1.引言
電動欄桿機是機電一體化設(shè)備,不僅應(yīng)用于公路、橋梁和口岸,同時也廣泛使用在各種場區(qū)的禁行管理場合。電動欄桿系統(tǒng)設(shè)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(nèi)每一條車道都配置一臺電動欄桿機。電動欄桿的快速與穩(wěn)定運行對車輛快速通過收費站有著非常重要的意義。
傳統(tǒng)的電動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(jié)構(gòu)形式,大多數(shù)電動欄桿需要與上位機聯(lián)網(wǎng),由上位機發(fā)出控制指令,通過計算機內(nèi)的接口卡控制欄桿機的起停,并檢測安裝在電動欄桿機上的行程開關(guān)來控制抬起與落下的行程。由于計算機的不穩(wěn)定性與系統(tǒng)不可靠性,使得電動欄桿機的可靠性降低,電動欄桿機故障引起的高速公路車流不暢屢見不鮮。另外選用計算機作為控制器使得電動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(shè)計一款帶有以太網(wǎng)總線的嵌入式電動欄桿機控制器既解決了可靠性與穩(wěn)定性問題,也使得系統(tǒng)總成本大幅降低。
2.總體結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的電動欄桿機選用低速無刷電機直接拖動攔桿機構(gòu),控制器采用STM32作為主控制器,并由STM32內(nèi)部PWM模塊產(chǎn)生PWM波形驅(qū)動智能功率模塊(IPM)中的功率器件的導通與關(guān)斷來驅(qū)動無刷電機的運轉(zhuǎn)。控制器檢測無刷電機的霍爾信號以計算出行程,在電動運行的過程中,僅以抬起最大位置點為原點,原點檢測是通過檢測無刷電機的電流變化來實現(xiàn)。這種方案不僅可以適應(yīng)不同的電動欄桿機的應(yīng)用場合,能與各種車道控制器聯(lián)網(wǎng),其運行舒適感也得到大幅度提高。
3.硬件結(jié)構(gòu)
3.1 硬件電路
電動欄桿機采用全數(shù)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(qū)動電路、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,電動欄桿機采用非隔離方式設(shè)計。
3.2 電源設(shè)計
電動欄桿機的主要器件是無刷電機,為了降低電機磁場對電源的干擾以及提高系統(tǒng)的電磁兼容能力,電源輸入通道設(shè)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(nèi)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(nèi)集成MAC控制器、CAN總線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,可以靈活控制無刷直流電機和其他交直流電機。
3.4 位置檢測
為了實現(xiàn)電動欄桿快速運行并防止到位沖擊,使用霍爾傳感器檢測機構(gòu)的行程,STM32內(nèi)部集成編碼器接口可以對轉(zhuǎn)動中的抖動進行抑制。
3.5 以太網(wǎng)接口
STM32F107內(nèi)部集成了MAC控制器,可以輸出25MHz或50MHz時鐘信號,可以驅(qū)動外部以太網(wǎng)物理層(PHY)芯片,并支持MII和RMII,提高了設(shè)計人員選擇最佳的PHY芯片的靈活性。
本設(shè)計中采用DP83848作為PHY芯片,可以實現(xiàn)CSMA/CD部分功能。
3.6 其他通訊接口
為了與總線式車道控制器或與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行,電動欄桿機除了設(shè)計以太網(wǎng)接口以外還設(shè)計了CAN總線接口與485通訊接口。
3.7 地感線圈接口
為了實現(xiàn)防砸功能,欄桿機留有地感線圈接口,采用STM32的定時器接品檢測LC振蕩電路的振蕩頻率,用以判斷是否有汽車經(jīng)過,以及經(jīng)過的速度。當有汽車完全通過欄桿機位置時,欄桿機自動落下。
4.軟件設(shè)計
電動欄桿機的主要功能是完成對無刷電機的驅(qū)動的控制,以及檢測地感線圈信號。電機的運行及速度參數(shù)由總線控制。整個軟件程序采用模塊化設(shè)計思想,用ANSI C進行編寫,通過用戶的需求進行功能組合滿足不同場合應(yīng)用,系統(tǒng)軟件采用Keil MDK開發(fā)環(huán)境。
4.1 ModBus/TCP報文結(jié)構(gòu)
電動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(jié)構(gòu)是將ModBus數(shù)據(jù)打包到TCP報文內(nèi),具體報文結(jié)構(gòu)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(guī)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(shè)計的電動欄桿機控制器原理樣機為無刷電機功率為60W,轉(zhuǎn)子極數(shù)為100極,電機額定轉(zhuǎn)速為100rpm.通過測試欄桿打開至80度時可以達到0.3s至2.0s的起桿速度,并且速度可調(diào)。
6.結(jié)論
目前大多數(shù)進口電動欄桿機也采用類似技術(shù),但其報價是國產(chǎn)設(shè)備的數(shù)倍之多,本次設(shè)計這款電動欄桿機控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、兼容性強等特點,特別適合多車道聯(lián)網(wǎng)的電子不停車收費系統(tǒng)。
審核編輯:湯梓紅
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