CN112713818B - 由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的方法及系统，本发明实施例提供的方法中，驱动机构的直流有刷电机的闭环控制单元设置有H桥电路，当机构要自锁时，则闭环控制单元将设置的两路同步的脉冲宽度调制(PWM)信号输入到H桥电路，或者基于闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数设置的两路互补PWM信号输入到H桥电路，由H桥电路基于输入的两路PWM信号驱动直流有刷电机停止运转。采用这样的控制使得直流有刷电机具有一定的自锁力，使得在由直流有刷电机驱动的机构自锁时抵抗外力影响，且省掉了额外的机构自锁装置。因此，本发明实施例在不设置额外自锁装置的前提下，实现机构的自锁。

Description

由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术，特别涉及一种由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的方法及系统。

背景技术

电机可以驱动很多种类型的机构运行，例如电机驱动自动门或通道闸机的门翼的自动开闭，使用户通行。自动门是在识别到开闭信号后，由电机驱动门扇的开闭，供人通道的门系统总称，包括平滑自动门、旋转自动门、平开自动门或折叠自动门等。闸机安装在人员通道的出入口，通过机身与机身或机身与其他建筑物设施之间形成人员通行通道，通过电控阻挡装置和/或指示装置和/或引导人员按照指定方向有序通行的一种出入口控制系统的执行设备，其门翼是由电机驱动开闭。

电机驱动机构运行时，可以采用有刷电机或无刷电机。低端机构产品一般采直流有刷电机进行开环控制，但是驱动机构到达指定位置的精度不足。如果采用霍尔传感器或编码盘获取到直流有刷电机的运转位置信号后反馈，对直流有刷电机进行反馈闭环控制，则可以提高驱动机构到达指定位置的精度。中高端机构产品往往采用设置有霍尔传感器或编码盘的直流无刷电机(BLDC)或直流永磁电机(PMSM)来驱动机构。

当采用电机驱动机构运行的过程中，有些情况下机构需要自锁，这时，驱动机构的电机就需要在不运转时满足一定的自锁力要求。比如，闸机门翼或自动门门扇在关闭时不能轻易地被用户掰开或在具有风力的场合不被大风吹开。

目前，为了实现所驱动机构的自锁，有两种方法：

第一种方法，直接利用电机闭环控制单元中的“三环(位置环、速度环、电流环)”控制对电机进行闭环调节，在诸如门翼的机构被扳动或被大风吹动、目标位置出现少量偏移时，这些位置偏移误差经其中的位置环的比例积分(PI)调节传递到速度环、进而到电流环产生相应的随动变化，产生反向的推力抵消这种偏移。通过调节PI参数，调节这些抵消力的力度和响应特性。但实践发现这种力度均很小，若调节PI参数过大，则力度会适当提高，但又使得电机内部出现较大的“电流声”。要减少这种“电流声”，则只好降低PI参数；但抵抗被推开的力量就不足了，无法达到平衡。

第二种方法，在机构上额外地安装诸如制动器或电锁的自锁装置，机构自锁时启动自锁装置自锁，在机构运行时自锁装置停止工作，切换到电机上进行驱动。采用这种对机构进行自锁，响应切换速度慢，且额外安装自锁装置成本增高且需要安装空间，不利于由电机驱动的机构的小型化。

可以看出，上述两种方式在由电机驱动运行的机构实现自锁时，都存在缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的方法，该方法能够在不设置额外自锁装置的前提下，实现直流有刷电机驱动机构的自锁。

本发明实施例还提供一种由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的系统，该系统能能够在不设置额外自锁装置的前提下，实现直流有刷电机驱动机构的自锁。

本发明实施例是这样实现的：

一种由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的方法，包括：

驱动机构的直流有刷电机的闭环控制单元设置有H桥电路，当机构要自锁时，所述闭环控制单元将设置的两路同步的脉冲宽度调制PWM信号输入到H桥电路，以使经H桥电路加载到直流有刷电机的两端电压相同，驱动电机停转；

或者所述闭环控制单元根据其中的位置环模块输出的比例参数设置互补的两路PWM信号输入到H桥电路，以使经H桥电路加载到直流有刷电机的两端正向电压差，大于或等于由所述机构的反向推力产生的直流有刷电机的反向电压差，驱动电机停转。

较佳地，所述闭环控制单元将设置的两路同步的PWM信号输入到H桥电路包括：

设置第一路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率的平均系数与所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值为在-1至1之间的有理数；

设置第二路PWM信号与第一路PWM信号同步；

将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路中。

较佳地，所述闭环控制单元将基于闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数设置的两路PWM信号输入到H桥电路包括：

设置第一路PWM信号为闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数为在-1至1之间的有理数；

设置第二路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率系数与第一路PWM信号之间的差值；

将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路中。

较佳地，所述当机构要自锁时的判断包括：

所述闭环控制单元确定直流有刷电机的当前实际位置与目标位置之间的差小于设定夹角。

一种由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的系统，包括：直流有刷电机的闭环控制单元及H桥电路，其中，

直流有刷电机的闭环控制单元，用于当直流有刷电机的驱动机构自锁时，将设置的两路同步的PWM信号输入到H桥电路，或者基于其中的位置环模块输出的比例参数设置互补的两路PWM信号输入到H桥电路；

H桥电路，用于基于输入的两路同步的PWM信号使得加载到直流有刷电机的两端电压相同，驱动电机停转；或者基于输入的两路互补的PWM信号使得加载到直流有刷电机两端正向电压差，大于或等于由所述机构的反向推力产生的直流有刷电机的反向电压差，驱动电机停转。

较佳地，所述直流有刷电机的闭环控制单元，还用于设置第一路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率的平均系数与所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值为在-1至1之间的有理数；设置第二路PWM信号与第一路PWM信号同步；将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路中。

较佳地，所述直流有刷电机的闭环控制单元，还用于设置第一路PWM信号为其中的位置环模块输出的比例参数与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，位置环模块输出的比例参数为在-1至1之间的有理数；设置第二路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率系数与第一路PWM信号之间的差值；将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路。

较佳地，所述直流有刷电机的闭环控制单元，还用于确定直流有刷电机的当前实际位置与目标位置之间的差小于设定夹角时，判断直流有刷电机的驱动机构自锁。

如上所见，本发明实施例提供的方法中，驱动机构的直流有刷电机的闭环控制单元设置有H桥电路，当机构要自锁时，则闭环控制单元将两路同步的脉冲宽度调制(PWM)信号输入到H桥电路，或者基于闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数设置的两路互补PWM信号输入到H桥电路，由H桥电路基于输入的两路PWM信号驱动直流有刷电机停止运转。采用这样的控制使得直流有刷电机具有一定的自锁力，使得在由直流有刷电机驱动的机构自锁时抵抗外力影响，且省掉了额外的机构自锁装置。因此，本发明实施例在不设置额外自锁装置的前提下，实现机构的自锁。

附图说明

图1为本发明实施例提供的由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的直流有刷电机的控制架构示意图；

图3为本发明实施例提供的控制直流有刷电机转动的H桥电路的电路一示意图；

图4为本发明实施例提供的控制直流有刷电机转动的H桥电路的电路二示意图；

图5为本发明实施例提供的在人行通道应用场合下采用方法1的流程图；

图6为本发明实施例提供的在人行通道应用场合下采用方法2的流程图；

图7为本发明实施例提供的由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

在背景技术中，有两种方法可以实现由电机驱动运行的机构的自锁，但是这两种方法都存在缺陷，具体地说：

第一种方法，直接利用电机闭环控制单元中的“三环(位置环、速度环、电流环)”控制对电机进行闭环调节，在具体实施时发现，电机产生的反向推力的力度不够，不足以实现机构的自锁。这是因为，若调节PI参数过大，则力度会适当提高，但又使得电机内部出现较大的“电流声”。要减少这种“电流声”，则只好降低PI参数；但抵抗被推开的力量就不足了，无法达到平衡。

第二种方法，在机构上额外地安装诸如制动器或电锁的自锁装置，在机构的自锁情况下，比如闸机门翼或自动门门扇在关闭状态(驱动电机为零速不运转)下，启动制动器或电锁进行自锁，防止机构的运行(比如自锁后的闸机门翼或自动门门扇可以避免被掰开或被吹开)。而当机构要运行时，则释放制动器或电锁(通常需要1秒左右才能真正的释放)，等待制动器或电锁完成释放后，再由电机驱动机构进行运行。若在制动器或电锁没有完全释放之前就由电机驱动机构进行运行，就会导致电机的运转被卡住而出现机构的运行异常。因此，采用这种对机构进行自锁，响应切换速度慢，且额外安装自锁装置成本增高且需要安装空间，不利于由电机驱动的机构的小型化。

在一些专利申请中，也可以通过驱动运行机构的电机的自锁方式，达到机构的自锁。

专利公布号CN106761353B，名称为“一种适合于人和自行车并行的全高旋转闸”的专利申请中，叙述的是采用电磁铁控制棘爪(锁盘臂)，在结构上实现机构的自锁。同样存在响应速度慢、成本高及占结构尺寸大的劣势。

专利公布号CN105155964B，名称为“一种闸机通道拍打门装置和控制方法”的专利申请中，叙述的是采用制动器控制吸和的方法实现机构的自锁，所以使用的电机是三相无刷电机。当门翼运转到指定位置后，触发制动器对门翼进行制动锁止，重新需要转到之前，则提前释放制动器。因此响应速度慢，而且制动器成本高，占结构尺寸大。

专利公布号CN202535300U，名称为“直流无刷电机驱动电路、通道闸”和专利公布号CN102545741A，名称为“直流无刷电机驱动电路、通道闸和控制方法”描述了三相直流电机的MOSFET全桥驱动电路的通用原理，其中指出自锁时同时打开电机的UVW的其中两相或全部上管导通，而下管截止。且调整PWM可调节电机的自锁力。这两个方案是在直流无刷电机上的应用，并不适用直流有刷电机。更进一步地，这两个方案中，电机驱动所使用的PWM是一个高速(一般在8～32KHz)输出占空比的波形，电机的FOC系统中的驱动电路使用的MOSFET，通常被配置为SVPWM属性的输入输出接口(IO)与SVPWM连接，而不是通用型输入输出接口(GPIO)。如果将SVPWM属性的IO切换到GPIO后再与MOSFET连接，导致二相或三相上管导通，将破坏FOC系统的闭环控制结构，这种切换会导致电机出现“飞车”现象。

因此，本发明实施例为了克服上述问题，驱动机构的直流有刷电机的闭环控制单元设置有H桥电路，当机构要自锁时，则闭环控制单元将两路同步的PWM信号输入到H桥电路，或者基于闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数设置的两路互补PWM信号输入到H桥电路，由H桥电路基于输入的两路PWM信号驱动直流有刷电机停止运转。采用这样的控制使得直流有刷电机具有一定的自锁力，使得在由直流有刷电机驱动的机构自锁时抵抗外力影响，且省掉了额外的机构自锁装置。

本发明实施例提供的方法与专利公布号CN106761353B的专利申请相比，不需要制动器装置；本发明实施例提供的方法与专利公布号CN105155964B的专利申请相比，不需要电磁铁装置；本发明实施例提供的方法与专利公布号CN202535300U的专利申请或专利公布号CN102545741A的专利申请相比，采用了不同的直流有刷电机，且保持了PWM信号的输出管脚属性，而且所输出的PWM信号规律、公式及概念也完全不同。

因此，本发明实施例在不设置额外自锁装置的前提下，实现机构的自锁。

图1为本发明实施例提供的由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的方法流程图，其具体步骤包括：

步骤101、驱动机构的直流有刷电机的闭环控制单元设置有H桥电路；

步骤102、当机构要自锁时，所述闭环控制单元将设置的两路同步的脉冲宽度调制PWM信号输入到H桥电路，以使经H桥电路加载到直流有刷电机的两端电压相同，驱动电机停转；或者所述闭环控制单元根据其中的位置环模块输出的比例参数设置互补的两路PWM信号输入到H桥电路，以使经H桥电路加载到直流有刷电机的两端正向电压差，大于或等于由所述机构的反向推力产生的直流有刷电机的反向电压差，驱动电机停转。

这样，H桥电路基于输入的两路PWM信号驱动直流有刷电机，由直流有刷电机驱动运行机构自锁。

在该方法中，H桥电路基于输入的两路PWM信号驱动直流有刷电机包括：

H桥电路基于输入的两路PWM信号产生等效电压信号，控制直流有刷电机在对应的自锁力下停转。

在该方法中，设置的两路同步的PWM信号，实际上就是两路相同的PWM信号，具体是占空比相同的PWM信号。PWM信号一般为方波信号。

在该方法中，所述闭环控制单元将设置的两路同步的PWM信号输入到H桥电路包括：

设置第一路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率的平均系数(即为0.5)与所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值为在-1至1之间的有理数；

设置第二路PWM信号与第一路PWM信号同步；

将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路中。

在该方法中，所述闭环控制单元将基于闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数设置的两路PWM信号输入到H桥电路包括：

设置第一路PWM信号为闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数为在-1至1之间的有理数；

设置第二路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率系数与第一路PWM信号之间的差值；

将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路中。

在该方法中，所述当机构要自锁时的判断包括：

直流有刷电机的闭环控制单元确定直流有刷电机的当前实际位置与目标位置之间的差小于设定夹角。这样，就可以直接根据直流有刷电机的运转过程中的位置信号确定当前是否需要自锁，判断简单。

从该方法可以看出，本发明实施例为了解决诸如人行通道闸机或人行自动门产品的机构在使用直流有刷电机情况下的自锁需求，分别提出两种简易实行的控制方法。这里的直流有刷电机采用了基于比例积分微分(PID)控制算法及PWM信号输出的H桥电路进行控制，当诸如人行通道闸机或人行自动门的门翼等的机构已经到达指定的开门位置或关门位置后，方法1是同时给H桥电路输出两路同步的PWM信号；方法2是切换到另外一套基于位置环参数的PID回路中，且通过该PID回路中仅仅输出比例参数，基于该比例参数生成两路互补的PWM信号。它只需要给基于PID控制算法及PWM信号输出的直流有刷电机的控制进行少量的改动即可实现。当诸如人行通道闸和人行自动门产品的机构使用这些方法后，可以让直流有刷电机本身达到一定自锁力，以抵抗人为摇动门翼或安装在大风口的门翼被风吹开。该方法省掉额外的制动器或电磁铁锁紧装置，节省了制动器或电磁铁等成本，这两种控制方法还特别方便地切换到正常的开关门转动模式。

图2为本发明实施例提供的直流有刷电机的控制架构示意图，如图所示，实线绘制的模块是必须的模块，而虚线绘制的模块则是可选模块。图中示意的是：位置环PID模块、H桥电路、直流有刷电机、位置信号采集模块(比如编码盘正交QEI解码模块或霍尔电平采集模块等)、位置及速度计算模块是必须的，而速度环PID模块、电流环PID模块、预驱模块、电流采样及滤波模块则是可选的。其中的“位置信号”可以是经过直流有刷电机的编码盘(可以是光编码盘或磁编码盘)，也可以是霍尔信号传感器采集的得到的。从图2可以看出，直流有刷电机配置有诸如霍尔传感器或编码盘的位置传感器。由位置传感器采集直流有刷电机的位置信号，基于所采集的位置信号进行位置及速度的计算后，可得到直流有刷电机转动的实际位置值和实际速度值，它们可作为直流有刷电机的闭环控制单元中的位置环和速度环的反馈信号。

图3为本发明实施例提供的控制直流有刷电机转动的H桥电路的电路一示意图，H桥电路的电路是由四个驱动管(可以为MSOFET、IGBT、功率三极管等)Q1-Q4组成的2路互补的PWM控制电路。在该电路中，第一路PWM的上管PWM信号为PWMA_H、其下管PWM信号是PWMA_L；第二路PWM的上管PWM信号为PWMB_H、其下管是PWMB_L；图中M是连接直流有刷电机的端子，电阻Rs是作为直流有刷电机电流的采样电阻。当不需要电流环PID时，可以取消这个电阻Rs，该电阻Rs上采样的差分电压即可反馈直流有刷电机的电流。直流有刷电机正转的通路是电源电压Vcc经驱动管Q1导通流过直流有刷电机M，再经过驱动管Q4导通到Rs接地。直流有刷电机反转的通路是电源电压Vcc经驱动管Q2导通流过直流有刷电机M，再经过驱动管Q3导通到Rs接地。

图4为本发明实施例提供的控制直流有刷电机转动的H桥电1路的电路二示意图，与图3相似，它与图3的区别仅仅是电流采样电阻的路径不同，直流有刷电机M正转的通路是电源电压Vcc经驱动管Q1导通流过直流有刷电机M，再经过驱动管Q4导通到电阻Rs2接地。直流有刷电机反转的通路是电源电压Vcc经驱动管Q2导通流过直流有刷电机M，再经过驱动管Q3导通到电阻Rs1接地。因此电阻Rs2采样的电流是直流有刷电机正转状态下的电流，电阻Rs1采样的电流是直流有刷电机反转状态下的电流。这种电路可兼容无刷电机驱动电路。当无需电流PID时，可以取消这些采样电阻。

在图3和图4中，驱动管Q1与驱动管Q3、驱动管Q2与驱动管Q4分别输入的是互补的PWM信号。驱动管Q1导通、则驱动管Q3禁止，反之亦然。驱动管Q2导通、则驱动管Q4禁止，反之亦然。PWM信号是一个比较高速的信号，一般在电机控制领域使用的PWM频率为8∽32KHz。在这种高速频率控制的输出波形中，调节高低电平的比例、即调节PWM信号的占空比(Duty)，就可以得到输出幅度可调的等效电压信号。占空比可用0％∽100％的数值表示，也可以用0∽1范围的有理数表示。

假设机构为闸机或自动门的门翼，对本发明实施例提供的两种方法详细说明。

方法1：在直流有刷电机已经驱动闸机或自动门的门翼到达指定的位置(包括关门位置或进出开门位置)后，采用下面公式同时输出这2路PWM信号为如下的占空比：

DutyA＝0.5+0.5*T (1)

DutyB＝DutyA (2)

上式的T是期望直流有刷电机自锁的归一化的自锁力。它的取值范围可在-1至1之间的有理数，上式中的0.5是根据所述直流有刷电机的额定功率系数设置的，假设所述直流有刷电机的额定功率系数，则0.5表示了所述直流有刷电机的额定功率的平均系数。DutyA代表第1路PWM信号输出的占空比、DutyB代表第2路PWM信号输出的占空比。根据上面公式(1)和公式(2)，可知道DutyA＝DutyB＝0至1之间。PWM信号一般为方波信号。

方法2：在直流有刷电机已经驱动闸机或自动门的门翼到达指定的位置(包括关门位置或进出开门位置)后，将闭环控制单元中的位置环模块的Kp切换到另外一个设定的较大的比例参数，同时关闭其积分项Ki的参数和微分项Kd的参数。也同时关闭闭环控制单元中的速度环模块和电流环模块。此时位置环模块的输出结果Pout为：

DutyA＝0.5+0.5*Pout (3)

DutyB＝100％-DutyA (4)

上式的Pout是位置环模块的输出结果，范围是-1∽1范围的有理数。因此公式(3)和公式(4)的结果是DutyA在0∽1之间，DutyB也在0∽1之间。且当DutyA>0.5时，DutyB<0.5；DutyA<0.5时，DutyB>0.5。其中的100％就是所述直流有刷电机的额定功率系数。

由于位置环模块只有比例环节、而没有积分环节和微分环节，因此，虽然其Kp切换到一个设定的较大的比例参数，但不会出现直流有刷电机的自激吱吱声或电流声。而且因为该Kp较大，则人为地摇动门翼、或大风导致的门翼偏移就会受到一个较大的反抗力而抵消，从而稳定在指定的目标位置。

图5为本发明实施例提供的在人行通道应用场合下采用方法1的流程图，其具体步骤包括：

步骤501、直流有刷电机的闭环控制单元确定直流有刷电机的当前实际位置与目标位置之间的差小于设定夹角，如果否，则执行步骤504；如果是，则执行步骤502；

在本步骤中，设定夹角是在机构自锁时直流有刷电机的角度值；

步骤502、直流有刷电机的闭环控制单元向直流有刷电机的H桥电路输出两路同步的PWM信号；

在该步骤中，当H桥电路接收到两路同步的PWM信号时，控制直流有刷电机停止运转；

步骤503、直流有刷电机的闭环控制单元判断是否接收到新的开/关闸门命令，如果是，则执行步骤504；如果否，则执行步骤502；

步骤504、直流有刷电机的闭环控制单元向直流有刷电机的H桥电路输出正常的PWM信号；

在该步骤中，直流有刷电机在直流有刷电机的H桥电路的控制下按照新的开/关闸门命令对应的运转方式进行正常运转。

图6为本发明实施例提供的在人行通道应用场合下采用方法2的流程图，其具体步骤包括：

步骤601、直流有刷电机的闭环控制单元确定直流有刷电机的当前实际位置与目标位置之间的差小于设定夹角，如果否，则执行步骤604；如果是，则执行步骤602；

在本步骤中，设定夹角是在机构自锁时直流有刷电机的角度值；

步骤602、直流有刷电机的闭环控制单元向直流有刷电机的H桥电路输出根据位置环模块的比例参数得出的PWM信号；

在该步骤中，当H桥电路接收到根据位置环的比例参数得出的两路互补PWM信号时，控制直流有刷电机停止运转；

步骤603、直流有刷电机的闭环控制单元判断是否接收到新的开/关闸门命令，如果是，则执行步骤604；如果否，则执行步骤602；

步骤604、直流有刷电机的闭环控制单元向直流有刷电机的H桥电路输出正常的PWM信号；

在该步骤中，直流有刷电机在直流有刷电机的H桥电路的控制下按照新的开/关闸门命令对应的运转方式进行正常运转。

举一个具体例子进行详细说明。

采用华大芯片HC32F460 ARM芯片作为闭环控制单元驱动直流有刷电机，实现人行通道闸机门翼的控制。该例子的主控芯片是一种内置浮点FPU的32bit Cortex-M4 ARMMCU，主频168MHz，支持带死区控制的互补PWM和高速模数转换模块(ADC)。它具有正交QEI解码及带死区控制的PWM互补输出功能，而且使用的直流有刷电机是60W、24V、额定转速3000rpm，带1000线的磁编码器。这个编码器的正交AB信号就可以由其正交QEI解码出直流有刷电机转动的实际位置信号，并进而计算出实际的转速信号。同时其预驱采用IR2136，H桥电路采用图4的MOSFET驱动电路，闭环控制单元使用位置环P+速度环PI+电流环PID。在通行人员从入口期望进入、或从出口期望出去，验证其合法身份后，则将期望的目标位置设置成正的开门位置、或反的开门位置，利用该例子就可以驱动直流有刷电机准确地到达期望目标位置，并在运转过程中得到期望的加速、匀速及减速过程，以及电机平稳的电流。

在直流有刷电机已经驱动闸机或自动门的门翼到达指定的位置(包括关门位置或进出开门位置)后，根据附图5的流程，实现门翼自锁控制以及收到新的开关门命令后，如何退回到直流有刷电机中的正常闭环PID控制的方法。

上述的具体过程包括：

步骤一：这个状态称作直流有刷电机转动过程状态。直流有刷电机控制主控MCU不断检查直流有刷电机在转动过程中，实际位置与指定开门或关门的目标位置的误差，以判断是否到达指定目标。当这个误差少于约定的范围(例如小于θm＝0.5度角度)，则视为到达指定目标位置，转步骤二。否则继续按照正常参数的PID闭环控制输出相应的PWM占空比信号(DutyA和DutyB)。

步骤二：到达了指定的目标位置后，切换到输出公式(1)对应的DutyA、公式(2)对应的DutyB占空比的PWM信号到有刷电机的H桥驱动电路上。之后转步骤三。

步骤三：这个状态可称作电机门翼自锁状态。此时的DutyA和DutyB对应的PWM信号将使直流有刷电机的绕组回路闭环，产生自锁力。在这个状态下，不断地检查是否收到新的开/关门命令。若有，则转入步骤四。否则转入步骤二继续输出方法1特有的PWM信号。

步骤四：这个状态可称作直流有刷电机闭环控制状态，可以根据需要选用单纯的位置环、或者位置环+速度环、或者位置环+速度环+电流环，使得电机转动过程中得到不同的闭环输出PWM信号，得到精确地到达目标位置的同时、还可选地满足期望的速度加速、匀速、减速过程、可选地满足电流平稳的无冲击转动过程。在直流有刷电机转动过程中，则是步骤四返回到步骤三的循环过程。

在直流有刷电机已经驱动闸机或自动门的门翼到达指定的位置(包括关门位置或进出开门位置)后，也可以根据附图6的流程，实现门翼自锁控制以及收到新的开关门命令后，如何退回到直流有刷电机的正常闭环PID控制的方法。只不过在步骤二中，是根据公式(3)和公式(4)输出另外一套DutyA和DutyB对应的PWM信号，其中在步骤二之前要将位置环的Kp更改到一个更高的参数，具体多少可实际调试。在步骤三中，则当检查是否收到新的开/关门命令时，转入步骤二继续输出方法2特有的PWM信号，这里输出的DutyA和DutyB，将使得直流有刷电机绕组在受到外部轻微摇动或风的吹动导致的位置误差下，产生较大的自锁力。

这里所列举的人行通道闸机的具体实施例，仅仅是为了更好地展现本发明实施例的实施方法。它可以在相似的产品中得到应用。

图7为本发明实施例提供的由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的系统示意图，该系统具体包括：直流有刷电机的闭环控制单元及H桥电路，其中，

直流有刷电机的闭环控制单元，用于当直流有刷电机的驱动机构自锁时，将设置的两路同步的PWM信号输入到H桥电路，或者基于其中的位置环模块输出的比例参数设置互补的两路PWM信号输入到H桥电路；

H桥电路，用于基于输入的两路同步的PWM信号使得加载到直流有刷电机的两端电压相同，驱动电机停转；或者基于输入的两路互补的PWM信号使得加载到直流有刷电机两端正向电压差，大于或等于由所述机构的反向推力产生的直流有刷电机的反向电压差，驱动电机停转。

在该系统中，所述H桥电路，还用于基于输入的两路PWM信号产生等效电压信号，控制直流有刷电机在对应的自锁力下停转。

在该系统中，直流有刷电机的闭环控制单元，还用于将设置的两路同步的PWM信号输入到H桥电路包括：所述直流有刷电机的闭环控制单元，还用于设置第一路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率的平均系数与所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值为在-1至1之间的有理数；设置第二路PWM信号与第一路PWM信号同步；将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路中。

在该系统中，直流有刷电机的闭环控制单元，还用于设置第一路PWM信号为其中的位置环模块输出的比例参数与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，位置环模块输出的比例参数为在-1至1之间的有理数；设置第二路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率系数与第一路PWM信号之间的差值；将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路。

在该系统中，直流有刷电机的闭环控制单元，还用于所述判断直流有刷电机的驱动机构自锁为：确定直流有刷电机的当前实际位置与目标位置之间的差小于设定夹角。

可以看出，采用本发明实施例，可以取得很好的技术效果：1)在直流有刷电机已经驱动诸如闸机或自动门的门翼等机构到达指定的位置(包括关门位置或进出开门位置)后，可分别使用公式(1)及公式(2)构成的第一种方法，当然也可以分别使用公式(3)及公式(4)构成的第二种方法，输出设置的PWM信号到直流有刷电机的H桥驱动电路中，由H桥驱动电路根据该PWM信号对直流有刷电机进行驱动；2)采用本发明实施例提供的两种方法均维持PWM控制的架构，因此不存在切换到GPIO输出属性而导致的飞车现象。3)采用本发明实施例提供的两种方法可方便切换回正常的直流有刷电机的闭环控制系统中的PID闭环控制，由H桥驱动电路执行的驱动命令后，驱动直流有刷电机的运行。4)本发明实施例采用的两个方法属于软件方法，无需额外地使用高成本的制动器装置或继电器等装置，也不额外占用机构空间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的方法，其特征在于，包括：

驱动机构的直流有刷电机的闭环控制单元设置有H桥电路；

当机构要自锁时，所述闭环控制单元将设置的两路同步的脉冲宽度调制PWM信号输入到H桥电路，以使经H桥电路加载到直流有刷电机的两端电压相同，驱动电机停转；

所述闭环控制单元将设置的两路同步的PWM信号输入到H桥电路包括：

设置第一路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率的平均系数与所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值为在-1至1之间的有理数；

设置第二路PWM信号与第一路PWM信号同步；

将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路中；

或者所述闭环控制单元根据其中的位置环模块输出的比例参数设置互补的两路PWM信号输入到H桥电路，以使经H桥电路加载到直流有刷电机的两端正向电压差，大于或等于由所述机构的反向推力产生的直流有刷电机的反向电压差，驱动电机停转；

所述闭环控制单元将其中的位置环模块输出的比例参数设置的两路PWM信号输入到H桥电路包括：

设置第一路PWM信号为闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，闭环控制单元中位置环模块输出的比例参数为在-1至1之间的有理数；

设置第二路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率系数与第一路PWM信号之间的差值；

将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当机构要自锁时的判断包括：

所述闭环控制单元确定直流有刷电机的当前实际位置与目标位置之间的差小于设定夹角。

3.一种由直流有刷电机驱动运行的机构实现自锁的系统，其特征在于，包括：直流有刷电机的闭环控制单元及H桥电路，其中，

直流有刷电机的闭环控制单元，用于当直流有刷电机的驱动机构自锁时，将设置的两路同步的PWM信号输入到H桥电路，或者基于其中的位置环模块输出的比例参数设置互补的两路PWM信号输入到H桥电路；

H桥电路，用于基于输入的两路同步的PWM信号使得加载到直流有刷电机的两端电压相同，驱动电机停转；或者基于输入的两路互补的PWM信号使得加载到直流有刷电机两端正向电压差，大于或等于由所述机构的反向推力产生的直流有刷电机的反向电压差，驱动电机停转；

所述直流有刷电机的闭环控制单元，还用于设置第一路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率的平均系数与所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，所设置的期望直流电机自锁的归一化自锁力值为在-1至1之间的有理数；设置第二路PWM信号与第一路PWM信号同步；将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路中；

所述直流有刷电机的闭环控制单元，还用于设置第一路PWM信号为其中的位置环模块输出的比例参数与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数的乘积后，与所述直流有刷电机的额定功率的平均系数相加得到的结果，位置环模块输出的比例参数为在-1至1之间的有理数；设置第二路PWM信号为所述直流有刷电机的额定功率系数与第一路PWM信号之间的差值；将第一路PWM信号和第二路PWM信号输入到H桥电路。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述直流有刷电机的闭环控制单元，还用于确定直流有刷电机的当前实际位置与目标位置之间的差小于设定夹角时，判断直流有刷电机的驱动机构自锁。

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