地鐵車輛門控無刷直流電機淺談

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輸環境，滿足經濟社會的可持續發展戰略。本課題以我國地鐵車輛自動門控系統為研究載體，主要介紹地鐵車輛車門控無刷直流電機的結構，以期能夠對相關從業者提供一定的幫助。

關鍵詞：地鐵車輛;無刷直流電機;結構

1.引言

隨著地鐵車輛線網不斷擴張，城市居民出行對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輸環境，滿足經濟社會的可持續發展戰略。地鐵車輛自動門是其運營中使用最多的車輛設備之一，城市軌道列車運行站點密度較大，需要頻繁對自動門系統進行操作，再加上人為干擾因素，使得自動門系統經常發生故障，甚至發生夾人事件，對乘客人身財產安全帶來巨大的隱患，對地鐵運營效率造成較為惡劣的影響。隨著科技的進步，電控電動自動門作為一種新型的自動門系統，自然受到了國內外廠商的青睞，也分別研制出具有自己知識產權的電控電動自動門系統，其驅動方式主要以有刷直流電機為主。不同電機驅動方式的自動門控制系統，其控制方法和驅動方式也不盡相同，自動門系統的性能亦有不小差異。因此，針對地鐵車輛自動門控無刷直流電機進行深入地研究，對地鐵車輛裝備制造業的發展具有非常重大的意義。

2.無刷直流電機

地鐵車輛自動門系統作為一種經常使用的車輛設備，需要一種運行可靠、結構簡單、維護性好的驅動電機，選用更為先進的無刷直流電機作為驅動電機能一定程度上減小自動門控制系統的故障率和維護時間，提高列車運行效率。無刷直流電機利用電子換相器取代了有刷直流電機的機械電刷和機械換相器。隨著科技的不斷進步和發展，無刷直流電機的發展程度已日趨成熟，其高效率、長壽命、低噪聲以及較好的轉速-轉矩特性的優點使得無刷直流電機得到了廣泛的應用，尤其是在電動汽車、醫療設備、航空航天、數控機床及精密電子儀器設備等對電機的運行性能和控制精度要求較高的場合。

3.門控無刷直流電機結構

無刷直流電機主要由電機本體、位置傳感器、功率驅動電路三部分組成，為典型的機電一體化產品。安裝在無刷直流電機上的轉子位置傳感器和電子換相電路一起替代了有刷直流電機的機械換相裝置，其采用的方波勵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體積，并且促進了無刷直流電機在整體效率和可靠性方面的提高。這些優點在提高自動門系統品質、延長壽命方面具有重要的意義。對于門控無刷直流電機，除了選用合適的額定電壓和額定功率的電機外，還需要選用加裝減速裝置的特殊電機以滿足門體運行速度的需要。

4.電機本體

無刷直流電機本體結構包含定子和轉子。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每極下同相繞組的導體處在同一槽內，氣隙磁通密度相同，得到的反電動勢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勢波形。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，目前應用較多的是三相對稱星形連接的無刷直流電機。無刷直流電機的轉子是由鑲嵌在鐵芯上的一定極對數的永磁體。

5.位置傳感器

位置傳感器在無刷直流電機運轉中扮演著非常重要的角色，負責檢測轉子磁極位置和為電子開關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現轉子位置檢測和換相操作。無刷直流電機無位置傳感器控制技術近年來發展迅速，主要包括反電動勢法、磁鏈法、電感法和人工智能法等，它需要額外檢測手段和相應的控制算法相結合。雖然無位置傳感器控制方式下的無刷直流電機具有很多優點，但是無形中增加無刷直流電機檢測手段和控制算法的復雜程度，對無刷直流電機控制系統的開發成本和可靠性造成一定影響。除非檢測手段和控制算法是安全可靠的，才不會對城市軌道車輛自動門控制的可靠性造成影響。目前，采用位置傳感器實現轉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。霍爾位置傳感器是一種常用的磁敏式位置傳感器，其具有體積小、使用方便和價格低廉等優點。

6.功率驅動電路

功率驅動電路是無刷直流電機控制部分的核心，是保持無刷直流電機產生源源不斷轉動力矩的重要保證。無刷直流電機驅動方式分為半橋式、全橋式、H橋以及介于半橋和全橋驅動方式的驅動電路等。對于半橋式驅動電路而言，無刷直流電機電樞繞組在一個通電周期內，三分之一處于導通狀態，利用率較低。兩兩導通方式和三三導通方式是無刷直流電機全橋驅動電路常見的導通方式。兩兩導通方式是每隔六分之一周期換相一次，而三三導通方式與兩兩導通方式的開關器件的導通次序不一樣。H橋驅動電路可以隨時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中。

7.結束語

安全、穩定、可靠、快速、準時的自動門系統是衡量城市軌道車輛自動門系統好壞和保障人生安全與列車運行效率的重要因素，而門控無刷直流電機調速性能、固有換相轉矩脈動抑制和自動門防擠壓功能的控制性能又與這些因素息息相關。主要介紹地鐵車輛車門控制系統驅動電機的結構，能夠對相關從業者提供一定的幫助。

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