一種新能源公交電動塞拉門控制系統(tǒng)

蔡周峰 左麗飛

摘 ?要：本文給出了一種電動塞拉門的控制系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟硬件，并與其他幾種常見的車門形式進(jìn)行對比，論述了電動塞拉門的優(yōu)越性及良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電動塞拉門;防夾控制;安全設(shè)計(jì)

0. 引言

隨著城市化進(jìn)程的日益加速，城市交通的發(fā)展也是日新月異，除了已經(jīng)發(fā)展成熟的公交系統(tǒng)，以及風(fēng)頭正勁的城市地鐵系統(tǒng)，各種新的交通方式也逐漸進(jìn)入公眾的眼球，比如快速公交系統(tǒng)（BRT），有軌電車，空軌等等，大大方便了民眾的出行。而公交由于其成本低，覆蓋面廣，易于投入運(yùn)營及維護(hù)等特點(diǎn)依然具有不可替代的地位，是目前受眾最廣的交通工具。

近年來，因?yàn)楣卉囬T故障導(dǎo)致事故的報(bào)道頻繁出現(xiàn)，而城市公交一般站點(diǎn)較多，乘客上下車頻繁，全天運(yùn)營時(shí)間長。此外隨著公交車數(shù)量急劇上升，全球油氣資源的短缺，新能源純電動公交被國家和地方政府大力扶持。因此對公交車門的安全性、可靠性、節(jié)能性等方面要求越來越高。

電動塞拉門的外開結(jié)構(gòu)易于乘客疏散，且能增加車內(nèi)可利用面積，開關(guān)門次數(shù)可達(dá)近百萬次，純電動控制，全程車門狀態(tài)可監(jiān)控，相比于傳統(tǒng)的氣動門泵，具有明顯的優(yōu)勢，具有廣闊的市場前景。

本文給出了一種電動塞拉門控制系統(tǒng)方案，功能齊全，且安全可靠。

1. 系統(tǒng)模型

該電動車門控制系統(tǒng)主要由直流電機(jī)、車門控制器、車門承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)、鎖閉開關(guān)、緊急解鎖裝置以及其它電氣部件等組成。

（1）直流電機(jī)

直流電機(jī)是電動塞拉門控制系統(tǒng)的核心運(yùn)動部件。而直流無刷電機(jī)相對于有刷電機(jī)，運(yùn)行噪音更小，電磁兼容性能更優(yōu)，壽命更長。具體可視需求來選擇電機(jī)種類，本設(shè)計(jì)采用直流無刷電機(jī)。

電機(jī)除了驅(qū)動門扇開關(guān)以外，還需要實(shí)時(shí)反饋車門的位置信號。實(shí)現(xiàn)原理是由電機(jī)內(nèi)部集成的霍爾傳感器，將位置信號實(shí)時(shí)反饋給車門控制器，車門控制器再換算為車門的移動距離。

（2）車門控制器

車門控制器是電動塞拉門控制系統(tǒng)的核心驅(qū)動部件及核心控制部件，一般為24V供電。

車門控制器可以實(shí)時(shí)采樣電機(jī)的工作電流;接收車輛的控制信號、電機(jī)的位置反饋、鎖閉開關(guān)等電氣件的反饋信號;通過邏輯判斷，驅(qū)動電機(jī)執(zhí)行開門、關(guān)門等動作;向車輛反饋車門當(dāng)前的狀態(tài)信息。

（3）車門承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)

車門承載驅(qū)動機(jī)構(gòu)是控制系統(tǒng)的主要機(jī)械部件，主要包含絲桿，攜門架，鎖閉裝置等等，是車門可以平穩(wěn)運(yùn)行的保障。

（4）鎖閉開關(guān)

鎖閉開關(guān)用于指示車門的鎖閉狀態(tài)。當(dāng)車門打開時(shí)，鎖閉開關(guān)被觸發(fā);當(dāng)車門關(guān)閉后，鎖閉開關(guān)被釋放。車門控制器會實(shí)時(shí)監(jiān)控該信號，可以監(jiān)控到車門的意外狀況。如當(dāng)行車過程中發(fā)現(xiàn)開關(guān)被觸發(fā)，結(jié)合電機(jī)的位置反饋，即可以判斷此時(shí)車門是否開啟。

（5）緊急解鎖裝置

緊急解鎖裝置是為了保證在緊急情況下，可以手動將車門打開的裝置?？梢苑譃殇摻z繩解鎖，氣缸解鎖等不同形式。本設(shè)計(jì)中還包含一個(gè)微動開關(guān)，可以反饋緊急解鎖裝置是否被操作。結(jié)合電機(jī)的位置反饋，車輛的控制信號，即可以判斷此時(shí)車門是正常開啟還是意外開啟。

（5）其它電氣部件

其他電氣部件包括指示燈，蜂鳴器，乘客按鈕等等，這些器件主要是客戶的不同需求，不影響車門的可靠運(yùn)行。

以上部件構(gòu)成了電動塞拉門控制系統(tǒng)。

2. 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是車門控制器的設(shè)計(jì)。

車門控制器采用TI的DSP處理器，它具有主頻高，運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，且具有內(nèi)部存儲器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），CAN總線控制器，三相全橋控制器等等，集成度高，方便系統(tǒng)的集成。

車門控制器除主處理器外，還包含輸入口電路、輸出口電路、電機(jī)驅(qū)動電路、霍爾采樣電路、CAN通訊電路、電源電路、維護(hù)接口電路等。

（1）輸入口電路

輸入口電路的功能包含采樣車輛的控制信號，包括開門信號、關(guān)門信號等;采樣鎖閉開關(guān)、緊急解鎖裝置的反饋等。

輸入口電路的可靠性保障車門控制系統(tǒng)的可靠響應(yīng)，這里采用光耦進(jìn)行隔離，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘枮V波處理，防止信號干擾。

（2）輸出口電路

輸出口電路主要的功能是向車輛控制中心反饋門控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，點(diǎn)亮指示燈等等。

（3）電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動電路的功能是接收處理器的驅(qū)動信號，采用三相全橋的驅(qū)動方式，驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動。電機(jī)驅(qū)動電路需要具備過流保護(hù)、過溫保護(hù)等功能，以保證車門的正常運(yùn)行。

（4）霍爾采樣電路

霍爾采樣電路的功能是采樣電機(jī)中位置編碼器反饋的脈沖。處理器根據(jù)采樣到的脈沖可以換算出電機(jī)轉(zhuǎn)動的相位，進(jìn)而換算出車門移動的距離。

（5）CAN通訊電路

CAN通訊電路的功能是與車輛控制中心進(jìn)行通訊，接收網(wǎng)絡(luò)開關(guān)門信號、反饋車門的當(dāng)前狀態(tài)等。

（6）電源電路

電源電路的功能主要是將車輛的供電轉(zhuǎn)換成車門控制器中各模塊的所需電壓進(jìn)行供電。電源電路需要具備電磁兼容防護(hù)功能。

（7）維護(hù)接口電路

維護(hù)接口電路包括維護(hù)接口、狀態(tài)指示燈等。通過維護(hù)接口可以升級車門控制器的程序，可以查詢存儲的故障信息等。通過狀態(tài)指示燈可以了解到車門控制器當(dāng)前的工作狀態(tài)、輸入輸出口狀態(tài)等，方便維護(hù)。

車門控制器的硬件設(shè)計(jì)還要考慮對外接插件及外殼防護(hù)。車門控制器一般安裝在空調(diào)風(fēng)道中，夏季的工作環(huán)境非常潮濕，車門控制器表面易生成冷凝水，一旦冷凝水造成線路短路，極易造成車輛故障。因此車門控制器需要可靠的外殼防護(hù)。

3. 軟件算法

車門控制系統(tǒng)的正常工作需要建立在保證安全的基礎(chǔ)上。具體的功能可以細(xì)分為：開關(guān)門;防夾功能;安全保護(hù)等等。下面詳細(xì)描述以上功能的軟件算法。

3.1 開關(guān)門邏輯

公交車一般通過司機(jī)操作儀表臺上的開關(guān)門按鈕來實(shí)現(xiàn)車門的開關(guān)，因此存在司機(jī)誤觸發(fā)或者開關(guān)故障的情況，所以只通過開關(guān)門按鈕的信號控制車門的開關(guān)并不可靠。需要多個(gè)信號組合控制車門的開關(guān)，可以避免開關(guān)的單點(diǎn)故障導(dǎo)致車門意外打開而造成故障。

本控制系統(tǒng)采用車速信號作為允許開門條件，即當(dāng)車速低于一定值時(shí)，司機(jī)按下開門按鈕方可執(zhí)行開門，該信號下文統(tǒng)稱為零速信號。

當(dāng)零速信號有效、開門信號有效、未操作緊急裝置、門控系統(tǒng)無故障時(shí)方允許開門;當(dāng)關(guān)門信號有效、未操作緊急裝置、門控系統(tǒng)無故障時(shí)允許關(guān)門。

相比于傳統(tǒng)的車門，增加了零速信號作為一種開門條件，行車過程中意外開門的情況可以基本杜絕，大大提高行車安全性，防止出現(xiàn)客傷事故。

3.2 防夾算法

控制系統(tǒng)無紅外傳感器、壓力傳感器等設(shè)備，防夾的實(shí)現(xiàn)是利用電機(jī)的位置傳感器實(shí)現(xiàn)的。

軟件可以對車門位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在開關(guān)門流程仍未結(jié)束的情況下，如檢測到車門位置不再變化，即識別為車門被外物卡滯，立即進(jìn)入防夾流程，將夾持力撤銷，防止夾傷乘客。即車門要產(chǎn)生防夾作用，需要滿足如下條件：

1）車門處于電動開關(guān)門過程中;

2）規(guī)定時(shí)間內(nèi)，車門的移動距離低于軟件設(shè)定值。

傳統(tǒng)的乘客門的防夾一般采用傳感器，需要在車門閉合部位從頂端至底端增加壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)，有時(shí)也采用光電傳感器等，大大增加了額外的成本。也有采用時(shí)間作為控制條件，即一段時(shí)間內(nèi)車門仍未關(guān)上則判斷為產(chǎn)生防夾，這大大加長了夾持時(shí)間，安全性較差。

本設(shè)計(jì)不需要增加額外器件，且可實(shí)現(xiàn)雙向防夾（開門及關(guān)門均可實(shí)現(xiàn)防夾），全程防夾（在開關(guān)門的任何位置均可實(shí)現(xiàn)防夾），靈敏度高，設(shè)計(jì)成本降低，可靠性和體驗(yàn)大大提高。

3.3 安全保護(hù)功能

因車門是車輛主要的進(jìn)出口通道，而對于公交車，車門位置往往站有乘客，在高峰期尤甚。因此安全可靠是車門運(yùn)行必須考慮的問題。

除了在開門條件上增加零速信號的判斷，零速無效時(shí)不允許開門以外，司機(jī)不操作關(guān)門即啟動車輛、乘客在行車時(shí)強(qiáng)扒車門等情況也是極不安全的。因此，在控制軟件中，在出現(xiàn)如下情況時(shí)，控制器會控制車門自動關(guān)閉，并屏蔽防夾功能：

1） 車門未可靠關(guān)閉，但零速信號跳變?yōu)闊o效（對應(yīng)司機(jī)門未關(guān)即行車的工況）;

2） 未接收到開門指令，但檢測車門離開鎖到位位置（對應(yīng)乘客強(qiáng)扒車門的工況）;

4. 結(jié)束語

電動塞拉門因其安全性、舒適性和美觀性的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的內(nèi)、外擺門具有顯著優(yōu)勢，目前在軌道交通中已經(jīng)廣泛普及，在公交行業(yè)也有逐漸推廣的趨勢。

本文設(shè)計(jì)了一種電動塞拉門的控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的組成、軟硬件設(shè)計(jì)作出描述，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、控制安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可滿足公交車門系統(tǒng)節(jié)能化、智能化的發(fā)展方向，并已在部分城市的新能源公交項(xiàng)目中推廣使用，具有較好的發(fā)展前景。

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