CN106088826B - 一种智能门锁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能门锁，该门锁是由直线电机提供门栓驱动力的电子门锁，由于直线电机的运动为直线形式可直接用于驱动门栓，不需要设置用于运动形式转换的复杂机械传动装置。采用直线电机可以降低锁定或解锁的噪音。为了使得在市电故障或停止时，门锁依旧可以正常工作，采用可充电蓄电池作为电子门锁的后备电源；市电电源线与门锁之间过门轴连接容易导致线路折断，本申请提出采用无线供电技术为门锁及其蓄电池提供电力，克服了开关门之间导致电源线容易折断为门锁带来的安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能门锁，具体涉及一种安装在门上由直线电机驱动的门锁。
背景技术
现有电子门锁主要是通过控制器驱动电机转动，通过机械传动装置将电机的转动运行形式转换为门栓的直线运动形式完成锁定或解锁的操作，因此，机械传动装置增加了门锁的成本、并使得门锁整体结构复杂导致其不容易安装、检修，为此，提出一种由直线电机提供门栓驱动力的电子门锁，由于直线电机的运动为直线形式可直接用于驱动门栓，因此，不需要设置用于运动形式转换的复杂机械传动装置。与此同时，采用直线电机可以降低锁定或解锁的噪音。为了使得在市电故障或停止时，门锁依旧可以正常工作，本申请中提出采用可充电蓄电池作为电子门锁的后备电源；市电电源线与门锁之间过门轴连接容易导致线路折断，本申请提出采用无线供电技术为门锁及其蓄电池提供电力，克服了开关门之间导致电源线容易折断为门锁带来的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种节能、环保、安全、可靠、扩展性强、可控度高的智能门锁。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种智能门锁，它包括主控制器、用户操作系统、直线电机、直线电机驱动器、无线充电装置和蓄电池，主控制器通过用户操作系统接受用户输入的指令，主控制器根据将用户的指令转换为直线电机驱动器驱动信号从而驱动直线电机按用户的指令进行锁定或开锁动作，无线充电装置为蓄电池充电。
直线电机为交流直线电机或直流直线电机、当直线电机为直流直线电机时，蓄电池通过DC/DC变换器提供给直流直线电机工作所需的额定直流电压，当直线电机为交流直线电机时，蓄电池通过DC/AC变换器提供交流直线电机工作所需的交流电压。
直线电机的驱动控制方式为PID控制或自适应控制。
无线充电装置包括电源控制模块、无线电力发送端和无线电力接受端，其中无线电力发送端包括无线电力发送线圈，无线电力接收端包括无线电力接收线圈和整流电路，整流电路将无线电力接收线圈接受到的交流电整流成蓄电池充电所需的直流电。
电源控制模块内部设定蓄电池剩余电量阈值并采集蓄电池的剩余电量，当电池的剩余电量大于所述蓄电池剩余电量阈值时，停止充电，当电池的剩余电量小于所述蓄电池剩余电量阈值时，电源控制模块控制无线电力发送端向无线电力接受端传输电力为蓄电池充电。
无线充电装置由市电供电，当市电正常时，由无线充电装置的无线电力接收端提供交流电为交流直线电机提供交流驱动电力或无线电力接收端提供交流电经整流器转换为直流电为直流直线电机提供直流驱动电力。
用于锁定或解锁的直线电机为多个，当用户进行开锁或解锁的操作时，多个直流电机间隔执行开锁或解锁操作。
当第一台直线电机完成锁定或开锁操作后，主控制器内延时继电器或直线电机驱动器内置延时定时器启动，T1时间后，第二台直线电机开始进行锁定或开锁操作，当第二台直线电机完成锁定或开锁操作后，主控制器内延时继电器或直线电机驱动器内置延时定时器T2启动，T2时间后，第三台直线电机开始进行锁定或开锁操作，直至所有直线电机按照上述间隔启动方式完成开锁或解锁操作。
主控制器连接存储器，存储器内设置数据库，用于记录并更新锁定或开锁的操作信息，当用户执行锁定指令时，主控制器结合数据库中的锁定或开锁的操作信息历史信息，执行相应的解锁或开锁的操作。
用于锁定或解锁的直线电机为多个，主控制器内部设置时间阈值，当用户执行锁定指令时，主控制器结合数据库中的锁定或开锁的操作信息历史信息，判断出用户下次解锁的时间，当用户离开的时间小于所述时间阈值时，仅部分直线电机被驱动用于执行锁定任务，当用户离开的时间大于所述时间阈值时，全部直线电机被驱动用于执行锁定任务。
当直线电机的驱动控制方式为PID控制时，控制方式具体设计为速度和电流双闭环控制，其中，外环为速度闭环控制，内环为电流闭环控制，通过电流传感器、CLARK变换器和PARK变换器得到直线电机实际运行状态下的直轴电流驱动值Id和交轴电流驱动值Iq，通过光栅尺采集电机位移信号s并将其转换为直线电机实际运动速度V*和直线电机相位角φ，将直线电机相位角φ输入到PARK 变换器，设定直线电机运动参考速度为Vref，直线电机实际运动速度为V*，将Vref与V*差值信号输入至第一比例积分调节器得到直线电机交轴电流驱动调制参考值Iqref，将Iqref与Iq差值信号输入至第二比例节分调节器得到直线电机交轴电压驱动参考值Uqref，设定直线电机直轴电流调制参考值为Idref，将Idref与Id差值信号输入至第三比例节分调节器得到直线电机直轴电压驱动调制参考值Udref，Uqref和Udref经PARK 逆变换后输入至SVPWM控制器，SVPWM控制器根据Uqref和Udref相应的输出电压逆变器开关的驱动控制信号，通过实时调节直线电机输入的电压来实现调节直线电机运动状态。
当直线电机的驱动控制方式为自适应控制时，控制方式具体设计为速度和电流双闭环控制，其中，外环为速度闭环控制，内环为电流闭环控制，通过电流传感器、CLARK变换器和PARK变换器得到直线电机实际运行状态下的直轴电流驱动值Id和交轴电流驱动值Iq，通过光栅尺采集电机位移信号s并将其转换为直线电机实际运动速度V*和直线电机相位角φ，将直线电机相位角φ输入到PARK 变换器，设定直线电机运动参考速度为Vref，计算得到Vref与V*差值△V，并将该差值信号输入至微分器得到d(△V)/dt，将微分器输出的d(△V)/dt乘以常数c后得到c×d(△V)/dt，将△V与c×d(△V)/dt的差值输入到自适应控制器，通过自适应律式计算得到基函数矢量估计值ψ及其对应的权矢量估计值w，将△V与c×d(△V)/dt的差值、基函数矢量估计值ψ及其对应的权矢量估计值w输入到控制律式，通过控制律式计算得到直线电机交轴电压驱动调制值Uqref，设定直线电机直轴电流参考值为Idref，将Idref与Id差值信号输入至比例节分调节器得到直线电机直轴电压驱动调制值Udref，Uqref和Udref经PARK 逆变换后输入至SVPWM控制器，SVPWM控制器根据Uqref和Udref相应的输出电压逆变器开关的驱动控制信号，通过实时调节直线电机输入的电压来实现调节直线电机运动状态。
实施本发明的智能门锁，具有以下有益效果，当门锁内包含多个电机时，多个电机同时启动容易形成冲击市电或蓄电池的过电流，通过电机间隔启动的控制方式克服电机同时启动冲击电源的问题；同时使用多个电机完成锁定或解锁操作必定会导致电能的浪费，通过数据库记录并更新执行锁定开始时间、锁定和解锁操作的时间间隔历史记录，当再次执行锁定操作时，控制器根据执行锁定的开始时间，调用数据库的历史记录从而分析判断出锁定和解锁操作的时间间隔，当分析判断出用户离开时间较短时，离开期间发生盗窃事故的概率相对较低且在该时间段内很难撬开多个电机，因此，不需要控制全部电机执行锁定任务，只需要部分电机执行锁定任务，从而节约了电能；门锁中的电机驱动控制方式为PID或自适应控制，通过设置位移参考值可以使得电机适应各种不同结构的门形和门框，并且锁定或解锁的速度均可根据实际需要自行设置从而增加了门锁的兼容性和可扩展性。
附图说明
图1 为智能门锁整体装配示意图。
图2 为用户操作系统的示意图。
图3 电机间隔启动控制示意图。
具体实施方式
图1智能门锁整体装配示意图中主要包括如下元件：1门板、2门框、3门栓容置槽、4门栓、5合页、6第一电机、7第二电机、8第三电机、9第四电机、10第五电机、11主控制器、12开锁识别装置、13无线电力发送端、14无线电力接收端、15直线电机驱动器、16充电器、17蓄电池和18门锁驱动杆。
主控制器11通过开锁识别装置12接受用户输入的指令，根据将用户的指令控制第一直线电机6、第二直线电机7、第三直线电机8、第四直线电机9或第五直线电机10按用户的指令进行锁定或开锁动作，直线电机驱动器15与主控制器间采用通讯总线连接，将主控制器11的指令转换为用于驱动直线电机的驱动控制信号。无线电力发送端13将市电传输至无线电力接收端14，无线电力接收端14将接收到的电力经充电器16转换为直流电为蓄电池17充电，当市电正常时，由无线电力接收端14直接为各台直线电机提供驱动电源，当市电故障或停止时，蓄电池17存储的电能经逆变器转换为交流电为各台直线电机提供驱动电源。门栓4、第一电机6、第二电机7、第三电机8、第四电机9、第五电机10、主控制器11、开锁识别装置12、无线电力接收端14、直线电机驱动器15、充电器16和蓄电池17均安装在门板1内部。当执行锁定操作时，门栓4由直线电机带动的门栓驱动杆18推入至门栓容置槽3，从而将门板1固定在门框2上，当执行解锁操作时，门栓4由直线电机带动的门栓驱动杆18从门栓容置槽3中抽离，从而将门板1和门框分离，从而使得用户推门即可进入。无线电力发送端13与市电相连安装在门框2旁的墙体上。
图2中用户操作系统主要包括如下元件：20指纹录入模块、21身份验证模块、22微控制器模块、23操作模块和24报警模块。指纹录入模块20用于采集用户指纹信息并输入至身份验证模块21以待身份确认，当身份验证模块21通过指纹比对确认该用户为合法用户时，将该验证信息输入至微控制器模块22，由微控制器模块22为操作模块23上的操作界面解锁，从而使得用户可以通过操作模块23上的操作界面向微控制器模块22输入锁门和开门的指令，微控制器模块22将该指令通过通信总线传输至主控制器11，主控制器11根据将用户的指令转换为直线电机驱动器驱动信号从而驱动直线电机按用户的指令进行锁定或开锁动作。当身份验证模块21通过指纹比对确认该用户为非法用户时，将该验证信息输入至微控制器模块22，微控制器模块22触发报警模块24发出警报。
图3中电机间隔启动控制主要包括如下元件：31直线电机启动开关SB、32断路器QF1的合闸线圈KM1、33合闸线圈KM1的常开触点开关、34断路器QF1的合闸指示灯、35第一时间继电器线圈KT1（35）、36第一时间继电器KT1的常开触点开关、37断路器QF2的合闸线圈KM2、38合闸线圈KM2的常开触点开关、39第二时间继电器线圈KT2（39）、40断路器QF2的合闸指示灯、41第二时间继电器KT2的常开触点开关、42断路器QF3的合闸线圈KM3、43合闸线圈KM3的常开触点开关、44第三时间继电器的常开触点开关、45断路器QF3的合闸指示灯、46第三时间继电器线圈KT3（39）、47断路器QF4的合闸线圈KM4、48合闸线圈KM4的常开触点开关、49第四时间继电器的常开触点开关、50断路器QF4的合闸指示灯、51第四时间继电器线圈KT4（51）、52断路器QF5的合闸线圈KM5、53合闸线圈KM5的常开触点开关、54断路器QF5的合闸指示灯。
当用户进行锁定或解锁操作时，SB由主控制器控制闭合KM1得电，线圈KM1所属断路器QF1合闸为第一直线电机通电，KM1的常开触点开关闭合，第一时间继电器线圈KT1（35）得电、第一时间继电器KT1计时开始，当第一时间继电器KT1定时设置为T1秒时，T1秒后 KT1的常开触点开关闭合，KM2线圈得电，线圈KM2所属断路器QF2合闸为第二直线电机通电，KM2的常开触点开关闭合，第二时间继电器线圈KT2（39）得电、第二时间继电器KT2计时开始，当第二时间继电器KT2定时设置为T2秒时，T2秒后 KT2的常开触点开关闭合，KM3线圈得电，线圈KM3所属断路器QF3合闸为第三直线电机通电，KM3的常开触点开关闭合，第三时间继电器线圈KT3（46）得电、第三时间继电器KT3计时开始，当第三时间继电器KT3定时设置为T3秒时，T3秒后 KT3的常开触点开关闭合，KM4线圈得电，线圈KM4所属断路器QF4合闸为第四直线电机通电，KM4的常开触点开关闭合，第四时间继电器线圈KT4（51）得电、第四时间继电器KT4计时开始，当第四时间继电器KT4定时设置为T4秒时，T4秒后 KT4的常开触点开关闭合，KM5线圈得电，线圈KM5所属断路器QF5合闸为第五直线电机通电。电机间隔启动控制程序及主要元件设置在直线电机驱动器中，为电机间隔启动控制电路提供控制回路电源，为直线电机提供驱动电源。
本发明不限于所公开的实施例和附图，旨在覆盖落入本发明精神和保护范围的各种变化和变形。
Claims (7)
1.一种智能门锁，其特征在于，包括主控制器、用户操作系统、直线电机、直线电机驱动器、无线充电装置和蓄电池，主控制器通过用户操作系统接受用户输入的指令，主控制器根据将用户的指令转换为直线电机驱动器驱动信号从而驱动直线电机按用户的指令进行锁定或开锁动作，无线充电装置为蓄电池充电，用于锁定或解锁的直线电机为多个，当用户进行开锁或解锁的操作时，多个直流电机相继执行开锁或解锁操作，电机间隔启动控制包括如下元件：直线电机启动开关SB(31)、断路器QF1的合闸线圈KM1(32)、合闸线圈KM1的常开触点开关(33)、断路器QF1的合闸指示灯(34)、第一时间继电器KT1(35)、第一时间继电器KT1的常开触点开关(36)、断路器QF2的合闸线圈KM2(37)、合闸线圈KM2的常开触点开关(38)、第二时间继电器KT2(39)、断路器QF2的合闸指示灯(40)、第二时间继电器KT2的常开触点开关(41)、断路器QF3的合闸线圈KM3(42)、合闸线圈KM3的常开触点开关(43)、第三时间继电器的常开触点开关(44)、断路器QF3的合闸指示灯(45)、第三时间继电器KT3(46)、断路器QF4的合闸线圈KM4(47)、合闸线圈KM4的常开触点开关(48)、第四时间继电器的常开触点开关、断路器QF4的合闸指示灯(50)、第四时间继电器KT4(51)、断路器QF5的合闸线圈KM5(52)、合闸线圈KM5的常开触点开关(53)、断路器QF5的合闸指示灯(54)，当用户进行锁定或解锁操作时，SB由主控制器控制闭合KM1得电，线圈KM1所属断路器QF1合闸为第一直线电机通电，KM1的常开触点开关闭合，第一时间继电器KT1（35）得电、第一时间继电器KT1计时开始，当第一时间继电器KT1定时设置为T1秒时，T1秒后 KT1的常开触点开关闭合，KM2线圈得电，线圈KM2所属断路器QF2合闸为第二直线电机通电，KM2的常开触点开关闭合，第二时间继电器KT2（39）得电、第二时间继电器KT2计时开始，当第二时间继电器KT2定时设置为T2秒时，T2秒后 KT2的常开触点开关闭合，KM3线圈得电，线圈KM3所属断路器QF3合闸为第三直线电机通电，KM3的常开触点开关闭合，第三时间继电器KT3（46）得电、第三时间继电器KT3计时开始，当第三时间继电器KT3定时设置为T3秒时，T3秒后 KT3的常开触点开关闭合，KM4线圈得电，线圈KM4所属断路器QF4合闸为第四直线电机通电，KM4的常开触点开关闭合，第四时间继电器KT4（51）得电、第四时间继电器KT4计时开始，当第四时间继电器KT4定时设置为T4秒时，T4秒后 KT4的常开触点开关闭合，KM5线圈得电，线圈KM5所属断路器QF5合闸为第五直线电机通电，电机间隔启动控制程序及主要元件设置在直线电机驱动器中，为电机间隔启动控制电路提供控制回路电源，为直线电机提供驱动电源，直线电机的驱动控制方式为PID控制或自适应控制，当直线电机的驱动控制方式为PID控制时，控制方式具体设计为速度和电流双闭环控制，其中，外环为速度闭环控制，内环为电流闭环控制，通过电流传感器、CLARK变换器和PARK变换器得到直线电机实际运行状态下的直轴电流驱动值Id和交轴电流驱动值Iq，通过光栅尺采集电机位移信号s并将其转换为直线电机实际运动速度V*和直线电机相位角φ，将直线电机相位角φ输入到PARK 变换器，设定直线电机运动参考速度为Vref，直线电机实际运动速度为V*，将Vref与V*差值信号输入至第一比例积分调节器得到直线电机交轴电流驱动调制参考值Iqref，将Iqref与Iq差值信号输入至第二比例节分调节器得到直线电机交轴电压驱动参考值Uqref，设定直线电机直轴电流调制参考值为Idref，将Idref与Id差值信号输入至第三比例节分调节器得到直线电机直轴电压驱动调制参考值Udref，Uqref和Udref经PARK 逆变换后输入至SVPWM控制器，SVPWM控制器根据Uqref和Udref相应的输出电压逆变器开关的驱动控制信号，通过实时调节直线电机输入的电压来实现调节直线电机运动状态，当直线电机的驱动控制方式为自适应控制时，控制方式具体设计为速度和电流双闭环控制，其中，外环为速度闭环控制，内环为电流闭环控制，通过电流传感器、CLARK变换器和PARK变换器得到直线电机实际运行状态下的直轴电流驱动值Id和交轴电流驱动值Iq，通过光栅尺采集电机位移信号s并将其转换为直线电机实际运动速度V*和直线电机相位角φ，将直线电机相位角φ输入到PARK 变换器，设定直线电机运动参考速度为Vref，计算得到Vref与V*差值△V，并将该差值信号输入至微分器得到d(△V)/dt，将微分器输出的d(△V)/dt乘以常数c后得到c×d(△V)/dt，将△V与c×d(△V)/dt的差值输入到自适应控制器，通过自适应律式计算得到基函数矢量估计值ψ及其对应的权矢量估计值w，将△V与c×d(△V)/dt的差值、基函数矢量估计值ψ及其对应的权矢量估计值w输入到控制律式，通过控制律式计算得到直线电机交轴电压驱动调制值Uqref，设定直线电机直轴电流参考值为Idref，将Idref与Id差值信号输入至比例节分调节器得到直线电机直轴电压驱动调制值Udref，Uqref和Udref经PARK 逆变换后输入至SVPWM控制器，SVPWM控制器根据Uqref和Udref相应的输出电压逆变器开关的驱动控制信号，通过实时调节直线电机输入的电压来实现调节直线电机运动状态。
2.根据权利要求1所述的智能门锁，其特征在于：直线电机为交流直线电机或直流直线电机、当直线电机为直流直线电机时，蓄电池通过DC/DC变换器提供给直流直线电机工作所需的额定直流电压，当直线电机为交流直线电机时，蓄电池通过DC/AC变换器提供交流直线电机工作所需的交流电压。
3.根据权利要求1所述的智能门锁，其特征在于：无线充电装置包括电源控制模块、无线电力发送端和无线电力接受端，其中无线电力发送端包括无线电力发送线圈，无线电力接收端包括无线电力接收线圈和整流电路，整流电路将无线电力接收线圈接受到的交流电整流成蓄电池充电所需的直流电。
4.根据权利要求1所述的智能门锁，其特征在于：电源控制模块内部设定蓄电池剩余电量阈值并采集蓄电池的剩余电量，当电池的剩余电量大于所述蓄电池剩余电量阈值时，停止充电，当电池的剩余电量小于所述蓄电池剩余电量阈值时，电源控制模块控制无线电力发送端向无线电力接受端传输电力为蓄电池充电。
5.根据权利要求1所述的智能门锁，其特征在于：无线充电装置由市电供电，当市电正常时，由无线充电装置的无线电力接收端提供交流电为交流直线电机提供交流驱动电力或无线电力接收端提供交流电经整流器转换为直流电为直流直线电机提供直流驱动电力。
6.根据权利要求1所述的智能门锁，其特征在于：主控制器连接存储器，存储器内设置数据库，用于记录并更新锁定或开锁的操作信息，当用户执行锁定指令时，主控制器结合数据库中的锁定或开锁的操作信息历史信息，执行相应的解锁或开锁的操作。
7.根据权利要求6所述的智能门锁，其特征在于：用于锁定或解锁的直线电机为多个，主控制器内部设置时间阈值，当用户执行锁定指令时，主控制器结合数据库中的锁定或开锁的操作信息历史信息，判断出用户下次解锁的时间，当用户离开的时间小于所述时间阈值时，仅部分直线电机被驱动用于执行锁定任务，当用户离开的时间大于所述时间阈值时，全部直线电机被驱动用于执行锁定任务。
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