【導(dǎo)讀】國內(nèi)第一條安裝地鐵屏蔽門的是廣州地鐵二號(hào)線，隨后在國內(nèi)10幾個(gè)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(dòng)電機(jī)控制方案領(lǐng)先于世界。
地鐵屏蔽門是安裝于地鐵站臺(tái)靠軌道側(cè)邊沿，把站臺(tái)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(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，同時(shí)減少列車運(yùn)行噪聲和活塞風(fēng)對(duì)車站的影響，為乘客提供一個(gè)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(hào)線引進(jìn)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(gè)城市新建線路上得到了廣泛應(yīng)用，它的投入使用極大的改善了地鐵車站的舒適性，加強(qiáng)了乘客和地鐵相關(guān)設(shè)備的安全性，提升了地鐵運(yùn)營的服務(wù)質(zhì)量，使地鐵站臺(tái)屏蔽門安全門專業(yè)逐漸成為地鐵建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。站臺(tái)安全門的在國內(nèi)地鐵10年的應(yīng)用歷程也逐步經(jīng)歷了國外引進(jìn)、局部仿制、全套國產(chǎn)化的曲折經(jīng)歷，其中門機(jī)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(xué)性，直接影響安全門的使用效果和經(jīng)濟(jì)成本，本文從理論角度，通過推導(dǎo)計(jì)算對(duì)國產(chǎn)化電機(jī)方案進(jìn)行了比選和選型關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析和計(jì)算。
1. 地鐵安全門的運(yùn)動(dòng)特性
地鐵安全門系統(tǒng)門主要由門體(框架結(jié)構(gòu))、門機(jī)系統(tǒng)(傳動(dòng)件及電機(jī))、門控制系統(tǒng)(DCU及PEDC)組成。其中門機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)著安全門系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)功能，是安全門可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的主要保障，門機(jī)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的國產(chǎn)化選型和參數(shù)計(jì)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(jì)算是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，現(xiàn)本文從運(yùn)動(dòng)學(xué)和電機(jī)學(xué)方面淺析一下驅(qū)動(dòng)電機(jī)方案比選及參數(shù)計(jì)算：
2. 地鐵站臺(tái)安全門運(yùn)動(dòng)模型
地鐵站臺(tái)安全門主要工作原理為驅(qū)動(dòng)電機(jī)M通過減速器(減速比為1：10)，帶動(dòng)正時(shí)皮帶主動(dòng)輪A(直徑為50.93mm),主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過皮帶帶動(dòng)左右兩扇滑動(dòng)門(ASD-L,ASD-R)，在行程為1900mm的范圍內(nèi)進(jìn)行往復(fù)開關(guān)門運(yùn)動(dòng)。
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3. 電機(jī)種類選型：
根據(jù)地鐵安全門的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，宜選用調(diào)速性能較好、安全、易于維護(hù)的電機(jī)。目前可用于自動(dòng)門控制的電機(jī)基本為以下三種：
l 直流無刷電機(jī)：BLDC;
l 永磁同步電機(jī)：PMSM;
l 三相異步電機(jī)：ACIM(有時(shí)也稱為感應(yīng)電機(jī))。
3.1. 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)
在一般直流電機(jī)中有，定子勵(lì)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(yùn)動(dòng)。這種電機(jī)因?yàn)橛须娝ⅲ谶\(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)磨損，目前不 建議使用。為了克服這種機(jī)械磨損，與之相反，在BLDC電機(jī)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：
l 消除了機(jī)械換向器和碳刷，這將極大增強(qiáng)機(jī)械的可靠性。
l 直流有刷電機(jī)的換向哭和碳刷會(huì)導(dǎo)致火花，因此這些部件的消除意味著BLDC電機(jī)可以惡劣的環(huán)境中。
l 由于BLDC電機(jī)繞組鈾耗I2R發(fā)生在定子中。因此可方便通過電機(jī)外殼進(jìn)行散熱。
BLDC電機(jī)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(yīng)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(jī)那樣，BLDC的繞組是斷續(xù)通電的。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組通電利用率將可以是同時(shí)通電導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，提高效率。從這個(gè)角度來看，三相比四相好，四相比五相好。
l 轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)：BLDC電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比普通直流電機(jī)大，因此希望盡量減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)越小。
l 電路成本：相數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)電路所使用的開關(guān)管越多，成本越高。而且電機(jī)結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。
對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(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(jī)控制系統(tǒng)。這樣即可以進(jìn)行位置控制，也能進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。
l BLDC電機(jī)的缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)大，噪聲大，控制精度低，過載成能差。
l BLDC電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜，控制算法簡單并容易實(shí)現(xiàn)。
3.2. 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)
由于具有體積小、控制方便和高效率的特點(diǎn)，許多工業(yè)應(yīng)用都采用BLDC電機(jī)。BLDC愈來愈多地出現(xiàn)在汽車應(yīng)用領(lǐng)域。但在高性能應(yīng)用中，如機(jī)床設(shè)備和低噪聲風(fēng)機(jī)應(yīng)用中，平衡的轉(zhuǎn)矩輸出是至關(guān)重要的。
BLDC難以應(yīng)用在需要低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和低噪聲運(yùn)行的場合。BLDC電機(jī)中繞組的梯形分布將在電機(jī)運(yùn)行過程中導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這是由于產(chǎn)生的電流也是梯形分 布的。這種轉(zhuǎn)矩肪動(dòng)將導(dǎo)致小的轉(zhuǎn)速振蕩而產(chǎn)生音頻噪聲。另一方面，弦反電動(dòng)勢的BLDC電機(jī)，也稱作永磁同步電機(jī)(PMSM)，采用正弦電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在 減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而將音頻噪聲降低到最小限度。
l PMSM電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、控制精度高。
l PMSM電機(jī)的缺點(diǎn)是：容易退磁，電機(jī)造價(jià)高。
3.3. 三相異步電機(jī)(ACIM)控制系統(tǒng)
l ACIM電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：可靠性高，免維護(hù)，電機(jī)造價(jià)低;
l ACIM電機(jī)的缺點(diǎn)是：體積大，控制算法復(fù)雜并不容易實(shí)現(xiàn)。
3.4. BLDC電機(jī)控制方法
根據(jù)前三點(diǎn)分析，結(jié)合地鐵屏蔽門運(yùn)動(dòng)需求，控制精度，選用BLDC電機(jī)可獲得最優(yōu)性價(jià)比。
BLDC電機(jī)的工作模式由DCU輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行控制。安全門的運(yùn)動(dòng)是由門控單元DCU控制的。電機(jī)正反向的控制由六個(gè)MOSFET組成的電路控制，滑動(dòng)門運(yùn)行各階段所需的速度和力矩由DCU輸出的PWM信號(hào)控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如下所示：
圖2：電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖
圖3：時(shí)序圖
PWM信號(hào)按照下圖所示時(shí)序控制U+,V+,W+,U-,V-,W-這六個(gè)MOSFET管的導(dǎo)通和截止，可在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn) 子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，時(shí)序脈沖的轉(zhuǎn)換間隔越短，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。同理，使旋轉(zhuǎn)磁場反向運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。
圖4 ：速度控制方框圖
開門過程：
列車到達(dá)車站，DCU接到開門命令,輸出預(yù)設(shè)PWM信號(hào)，同時(shí)不斷獲取電機(jī)編碼器的霍爾效應(yīng)信號(hào)，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(yù)設(shè)速度進(jìn)行比較，用比較結(jié)果調(diào)節(jié)PWM信號(hào)參數(shù)，改變PWM輸出的脈沖寬度，相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩不斷變化，使滑動(dòng)門按照預(yù)設(shè)的開門曲線依次實(shí)現(xiàn)加速 運(yùn)行階段、勻速運(yùn)行階段、減速運(yùn)行階段、緩慢接近開門限位，最終，滑動(dòng)門停止在全開限位位置。
開門速度曲線：
t2:達(dá)到高速勻速運(yùn)動(dòng)
t3:開門接近限位減速過程
t4:緩慢運(yùn)動(dòng)達(dá)到限位
關(guān)門過程：
關(guān)門過程電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和開門過程電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，在勻速減速后多了一個(gè)低速運(yùn)行段，經(jīng)歷加速運(yùn)行階段、勻速運(yùn)行階段、減速運(yùn)行階段、低速運(yùn)行階段，各階段運(yùn)行均由DCU輸出的PWM信號(hào)控制。各階段的運(yùn)行參數(shù)可根據(jù)實(shí)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(dá)到高速勻速運(yùn)動(dòng)
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(jī)參數(shù)的選型計(jì)算
電機(jī)在選型時(shí)需要根據(jù)電機(jī)安裝空間、額定電壓、額定功率、環(huán)境要求(溫度、濕度、振動(dòng)、散熱能力、有無軸向和徑向負(fù)載、工作類型(連續(xù)，間歇，或者周期性運(yùn)行)等指標(biāo)進(jìn)行初步選型。
考慮根據(jù)提高運(yùn)營效率，滑動(dòng)門開關(guān)門過程中需要在很短的時(shí)間內(nèi)加速到高速運(yùn)行階段。因此應(yīng)確保電機(jī)可提供足夠的加速力矩，選定電機(jī)的最大輸出扭矩應(yīng)大 于滑動(dòng)門的加速時(shí)所需的最大力矩。為使滑動(dòng)門可在固定的時(shí)間內(nèi)完成開關(guān)門動(dòng)作，滑動(dòng)門的最高運(yùn)行速度也是一個(gè)重要的因素，因此還需注意電機(jī)所能輸出的最高 轉(zhuǎn)速。針對(duì)相應(yīng)的門體自重和摩擦阻力進(jìn)行功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算，再根據(jù)電機(jī)的參數(shù)中的電流—轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線，選定合適的電機(jī)。
選定的BLDC電機(jī)的T-N-I曲線如下：
在電機(jī)選型計(jì)算重點(diǎn)是電機(jī)的帶載能力計(jì)算，主要是電機(jī)的扭矩計(jì)算和轉(zhuǎn)速計(jì)算。
在配置一臺(tái)合適的電機(jī)時(shí)，確定所需轉(zhuǎn)矩對(duì)于防止電機(jī)過載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)熱過載至關(guān)重要
以下根據(jù)地鐵安全門電機(jī)拖動(dòng)模型著重計(jì)算一下電機(jī)的功率和扭矩。
滑動(dòng)門運(yùn)動(dòng)曲線特性計(jì)算電機(jī)等效功率如下：
1)已知條件
a) 門重量
重量： M=75kg/leaf
b) 機(jī)械條件
導(dǎo)靴阻力：10.6N/leaf
開門阻力(不用馬達(dá)和傳送帶)： 30N/leaf
正時(shí)滑輪A直徑: D=50.93mm
門機(jī)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(biāo)準(zhǔn)CJ/T 236-2006 城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門標(biāo)準(zhǔn)，及相關(guān)地鐵運(yùn)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(dòng)門開門行程時(shí)間：2.5±0.1s～3.5±0.1s范圍內(nèi)無級(jí)可調(diào)
(2) 滑動(dòng)門關(guān)門行程時(shí)間：3.0±0.1s～4.0±0.1s范圍內(nèi)無級(jí)可調(diào)
(3) 滑動(dòng)門運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能：關(guān)門過程中，在最后100mm的行程中動(dòng)能不應(yīng)超過1J/扇門。
(4) 在行程中的最大動(dòng)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(jī)最大速度 Vh=0.45米
門開度：1300mm+600mm=1.9m
電機(jī)沖程： L=1.9/2=0.95m
最小開門/關(guān)門時(shí)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(jī)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(jī)械條件：
l 導(dǎo)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(jì)算過程
滑動(dòng)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(jī)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(dòng)門加速所需要的電機(jī)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(dòng)門高速時(shí)所需要的電機(jī)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(dòng)量，單位：J
P=功率，單位：W
T=時(shí)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(yùn)動(dòng)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(jī)即可獲得最優(yōu)性價(jià)比。
