[发明专利]一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统

说明书

本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统。本发明包括车门主程序子系统和电机运动控制子系统。本发明基于集成ARM硬核的SoC FPGA芯片。车门主程序子系统采用冗余设计，车门主程序1运行于ARM硬核上，车门主程序2运行于FPGA例化出的软核上，车门主程序1和车门主程序2执行相同的逻辑。电机运动控制子系统完全由FPGA实现，采用矢量控制理论控制无刷直流电机，与车门主程序子系统并行运行，通过AXI4‑Lite总线与车门主程序子系统通信。本发明可避免系统层面的共因故障，电机控制频率高，响应速度块，提高动车组塞拉门系统的安全性和稳定性。

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种基于SoC FPGA的动车组塞拉门控制系统。

背景技术

塞拉门是标准动车组上安装在车体侧墙上的具有密封功能的客室侧门。在门的开启和关闭过程中，门扇沿着导轨运行；门关闭后与门框塞紧，门外侧与车体外侧平齐；门开启后门扇位于车体外侧。

相比于国外，中国高速铁路运营环境和条件更为复杂多样，动车组要满足长距离、长时间、连续高速运行等需求。因此，打造适合中国国情、路情的高速动车组的设计、制造平台是十分必要的。为了实现高速动车组技术全面的自主化，从2012年开始，中国标准动车组的相关研制工作全面展开。在中国铁路总公司的主导之下，国内有关企业、高校、科研单位等优势力量参与其中。塞拉门及其控制系统是其中重要的组成部分，有非常高的安全性与稳定性要求。

共因故障指的是由特定的单一事件或起因导致若干装置或部件功能失效的故障。在一个嵌入式操作系统中，如果存在因为操作系统或编译工具链导致的程序错误，是很难察觉与定位的，从宏观表现上来看，程序可能会在随机的时间出现莫名其妙的错误，而且错误现象可能不一致，还难以复现，为调试带来巨大麻烦。冗余系统的设计就是为了解决这一问题。同时存在两个不同的底层系统，执行相同逻辑的程序使用各自系统的编译工具链生成，运行于各自的系统上。利用FPGA并行运行的特点，实时比较两个系统的输出，如果出现不一致，就通知两个系统记录当前的运行状态信息，为以后的分析与调试提供参考；同时，如果一个系统上的程序出现错误崩溃，可以将输出无缝切换到另一个系统的输出上，保证输出实时处于安全可控状态。

当前动车组塞拉门控制系统多采用ARM或DSP进行电机控制。电机控制部分实时性强，算法复杂，对处理器性能要求高，资源占用率高。采用ARM或DSP作为控制核心，受计算资源的限制，电机控制频率不高，对无刷直流电机的驱动方式多为六步换相算法。相比于更为先进的矢量控制理论，采用六步换相算法时电机噪声大，速度波动大，对动车组塞拉门的控制精度低。

例如，中国发明专利申请，公开号CN106014074B，公开了一种中国标准动车组塞拉门控制系统。在该系统中，PWM单元和霍尔传感器单元都连接在ARM处理器上，在ARM处理器中完成对电机的控制运算。

对比此系统，本发明的电机运动控制子系统完全由FPGA实现。在FPGA上实现无刷直流电机的控制，能够减少所需元器件的个数，缩小体积；FPGA并行运算能力强，因此能够应用先进的矢量控制理论，提高控制精度，提升系统的稳定性；电机运动控制子系统与车门主程序子系统并行运行，保证电机控制的实时性与独立性，提高系统安全性。

中国发明专利申请，公开号CN107703910A，公开了一种基于多处理器的高铁塞拉门控制系统。该系统包含DSP子板，实现电机运动控制子系统；包含FPGA子板，实现MVB通信子系统；包含ARM子板，实现以太网子系统。三个子系统通过母版相互连接，DSP子板与FPGA子板通过UART协议通信；DSP子板与ARM子板通过CAN总线通信。

对比此系统，本发明采用集成ARM硬核的SoC FPGA芯片，无需划分子板，系统集成度高，可靠性高；FPGA模块化编程的特点，易于移植、维护；芯片内部子系统间采用AXI4-Lite总线通信，对比UART协议与CAN总线，速度更快，响应时间更短。此外，本发明的电机控制子系统完全由FPGA实现。