一種電動(dòng)欄桿機控制器的設計與實(shí)現

1.引言

電動(dòng)欄桿機是機電一體化設備，不僅應用于公路、橋梁和口岸，同時(shí)也廣泛使用在各種場(chǎng)區的禁行管理場(chǎng)合。電動(dòng)欄桿系統設計的技術(shù)水平對產(chǎn)品的功耗、壽命及可靠性影響很大。目前我國的高速公路收費站內每一條車(chē)道都配置一臺電動(dòng)欄桿機。電動(dòng)欄桿的快速與穩定運行對車(chē)輛快速通過(guò)收費站有著(zhù)非常重要的意義。

傳統的電動(dòng)欄桿機大多采用繼電器控制帶有大減速比減速異步電機的結構形式，大多數電動(dòng)欄桿需要與上位機聯(lián)網(wǎng)，由上位機發(fā)出控制指令，通過(guò)計算機內的接口卡控制欄桿機的起停，并檢測安裝在電動(dòng)欄桿機上的行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制抬起與落下的行程。由于計算機的不穩定性與系統不可靠性，使得電動(dòng)欄桿機的可靠性降低，電動(dòng)欄桿機故障引起的高速公路車(chē)流不暢屢見(jiàn)不鮮。另外選用計算機作為控制器使得電動(dòng)欄桿機的成本大幅提高，而選用計算機的理由僅僅是為了與上位機聯(lián)網(wǎng)，因此設計一款帶有以太網(wǎng)總線(xiàn)的嵌入式電動(dòng)欄桿機控制器既解決了可靠性與穩定性問(wèn)題，也使得系統總成本大幅降低。

2.總體結構

本文設計的電動(dòng)欄桿機選用低速無(wú)刷電機直接拖動(dòng)攔桿機構，控制器采用STM32作為主控制器，并由STM32內部PWM模塊產(chǎn)生PWM波形驅動(dòng)智能功率模塊(IPM)中的功率器件的導通與關(guān)斷來(lái)驅動(dòng)無(wú)刷電機的運轉?？刂破鳈z測無(wú)刷電機的霍爾信號以計算出行程，在電動(dòng)運行的過(guò)程中，僅以抬起最大位置點(diǎn)為原點(diǎn)，原點(diǎn)檢測是通過(guò)檢測無(wú)刷電機的電流變化來(lái)實(shí)現。這種方案不僅可以適應不同的電動(dòng)欄桿機的應用場(chǎng)合，能與各種車(chē)道控制器聯(lián)網(wǎng)，其運行舒適感也得到大幅度提高。

3.硬件結構

3.1 硬件電路

電動(dòng)欄桿機采用全數字控制方式，大大降低了硬件電路的復雜程度，其硬件電路由電源電路、STM32控制電路、IPM驅動(dòng)電路、位置信號處理和通信電路及其他外圍電路組成。為了降低成本，提高產(chǎn)品競爭力，電動(dòng)欄桿機采用非隔離方式設計。

3.2 電源設計

電動(dòng)欄桿機的主要器件是無(wú)刷電機，為了降低電機磁場(chǎng)對電源的干擾以及提高系統的電磁兼容能力，電源輸入通道設計成標準的二級EMI濾波器，前級為共模濾波加后級差模濾波。

3.3 主控制芯片

控制器采用基于Cortex-M3內核的32位嵌入式控制器--STM32F107,這是一款非常適合于網(wǎng)絡(luò )通訊的微處理器，片內集成MAC控制器、CAN總線(xiàn)控制器和多路串行通訊接口，另外這款芯片也集成完整的電機控制模塊，可以靈活控制無(wú)刷直流電機和其他交直流電機。

3.4 位置檢測

為了實(shí)現電動(dòng)欄桿快速運行并防止到位沖擊，使用霍爾傳感器檢測機構的行程，STM32內部集成編碼器接口可以對轉動(dòng)中的抖動(dòng)進(jìn)行抑制。

3.5 以太網(wǎng)接口

STM32F107內部集成了MAC控制器，可以輸出25MHz或50MHz時(shí)鐘信號，可以驅動(dòng)外部以太網(wǎng)物理層(PHY)芯片，并支持MII和RMII,提高了設計人員選擇最佳的PHY芯片的靈活性。

本設計中采用DP83848作為PHY芯片，可以實(shí)現CSMA/CD部分功能。

3.6 其他通訊接口

為了與總線(xiàn)式車(chē)道控制器或與其他系統聯(lián)網(wǎng)運行，電動(dòng)欄桿機除了設計以太網(wǎng)接口以外還設計了CAN總線(xiàn)接口與485通訊接口。

3.7 地感線(xiàn)圈接口

為了實(shí)現防砸功能，欄桿機留有地感線(xiàn)圈接口，采用STM32的定時(shí)器接品檢測LC振蕩電路的振蕩頻率，用以判斷是否有汽車(chē)經(jīng)過(guò)，以及經(jīng)過(guò)的速度。當有汽車(chē)完全通過(guò)欄桿機位置時(shí)，欄桿機自動(dòng)落下。

4.軟件設計

電動(dòng)欄桿機的主要功能是完成對無(wú)刷電機的驅動(dòng)的控制，以及檢測地感線(xiàn)圈信號。電機的運行及速度參數由總線(xiàn)控制。整個(gè)軟件程序采用模塊化設計思想，用ANSI C進(jìn)行編寫(xiě)，通過(guò)用戶(hù)的需求進(jìn)行功能組合滿(mǎn)足不同場(chǎng)合應用，系統軟件采用Keil MDK開(kāi)發(fā)環(huán)境。

4.1 ModBus/TCP報文結構

電動(dòng)欄桿機與上位機之間的通訊采用以太網(wǎng)聯(lián)接和ModBus/TCP通訊協(xié)議，欄桿機作為協(xié)議從站。ModBus/TCP報文結構是將ModBus數據打包到TCP報文內，具體報文結構如表1所示。

4.2 寄存器定義

通訊協(xié)議中寄存器定義為主從站之間的通訊規約，如4001寄存器為欄桿機速度，4002寄存器為欄桿機緩行距離等。

5.運行特性

本次設計的電動(dòng)欄桿機控制器原理樣機為無(wú)刷電機功率為60W,轉子極數為100極，電機額定轉速為100rpm.通過(guò)測試欄桿打開(kāi)至80度時(shí)可以達到0.3s至2.0s的起桿速度，并且速度可調。

6.結論

目前大多數進(jìn)口電動(dòng)欄桿機也采用類(lèi)似技術(shù)，但其報價(jià)是國產(chǎn)設備的數倍之多，本次設計這款電動(dòng)欄桿機控制器具有結構簡(jiǎn)單、性能可靠、兼容性強等特點(diǎn)，特別適合多車(chē)道聯(lián)網(wǎng)的電子不停車(chē)收費系統。