地鐵車輛門控?zé)o刷直流電機(jī)淺談

蔡敦潔 高坤 楊吉波

摘要：地鐵車輛作為一種安全、快速、綠色的交通方式，能很大程度改善日益擁堵的城市交通運(yùn)輸環(huán)境，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。本課題以我國(guó)地鐵車輛自動(dòng)門控系統(tǒng)為研究載體，主要介紹地鐵車輛車門控?zé)o刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，以期能夠?qū)ο嚓P(guān)從業(yè)者提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;無刷直流電機(jī);結(jié)構(gòu)

1.引言

隨著地鐵車輛線網(wǎng)不斷擴(kuò)張，城市居民出行對(duì)地鐵的依賴程度日益加深。地鐵車輛作為一種安全、快速、綠色的交通方式，能很大程度改善日益擁堵的城市交通運(yùn)輸環(huán)境，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。地鐵車輛自動(dòng)門是其運(yùn)營(yíng)中使用最多的車輛設(shè)備之一，城市軌道列車運(yùn)行站點(diǎn)密度較大，需要頻繁對(duì)自動(dòng)門系統(tǒng)進(jìn)行操作，再加上人為干擾因素，使得自動(dòng)門系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障，甚至發(fā)生夾人事件，對(duì)乘客人身財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大的隱患，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)效率造成較為惡劣的影響。隨著科技的進(jìn)步，電控電動(dòng)自動(dòng)門作為一種新型的自動(dòng)門系統(tǒng)，自然受到了國(guó)內(nèi)外廠商的青睞，也分別研制出具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電控電動(dòng)自動(dòng)門系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)方式主要以有刷直流電機(jī)為主。不同電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的自動(dòng)門控制系統(tǒng)，其控制方法和驅(qū)動(dòng)方式也不盡相同，自動(dòng)門系統(tǒng)的性能亦有不小差異。因此，針對(duì)地鐵車輛自動(dòng)門控?zé)o刷直流電機(jī)進(jìn)行深入地研究，對(duì)地鐵車輛裝備制造業(yè)的發(fā)展具有非常重大的意義。

2.無刷直流電機(jī)

地鐵車輛自動(dòng)門系統(tǒng)作為一種經(jīng)常使用的車輛設(shè)備，需要一種運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)性好的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，選用更為先進(jìn)的無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)能一定程度上減小自動(dòng)門控制系統(tǒng)的故障率和維護(hù)時(shí)間，提高列車運(yùn)行效率。無刷直流電機(jī)利用電子換相器取代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷和機(jī)械換相器。隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，無刷直流電機(jī)的發(fā)展程度已日趨成熟，其高效率、長(zhǎng)壽命、低噪聲以及較好的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性的優(yōu)點(diǎn)使得無刷直流電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在電動(dòng)汽車、醫(yī)療設(shè)備、航空航天、數(shù)控機(jī)床及精密電子儀器設(shè)備等對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能和控制精度要求較高的場(chǎng)合。

3.門控?zé)o刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

無刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體、位置傳感器、功率驅(qū)動(dòng)電路三部分組成，為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。安裝在無刷直流電機(jī)上的轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相電路一起替代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置，其采用的方波勵(lì)磁形式很大程度上提高了永磁體的利用效率和縮小了電機(jī)體積，并且促進(jìn)了無刷直流電機(jī)在整體效率和可靠性方面的提高。這些優(yōu)點(diǎn)在提高自動(dòng)門系統(tǒng)品質(zhì)、延長(zhǎng)壽命方面具有重要的意義。對(duì)于門控?zé)o刷直流電機(jī)，除了選用合適的額定電壓和額定功率的電機(jī)外，還需要選用加裝減速裝置的特殊電機(jī)以滿足門體運(yùn)行速度的需要。

4.電機(jī)本體

無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)包含定子和轉(zhuǎn)子。其鐵芯中嵌有電樞繞組，電樞繞組的形式有多種，如整距分步式、短距分布式和整距集中式等。整距集中式的無刷直流電機(jī)每極下同相繞組的導(dǎo)體處在同一槽內(nèi)，氣隙磁通密度相同，得到的反電動(dòng)勢(shì)波形與氣隙磁通密度相似，因此能夠得到較好的梯形反電動(dòng)勢(shì)波形。電樞繞組一般為單相和多相，目前較為常用的為三相繞組。電樞繞組的連接方式可以分為星形或三角形，目前應(yīng)用較多的是三相對(duì)稱星形連接的無刷直流電機(jī)。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由鑲嵌在鐵芯上的一定極對(duì)數(shù)的永磁體。

5.位置傳感器

位置傳感器在無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中扮演著非常重要的角色，負(fù)責(zé)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置和為電子開關(guān)電路提供正確換相信息。在本文中，采用三路霍爾位置傳感器輸出實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和換相操作。無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)近年來發(fā)展迅速，主要包括反電動(dòng)勢(shì)法、磁鏈法、電感法和人工智能法等，它需要額外檢測(cè)手段和相應(yīng)的控制算法相結(jié)合。雖然無位置傳感器控制方式下的無刷直流電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是無形中增加無刷直流電機(jī)檢測(cè)手段和控制算法的復(fù)雜程度，對(duì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)成本和可靠性造成一定影響。除非檢測(cè)手段和控制算法是安全可靠的，才不會(huì)對(duì)城市軌道車輛自動(dòng)門控制的可靠性造成影響。目前，采用位置傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置和換相操作是比較常用的較為可靠的方法。無刷直流電機(jī)位置傳感器的種類很多，工作原理也不盡相同，主要有電磁式、光電式、磁敏式等?；魻栁恢脗鞲衅魇且环N常用的磁敏式位置傳感器，其具有體積小、使用方便和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

6.功率驅(qū)動(dòng)電路

功率驅(qū)動(dòng)電路是無刷直流電機(jī)控制部分的核心，是保持無刷直流電機(jī)產(chǎn)生源源不斷轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的重要保證。無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式分為半橋式、全橋式、H橋以及介于半橋和全橋驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)電路等。對(duì)于半橋式驅(qū)動(dòng)電路而言，無刷直流電機(jī)電樞繞組在一個(gè)通電周期內(nèi)，三分之一處于導(dǎo)通狀態(tài)，利用率較低。兩兩導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式是無刷直流電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)電路常見的導(dǎo)通方式。兩兩導(dǎo)通方式是每隔六分之一周期換相一次，而三三導(dǎo)通方式與兩兩導(dǎo)通方式的開關(guān)器件的導(dǎo)通次序不一樣。H橋驅(qū)動(dòng)電路可以隨時(shí)改變繞組電流的大小和方向，一般用于單相和兩相無刷直流電機(jī)中。

7.結(jié)束語(yǔ)

安全、穩(wěn)定、可靠、快速、準(zhǔn)時(shí)的自動(dòng)門系統(tǒng)是衡量城市軌道車輛自動(dòng)門系統(tǒng)好壞和保障人生安全與列車運(yùn)行效率的重要因素，而門控?zé)o刷直流電機(jī)調(diào)速性能、固有換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制和自動(dòng)門防擠壓功能的控制性能又與這些因素息息相關(guān)。主要介紹地鐵車輛車門控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ο嚓P(guān)從業(yè)者提供一定的幫助。

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