基于ARM的地铁屏蔽门系统门控单元软件设计(2)
门控单元是屏蔽门的重要组成部分，每对滑动门均配置一个门控单元，并安装在门体上部的顶箱内[3]。电机作为屏蔽门的驱动装置，直接决定门的运动状态。而电机的运转是受门控单元中的软件控制的。当列车进入车站停靠后，列车发送开门信号给门控单元，然后在门控单元的控制下驱动屏蔽门打开。
门控单元最主要的任务是控制电机完成相应指令的任务。在文献[4]中介绍了“奥的斯”屏蔽门系统，其中的门控单元处理器采用的是16位控制微机，可以完成滑动门的控制以及状态的显示。在文献[2]中介绍了防夹物策略是关门力不超过150N，遇到障碍物不能关闭时重复尝试关门三次后不再关门。门控单元在完成控制任务时应当充分考虑系统的可拓展性，为电机预留通信接口，本文设计采用LPC2129微控制器正是考虑门控单元在其他方面的需求。
控制电机作为执行元件时主要包括直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和无刷直流电机等[5]。无刷直流电机具有直流电机的启动力矩大，调节特性好的特性。无刷直流电机的最大特点是没有换向器（曾称整流子）和电刷组成的机械接触机构。因此，无刷直流电机没有换向火花，寿命长，运行可靠，文护简便。此外，其转速不受机械换向的限制[6]。在相同体积时可以提供更大的动力。鉴于这些特点，门控系统驱动电机宜采用无刷直流电机。
本文使用LPC2129微控制器和无刷直流电机针屏蔽门需求设计了一套运动控制方案。将控制算法编写成软件在微控制器上运行。电机的运动控制采用转速-电流双闭环控制，转速的采样通过无刷直流电机上面的霍尔传感器测量，电流通过LPC2129内部ADC测量串接在电路中的电阻电压来获得，调节器采用PI调节器，由于我们采用的微控制器只能处理数字信号，所以需采用数字PI调节器。通过这些构成了控制系统。
2 系统简介
门控单元为屏蔽门运行提供驱动动力，控制屏蔽门的开关。门控单元应使开关时间尽量的小，为整个地铁系统运行节约时间。屏蔽门的设计主要是为了给乘客提供更安全的环境，防止乘客掉入轨道，对乘客生命安全造成影响，所以屏蔽门的设计应当充分考虑安全性，防止关门时夹伤乘客。为满足这些要求系统应该达到的性能指标有，开关门时间要求小于3.5秒，最大动能10焦耳，最后10cm距离动能小于1焦耳。在考虑系统惯性后算出对应的最大速度为0.5m/s和最后运行阶段对应的速度为0.158m/s。系统的理想速度曲线如图2-1所示。
图2-1 屏蔽门理想速度曲线
门控单元运行分为加速阶段，高速运行阶段，减速阶段，慢速运行阶段和关闭阶段。首先门控单元在接到开关门信号后，使电机加速到最高允许运行速度，然后保持高速运行开关门，在最后10cm时减速到低速运行继续关门，在到达开关门位置后刹车，电机刹车既能防止屏蔽门撞击也能解决屏蔽门关闭后滑动问题，因为电机刹车后会产生反扭矩而阻止电机的运动。
本次实验将电机系统分成两层1、物理层（电机驱动）2、应用层（电机控制器）。
其中物理层完成电机在电路上的需求，如逻辑换向，速度控制，方向控制，刹车控制，过流保护。而应用层（电机控制器）根据系统的需求，完成数据计算，算法实现，把需要的执行的操作通过通信接口传输给物理层（电机驱动）执行。应用层（电机控制器）和物理层（电机驱动）通过SPI（串行同步接口）进行通信。
本次实验采用恩智浦公司的LPC2129作为程序控制器，以CPLD可编程器件搭建电机驱动电路。控制电机采用无刷直流电机。因为无刷直流电机上面有霍尔传感器，因此本系统在控制系统中可增加位置环。系统通过测量霍尔传感器产生的脉冲数计算距离，因此本系统具有门宽自学习能力，省去了位置传感器的需求。并且可以在控制系统中增加位置环，构成电流-速度-位置三闭环系统。电流环是为了使电机运行在最大的允许电流状态下，从而加速动态过程；速度环使电机转速快速达到预设的速度值并且保持稳定；位置环是根据屏蔽门系统需求而设计的，根据霍尔传感器测量到的位置信息控制电机的速度。
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