CN202706763U - 轨道交通站台门电机控制器 - Google Patents

Abstract

一种轨道交通站台门电机控制器，包括供电部分、数字信号处理部分、电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分、外部控制信号输入部分和数据存储显示部分；供电部分分别向数字信号处理部分、电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分和数据存储显示部分提供所需电压的电流；电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分、外部控制信号输入部分和数据存储显示部分分别与数字信号处理部分电信号相连，电机驱动部分还与电机电线相连，继电器输出部分还与上位机电信号相连。本实用新型具有安全可靠、驱动能力强、用途广泛、控制精确、运行平稳及成本低廉等优点。

Description

轨道交通站台门电机控制器

技术领域

本实用新型涉及电机控制器，特别涉及一种轨道交通站台门电机控制器。

背景技术

目前，上海轨道交通的日均客流量已达600万人次，待轨道交通骨架网络建成后，日均客流量将超过1000万人次，巨大的客流量也带来了突出的安全隐患。如因拥挤而造成乘客候车时跌落站台，乘客进入轨道区间拾物，乘客因争抢座位或赶时间而坠入轨道区间等。针对这种情况，加装轨道交通站台门，把乘客和列车、轨道区适当隔离，杜绝伤亡事故发生已成为当务之急。

执行中主要的技术难点在于：

1.自动适应皮带轮与门重，控制门以设定速度曲线运行。

2.为保证运动的柔顺性，所有衔接转折部分必须将折线变为S型曲线。即电机的力的变化是一个可控的加速度来控制的，在任何时间都不会出现电机加力的突变性。

3.虽然门很重，但要在规定的时间内(最长4S)完成整个开闭，而且在检测到障碍物时为防止对障碍物(如人或物体)造成伤害，必须控制关闭力小于150N。这样速度和电机出力间形成了一对矛盾，如何解决就是一个难点。

4.最后的关门阶段，每扇活动门最后100mm行程范围内动能小于等于1J，即必须以非常轻的力将门闭合，而又必须保证门的可靠闭合，这两者形成了矛盾，而且1J的动能与门的运行速度也形成了矛盾。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种轨道交通站台门电机控制器。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种轨道交通站台门电机控制器，与上位机信号相连，通过对电机的控制实现对站台门的开关控制，包括供电部分、数字信号处理部分、电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分、外部控制信号输入部分和数据存储显示部分；供电部分分别与数字信号处理部分、电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分和数据存储显示部分供电相连；电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分、外部控制信号输入部分和数据存储显示部分分别与数字信号处理部分电信号相连，电机驱动部分还与电机电线相连，继电器输出部分还与上位机电信号相连。

所述的供电部分设有反激DC-DC变压电路；供电部分输入36V直流供电经反激DC-DC变压电路变压后分别向电机驱动部分输出+15V电压，向电流采样部分和继电器输出部分输出+5V电压、向数字信号处理部分和数据存储显示部分输出+3.3V电压。

所述的外部控制信号输入部分包括RS485输入接口和PLC输入接口，PLC输入接口有4个隔离的电源输入端，从外部提供+24V电源作输入电源；RS485输入接口通讯遵循MODBUS协议，串行通信的优先级低于外部信号输入。

本实用新型的轨道交通站台门电机控制器，由于采用了以上技术方案，具有以下的优点和积极效果：

1、安全可靠，信号处理部分与其它部分隔离，防止干扰提高了安全性，并有输入电压、电机电流等一系列异常检测，提高了可靠性。控制器的均无故障周期(MCBF)为1,000,000次循环/故障；

2、驱动能力强，控制器可以驱动最大门重为250KG；

3、功耗低，正常工作时，控制器本身的工作电流小于80mA；

4、用途广泛，控制器还可以应用于其他自动门控制的领域；

5、维护便捷，控制器的参数可以通过RS485串口方便地进行修改，故障时能进行自我检测并通过LED显示出来；

6、控制精确、运行平稳，控制器通过光电编码器返回的信号可以对自动门实现精确位置控制，实现开关门速度平滑，噪音小；

7、成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型的轨道交通站台门电机控制器的控制结构示意图；

图2为电机控制器的供电示意图；

图3为开关门设置速度及加速度曲线图；

图4为从开、关门到位位置开始的最后100mm的速度曲线图；

图5为信号流图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

参见图1、图2，本实用新型的轨道交通站台门电机控制器，与上位机信号相连，通过对电机的控制实现对站台门的开关控制，包括供电部分、数字信号处理部分、电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分、外部控制信号输入部分和数据存储显示部分；供电部分分别向数字信号处理部分、电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分和数据存储显示部分提供所需电压的电流；电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分、外部控制信号输入部分和数据存储显示部分分别与数字信号处理部分电信号相连，电机驱动部分还与电机电线相连，继电器输出部分还与上位机电信号相连。

其中的供电部分主要由电源管理集成芯片、变压器、三端稳压集成芯片、低电压差调节芯片、运算放大器构成反激DC-DC变压电路。供电部分输入36V直流供电经反激DC-DC变压电路变压后分别向电机驱动部分输出+15V电压，向电流采样部分和继电器输出部分输出+5V电压、向数字信号处理部分和数据存储显示部分输出+3.3V电压。同时运算放大器构成的比较电路对输入的电压进行欠压和过压监测。

其中的数字信号处理部分主要由数字信号处理芯片、数据缓冲芯片和若干光耦组成；数字信号处理芯片接受外部输入和内部反馈回的信号进行处理后控制整个控制器的运作；数据缓冲芯片组成缓冲电路对数字信号处理芯片输出的控制信号进行波形的整形并增强信号的驱动能力，同时数字信号处理部分通过光耦与控制器的其他部分隔离保证控制器的安全性和可靠性。

其中的电机驱动部分主要由智能功率模块和六个MOS管构成驱动电路，接收来自数字信号处理部分的驱动信号控制六个MOS管的开关来调整PWM波的占空比，驱动和控制电机的转动从而控制移动门的开关。驱动门体单体重量：一控两驱：65～80Kg；一控一驱≤95kg；门体运动摩擦力：5Kg。最大输出电流：12A。关门力：≤150N关门时最大动能：≤10J。

其中的电流采样部分主要由电流传感器和运算放大器组成，电流传感器对电机三相输出的电流进行检测，经过运算放大器放大后反馈到数字信号处理部分，数字处理部分通过电流的大小计算出电机的出力，形成对电机的闭环控制。

其中的继电器输出部分包括继电器和反向驱动芯片，由数字信号处理部分输入的信号控制继电器的开合，将信号反馈给上位机。继电器输出对外提供5个继电器干节点输出。每个节点输出能力为AC125V，0.3A。DC24V，1A。

其中的外部控制信号输入部分包括RS485输入接口和PLC输入接口，控制器通过PLC或者RS232通信接受来自上位机的控制命令；PLC输入接口有4个隔离的电源输入端，需要从外部提供+24V电源作输入电源，当在其中一个输入端加24V输入电压时，此输入端导通，单端耗电8mA；当四个输入端全部导通时，最大耗电32mA；RS485输入接口通讯遵循MODBUS协议，串行通信的优先级低于外部信号输入。

其中的数据存储显示部分由存储芯片、数码管显示控制芯片和数码管构成，用于存放控制器中的参数并通过数码管显示，所有参数均可以在线进行修改，并自动存储。大部分参数设置完成后均为立即生效，小部分参数设置完成后需要重新上电后再生效。参数设置共有两种方法，一是利用RS485接口，以MODBUS规约进行修改。可以单个修改，也可以批量修改。二是通过外接控制显示板来进行单项修改。

本实用新型的轨道交通站台门电机控制器的主要技术参数如下：

1、活动门开启时间2.5-3.5秒，活动门关门时间2.5-4.0秒；

2、活动门全程无级可调；

3、能够探测到的障碍物的最小厚度为10mm；

4、活动关闭的力小于等于150N；

5、手动解锁人工开启力小于等于67N；

6、每扇活动门运动的最大动能小于等于10J；

7、关门时每扇活动门最后100MM行程范围内动能小于等于1J。

本实用新型的显示功能如下：

本驱动器提供板上两个8位数码管的显示功能。

当上电后，自动进行自学习门长。此时显示为“-.-.”，并循环往复从左向运动。

当完成自学习后，按表1显示。

表1

门状态	显示
		关门到位	00
开门到位	01
		门在非关门或开门到位也未接受开关门命令	02
关门运行	03
		开门运行	04

当出现不可恢复故障时，数码管会显示故障提示。并停止门运动。直到断电后重新上电才能恢复，如表2所示：

表2

故障类型	显示	备注
			HALL信号缺失	HA	三相HALL信号有任一个缺失
光电编码器信号缺失	EC	两相光电编码器信号有任一个缺失
			过电流故障	OC	超过设定的最大电流
过电压	OH	超过设定的最大电压
			装置故障	dE	板上器件故障

说明：自学习是个暂态过程。每次上电后就从自学习模式开始

上电后，两位数码显示管应该显示“-.-.”，并且循环往复从左向右转动。表示正在进行初始化。

初始化的目的在于确定门的关闭点和门的最大开度点。只有确定关闭点后，才能确定最大开度点。由此确定门长。

显示菜单共分为STUDY，ERROR，SET，NORMAL，上电后为STUDY，信号流图如图5所示。

本实用新型的轨道交通站台门电机控制器的工作过程原理说明如下：

1、自学习流程

1.1关门指令

此时通过外部命令端口给出关门指令，门将向关门方向运动寻找门的关闭点。运行速度为VREF。当找到门的关闭点后，因为需要持续加力0.8S来判断是否到关闭点，因此此时仍然需要持续提供关门指令，直到关门到位输出继电器有输出，表示已经关门到位。才可以撤销关门指令。如果在继电器输出关门到位前就取消关门指令，即使门已经到关闭状态，驱动器仍然没有寻找到门关闭点。

1.2开门指令

当继电器输出关门到位后，表示已经寻找到门的关闭点。此时可以通过外部命令商品给出开门指令。此时电磁锁继电器输出，将电磁锁吸合约0.5S后，门将向开门方向移动，以确定门的最大开度。电磁锁吸合约1S后将自动放下。门开门运行速度为VREF。当找到门的最大开度后，因为需要持续加力0.8S来判断是否到门最大开度点，因此此时仍然需要持续提供开门指令，直到开门到位输出继电器有输出，表示已经开门到位。才可以撤销开门指令。如果在继电器输出开门到位前就取消开门指令，即使门已经到最大开度点，驱动器仍然没有寻找到门的最大开度点。

1.3关门指令

当驱动器找到门的关闭点和门的最大开度点后，已经确定了门的原点和门长，此时可以通过外部命令端口给出关门指令，门将向关门方向运动。运行速度为VREF。当找到门的关闭点后，关门到位输出继电器有输出，表示已经关门到位。此时数码管显示为“00”，表示已经完成了自学习。可以接受正式的开门指令了。

1.4说明

初始化的目的在于确定门的关闭点和门的最大开度点。只有确定关闭点后，才能确定最大开度点。由此确定门长。

因此，上电后开关门命令的顺序应该是关门——＞判断关门到位——＞开门——＞判断开门到位——＞关门——＞判断门到位——＞自学习完成。

如果给出关门命令，没有判断关门到位就撤销关门命令，则不认为完成门关团点的判断。

如果给出开门命令，没有判断开门到位就撤销开门命令，则不认为完成门最大宽度点的判断。

如果上电后先给出开门命令，因为没有判断出关门到位，所以即使继电器给出开门到位，也不能认为判断出门长。仍然需要完成关门，开门，关门的动作。

初始化还有一个作用在于判断门重，由此自动调整关门力大小。

1.5运行状态

当完成自学习后，显示“00”，表示处于关门到位状态。此时可以给出开门指令控制门打开。

2、开关门状态

2.1开门指令

当给出开门指令后，电磁锁继电器吸合，约0.5S后，门开始向开门方向运行。约1S后，电磁锁继电器释放。当运行到整个门长的4％左右时，关门到位信号取消。初始时，以RACCL加速度运行，当达到VUNL速度后，匀速运行，当运行长度达到PLOCK后，低速运行结束。进入高速运行段，以RACCO加速度运行，当达到VOP速度后，匀速运行，之后以RDECO减加速度减速直到速度达到VCRAW。然后以VCRAW爬行，一直到开门最大位置，遇阻后，停下。完成全部开门动作。

以上所有参数均可设置，门长由自学习自动检测。当设置参数与门长相冲突，如设置最高速度VOP超过门长范围内的最大速度，则运行时自动调整VOP速度为允许最大速度。如设置最高速度VOP不超过门长范围内的最大速度，则以设置最高速度VOP为最大速度，自动计算出VOP速度的运行长度。也就是说，最极端情况下，实际运行曲线为低速段加三角形，一般情况下，实际运行曲线为低速段加梯形。

如果在开门过程中开门信号突然中断，则以RSTOP的加速度紧急刹车。此时如果重新给出开门信号，则自动重新计算整个曲线，重复走出低速段加高速段的曲线出来。此时的最大速度可能小于设定最高速度VOP。

如果在爬行段开门信号中断，则以RSTOP的加速度紧急刹车。此时如果重新给出开门信号，则只以VCRAW的速度爬行至最大开门点。

到达最大开门点后，如果没有关门指令，则门保持不动。此时如果用手向关门方向拉门，当拉出距离达到约5CM后，则自动以一个恒定的开门力向开门方向加力以抵抗拉门力，一直到门被拉到距离最大开门点2CM的范围内为止。如果拉门力大于开门力，导致门被拉出约1/3后，此时撤销开门力，报警。直到门被人为推至开门到位位置附近，取消报警。

2.2关门指令

当给出关门指令后，门开始向开门方向运行。当运行到整个门长的96％以内时，开门到位信号取消。初始时，以RACCL加速度运行，当达到VLOCK速度后，匀速运行，当运行长度达到PHYUL后，低速运行结束。进入高速运行段，此时以RACCL加速度运行，当达到VCL速度后，匀速运行，之后以RDECL减加速度减速直到速度达到VCLLO。此时距离门关闭点距离为PUNLO，然后以VCLLO速度爬行，一直到门关闭点，遇阻后，停下。完成全部关门动作。门锁自动锁上。

在整个关门动作中，如果遇阻暂停(遇阻力随门状态自动调整，当为加速时，遇阻力最大，当为减加速时，遇阻力为最小)，则门继电器报出遇阻信号，门受上位机控制，反向运动一段距离后暂停，然后重新闭合。如果反复遇阻三次，则门自动全开，报警。

遇阻或关门信号撤销后，重新再给出关门信号，此时运行曲线按剩下的门运行距离重新计算整个曲线，重复走出低速段加高速段的曲线出来。此时的最大速度可能小于设定最高速度VCL。

以上所有参数均可设置，门长由自学习自动检测。当设置参数与门长相冲突，如设置最高速度VCL超过门长范围内的最大速度，则运行时自动调整VCL速度为允许最大速度。如设置最高速度VCL不超过门长范围内的最大速度，则以设置最高速度VCL为最大速度，自动计算出VCL速度的运行长度。也就是说，最极端情况下，实际运行曲线为低速段加三角形，一般情况下，实际运行曲线为低速段加梯形。

2.3开门解锁指令

当给出开门解锁指令后，电磁锁继电器吸合，约0.5S后，门开始向开门方向运行。约1S后，电磁锁继电器释放。当运行到整个门长的4％左右时，关门到位信号取消。运行速度为VREF低速。运行距离约为50CM。

此时，不再接受任何开关门指令，只有人为将门重新完全关上，机械锁自动锁扣好后，才再次接受开门指令。

针对现有技术中存在的技术难点，本实用新型还采用了以下的方法：

一、因为要求所有的参数均可在板上或通过远程控制来修改，因此软件针对板上操作设计了按键与显示部分，通过三个按键的组合作用实现输入功能，通过四个8位数码管来实现显示功能。

二、对于远程控制，我们采用RS485工业用传输硬件，在此基础上遵循主从式通讯控制，采用标准的MODBUS协议，实现了所有参数的传输与修改。并保证了上下限的控制与传输错误的纠正和报错。

三、S型曲线的实现方式

将S形曲线分成七段，分别为加加速段，匀加速段，减加速段，匀速段，加减速段，匀减速段，减减速段。

参数说明：

1.Jmax    ----------mm/s3，加速度率，跃度，定值；

2.set_up_amax    ----------mm/s2，用户设定加速段加速度；

3.set_down_amax  ----------mm/s2，用户设定减速段加速度；

4.Up_amax        ----------mm/s2，实际计算所得加速段加速度；

5.Down_amax      ----------mm/s2，实际计算所得减速段加速度；

6.user_set_vmax  ----------mm/s，用户设定匀速段最大速度；

7.set_vmax       ----------mm/s，用于两分法计算最大速度时的上限值；

8.Vmax           ----------mm/s，计算最终所得匀速段最大速度；

9.v1max          ----------mm/s，用于两分法计算最大速度时的限值v’max；

10.V11max    ----------mm/s，用于两分法计算最大速度时的限值v”max；

11.Vs            ----------mm/s，S型曲线的起始速度；

12.Ve            ----------mm/s，S型曲线的结束速度；

13.Set_smax         ----------mm/s，设定S形曲线运行距离；

14.finished_vmax_sign--------表示用两分迭代法计算实际vmax的结束标志；

15.fnish_iteration_sign---------表示用两分迭代法的在两个限值间一组迭代结束，不表示已经完成最大速度的计算；

16.vmax_level    ----------值范围0-3，分别表示两分迭代法的四个区间范围，初始必须为3，若条件不满足再减1，可以一直迭代到0；为3时，[set_vmax，]为2时，[v1max，set_vmax]，为1时，[v11max，v1max]，为0时，[min[ve，vs]，v11max]

17.T[8]---------ms，S形曲线七段时间叠加之和。其中T[7]为最终运行时间；

18.V[8]----------mm/s，S形曲线七段终点速度值；

19.S[8]---------um，S形曲线七段终点的距离之和。其中s[7]为最终运行长度，一般如果vmax＝user_set_vmax，则此值为set_smax。

每次运行时的瞬时值：

Time_cnt    ---------计数值，一般每ms运算一次，则此值加一；

Vel         ---------mm/s，每次运行时的速度值；

Acce        ---------mm/s2，每次运行时的加速度值；

Space       ---------um，每次运行时的运行距离值；

注意：所有的时间，距离都是以零点或原点为相对点的值。

函数：

Sshape_init       初始化函数，可以再精简，主要置初值；

Sshape_time_calc       根据set_user_amax和jmax计算最小的t1-t3，t5-t7，不含t4；

Sshape_dist_calc       计算实时的速度和距离值；

Sshape_dist_limit_calc 调用Sshape_dist_calc来计算得出v[8]，s[8]；

Sshape_vmax_calc       用两分法来计算实际最大vmax。只有当vmax_level为3时，才有匀加速段，其他都无匀加速段。

图3为开关门设置速度及加速度曲线表，从左向右为开门曲线，从右向左为关门曲线。图3中所列参数均可修改。

四、如何控制最后100mm的动能在1J内的方法

如图4所示，从开门到位位置开始，经历过加速，匀速，减速过程后，门运行过程进入爬行阶段。设此阶段速度为VCRAW，单位mm/S。

在门运行时，加在电机上的最大力共由三部分构成，描述如下：

1、克服门的滑动摩擦阻力。此为门运动时需要克服的阻力。可以认为此力为门匀速运行时需要克服的力。命名为Ff。

2、门的加速或减速力。使门加速运行时需要额外提供的电机力。命名为Fa。

3、关门力。也称为夹人力，命名为Fc。

即电机最大力Fm＝Ff+Fa+Fc。

正常运行时，Fm为最大运行力的限制。电机力的实际值范围为[0，Fm]。

在最后爬行阶段，因为门处在匀速运行，所以实际Fa为零。

即Fm＝Ff+Fc。

其中Fc为设定值，范围为50-300N间。

Ff是一个与门重成比例的力。如果取摩擦系数为Kf，门重为m，则：

Ff＝m*Kf。

Ff的求法有两种方式：

方法一、依据公式Ff＝m*Kf，一般取Kf＝0.06间，m取门重180KG得出Ff约为108N。

方法二、在电机匀速运行时测量电机平均电流，因为电机平均电流与电机力为比例关系，故可以求出此时对应的摩擦力Ff。

我们采用方法二来得出Ff。

因此在最后爬行阶段，加在电机上的力不超过Fm＝Ff+Fc，当门在此遇阻时，电机速度变为零，加在电机上的力达到Fm，持续一段时间后，认为遇阻，将速度设定值经过S曲线衰减到零，即柔性释放门上的电机力，报出遇阻信号。

通过控制Fm和门爬行速度的大小，就可以保证最后一段距离时的动能不超过1焦耳。

Claims (3)

1.一种轨道交通站台门电机控制器，与上位机信号相连，通过对电机的控制实现对站台门的开关控制，其特征在于：包括供电部分、数字信号处理部分、电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分、外部控制信号输入部分和数据存储显示部分；供电部分分别与数字信号处理部分、电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分和数据存储显示部分供电相连；电流采样部分、电机驱动部分、继电器输出部分、外部控制信号输入部分和数据存储显示部分分别与数字信号处理部分电信号相连，电机驱动部分还与电机电线相连，继电器输出部分还与上位机电信号相连。

2.如权利要求1所述的轨道交通站台门电机控制器，其特征在于：所述的供电部分设有反激DC-DC变压电路；供电部分输入36V直流供电经反激DC-DC变压电路变压后分别向电机驱动部分输出+15V电压，向电流采样部分和继电器输出部分输出+5V电压、向数字信号处理部分和数据存储显示部分输出+3.3V电压。

3.如权利要求1所述的轨道交通站台门电机控制器，其特征在于：所述的外部控制信号输入部分包括RS485输入接口和PLC输入接口，PLC输入接口有4个隔离的电源输入端，从外部提供+24V电源作输入电源；RS485输入接口通讯遵循MODBUS协议，串行通信的优先级低于外部信号输入。

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