地(di)鐵(tie)屏(ping)蔽(bi)門(men)是(shi)安(an)裝(zhuang)於(yu)地(di)鐵(tie)站(zhan)台(tai)靠(kao)軌(gui)道(dao)側(ce)邊(bian)沿(yan)，把(ba)站(zhan)台(tai)區(qu)域(yu)與(yu)軌(gui)道(dao)區(qu)域(yu)相(xiang)互(hu)隔(ge)離(li)開(kai)的(de)設(she)備(bei)。設(she)置(zhi)屏(ping)蔽(bi)門(men)的(de)主(zhu)要(yao)目(mu)的(de)是(shi)防(fang)止(zhi)人(ren)員(yuan)跌(die)落(luo)軌(gui)道(dao)產(chan)生(sheng)意(yi)外(wai)事(shi)故(gu)
，降(jiang)低(di)車(che)站(zhan)空(kong)調(tiao)通(tong)風(feng)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)行(xing)能(neng)耗(hao)，同(tong)時(shi)減(jian)少(shao)列(lie)車(che)運(yun)行(xing)噪(zao)聲(sheng)和(he)活(huo)塞(sai)風(feng)對(dui)車(che)站(zhan)的(de)影(ying)響(xiang)
，為(wei)乘(cheng)客(ke)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)安(an)全(quan)、舒適的候車環境，提高地鐵的服務水平。　


我國自2002年廣州地鐵2號線引進屏蔽門係統以來

，地鐵屏蔽門(安全門)係統在全國各地10jigechengshixinjianxianlushangdedaoleguangfanyingyong，tadetourushiyongjidadegaishanleditiechezhandeshushixing，jiaqianglechengkeheditiexiangguanshebeideanquanxing
，tishengleditieyunyingdefuwuzhiliang
，shiditiezhantaipingbimenanquanmenzhuanyezhujianchengweiditiejianshedebiaozhunpeizhi。zhantaianquanmendezaiguoneiditie10年的應用曆程也逐步經曆了國外引進、局部仿製、quantaoguochanhuadequzhejingli，qizhongmenjixitongdeguochanhuashiqizhongzhiguanzhongyaodehuanjie，qiguochanhuaxuanxingdehelixinghekexuexing，zhijieyingxianganquanmendeshiyongxiaoguohejingjichengben，benwenconglilunjiaodu，tongguotuidaojisuanduiguochanhuadianjifanganjinxinglebixuanhexuanxingguanjianshujufenxihejisuan。

1. 地鐵安全門的運動特性

地鐵安全門係統門主要由門體(框架結構)、門機係統(傳動件及電機)、門控製係統(DCU及PEDC)組成。其中門機係統承擔著安全門係統的主要運動功能，是安全門可靠
、穩wen定ding運yun行xing的de主zhu要yao保bao障zhang，門men機ji中zhong驅qu動dong電dian機ji的de國guo產chan化hua選xuan型xing和he參can數shu計ji算suan在zai安an全quan門men係xi統tong方fang案an中zhong舉ju足zu輕qing重zhong，合he理li的de選xuan型xing及ji參can數shu計ji算suan是shi整zheng個ge係xi統tong設she計ji的de基ji礎chu，現xian本ben文wen從cong運yun動dong學xue和he電dian機ji學xue方fang麵mian淺qian析xi一yi下xia驅qu動dong電dian機ji方fang案an比bi選xuan及ji參can數shu計ji算suan：

2. 地鐵站台安全門運動模型

地鐵站台安全門主要工作原理為驅動電機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),主動輪轉動通過皮帶帶動左右兩扇滑動門(ASD-L,ASD-R)，在行程為1900mm的範圍內進行往複開關門運動。



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3. 電機種類選型：

根據地鐵安全門的運動特點
，宜選用調速性能較好、安全

、易於維護的電機。目前可用於自動門控製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. 直流無刷電機控製係統

在(zai)一(yi)般(ban)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)中(zhong)有(you)
，定(ding)子(zi)勵(li)磁(ci)繞(rao)組(zu)，轉(zhuan)子(zi)繞(rao)組(zu)。通(tong)過(guo)換(huan)向(xiang)器(qi)和(he)電(dian)刷(shua)將(jiang)轉(zhuan)子(zi)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)反(fan)向(xiang)來(lai)產(chan)生(sheng)旋(xuan)轉(zhuan)運(yun)動(dong)。這(zhe)種(zhong)電(dian)機(ji)因(yin)為(wei)有(you)電(dian)刷(shua)
，在(zai)運(yun)行(xing)中(zhong)會(hui)出(chu)現(xian)磨(mo)損(sun)，目(mu)前(qian)不(bu) 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子是永磁體，這就是為什麼選擇BLDC。這種電機的優點是：

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電機可以惡劣的環境中。

l 由於BLDC電機繞組鈾耗I2R發生在定子中。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，BLDCderaozushiduanxutongdiande。shidangditigaoraozutongdianliyonglvjiangkeyishitongshitongdiandaotishuzengjia，shidianzuxiajiang
，tigaoxiaolv。congzhegejiaodulaikan
，sanxiangbisixianghao，sixiangbiwuxianghao。

l 轉矩的波動：BLDC電機的輸出轉矩波動比普通直流電機大
，因此希望盡量減少轉矩波動。一般相數越多
，轉矩的波動越小。

l 電路成本：相數越多，驅動電路所使用的開關管越多
，成本越高。而且電機結構也越複雜。

對電機控製係統的拓撲結構一般也有以下幾種：

l 無速度傳感哭的控製係統，一般有電流傳感器;

l 有速度傳感器的控製係統，一般無電流傳感器;

l yousuduchuanganqidekongzhixitong
，yibanyoudianliuchuanganqi。genjuwomenjianyicaiyongshuangchuanganqidedianjikongzhixitong。zheyangjikeyijinxingweizhikongzhi

，yenengjinxingzhuanjukongzhi。

l BLDC電機的缺點是：轉矩的波動大，噪聲大
，控製精度低，過載成能差。

l BLDC電機的優點是：價格便宜，控製算法簡單並容易實現。

3.2. 永磁同步電機控製係統

由於具有體積小
、控製方便和高效率的特點
，許多工業應用都采用BLDC電機。BLDC愈來愈多地出現在汽車應用領域。但在高性能應用中


，如機床設備和低噪聲風機應用中，平衡的轉矩輸出是至關重要的。

BLDC難以應用在需要低轉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矩脈動，這是由於產生的電流也是梯形分 布的。這種轉矩肪動將導致小的轉速振蕩而產生音頻噪聲。另一方麵，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動，在 減小了轉矩脈動，從而將音頻噪聲降低到最小限度。

l PMSM電機的優點是：體積小、控製精度高。

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)控製係統

l ACIM電機的優點是：可靠性高，免維護
，電機造價低;

l ACIM電機的缺點是：體積大，控製算法複雜並不容易實現。
 
3.4. BLDC電機控製方法

根據前三點分析
，結合地鐵屏蔽門運動需求，控製精度
，選用BLDC電機可獲得最優性價比。

BLDC電機的工作模式由DCU輸出的PWM信號進行控製。安全門的運動是由門控單元DCU控製的。電機正反向的控製由六個MOSFET組成的電路控製，滑動門運行各階段所需的速度和力矩由DCU輸出的PWM信號控製。電機驅動原理圖如下所示：



PWM信號按照下圖所示時序控製U+,V+,W+,U-,V-,W-這六個MOSFET管的導通和截止

，可在轉子運動空間內產生一個正向旋轉的磁場
，轉 子zi跟gen隨sui旋xuan轉zhuan磁ci場chang運yun動dong，實shi現xian電dian機ji的de正zheng轉zhuan，時shi序xu脈mai衝chong的de轉zhuan換huan間jian隔ge越yue短duan，電dian機ji轉zhuan速su越yue快kuai。同tong理li，使shi旋xuan轉zhuan磁ci場chang反fan向xiang運yun動dong
，即ji可ke實shi現xian電dian機ji的de反fan轉zhuan。


開門過程：

列車到達車站，DCU接到開門命令,輸出預設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 的預設速度進行比較
，用比較結果調節PWM信號參數，改變PWM輸出的脈衝寬度，相應的電機轉速和力矩不斷變化，使滑動門按照預設的開門曲線依次實現加速 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：

  t1:開門加速過程

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

關門過程：

關門過程電機轉動方向和開門過程電機轉動方向相反，在勻速減速後多了一個低速運行段，經曆加速運行階段、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信號控製。各階段的運行參數可根據實際情況靈活設置。

關門速度曲線：

 
t1:關門加速過程

t2:達到高速勻速運動

t3:由高速至慢速關門減速過程

t4:慢速關門至門關閉限位

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4. 電機參數的選型計算

電機在選型時需要根據電機安裝空間、額定電壓、額定功率、環境要求(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
，間歇，或者周期性運行)等指標進行初步選型。

考kao慮lv根gen據ju提ti高gao運yun營ying效xiao率lv
，滑hua動dong門men開kai關guan門men過guo程cheng中zhong需xu要yao在zai很hen短duan的de時shi間jian內nei加jia速su到dao高gao速su運yun行xing階jie段duan。因yin此ci應ying確que保bao電dian機ji可ke提ti供gong足zu夠gou的de加jia速su力li矩ju
，選xuan定ding電dian機ji的de最zui大da輸shu出chu扭niu矩ju應ying大da 於(yu)滑(hua)動(dong)門(men)的(de)加(jia)速(su)時(shi)所(suo)需(xu)的(de)最(zui)大(da)力(li)矩(ju)。為(wei)使(shi)滑(hua)動(dong)門(men)可(ke)在(zai)固(gu)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)完(wan)成(cheng)開(kai)關(guan)門(men)動(dong)作(zuo)
，滑(hua)動(dong)門(men)的(de)最(zui)高(gao)運(yun)行(xing)速(su)度(du)也(ye)是(shi)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)因(yin)素(su)，因(yin)此(ci)還(hai)需(xu)注(zhu)意(yi)電(dian)機(ji)所(suo)能(neng)輸(shu)出(chu)的(de)最(zui)高(gao) 轉速。針對相應的門體自重和摩擦阻力進行功率
、轉矩和轉速的計算，再根據電機的參數中的電流—轉速—轉矩曲線，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速計算。

在配置一台合適的電機時
，確定所需轉矩對於防止電機過載運轉時出現熱過載至關重要

以下根據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：開關頻率：每3分鍾開關一次

另外根據中華人民共和國城鎮建設行業標準CJ/T 236-2006 城市軌道交通站台屏蔽門標準，及相關地鐵運營方要求，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範圍內無級可調

(2) 滑動門關門行程時間：3.0±0.1s～4.0±0.1s範圍內無級可調

(3) 滑動門運動的動能：關門過程中，在最後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

電機衝程： L=1.9/2=0.95m

最小開門/關門時間： 2.5 秒/3.秒

末端速度V

關門速度曲線參數


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5. 控製係統方案

5.1. 需求分析

表 1：某電機參數表

根據表1我們可以得到：
 
其中：

P=額定功率，單位W

T=額定轉矩，單位Nm

n=額定轉速
，單位rpm

表2：速度曲線

 
根據機械條件：

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矩Ta為：

 
Ta=Fa×r=358.128(N)×0.0255(m)=9.132NM(滿足最大轉矩Tmax=13.23Nm)

滑動門高速時所需要的電機轉矩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

其中：

P=功率
，單位：W

T=時間，單位：s

線速Vh=0.45m/s,則轉速為：

換算成標準單位


，nr×60(s)=2.8×60=168rpm低於額定340(rpm)

6. 結論

根據地鐵屏蔽門運動需求
，控製精度

，綜合以上條件得出結論，選用額定功率90W左右BLDC電機即可獲得最優性價比。