CN103410108B - 一种电机直驱门板开合的剪式门闸机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机直驱门板开合的剪式门闸机，包括电机、门板和机架，所述电机固定于机架上，所述门板的旋转中心套于所述电机的转轴上，所述的电机分别电连接电流检测模块和转速位置检测模块，所述的电流检测模块和转速位置检测模块均电连接一控制单元，所述控制单元控制电机转动。由于闸门开合过程中，对电机的转矩和转速控制要求较高，现有技术中主要通过电机驱动连杆等连接机构带动门板开合，由减速装置和速度反馈装置控制门板开合的速度，减速装置往往结构复杂，并且安装不当易产生较大的噪声。本发明省去了原有的减速装置和连杆机构，实现电机对剪式门闸机门板的直接驱动，简化了结构。

Description

一种电机直驱门板开合的剪式门闸机

技术领域

本发明涉及闸机，特别是一种电机直驱门板开合的闸机。

背景技术

由于闸门开合过程中，对电机的转矩和转速控制要求较高，现有技术中主要是通过电机驱动连杆等连接机构带动门板开合，通过减速装置和速度反馈装置控制门板开合的速度以满足开合闸机门板所需要转矩要求以及通行安全需求，减速装置往往结构复杂，并且安装不当易产生较大的噪声。也有如公开号为CN202530401U所公开的名称为直驱摆动式闸口通道中国专利，其方案中以电机直接驱动通道门，但是该通道门为拍打门，由一驱动柱带动门板开合，并不适用于剪式门，也无法控制剪式门的开合速度，不能满足安全通行需求。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种电机直驱门板开合的闸机，省去了原有的减速装置和连杆机构，实现电机对剪式门闸机门板的直接驱动，简化了结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种电机直驱门板开合的剪式门闸机，包括电机、门板和机架，所述电机固定于机架上，所述门板的旋转中心套于所述电机的转轴上，所述的电机分别电连接电流检测模块以及转子位置和速度检测装置，所述的电流检测模块以及转子位置和速度检测装置均连接一控制单元，所述控制单元控制电机转动。通过转子位置和速度检测装置检测电机转子当前的位置及转子角速度信号，所述控制单元根据电机转子当前位置的信号以及转子角转速信号可以计算得出当前所需的电机转矩和转速，进而由控制单元向电机的控制电路发送相应的控制指令，所以可以实现对电机的实时控制，省去了连杆机构和减速装置，根据实验可以准确得到维持门板运动的转矩以及转速，为电机类型的选择提供数据支持，方便设计。电机转矩与功率的大小有关，电机功率值与电机输出的电流大小有关，通过电流检测模块检测电机的电流信号，控制单元根据实验得到维持门板运动的转矩以及转速，对电机的转速以及电机的输出功率进行闭环控制。电机的输出功率与电机输出的电流的平方成正比，根据控制单元控制所需的理想电机功率对电机输出的电流大小进行控制，并将控制指令发送于电机的控制电路中。通过转子位置和速度检测装置与电流检测模块配合检测电机角速度、转子位置以及电流信号，根据角速度与转速的关系得到电机当前转速，并由控制单元对电机转速、电机输出功率以及电流信号进行控制并发送于电机的控制电路，实现对电机转矩的控制，与此同时，电流检测模块还通过对电机电流的检测以及控制单元的控制，减少电机转矩的脉动，避免了电机运行出现短路、接地或过载等故障情况，保证了电机设备运行的安全。

作为优选，所述的电机为直流无刷电机。直流无刷电机转矩大，转速小，零转速时有转矩且能在短时间内进行快速地加减速运行，满足电机直驱门板开合时对电机性能的要求。

作为进一步优化，所述的转子位置和速度检测装置包括连接在电机转子转轴上的位置传感器和速度传感器，所述位置传感器和速度传感器均连接在一RC滤波电路的输入端，所述RC滤波电路的输出端连接于控制单元。所述的位置传感器和速度传感器分别用于检测电机转子的位置信号和转子角速度信号，由如下电机转矩公式，功率公式以及角速度公式：

T＝(9550×P)/n；

P＝I2×Z×cosφ；

ω＝2πn；

T—转矩；P—功率；I—电机输出电流；Z—电机输出阻抗；cosφ—功率因素；n—转速；ω—角速度；

可知，通过所述角速度与转速的关系将检测到的转子角速度信号经控制单元转换为相应的转速信号，依照实验所得的维持门板运动的理想转速曲线，控制单元通过闭环控制完成电机的转速控制。要实现电机转矩的控制，还需要功率驱动电路和逆变电路。根据直流无刷电机方波电流与转子位置成对应关系的调速原理，通过控制单元中的逻辑关系处理得到相应的开关信号，通过相应的开关信号触发逆变电路的功率开关元件工作，对功率驱动电路驱动的电源功率进行分配，将电机分配所得的功率提供于电机绕组，根据上述电机转矩公式可知电机转矩与转速以及电机的输出功率有关，控制单元计算当前电机的转矩。控制单元依照实验所得的仅保持门板转动所需的转矩数据对电机的转速以及电机的输出功率进行闭环控制。由上述功率公式可知，电机输出功率与电机输出电流有关，因此可通过电流检测模块检测电机的电流信号，由控制单元根据电机所需的电机功率对电机的电流大小进行控制，与此同时，电流检测模块还可通过检测电机的电流信号，防止电机转矩脉动以及电机运行出现短路、接地或过载等故障。电流检测模块包括一端连接电机电枢绕组输出端的采样电阻，所述采样电阻的另一端连接于控制单元。通过采样电阻将相应绕组的采样电流转变为采样电压输入控制单元，并由控制单元判断电机输出电流是否超出功率驱动电路的允许值，保护逆变电路中的功率开关元件，排除电路故障。

作为一优选方案，所述门板为橡胶门板并在内部设有金属板，所述橡胶门板内还设有空心腔体。所述橡胶材料的门板较为柔软，在有行人强行闯闸或票务正常而闸机门故障等情况下，不易夹伤通过闸机门板的行人，并且所述橡胶门板质量较轻，降低了电机直驱门板所需的功耗。为保证门板的强度，在所述橡胶门板的内部还设有金属板。为了进一步减轻门板的重量以利于电机可以直接驱动，在保证门板强度的情况下可在门板上设置空心腔体。

作为对门板的进一步改进，所述的金属板包括相互扣合的上金属板和下金属板，两块金属板上分别设有方向相反位置对应的凹槽，两块金属板上的凹槽配合围成所述的空心腔体。所述门板的制造过程如下，首先将上金属板与下金属板的凹槽扣合形成一个空心腔体，然后通过门板的模具实现门板的一体注塑。如此，所设置的金属板不仅保证了门板的强度，并且帮助减轻了门板的重量，与此同时，运用模具一体化注塑，工艺制作简单。

作为对门板的又一技术方案，所述门板包括连接为一体的对称的上门板和下门板，所述金属板固接在所述上门板与下门板之间，所述上门板与下门板均设有凹槽，所述凹槽与金属板围成所述的空心腔体。凹槽减轻了门板的重量，降低了电机直驱门板的功耗。

作为进一步优化，所述的金属板上设有通孔，所述的通孔内穿过一连接件分别连接所述的上门板和下门板。所述的连接件可与所述橡胶门板的材质相同，在一体注塑时可通过流质橡胶穿过所述的通孔形成，保证了门板的牢固和稳定。

作为更进一步改进，所述凹槽为扇形，且所述凹槽有若干个，沿所述门板的径向等距布设，相邻凹槽之间形成弧形的凸条，金属板对应每个凸条的区域内至少设有一个所述的通孔，上门板的凸条和下门板的凸条通过所述的连接件连为一体。通过凸条的设置保证了门板的强度。

作为优选，所述门板与机架之间设有弹簧。在闸机断电的情况下，通过弹簧产生的拉力自动将门板拉至开门状态，保证行人的正常通行，所述的弹簧可以采用拉簧或者扭簧。

作为优选，所述机架上设有限制门板关门位置的电磁铁，所述门板上设有在门板关门位置处可与所述电磁铁吸合的铁质挡块。为避免行人强行闯闸，在电机直驱门板开合的过程中通常需要大转矩来抵制行人强行开启闸机门所产生的转矩，对电机性能的要求高。在对电机的选型过程中出于对行人强行闯闸的考虑，通常需要提高对电机性能的要求，增加了设备成本。增加关门位置的电磁铁与铁质挡块，增大了关门位置的锁死力，有效的防止了行人闯闸。如此电机在选型过程中只需选择仅够维持门板运动所需的转矩即可，解决了因为防止而需提高对电机的性能要求的问题，减少了设备成本。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：

运用转子位置和速度检测装置和电流检测模块检测电机当前转子的位置信号、角速度信号以及电流信号，由控制单元根据实验所得的维持门板运动的转矩以及转速数据，通过闭环对电机输出功率、转速以及电流信号进行控制，实现电机只需维持门板运动所需的转矩和转速的控制。为降低对电机性能的要求，通过对门板结构的优化，减轻了门板重量，降低了电机直驱门板所需的功耗。

说明书附图

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例1的门板剖视图；

图3为本发明实施例2门板的内部结构示意图；

图4为本发明实施例2门板的内部另一种结构示意图；

图5为本发明的剪式门闸机关门状态示意图；

图6为最适合闸机的电机转速—转角曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种电机直驱门板开合的剪式门闸机，包括电机1、门板2和机架3，所述电机1固定于机架3上，所述门板2的旋转中心套于所述电机1的转轴上，所述的电机1分别电连接电流检测模块和转子位置和速度检测装置，所述的电流检测模块和转子位置和速度检测装置均电连接一控制单元，所述控制单元控制电机1转动。作为优选，所述的电机1采用直流无刷电机。直流无刷电机转矩大，转速小，零转速时有转矩且能在短时间内快速地加减速运行，满足电机1直驱门板2开合时对电机1性能的要求。所述门板2与机架3之间设有弹簧4。在闸机系统断电的情况下，通过例如拉簧、钮簧或盘状弹簧等产生的拉力作用将门板2打开，保持行人的正常通行。

在剪式门闸机关门状态下(参见图5)，所述机架3上设有限制门板2关门位置的电磁铁，所述门板2上设有在门板关门位置处与所述电磁铁吸合的铁质挡块(由于电磁铁与铁质挡块均位于门板的内侧图5中未作标识)。为避免行人强行闯闸，在电机1直驱门板2开合的过程中通常需要大转矩来抵制行人强行开启闸机门所产生的转矩，在对电机1的选型过程中，出于对行人强行闯闸的考虑，通常需要提高对电,1性能的要求，增加了设备成本。增加关门位置的电磁铁与铁质挡块，增大了关门位置的锁死力，有效的防止了行人闯闸。如此电机1在选型过程中只需选择仅够维持门板2运动所需的转矩即可，解决了因为防止而需提高对电机1的性能要求的问题，减少了设备成本。

作为对所述转子位置和速度检测装置和电流检测模块的进一步优化，所述的转子位置和速度检测装置包括连接在电机1转子转轴上的速度传感器和位置传感器，所述位置传感器和速度传感器均连接一RC滤波电路的输入端，所述RC滤波电路的输出端连接于控制单元。所述的电流检测模块包括一端连接于电机1电枢绕组输出端的采样电阻，所述采样电阻的另一端连接控制单元。所述的位置传感器可以为霍尔位置传感器，速度传感器可采用光电编码器，当然可以是其他具有相同功能的传感器。为减少霍尔位置传感器开关瞬间产生的高频干扰信号和抖动信号，通过所述的RC滤波电路进行抗干扰和防抖动的处理。所述的位置传感器和速度传感器检测电机转子的位置信号以及转子角速度信号，通过转矩公式、功率公式以及角速度公式：

T＝(9550×P)/n；

P＝I2×Z×cosφ；

ω＝2πn；

T—转矩；P—功率；I—电机输出电流；Z—电机输出阻抗；cosφ—功率因素；n—转速；ω—角速度；

可知，通过所述角速度ω与转速n的关系将检测到的转子角速度ω信号经控制单元转换为相应的转速n信号，依照实验所得的维持门板2运动的最适合闸机的转速曲线(具体参见图6)，所述电机转速n随转角ψ变化过程分为三个阶段：即转速n匀加速上升、匀速和匀减速下降，可由控制单元通过闭环控制完成电机1的转速控制。要实现电机1转矩的控制，还需要功率驱动电路和逆变电路。根据直流无刷电机方波电流与转子位置成对应关系的调速原理，通过控制单元中的逻辑关系处理得到相应的开关信号，通过相应的开关信号触发逆变电路的功率开关元件工作，对功率驱动电路驱动的电源功率进行分配，将电机1所得的功率提供于电机1绕组，根据上述电机1转矩公式可知电机转矩T与转速n以及电机的输出功率P有关，控制单元计算当前电机的转矩T。控制单元依照实验所得的仅保持门板2转动所需的转矩T数据对电机的转速n以及电机的输出功率P进行闭环控制。由上述功率公式可知，电机输出功率P与电机输出电流I有关，因此可通过电流检测模块检测电机的电流信号，由控制单元根据电机分配所需的电机功率对电机的电流大小进行控制，与此同时，电流检测模块还可通过检测电机的电流信号，防止电机转矩脉动以及电机运行出现短路、接地或过载等故障。电流检测模块包括一端连接电机电枢绕组输出端的采样电阻，所述采样电阻的另一端连接于控制单元。通过采样电阻将相应绕组的采样电流转变为采样电压输入控制单元，并由控制单元判断电机输出电流是否超出功率驱动电路的允许值，保护逆变电路中的功率开关元件，排除电路故障。

所述控制单元为控制芯片，作为优选，本实施例中所述控制芯片为TI公司的TMS320C2000的DSP控制芯片。所述逆变电路由TMS320C2000芯片的事件管理器A的PWM1、PWM3、PWM5输入，然后由芯片的事件管理器A的PWM2、PWM4、PWM6输出控制电机1的相关参数。

所述的电机1直驱门板2开合的剪式门闸机有对称分布的两个，构成行人通行的闸机道。

为降低电机1直驱门板2开合所需的功耗，所述门板2为橡胶门板并在内部设有金属板，所述门板2内还设有空心腔体23。所述橡胶门板更为柔软，在有行人强行闯闸或票务正常时而闸机门故障等情况下，不易夹伤行人，并且橡胶门板质量较轻，降低了电机1直驱门板2所需的功耗。在本优选实施例中，所述的金属板为铝合金板。橡胶材质的门板1通过模具注塑而成，量产成本低。所述铝合金板强度能达到门板2承重的要求，且质量轻。

作为对门板的进一步优化，可采用以下两种实施方式，但不限于所举实施例。

实施例1：

如图2所示，所述的金属板包括相互扣合的上金属板21和下金属板22，两块金属板上分别设有方向相反位置对应的凹槽，两块金属板上的凹槽配合围成所述的空心腔体23。首先将上金属板21与下金属板22扣合形成一个空心腔体，然后通过模具一体注塑而成。即能保证门板2的强度并减轻了门板2的质量，工艺制作方便。

实施例2：

所述门板2包括连接为一体的对称的上门板24和下门板，参见图3，上门板24内部结构示意图，具体给出了其与金属板接触面的结构，所述门板还包括固接于所述上门板24与下门板之间的金属板，在所述上门板24与下门板均设有凹槽26，所述凹槽与金属板围成所述的空心腔体。所述的金属板上设有通孔，所述的通孔内穿过一连接件分别连接所述的上门板24和下门板。所述凹槽26为扇形，且有若干个，沿所述门板2的径向等距布设，

相邻凹槽26之间形成弧形的凸条25，金属板对应每个凸条25的区域内至少设有一所述的通孔，上门板的凸条25和下门板的凸条25通过所述的连接件连为一体。所述橡胶门板通过模具一体注塑而成，所述的凹槽是在门板一体注塑过程中通过模具产生的。所述的凸条25为弧形的条状或者(具体如图4所示)间距较大的扇面状，在一体注塑的过程中，橡胶通过通孔形成所述的连接件，于是将上门板24与下门板连成一体，保证了门板2的强度和稳定，构成一个完整的剪式门门板。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (10)

1.一种电机直驱门板开合的剪式门闸机，包括电机(1)、门板(2)和机架(3)，所述电机(1)固定于机架(3)上，其特征在于：所述门板(2)的旋转中心套于所述电机(1)的转轴上，所述的电机(1)分别电连接电流检测模块以及转子位置和速度检测装置，所述的电流检测模块以及转子位置和速度检测装置均连接一控制单元，所述控制单元控制电机(1)转动。

2.根据权利要求1所述的电机直驱门板开合的剪式门闸机，其特征在于：所述电机(1)为直流无刷电机。

3.根据权利要求2所述的电机直驱门板开合的剪式门闸机，其特征在于：所述的转子位置和速度检测装置包括连接在电机(1)转子转轴上的位置传感器和速度传感器，所述的位置传感器和速度传感器均连接在一RC滤波电路的输入端，所述RC滤波电路的输出端连接于控制单元。

4.根据权利要求1所述的电机直驱门板开合的剪式门闸机，其特征在于：所述门板(2)为橡胶门板并在内部设有金属板，所述橡胶门板(2)内还设有空心腔体(23)。

5.根据权利要求4所述的电机直驱门板开合的剪式门闸机，其特征在于：所述的金属板包括相互扣合的上金属板(21)和下金属板(22)，两块金属板上分别设有方向相反位置对应的凹槽(26)，两块金属板上的凹槽(26)配合围成所述的空心腔体(23)。

6.根据权利要求4所述的电机直驱门板开合的剪式门闸机，其特征在于：所述橡胶门板(2)包括连接为一体的对称的上门板(24)和下门板，所述金属板固接在所述上门板(24)与下门板之间，所述上门板(24)与下门板上均设有凹槽(26)，所述凹槽(26)与金属板围成所述的空心腔体(23)。

7.根据权利要求6所述的电机直驱门板开合的剪式门闸机，其特征在于：所述的金属板上设有通孔，所述的通孔内穿过一连接件分别连接所述的上门板(24)和下门板。

8.根据权利要求7所述的电机直驱门板开合的剪式门闸机，其特征在于：所述凹槽(26)为扇形，且所述凹槽(26)有若干个沿所述门板(2)的径向等距布设，相邻凹槽(26)之间形成弧形的凸条(25)，金属板对应每个凸条(25)的区域内至少设有一个所述的通孔，上门板的凸条(25)和下门板的凸条(25)通过所述的连接件连为一体。

9.根据权利要求1所述的电机直驱门板开合的剪式门闸机，其特征在于：所述门板(2)与机架(3)之间设有弹簧(4)。

10.根据权利要求1所述的电机直驱门板开合的剪式门闸机，其特征在于：所述机架(3)上设有限制门板(2)关门位置的电磁铁，所述门板(2)上设有在门板关门位置处可与所述电磁铁吸合的铁质挡块。