基于arm的自动门控制系统的设计与实现

基于arm的自动门控制系统的设计与实现

自动驾驶系统是连接铁路车辆的重要组成部分，直接关系到乘客的安全。轻轨自动门的运行是通过驱动电机正反转来实现的,因此对车门运行方式的控制也就是在考虑乘客安全和门控制系统自身平顺的情况下对驱动电机的控制。目前国内各种自动门的控制方式分为两种:(1)基于PLC+驱动电机的自动门控制系统。(2)利用控制芯片如单片机、ARM、DSP和FPGA等控制电机的自动门控制系统。基于PLC的自动门控制系统具有高可靠性和稳定性,但构成车载总线系统尚需要另设电路和总线管理处理器;基于微处理器门控制系统,大都需要CAN等专门的控制电路。此外,自动门的防挤压功能的实现一般有两种途径:(1)在门上安装传感器。(2)检测电机的电枢电流。由于轻轨自动门的特殊结构,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。针对轻轨电车这样复杂的自动门控制系统本文基于STM32F107VCT6设计了具有双CAN备份总线的门控制器,由于直流无刷电机保留了直流电机良好的机械特性以及控制简单的特点,且本身具有运行噪音小,无火花,寿命长的性能,所以驱动电机选择用直流无刷电机。在轻轨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。1自动门控制系统自动门的运行是通过驱动直流无刷电机来完成的,因此对车门运行方式的控制实质是对直流无刷电机的控制。系统采用STM32F107作为控制芯片,利用ZKS008N驱动系统对电机的转速进行控制。自动门运行过程中,以步进脉冲模式控制电机的运行,通过计算脉冲数来检测车门的位置并反馈到芯片中,系统通过PID算法的调节,使自动门稳定运行。控制器通过监测电机的电枢电流来实现自动门的防挤压功能。轻轨自动门控制系统主要由STM32芯片及其外围电路、电机驱动电路、供电模块等组成。自动门控制系统的结构如图1所示。2管理系统的设计2.1stm32芯片概述STM32F107是意法公司推出的基于ARMv7架构的Cortex™-M3内核的微控制器,内部拥有256K的Flash存储器,可工作在最高72MHz的频率;STM32采用2.0-3.6V的电源设计。芯片内有2路bxCAN总线通道,分别是CAN1和CAN2。芯片内的GPIO端口具有多种复用功能,在使用bxCAN功能之前,须对总线端口进行配置。芯片内有一个16位带有死区和紧急停车的定时器TIM3,通过其4个通道输出4种不同占空比的PWM信号,从而实现对电机的控制。2.2电压转换电路自动门控制系统的电源由电车内24V电源经滤波后提供。由于控制芯片的额定电压是3.3V,电机的驱动电压是24V,USB的工作电压是5V,所以必须设计24V转5V,5V转3.3V的电压转换电路。24V转5V的电源转换电路如图2所示。2.3zps008n冷凝器为了降低设计难度,提高产品的可靠性,采用ZKS008N-10A-24V驱动系统作为电机驱动器,实现对三相直流无刷电机转速的控制。驱动器具有过流/过载/过热/保护、上电/故障指示、速度和故障输出等功能。ZKS008N驱动器的控制信号有六个:CLK+、CLK-、DIR+、DIR-、ENA+和ENA-信号。CLK+和CLK-用于给定脉冲频率,DIR+和DIR-用于方向控制,ENA+和ENA-用于启停控制。3各工况下的速度曲线直流无刷电机在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下,保证电枢绕组中通入的电流总量恒定,以产生恒定的转矩,且转矩只与电枢电流的大小有关。通过改变电枢电流来改变转矩。设传动效率为1,则电机轴上力矩平衡方程为:其中:Mq电机(驱动)力矩;MH:传动摩擦力矩等;MJ:传动系统全部(等效)惯量在系统加速运动时形成的负载力矩。若MH=0,则Mq=MJ,即电机力矩全部用于加速惯性负载。此时,其中,JA:电动机惯量(含减速器折合至电机轴的惯量);JH:负载惯量;i:传动比(i>1);ε:负载轴加速度。由Mq=MJ可知:若JA和JH为已知常量,则随i增大(5)式右侧第一项增大、第二项减小,所以Mq=f(i)有极点。令,得iopt即为使惯量匹配的最佳传动比。在iopt下,负载以一定加速度运动时,所呈现的惯性负载力矩MJ最小,或说需要的电机驱动力矩Mq最小。(4)式可变为这说明在iopt下,折合至电机轴的等效负载惯量等于电机惯量。电机驱动本身惯量和负载惯量所消耗的力矩相等。以上所述,是在已知JA和JH时求iopt,以使系统以同样的加速度ε运动时,所需电机驱动力矩最小,或者驱动力矩不变时,系统加速度ε最大。利用软启动技术,使电机在初始阶段获得0.15Vmax的初速度。自动门在整个运动过程中的速度是不同的,门开始运动时,要求电机启动力矩大,所以电机要以较低的初速度启动,然后加速至最大。门运动至将要结束时,为避免机械冲击,在车门运行至全行程85%的位置时开始减速,到全行程95%的位置时保持低速直至门完全闭合。开、关门过程中,把电机运动过程分成四个阶段:加速、高速匀速、减速、低速匀速。电机首先从0.15Vmax开始加速,直至最高速度Vmax,运动一段距离后,开始减速,最后以低速匀速(0.15Vmax)运动到终点。假设门的宽度为L,我们设定加速和减速距离均为5cm,高速匀速距离为(L-12)cm,低速保持距离为2cm。控制系统中,采用余弦函数曲线近似拟合自动门的速度曲线,其数学表达式为:式中L1+L2=L3,V表示门速,x表示相对开关门起始位置的位移脉冲,Vmax表示恒速段的速度,也是开关门的最大速度。自动门的运行曲线如图3所示。控制系统以门速曲线为依据,计算开门、关门时不同位置处的给定速度,进而设置不同的脉冲周期。为减少计算量,事先将各个速度对应的相关数据写入EPROM某段位置中,系统程序只需以查表的方式,就可以读出它们。开门子程序流程如图4所示。4防夹电流阈值的确定,经自动门在关门过程中,如果遇到障碍物,电机的速度就会降低,驱动电流会增大,本控制器就是利用这点来判别门是否受到阻挡。由于机械摩擦力的不同,防夹电流的阈值通过两种方式确定:(1)根据电机的运行参数进行设置。(2)门在运行过程中检测到的最大电流。比较两种方式得到的电流阈值,选择其中较大的作为最终的防夹电流阈值。系统每200ms读取一次电机电流值,每400ms计算最近5次读取的电流平均值。由于电机在刚启动启动力矩较大,电流可能大于设置的防夹阈值,所以电机在刚启动的一段位移内不进行电流比较。通过比较电流的平均值和防夹阈值,判断电机是否发生堵转。当连续5次电流的平均值都大于防夹阈值时,说明检测到障碍物,应该执行开门的动作。自动门防挤压程序流程如图7所示。5实验开关门时间及装置本控制系统选用上海硅力公司67BLGM3A139型的三相直流无刷电机。门的总行程L为650mm,电机旋转一圈的进程为5mm,需要12个脉冲,让电机以较低转速运行,测得轻轨电车自动门开门或关门全程的必要脉冲数是2205个。电机的最高运行速度为3500r/min,最低运行速度为350r/min。自动门的开关门时间为3s。加速阶段的位移L1为50mm,对应的脉冲数为120;减速阶段的位移L3为50mm,对应的脉冲数为120;低速匀速阶段的位移L4为20mm,对应的脉冲数为48;高速匀速阶段的距离L2为L|L1|L3|L4,即为530mm,对应的脉冲数为1917。经三次函数拟合过的门速曲线如图6所示,曲线data1为车门的门速曲线,曲线cubic为三次函数曲线。实验中的装置如图7所示。此外,实验中测试防夹功能时,因为堵转电流太大,所夹物体