CN103810776A - 多轴智能闸机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型全数字化分布式闸机专用智能伺服驱控制系统，该智能伺服控制系统集成伺服驱动、运动控制和逻辑控制功能于一体。智能型闸机控制器采用了全数字化的结构，可以用于控制和驱动直流无刷电机、直流有刷电机和力矩电机。本发明所提出的智能型闸机控制器内置闸机专用控制逻辑、并具有防止碰撞和防闯关功能。应用本发明所提出的智能型驱动器能够构建单门闸机、双门闸机，从而实现低成本、系统配置灵活、体积小巧、操作简便、性能可靠且维护方便闸机伺服控制系统。

Description

多轴智能闸机控制系统

技术领域

本发明涉及一种多轴智能闸机专用控制器，具体地说，是涉及一种集成运动控制、伺服驱动和逻辑控制功能于一体，可以用于控制和驱动多种类型闸机的新型全数字化分布式闸机专用智能控制系统，特别是可以用于双向行人通关自动验查通道的设备。

背景技术

随着经济发展和人员流动性的日益增加，出于安全性的考虑，许多特定区域如特定的商业建筑物、车站、机场、海关等的出入口都要对进出人员的身份进行严格的检查，也需要对出入者身份有所控制。但是目前多数监控和检查主要采用人工形式，不仅容易出错，而且手续繁琐、工作量大、效率低，而且往往容易出现通行堵塞，冒名顶替等。

随着信息技术的发展，人员自助查验通道系统的使用替代了原有的人工查验系统，从而大大提高了通行效率。公开号为CN201010548137的专利文件即公开了一种行人通关自动查验通道设备，可自动查验通行者的身份，该通道设备包括进口闸门、出口闸门、设在所述进口闸门与出口闸门之间的封闭通道，还包括分别与所述感应装置、进口闸门、出口闸门连接的计算机，该计算机可根据感应信号和验证结果控制所述进口闸门、出口闸门的开闭。信息技术的发展和利用能够大大地提高人员的查验和通行速度。

在自助查验放行通道中，进口闸门、出口闸门的控制需要电机和伺服驱动器来实施高效可靠的控制。本专利即是介绍了一种专门用于控制和驱动自助查验放行通道中用于控制进口闸机、出口闸机的多轴专用智能控制器。

发明内容

为了改善现有通用型伺服驱动器用于自助查验放行通道的诸多不足之处，本发明公开了一种新型全数字化分布式闸机专用智能伺服驱控制系统。其主要目的在于提供一种系统连接简单、内置功能丰富，从而实现低成本、系统配置灵活、操作简便、性能可靠且维护方便的闸机控制和驱动系统。

该智能伺服控制系统集成伺服驱动、运动控制和逻辑控制功能于一体。智能型闸机控制器采用了全数字化的结构，可以用于控制和驱动直流无刷电机、直流有刷电机和力矩电机。本发明所提出的智能型闸机控制器内置闸机专用控制逻辑、并具有防止碰撞和防闯关功能。本发明所提出的空心杯电机智能伺服驱动系统集成了电机驱动与运动控制以及集成的PLC逻辑控制功能于一体，无需外部运动控制器，即可实现运动控制、电机驱动以及数字输入/输出逻辑控制的功能。

与传统的伺服驱动器相比，本发明所提出的多轴智能型闸机控制系统具有以下优点：

1).系统连接简便可靠

多轴智能型闸机控制系统驱动器和控制器集成一体的结构不但增加了运动控制系统连接的可靠程度、降低了系统的故障点、同时也减少了构建运动控制系统的造价；

2).可以驱动多种类电机

本发明所提出的多轴智能型闸机控制系统可以用来控制和驱动多种类的电机，如直流无刷电机、直流有刷电机和力矩电机；

3).集成闸机专用逻辑控制功能

本发明所提出的多轴智能型闸机控制系统内置了闸机专用的控制功能，包括自动找零位、开门、关门、锁定抱闸、释放抱闸等闸机专用控制功能，以及在异常情况下；

4).具有防碰撞和防闯关功能

本发明所提出的多轴智能型闸机控制系统具有防止碰撞和防止闯关的功能，用于碰撞发生时对人员的保护和防止闯关事件的发生；

5).远程维护和故障诊断

本发明所提出的多轴智能型闸机控制系统可以通过驱动器内置的嵌入式软件和本地上位机软件进行驱动器和设备的远程维护和远程故障诊断的功能。

为了实现以上描述的优点和功能，本专利所描述的本发明所提出的多轴智能型闸机控制系统具有如下的技术细节：

1).所提出的本发明所提出的多轴智能型闸机控制系统采用全数字化设计；

2).多轴智能型闸机控制系统集运动控制功能、伺服驱动功能、抱闸功能和闸机逻辑控制功能于一体；

3).智能控制器可执行S曲线运动控制轨迹规划，使得开门和关门动作更柔和；

4).通过软件的设置，同一个智能控制系统可以用来驱动直流无刷电机、直流有刷电机和力矩电机，而不需要改变硬件的设计；

5).所提出的智能型驱动器具有远程维护、远程故障诊断功能。通过这些功能实现了驱动器的远程技术指导、远程设备调试、技术培训等功能，不但方便驱动器的使用而且减少了设备的故障停机时间。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为本发明所提出的智能型闸机控制器结构示意图；

图2显示了由本发明提出的智能闸机控制器所组建的闸机控制系统结构示意图；

图3是智能闸机控制系统上电命令执行序列流程图；

图4是智能闸机控制系统防闯关处理流程图；

图5是闸门开启过程智能闸机控制系统防碰撞处理；

图6是闸门关闭过程智能闸机控制系统防碰撞处理；

图7是智能闸机控制系统状态转换流程图；

图8显示了智能闸机控制系统远程服务解决方案示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施方法、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图说明所提出的多轴智能型闸机控制系统并举例说明实施例，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明所提出的多轴智能型闸机控制系统结构示意图；

本发明提出的多轴智能型闸机控制系统由两部分组成，分别是(1)控制模块和(2)驱动模块。控制模块(1)实现了运动控制功能，驱动模块(2)实现了电机驱动功能。其中控制模块(1)包含了(3)DC-DC电源模块、(4)数字信号处理单元、(5)程序及系统参数存储单元、(6)系统通讯接口、(7)驱动器工作状态以及故障指示单元、(8)数据总线、(16)电源总线等子模块。驱动模块(2)包含了(8)数据总线、(9)电流检测单元、(10)现场可编程门阵列单元、(11)输入输出接口电路、(12)电源滤波电路、(13)编码器解析电路、(14)制动单元、(15)驱动电路、(16)电源总线等子模块。

每个功能子模块所实现的功能描述如下，控制模块(1)的主要功能有：

1).实现智能伺服驱动器与上位机的通讯；

2).实现运动控制的轨迹规划功能；

3).实现运动控制的控制功能，包括电流环、速度环、位置环的控制以及其它辅助控制功能；

4).将运动控制DSP程序、FPGA配置文件、独立运行电机运动程序、系统及电机参数存储于FLASH ROM中；

5).驱动器工作状态指示；

6).系统供电；

各个子系统的主要功能描述如下：

DC-DC电源模块(3)的功能是将24V直流电转换为更低的电压，如3.3V、2.5V，提供系统芯片供电之用；

数字信号处理器单元(4)包含数字信号处理器及其外围电路，是系统的中央处理器，用于整个系统的控制和调度。其功能包括系统通讯的调度和网络命令接收、系统轨迹规划、位置环控制、速度环控制以及电流环控制；

程序及系统参数存储单元FLASH ROM(5)用于存储运动控制DSP程序、FPGA配置文件、独立运行模式运动程序、系统及电机参数等程序和参数；

通讯接口(6)提供上位机和驱动器之间的通讯功能，有RS232、RS485和CAN总线三种方式供选择。驱动器工作状态以及故障指示单元(7)：用于指示驱动器的工作状态，可以实现系统的本地故障诊断，其具体实现方式在下节描述；

数据总线(8)：用于系统各个单元之间，以及控制模块和驱动模块之间的通讯。

驱动模块(2)的主要功能有：

1).驱动电路的电流检测；

2).电机的驱动电路即三相桥电路；

3).输入/输出接口模块；

4).编码器信号解析以及位置和速度观测器；

5).脉冲宽度调制控制功能；

6).模拟信号到数字信号的转换；

驱动模块(2)的每个子系统的主要功能描述如下：

数据总线(8)用于驱动模块内各个子系统之间以及控制模块和驱动模块之间的通讯；

电流检测单元(9)的功能是检测驱动电路电机的相电流；

现场可编程门阵列单元(10)主要用来实现电机编码器信号四倍频解析、位置和速度观测器、输入输出逻辑和脉冲宽度调制控制功能；

输入输出接口电路(11)包括光电隔离输入输出、差分输入输出和模拟输入输出信号；

电源滤波电路(12)用于对输入电源进行滤波，以去掉电压的波动；

编码器解析单元(13)是电机编码器差分输入的接口电路；

制动单元(14)是电机刹车系统的接口；

驱动电路(15)是伺服电机驱动模块的核心，是一个由六个功率管组成的三相桥电路；

电源总线(16)是给系统驱动电路供电的电源总线；

图2显示了用本发明所提出的智能型多轴闸机控制器构建的双门闸机控制系统。图中(1)是闸门、(2)是闸门和电机的连接门轴、(3)是抱闸模块、(4)是减速机(减速机为选配件)、(5)为电机、(6)和(7)是限位开关或零位开关、(8)是本发明所提出的智能型多轴闸机控制器、(9)是上位机、(10)是用于用户身份验证的服务器、(11)为控制器和上位机之间的通讯连接，通讯方式可以是RS232、RS485或CAN总线、(12)是控制器供电电源。系统的工作方式为：多轴智能控制器接收上位机发来的命令执行对闸门的操作，命令如开门、关门、抱闸、找零位等。控制器根据预定以的逻辑控制闸机的开启和关闭本发明所提出的智能多轴闸机控制器除了应用于双门闸机通道之外，还可以用于单门闸机通道，拍打门和剪式门都适用。图3显示了智能闸机控制系统上电过程的执行序列，系统上电之后，智能闸机控制系统会根据系统的设置自动回零，回零方式可以是堵转方式、找零位开关方式或者是找Z脉冲方式。当闸机回零完毕以后会自动将闸机运动到关门位置，进入程序主循环等待上位机发来的命令，一旦接收到上位机发来的命令，控制器便执行相应的控制动作，在开启和关闭过程中如果遇到碰撞则启动异常状况处理。

为了防止不明身份人员或者是身份验证不合格的人员强行通过闸机通道，本发明所提出的智能型闸机控制器还集成了防闯关处理功能，图4显示了智能闸机控制系统的防闯关处理的流程图。当闸机处于关闭状态受到外力冲击时，智能控制器会根据电机的电流大小和位置误差值来判别闸门是否受到冲击。一旦电流值或位置误差值超过一定的阈值，控制器便启动闸门抱闸装置锁定闸门。闸门会保持一定时间的锁定然后回归到闸门关闭状态。

另外为了保障人员的安全，本发明所提出的智能型闸门控制器还集成了防碰撞处理功能，图5和图6分别显示了闸机开启过程和关闭过程中控制器同的防碰撞处理流程图。以图5为例说明闸机开启过程中系统的防碰撞处理流程，当在闸机开启过程中闸门遇到碰撞时，通过控制器的电流值和位置误差值可以判断碰撞的程度。当控制器检测到碰撞时立即启动抱闸锁定闸门，并保持一定时间的锁定，然后控制器释放抱闸继续执行开门命令。图6显示的闸门关闭过程防碰撞处理流程和图5类似。

图7给出了智能闸机控制系统的状态切换流程图，图中所显示的控制逻辑已经内置集成到控制器中，所有的控制逻辑无需上位机参与。这样上位机无需参与关于门机逻辑的控制，只需发送开门和关门的命令。

本发明所提出的智能闸门控制器还提供了远程维护和故障诊断的解决方案。图8显示空心杯电机智能伺服驱动器远程维护和故障诊断解决方案示意图。在用户现场，将待维护的智能型驱动器通过网络连接到上位机，在上位机安装专用的诊断以及远程维护软件。同时在技术服务中心的客户端也安装相应的软件，两者通过互联网相互连接实现远程的操作，这样技术支持人员就像在客户现场一样实现对机器的操作。这样不但可以提高技术服务的效率、而且可以减少用户设备的停机和调试时间。

至此，结束本发明所提出的智能闸机控制系统的组织结构、优点、功能、操作方法、控制逻辑等的描述。

由上述实施例可见，本发明所提出的智能控制系统集成了电机驱动、运动控制和闸门逻辑控制功能于一体。所提出的智能闸机控制系统适用于控制驱动直流无刷伺服电机、直流有刷伺服电机和力矩电机等。智能控制器无需外部运动控制器，即可实现运动控制以及闸门控制逻辑等多种功能。智能伺服驱动器可以通过RS232、RS485和CAN总线通讯组成运动控制网络。本发明所提出的智能型多轴闸机控制系统为闸机控制应用提供一个高性能、高可靠性、功能丰富、低成本的运动控制解决方案。

Claims (5)

1.一种全数字化分布式多轴智能闸机控制系统，其特征在于：

A、具有多种网络控制模式，包括：RS232网络控制模式、RS485分布式网络控制模式、CAN总线网络控制模式；

B、可以控制和驱动多种电机，如直流有刷空心杯伺服电机、直流无刷空心杯伺服电机和力矩电机；

C、采用了全数字化设计，是集闸机控制功能和电机驱动功能以及PLC逻辑控制功能于一体的结构。

2.根据权利要求1所述的多轴智能闸机控制系统，其特征在于，智能闸机控制器可以工作于RS232网络控制模式、RS485分布式网络控制模式、CAN总线分布式网络控制模式。

3.根据权利要求1所述的智能闸机控制器，其特征在于，所提出的智能闸机控制器内置了闸机专用控制功能，包括自动找零位、开门、关门、报警、抱闸、保护以及异常状态的处理。

4.根据权利要求1所述的智能闸机控制器，其特征在于，所提出的智能闸机控制器集成了I/O逻辑控制功能，闸门控制器具有检测碰撞和闯关的功能，并具有防止碰撞和防止闯关的保护功能。

5.根据权利要求1所述的多轴智能闸机控制系统，可以通过驱动器的上位机软件连接到互联网上，通过互联网可实现远程故障诊断和远程设备调试功能。

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