CN106014074B - 中国标准动车组车塞拉门控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中国标准动车组车塞拉门控制系统，解决了目前的电控塞拉门用气动进行控制时，容易造成很多误操作的结果，导致的体验低，不够智能化的技术问题。本发明包括：电子门控器单元、永磁无刷电机和门动机构；电子门控器单元通过永磁无刷电机控制门动机构；电子门控器单元包括主控芯片、FPGA单元、PWM单元以及霍尔传感器单元；主控芯片与FPGA单元、PWM单元、霍尔传感器单元通信连接；FPGA单元，用于获取外部输入信号，并传输至主控芯片，以及将主控芯片的控制信号输出至外部；PWM单元、霍尔传感器单元通过电机驱动电路与永磁无刷电机电性连接；PWM单元用于根据主控芯片的电信号驱动永磁无刷电机，霍尔传感器单元用于获取永磁无刷电机的当前位置。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种中国标准动车组车塞拉门控制系统。
背景技术
标准动车组上的塞拉门是安装在车体侧墙上的具有密封功能的客室侧门。在门的开启和关闭过程中，门扇沿着导轨运行；门关闭后与门框塞紧，门外侧与车体外侧平齐；门开启后门扇位于车体外侧。
常见的电控塞拉门由基架，门扇、驱动、操作、门锁、电控等部件组成，驱动部件中的气缸通过连杆机构、电控气动塞拉门内部、电控气动塞拉门内部与门扇、小车、脚踏板连接，门扇挂接在小车的滚轮上，门锁部件中的拨叉通过钢丝绳连接内外操作装置，电控部件中的电磁阀通过电路、气路系统连接驱动部件的气缸、门锁部件中的气缸、操作部件中的内外操作装置，具有使门的开启与关闭方便、省力、安全，能防止车门挤压旅客，还可实现全列车车门的集中控制和分别控制，使各车厢的车门开启与关闭自动化。
为了能够适应中国的高速铁路运营环境和条件，满足更为复杂多样、长距离、长时间、连续高速运行等需求，打造适合中国国情、路情的高速动车组的设计、制造平台，实现高速动车组技术全面的自主化，从2012年开始，在中国铁路总公司的主导之下，集合国内有关企业、高校、科研单位等优势力量，开展了中国标准动车组的相关研制工作。
目前动车组门控系统一直被国外厂商的门控器所独占，其采购和维护成本昂贵，因此亟需研发出我国自主的门控器系统。目前有的电控塞拉门用气动进行控制，容易造成很多误操作的结果，导致了体验低，不够智能化的技术问题。
发明内容
本发明公开了一种标准动车组车塞拉门控制系统，解决了目前的电控塞拉门均是用气动进行控制，容易造成很多误操作的结果，导致的体验低，不够智能化的技术问题。
本发明实施例提供了一种塞拉门控系统，其包括电子门控器单元、永磁无刷电机和门动机构；电子门控器单元通过永磁无刷电机控制门动机构；
所述电子门控器单元包括主控芯片、FPGA单元、PWM单元以及霍尔传感器单元；
主控芯片与FPGA单元、PWM单元、霍尔传感器单元通信连接；
其中，FPGA单元，用于获取外部输入信号，并传输至主控芯片，以及将主控芯片的控制信号输出至外部；
PWM单元、霍尔传感器单元通过电机驱动电路与永磁无刷电机电性连接；
PWM单元用于根据主控芯片的电信号驱动永磁无刷电机，霍尔传感器单元用于获取永磁无刷电机的当前位置。系统工作时，电子门控器单元采集门动机构控制信号，并根据采集的反馈信号获取门机构当前状态，以控制电机以及相关输出信号，保证门动机构正常工作。
进一步地，电子门控器单元还包括：
ETH总线，通过PHY单元与主控芯片电性连接，实现与以太网的通讯。
进一步地，电子门控器单元还包括：
AD采集单元，与主控芯片电性连接，用于采集系统电信息。
进一步地，电子门控器单元还包括：
内部数字量输入电路和内部数字量输出电路，与主控芯片电性连接；
内部数字量输入电路，用于采集永磁无刷电机的故障信号；
内部数字量输出电路，用于输出永磁无刷电机允许驱动的信号。
进一步地，电子门控器单元还包括：
系统指示灯单元，其与主控芯片电性连接，用于驱动所有塞拉门控系统的输入输出指示灯以及故障指示灯。
进一步地，电子门控器单元还包括：
数码管，其与主控芯片电性连接，用于驱动与电子门控器单元连接的LED数码管进行代码显示。
进一步地，电子门控器单元还包括：
FLASH存储器，其与主控芯片电性连接。
进一步地，PWM单元和霍尔传感器单元还与电机驱动电路连接。
进一步地，电子门控器单元还包括：
外部数字量输入电路和外部数字量输出电路，通过FPGA单元与主控芯片电性连接。
进一步地，电子门控器单元还包括：
运行指示灯，其与主控芯片电性连接。
进一步地，电子门控器单元还包括：电机连接端口(X1)、20位输出和电源端口(X2)、16位输入端口(X3)、16位输入端口(X4)、M12以太网接口(X5)以及CAN总线9芯连接孔型插座(X6)、CAN总线9芯连接针型插座(X7)、MVB总线9芯连接针型插座(X9)和MVB总线9芯连接孔型插座(X10)。
进一步地，电子门控器单元还包括：下载调试标准方口USB接口，IO指示灯以及服务复位按钮。同时电子门控器单元还对各种保护信号进行采样，进行故障诊断和网络通信功能。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：用于标准化动车组门系统的无刷直流电机控制，通过接收门的控制指令或网络信息，控制电机开关门，并进行相应的灯光、蜂鸣器警示和TMCS信息通信，在算法和安全全面考虑，伺服控制，采用软硬件两级保护，在发挥产品的控制性能、开关门的平稳和准确性的基础上，又充分增加系统工作的安全性。
1)塞拉门控系统具有10个输出、2个继电器输出和26个输入端口；可有效控制永磁无刷电机，同时具有MVB、以太网和CAN三种工业现场总线，极大拓展了应用范围和效果。
2)通过自适应PID运动控制算法，实现塞拉门各种情况下可靠安全的开关门。
3)通过硬件的冗余、合理布局等适应轨道交通行业严格的EMC、和环境实验。
4)通过轨道交通行业的MVB和以太网一致性测试。
5)远程实时诊断控制器的运行和诊断情况。
本发明通过主控芯片、FPGA、PWM电路、霍尔传感器，实现了对塞拉门的智能控制，解决了目前的电控塞拉门在进行控制时，容易造成很多误操作的结果，导致的体验低，不够智能化的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的塞拉门控制系统的硬件结构示意图；
图2为本发明提供的塞拉门控制系统的软件架构示意图；
图3为本发明提供的塞拉门控制系统的电子门控器前视图；
图4为本发明提供的塞拉门控制系统的电子门控器后视图；
图5为本发明提供的塞拉门控制系统的电子门控器侧视图。
具体实施方式
参阅图1，显示出本发明提供的塞拉门控制系统，其包括：
电子门控器单元(EDCU，简称门控单元)1、永磁无刷电机2和门动机构3；
电子门控器单元1通过永磁无刷电机2控制门动机构3；
电子门控器单元1根据列车控制信号(内侧开门信号、外侧开门信号、紧急请求信号、车速>10KM/h列车线、车速>5KM/h列车线、本地关门信号、紧急解锁、隔离、开门列车线、车速<5KM/h列车线、关门列车线、门释放列车线)和相关控制元件(关到位开关，隔离开关，……)发出的信号，从而使塞拉门实现开启和关闭动作。
所述电子门控器单元1包括主控芯片、FPGA单元、PWM单元以及霍尔传感器(HALL)单元；
主控芯片与FPGA单元、PWM单元、霍尔传感器单元通信连接；
其中，FPGA单元，用于获取外部输入信号，并传输至主控芯片，以及将主控芯片的控制信号输出至外部；
PWM单元、霍尔传感器单元通过电机驱动电路与永磁无刷电机2电性连接；
PWM单元用于根据主控芯片的电信号驱动永磁无刷电机2，霍尔传感器单元用于获取永磁无刷电机2的当前位置。
进一步地，电子门控器单元1还包括：
ETH总线，通过PHY单元与主控芯片电性连接，实现与以太网的通讯。
进一步地，电子门控器单元1还包括：
AD采集单元，与主控芯片电性连接，用于采集系统电信息。
进一步地，电子门控器单元1还包括：
内部数字量输入电路和内部数字量输出电路，与主控芯片电性连接；
内部数字量输入电路，用于采集永磁无刷电机的故障信号；
内部数字量输出电路，用于输出永磁无刷电机允许驱动的信号。
进一步地，电子门控器单元1还包括：
系统指示灯单元，与主控芯片电性连接，用于驱动所有塞拉门控系统的输入输出指示灯以及故障指示灯。
进一步地，电子门控器单元1还包括：
数码管，与主控芯片电性连接，用于驱动与门控单元连接的LED数码管进行代码显示。
进一步地，电子门控器单元1还包括：
FLASH存储器，其与主控芯片电性连接。
进一步地，PWM电路和霍尔传感器还与电机驱动电路连接。
进一步地，电子门控器单元1还包括：
外部数字量输入电路和外部数字量输出电路，通过FPGA单元与主控芯片电性连接。
进一步地，电子门控器单元1还包括：
运行指示灯，与主控芯片电性连接。
系统工作时，由电子门控器单元1采集门机构控制信号，并根据采集的反馈信号获取门机构当前状态，以控制电机2以及相关输出信号，保证门动机构3正常工作。同时电子门控器单元1还对各种保护信号进行采样，进行故障诊断和网络通信功能。
电子门控器单元1的主要功能是有单片机对内外部信号实施采集，与整车网络进行通讯，从而对门机构进行逻辑运算、PID调节控制、故障保护等相关算法运算，根据计算结果，对电机实施控制，从而实现对标准化高铁门机构进行控制。
电子门控器单元1的主控芯片处理器可由ARM处理器F407芯片构成，外部的功能电路包括电机驱动电路、HALL传感器采集电路，模拟量采集电路、数字量输入电路、数字量输出、FLASH、指示灯等电路，以及以太网通信、MVB通讯、CAN通讯电路组成。
电子门控器单元1各主要组成部分详细说明：
1)STM32F407处理器：相对以前的CORTEX-M3系列的F1/2系列，其性能有所提升，采用了M4内核，集成的DSP处理器，由于具有DSP处理器，更适合于做电力、通信或多媒体方面的算法及控制。
2)ETH总线：通过访问外部PHY，实现通过以太网与门控器PTU进行通讯。
3)FPGA单元：通过方为FPGA可实现控制器所有外部输入信号采集，以及所有外部信号输出。并通过访问FPGA实现MVB整车网络通讯。
4)PWM单元：驱动电机运转。
5)HALL传感器采集单元：获取当前电机所处位置。
6)AD采集单元：获取系统输入电压，控制系统电压，电机驱动电流，ARM当前温度。
7)内部数字量输入电路：采集板上服务按钮和电机故障信号。
8)内部数字量输出电路：电机允许驱动信号。
9)系统指示灯：驱动所有系统输入输出指示灯以及故障指示灯。
10)数码管：驱动LED数码管，可实时显示当前系统故障代码和状态代码。
11)FLASH存储器：采用4M字节的存储器，用于故障和必要的信息、日志等存储。
如图2所示为本发明提供的塞拉门控制系统的软件架构示意图，显示其软件逻辑架构如下：
1)BSP：板级支持包，外部PHY驱动，FPGA访问驱动，CAN驱动，电机控制驱动，系统时钟看门狗初始化。
2)LWIP+RT-thread操作系统：为所有系统任务提供基础支持。
3)各个任务：各个任务主体实现相应功能，以太网任务为上位机通讯提供复位；MVB任务为整车网络通讯提供服务；CAN任务为主从门控器内网通讯提供服务；电机控制任务为电机驱动提供服务；逻辑运算任务实现门控器逻辑主体功能；次要逻辑运算实现数码管驱动，LED显示，通讯故障判断等次要逻辑任务；存储记录任务为所有存储记录提供服务。
参见图3-5，显示出本发明提供的塞拉门控制系统的电子门控器集成示意图，其包括电机连接端口(X1)、20位输出和电源端口(X2)、16位输入端口(X3)、16位输入端口(X4)、M12以太网接口(X5)以及CAN总线9芯连接孔型插座(X6)、CAN总线9芯连接针型插座(X7)、MVB总线9芯连接针型插座(X9)和MVB总线9芯连接孔型插座(X10)；还包括下载调试标准方口USB接口，IO指示灯以及服务复位按钮。
其中M12以太网接口(M12连接器)具有数据交互、软件上载、故障下载等功能；门控器维护接口采用USB标准B型插座，门控器设置数码显示窗，用以显示存储器中排序最高(故障级别最高)的故障代码；上述MVB接口采用一公一母标准DB9；CAN接口采用一公一母标准DB9，MVB和CAN插头的紧固螺钉采用M3公制螺钉。
以上各个端口功能如下表格所示。
X1 电机连接端口
| 序号 | 点位 | 标识 | 功能 | 具体定义 | 备注 |
| 1 | PHB | 电机驱动 | 脉冲信号 | ||
| 2 | PHA | 电机驱动 | 脉冲信号 | ||
| 3 | FG | 门位置传感器屏蔽保护 | FG | ||
| 4 | VP- | 门位置传感器电源 | - | ||
| 5 | POS2 | 门位置传感器信道 | 脉冲信号 | 霍尔 | |
| 6 | PHC | 电机驱动 | 脉冲信号 | ||
| 7 | FG | 屏蔽保护 | 未使用 | ||
| 8 | VP+ | 门位置传感器电源 | + | ||
| 9 | POS1 | 门位置传感器信道 | 脉冲信号 | 霍尔 | |
| 10 | POS3 | 门位置传感器信道 | 脉冲信号 | 霍尔 |
X2：20位输出和电源端口
X3：16位输入端口
X4：16位输入端口
X5：连接器(M12以太网接口)
| 序号 | 点位 | 功能 | 电平 | 备注 |
| 1 | 1 | TD+ | ||
| 2 | 2 | RD+ | ||
| 3 | 3 | TD- | ||
| 4 | 4 | RD- |
电子门控器按不同的安装操作功能，分为主电子门控器(MDCU)和本地电子门控器(LDCU)，所述塞拉门控制系统具有控制网络为MVB+CAN结构，其中主电子门控器(MDCU)的MVB接口与TMS列车监控系统进行通讯，监控车门的通讯故障、隔离、紧急解锁、开门、关门、释放等状态，传输车门故障信息。主电子门控器(MDCU)与本地电子门控器(LDCU)采用CAN接口进行通讯。电子门控器单元1是可编程的，由系统存储器中的软件控制，其包含27路输入信号(I0-I26)、11路输出信号(O0-O10)和2个继电器。
根据本发明所述的塞拉门控制系统可实现如下功能：
1.开、关门及警示功能
1)侧门通过设置在司机室的开关进行集中控制，也可通过每扇门在车内设置的开、关门按钮或车外开门按钮进行本地控制。
2)操作开门时，首先操作释放指令，各车门本地开门按钮指示灯亮，可单独操作按钮开门，司机也可集中开启整侧全部车门。
操作关门时，司机直接操作关门按钮，自动切断释放指令，各车门本地按钮开关功能切除，全列车门自动关闭。
3)侧门在自动开、关门时，在完全开启和关闭位置应具有保持功能。
自动开、关门过程中应有声音提示
每套车门设置蜂鸣器，蜂鸣器声音通过不同的频率区分开门和关门：
开门时：发出开门指令蜂鸣器发声，1s后开始开门，然后继续响4s，频率2Hz；
关门时：发出关门指令蜂鸣器发声，1s后开始关门，然后继续响4s，频率4Hz；
当启动紧急开门装置时，蜂鸣器持续长鸣，时间重复比率为5Hz，可通过操作关门按钮或手动关闭车门解除紧急开门状态，蜂鸣器停止发声。
4)开关门的灯光提示
开门时：收到释放指令，开门按钮指示灯亮，关门按钮指示灯灭；车门开启过程中，开门按钮指示灯灭，关门按钮指示灯常亮；车门开到位后，开门按钮指示灯灭，关门按钮指示灯亮。
集控关门时(门释放信号变为无效)：收到关门指令，车门开始关闭，关门按钮指示灯灭，开门按钮指示灯灭；关门到位后，开门按钮指示灯灭，关门按钮指示灯灭。
本地关门时：操作关门按钮，车门开始关闭，关门按钮指示灯灭，开门按钮指示灯亮；关门到位后，开门按钮指示灯亮，关门按钮指示灯灭。
5)开关门时间
在电动模式下，车门收到开关门指令后应在5±1s内打开或关闭。
6)手动开门力
在打开已解锁的车门时(操作紧急解锁装置后)，用小于250N的力使门缓慢摆出，用小于150N的力以5cm/s的速度将车门打开。
2.障碍检测功能
塞拉门应具有障碍检测功能，在自动关门过程中遇到障碍物时，门扇应自动返回。应能检测到不小于30mm×60mm的障碍物；障碍物检测峰值力Fp≤300N，第一次关门过程时的有效力Fe≤150N，进一步关门时的平均有效力Fe≤200N，障碍物检测共3次；关门遇障碍物，门扇返回开门位停留1s后再次尝试关门，3次后停留在开门位等待再次的关门指令；开门遇障碍物，停留在阻力位3s后再次尝试开门，3次后停留在阻力位等待处理，侧门报障碍检测故障。
塞拉门应能够检测到最小尺寸不小于10mm的障碍物，当门关到位后，夹到直径小于10mm的异物，门状态应显示为正常关闭。
3.自动锁闭功能
车门通过两个辅助锁和一个主锁来锁闭，主锁为自动机械锁闭，通过解锁气缸来解锁，辅助锁为气动锁，驱动气缸充气后才能实现锁闭。正常运用中，车门关闭到位后能够自动锁闭保持密封。
4.速度连锁保护
列车运速度大于达5km/h时，门释放信号自动切除，车门自动关闭，即使操作开门开关，车门也不能打开。
5.隔离功能
在车门发生故障时，可将车门机械锁闭，同时退出使用状态，并能将车门状态反馈给车辆监控系统。
每套侧门均能从车内进行隔离操作，隔离锁使用TB/T 3262-2011中附录A规定的钥匙操作。
靠司机室的侧门设置一个可从外部开启、锁闭的隔离锁(车外需采用专用钥匙操作)，满足动车组在存放线时对全列车门的锁闭功能。
在侧门供电、供气正常时，操作隔离能够将辅助锁供气压紧侧门。
6.紧急解锁功能
a)在紧急情况下，可通过车内紧急解锁装置或车外紧急解锁装置解锁未被隔离的门，紧急解锁装置操作后，车门安全回路断开。
b)车内、外紧急解锁装置操作后，车门能够解锁，拉手保持在解锁位置才能拉开车门。
c)在车辆速度大于5km/h时，把手复位后车门自动关闭。
d)车内紧急解锁装置在速度大于10km/h时不能打开车门，车外紧急解锁装置不受速度限制。
e)乘务人员操作车内紧急解锁装置需先使用TB/T 3262-2011中附录A规定的钥匙操作请求开关发出请求，然后拉动把手才能解锁车门。
f)乘客操作车内紧急解锁装置需先击破请求按钮的玻璃罩板，然后拉动把手才能解锁车门。
7.故障诊断功能
塞拉门能够记录、存储和传递车门的故障信息，存储容量不小于1M，故障信息须带有时间，故障信息能通过接口下载。
8.监控功能
门控单元应能控制车门的动作，监视并反馈车门状态、记录车门故障，实现车门的各项功能。门控单元上所有插头应具有防插错功能。门控器外部状态指示灯在安装后应便于查看。门控单元防护等级满足GB4208-2008中IP31等级的要求。
9.耐久性
塞拉门的耐久性应满足3×105次开、关门的要求，在此周期内进行日常维护。
10.绝缘耐压
塞拉门电气绝缘耐压性能应符合GB/T 25119-2010中12.2.9的规定。
11.电磁兼容
塞拉门门控装置的电磁兼容性应符合GB/T 24338.4-2009的规定。
12.门控器环境适应性
门控系统在不同温度、湿度、沙尘等环境下的性能，应符合GB/T2423.4-2008、GB/T2423.34-2005、GB/T2423.37-2006中的相关规定。
本文所公开的实施例，用于使本领域技术人员实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改或变型对本领域技术人员来说将是显而易见的。本文所描述的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所描述的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种塞拉门控制系统，其包括：电子门控器单元、永磁无刷电机和门动机构；所述电子门控器单元通过永磁无刷电机控制门动机构；
所述电子门控器单元包括主控芯片、FPGA单元、PWM单元以及霍尔传感器单元；主控芯片与FPGA单元、PWM单元、霍尔传感器单元通信连接；
其中，FPGA单元，用于获取外部输入信号，并传输至主控芯片，以及将主控芯片的控制信号输出至外部；
PWM单元、霍尔传感器单元通过电机驱动电路与永磁无刷电机电性连接；
PWM单元用于根据主控芯片的电信号驱动永磁无刷电机，霍尔传感器单元用于获取永磁无刷电机的当前位置；
系统工作时，电子门控器单元采集门动机构控制信号，并根据采集的反馈信号获取门动机构当前状态，以控制永磁无刷电机以及相关输出信号，保证门动机构正常工作；
所述电子门控器单元还包括：
ETH总线，通过PHY单元与主控芯片电性连接，实现与以太网的通讯；
AD采集单元，与主控芯片电性连接，用于采集系统电信息；
内部数字量输入电路和内部数字量输出电路，与主控芯片电性连接，内部数字量输入电路用于采集永磁无刷电机的故障信号，内部数字量输出电路用于输出永磁无刷电机允许驱动的信号；
以及外部数字量输入电路和外部数字量输出电路，通过FPGA单元与主控芯片电性连接。
2.根据权利要求1所述的塞拉门控制系统，其特征在于，所述电子门控器单元还包括：系统指示灯单元，其与主控芯片电性连接，用于驱动所有塞拉门控系统的输入输出指示灯以及故障指示灯。
3.根据权利要求1所述的塞拉门控制系统，其特征在于，所述电子门控器单元还包括：数码管，其与主控芯片电性连接，用于驱动与电子门控器单元连接的LED数码管进行代码显示。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的塞拉门控制系统，其特征在于，所述电子门控器单元还包括：FLASH存储器，其与所述主控芯片电性连接。
5.根据权利要求4所述的塞拉门控制系统，其特征在于，所述PWM单元和所述霍尔传感器单元还与电机驱动电路连接。
6.根据权利要求1所述的塞拉门控制系统，其特征在于，电子门控器单元还包括：运行指示灯，其与所述主控芯片电性连接。
7.根据权利要求1所述的塞拉门控制系统，其特征在于，电子门控器单元还包括：电机连接端口(X1)、20位输出和电源端口(X2)、16位输入端口(X3)、16位输入端口(X4)、M12以太网接口(X5)以及CAN总线9芯连接孔型插座(X6)、CAN总线9芯连接针型插座(X7)、MVB总线9芯连接针型插座(X9)和MVB总线9芯连接孔型插座(X10)。
8.根据权利要求7所述的塞拉门控制系统，其特征在于，电子门控器单元还包括：下载调试标准方口USB接口，IO指示灯以及服务复位按钮。
9.根据权利要求7所述的塞拉门控制系统，其特征在于，电子门控器单元还对保护信号进行采样，进行故障诊断和网络通信。
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