CN104233975A - 一种基于无刷电机驱动的剪式门系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于无刷电机驱动的剪式门系统，该系统包括机架、扇门、四杆机构、电机、电机控制器、弧形导轨、弹簧、限位块。扇门、四杆机构、电机、电机控制器、弧形导轨、限位块均安装于机架上。上述系统所用电机为无刷直流电机。四杆机构包括一曲柄和一连杆。本发明提出的一种基于无刷电机驱动的剪式门系统具有关门过程夹人保护功能及系统掉电自动开门功能，使用PWM-ON控制算法驱动无刷直流电机作为扇门开闭的动力源，提高了系统的可靠性、稳定性、适应性，延长使用寿命，降低维护成本。

Description

一种基于无刷电机驱动的剪式门系统

技术领域

本发明涉及轨道交通车站的闸机，具体涉及闸机中的通行控制系统。

背景技术

闸机是轨道交通自动售检票（Automatic Fare Collection，AFC）系统的重要组成部分，用于乘客进出站的自动检票及通行控制。闸机系统由自动检票系统、乘客通行位置识别系统、通行控制系统三部分组成。本发明提出的剪式门系统属于闸机的通行控制系统。

顾名思义，自动检票系统的功能为乘客进出站时检票。乘客通行位置识别系统的功能为识别乘客检票后行走在通道里的位置，并根据乘客位置向通行控制系统发送开/关门指令。通行控制系统的功能为接收乘客通行位置识别系统发送的开/关门指令，执行开/关门动作，实现通行控制的目的。通行控制系统对闸机性能的影响主要体现在以下方面：关门过程中夹人保护功能关系乘客的人身安全，开/关门速度影响通行的客流量，驱动系统的使用寿命影响闸机的维护成本。

目前轨道交通所用闸机的剪式门系统的动力源多为有刷电机驱动且结构型式复杂（如专利：公开号CN101994460A）。上述剪式门系统存在结构型式复杂，加工难度大，制作成本高等缺点。由于有刷电机内存在电刷，上述系统还存在使用寿命短、维护成本高等缺点。

发明内容

本发明提出了一种基于无刷电机驱动的剪式门系统，采用无刷直流电机作为驱动扇门的动力源，配合PWM-ON控制算法及合理的PWM频率，解决了现有系统存在的结构型式复杂、使用寿命短、维护成本高等缺点。本系统具有夹人保护功能，可避免系统误动作造成扇门对乘客的伤害。本系统开/关门速度快，可提高闸机的客流量。本系统掉电且扇门关闭时，可以保持开门状态。

电机及电机控制器是本剪式门系统的动力核心，电机控制器包括电源处理电路、微处理器（MCU）、三相全桥驱动电路、电机位置信号处理电路、数字输入信号处理电路。主要特点为：

电机采用内置位置传感器的无刷直流电机；

电机控制器采用PWM-ON控制方式驱动电机；

电机控制器的微处理器定时诊断电机位置信号，识别关门过程中扇门遇阻，实现夹人保护功能；

电机控制器的三相全桥驱动电路采用二极管D、电阻R、电容C组成预驱动充电泵电路，将上桥臂的栅极信号抬升到VPOWER+VCC，以产生高边MOSFET栅极电压；

电机控制器的电机位置信号处理电路采用电阻R1、R2、电容C1、C2，对电机位置信号进行滤波及上拉处理。

本发明有益的技术效果是：

采用无刷直流电机作为动力源，解决了现有系统采用有刷电机作为动力源的控制精度差、使用寿命短、维护成本高等缺点。本系统具有夹人保护功能，可避免系统误动作造成扇门对乘客的伤害，提高了闸机系统的安全性。开/关门速度快达数百ms，可以提高闸机的客流量。本系统掉电且扇门关闭时，可以保持开门状态，达到掉电紧急放行目的。

附图说明

图1 基于无刷电机驱动的剪式门系统

图2 剪式门系统各个模块

图3 无刷直流电机驱动原理框图

图4 PWM-ON驱动控制时序

图5 电机位置信号处理电路。 

具体实施方式

本发明提出的采用无刷直流电机作为动力源的剪式门系统，从多方面考虑，提高系统的可靠性、安全性、通行效率。首先通过使用无刷直流电机作为动力源，提高了系统的可靠性；其次，通过电机控制器实现夹人保护功能提高系统的安全性；然后，通过降低开/关门时间提高闸机的通行效率。

图1是基于无刷电机驱动的剪式门系统图，其主要工作原理如下：

该系统包括机架、扇门、四杆机构、电机、电机控制器、弧形导轨、弹簧、限位块。扇门、四杆机构、电机、电机控制器、弧形导轨、限位块均安装于机架上。所用电机为无刷直流电机。四杆机构包括一曲柄和一连杆。曲柄的一端与电机的输出轴传动连接，曲柄的另一端与连杆的一端铰接，连杆的另一端铰接于扇门上，扇门的下端与机架铰接。电机作为动力源带动曲柄摇杆机构以驱动扇门开闭。弧形导轨的作用为引导扇门开闭。弹簧的一端固定于曲柄上，另一端固定于机架上。当系统断电且扇门关闭时，弹簧的拉力驱动曲柄旋转带动曲柄摇杆机构，将扇门打开，达到紧急放行的目的。限位块共两个，通过限制曲柄的旋转运动来起到限位作用。限位块A用于关门限位，它位于扇门完全关闭时曲柄与连杆的铰接位置下方。限位块B用于开门限位，它位于电机输出轴的左上方。

电机控制器接收到开/关门指令后，读取电机内置的位置信号，根据转子位置，微处理器发出PWM信号，经过预驱动电路处理后，到达三相全桥驱动电路，相应桥臂的MOSFET被导通，相应定子通电，控制电机转动。由于电机输出轴与曲柄传动连接，曲柄与连杆铰接，连杆与扇门铰接，因此电机的转动会带动扇门的开闭。图1中的弧形导轨的作用为引导扇门运动。图1中的弹簧为当系统断电且扇门关闭时，紧急开门作用。

图3为无刷直流电机驱动原理框图，MCU发出的6路PWM-ON信号经过预驱动电路处理后，送入三相MOSFET的栅极。预驱动电路的二极管D、电阻R、电容C组成充电泵电路，将上桥臂的栅极信号抬升到VPOWER+VCC。

图4为MCU输出的PWM-ON控制时序。PWM1~PWM6分别对应A相上桥臂，A相下桥臂，B相上桥臂，B相下桥臂，C相上桥臂，C相下桥臂的栅极驱动信号。由图可知，每个MOSFET在一个周期内导通120°，导通的120°时间内，前60°为PWM控制，后60°为高电平控制。通过PWM-ON驱动控制方式及合理的PWM驱动频率，可以降低开关损耗及电机换相的转矩脉动，提高驱动效率和响应时间。

图5为电机转子位置信号处理电路，电机在启停、反转时存在较大的瞬时电流，辐射干扰较大。而电机位置信号的电平较低，易受干扰。因此电阻R2、电容C1、C2组成滤波器电路，对位置信号进行滤波抗扰处理，从而准确识别转子位置。电阻R1对信号进行上拉，MCU通过程序定时查询信号的电平可诊断出信号断路或对地短路故障。

Claims (7)

1.一种基于无刷电机驱动的剪式门系统，其特征在于，该系统包括机架、扇门、四杆机构、电机、电机控制器、弧形导轨、弹簧、限位块，扇门、四杆机构、电机、电机控制器、弧形导轨、限位块均安装于机架上。

2. 如权利要求1所述电机和电机控制器是本剪式门系统的动力核心，对系统稳定运行起着关键作用，本系统采用的无刷直流电机，其特征在于扭矩大，内置位置传感器。

3. 如权利要求1所述电机控制器，其特征在于包括电源处理电路、微处理器（MCU）、三相全桥驱动电路、电机位置信号处理电路、数字输入信号处理电路。

4. 如权利要求1所述电机控制器，其特征在于选择PWM-ON控制算法及合理的PWM频率驱动无刷直流电机，提高驱动效率和响应时间的同时，降低开关损耗。

5. 如权利要求1所述电机控制器，其特征在于MCU定时诊断电机位置信号，识别关门过程中扇门遇阻（如夹到乘客或行李等），实现夹人保护功能。

6. 如权利要求3所述电机控制器的三相全桥驱动电路，其特征在于选择合适的二极管D、电阻R、电容C组成充电泵电路，将上桥臂的栅极信号抬升到VPOWER+VCC。

7. 如权利要求3所述电机控制器的电机位置信号处理电路，其特征在于选择合适的电阻R1、R2、电容C1、C2，对电机位置信号进行滤波及上拉处理。