CN110409340A - 一种剪式门机芯及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种剪式门机芯及其控制方法，包括主体骨架、转动连接在主体骨架一侧的摇臂、与所述摇臂固定连接的扇门、用于驱动摇臂转动的电机，所述电机通过连杆组件驱动摇臂动作，所述连杆组件包括在端部相互铰接的从动杆、连接杆，所述从动杆远离连接杆的一端与主体骨架转动连接，所述连接杆远离从动杆的一端与摇臂转动连接；当扇门处于关闭状态时，所述从动杆与连接杆轴线平行。本发明的目的在于提供一种剪式门机芯及其控制方法，以解决现有技术中剪式扇门的电机容易机械卡死而造成电机故障和损坏的问题，实现消除死点、降低电机故障率与控制难度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及剪式门领域，具体涉及一种剪式门机芯及其控制方法。
背景技术
地铁自动检票机已经发展多年，但是核心模块依然掌握在国外几家设备厂商手中，一方面高昂的价格让设备价格也水涨船高，另一方面技术仍然停留在多年前，故障率较高而未解决，配件周期长而带来运营风险。
多数的地铁剪式扇门均是通过控制电机的正反转来实现闸机通道的开启和关闭，无形中增加了电机机械卡死而造成电机故障和损坏。
为了实现断电自动开启闸机通道，现有剪式门机芯设有扇叶和驱动机构，驱动机构通过电机驱动连杆，并由连杆上的电磁吸盘吸住剪式门扇叶运动，当断电的时候电磁吸盘失效，扇门开启，由于上诉零部件多，相互匹配精度要求高，电磁铁易损耗，进一步导致了生产成本和维护成本增加。
目前剪式门均采用三连杆的曲柄摇杆机构，其占用空间大，且有死点，难以准确的实现任意规律，增大了电机控制的难度。
目前市面上机芯很多采用硬件刹车来实现扇门关闭时保持力矩，这种方式保持力度为固定值，不能灵活满足多种场景的不同需求，长期使用会发热且易损坏。
在扇门驱动部件的选择上很多厂家采用易于控制的有刷电机作为核心驱动部件，但其存在易产生火花、使用寿命短、噪声大等天然缺陷，不利于扇门机芯的长时间稳定工作。
在扇门机芯控制过程中，判断扇门是否真实到达指定位置具有非常重要的意义，既是对运动位置的一种确认机制，也可用于判断系统是否存在故障，有的机芯在设计时忽略了该项功能，也有用机械微动开关来实现该功能，而机械微动开关存在开关行程长不利于精准定位，由于存在机械接触和冲击，使用寿命较短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种剪式门机芯及其控制方法，以解决现有技术中剪式扇门的电机容易机械卡死而造成电机故障和损坏的问题，实现消除死点、降低电机故障率与控制难度的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一种剪式门机芯，包括主体骨架、转动连接在主体骨架一侧的摇臂、与所述摇臂固定连接的扇门、用于驱动摇臂转动的电机，所述电机通过连杆组件驱动摇臂动作，所述连杆组件包括在端部相互铰接的从动杆、连接杆，所述从动杆远离连接杆的一端与主体骨架转动连接，所述连接杆远离从动杆的一端与摇臂转动连接；当扇门处于关闭状态时，所述从动杆与连接杆轴线平行。
针对现有技术中剪式扇门的电机容易机械卡死而造成电机故障和损坏的问题，本发明提出一种剪式门机芯，摇臂转动连接在主体骨架上，摇臂能够绕连接点进行旋转，从而带动扇门进行旋转，实现剪式门的打开或关闭。电机通过连杆组件驱动摇臂动作，与现有的三连杆曲柄摇杆机构不同的是，本申请中的连杆组件包括从动杆、连接杆，从动杆的一端与连接杆的一端相铰接，因此它们两者可以相互转动。从动杆远离连接杆的一端与主体骨架转动连接，连接杆远离从动杆的一端与摇臂转动连接，因此是通过连接杆来推出或拉回摇臂，实现扇门的关闭或打开，从动杆不起驱动作用，而是起到与主体骨架之间的连接作用。当扇门处于关闭状态时，所述从动杆与连接杆轴线平行，此时由于连接杆与从动杆形成死角，因此电机只需要很小的保持力即可保持扇门不被打开，即降低保持扇门关闭时对电机的损耗。而无论电机顺时针或逆时针旋转，连接杆与从动杆之间的死角均能够立即解开，扇门能够十分方便的进行开启。其中，从动杆与连接杆轴线平行，包括了连接杆与从动杆直接呈180°夹角或0°夹角两种情况。本申请与传统的三连杆曲柄摇杆机构相比，电机正反转不受限、朝任意方向驱动均能够实现对扇门的打开与关闭，极大的降低了电机控制难度，避免了因三连杆曲柄摇杆机构的死点导致的电机故障损坏问题。
进一步的，还包括弹性件，所述弹性件的弹性复位力使连杆组件带动扇门打开。弹性件根据需要进行选用，需满足其弹性复位力始终作用于连杆组件上，且该弹性复位力的方向始终驱动连杆组件带动扇门打开，有利于更加快速稳定的开启剪式门。
进一步的，所述连杆组件还包括与电机的输出轴相连的驱动杆，所述驱动杆能够在主体骨架表面做360°的转动。传统剪式门的连杆机构不具有能够进行360°转动的驱动杆，这也是其传统结构容易卡死的关键因素之一，更是导致其电机故障损坏的主要原因之一。为此，本申请在连杆组件中设置一驱动杆，驱动杆直接与电机的输出轴相连，驱动杆要能够在主体骨架表面做360°的转动，其必然不能过长，尺寸需满足主体骨架内部空间大小。本方案通过驱动杆的设置，使得电机可以360度的进行旋转驱动，且配合连接杆与从动杆所取得的电机正反转不受限的优点，极大的提高了剪式门驱动的灵活性和可操作性，显著降低了控制难度，能灵活满足多种场景的不同需求。
进一步的，所述连杆组件还包括与驱动杆转动连接的传动杆，所述传动杆还转动连接在从动杆与连接杆的铰接处。传动杆起到连接整个传动组件的作用，通过传动杆将驱动杆与从动杆、连接杆进行联动。由于传动杆还转动连接在从动杆与连接杆的铰接处，因此随着传动杆的转动，即能够拉动或推动从动杆与连接杆形成不同0至180度之间的不同的夹角，实现在扇门关闭位置时的临时锁定。
进一步的，所述从动杆远离连接杆的一端与固定转轴铰接，所述固定转轴固定在主体骨架上。
进一步的，所述摇臂上安装限位轮，所述主体骨架上设置与限位轮相匹配的限位滑块，所述限位轮能够在所述限位滑块上滑动。通过限位滑块为限位轮提供滑动区间，限位轮只能够在限位滑块所提供的区间内滑动，从而确保摇臂、扇门只能够在一定角度范围内转动进行打开或关闭。
进一步的，所述限位轮上固定连接定位装置，所述主体骨架上设置两个到位传感器；当扇门处于关闭状态时，一个到位传感器感应到所述定位装置；当扇门处于打开状态时，另一个到位传感器感应到所述定位装置。所述到位传感器用于感应定位装置，便于在扇门打开到位或关闭到位时，及时控制电机停止驱动。
一种剪式门机芯的控制方法：
所述电机由驱动器进行控制；
扇门打开或关闭的过程中，驱动器通过位置、速度、电流三闭环的动态反馈，控制电机输出功率和/或输出力矩；
扇门处于打开或关闭的状态时，驱动器驱动电机生成保持力矩；
当驱动器收到外部防夹信号或急停信号时，驱动器根据当前电机运转速度，立即驱动电机生成一个与当前运动方向相反的反向力矩。
本方法在扇门打开或关闭的过程中，驱动器通过位置、速度、电流三闭环的动态反馈，控制电机输出功率和/或输出力矩，从而保证电机加速、匀速、减速各个阶段平稳运行。在扇门开门和关门位置会通过算法生成一个保持力矩，以此来抵消弹性件的拉力或者是外界强行开门的拉力，该功能完全没有依赖外部刹车部件，节约了成本的同时还实现了保持力矩的可配置性，以适用于不同的应用场景和需求。扇门机芯设计的一个重要因素就是对于乘客人身安全的保护，应具备防夹功能，而由于扇门多采用钣金与发泡材料结合而成，具有较大的物理质量，在运动过程中存在较大的惯性，在机芯收到防夹信号到扇门完全停止往往还会有一段机械行程，在这个过程中可能会对人体造成一定程度的伤害。为此，本方法中采用电机反推技术来最大限度克服因扇门惯性而引起的机械运动，在机芯收到外部防夹信号或急停信号时，驱动器立即根据当前电机运转速度，控制电机生成一个与运动方向相反的反向力矩，以此来克服扇门惯性运动的力矩，达到扇门在最短时间停止下来的效果，最大限度保护乘客人身安全。
进一步的，位置、速度闭环的动态反馈方法为：采用编码器信号作为位置、速度的采集输入，通过RC滤波，去除杂波信号，再由施密特进行二次整型，最终送给驱动器中的中央处理器数字信号；
电流闭环的动态反馈方法为：采用采样电阻并通过滤波整形，再经过二级放大，然后送给驱动器中的中央处理器进行采样分析。
进一步的，当在扇门关闭过程中，驱动器收到外部防夹信号或急停信号时：立即保存当前电机运行参数，并停车电机当前运转方向的驱动；根据保存的当前电机运行参数计算所需反推参数；根据计算结果驱动电机产生反向力矩，直至扇门停止；执行扇门打开命令，直至扇门完全打开。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种剪式门机芯及其控制方法，电机正反转不受限、朝任意方向驱动均能够实现对扇门的打开与关闭，极大的降低了电机控制难度，避免了因三连杆曲柄摇杆机构的死点导致的电机故障损坏问题。
2、本发明一种剪式门机芯及其控制方法，通过驱动杆的设置，使得电机可以360度的进行旋转驱动，且配合连接杆与从动杆所取得的电机正反转不受限的优点，极大的提高了剪式门驱动的灵活性和可操作性，显著降低了控制难度，能灵活满足多种场景的不同需求。
3、本发明一种剪式门机芯及其控制方法，到位传感器用于感应定位装置，便于在扇门打开到位或关闭到位时，及时控制电机停止驱动。
4、本发明一种剪式门机芯及其控制方法，采用电机反推技术来最大限度克服因扇门惯性而引起的机械运动，在机芯收到外部防夹信号或急停信号时，驱动器立即根据当前电机运转速度，控制电机生成一个与运动方向相反的反向力矩，以此来克服扇门惯性运动的力矩，达到扇门在最短时间停止下来的效果，最大限度保护乘客人身安全。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中扇门打开时的示意图；
图3为本发明具体实施例中扇门关闭时的示意图；
图4为本发明具体实施例的侧视图；
图5为本发明具体实施例中限位轮的连接示意图；
图6为本发明具体实施例动作过程的示意图；
图7为本发明具体实施例的电机驱动电路图；
图8为本发明具体实施例的电流采集图；
图9为本发明具体实施例的滤波电路图；
图10为本发明具体实施例防夹控制逻辑流程图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-电机、2-驱动器、3-底座、4-主体骨架、5-摇臂、6-扇门、7-弹性件、8-从动杆、9-连接杆、10-传动杆、11-驱动杆、12-旋转转轴、13-固定转轴、15-到位传感器、16-限位轮、17-限位滑块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1至图9所示的一种剪式门机芯，包括主体骨架4、转动连接在主体骨架4一侧的摇臂5、与所述摇臂5固定连接的扇门6、用于驱动摇臂5转动的电机1，其特征在于，所述电机1通过连杆组件驱动摇臂5动作，所述连杆组件包括在端部相互铰接的从动杆8、连接杆9，所述从动杆8远离连接杆9的一端与主体骨架4转动连接，所述连接杆9远离从动杆8的一端与摇臂5转动连接；当扇门6处于关闭状态时，所述从动杆8与连接杆9轴线平行。
本实施例中，所述连杆组件还包括与电机1的输出轴相连的驱动杆11，所述驱动杆11能够在主体骨架4表面做360°的转动。所述连杆组件还包括与驱动杆11转动连接的传动杆10，所述传动杆10还转动连接在从动杆8与连接杆9的铰接处。所述从动杆8远离连接杆9的一端与固定转轴13铰接，所述固定转轴13固定在主体骨架4上。所述摇臂5上安装限位轮16，所述主体骨架4上设置与限位轮16相匹配的限位滑块17，所述限位轮16能够在所述限位滑块17上滑动。所述限位轮16上固定连接定位装置，所述主体骨架4上设置两个到位传感器15；当扇门6处于关闭状态时，一个到位传感器15感应到所述定位装置；当扇门6处于打开状态时，另一个到位传感器15感应到所述定位装置。
优选的，所述弹性件7的弹性复位力使连杆组件带动扇门6打开，弹性件7一端固定在主体骨架4上，另一端连接在从动杆8、连接杆9、传动杆10的连接处。
本实施例的控制过程中：
所述电机1由驱动器2进行控制；
扇门6打开或关闭的过程中，驱动器2通过位置、速度、电流三闭环的动态反馈，控制电机输出功率和/或输出力矩；
扇门6处于打开或关闭的状态时，驱动器2驱动电机生成保持力矩；
当驱动器2收到外部防夹信号或急停信号时，驱动器2根据当前电机运转速度，立即驱动电机生成一个与当前运动方向相反的反向力矩。
其中位置、速度闭环的动态反馈方法为：采用编码器信号作为位置、速度的采集输入，通过RC滤波，去除杂波信号，再由施密特进行二次整型，最终送给驱动器2中的中央处理器数字信号；
电流闭环的动态反馈方法为：采用采样电阻并通过滤波整形，再经过二级放大，然后送给驱动器2中的中央处理器进行采样分析。
进一步的，如图10所示，当在扇门6关闭过程中，驱动器2收到外部防夹信号或急停信号时：立即保存当前电机运行参数，并停车电机当前运转方向的驱动；根据保存的当前电机运行参数计算所需反推参数；根据计算结果驱动电机产生反向力矩，直至扇门停止；执行扇门打开命令，直至扇门完全打开。
实施例2：
本实施例中，弹性件7为复位拉簧，定位装置为挡片，到位传感器15为能够感应所述挡片的红外感应器。驱动器2中设置中央处理器。
如图1所示，底座3和主体骨架4通过螺钉连接，电机1固定在主体骨架4上，固定转轴13通过螺钉和主体骨架4连接并固定，限制其旋转，旋转转轴12也通过螺钉和骨架主体4连接，并通过轴承和摇臂5连接，这样摇臂5就可以以旋转转轴12为中心做旋转运动，驱动杆11一端和电机1的输出轴连接，另外一端通过轴承和传动杆10连接，传动杆10的另外一端通过轴承和连接杆9、从动杆8连接，从动杆8的另外一端和固定转轴13通过轴承连接，连接杆9和摇臂5通过轴承连接，发泡扇门6通过螺钉和摇臂5刚性连接成一个整体，复位拉簧一端固定，一端和连杆组件相连。
如图2所示，扇门处于开启状态的初始位置，电机带动驱动杆11顺时针旋转(也可逆时针)180°，此时扇门状态如图3所示为关闭状态，此时连接杆9和从动杆8的夹角为180度，电机只需要很小的保持力即可保持扇门不被打开(两连杆形成死角)，如图3所示，电机继续顺时针旋转(也可逆时针)，扇门6在连杆机构的带动下向内运动，旋转到180度时扇门开启(如图2).
如图5所示，采用红外光电技术来实现扇门位置采集，其具有无接触、使用寿命长、定位精度高、易于调节等优势，通过数字信号将扇门到位信息精确传送给中央处理单元进行逻辑控制和系统故障分析。其安装位置效果如图5。
摇臂5通过连接杆9连接限位轮16、限位轮上带有挡片，限位轮在限位滑块17中运动，分别在0度和180度的位置设置可以调节位置的到位传感器15，在初始位置时挡住其中一个到位传感器15，在180度时则挡住另外一个传感器。
如图7所示在扇门驱动部件的选择上很多厂家采用易于控制的有刷电机作为核心驱动部件，但其存在易产生火花、使用寿命短、噪声大等天然缺陷，不利于扇门机芯的长时间稳定工作。本实施例采用无刷直流电机来驱动扇门运动，其具有体积小、噪声低、寿命长、效率高等优点，本系统中通过位置、速度、电流三闭环动态生成电机控制算法，在保证电机加速、匀速、减速各个阶段平稳运行，同时在扇门开门和关门位置会通过算法生成一个保持力矩，以此来抵消复位弹簧的拉力或者是外界强行开门的拉力，该功能是通过电机内部算法来实现，完全没有依赖外部刹车部件，节约了成本的同时还实现了保持力矩的可配置性，以适用于不同的应用场景和需求。
无刷直流电机的驱动部分较有刷电机有很大不同，其关键就在与对DC24V直流进行3H桥逆变，并按照一定的时序进行控制，以实现其正反转、加减速等操作，本系统采用大功率MOS管IRFS4229来作为主要功率器件，其具有导通内阻小，同流能力强等特点，其组成的电机驱动电路如图7。
如图8所示，电流采集是本系统对功率和力矩进行控制关键因素，本系统采用高精度采样电阻并通过滤波整形，再经过2级放大，然后送给中央处理器进行采样分析，为电流环提供实时反馈，本系统中采样放大处理主要通过TI运放芯片LM358来实现，其主要电路如图8。
如图9所示，位置和速度控制是本系统中算法控制的另外一个核心，要实现扇门的定点运动以及扇门的静态保持，都离不开位置和速度环的控制，本系统中采用HALL编码器信号作为位置和速度的采集输入，其主要通过RC滤波，去除杂波信号，再由施密特进行二次整型，最终送给中央处理单元干净稳定的数字信号，其主要电路图如图9。
如图10所示，扇门机芯设计的一个重要因素就是对于乘客人身安全的保护，应具备防夹功能，而由于扇门多采用钣金与发泡材料结合而成，具有较大的物理质量，在运动过程中存在较大的惯性，在机芯收到防夹信号到扇门完全停止往往还会有一段机械行程，在这个过程中可能会对人体造成一定程度的伤害。
本系统中采用电机反推技术来最大限度克服因扇门惯性而引起的机械运动，在机芯收到外部防夹信号时，中央控制单元立即动作，根据当前电机运转速度，通过反推算法与控制电路立即生成一个与电机运动方向相反的反向力矩，以此来克服扇门惯性运动的力矩，达到扇门在最短时间停止下来的效果，最大限度保护乘客人身安全。其主要控制流程如图10。
本实施例中电机可以360度旋转，180度为一个周期，且电机旋转方向可以设定为顺时针或逆时针。采用多连杆机构组成的连杆组件，减小占用空间，可以实现更复杂的函数关系和运动轨迹，从而能满足实际机构运动规律的需求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种剪式门机芯，包括主体骨架(4)、转动连接在主体骨架(4)一侧的摇臂(5)、与所述摇臂(5)固定连接的扇门(6)、用于驱动摇臂(5)转动的电机(1)，其特征在于，所述电机(1)通过连杆组件驱动摇臂(5)动作，所述连杆组件包括在端部相互铰接的从动杆(8)、连接杆(9)，所述从动杆(8)远离连接杆(9)的一端与主体骨架(4)转动连接，所述连接杆(9)远离从动杆(8)的一端与摇臂(5)转动连接；当扇门(6)处于关闭状态时，所述从动杆(8)与连接杆(9)轴线平行。
2.根据权利要求1所述的一种剪式门机芯，其特征在于，还包括弹性件(7)，所述弹性件(7)的弹性复位力使连杆组件带动扇门(6)打开。
3.根据权利要求1所述的一种剪式门机芯，其特征在于，所述连杆组件还包括与电机(1)的输出轴相连的驱动杆(11)，所述驱动杆(11)能够在主体骨架(4)表面做360°的转动。
4.根据权利要求3所述的一种剪式门机芯，其特征在于，所述连杆组件还包括与驱动杆(11)转动连接的传动杆(10)，所述传动杆(10)还转动连接在从动杆(8)与连接杆(9)的铰接处。
5.根据权利要求1所述的一种剪式门机芯，其特征在于，所述从动杆(8)远离连接杆(9)的一端与固定转轴(13)铰接，所述固定转轴(13)固定在主体骨架(4)上。
6.根据权利要求1所述的一种剪式门机芯，其特征在于，所述摇臂(5)上安装限位轮(16)，所述主体骨架(4)上设置与限位轮(16)相匹配的限位滑块(17)，所述限位轮(16)能够在所述限位滑块(17)上滑动。
7.根据权利要求6所述的一种剪式门机芯，其特征在于，所述限位轮(16)上固定连接定位装置，所述主体骨架(4)上设置两个到位传感器(15)；当扇门(6)处于关闭状态时，一个到位传感器(15)感应到所述定位装置；当扇门(6)处于打开状态时，另一个到位传感器(15)感应到所述定位装置。
8.根据权利要求1至7中任一所述的一种剪式门机芯的控制方法，其特征在于：
所述电机(1)由驱动器(2)进行控制；
扇门(6)打开或关闭的过程中，驱动器(2)通过位置、速度、电流三闭环的动态反馈，控制电机输出功率和/或输出力矩；
扇门(6)处于打开或关闭的状态时，驱动器(2)驱动电机生成保持力矩；
当驱动器(2)收到外部防夹信号或急停信号时，驱动器(2)根据当前电机运转速度，立即驱动电机生成一个与当前运动方向相反的反向力矩。
9.根据权利要求8所述的一种剪式门机芯的控制方法，其特征在于：
位置、速度闭环的动态反馈方法为：采用编码器信号作为位置、速度的采集输入，通过RC滤波，去除杂波信号，再由施密特进行二次整型，最终送给驱动器(2)中的中央处理器数字信号；
电流闭环的动态反馈方法为：采用采样电阻并通过滤波整形，再经过二级放大，然后送给驱动器(2)中的中央处理器进行采样分析。
10.根据权利要求8所述的一种剪式门机芯的控制方法，其特征在于，当在扇门(6)关闭过程中，驱动器(2)收到外部防夹信号或急停信号时：立即保存当前电机运行参数，并停车电机当前运转方向的驱动；根据保存的当前电机运行参数计算所需反推参数；根据计算结果驱动电机产生反向力矩，直至扇门停止；执行扇门打开命令，直至扇门完全打开。
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