CN113359420A - 闸机控制方法、装置和系统及闸机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闸机控制方法、装置和系统及闸机。该方法包括在采样周期执行以下步骤：计算闸门的当前位置与目标位置的偏差，并将偏差累加；根据位置环的偏差累加的结果计算出目标速度；计算闸门的当前速度和目标速度的偏差，并将偏差累加；根据速度环的偏差累加的结果计算出目标电流值；计算实际采样的当前电流值与目标电流值的偏差，并将偏差累加；根据电流环的偏差累加的结果计算出输出三相电流的PWM值，按照计算出的PWM值输出三相电流给伺服电机，由伺服电机带动闸门执行相应的动作。本发明方法的响应速度快、控制精度高，有助于提高闸机的响应速度，改善闸机的稳定性，可减少甚至避免误伤行人的情况发生。

Description

闸机控制方法、装置和系统及闸机

技术领域

本发明涉及门禁控制技术领域，具体涉及一种基于三环调节PID算法的闸机控制方法、装置和系统及闸机。

背景技术

闸机是一种通道阻挡装置，可用于各种门禁场合的入口通道处。随着高科技的蓬勃发展，智能化管理已经进入人们的社会生活，适应信息时代的需要，闸机作为一项先进的高科技技术防范管理手段，已经广泛应用于地铁、车站、码头、学校、宾馆、小区等各种场所。

但是，传统的闸机存在响应速度慢，稳定性不够好，容易误伤行人的缺点。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是，提供一种基于三环调节PID算法的闸机控制方法、装置和系统及闸机，用于提高闸机的响应速度，改善闸机的稳定性，以减少或避免误伤行人。

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种基于三环调节PID算法的闸机控制方法，应用于闸机控制系统，所述系统包括伺服驱动器、编码器和伺服电机，所述伺服驱动器分别与所述编码器和所述伺服电机连接，所述编码器和所述伺服电机连接，所述伺服电机控制闸机的闸门；所述方法包括在每个采样周期执行以下步骤：

位置环计算：计算所述闸门的当前位置与目标位置的偏差，并将偏差累加；

速度环计算：根据位置环的偏差累加的结果计算出目标速度；计算所述闸门的当前速度和目标速度的偏差，并将偏差累加；

电流环计算：根据速度环的偏差累加的结果计算出目标电流值；计算实际采样的当前电流值与目标电流值的偏差，并将偏差累加；

调节控制：根据电流环的偏差累加的结果计算出输出三相电流的PWM值，按照计算出的PWM值输出三相电流给所述伺服电机，由所述伺服电机带动闸门执行相应的动作。

其中，位置环计算、速度环计算和电流环计算步骤中的累加计算，均是从所述闸门开始运动时起的第1个采样周期开始，累加到当前采样周期，并在所述闸门结束运动后停止累加计算。

可选的，位置环计算步骤具体包括：

通过读取所述编码器的数值获取所述闸门的当前位置Pa；

计算出当前位置Pa与前一次采样的位置Pap的差值Pd，Pd＝Pa-Pap；

根据当前时间获取所述闸门的目标位置Pt，计算出当前位置与目标位置的位置偏差值Pe，Pe＝Pt-Pa；

对位置偏差值进行累加计算，得到Ps，Ps＝Ps’+Pe，Ps和Ps’分别为当前采样周期和上一个采样周期对位置偏差值进行累加计算的结果。

可选的，速度环计算步骤具体包括：

计算出所述闸门的目标速度Vt，Vt＝kp1*Pt+kp2*Pe-kp3*Pd+kp4*Ps，其中，kp1、kp2、kp3、kp4是属于位置环的PID参数；

获取所述闸门的当前速度Va；

计算出目标速度Vt与当前速度Va的速度偏差值Ve，Ve＝Vt–Va；

对速度偏差值进行累加计算，得到Vs＝Vs’+Ve，Vs和Vs’分别为当前采样周期和上一个采样周期对速度偏差值进行累加计算的结果。

可选的，电流环计算步骤中，根据速度环的偏差累加的结果计算出目标电流值，包括：

计算出目标电流系数It，It＝kv1*Vt+kv2*Ve-kv3*Vd+kv4*Vs，

其中，Vd为当前速度Va与前一次采样的速度Vap的差值，Vd＝Va–Vap；kv1、kv2、kv3、kv4是属于速度环的PID参数；

查表得到U相和V相的目标电流常数，分别与计算出的目标电流系数相乘，得到U相和V相的目标电流值It1和It2。

可选的，电流环计算步骤中，计算实际采样的当前电流值与目标电流值的偏差，并将偏差累加，包括：

获取U相和V相的目标电流值It1和It2，以及U相和V相采样的当前电流值Ia1和Ia2；

计算U相和V相的目标电流值和当前电流的电流偏差值Ie1和Ie2，其中，Ie1＝It1-Ia1，Ie2＝It2-Ia2；

对电流偏差值进行累加计算，得到Is1＝Is1’+Ie1，Is2＝Is2’+Ie2，Is1和Is1’分别为当前采样周期和上一个采样周期对U相的电流偏差值进行累加计算的结果，Is2和Is2’分别为当前采样周期和上一个采样周期对V相的电流偏差值进行累加计算的结果。

可选的，调节控制步骤中根据电流环的偏差累加的结果计算出输出三相电流的PWM值包括：

记三相电流的U、V、W三相的PWM值输出分别为Pu、Pv和Pw，则有，

Pu＝ki1*Ie1+ki2*Is1；

Pv＝ki1*Ie2+ki2*Is2；

Pw＝-Pu-Pv；

其中，ki1、ki2是属于电流环的PID参数。

本发明第二方面提供一种闸机控制装置，应用于闸机控制系统，所述系统包括伺服驱动器、编码器和伺服电机，所述伺服驱动器分别与所述编码器和所述伺服电机连接，所述编码器和所述伺服电机连接，所述伺服电机控制闸机的闸门；所述闸机控制装置部署在所述伺服驱动器上，包括：

速度环计算模块，用于：根据位置环的偏差累加的结果计算出目标速度；计算闸门的当前速度和目标速度的偏差，并将偏差累加；

电流环计算模块，用于：根据速度环的偏差累加的结果计算出目标电流值；计算实际采样的当前电流值与目标电流值的偏差，并将偏差累加；

调节控制模块，用于：根据电流环的偏差累加的结果计算出输出三相电流的PWM值，按照计算出的PWM值输出三相电流给所述伺服电机，由所述伺服电机带动所述闸门执行相应的动作。

本发明第三方面，提供一种闸机控制系统，所述系统包括伺服驱动器、编码器和伺服电机，所述伺服驱动器分别与所述编码器和所述伺服电机连接，所述编码器和所述伺服电机连接，所述伺服电机控制闸机的闸门；其中，所述伺服驱动器上部署有如第二方面所述的基于三环调节PID算法的闸机控制装置。

本发明第四方面提供一种闸机，包括设有闸门的闸机本体和如第三方面所述的闸机控制系统。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明方法从闸机的闸门开始运动时起，周期性的进行采样控制，在每个采样周期，对位置、速度和电流的偏差进行计算并对偏差进行累加，根据累加计算的结果，对输出的三相电流进行实时调整，从而控制闸机更加良好的运行。该方法的响应速度快、控制精度高，有助于提高闸机的响应速度，改善闸机的稳定性，可减少甚至避免误伤行人的情况发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例和现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明一个实施例提供的一种闸机控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于三环调节PID算法的闸机控制方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于三环调节PID算法的闸机控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面通过具体实施例，分别进行详细的说明。

请参考图1，是本发明实施例提供的一种闸机控制系统的结构示意图。闸机控制系统用来控制闸机本体中闸门的运行。

闸机控制系统包括伺服驱动器11、编码器12和伺服电机13以及控制装置10，控制装置10与伺服驱动器11连接，伺服驱动器11分别与编码器12、伺服电机13连接，编码器12和伺服电机13连接，伺服电机13控制闸机的闸门20。

其中，控制装置10用于将控制信号发送至伺服驱动器11。伺服驱动器11根据控制信号，输出相应的三相电流给伺服电机13，控制伺服电机13的运行。和伺服电机13连接的编码器12可以采集位置数据和速度数据，并上报给伺服驱动器11。伺服驱动器11内部设置有电流传感器，可以采集输出的三相电流的电流数据。伺服驱动器11可以根据获取的位置、速度和电流数据对伺服电机的调节控制。

请参考图2，是本发明实施例提供的一种基于三环调节PID算法的闸机控制方法的流程示意图。该方法可由如图1所示的闸机控制系统实施。

本发明实施例方法基于三环调节PID算法。其中，三环是指电流环、速度环和位置环，PID是指比例(P)、积分(I)和微分(D)。本发明实施例在常规的三环调节PID算法的基础上，进行了一些改进，提出了一种改进的闸机控制方法。

本发明实施例中，从闸机的闸门开始运动时起，到闸机结束运动时止，视为一个大的控制周期。将一个大的控制周期划分为多个采样周期，对闸机实施周期性的采样控制。可选的，每个采样周期的长度可以是毫秒级，例如10毫秒，也就是说，每两次采样的时间间隔是10毫秒。

本发明实施例方法包括在各采样周期执行以下步骤：

S1、位置环计算：计算闸门的当前位置与目标位置的偏差，并将偏差累加；

S2、速度环计算：根据位置环的偏差累加的结果计算出目标速度；计算闸门的当前速度和目标速度的偏差，并将偏差累加；

S3、电流环计算：根据速度环的偏差累加的结果计算出目标电流值；计算实际采样的当前电流值与目标电流值的偏差，并将偏差累加；

S4、调节控制：根据电流环的偏差累加的结果，对输出给伺服电机的三相电流进行调节控制，包括：根据电流环的偏差累加的结果计算出输出三相电流的PWM值，按照计算出的PWM值输出三相电流给伺服电机，由伺服电机带动闸门执行相应的动作。

其中，位置环计算、速度环计算和电流环计算步骤中的累加计算，均是从闸门开始运动时起的第1个采样周期开始，累加到当前采样周期，并在闸门结束运动后停止累加计算。

本发明实施例方法，从第1个采样周期开始，每个周期执行一轮上述步骤S1-S4，直到完成一个大的控制周期。在一个控制周期内，通过按采样周期对闸机进行实时的数据采样和实时的闭环控制，提高了闸机的相应速度，改善了闸机的稳定性，可减少甚至避免误伤行人的情况发生。

本发明实施例方法，具体由伺服驱动器执行。

下面，结合一个具体实施例对本发明方法进行更详细的说明。该具体实施例包括以下步骤：

【位置环计算】

1.通过读取编码器的数值获取闸门的当前位置Pa，计算出当前位置Pa与前一次采样的位置Pap的差值Pd；

Pd＝Pa-Pap。

2.根据当前时间获取闸门的目标位置Pt，计算出目标位置Pt与当前位置Pa的偏差值Pe；

Pe＝Pt-Pa；

其中，目标位置是闸机运行前已经提前计算好的，规定了闸机的闸门应该在什么时间运行到什么位置。

3.将位置偏差值进行累加计算得出Ps；

Ps＝Ps’+Pe；

累计计算就是对每次采样后与目标位置的偏差进行累计，从控制闸机开始运动开始，直到闸机运动结束。

【速度环计算】

4.计算出闸门的目标速度Vt；

Vt＝kp1*Pt+kp2*Pe-kp3*Pd+kp4*Ps；

其中，kp1、kp2、kp3、kp4是属于位置环的PID参数。

该公式是经验公式，具体PID参数是可调的。

5.获取闸门的当前速度Va，计算当前速度Va与前一次采样的速度Vap的差值Vd；

Vd＝Va–Vap；

6.计算目标速度Vt与当前速度Va的速度偏差值Ve；

Ve＝Vt–Va；

7.对速度偏差值进行累加计算，得到Vs＝Vs’+Ve；

Vs和Vs’分别为当前采样周期和上一个采样周期对速度偏差值进行累加计算的结果。

【电流环计算】

8.计算出目标电流系数It；

It＝kv1*Vt+kv2*Ve-kv3*Vd+kv4*Vs

其中，kv1、kv2、kv3、kv4是属于速度环的PID参数。

9.根据目标电流系数It得计算到U相和V相的目标电流值It1和It2，并采集实际的U相和V相的当前电流值Ia1和Ia2。

其中，目标电流值是指理论上要输出的电流大小，其计算方式是：获取预先设置的电流常数表，查表得到U相和V相的目标电流常数，分别与第8步计算得到的目标电流系数It相乘，得到U相和V相的目标电流值It1和It2。

本步骤只需要计算U相和V相即可，因为对于三相电流，其W相与U相和V相具有如下关系：W＝-U-V。

10.计算U相和V相的目标电流值和当前电流值的电流偏差值Ie1和Ie2；

Ie1＝It1-Ia1；

Ie2＝It2-Ia2；

11.计算U相和V相电流的累加偏差Is1和Is2；

Is1＝Is1’+Ie1；

Is2＝Is2’+Ie2；

其中，Is1和Is1’分别为当前采样周期和上一个采样周期对U相的电流偏差值进行累加计算的结果，Is2和Is2’分别为当前采样周期和上一个采样周期对V相的电流偏差值进行累加计算的结果。

【调节控制】

11.计算U、V、W三相的PWM值输出Pu、Pv和Pw；

Pu＝ki1*Ie1+ki2*Is1；

Pv＝ki1*Ie2+ki2*Is2；

Pw＝-Pu-Pv；

其中，ki1、ki2是属于电流环的PID参数。

计算得到的Pu、Pv和Pw是调整后的三相电流参数。本步骤中，伺服驱动器按照该调整后的PWM值参数输出三相电流给伺服电机，由伺服电机带动闸门执行相应的动作，以便控制闸机更加良好的运行。

请参考图3，本发明实施例还提供一种基于三环调节PID算法的闸机控制装置，应用于如图1所述的闸机控制系统。

该闸机控制装置部署在伺服驱动器上，包括：

位置环计算模块31，用于：计算所述闸门的当前位置与目标位置的偏差，并将偏差累加；

速度环计算模块32，用于：根据位置环的偏差累加的结果计算出目标速度；计算所述闸门的当前速度和目标速度的偏差，并将偏差累加；

电流环计算模块33，用于：根据速度环的偏差累加的结果计算出目标电流值；计算实际采样的当前电流值与目标电流值的偏差，并将偏差累加；

调节控制模块34，用于：根据电流环的偏差累加的结果计算出输出三相电流的PWM值，按照计算出的PWM值输出三相电流给所述伺服电机，由所述伺服电机带动所述闸门执行相应的动作。

请继续参考图1，本发明实施例还提供一种基于三环调节PID算法的闸机控制系统，所述系统包括伺服驱动器11、编码器12和伺服电机13，所述伺服驱动器11分别与所述编码器12和所述伺服电机13连接，所述编码器12和所述伺服电机13连接，所述伺服电机13控制闸机的闸门20；

所述编码器12，用于对所述闸门的位置数据和速度数据进行采样；

所述伺服驱动器11，用于输出三相电流给所述伺服电机13，以及，从所述编码器12获取所述闸门的位置数据和速度数据，并对输出的三相电流的电流值进行采样；

所述伺服电机13，用于根据所述伺服驱动器11输入的三相电流转动，带动闸门执行相应的动作；

特别的，所述伺服驱动器11上部署有如图3所示的基于三环调节PID算法的闸机控制装置。

本发明实施例还提供一种闸机，包括设有闸门的闸机本体，和如上文所述的闸机控制系统。

综上，本发明实施例公开了一种基于三环调节PID算法的闸机控制方法、装置和系统及闸机。从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明方法从闸机的闸门开始运动时起，周期性的进行采样控制，在每个采样周期，对位置、速度和电流的偏差进行计算并对偏差进行累加，根据累加计算的结果，对输出的三相电流进行实时调整，从而控制闸机更加良好的运行。该方法的响应速度快、控制精度高，有助于提高闸机的响应速度，改善闸机的稳定性，可减少甚至避免误伤行人的情况发生。

以上，通过具体实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。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，可以参见其它实施例的相关描述。

应当理解，上述各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员，可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和保护范围。

Claims (10)

1.一种基于三环调节PID算法的闸机控制方法，应用于闸机控制系统，其特征在于，所述系统包括伺服驱动器、编码器和伺服电机，所述伺服驱动器分别与所述编码器和所述伺服电机连接，所述编码器和所述伺服电机连接，所述伺服电机控制闸门；

所述方法包括在采样周期执行以下步骤：

位置环计算：计算所述闸门的当前位置与目标位置的偏差，并将偏差累加；

速度环计算：根据位置环的偏差累加的结果计算出目标速度；计算所述闸门的当前速度和目标速度的偏差，并将偏差累加；

电流环计算：根据速度环的偏差累加的结果计算出目标电流值；计算实际采样的当前电流值与目标电流值的偏差，并将偏差累加；

调节控制：根据电流环的偏差累加的结果计算出输出三相电流的PWM值，按照计算出的PWM值输出三相电流给所述伺服电机，由所述伺服电机带动所述闸门执行相应的动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，位置环计算、速度环计算和电流环计算步骤中的累加计算，均是从所述闸门开始运动时起的第1个采样周期开始，累加到当前采样周期，并在所述闸门结束运动后停止累加计算。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，位置环计算步骤具体包括：

通过读取所述编码器的数值获取所述闸门的当前位置Pa；

计算出当前位置Pa与前一次采样的位置Pap的差值Pd，Pd＝Pa-Pap；

根据当前时间获取所述闸门的目标位置Pt，计算出当前位置与目标位置的位置偏差值Pe，Pe＝Pt-Pa；

对位置偏差值进行累加计算，得到Ps，Ps＝Ps’+Pe，Ps和Ps’分别为当前采样周期和上一个采样周期对位置偏差值进行累加计算的结果。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，速度环计算步骤具体包括：

计算出所述闸门的目标速度Vt，Vt＝kp1*Pt+kp2*Pe-kp3*Pd+kp4*Ps，其中，kp1、kp2、kp3、kp4是属于位置环的PID参数；

获取所述闸门的当前速度Va；

计算出目标速度Vt与当前速度Va的速度偏差值Ve，Ve＝Vt–Va；

对速度偏差值进行累加计算，得到Vs＝Vs’+Ve，Vs和Vs’分别为当前采样周期和上一个采样周期对速度偏差值进行累加计算的结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，电流环计算步骤中，根据速度环的偏差累加的结果计算出目标电流值，包括：

计算出目标电流系数It，It＝kv1*Vt+kv2*Ve-kv3*Vd+kv4*Vs；

其中，Vd为当前速度Va与前一次采样的速度Vap的差值，Vd＝Va–Vap；kv1、kv2、kv3、kv4是属于速度环的PID参数；

查表得到U相和V相的目标电流常数，分别与计算出的目标电流系数相乘，得到U相和V相的目标电流值It1和It2。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电流环计算步骤中，计算实际采样的当前电流值与目标电流值的偏差，并将偏差累加，包括：

获取U相和V相的目标电流值It1和It2，以及U相和V相采样的当前电流值Ia1和Ia2；

计算U相和V相的目标电流值和当前电流值的电流偏差值Ie1和Ie2，其中，Ie1＝It1-Ia1，Ie2＝It2-Ia2；

对电流偏差值进行累加计算，得到Is1＝Is1’+Ie1，Is2＝Is2’+Ie2，Is1和Is1’分别为当前采样周期和上一个采样周期对U相的电流偏差值进行累加计算的结果，Is2和Is2’分别为当前采样周期和上一个采样周期对V相的电流偏差值进行累加计算的结果。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，调节控制步骤中根据电流环的偏差累加的结果计算出输出三相电流的PWM值包括：

记三相电流的U、V、W三相的PWM值输出分别为Pu、Pv和Pw，则有，

Pu＝ki1*Ie1+ki2*Is1；

Pv＝ki1*Ie2+ki2*Is2；

Pw＝-Pu-Pv；

其中，ki1、ki2是属于电流环的PID参数。

8.一种基于三环调节PID算法的闸机控制装置，其特征在于，应用于闸机控制系统，所述系统包括伺服驱动器、编码器和伺服电机，所述伺服驱动器分别与所述编码器和所述伺服电机连接，所述编码器和所述伺服电机连接，所述伺服电机控制闸机的闸门；

所述闸机控制装置部署在所述伺服驱动器上，包括：

位置环计算模块，用于：计算所述闸门的当前位置与目标位置的偏差，并将偏差累加；

速度环计算模块，用于：根据位置环的偏差累加的结果计算出目标速度；计算所述闸门的当前速度和目标速度的偏差，并将偏差累加；

电流环计算模块，用于：根据速度环的偏差累加的结果计算出目标电流值；计算实际采样的当前电流值与目标电流值的偏差，并将偏差累加；

调节控制模块，用于：根据电流环的偏差累加的结果计算出输出三相电流的PWM值，按照计算出的PWM值输出三相电流给所述伺服电机，由所述伺服电机带动所述闸门执行相应的动作。

9.一种闸机控制系统，其特征在于，所述系统包括伺服驱动器、编码器和伺服电机，所述伺服驱动器分别与所述编码器和所述伺服电机连接，所述编码器和所述伺服电机连接，所述伺服电机控制闸机的闸门；

其中，所述伺服驱动器上部署有如权利要求8所述的基于三环调节PID算法的闸机控制装置。

10.一种闸机，包括如权利要求9所述的闸机控制系统。

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