CN110488694A

CN110488694A - 一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统

Info

Publication number: CN110488694A
Application number: CN201910733038.2A
Authority: CN
Inventors: 刘全利; 高贤; 王伟
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2019-11-22
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: CN110488694B

Abstract

本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统。本发明包括车门主程序子系统和电机运动控制子系统。本发明基于集成ARM硬核的SoC FPGA芯片。车门主程序子系统采用冗余设计，车门主程序1运行于ARM硬核上，车门主程序2运行于FPGA例化出的软核上，车门主程序1和车门主程序2执行相同的逻辑。电机运动控制子系统完全由FPGA实现，采用矢量控制理论控制无刷直流电机，与车门主程序子系统并行运行，通过AXI4‑Lite总线与车门主程序子系统通信。本发明可避免系统层面的共因故障，电机控制频率高，响应速度块，提高动车组塞拉门系统的安全性和稳定性。

Description

一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统。

背景技术

塞拉门是标准动车组上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。

相比于国外，中国高速铁路运营环境和条件更为复杂多样，动车组要满足长距离、长时间、连续高速运行等需求。因此，打造适合中国国情、路情的高速动车组的设计、制造平台是十分必要的。为了实现高速动车组技术全面的自主化，从2012年开始，中国标准动车组的相关研制工作全面展开。在中国铁路总公司的主导之下，国内有关企业、高校、科研单位等优势力量参与其中。塞拉门及其控制系统是其中重要的组成部分，有非常高的安全性与稳定性要求。

共因故障指的是由特定的单一事件或起因导致若干装置或部件功能失效的故障。在一个嵌入式操作系统中，如果存在因为操作系统或编译工具链导致的程序错误，是很难察觉与定位的，从宏观表现上来看，程序可能会在随机的时间出现莫名其妙的错误，而且错误现象可能不一致，还难以复现，为调试带来巨大麻烦。冗余系统的设计就是为了解决这一问题。同时存在两个不同的底层系统，执行相同逻辑的程序使用各自系统的编译工具链生成，运行于各自的系统上。利用FPGA并行运行的特点，实时比较两个系统的输出，如果出现不一致，就通知两个系统记录当前的运行状态信息，为以后的分析与调试提供参考；同时，如果一个系统上的程序出现错误崩溃，可以将输出无缝切换到另一个系统的输出上，保证输出实时处于安全可控状态。

当前动车组塞拉门控制系统多采用ARM或DSP进行电机控制。电机控制部分实时性强，算法复杂，对处理器性能要求高，资源占用率高。采用ARM或DSP作为控制核心，受计算资源的限制，电机控制频率不高，对无刷直流电机的驱动方式多为六步换相算法。相比于更为先进的矢量控制理论，采用六步换相算法时电机噪声大，速度波动大，对动车组塞拉门的控制精度低。

例如，中国发明专利申请，公开号CN106014074B，公开了一种中国标准动车组塞拉门控制系统。在该系统中，PWM单元和霍尔传感器单元都连接在ARM处理器上，在ARM处理器中完成对电机的控制运算。

对比此系统，本发明的电机运动控制子系统完全由FPGA实现。在FPGA上实现无刷直流电机的控制，能够减少所需元器件的个数，缩小体积；FPGA并行运算能力强，因此能够应用先进的矢量控制理论，提高控制精度，提升系统的稳定性；电机运动控制子系统与车门主程序子系统并行运行，保证电机控制的实时性与独立性，提高系统安全性。

中国发明专利申请，公开号CN107703910A，公开了一种基于多处理器的高铁塞拉门控制系统。该系统包含DSP子板，实现电机运动控制子系统；包含FPGA子板，实现MVB通信子系统；包含ARM子板，实现以太网子系统。三个子系统通过母版相互连接，DSP子板与FPGA子板通过UART协议通信；DSP子板与ARM子板通过CAN总线通信。

对比此系统，本发明采用集成ARM硬核的SoC FPGA芯片，无需划分子板，系统集成度高，可靠性高；FPGA模块化编程的特点，易于移植、维护；芯片内部子系统间采用AXI4-Lite总线通信，对比UART协议与CAN总线，速度更快，响应时间更短。此外，本发明的电机控制子系统完全由FPGA实现。

2015年，牛盼情、康翔宇、何顶新等在《基于Zynq的PMSM驱动控制系统设计》一文中，讨论了一种基于Zynq SoC的PMSM驱动控制系统。该控制系统在FPGA中实现电流环矢量控制算法，在ARM部分实现速度控制算法、位置控制算法，通过AXI4-Stream总线传送数据。文中电机采用2500线的编码器测量位置。

对比此系统，本发明中的电机运动控制子系统完全由FPGA实现，包含PIDω、PIDi_q和PID i_d，既包含电流环也包含速度环，PIDω控制频率可以达到10kHz，控制更加精细。ARM硬核中运行车门主程序子系统的车门主程序1部分，不运行PID相关运算，与电机运动控制子系统之间的通信内容只包含目标状态与实际状态信息，因此采用AXI4-Lite总线通信。无刷直流电机的位置信息由霍尔传感器提供，费用低，可靠性高。此外，针对塞拉门应用场景，本发明中使用霍尔信号断线故障检测模块和三相断线故障检测模块实时检测霍尔信号线和电机三相电源线的连接状态，及时对故障采取措施，保证系统的安全性与稳定性。

发明内容

本发明要解决的问题是提出一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统，采用集成ARM硬核的SoC FPGA芯片，配以AXI4-Lite总线进行子系统间通信。车门主程序子系统采用冗余设计，分别运行于ARM硬核与FPGA例化出的软核上，可以防止操作系统层面共因故障的发生，电机控制子系统完全由FPGA实现，能够完成高频、精准电机控制，提高系统的安全性与稳定性。

本发明的技术方案：

本发明包括车门主程序子系统和电机运动控制子系统。本发明基于集成ARM硬核的SoC FPGA芯片。车门主程序子系统采用冗余设计，车门主程序1运行于ARM硬核上，车门主程序2运行于FPGA例化出的软核上，车门主程序1和车门主程序2执行相同的逻辑。电机运动控制子系统完全由FPGA实现，采用矢量控制理论控制无刷直流电机，用于控制车门的运动状态，与车门主程序子系统并行运行，通过AXI4-Lite总线与车门主程序子系统通信。

车门主程序子系统采用冗余设计，ARM硬核上运行Linux系统，Linux系统上运行车门主程序1；FPGA上例化软核，软核上运行Xilkernel系统，Xilkernel系统上运行车门主程序2。车门主程序1和车门主程序2执行相同的逻辑。车门主程序1控制第1路输出信号，车门主程序2控制第2路输出信号。第1路输出信号和第2路输出信号通过输出信号选择，确定最终的输出信号。看门狗1监控车门主程序1的运行状态，正常运行时，车门主程序1通过喂狗信号1喂看门狗1；看门狗2监控车门主程序2的运行状态，正常运行时，车门主程序2通过喂狗信号2喂看门狗2。看门狗1的超时信号1、看门狗2的超时信号2连接至输出信号选择，供输出信号选择时使用。看门狗1提供给车门主程序1超时信号1和复位信号1，看门狗2提供给车门主程序2超时信号2和复位信号2。输出信号选择通过记录信号通知车门主程序1和车门主程序2记录当前的调试信息。车门主程序1和车门主程序2之间可以读取对方的状态。

电机运动控制子系统，其完全由FPGA实现，应用矢量控制理论驱动无刷直流电机，无刷直流电机反馈3路霍尔信号给霍尔解码模块，霍尔解码模块将处理后的3路霍尔信号传递给霍尔信号断线故障检测模块，同时计算出无刷直流电机的转速ω和转子位置θ，ω会在之后用于与设定转速ω^*比较，θ传递给park变换模块和park反变换模块。霍尔信号断线故障检测模块，依据霍尔解码模块处理后的3路霍尔信号，判断霍尔信号线是否正常连接。设定转速ω^*与霍尔解码模块算得的ω做差，结果输入到PIDω模块。PIDω模块计算结果为传递给三相断线故障检测模块，还会被用来与park变换模块算得的i_q做差。ADC解码模块从驱动模块驱动无刷直流电机的三相电压脉冲U_a、U_b和U_c上采样，计算出无刷直流电机三相电流值i_u、i_v和i_w。i_u、i_v和i_w传递给clarke变换模块和三相断线故障检测模块。clarke变换模块将ADC解码模块算得的i_u、i_v和i_w进行clarke坐标变换后得到i_α和i_β。i_α和i_β传递给park变换模块。park变换模块通过霍尔解码模块算得的θ和clarke变换模块算得的i_α、i_β，进行park坐标变换，得到i_q和i_d。PIDω模块算得的与park变换模块算得的i_q做差，结果输入PID i_q模块。PID i_q模块计算结果为u_q，u_q传递给park反变换模块。0与park变换模块算得的i_d做差，结果输入PID i_d模块。PID i_d模块计算结果为u_d，u_d传递给_park反变换模块。park反变换模块将PID i_q模块算得的u_q、PIDi_d模块算得的u_d和霍尔解码模块算得的θ进行park坐标反变换，算得u_α和u_β。u_α和u_β传递给SVPWM模块，产生6路PWM信号，传递给驱动模块，驱动模块输出三相电压脉冲U_a、U_b和U_c驱动无刷直流电机。三相断线故障检测模块，通过ADC解码模块算得的i_u、i_v、i_w和PIDω模块算得的来判断无刷直流电机的三相电线是否接好。

本发明的有益效果：采用集成ARM硬核的SoC FPGA芯片，集成度高，使用AXi4-Lite协议作为子系统间通信总线，速度快，可靠性高。车门主程序子系统的冗余设计避免系统层面共因故障导致的程序崩溃，加快了错误的分析和定位过程，保证程序出现错误时输出处于安全状态；电机运动控制子系统完全由FPGA实现，与车门主程序子系统并行运行，保证电机控制的实时性与独立性。该系统充分结合了ARM和FPGA在嵌入式系统应用开发中的优势，系统的安全性、稳定性和可扩展性都得到了大幅增强。本发明已在标准动车组上试运行，取得良好效果。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的车门主程序子系统结构示意图。

图3是本发明的车门主程序子系统中输出信号选择流程图。

图4是本发明的电机运动控制子系统模块结构示意图。

图5是本发明的电机运动控制子系统三相断线故障检测模块流程图。

具体实施方式

本发明包括车门主程序子系统和电机运动控制子系统。如图1所示，本发明基于集成ARM硬核的SoC FPGA芯片。车门主程序子系统采用冗余设计，车门主程序1运行于ARM硬核上，车门主程序2运行于FPGA例化出的软核上，车门主程序1和车门主程序2执行相同的逻辑。电机运动控制子系统完全由FPGA实现，用于控制车门的运动状态，与车门主程序子系统并行运行，通过AXI4-Lite总线与车门主程序子系统通信。

(1)车门主程序子系统

车门主程序子系统完成动车组塞拉门控制系统的通信、开关门流程控制、故障判断与上报、与上位机交互和日志记录功能，并通过AXI4-Lite总线向电机运动控制子系统发送命令、接收状态信息。

车门主程序子系统采用冗余设计，如图2所示，ARM硬核上运行Linux系统，Linux系统上运行车门主程序1；FPGA上例化软核，软核上运行Xilkernel系统，Xilkernel系统上运行车门主程序2。车门主程序1和车门主程序2执行相同的逻辑。车门主程序1控制第1路输出信号，车门主程序2控制第2路输出信号。第1路输出信号和第2路输出信号通过输出信号选择，确定最终的输出信号。看门狗1监控车门主程序1的运行状态，正常运行时，车门主程序1通过喂狗信号1喂看门狗1；看门狗2监控车门主程序2的运行状态，正常运行时，车门主程序2通过喂狗信号2喂看门狗2。看门狗1的超时信号1、看门狗2的超时信号2连接至输出信号选择，供输出信号选择时使用。看门狗1提供给车门主程序1超时信号1和复位信号1，看门狗2提供给车门主程序2超时信号2和复位信号2。输出信号选择通过记录信号通知车门主程序1和车门主程序2记录当前的调试信息。车门主程序1和车门主程序2之间可以读取对方的状态。

如果车门主程序1运行出现错误，没能周期性喂看门狗1，导致看门狗1超时，看门狗1输出超时信号1给输出信号选择和车门主程序1。输出信号选择根据超时信号1可以判断车门主程序1运行出现错误，第1路输出信号不再可信，对输出信号作相应选择。超时信号1还连接至车门主程序1的高优先级中断引脚上，通知车门主程序1运行出现错误。车门主程序1保存当前状态信息，以备之后查看分析，并尝试从错误状态恢复。若车门主程序1能从错误状态恢复，则继续喂看门狗1，超时信号1无效；若车门主程序1一段时间后依然不能从错误状态恢复，看门狗1发出复位信号1给车门主程序1，车门主程序1重启。重启后，车门主程序1从车门主程序2中读取状态，若车门主程序2正常，则车门主程序1跳转至与车门主程序2同步的状态，继续运行。

看门狗2的工作流通类比于看门狗1。如果车门主程序2运行出现错误，没能周期性喂看门狗2，导致看门狗2超时，看门狗2输出超时信号2给输出信号选择和车门主程序2。输出信号选择根据超时信号2可以判断车门主程序2运行出现错误，第2路输出信号不再可信，对输出信号作相应选择。超时信号2还连接至车门主程序2的高优先级中断引脚上，通知车门主程序2运行出现错误。车门主程序2保存当前状态信息，以备之后查看分析，并尝试从错误状态恢复。若车门主程序2能从错误状态恢复，则继续喂看门狗2，超时信号2无效；若车门主程序2一段时间后依然不能从错误状态恢复，看门狗2发出复位信号2给车门主程序2，车门主程序2重启。重启后，车门主程序2从车门主程序1中读取状态，若车门主程序1正常，则车门主程序2跳转至与车门主程序1同步的状态，继续运行。

输出信号选择的逻辑如图3所示，首先判断超时信号1和超时信号2是否同时无效，若是，则继续判断第1路输出信号是否等于第2路输出信号，若是，则说明系统处于正常工作状态，输出信号选择第1路输出信号，程序结束；若否，则记录信号有效，输出信号选择第1路输出信号，即两路输出信号冲突时，默认信任第1路输出信号，程序结束。若超时信号1和超时信号2是否同时无效的判断为否，说明至少一路程序出现错误，则判断超时信号1是否有效。若否，说明第1路输出信号可信，输出信号选择第1路输出信号，程序结束；若是，则再判断超时信号2是否有效，若否，则说明第2路输出信号可信，输出信号选择第2路输出信号，程序结束；若是，则说明第1路输出信号和第2路输出信号都不可信，此时输出信号切换为提前设置好的默认安全输出信号，程序结束。

(2)电机运动控制子系统

电机运动控制子系统完全由FPGA实现，数据格式为16位的Q15定点数。系统运行时钟频率为100MHz，一个控制周期计算耗时为3μs，其运算耗时充分满足本系统使用的10kHz电流环控制频率的要求。需要时，只要改变预定义的SVPWM周期就可以提升控制频率。

如图4所示，电机运动控制子系统的结构如下：

无刷直流电机反馈3路霍尔信号给霍尔解码模块。霍尔解码模块会过滤掉3路霍尔信号在传输过程中可能产生的毛刺，将处理后的3路霍尔信号传递给霍尔信号断线故障检测模块；同时依据3路霍尔信号之间的相位关系判断无刷直流电机的转动方向，通过3路霍尔信号变化的快慢计算出无刷直流电机的转速ω，再由ω积分得到无刷直流电机的转子位置θ。ω会在之后用于与设定转速ω^*比较，θ传递给park变换模块和park反变换模块。

霍尔信号断线故障检测模块，输入为霍尔解码模块处理后的3路霍尔信号，这3路信号会组合出8种状态，分别为000、001、010、011、100、101、110、111，其中000和111这2种状态是不可能在霍尔信号正常的情况下出现的，霍尔信号断线故障检测模块以此来判断霍尔信号线是否正常连接。

设定转速ω^*与霍尔解码模块算得的ω做差，结果输入到PIDω模块。PIDω模块采用位置式的PID控制算法，并包含前向补偿、反积分饱和、输出限制功能。PIDω模块计算结果为传递给三相断线故障检测模块，还会被用来与park变换模块算得的i_q做差。

ADC解码模块从驱动模块驱动无刷直流电机的三相电压脉冲U_a、U_b和U_c上采样，计算出无刷直流电机三相电流值i_u、i_v和i_w。i_u、i_v和i_w传递给clarke变换模块和三相断线故障检测模块。

clarke变换模块将ADC解码模块计算得到的i_u、i_v和i_w进行clarke坐标变换后得到i_α和i_β。i_α和i_β传递给park变换模块。

park变换模块通过霍尔解码模块算得的θ和clarke变换模块算得的i_α、i_β，进行park坐标变换，得到i_q和i_d。

PIDω模块算得的与park变换模块算得的i_q做差，结果输入PID i_q模块。PID i_q模块与PIDω模块由相同的代码实例化生成，同样采用位置式的PID控制算法，并包含前向补偿、反积分饱和、输出限制功能。PID i_q模块计算结果为u_q，u_q传递给park反变换模块。

0与park变换模块算得的i_d做差，结果输入PID i_d模块。PID i_d模块与PIDω模块由相同的代码实例化生成，同样采用位置式的PID控制算法，并包含前向补偿、反积分饱和、输出限制功能。PID i_d模块计算结果为u_d，u_d传递给park反变换模块。

park反变换模块将PID i_q模块算得的u_q、PID i_d模块算得的u_d和霍尔解码模块算得的θ进行park坐标反变换，算得u_α和u_β。

u_α和u_β传递给SVPWM模块。SVPWM模块完成SVPWM波形的生成，工作周期为10kHz，采用“7段式”调制方式。SVPWM模块产生6路PWM信号，传递给驱动模块。驱动模块输出三相电压脉冲U_a、U_b和U_c驱动无刷直流电机。

三相断线故障检测模块，输入为ADC解码模块算得的i_u、i_v、i_w和PIDω模块算得的通过FPGA程序来判断无刷直流电机的三相电线是否接好，为系统错误定位提供参考信息。该模块可以通过AXI4-Lite总线修改判别条件值。三相断线故障检测模块的工作流程如图5所示，首先判断是否成立，若否，则程序重新开始；若是，则判断条件1：|i_u|＞I_z且|i_v|＞I_z且|i_w|＞I_z是否成立，其中I_z是一个正电流值，若一个电流绝对值小于I_z，认为该电流在0附近，若一个电流绝对值大于I_z，认为该电流不在0附近，I_z可以通过程序修改。条件1：|i_u|＞I_z且|i_v|＞I_z且|i_w|＞I_z是在判断三相电流是否同时不在0附近，若是，则判断之前是否处于故障状态，若之前是否处于故障状态判断结果为否，则程序重新开始；若是，则判断条件1成立是否持续指定时间，若否，则程序重新开始；若是，则三相断线故障解除，程序结束。若条件1：|i_u|＞I_z且|i_v|＞I_z且|i_w|＞I_z的判断结果为否，则判断条件2：|i_u|＜I_z或|i_v|＜I_z或|i_w|＜I_z是否成立，该条件是在判断三相电流是否有任意一相电流在0附近，若否，则程序重新开始；若是，则判断条件2成立是否持续指定时间，若否，则程序重新开始，若是，则认定为三相断线故障，程序结束。

本发明介绍了一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统，采用集成ARM硬核的SoC FPGA芯片，集成度高，使用AXI4-Lite协议作为子系统间通信总线，速度快，可靠性高。车门主程序子系统的冗余设计避免系统层面共因故障导致的程序崩溃，加快了错误的分析和定位过程，保证程序出现错误时输出处于安全状态；电机运动控制子系统完全由FPGA实现，与车门主程序子系统并行运行，保证电机控制的实时性与独立性。该系统充分结合了ARM和FPGA在嵌入式系统应用开发中的优势，系统的安全性、稳定性和可扩展性都得到了大幅增强。本发明已在标准动车组上试运行，取得良好效果。

Claims

1.一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统，包括车门主程序子系统和电机运动控制子系统，其特征在于：

基于集成ARM硬核的SoC FPGA芯片；车门主程序子系统采用冗余设计，车门主程序1运行于ARM硬核上，车门主程序2运行于FPGA例化出的软核上，车门主程序1和车门主程序2执行相同的逻辑；电机运动控制子系统完全由FPGA实现，采用矢量控制理论控制无刷直流电机，用于控制车门的运动状态，与车门主程序子系统并行运行，通过AXI4-Lite总线与车门主程序子系统通信；

车门主程序子系统采用冗余设计，ARM硬核上运行Linux系统，Linux系统上运行车门主程序1；FPGA上例化软核，软核上运行Xilkernel系统，Xilkernel系统上运行车门主程序2；车门主程序1和车门主程序2执行相同的逻辑；车门主程序1控制第1路输出信号，车门主程序2控制第2路输出信号；第1路输出信号和第2路输出信号通过输出信号选择，确定最终的输出信号；看门狗1监控车门主程序1的运行状态，正常运行时，车门主程序1通过喂狗信号1喂看门狗1；看门狗2监控车门主程序2的运行状态，正常运行时，车门主程序2通过喂狗信号2喂看门狗2；看门狗1的超时信号1、看门狗2的超时信号2连接至输出信号选择，供输出信号选择时使用；看门狗1提供给车门主程序1超时信号1和复位信号1，看门狗2提供给车门主程序2超时信号2和复位信号2；输出信号选择通过记录信号通知车门主程序1和车门主程序2记录当前的调试信息；车门主程序1和车门主程序2之间可读取对方的状态；

电机运动控制子系统，其完全由FPGA实现，应用矢量控制理论驱动无刷直流电机，无刷直流电机反馈3路霍尔信号给霍尔解码模块，霍尔解码模块将处理后的3路霍尔信号传递给霍尔信号断线故障检测模块，同时计算出无刷直流电机的转速ω和转子位置θ，ω在之后用于与设定转速ω^*比较，θ传递给park变换模块和park反变换模块；霍尔信号断线故障检测模块，依据霍尔解码模块处理后的3路霍尔信号，判断霍尔信号线是否正常连接；设定转速ω^*与霍尔解码模块算得的ω做差，结果输入到PID ω模块；PID ω模块计算结果为传递给三相断线故障检测模块，还会被用来与park变换模块算得的i_q做差；ADC解码模块从驱动模块驱动无刷直流电机的三相电压脉冲U_a、U_b和U_c上采样，计算出无刷直流电机三相电流值i_u、i_v和i_w；i_u、i_v和i_w传递给clarke变换模块和三相断线故障检测模块；clarke变换模块将ADC解码模块算得的i_u、i_v和i_w进行clarke坐标变换后得到i_α和i_β；i_α和i_β传递给park变换模块；park变换模块通过霍尔解码模块算得的θ和clarke变换模块算得的i_α、i_β，进行park坐标变换，得到i_q和i_d；PID ω模块算得的与park变换模块算得的i_q做差，结果输入PID i_q模块；PID i_q模块计算结果为u_q，u_q传递给park反变换模块；0与park变换模块算得的i_d做差，结果输入PID i_d模块；PID i_d模块计算结果为u_d，u_d传递给park反变换模块；park反变换模块将PID i_q模块算得的u_q、PID i_d模块算得的u_d和霍尔解码模块算得的θ进行park坐标反变换，算得u_α和u_β；u_α和u_β传递给SVPWM模块，产生6路PWM信号，传递给驱动模块，驱动模块输出三相电压脉冲U_a、U_b和U_c驱动无刷直流电机；三相断线故障检测模块，通过ADC解码模块算得的i_u、i_v、i_w和PID ω模块算得的来判断无刷直流电机的三相电线是否接好。