基于PIC18F452列车内端自动门系统的设计

何 毅，陈维忠，许中荣

HE Yi1, CHEN Wei-zhong2, XU Zhong-rong2

（1. 南京工业大学 自动化与电气工程学院，南京 210009；2. 南京浦镇科技实业有限公司，南京 210032 ）

基于PIC18F452列车内端自动门系统的设计

The design for train indoor automatic door system based on PIC18F452

何 毅1，陈维忠2，许中荣2

HE Yi1, CHEN Wei-zhong2, XU Zhong-rong2

（1. 南京工业大学 自动化与电气工程学院，南京 210009；2. 南京浦镇科技实业有限公司，南京 210032 ）

本文介绍了列车用自动门系统的设计。着重介绍了控制系统基于UC3844开关电源的设计，基于PIC18F452单片机无刷直流电机控制板的硬件和软件设计；并介绍了本系统中无刷直流电机换相方法，关门过程中门受到阻挡的判别方法。最后介绍了本系统软件设计的思路。

单片机(PIC18F452)；IR2136；列车自动们

0 引 言

随着我国铁路事业的高速发展，市场需要大量高档列车，除了列车的运行速度大大的提高之外，各种辅助设备也要求提升一个档次。手动式列车内端拉门已经不适应高档列车的要求，取而代之的是红外感应或按键式内端自动门。当旅客通过内端门时，红外感应开门或按键开门；旅客通过后自动关上门。

1 自动门系统结构及功能

本系统主要由控制系统、驱动机构和门扇总成三大部分组成。控制单元的设计基于PIC18F452单片机；动力驱动采用无刷直流电机，通过同步齿形带或丝杠、螺母驱动门扇；机械设计主要对列车内、外端门的受力结构、外型尺寸以及上、下导轨、安装、定位等进行设计。本系统中，控制单元核心采用PIC18F452高速单片机，单片机根据相关的输入信号，控制无刷电机的正、反转，通过丝杠、螺母或同步齿行带驱动车门开启或关闭。自动门的功能、参数简要描述如下：门在无人通过状态时，处于关闭状态。当按下开门按钮或红外感应到人走近时，门自动打开。开门时间为3.5±0.5 秒，门完全打开后，延迟10±0.5 秒后自动关门。关门时间为6.5±0.5 秒。关门过程中若受到阻挡，且门所处的位置小于满行程的98%时应立即开门（防挤压功能），门开后延时2秒后再自动关门。开门过程中门若受阻挡，应立即停止，2 秒后继续开门，直至完全打开。在门完全关闭或完全开启时，若有外力拉动门扇，其行程大于等于满行程的5%时，门应做出相应的开启或关闭动作。

系统结构如图1所示：

图1 自动门系统结构

2 控制单元的硬件设计

控制单元硬件设计主要包括电源和主控制器两部分。列车上自动门采用DC110V供电，无刷电机的额定电压为DC24V，因此需要通过开关电源变换后给系统供电。控制器的设计是基于PIC18F452单片机，开关电源的设计是基于UC3844。

2.1 开关电源的设计

UC3844是电流型脉宽调制控制器，既能电压闭环反馈控制，又能电流闭环反馈控制。本系统中，以UC3844作为开关电源的主控芯片，电路结构采用正激式变换形式，以TL431芯片作为电压输出设定值的反馈输出，与UC3844构成电压反馈控制。电路结构如图2所示。

图2 开关电源电路结构图

图中IRF460与UC3844构成电流反馈；TL431与UC3844构成电压反馈，输出24VDC给直流无刷电机和电机控制器供电。

2.2 无刷电机控制器的设计

本系统中，无刷直流电机控制器的设计主要有：电源电路、三相全桥电路、三相全桥驱动电路、电流采样电路、无刷直流电机位置传感器采样电路、输入输出接口、单片机控制电路设计和通讯电路设计等。其硬件结构如图3所示。控制器的设计基于单片机PIC18F452，单片机采集无刷直流电机位置传感器的状态，由此控制驱动无刷直流电机的运行。

图3 无刷直流电机控制板硬件设计框图

2.2.1 PIC18F452的特性

PIC18F452是一款高性能精减指令集位单片机，16位宽度指令，8位宽度数据。其指令兼容PIC16系列和PIC17系列单片机。内部32K FLASH，1.5K RAM；振荡频率最大可达40MHz，最大指令执行速度为10MIPS。8通道10位A/D，采样速率高（可编程）。具有上电复位，电压跌落侦测复位（可编程），上电延时等功能。内部FLASH典型可擦写10万次，内部EEPROM典型可擦写100万次，FLASH和EEPROM的数据可保存至少40年。部分I/O口具有状态改变产生中断的功能。

2.2.2 IR2136的特性

IR2136是高压高速MOSFET或IGBT驱动器，常用于全桥电路的驱动，具有三组独立的上侧和下侧三相输出通道。逻辑输入兼容CMOS或LSTTL，低至3.3V。具有过流检测保护功能，当桥路电流采样电压大于0.5V时，六路输出自动被终止；当过流消失RC时间后，六路输出自动恢复。具有过流或低压停止保护指示输出（漏极输出）。本系统中用IR2136驱动全桥电路，实现无刷电机的换相。

3 系统的控制原理

本系统中，选用带霍尔位置传感器的直流无刷直流电机，一方面，单片机根据霍尔位置传感器的状态来控制直流无刷电机的换相；另一方面，在一定的时间内，单片机根据霍尔位置传感器状态改变的次数来换算电机的转速；同时在关门和开门的过程中，根据霍尔位置传感器状态改变的次数计算门的行程。

3.1 无刷直流电机的换相

PIC18F452单片机RB口的RB4、RB5、RB6和RB7具有电平变化中断的功能，当霍尔信号发生变化时，单片机实时响应中断采样霍尔信号。无刷直流电机霍尔信号SA、SB、SC和单片机的接口电路如图4。单片机根据霍尔信号的状态，控制IR2136，进而控制三相全桥电路的输出，实现电机的换相。

3.2 门阻挡和过流保护

在关门的过程中，当门受到阻挡时，应能自动打开，以免旅客受挤压而受伤。检测门受到阻挡的方法有两种，一是电流法，当电机的驱动电流达到某一设定值并保持一段时间，就可判定关门受到了阻挡，图5是检测电机驱动电流的原理图，电机驱动电流经0.05Ω电阻取样后，再放大10倍后送单片机的模拟通道AN0采样。同时，将放大后的电压再与设定的电压比较，起到硬件保护作用，当电机的取样电流大于某一设定值后（4.1V），TLC272的IC2B输出高电平至IR2136的ITRIP端，IR2136强行关闭全桥电路的输出，保护功率管和电机不被烧毁。另一种是速度法，在关门过程中，当关门速度骤减，并保持一段时间，就可以判定关门受到了阻挡。

图4 无刷电机霍尔位置传感器与单片机的接口电路

3.3 开关门闭环控制

由于门系统的机械结构、安装、负载等差异性，同样的开关门速度，其电机的驱动电流是不一样的。因此，在开关门的过程中，必须要进行速度和PWM输出的PI闭环调节。本系统中，电压斩波PWM调速采用上桥臂恒通，下桥臂PWM调制。

PI负反馈单闭环控制，可以实现转速无静差，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环控制系统就难以满足要求。可以在速度负反馈单闭环控制系统的基础上，再引入电流负反馈环来控制系统动态过程的电流和转矩。其中，电流环的一个重要作用就是保证电枢电流在动态过程中不超过允许值，即电流环首先能够起到抑止超调的作用，对于转速环，稳态无静差是最根本的要求。在本系统中，采用PI速度调节和能满足要求。

4 软件设计

本系统软件采用PIC单片机汇编语言设计，软件编译器是MPLAB IDE V7.30。程序主要部分有初始化模块、系统参数采集存储模块、自检模块、按键处理模块、计时模块、开关门监视模块、PI调节模块、A/D采样模块、故障诊断模块、电机换相模块和通讯模块等。程序设计框图如图6所示。

图6 程序设计框图

5 结论

本系统设计既涉及机械结构的设计，又涉及软硬件设计，各方面需密切配合，才能完成系统功能的实现。从系统运行情况来看，系统控制稳定可靠，抗干扰能力强，尤其是PIC单片机具有优良的抗干扰能力和强大的功能，完全满足本系统的要求；同时基于UC3844的开关电源有较好的过流和过载的能力，输出的电压稳定可靠。通过实际装车运用证明，本设计控制系统稳定、可靠，机械结构设计合理。

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TP23

B

1009-0134(2010)09-0116-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.35

2010-02-05

何毅（1969-），男，讲师，博士，研究方向为嵌入式系统与模式识别。