自主屏蔽门门机控制系统硬件设计

董嗣耀 陈超录

摘要：本文重点论述了门机控制系统中门控单元DCU的硬件设计，包括DCU的电源系统、信号输入电路和复位电路等设计，实现了门机系统电源输入、状态监视、电机调整、隔离复位等功能，是首个实现DCU双冗余设计及电机隔离功能的门机系统，提高了站台门系统的安全性和可靠性。

关键词：自主屏蔽门;门机控制系统;硬件设计

中图分类号：TM7                                      文獻标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）05-0184-02

0  引言

门机系统是屏蔽门系统的核心部件之一，目前只有国外的屏蔽门厂商掌握了世界较先进的电机伺服技术，造成了整个屏蔽门电气系统价格居高不下，所以研制纯自主的控制系统成为打破这一局面的唯一出路。

我司基于在轨道交通行业坚实的驱动、控制设计实力，创新性的在门机系统中使用双处理器冗余设计，优化电机驱动，较国外的系统具有更高的安全性和可靠性，打破国外技术垄断，降本增效奠定了坚实的基础。

1  TQMK1型地铁自主屏蔽门门机控制系统

自主屏蔽门门机控制系统主要由门控单元（DCU），门机传动系统和门体结构组成，其中，门控单元（DCU）是电机控制系统的核心设备，是接收开关门命令，控制滑动门动作并监控整个电机控制系统状态的关键部件，在每个门单元的上部顶箱内均安装有一套DCU。DCU用于控制单个站台门的开关门运动，监视滑动门的各种状态，并对电机的运动进行调整，它主要由微处理器、存储器、输入/输出电路、网络接口、电机的驱动电路等组成。

处理器选型：DCU具有双处理器结构，包括一个DSP和一个MCU。其中DSP负责通信，电机控制以及逻辑处理。MCU对DSP以及门体工作状态进行监控，可以对DSP进行复位以及切除主电路，其具有最高的安全控制级别。

1.1 DSP选型

本系统的主处理器采用TI的TMS320F系列的DSP。该款产品输出波形的精准度更高，价格却更为低廉，能耗小，性能更为突出，集成了USB、以太网口、蜂鸣器等诸多外设，存储空间也较以前有了大幅的增加。

1.2 MCU选型

MCU我们选用Microchip公司新一代完成线程优化的8位单片机，其优点是管脚精简但兼容性强，运算速度快，可直接驱动LED，具备省电模式，能耗低，可应用于实时、非连续的任务控制及低功耗的场合。

2  硬件电路设计

本章对电机控制系统的硬件设计进行了详细的描述，通过对电源模块、控制模块、复位电路等硬件电路的分析，证明该系统严格遵循国家电气标准的规范，满足屏蔽门系统在发生故障时应急要求及可靠性的要求，并考虑了冗余设计，保证系统的高可靠性和高稳定性。

2.1 电源模块设计

从电源模块输入的电源包括：电源+110V、+5V、+15V、+24V。

①110V直流电源。由外部电源模块提供，在内部经过滤波后作为主电路母线电压。

②IPM电源+15V。由外部电源输入，在内部经过DC/DC降压处理后提供给IPM的内部驱动电路和音频。

③外部电源输入保护。图1是对外部输入的DC 5V、DC 15V和DC 24V直流输入进行保护的设计原理。其最上面一个电路是外部开关电源经内部滤波后提供给数字电路的+5V电源，+5V分两路作为DSP和MCU的电源。为防止外部电源高频谐波干扰，并联一个独石电容进行EMI抑制滤波。+5V电源和地之间用二极管D0（1N5908）进行保护。并且在MCU电源+5'和DSP电源+5''之间串联一个二极管（D1）S2Y，防止DSP损坏后反向击穿，从而损坏MCU。中间的外部电源提供的+15V的电源输入也和+5V基本相同，根据电压等级，设计中二极管（D3）S2Y选用参数如上。对于图1下部的+24V电源输入没有电容滤波，但是也有瞬变二极管D7进行过压保护。

④霍尔信号隔离电源。霍尔传感器电源为独立的+5V电源，本设计使用TI公司的微型隔离式DC/DC转换芯片来完成降压输出，如图2所示。

隔离DC/DC电源的额定功率为1W左右，输入电压为+5±10%V，输出电压为+5±2%V，开关频率为400kHz。

由于输入端DMOS管前向阻抗很低，所以上电后会有一个很大的电流冲击，为避免这种冲击对电源的造成影响，造成输入电压的降低，本设计在电源的输入端放置了一个4.7uf电容，用于吸收电流冲击，即如图2所示。该电容要被放置在靠近输入管脚的地方。

电源的输出电路除了VOUT和0VOUT之外，还有一个用于校正VOUT的Vrec管脚本电源在工作的时候，会产生约为800kHz的纹波，为了减低纹波，本器件推荐在Vrec和输出的GND之间放置了一个1uf的低ESR电容，同时在VOUT和0VOUT之间放置一个4.7μF电容。满足输出性能的需求。以上两个电容需要尽可能的靠近所连接的管脚。设计中的器件参数选择满足要求。

2.2 控制电路设计

2.2.1 数字信号输入

数字隔离输入电路原理如图3所示。图3中共有18路数字输入通道，这些通道可以接收0～24 V、频率小于5 kHz的数字输入信号。18路的输入通道电路是相同的，所以取其中一个线号（OC0）输入为例进行原理分析和计算。外部输入信号信号（OC0）经过光耦的光电转换后，由逻辑触发器整形以及变换后转换后进入DSP。

输入信号和+24V电源中间用TVS二极管D12进行保护，经过分压电路分压，当电压值大于稳压二极管的阈值，二极管正向导通，光耦中的LED发光。当稳压二极管D13导通的时候，限流电阻R68可起到限流作用。

光耦U27前向电流：

式中：UMAX—最大輸入电压24V;VZ—稳压二极管稳压值9.5V;VF—TVS二极管正向浪涌峰值电压1.1V;R68— 流电阻2400Ω。

该值远远小于光耦U27要求的最大前向电流IF=20mA，本设计中限流电阻设计选择符合要求。

2.2.2 开门和使能信号隔离输入

使能信号和开门信号的隔离输入电路一共有四路，同时送入DSP和MCU中。选其一（图4）进行分析。CMD0+和CMD0-为来自外部开门使能信号。

开门使能信号处理与单稳态触发电路开门和使能信号的电压为交流50V，当稳压二极管D49导通的时候，限流电阻有限流作用，本设计中限流电阻取R122=7500Ω最大的前向电流：

式中：UMAX — 最大输入电压50V;VZ — 稳压二极管稳压值9.5V;VF —TVS二极管稳压值1.1V;R122 — 限流电阻7500Ω。

该值小于光耦要求的最大前向电流IF=20mA，本设计中限流电阻设计选择符合要求。

3  复位设计

门机控制系统复位种类包括：DSP电源故障复位，MCU复位DSP和DSP复位MCU。

①DSP电源故障复位：当DSP电源故障信号/RST'为低电平时，表明DSP电源故障，MCU复位DSP电源。②MCU复位DSP：当MCU发现DSP工作有异常时，会产生一个复位信号。复位DSP。③DSP复位MCU。当DSP发现MCU工作异常的时候，会产生一个复位信号，复位MCU。

4  结语

该系统电源具有极高的输出精度，且具有过压保护功能，可以防止电流冲击;输入输出电路进行了隔离保护设计，各项参数均符合系统要求，且开创性的在门机系统中采用双处理器的冗余设计，满足屏蔽门系统在发生故障时应急要求及可靠性的要求，保证了系统的高可靠性和高稳定性。

参考文献：

[1]尹盼春.地铁屏蔽门控制系统的设计[D].南京：南京理工大学，2010.

[2]付胜华，郭顺利，陈栋，等.地铁屏蔽门门机驱动系统设计[J].铁路计算机应用，2013：23-29.

[3]黄本勇.地铁屏蔽门自动控制系统设计分析[J].电子技术与软件工程，2013：199-200.