地铁站台门门控单元控制原理及自主维修方法

文/陈伟标 陈少鹏 林惠汉

0 引言

地铁站台门（以下简称“站台门”）系统是现代城市轨道交通工程中的设施，是一项集建筑、机械、电子和控制等学科于一体的城市轨道交通高新技术产品。城市轨道交通安装站台门系统沿城市轨道站台边缘设置，将列车与站台候车区隔离，不仅可以防止乘客跌落或跳下轨道而发生危险，让乘客安全、舒适地乘坐地铁列车，而且在地铁运营中站台门系统作为一种高科技产品所具有的节能、环保和安全功能，减少了站台区与轨行区之间冷热气流的交换，降低了环控系统的运营能耗，从而节约了营运成本。站台门的门控单元（DCU）一旦发生故障，将直接导致站台门与车门无法正常联动，严重影响客运安全及乘客满意度。我国经济发展迅速，城市轨道交通设施的快速建设对于站台门DCU的需求也越来越大，但目前国内大量的站台门DCU及其零部件都依赖进口，各地铁运营单位均面临DCU备件及配套零部件采购周期长、成本高等问题。在厂家技术封锁、技术资料欠缺的情况下，通过不断探索研究，本文制定了一套DCU自主维修方法，可以解决站台门DCU部件采购困难、维修及采购成本高等问题。

1 站台门控制设备简介

站台门系统是机电一体化设备，有别于传统的气动式或简易式的站台门系统，其电气控制设备主要由站台门控制器（PEDC）和DCU组成，其间主要通过控制器局域网络（CAN）总线进行通信连接（如图1）。

列车到站停稳后，自动列车驾驶系统（ATO）发出开关门指令至信号车载单元（PTI）天线，通过二进制数字效率调制（2FSK）信号传送至地面接收设备，由地面信号联锁站PTI-mux多路接收器进行解码，解码后将信号通过接口送达站台门系统，由PEDC内部电路处理后向DCU发送指令，控制每侧站台门实施开关门动作，如图2所示。

图1 站台门系统CAN总线通信线路

图2 站台门系统控制结构

2 DCU常见故障及原理分析

2.1 运营中常见故障

地铁在实际运营中的故障原因大多是由DCU引发。DCU故障会导致列车到站后滑动门与车门不能联动或开关门异常，无法执行ATO给出开/关门指令，影响正常运营。此时须及时切除并封锁出现故障的站台门，以免危及运行安全。图3为DCU的实物图。

图3 站台门的门控单元DCU

2.2 DCU控制原理

站台门滑动门主要由DCU、永磁三相无刷直流电动机及减速机构、传动皮带、滑动门体、电源组成。由DCU控制永磁三相无刷直流电动机进行正反转动，通过减速机构带动传动皮带来实施开关门（见图4）。

图4 滑动门传动结构

DCU是站台门系统设备的核心部件，DCU的主要电气连接如图5所示。它集成了微机数字控制技术、永磁三相无刷直流电动机驱动技术和CAN总线通信技术应用。DCU的主要功能包括：（1）实现站台门自动、手动及隔离三种控制模式；（2）在自动档位下，执行PEDC或就地控制盘（PSL）发出的指令，通过永磁三相直流无刷电动机的正反转来控制门的运动；（3）在手动档位下，拨动开关SW2，能对门单元进行就地测试；（4）在隔离档位下，直接关闭旁路门锁紧信号；（5）采集站台门状态信息及各种故障信息；（6）通过对永磁三相直流无刷电动机电流的精密监控，来实施站台门关闭时的障碍物探测，或站台门运行时速度异常的检测，保护乘客的人身安全；（7）通过CAN总线与PEDC进行通信。

图5 DCU控制原理

DCU通过电动机的正反转来控制门的运动，站台门的电动机采用永磁三相直流无刷电动机，既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机固有的优越的起动性能和调速特性，而无机械式换向机构。站台门控制系统的三相无刷直流电动机调速控制结构如图6所示。

图6 站台门监控系统三相无刷直流电动机调速控制结构

站台门的门体开关过程的运动模式存在DCU内存中，DCU根据选择的运动曲线所给出的给定速度与电机速度反馈量形成速度偏差，经速度调节后产生电流参考量，与电流反馈量的偏差经电流调节后形成脉冲宽度调制（PWM），控制三相“H”桥路激励器（CPV364M4U）去驱动电机，从而实现电动机的速度控制。电机电流的反馈是通过检测精密电阻R(SMV R010)上的压降来实现的，而速度反馈则是通过霍耳位置传感器输出的位置量。根据实物绘出的站台门的三相直流无刷电动机驱动原理如图7所示。

图7 站台门的三相无刷直流电动机驱动原理

DCU对电机的控制过程为：DCU通电后CPU进入自动复位程序，当系统自检为健康状态后，控制芯片把SD信号降为低电平，即系统允许电机工作，然后控制芯片输出控制信号使电机以较小的速度关门，在收到滑动门上的位置开关送来的关门信号后，系统继续驱动门，直到电机电流值超出预设，这时系统找到了门体的基准位置，然后DCU才开始接收开关门信号。

2.3 DCU自主维修平台

在深入研究站台门控制系统及DCU内部控制原理的基础上，建立DCU维修检测平台及维修标准，在有限空间内模拟现场工况。平台主要包括硬件部分及监控软件部分，分为四层（见表1），主要材料包括：配电盘、驱动电机、皮带、门头闸锁、LCB、门头指示灯、变压器、监控器、PEDC、DCU、PSL、控制系统应用软件、相关通信板卡、电缆（含控制、通信、供电线缆）、模拟信号测试装置等，实物如图8所示。

表1 维修平台布置

图8 站台门DCU自主维修平台

3 常见故障及维修

3.1 联动开关门故障

（1）故障现象

地铁运营期间出现站台门不能正常联动开关门现象。经过现场排查，确定为DCU故障，现场更换新DCU后，门控系统恢复正常。

（2）排查思路

通过跟踪和排查故障DCU控制板电路测试点，在维修平台上模拟故障工况，测量相应的测试点并观察电压值及其波形，在平台模拟上电环境中将测得的数值进行比较，发现TP2和TP4测得0V，很明显，TP2和TP4状态不正常（正常电压数值如表2所示）。检查发现TP4是CPU和存储芯片的RESET电压测试点，该电压的失去导致CPU通电时不能自动复位，从而导致DCU不工作。

表2 站台门DCU测试点的正常电压值

（3）故障排除

用一个4.7kΩ电阻跨接复位IC的电源脚和输出脚，即直接加一个电压到CPU复位脚，输出继电器动作，说明CPU及存储器部分是正常的。TP2为IR2113S内MOSFET的电源检测点，由CPU控制板上的微型继电器吸合提供电源，更换了复位IC以后系统正常工作，后按维修标准无间歇通电测试，故障现象消除。

3.2 DCU送电故障

（1）故障现象

地铁运营期间站台门出现DCU供电的空气开关跳闸并且无法恢复合闸的故障现象。

（2）排查思路

将故障DCU在测试平台上通电时，控制电机的继电器吸合后马上释放，电源部分输出正常，而此继电器受控于CPU，接下来检查到三个IR2113S的第13脚（SD信号）为4.98VDC的高电平，故推断是保护回路动作。测量CPV364M4U的第10脚对地电阻已变小，判断CPV364M4U里的场效应管故障，使DSP捕捉到的霍耳信号不对而启动保护动作。

（3）故障排除

通过维修标准和维修原理图对故障DCU其他模块系统进行对比测量后，判定为CPV364M4U的场效应管故障，更换CPV364后工作正常，后经离线长时间测试，故障现象再无出现，故障件修复。

4 结语

通过对站台门门控单元原理的深入分析，建立自主 维修平台，形成一套DCU自主维修标准，能快速准确排查DCU故障并进行自主维修。本文通过对地铁运营线路常见故障分析，进一步阐述了站台门DCU自主维修的可行性，对摆脱DCU进口供应商技术封锁及解决备件采购困境具有指导意义，同时也为相关产品国产化研提供了参考借鉴。