波，给直流电机的电枢回路供电，构成PWM 调速系统，通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的平均电压，达到电机调速的目的[14~16]。

PWM 调速原理如图2.3所示。

图2.3 PWM 调速原理开关管V1加PWM 调制信号后，当t 在区间(0，t1)时，V1饱和导通，此时由于电源电压Us 大于电机的反电势E ，电流按指数规律上升，电机将电能转化为机械能，随着电流的增加，电枢电感储能()增加。