一种新能源公交电动塞拉门控制系统

蔡周峰 左丽飞

摘  要：本文给出了一种电动塞拉门的控制系统模型，设计了控制系统的软硬件，并与其他几种常见的车门形式进行对比，论述了电动塞拉门的优越性及良好的应用前景。

关键词：电动塞拉门;防夹控制;安全设计

0. 引言

随着城市化进程的日益加速，城市交通的发展也是日新月异，除了已经发展成熟的公交系统，以及风头正劲的城市地铁系统，各种新的交通方式也逐渐进入公众的眼球，比如快速公交系统（BRT），有轨电车，空轨等等，大大方便了民众的出行。而公交由于其成本低，覆盖面广，易于投入运营及维护等特点依然具有不可替代的地位，是目前受众最广的交通工具。

近年来，因为公交车门故障导致事故的报道频繁出现，而城市公交一般站点较多，乘客上下车频繁，全天运营时间长。此外随着公交车数量急剧上升，全球油气资源的短缺，新能源纯电动公交被国家和地方政府大力扶持。因此对公交车门的安全性、可靠性、节能性等方面要求越来越高。

电动塞拉门的外开结构易于乘客疏散，且能增加车内可利用面积，开关门次数可达近百万次，纯电动控制，全程车门状态可监控，相比于传统的气动门泵，具有明显的优势，具有广阔的市场前景。

本文给出了一种电动塞拉门控制系统方案，功能齐全，且安全可靠。

1. 系统模型

该电动车门控制系统主要由直流电机、车门控制器、车门承载驱动机构、锁闭开关、紧急解锁装置以及其它电气部件等组成。

（1）直流电机

直流电机是电动塞拉门控制系统的核心运动部件。而直流无刷电机相对于有刷电机，运行噪音更小，电磁兼容性能更优，寿命更长。具体可视需求来选择电机种类，本设计采用直流无刷电机。

电机除了驱动门扇开关以外，还需要实时反馈车门的位置信号。实现原理是由电机内部集成的霍尔传感器，将位置信号实时反馈给车门控制器，车门控制器再换算为车门的移动距离。

（2）车门控制器

车门控制器是电动塞拉门控制系统的核心驱动部件及核心控制部件，一般为24V供电。

车门控制器可以实时采样电机的工作电流;接收车辆的控制信号、电机的位置反馈、锁闭开关等电气件的反馈信号;通过逻辑判断，驱动电机执行开门、关门等动作;向车辆反馈车门当前的状态信息。

（3）车门承载驱动机构

车门承载驱动机构是控制系统的主要机械部件，主要包含丝杆，携门架，锁闭装置等等，是车门可以平稳运行的保障。

（4）锁闭开关

锁闭开关用于指示车门的锁闭状态。当车门打开时，锁闭开关被触发;当车门关闭后，锁闭开关被释放。车门控制器会实时监控该信号，可以监控到车门的意外状况。如当行车过程中发现开关被触发，结合电机的位置反馈，即可以判断此时车门是否开启。

（5）紧急解锁装置

紧急解锁装置是为了保证在紧急情况下，可以手动将车门打开的装置。可以分为钢丝绳解锁，气缸解锁等不同形式。本设计中还包含一个微动开关，可以反馈紧急解锁装置是否被操作。结合电机的位置反馈，车辆的控制信号，即可以判断此时车门是正常开启还是意外开启。

（5）其它电气部件

其他电气部件包括指示灯，蜂鸣器，乘客按钮等等，这些器件主要是客户的不同需求，不影响车门的可靠运行。

以上部件构成了电动塞拉门控制系统。

2. 硬件设计

硬件设计主要是车门控制器的设计。

车门控制器采用TI的DSP处理器，它具有主频高，运算速度快的优点，且具有内部存储器，模数转换器（ADC），CAN总线控制器，三相全桥控制器等等，集成度高，方便系统的集成。

车门控制器除主处理器外，还包含输入口电路、输出口电路、电机驱动电路、霍尔采样电路、CAN通讯电路、电源电路、维护接口电路等。

（1）输入口电路

输入口电路的功能包含采样车辆的控制信号，包括开门信号、关门信号等;采样锁闭开关、紧急解锁装置的反馈等。

输入口电路的可靠性保障车门控制系统的可靠响应，这里采用光耦进行隔离，并进行适当的信号滤波处理，防止信号干扰。

（2）输出口电路

输出口电路主要的功能是向车辆控制中心反馈门控系统的工作状态，点亮指示灯等等。

（3）电机驱动电路

电机驱动电路的功能是接收处理器的驱动信号，采用三相全桥的驱动方式，驱动电机的转动。电机驱动电路需要具备过流保护、过温保护等功能，以保证车门的正常运行。

（4）霍尔采样电路

霍尔采样电路的功能是采样电机中位置编码器反馈的脉冲。处理器根据采样到的脉冲可以换算出电机转动的相位，进而换算出车门移动的距离。

（5）CAN通讯电路

CAN通讯电路的功能是与车辆控制中心进行通讯，接收网络开关门信号、反馈车门的当前状态等。

（6）电源电路

电源电路的功能主要是将车辆的供电转换成车门控制器中各模块的所需电压进行供电。电源电路需要具备电磁兼容防护功能。

（7）维护接口电路

维护接口电路包括维护接口、状态指示灯等。通过维护接口可以升级车门控制器的程序，可以查询存储的故障信息等。通过状态指示灯可以了解到车门控制器当前的工作状态、输入输出口状态等，方便维护。

车门控制器的硬件设计还要考虑对外接插件及外壳防护。车门控制器一般安装在空调风道中，夏季的工作环境非常潮湿，车门控制器表面易生成冷凝水，一旦冷凝水造成线路短路，极易造成车辆故障。因此车门控制器需要可靠的外壳防护。

3. 软件算法

车门控制系统的正常工作需要建立在保证安全的基礎上。具体的功能可以细分为：开关门;防夹功能;安全保护等等。下面详细描述以上功能的软件算法。

3.1 开关门逻辑

公交车一般通过司机操作仪表台上的开关门按钮来实现车门的开关，因此存在司机误触发或者开关故障的情况，所以只通过开关门按钮的信号控制车门的开关并不可靠。需要多个信号组合控制车门的开关，可以避免开关的单点故障导致车门意外打开而造成故障。

本控制系统采用车速信号作为允许开门条件，即当车速低于一定值时，司机按下开门按钮方可执行开门，该信号下文统称为零速信号。

当零速信号有效、开门信号有效、未操作紧急装置、门控系统无故障时方允许开门;当关门信号有效、未操作紧急装置、门控系统无故障时允许关门。

相比于传统的车门，增加了零速信号作为一种开门条件，行车过程中意外开门的情况可以基本杜绝，大大提高行车安全性，防止出现客伤事故。

3.2 防夹算法

控制系统无红外传感器、压力传感器等设备，防夹的实现是利用电机的位置传感器实现的。

软件可以对车门位置进行实时监控，在开关门流程仍未结束的情况下，如检测到车门位置不再变化，即识别为车门被外物卡滞，立即进入防夹流程，将夹持力撤销，防止夹伤乘客。即车门要产生防夹作用，需要满足如下条件：

1）車门处于电动开关门过程中;

2）规定时间内，车门的移动距离低于软件设定值。

传统的乘客门的防夹一般采用传感器，需要在车门闭合部位从顶端至底端增加压力传感器来实现，有时也采用光电传感器等，大大增加了额外的成本。也有采用时间作为控制条件，即一段时间内车门仍未关上则判断为产生防夹，这大大加长了夹持时间，安全性较差。

本设计不需要增加额外器件，且可实现双向防夹（开门及关门均可实现防夹），全程防夹（在开关门的任何位置均可实现防夹），灵敏度高，设计成本降低，可靠性和体验大大提高。

3.3 安全保护功能

因车门是车辆主要的进出口通道，而对于公交车，车门位置往往站有乘客，在高峰期尤甚。因此安全可靠是车门运行必须考虑的问题。

除了在开门条件上增加零速信号的判断，零速无效时不允许开门以外，司机不操作关门即启动车辆、乘客在行车时强扒车门等情况也是极不安全的。因此，在控制软件中，在出现如下情况时，控制器会控制车门自动关闭，并屏蔽防夹功能：

1） 车门未可靠关闭，但零速信号跳变为无效（对应司机门未关即行车的工况）;

2） 未接收到开门指令，但检测车门离开锁到位位置（对应乘客强扒车门的工况）;

4. 结束语

电动塞拉门因其安全性、舒适性和美观性的特点，相比传统的内、外摆门具有显著优势，目前在轨道交通中已经广泛普及，在公交行业也有逐渐推广的趋势。

本文设计了一种电动塞拉门的控制系统，对系统的组成、软硬件设计作出描述，具有系统结构清晰、控制安全可靠等优点，可满足公交车门系统节能化、智能化的发展方向，并已在部分城市的新能源公交项目中推广使用，具有较好的发展前景。

参考文献

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