CN113098336A - 一种应用于人行通道闸的无刷控制系统 - Google Patents

一种应用于人行通道闸的无刷控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种应用于人行通道闸的无刷控制系统，涉及人行通道闸的控制技术领域。无刷控制系统包括控制单元、电机驱动单元以及无刷电机，电机驱动单元包括预驱芯片、电容自举单元、半桥驱动单元、电流采样单元以及霍尔信号采集单元，无刷电机上设有霍尔传感器；控制单元与预驱芯片连接，预驱芯片与半桥驱动单元连接，半桥驱动单元与无刷电机连接，无刷电机用于与闸机连接且驱动闸机开合；电容自举单元与半桥驱动单元连接；电流采样单元与无刷电机以及控制单元连接；霍尔信号采集单元与霍尔传感器以及控制单元连接。控制单元通过闭环控制方式，使得电机的运动动作更加准确，电机的抖动更小，噪音更小，闸机的寿命也会更长。

Description

一种应用于人行通道闸的无刷控制系统
技术领域
本发明涉及人行通道闸的控制技术领域，尤其涉及一种应用于人行通道闸的无刷控制系统。
背景技术
随着现代管理技术的提升，越来越多的地方需要进行进出管控。闸机是进出管控中必须要用到的设备。
传统的闸机使用直流有刷电机，方波驱动电机，其控制精度极差，存在寿命相对较低、启动停止运行抖动，噪音大等缺点。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是现有闸机控制精度极差，存在寿命相对较低、启动停止运行抖动，噪音大的问题。
为了解决上述问题，本发明实施例
与现有技术相比，本发明实施例所能达到的技术效果包括：
本发明实施例中，控制单元根据无刷电机的电流信号以及霍尔信号反馈，向预驱芯片发出PWM信号，预驱芯片根据控制单元发送的PWM信号控制半桥驱动单元驱动无刷电机运转，形成一个完整的闭环控制，从而使得对无刷电机的控制更加精准，电机的运动动作更加准确，电机在驱动闸机运动的过程中的抖动更小，噪音更小，闸机的寿命也会更长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提出的一种应用于人行通道闸的无刷控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提出的一种应用于人行通道闸的无刷控制系统的控制单元的接线图；
图3为本发明实施例提出的一种应用于人行通道闸的无刷控制系统的预驱芯片的接线图；
图4为本发明实施例提出的一种应用于人行通道闸的无刷控制系统的半桥驱动单元的接线图；
图5为本发明实施例提出的一种应用于人行通道闸的无刷控制系统的霍尔信号采集单元的电路图；
图6为本发明实施例提出的一种应用于人行通道闸的无刷控制系统的硬件泄放电路的电路图；
图7为本发明实施例提出的一种应用于人行通道闸的无刷控制系统的RS485通讯单元的电路图；
图8为本发明实施例提出的一种应用于人行通道闸的无刷控制系统的红外传感器的接线图。
附图标记
控制单元101、预驱芯片102、电容自举单元103、半桥驱动单元104、电流采样单元105、霍尔信号采集单元106、无刷电机107、霍尔传感器108以及红外传感器109。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
参见图1-8，本发明实施例提出一种应用于人行通道闸的无刷控制系统，所述无刷控制系统包括控制单元101、电机驱动单元以及无刷电机107。电机驱动单元包括预驱芯片102、电容自举单元103、半桥驱动单元104、电流采样单元105以及霍尔信号采集单元106，无刷电机107上设有霍尔传感器108。
控制单元101可具体为单片机等控制芯片，例如，基于
Figure BDA0003001263060000031
-M4内核、32位的微控制器。控制单元101与预驱芯片102连接，控制单元101用于向预驱芯片102发送PWM信号。
预驱芯片102与半桥驱动单元104连接，半桥驱动单元104与无刷电机107连接。预驱芯片102根据控制单元101发送的PWM信号控制半桥驱动单元104驱动无刷电机107运转。预驱芯片102的型号可具体为IR2136S。
无刷电机107用于与闸机连接且驱动闸机开合。采用无刷电机107驱动，使得闸机的运行更加精准。
电容自举单元103与半桥驱动单元104连接，用于提高半桥驱动单元104的响应速度，提高其控制精度。
电流采样单元105与无刷电机107以及控制单元101连接，电流采样单元105用于采集电机的电流值，并发送给控制单元101。霍尔信号采集单元106与霍尔传感器108以及控制单元101连接，霍尔信号采集单元106用于将霍尔传感器108的检测值发送给控制单元101。
本发明实施例中，控制单元101根据无刷电机107的电流信号以及霍尔信号反馈，向预驱芯片102发出PWM信号，预驱芯片102根据控制单元101发送的PWM信号控制半桥驱动单元104驱动无刷电机107运转，形成一个完整的闭环控制，从而使得对无刷电机107的控制更加精准，电机的运动动作更加准确，电机在驱动闸机运动的过程中的抖动更小，噪音更小，闸机的寿命也会更长。
进一步地，参见图2-4，所述半桥驱动单元104包括上桥单元以及下桥单元，所述上桥单元包括三个上桥MOS管(Q16、Q8及Q13)，所述下桥单元包括三个下桥MOS管(Q18、Q12及Q14)，上桥单元的三个上桥MOS管(Q16、Q8及Q13)分别与无刷电机107的三相绕组连接以及与预驱芯片102的三个高侧门极驱动逻辑输出引脚(HO1、HO2及HO3)连接；下桥单元的三个下桥MOS管(Q18、Q12及Q14)分别与无刷电机107的三相绕组连接以及与预驱芯片102的三个低侧门极驱动逻辑输出引脚(LO1、LO2及LO3)连接。
进一步地，控制单元101向预驱芯片102输出6路PWM信号，该6路PWM信号分别输入到预驱芯片102的三个高侧门极驱动逻辑输入引脚(HIN1、HIN2及HIN3)以及三个低侧门极驱动逻辑输入引脚(LIN1、LIN2及LIN3)。
进一步地，电容自举单元103包括三个自举电容(C42、C43及C44)，该三个自举电容(C42、C43及C44)分别与上桥单元的三个上桥MOS管(Q16、Q8及Q13)连接。同时，三个自举电容(C42、C43及C44)分别与通过三个自举二极管(D4、D10及D12)连接到电压源。
电容自举单元103的作用是下桥MOS管(Q18、Q12及Q14)开通、上桥MOS管(Q16、Q8及Q13)关闭时，电压源通过三个自举二极管(D4、D10及D12)给三个自举电容(C42、C43及C44)充电。当下桥MOS管(Q18、Q12及Q14)关闭，上桥MOS管(Q16、Q8及Q13)导通时，三个自举电容(C42、C43及C44)放电，给上桥MOS管(Q16、Q8及Q13)提供饱和导通的电压，提高上桥MOS管(Q16、Q8及Q13)的响应速度。
进一步地，电流采样单元105包括采样电阻R82以及信号放大单元，采样电阻R82与无刷电机107的母线连接，信号放大单元分别与采样电阻R82以及控制单元101连接。信号放大单元起到放大信号的作用。
进一步地，信号放大单元包括第一运算放大器U10-A以及第二运算放大器U10-8，第一运算放大器U10-A的输入端与采样电阻R82连接，第一运算放大器U10-A的输出端与第二运算放大器U10-B的输入端连接，第二运算放大器U10-B的输出端与控制单元101连接。
本实施例中，第一运算放大器U10-A以及第二运算放大器U10-B的放大倍数均为5倍。
进一步地，无刷电机107中设置有三个霍尔传感器108，该三个霍尔传感器108分别于无刷电机107的三相绕组对应设置。相应地，霍尔信号采集单元106的数量为三个，分别对应与三个霍尔传感器108。
具体地，参见图5，以其中一个霍尔信号采集单元106为例，霍尔信号采集单元106包括上拉电阻R8、限流电阻R101、第一滤波电容C32以及第二滤波电容C38；上拉电阻R8的一端与电压源连接，上拉电阻R8的另一端分别与第一滤波电容C32、限流电阻R101以及霍尔传感器108连接；限流电阻R101的一端与霍尔传感器108连接，限流电阻R101的另一端分别与第二滤波电容C38以及控制单元101连接，第一滤波电容C32以及第二滤波电容C38均接地。
进一步地，参见图6所述应用于人行通道闸的无刷控制系统还包括硬件泄放电路，硬件泄放电路包括MOS管Q19，MOS管Q19的源极接地，MOS管Q19的漏极通过三个并联的泄压电阻(R36、R78及R79)与无刷电机107连接，MOS管Q19的漏极栅极通过串联的第一分压电阻R80和稳压二极管D13与无刷电机107连接，以及通过第二分压电阻R81接地；第一分压电阻R80的两端并联有第三滤波电容。
其中，第一分压电阻R80和第二分压电阻R81起到分压作用，稳压二极管D13起到稳压作用，本实施例中，其稳压值为25V，三个并联的泄压电阻(R36、R78及R79)起到泄压作用，防止高压损坏器件。
当电压超过预设阈值(例如30V)时，MOS管Q19导通泄放电压，从而起到保护无刷电机107的作用。
进一步地，参见图7，所述应用于人行通道闸的无刷控制系统还包括RS485通讯单元，所述RS485通讯单元包括RS485收发芯片U2，所述RS485收发芯片U2与所述控制单元101连接。
所述RS485收发芯片U2的型号为SP3085。
RS485收发芯片U2包括RO接口、RE接口、DE接口、DI接口、VCC接口、B接口、A接口、以及GND接口。
RO接口与控制单元101上的信号接收接口连接，DI接口与控制单元101上的信号发送接口连接。
RS485收发芯片U2的RS485通讯接口(即B接口以及A接口)与上位机或者外围设备的485接口连接，可以实现控制闸机及读取闸机实时状态。
同时在图7中，发光二极管D33是数据发送指示灯；电阻R77用于防止发光二极管D33的电流过大而损坏；电阻R26用于防止三极管Q10导通时大电流损坏；电阻R27用于防止发光二极管D19电流过大损坏；发光二极管D19是数据接收指示灯；电阻R16用于限制三极管Q10的基极导通电流；三极管Q10用于自动切换RS485收发芯片U2的接收和发送状态；电容C7用于让RS485收发芯片U2供电电压稳定；电阻R28是下拉电阻；电阻R41是匹配电阻；电阻R31是上拉电阻；多个瞬态二极管TVS4-TVS6用于防止电压及电流的瞬态干扰；TX1_EN用于连接到控制单元101的管脚，用于发送数据使能。
进一步地，参见图8，所述应用于人行通道闸的无刷控制系统还包括红外传感器109，所述红外传感器109设置在闸机上，所述红外传感器109通过光电耦合器U15与控制单元101连接。光电耦合器U15起到隔离作用，保护单片机。
在图8中，需要说明的是，电阻R144是分压和限流的作用，发光二极管D33起到指示灯作用；电阻R85是上拉电阻。
红外传感器109的数量可为多个，有本领域技术人员按照实际需求布置。
进一步地，所述应用于人行通道闸的无刷控制系统还包括进出向开闸信号输入模块、消防开闸信号输入模块、指示灯模块输出模块、电磁离合器输出模块等I/O模块电路，以上I/O模块电路均与控制单元101连接。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚且本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，包括控制单元、电机驱动单元以及无刷电机，电机驱动单元包括预驱芯片、电容自举单元、半桥驱动单元、电流采样单元以及霍尔信号采集单元，无刷电机上设有霍尔传感器；控制单元与预驱芯片连接，预驱芯片与半桥驱动单元连接，半桥驱动单元与无刷电机连接，无刷电机用于与闸机连接且驱动闸机开合；电容自举单元与半桥驱动单元连接；电流采样单元与无刷电机以及控制单元连接；霍尔信号采集单元与霍尔传感器以及控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，所述半桥驱动单元包括上桥单元以及下桥单元，所述上桥单元包括三个上桥MOS管，所述下桥单元包括三个下桥MOS管，上桥单元的三个上桥MOS管分别与无刷电机的三相绕组连接以及与预驱芯片的三个高侧门极驱动逻辑输出引脚连接；下桥单元的三个下桥MOS管分别与无刷电机的三相绕组连接以及与预驱芯片的三个低侧门极驱动逻辑输出引脚连接。
3.根据权利要求2所述的应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，控制单元向预驱芯片输出6路PWM信号，该6路PWM信号分别输入到预驱芯片的三个高侧门极驱动逻辑输入引脚以及三个低侧门极驱动逻辑输入引脚。
4.根据权利要求3所述的应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，电容自举单元包括三个自举电容，该三个自举电容分别与上桥单元的三个上桥MOS管连接。
5.根据权利要求4所述的应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，电流采样单元包括采样电阻以及信号放大单元，采样电阻与无刷电机的母线连接，信号放大单元分别与采样电阻以及控制单元连接。
6.根据权利要求5所述的应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，信号放大单元包括第一运算放大器以及第二运算放大器，第一运算放大器的输入端与采样电阻连接，第一运算放大器的输出端与第二运算放大器的输入端连接，第二运算放大器的输出端与控制单元连接。
7.根据权利要求6所述的应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，霍尔信号采集单元包括上拉电阻、限流电阻、第一滤波电容以及第二滤波电容；上拉电阻的一端与电压源连接，上拉电阻的另一端分别与第一滤波电容、限流电阻以及霍尔传感器连接；限流电阻的一端与霍尔传感器连接，限流电阻的另一端分别与第二滤波电容以及控制单元连接，第一滤波电容以及第二滤波电容均接地。
8.根据权利要求7所述的应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，还包括硬件泄放电路，硬件泄放电路包括MOS管，MOS管的源极接地，MOS管的漏极通过三个并联的泄压电阻与无刷电机连接，MOS管的漏极栅极通过串联的第一分压电阻和稳压二极管与无刷电机连接，以及通过第二分压电阻接地；第一分压电阻的两端并联有第三滤波电容。
9.根据权利要求8所述的应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，还包括RS485通讯单元，所述RS485通讯单元包括RS485收发芯片，所述RS485收发芯片与所述控制单元连接。
10.根据权利要求9所述的应用于人行通道闸的无刷控制系统，其特征在于，还包括红外传感器，所述红外传感器设置在闸机上，所述红外传感器通过光电耦合器与控制单元连接。
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