CN104196394B - 一种直驱式平开自动门控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱式平开自动门控制装置及其控制方法，包括STM32单片机、CPLD脉冲分配电路、智能功率模块IPM、永磁同步直线电机、霍尔位置传感器、红外传感器、人机交互界面和门板；其中门板使用永磁同步直线电机进行驱动；霍尔位置传感器对门板位置进行检测；红外传感器对门板内外侧的人流信息进行检测；STM32单片机根据接收到的位置信息、系统控制/查询信息和人流信息产生电机使能信号、电机运动方向信号、PWM信号和电机制动信号。本发明使用永磁同步直线电机作为驱动机构，系统可靠性高、方便维护；采用STM32单片机作为控制核心，降低了研发成本，性能稳定；使用人机交互触摸屏进行参数设置及信息显示，操作简单。

Description

一种直驱式平开自动门控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种直驱式平开自动门控制装置及其控制方法，可以应用于商场、银行等公共场所的直驱式自动门控制。

背景技术

随着经济的发展和人们生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛。它现在为许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所必备，不仅可以美化出入口环境，而且具有节能、防尘、隔音等功能，同时也是建筑物智能化的重要指标。

目前国内的产品多为从国外进口。国外生产自动门的公司很多，常见的公司有德国的BLASL，瑞士的TORMAX，意大利的PA，日本的National等等。这些产品功能繁多，性能可靠，但普遍价格偏高，操作复杂。而国内设计的同类产品性能不稳定，故障率较高，需要频繁的维护，增加了运营成本。

发明内容

发明目的：为了克服现有进口自动门产品成本较高、操作复杂以及国产自动门产品性能不稳定、可靠性低的缺点，本发明提供一种直驱式平开自动门控制装置及其控制方法，采用模块化设计并可配备触摸屏，使用低成本高性能的STM32单片机作为控制核心，并有故障检测、防夹人功能，具有成本低，性能稳定，操作简单的优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种直驱式平开自动门控制装置，包括开关电源、STM32单片机、CPLD(复杂可编程逻辑器件)脉冲分配电路、智能功率模块IPM、永磁同步直线电机、霍尔位置传感器、制动电路、电流电压检测和保护电路、接口电路、红外传感器、人机交互界面和门板；其中门板有两块，分别使用一台永磁同步直线电机进行驱动，每台永磁同步直线电机配备一个智能功率模块IPM；永磁同步直线电机包括电机动子和电机定子，电子定子位置固定，门板通过挂门板安装在电机动子上，霍尔位置传感器对电机动子相对于电机定子的位置进行检测并将检测得到的位置信息发送给STM32单片机；人机交互界面用于输入系统控制/查询信息，并显示监控/反馈信息，系统控制/查询信息通过接口电路发送给STM32单片机；红外传感器对门板内外侧的人流信息进行检测，并通过接口电路将检测到的人流信息发送给STM32单片机；STM32单片机根据接收到的位置信息、系统控制/查询信息和人流信息产生电机使能信号、电机运动方向信号、PWM信号和电机制动信号；电机使能信号、电机运动方向信号和PWM信号经CPLD脉冲分配电路后分别送给两台永磁同步直线电机的智能功率模块IPM中，通过智能功率模块IPM驱动永磁同步直线电机动作；电机制动信号经制动电路对永磁同步直线电机进行制动控制。

优选的，所述人机交互界面包括触摸屏和键盘。

优选的，还包括滚动导轨机构，滚动导轨机构包括导轨和滚动轮；电机定子包括定子铁心和定子绕组，定子铁心沿行程方向(电机动子的移动方向)均匀开设一组齿槽，定子绕组缠绕在定子铁心的齿槽内，电机动子包括动子铁心和一组结构尺寸相同的磁钢，磁钢沿行程方向连续排布形成磁极，磁钢两极的连线垂直于行程方向，并且相邻两个磁钢的磁极方向相反，所有磁钢背向动子铁心的表面共同形成磁极的极面；定子铁心的齿槽开口和磁极的极面位置相对，电机定子和电机动子之间形成气隙，挂门板与电机动子固定，滚动轮安装在电机动子上，导轨安装在电机定子上，电机定子位置固定；霍尔位置传感器设置在定子铁心的齿槽位置，通过霍尔位置传感器检测磁极的极面数目和位置，基于极面数目和位置对挂门板的位置和速度进行检测。

优选的，所述永磁同步直线电机的驱动波形为方波驱动，三个霍尔位置传感器为一组对应电机动子的一对极，即每个霍尔位置传感器对应2/3π电角度，当磁极的极面划过霍尔位置传感器时输出信号，三个霍尔位置传感器各有1/3时间重叠，构成6种输出状态，用以控制驱动器输出驱动波形。采用方波进行控制，相比较于现有的正弦波控制，更为简单。

优选的，所述电机定子位于电机动子整个行程中心位置对应处。

优选的，记整个行程的长度为L，电机定子的长度为L₁，电机动子的长度为L₂，满足下述关系：L₂＝1/2×L+L₁。

一种直驱式平开自动门控制装置的控制方法，自动门的运行模式有五种，分别为常开模式、常闭模式、自动全开模式、自动半开模式以及自动单开模式，其中：

常开模式：两块门板完全打开；

常闭模式：两块门板完全关闭；

自动全开模式：当红外传感器检测到门板内外侧有人靠近门板时，使门板趋于打开状态；当红外传感器没有检测到门板内外侧有人靠近门板时，使门板趋于关闭状态；门板趋于打开状态是指，当门板处于关闭状态下检测到有人靠近门板，则执行开门程序打开门板，当门板处于关闭过程中检测到有人靠近门板，则停止执行关门程序并执行开门程序打开门板；门板趋于关闭状态是指，当门板处于打开状态下没有检测到有人靠近门板，则执行关门程序关闭门板；

自动半开模式：相对于自动全开模式，两块门板的运动幅度都减少为自动全开模式的一半，即在自动半开模式下，门板全开时的行程仅为整个行程的一半；适用于炎热夏季或者寒冷冬季，能尽可能避免外界环境影响；

自动单开模式：相对于自动全开模式，两块门板中的一块始终处于关闭状态，另一块门板工作；这样，只要有一台永磁同步直线电机工作，另外一台永磁同步直线电机不工作，适用于人流量不是很大的时间段，在满足工作要求的同时能够节省电源。

有益效果：本发明提供的直驱式平开自动门控制装置及其控制方法，使用永磁同步直线电机作为驱动机构，省去了中间的传动环节，提高了系统可靠性，方便维护；采用低成本高性能的STM32单片机作为控制核心，降低了自动门研发成本，性能稳定；使用人机交互触摸屏进行参数设置及信息显示，操作简单；两扇门板之间没有机械上的连接，使得自动门的运行方式更加灵活。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为电机本体结构示意图；

图4为磁极的极面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种直驱式平开自动门控制装置，包括开关电源、STM32单片机、CPLD脉冲分配电路、智能功率模块IPM、永磁同步直线电机、霍尔位置传感器21、制动电路、电流电压检测和保护电路、接口电路、红外传感器、人机交互界面和门板；其中门板有两块，分别使用一台永磁同步直线电机进行驱动，每台永磁同步直线电机配备一个智能功率模块IPM；永磁同步直线电机包括电机动子11和电机定子2，电子定子2位置固定，门板通过挂门板4安装在电机动子11上，霍尔位置传感器21对电机动子11相对于电机定子2的位置进行检测并将检测得到的位置信息发送给STM32单片机；人机交互界面用于输入系统控制/查询信息，并显示监控/反馈信息，系统控制/查询信息通过接口电路发送给STM32单片机；红外传感器对门板内外侧的人流信息进行检测，并通过接口电路将检测到的人流信息发送给STM32单片机；STM32单片机根据接收到的位置信息、系统控制/查询信息和人流信息产生电机使能信号、电机运动方向信号、PWM信号和电机制动信号；电机使能信号、电机运动方向信号和PWM信号经CPLD脉冲分配电路后分别送给两台永磁同步直线电机的智能功率模块IPM中，通过智能功率模块IPM驱动永磁同步直线电机动作；电机制动信号经制动电路对永磁同步直线电机进行制动控制。

如图1所示，STM32单片机具体采用型号为STM32F103单片机，STM32F103单片机外扩EPROM和SRAM；通过接口电路，STM32F103单片机还连接有遥控器、光电管、触摸屏、键盘等，其中触摸屏和键盘作为人机交互界面。

如图2、图3所示为永磁同步直线电机和门板中间的连接结构，具体包括铝合金外壳1、永磁同步直线电机、挂门板4和滚动导轨机构。

铝合金外壳1的横截面为长方形且底侧面中心沿行程方向开口，平行于铝合金外壳1的底面、在铝合金外壳1内设置有固定块10，固定块10将铝合金外壳1内部分为上表面一侧的上容腔和下表面一侧的下容腔。

永磁同步直线电机包括电机定子2和电机动子11；电机定子2包括定子铁心22和定子绕组，定子铁心22沿行程方向均匀开设一组齿槽，定子绕组缠绕在定子铁心22的齿槽内，电机动子11包括动子铁心23和一组结构尺寸相同的磁钢24，磁钢24沿行程方向连续排布形成磁极9，磁钢24两极的连线垂直于行程方向，并且相邻两个磁钢24的磁极方向相反，所有磁钢24背向动子铁心23的表面共同形成磁极9的极面(如图4所示)；定子铁心22的齿槽开口和磁极9的极面位置相对，电机定子2和电机动子11之间形成气隙。

滚动导轨机构为双导轨结构、包括一对导轨3和一个滚动轮8，其中一对导轨3分别固定在固定块10和铝合金外壳1的底面上、位置相对，滚动轮8卡合在一对导轨3之间；电机动子11通过滚动轴7与滚动轮8连接，且在电机动子11的两侧均设置有滚动轮8，电机定子2固定在上容腔内。所述固定块10相对铝合金外壳1的底面距离可调。

在定子铁心22的齿槽位置设置有霍尔位置传感器21，通过霍尔位置传感器21检测磁极9的极面数目和位置，基于极面数目和位置对挂门板4的位置和速度进行检测。所述永磁直线电机的驱动波形为方波驱动，三个霍尔位置传感器21为一组对应电机动子11的一对极，即每个霍尔位置传感器21对应2/3π电角度，当磁极9的极面划过霍尔位置传感器21时输出信号，三个霍尔位置传感器21各有1/3时间重叠，构成6种输出状态，用以控制驱动器输出驱动波形。

所述电机定子2位于电机动子11整个行程中心位置对应处，记整个行程的长度为L，电机定子2的长度为L₁，电机动子11的长度为L₂，满足下述关系：L₂＝1/2×L+L₁。

该永磁直线电机无需位置和速度传感器，通过检测扫过电机定子处霍尔位置传感器21极面次数即可确定当前电机动子位置，通过测量扫过一对磁极的时间即可得到速度值，为此大大简化了控制方式和测量电路。

上述直驱式平开自动门控制装置的控制方法，其中自动门的运行模式有五种，分别为常开模式、常闭模式、自动全开模式、自动半开模式以及自动单开模式，其中：

常开模式：两块门板完全打开；

常闭模式：两块门板完全关闭；

自动全开模式：当红外传感器检测到门板内外侧有人靠近门板时，使门板趋于打开状态；当红外传感器没有检测到门板内外侧有人靠近门板时，使门板趋于关闭状态；门板趋于打开状态是指，当门板处于关闭状态下检测到有人靠近门板，则执行开门程序打开门板，当门板处于关闭过程中检测到有人靠近门板，则停止执行关门程序并执行开门程序打开门板；门板趋于关闭状态是指，当门板处于打开状态下没有检测到有人靠近门板，则执行关门程序关闭门板；

自动半开模式：相对于自动全开模式，两块门板的运动幅度都减少为自动全开模式的一半，即在自动半开模式下，门板全开时的行程仅为整个行程的一半；适用于炎热夏季或者寒冷冬季，能尽可能避免外界环境影响；

自动单开模式：相对于自动全开模式，两块门板中的一块始终处于关闭状态，另一块门板工作；这样，只要有一台永磁同步直线电机工作，另外一台永磁同步直线电机不工作，适用于人流量不是很大的时间段，在满足工作要求的同时能够节省电源。

本案采用永磁同步直线电机作为自动门门板的驱动机构，省去中间传动环节；使用STM32单片机作为自动门控制系统的核心，配合复杂可编程逻辑器件(CPLD)对永磁同步直线电机进行控制；控制算法采用经典PID算法；功率驱动电路采用智能功率模块IPM；电机动子位置检测使用霍尔位置传感器检测；为保证自动门安全、可靠运行，还配有故障检测与报警显示，人机交互触摸屏等模块。

开关电源为整个控制系统提供电能，可输出5V、12V、24V、35V直流电。在本案的设计中，两块门板之间是没有任何机械上的连接的；通过触摸屏可以完成系统物理参数的设置、运行模式的选择以及运行状态的显示。电流电压检测和保护电路，当检测到电压电流超过预设值后，将在触摸屏上显示报警信息，并驱动蜂鸣器报警、封锁STM32单片机的PWM输出。

当设置为所述常开模式时，STM32F103发出指令，驱动电机打开门板。

当设置为所述常闭模式时，STM32F103发出指令，驱动电机关闭门板。

当设置为自动全开模式时，所述红外传感器到门外或门里有人靠近门板时使门板趋于打开的状态，当没有人靠近时则使门板趋于关闭的状态。所述趋于打开的状态指：当门关闭状态下检测到有人靠近门板，则执行开门程序打开门板；当门板处于打开且正要关闭的状态，则停止关闭并执行开门程序打开门板。使门板趋于关闭的状态指：门板打开时，执行关门程序关闭门板。

当设置为自动半开模式时，所述红外传感器到门外或门里有人靠近门板时使门板趋于打开的状态，当没有人靠近时则使门板趋于关闭的状态。所述趋于打开的状态指：当门关闭状态下检测到有人靠近门板，则执行开门程序打开门板(行程为自动全开模式的一半)；当门板处于打开且正要关闭的状态，则停止关闭并执行开门程序打开门板(行程为自动全开模式的一半)。使门板趋于关闭的状态指：门板打开时，执行关门程序关闭门板。

当设置为自动单开模式时，关闭一侧的智能功率模块IPM，仅投入一台电机工作。运行过程同前所述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种直驱式平开自动门控制装置，其特征在于：包括开关电源、STM32单片机、CPLD脉冲分配电路、智能功率模块IPM、永磁同步直线电机、霍尔位置传感器（21）、制动电路、电流电压检测和保护电路、接口电路、红外传感器、人机交互界面和门板；其中门板有两块，分别使用一台永磁同步直线电机进行驱动，每台永磁同步直线电机配备一个智能功率模块IPM；永磁同步直线电机包括电机动子（11）和电机定子（2），电机定子（2）位置固定，门板通过挂门板（4）安装在电机动子（11）上，霍尔位置传感器（21）对电机动子（11）相对于电机定子（2）的位置进行检测并将检测得到的位置信息发送给STM32单片机；人机交互界面用于输入系统控制/查询信息，并显示监控/反馈信息，系统控制/查询信息通过接口电路发送给STM32单片机；红外传感器对门板内外侧的人流信息进行检测，并通过接口电路将检测到的人流信息发送给STM32单片机；STM32单片机根据接收到的位置信息、系统控制/查询信息和人流信息产生电机使能信号、电机运动方向信号、PWM信号和电机制动信号；电机使能信号、电机运动方向信号和PWM信号经CPLD脉冲分配电路后分别送给两台永磁同步直线电机的智能功率模块IPM，通过智能功率模块IPM驱动永磁同步直线电机动作；电机制动信号经制动电路对永磁同步直线电机进行制动控制。

2.根据权利要求1所述的直驱式平开自动门控制装置，其特征在于：所述人机交互界面包括触摸屏和键盘。

3.根据权利要求1所述的直驱式平开自动门控制装置，其特征在于：还包括滚动导轨机构，滚动导轨机构包括导轨（3）和滚动轮（8）；电机定子（2）包括定子铁心（22）和定子绕组，定子铁心（22）沿行程方向均匀开设一组齿槽，定子绕组缠绕在定子铁心（22）的齿槽内，电机动子（11）包括动子铁心（23）和一组结构尺寸相同的磁钢（24），磁钢（24）沿行程方向连续排布形成磁极（9），磁钢（24）两极的连线垂直于行程方向，并且相邻两个磁钢（24）的磁极方向相反，所有磁钢（24）背向动子铁心（23）的表面共同形成磁极（9）的极面；定子铁心（22）的齿槽开口和磁极（9）的极面位置相对，电机定子（2）和电机动子（11）之间形成气隙，挂门板（4）与电机动子（11）固定，滚动轮（8）安装在电机动子（11）上，导轨（3）安装在电机定子（2）上，电机定子（2）位置固定；霍尔位置传感器（21）设置在定子铁心（22）的齿槽位置，通过霍尔位置传感器（21）检测磁极（9）的极面数目和位置，基于极面数目和位置对挂门板（4）的位置和速度进行检测。

4.根据权利要求3所述的直驱式平开自动门控制装置，其特征在于：所述永磁同步直线电机的驱动波形为方波驱动，三个霍尔位置传感器（21）为一组对应电机动子（11）的一对极，即每个霍尔位置传感器（21）对应2/3π电角度，当磁极（9）的极面划过霍尔位置传感器（21）时输出信号，三个霍尔位置传感器（21）各有1/3时间重叠，构成6种输出状态，用以控制驱动器输出驱动波形。

5.根据权利要求4所述的直驱式平开自动门控制装置，其特征在于：所述电机定子（2）位于电机动子（11）整个行程中心位置对应处。

6.一种直驱式平开自动门控制装置的控制方法，其特征在于：自动门的运行模式有五种，分别为常开模式、常闭模式、自动全开模式、自动半开模式以及自动单开模式，其中：

常开模式：两块门板完全打开；

常闭模式：两块门板完全关闭；

自动全开模式：当红外传感器检测到门板内外侧有人靠近门板时，使门板趋于打开状态；当红外传感器没有检测到门板内外侧有人靠近门板时，使门板趋于关闭状态；门板趋于打开状态是指，当门板处于关闭状态下检测到有人靠近门板，则执行开门程序打开门板，当门板处于关闭过程中检测到有人靠近门板，则停止执行关门程序并执行开门程序打开门板；门板趋于关闭状态是指，当门板处于打开状态下没有检测到有人靠近门板，则执行关门程序关闭门板；

自动半开模式：相对于自动全开模式，两块门板的运动幅度都减少为自动全开模式的一半，即在自动半开模式下，门板全开时的行程仅为整个行程的一半；

自动单开模式：相对于自动全开模式，两块门板中的一块始终处于关闭状态，另一块门板工作。