動車組塞拉門控制優化研究

劉振宇

（中國鐵路上海局集團有限公司 南京動車段合肥南動車運用所，助理工程師，安徽 合肥 230041）

CRH380BK動車組列車在車體兩側設計裝配共22 扇側門，供司乘人員及旅客上下列車。該種側門是以PLC 為控制核心的電控電動塞拉門，具備氣動壓力密封功能，并帶有電控氣動站臺補償器。出于安全的考慮，改型動車組設計了安全回路，只有當側門完全關閉的條件下才可以動車。這就意味著當側門發生無法關閉故障時必定會造成動車組不能正點開行，因此對塞拉門關閉故障的研究與整治顯得格外重要。

1 控制系統

CRH380BK動車組列車的網絡控制系統是建立在列車通信網絡標準協議IEC61375-1 框架下的TCN 網絡［1］，TCN 網絡通過周期輪詢策略實現周期性數據和非周期性數據的調度管理，保證數據傳輸的實時性、可靠性和確定性［2］。

TCN網絡的車輛級總線和列車級總線分別采用屏蔽雙絞線的MVB 和WTB，MVB 總線連接一個牽引單元內的4 輛車，通過網關轉換協議連接到WTB總線實現列車級信息的傳遞［3］。塞拉門的控制元件稱為門控器（Door Control Unit，以下簡稱為DCU），單節車廂的四扇或兩扇側門中只有一個主DCU，其余為從DCU，通過CAN 總線實現信號互聯。網絡控制結構如圖1所示。

圖1 CRH380BK側門網絡控制結構圖

DCU 由控制功能處理的可編程邏輯部分、包括執行驅動和鎖定電機用電力電子的兩個電機控制部分和一個輸入擴展電路構成。由于PLC 的可編程性，能夠根據不同的需求，進行調整與變更，從而實現特殊的功能請求。通過給包含在DCU 中的程序存儲器重新編程，將軟件安裝至閃存中，可實現修改軟件的目的。

2 障礙物探測

在動車組上線運行過程中，為解決在關門時有異物阻擋在門的運動行程內造成門扇的機械損傷的問題，同時也避免旅客在上下列車的過程中被車門擠傷，塞拉門系統中有三種方式同時進行障礙物探測［4］。

2.1 敏感邊緣檢測門扇的非鎖閉側固定安裝有兩個相互獨立工作的敏感邊緣，每個敏感邊緣外部有柔性橡膠可在受到沖擊時起到緩沖作用，內部為有橡膠保護的檢測回路，當內部回路發生擠壓時，回路電阻迅速降低，電信號反饋到DCU 中，判定為門扇前端碰撞異物。如圖2 剖面圖所示，每個敏感邊緣的內外兩側橡膠之間存在一定間隙，可有效提高擠壓程度的閾值，同時下部有排水孔，便于將間隙中的雨水等排出。

圖2 B2、B3敏感邊緣剖面圖

在關門過程中，敏感邊緣撞擊到障礙物，信號將被傳輸至DCU 并在DCU 中計算敏感邊緣的功能性。在故障出現時，在DCU中會產生一個錯誤代碼。

2.2 電機電流監測CRH380BK 型動車組塞拉門使用永磁無刷直流電機實現開關門動作，目前的研究中無刷直流電機控制系統的常見控制方法有：PID 控制、無位置傳感器控制（反電動勢法、續流二極管法）、模糊控制、神經網絡控制等［5］。用的是電流環與速度環構成的雙閉環模式。將事先給定的轉速值同實際的轉速值進行比較，然后利用轉速調節器的調節功能，輸出電流的給定值，接著和檢測得到的電流值再次比較，經過電流調節器，輸出供給電機的控制電壓，從而實現通過控制電壓來對電機的轉速進行調節，控制電流來對電機的輸出轉矩進行調節的目的。圖3為無刷直流電機雙閉環控制結構圖。

圖3 無刷直流電機控制結構

2.3 通道時間比監控位置傳感器是無刷直流電機的一個關鍵部件。它的作用是測定某一時刻定轉子的磁極位置，從而為電子換相電路提供正確的信號位置。傳感器通常由定子和轉子兩部分組成。轉子是用來確定電動機本體磁極的位置，定子的安放是為了檢測和輸出轉子的位置信號。其中，磁敏式位置傳感器是利用電流的磁效應進行工作，常用的磁敏傳感器有霍爾元件、磁敏電阻器或專用集成電路等。磁敏式傳感器的特點是結構簡單，體積較小，在對性能和環境要求不高的場合應用比較廣泛［7］。

門位置傳感器（B1）能將門運動分成幾個小部分，如果在定義的時間范圍內未覆蓋定義的通道，將激活障礙物探測系統。B1 置于門的驅動電機端部用以檢測電機轉子轉動的圈數，電機與門扇之間通過皮帶輪、絲杠、螺母副等結構傳動，電機轉動的圈數可直接轉換為門扇移動的距離。在DCU 中記錄每次關門動作的關門時間，當該次關門過程中，特定時間B1檢測到電機的轉動圈數小于既定值，則判定門扇未能進行正常有效地關門操作，即發生某種程度上的障礙物阻擋。圖4 為B1 位置傳感器及M1 驅動電機電路圖。

圖4 B1位置傳感器及M1驅動電機電路圖

3 敏感邊緣控制電路

圖5 為敏感邊緣控制電路圖，左側為DCU 的X1端口。以敏感邊緣B2 為例，正常狀態下在端口X1.15 與X1.16 間存在電壓差，中間為1 200 歐姆的定值電阻，當微動開關被觸發時，將電阻短路，端口電信號將由低電平躍遷為高電平。DCU 此時將會判定門扇的邊緣被擠壓，從而改變使門扇的驅動電機M1 兩端的電壓，使電機反轉帶動門扇朝打開方向運行。當X4.18的電勢高于X4.17時，驅動電機通過皮帶傳動作用，帶動絲杠轉動，從而使門扇朝打開方向移動；反之，X4.18 的電勢低于X4.17 時，門扇朝關閉方向移動。

圖5 敏感邊緣電路圖

4 問題分析

塞拉門上分布的膠條可分為外部防塵擋雨的防塵膠條、邊緣用于障礙物探測的敏感膠條、用于保證動車氣密性的密封膠條。在運用檢修的過程中，發現大量的膠條破損，且分布于開門時暴露在通道位置的一側，多在以站臺補償器為基準向上1.5 m的高度以下。該部位關門狀態下與車體密貼，可解釋為開門狀態被異物擊打導致的大量損壞。該種情況可能導致以下問題：

1）在旅客或工作人員上下列車時，攜帶的堅硬物品邊緣與門扇橡膠發生橫向摩擦，將橡膠撕裂。當損傷到內層保護層時，可能會使敏感邊緣的電信號回路發生物理損壞，從而斷路并報出1C5C-1C5F故障及1C64-1C67故障。

2）當橡膠保護層破損時，線上遇到陰雨天氣造成電阻兩端短路，并被DCU 判定為敏感邊緣持續運行，無法關閉門扇并報出1C58-1C5B 故障及1C60-1C63故障。

通常線上遇到敏感膠條問題采取直接隔離門扇的方式，影響列車的正常發車，同時在后續站到站時該門將持續處于關閉狀態，無法集控開關影響正常使用。

在既往的的檢修中采取如下方法處理此類問題但效果不盡如人意：一是針對進水短路的情況采用涂打密封膠將缺口密封，但因為實際操作難度較大，極易存在密封不嚴或是密封膠凸起觸發防擠壓功能的情況，給日常檢修造成困擾；二是針對斷路的情況一般采用更換門扇的方式，由于敏感膠條在制造的過程中已直接集成到門扇上，在運用修的設備條件下不具備更換的條件，直接更換門扇浪費了大量的財力物力。

5 建議及優化

筆者結合工作積累的動車組塞拉門使用、維修經驗和體會，提出如下建議：

1）提高檢修質量。在動車運用所的檢修過程中，遇到敏感膠條破損的情況，首先通過DCU 上RS232 端口查看歷史故障，確認敏感膠條的破損是否達到了影響使用并報出的故障的程度。回路的短路或虛接可能因為環境及壓力的改變而間歇性發生，在確認不影響正常功能的情況下，進行打膠處理，填補粘合微動開關的保護層，既要保證橡膠保護層的密封性與適度的彈性，同時更要保證表層的平滑度，確保密封膠不會因為凸起觸發系統的障礙物探測。

2）屏蔽敏感膠條功能。建議通過在DCU 的X1.15 與X1.16 間及X1.17 與X1.18 短接1 200 歐姆，直接將敏感膠條功能屏蔽，只采用電機電流監測和通道時間比監測的方式，可有效降低因敏感膠條破損導致列車無法動車的事故數量。

3）優化判別算法。后期可進行DCU 軟件的更新，屏蔽敏感膠條的作用，同時優化電機電流的極限曲線算法及通道時間比的判別算法，使M1 電機既能保證正常的輸出轉矩帶動門扇運動，又能有效地進行障礙物探測，對算法的優化問題有待進一步的研究。

6 結語

動車組塞拉門對動車組行車安全起到至關重要的影響作用，針對側門故障的研究可提升對車門系統的認識，強化檢修作業的質量，對保障動車正點率有著積極作用，切實助力“強基達標，提質增效”目標實現。