一种电动栏杆机控制器的设计与实现

1.引言

电动栏杆机是机电一体化设备，不仅应用于公路、桥梁和口岸，同时也广泛使用在各种场区的禁行管理场合。电动栏杆系统设计的技术水平对产品的功耗、寿命及可靠性影响很大。目前我国的高速公路收费站内每一条车道都配置一台电动栏杆机。电动栏杆的快速与稳定运行对车辆快速通过收费站有着非常重要的意义。

传统的电动栏杆机大多采用继电器控制带有大减速比减速异步电机的结构形式，大多数电动栏杆需要与上位机联网，由上位机发出控制指令，通过计算机内的接口卡控制栏杆机的起停，并检测安装在电动栏杆机上的行程开关来控制抬起与落下的行程。由于计算机的不稳定性与系统不可靠性，使得电动栏杆机的可靠性降低，电动栏杆机故障引起的高速公路车流不畅屡见不鲜。另外选用计算机作为控制器使得电动栏杆机的成本大幅提高，而选用计算机的理由仅仅是为了与上位机联网，因此设计一款带有以太网总线的嵌入式电动栏杆机控制器既解决了可靠性与稳定性问题，也使得系统总成本大幅降低。

2.总体结构

本文设计的电动栏杆机选用低速无刷电机直接拖动拦杆机构，控制器采用STM32作为主控制器，并由STM32内部PWM模块产生PWM波形驱动智能功率模块(IPM)中的功率器件的导通与关断来驱动无刷电机的运转。控制器检测无刷电机的霍尔信号以计算出行程，在电动运行的过程中，仅以抬起最大位置点为原点，原点检测是通过检测无刷电机的电流变化来实现。这种方案不仅可以适应不同的电动栏杆机的应用场合，能与各种车道控制器联网，其运行舒适感也得到大幅度提高。

3.硬件结构

3.1 硬件电路

电动栏杆机采用全数字控制方式，大大降低了硬件电路的复杂程度，其硬件电路由电源电路、STM32控制电路、IPM驱动电路、位置信号处理和通信电路及其他外围电路组成。为了降低成本，提高产品竞争力，电动栏杆机采用非隔离方式设计。

3.2 电源设计

电动栏杆机的主要器件是无刷电机，为了降低电机磁场对电源的干扰以及提高系统的电磁兼容能力，电源输入通道设计成标准的二级EMI滤波器，前级为共模滤波加后级差模滤波。

3.3 主控制芯片

控制器采用基于Cortex-M3内核的32位嵌入式控制器--STM32F107,这是一款非常适合于网络通讯的微处理器，片内集成MAC控制器、CAN总线控制器和多路串行通讯接口，另外这款芯片也集成完整的电机控制模块，可以灵活控制无刷直流电机和其他交直流电机。

3.4 位置检测

为了实现电动栏杆快速运行并防止到位冲击，使用霍尔传感器检测机构的行程，STM32内部集成编码器接口可以对转动中的抖动进行抑制。

3.5 以太网接口

STM32F107内部集成了MAC控制器，可以输出25MHz或50MHz时钟信号，可以驱动外部以太网物理层(PHY)芯片，并支持MII和RMII,提高了设计人员选择最佳的PHY芯片的灵活性。

本设计中采用DP83848作为PHY芯片，可以实现CSMA/CD部分功能。

3.6 其他通讯接口

为了与总线式车道控制器或与其他系统联网运行，电动栏杆机除了设计以太网接口以外还设计了CAN总线接口与485通讯接口。

3.7 地感线圈接口

为了实现防砸功能，栏杆机留有地感线圈接口，采用STM32的定时器接品检测LC振荡电路的振荡频率，用以判断是否有汽车经过，以及经过的速度。当有汽车完全通过栏杆机位置时，栏杆机自动落下。

4.软件设计

电动栏杆机的主要功能是完成对无刷电机的驱动的控制，以及检测地感线圈信号。电机的运行及速度参数由总线控制。整个软件程序采用模块化设计思想，用ANSI C进行编写，通过用户的需求进行功能组合满足不同场合应用，系统软件采用Keil MDK开发环境。

4.1 ModBus/TCP报文结构

电动栏杆机与上位机之间的通讯采用以太网联接和ModBus/TCP通讯协议，栏杆机作为协议从站。ModBus/TCP报文结构是将ModBus数据打包到TCP报文内，具体报文结构如表1所示。

4.2 寄存器定义

通讯协议中寄存器定义为主从站之间的通讯规约，如4001寄存器为栏杆机速度，4002寄存器为栏杆机缓行距离等。

5.运行特性

本次设计的电动栏杆机控制器原理样机为无刷电机功率为60W,转子极数为100极，电机额定转速为100rpm.通过测试栏杆打开至80度时可以达到0.3s至2.0s的起杆速度，并且速度可调。

6.结论

目前大多数进口电动栏杆机也采用类似技术，但其报价是国产设备的数倍之多，本次设计这款电动栏杆机控制器具有结构简单、性能可靠、兼容性强等特点，特别适合多车道联网的电子不停车收费系统。