【導讀】國內(nèi)第一條安裝地鐵屏蔽門的是廣州地鐵二號線，隨后在國內(nèi)10幾個一線城市得到普及，國內(nèi)多家屏蔽門生產(chǎn)企業(yè)也逐漸打破了其核心技術(shù)被國外幾家企業(yè)壟斷的局面，我國自主開創(chuàng)的現(xiàn)行的軌道交通安全門系統(tǒng)驅(qū)動電機控制方案領(lǐng)先于世界。
地鐵屏蔽門是安裝于地鐵站臺靠軌道側(cè)邊沿，把站臺區(qū)域與軌道區(qū)域相互隔離開的設(shè)備。設(shè)置屏蔽門的主要目的是防止人員跌落軌道產(chǎn)生意外事故，降低車站空調(diào)通風系統(tǒng)的運行能耗，同時減少列車運行噪聲和活塞風對車站的影響，為乘客提供一個安全、舒適的候車環(huán)境，提高地鐵的服務(wù)水平。
我國自2002年廣州地鐵2號線引進屏蔽門系統(tǒng)以來，地鐵屏蔽門(安全門)系統(tǒng)在全國各地10幾個城市新建線路上得到了廣泛應用，它的投入使用極大的改善了地鐵車站的舒適性，加強了乘客和地鐵相關(guān)設(shè)備的安全性，提升了地鐵運營的服務(wù)質(zhì)量，使地鐵站臺屏蔽門安全門專業(yè)逐漸成為地鐵建設(shè)的標準配置。站臺安全門的在國內(nèi)地鐵10年的應用歷程也逐步經(jīng)歷了國外引進、局部仿制、全套國產(chǎn)化的曲折經(jīng)歷，其中門機系統(tǒng)的國產(chǎn)化是其中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其國產(chǎn)化選型的合理性和科學性，直接影響安全門的使用效果和經(jīng)濟成本，本文從理論角度，通過推導計算對國產(chǎn)化電機方案進行了比選和選型關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析和計算。
1. 地鐵安全門的運動特性
地鐵安全門系統(tǒng)門主要由門體(框架結(jié)構(gòu))、門機系統(tǒng)(傳動件及電機)、門控制系統(tǒng)(DCU及PEDC)組成。其中門機系統(tǒng)承擔著安全門系統(tǒng)的主要運動功能，是安全門可靠、穩(wěn)定運行的主要保障，門機中驅(qū)動電機的國產(chǎn)化選型和參數(shù)計算在安全門系統(tǒng)方案中舉足輕重，合理的選型及參數(shù)計算是整個系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，現(xiàn)本文從運動學和電機學方面淺析一下驅(qū)動電機方案比選及參數(shù)計算：
2. 地鐵站臺安全門運動模型
地鐵站臺安全門主要工作原理為驅(qū)動電機M通過減速器(減速比為1：10)，帶動正時皮帶主動輪A(直徑為50.93mm),主動輪轉(zhuǎn)動通過皮帶帶動左右兩扇滑動門(ASD-L,ASD-R)，在行程為1900mm的范圍內(nèi)進行往復開關(guān)門運動。
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3. 電機種類選型：
根據(jù)地鐵安全門的運動特點，宜選用調(diào)速性能較好、安全、易于維護的電機。目前可用于自動門控制的電機基本為以下三種：
l 直流無刷電機：BLDC;
l 永磁同步電機：PMSM;
l 三相異步電機：ACIM(有時也稱為感應電機)。
3.1. 直流無刷電機控制系統(tǒng)
在一般直流電機中有，定子勵磁繞組，轉(zhuǎn)子繞組。通過換向器和電刷將轉(zhuǎn)子中的電流反向來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。這種電機因為有電刷，在運行中會出現(xiàn)磨損，目前不 建議使用。為了克服這種機械磨損，與之相反，在BLDC電機中繞組在定子上而轉(zhuǎn)子是永磁體，這就是為什么選擇BLDC。這種電機的優(yōu)點是：
l 消除了機械換向器和碳刷，這將極大增強機械的可靠性。
l 直流有刷電機的換向哭和碳刷會導致火花，因此這些部件的消除意味著BLDC電機可以惡劣的環(huán)境中。
l 由于BLDC電機繞組鈾耗I2R發(fā)生在定子中。因此可方便通過電機外殼進行散熱。
BLDC電機的定子繞組采用整距集中繞組。繞組的相數(shù)有二、三、四、五相，但應用最多的是三相或四相。考慮到成本，一般采用三相即可。
l 繞組利用率：不像普通直流電機那樣，BLDC的繞組是斷續(xù)通電的。適當?shù)靥岣呃@組通電利用率將可以是同時通電導體數(shù)增加，使電阻下降，提高效率。從這個角度來看，三相比四相好，四相比五相好。
l 轉(zhuǎn)矩的波動：BLDC電機的輸出轉(zhuǎn)矩波動比普通直流電機大，因此希望盡量減少轉(zhuǎn)矩波動。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的波動越小。
l 電路成本：相數(shù)越多，驅(qū)動電路所使用的開關(guān)管越多，成本越高。而且電機結(jié)構(gòu)也越復雜。
對電機控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)一般也有以下幾種：
l 無速度傳感哭的控制系統(tǒng)，一般有電流傳感器;
l 有速度傳感器的控制系統(tǒng)，一般無電流傳感器;
l 有速度傳感器的控制系統(tǒng)，一般有電流傳感器。根據(jù)我們建議采用雙傳感器的電機控制系統(tǒng)。這樣即可以進行位置控制，也能進行轉(zhuǎn)矩控制。
l BLDC電機的缺點是：轉(zhuǎn)矩的波動大，噪聲大，控制精度低，過載成能差。
l BLDC電機的優(yōu)點是：價格便宜，控制算法簡單并容易實現(xiàn)。
3.2. 永磁同步電機控制系統(tǒng)
由于具有體積小、控制方便和高效率的特點，許多工業(yè)應用都采用BLDC電機。BLDC愈來愈多地出現(xiàn)在汽車應用領(lǐng)域。但在高性能應用中，如機床設(shè)備和低噪聲風機應用中，平衡的轉(zhuǎn)矩輸出是至關(guān)重要的。
BLDC難以應用在需要低轉(zhuǎn)矩脈動和低噪聲運行的場合。BLDC電機中繞組的梯形分布將在電機運行過程中導致轉(zhuǎn)矩脈動，這是由于產(chǎn)生的電流也是梯形分 布的。這種轉(zhuǎn)矩肪動將導致小的轉(zhuǎn)速振蕩而產(chǎn)生音頻噪聲。另一方面，弦反電動勢的BLDC電機，也稱作永磁同步電機(PMSM)，采用正弦電流進行驅(qū)動，在 減小了轉(zhuǎn)矩脈動，從而將音頻噪聲降低到最小限度。
l PMSM電機的優(yōu)點是：體積小、控制精度高。
l PMSM電機的缺點是：容易退磁，電機造價高。
3.3. 三相異步電機(ACIM)控制系統(tǒng)
l ACIM電機的優(yōu)點是：可靠性高，免維護，電機造價低;
l ACIM電機的缺點是：體積大，控制算法復雜并不容易實現(xiàn)。
3.4. BLDC電機控制方法
根據(jù)前三點分析，結(jié)合地鐵屏蔽門運動需求，控制精度，選用BLDC電機可獲得最優(yōu)性價比。
BLDC電機的工作模式由DCU輸出的PWM信號進行控制。安全門的運動是由門控單元DCU控制的。電機正反向的控制由六個MOSFET組成的電路控制，滑動門運行各階段所需的速度和力矩由DCU輸出的PWM信號控制。電機驅(qū)動原理圖如下所示：
圖2：電機驅(qū)動原理圖
圖3：時序圖
PWM信號按照下圖所示時序控制U+,V+,W+,U-,V-,W-這六個MOSFET管的導通和截止，可在轉(zhuǎn)子運動空間內(nèi)產(chǎn)生一個正向旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn) 子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場運動，實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)，時序脈沖的轉(zhuǎn)換間隔越短，電機轉(zhuǎn)速越快。同理，使旋轉(zhuǎn)磁場反向運動，即可實現(xiàn)電機的反轉(zhuǎn)。
圖4 ：速度控制方框圖
開門過程：
列車到達車站，DCU接到開門命令,輸出預設(shè)PWM信號，同時不斷獲取電機編碼器的霍爾效應信號，得到門位置和門速信息，再將所測門速信息與該門位置 的預設(shè)速度進行比較，用比較結(jié)果調(diào)節(jié)PWM信號參數(shù)，改變PWM輸出的脈沖寬度，相應的電機轉(zhuǎn)速和力矩不斷變化，使滑動門按照預設(shè)的開門曲線依次實現(xiàn)加速 運行階段、勻速運行階段、減速運行階段、緩慢接近開門限位，最終，滑動門停止在全開限位位置。
開門速度曲線：
t2:達到高速勻速運動
t3:開門接近限位減速過程
t4:緩慢運動達到限位
關(guān)門過程：
關(guān)門過程電機轉(zhuǎn)動方向和開門過程電機轉(zhuǎn)動方向相反，在勻速減速后多了一個低速運行段，經(jīng)歷加速運行階段、勻速運行階段、減速運行階段、低速運行階段，各階段運行均由DCU輸出的PWM信號控制。各階段的運行參數(shù)可根據(jù)實際情況靈活設(shè)置。
關(guān)門速度曲線：
t1:關(guān)門加速過程
t2:達到高速勻速運動
t3:由高速至慢速關(guān)門減速過程
t4:慢速關(guān)門至門關(guān)閉限位
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4. 電機參數(shù)的選型計算
電機在選型時需要根據(jù)電機安裝空間、額定電壓、額定功率、環(huán)境要求(溫度、濕度、振動、散熱能力、有無軸向和徑向負載、工作類型(連續(xù)，間歇，或者周期性運行)等指標進行初步選型。
考慮根據(jù)提高運營效率，滑動門開關(guān)門過程中需要在很短的時間內(nèi)加速到高速運行階段。因此應確保電機可提供足夠的加速力矩，選定電機的最大輸出扭矩應大 于滑動門的加速時所需的最大力矩。為使滑動門可在固定的時間內(nèi)完成開關(guān)門動作，滑動門的最高運行速度也是一個重要的因素，因此還需注意電機所能輸出的最高 轉(zhuǎn)速。針對相應的門體自重和摩擦阻力進行功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的計算，再根據(jù)電機的參數(shù)中的電流—轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線，選定合適的電機。
選定的BLDC電機的T-N-I曲線如下：
在電機選型計算重點是電機的帶載能力計算，主要是電機的扭矩計算和轉(zhuǎn)速計算。
在配置一臺合適的電機時，確定所需轉(zhuǎn)矩對于防止電機過載運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)熱過載至關(guān)重要
以下根據(jù)地鐵安全門電機拖動模型著重計算一下電機的功率和扭矩。
滑動門運動曲線特性計算電機等效功率如下：
1)已知條件
a) 門重量
重量： M=75kg/leaf
b) 機械條件
導靴阻力：10.6N/leaf
開門阻力(不用馬達和傳送帶)： 30N/leaf
正時滑輪A直徑: D=50.93mm
門機最大輸出效率(DCM):=0.95
滑輪和同步傳送帶傳輸效率:=0.9
其他條件：開關(guān)頻率：每3分鐘開關(guān)一次
另外根據(jù)中華人民共和國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標準CJ/T 236-2006 城市軌道交通站臺屏蔽門標準，及相關(guān)地鐵運營方要求，以北京地鐵目前投入使用的地鐵目前使用的B型車為例(車門寬度1300mm)：
(1) 滑動門開門行程時間：2.5±0.1s～3.5±0.1s范圍內(nèi)無級可調(diào)
(2) 滑動門關(guān)門行程時間：3.0±0.1s～4.0±0.1s范圍內(nèi)無級可調(diào)
(3) 滑動門運動的動能：關(guān)門過程中，在最后100mm的行程中動能不應超過1J/扇門。
(4) 在行程中的最大動能不能超過10J/扇門
(5) 停車精度±300mm.
還可知如下限定條件：
電機最大速度 Vh=0.45米
門開度：1300mm+600mm=1.9m
電機沖程： L=1.9/2=0.95m
最小開門/關(guān)門時間： 2.5 秒/3.秒
末端速度V
關(guān)門速度曲線參數(shù)
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5. 控制系統(tǒng)方案
5.1. 需求分析
表 1：某電機參數(shù)表
其中：
P=額定功率，單位W
T=額定轉(zhuǎn)矩，單位Nm
n=額定轉(zhuǎn)速，單位rpm
表2：速度曲線
根據(jù)機械條件：
l 導槽阻力：10.6N/leaf
l 開門阻力：30N/leaf''''''''
從而得知：門體阻力：R=(10.6+30)×2=81.2N
5.2. 計算過程
滑動門加速所需要的力Fa為：
∵Fa-R=ma(m=門體質(zhì)量，M=75kg/leaf;a=開門加速度，在表2為查得Aa=1.5m/s2)
∴ 其中：效率η=門機最大輸出效率(DCM)×滑輪和同步傳送帶傳輸效率=0.95×0.9=0.855
滑動門加速所需要的電機轉(zhuǎn)矩Ta為：
Ta=Fa×r=358.128(N)×0.0255(m)=9.132NM(滿足最大轉(zhuǎn)矩Tmax=13.23Nm)
滑動門高速時所需要的電機轉(zhuǎn)矩Th為：
Th=Fa×r=358.128(N)×0.025(m)=2.07NM
若考慮到效率，則Th÷η=2.07÷0.855=2.42NM
可滿足額定轉(zhuǎn)矩To=2.55(Nm)
其中：
W=重量，單位：kg
ν=速度，單位：m/s
ω=動量，單位：J
P=功率，單位：W
T=時間，單位：s
線速Vh=0.45m/s,則轉(zhuǎn)速為：
6. 結(jié)論
根據(jù)地鐵屏蔽門運動需求，控制精度，綜合以上條件得出結(jié)論，選用額定功率90W左右BLDC電機即可獲得最優(yōu)性價比。
