自動驗(yàn)票閘門用低速無刷直流電機(jī)驅(qū)動的研究探討

1、<p>　　自動驗(yàn)票閘門用低速無刷直流電機(jī)驅(qū)動的研究探討</p><p>　　摘 要：針對現(xiàn)有多采用單片機(jī)通過減速器驅(qū)動直流有刷電機(jī)構(gòu)成的自動驗(yàn)票閘門時常夾住行人等現(xiàn)象，本文主要探討了通過MC33033控制無刷直流電機(jī)驅(qū)動自動驗(yàn)票閘門的可能性。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：驗(yàn)票閘門；無刷直流電機(jī)；MC33033 </p><p><b>　　0

2、 引言 </b></p><p>　　在日常生活中，自動驗(yàn)票閘門夾住過往行人的事故時有發(fā)生。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的自動驗(yàn)票閘門系統(tǒng)采用直流有刷電機(jī)通過齒輪減速器控制，這就導(dǎo)致控制精度不高，損耗較大并且壽命不長，在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)夾住行人或行李的現(xiàn)象[1]。本文主要研究自動驗(yàn)票閘門用低速無刷直流電機(jī)驅(qū)動的可能性。 </p><p>　　1 直流無刷電機(jī)性能介紹 </p>

3、<p>　　直流無刷電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。其最本質(zhì)的特征就是沒有機(jī)械換向器和電刷所構(gòu)成的在運(yùn)動中機(jī)械接觸式換流結(jié)構(gòu)，而代之以永磁轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器——電子邏輯電路和功率開關(guān)線路共同組成的電子換向器，實(shí)現(xiàn)了直流電動機(jī)由直流電源供電逆變成電動機(jī)繞組內(nèi)部的交變電流，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 </p><p>　　直流無刷電機(jī)是一種無換向器的元件，雖然和有刷直流電動機(jī)雖然有著

4、相同的運(yùn)行機(jī)理，但在運(yùn)行性能方面有著一定的差異。無刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于： </p><p>　　1）全面替代直流電機(jī)調(diào)速、全面替代變頻器+變頻電機(jī)調(diào)速、全面替代異步電機(jī)+減速機(jī)調(diào)速； </p><p>　　2）具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)； </p><p>　　3）可以低速大功率運(yùn)行，可以省去減速機(jī)直接驅(qū)動大的負(fù)載； </p>

5、<p>　　4）體積小、重量輕、出力大； </p><p>　　5）轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流?。?</p><p>　　6）無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)； </p><p>　　7）軟啟軟停、制動特性好，可省去原有的機(jī)械制動或電磁制動裝置； </p><p>　　8）效率高，電機(jī)本身沒有勵磁損耗

6、和碳刷損耗，消除了多級減速耗，綜合節(jié)電率可達(dá)20%～60%，僅節(jié)電一項(xiàng)一年收回購置成本； </p><p>　　9）可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，維修與保養(yǎng)簡單； </p><p>　　10）耐顛簸震動，噪音低，震動小，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，壽命長； </p><p>　　11）沒有無線電干擾，不產(chǎn)生火花。 </p><p>　　通過直驅(qū)式直流無刷電機(jī)控

7、制的自動驗(yàn)票閘門系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)閘門的直接驅(qū)動，不靠齒輪減速器，能有效減少齒輪傳動引起的摩擦，減少噪音，并且使電機(jī)易于控制，反應(yīng)加快。因此直驅(qū)式直流無刷電機(jī)應(yīng)用到檢票閘門上時，可以改善現(xiàn)有閘門系統(tǒng)不夠靈敏，壽命不長，難以控制的現(xiàn)況。 </p><p>　　2 自動驗(yàn)票閘門用低速無刷直流電機(jī)驅(qū)動的控制探討 </p><p>　　DSP與MC33033都可以作為低速無刷直流電機(jī)的控制器，但經(jīng)過研究

8、后發(fā)現(xiàn)，基于DSP的控制器最大優(yōu)點(diǎn)在于計算能力和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，硬件方案亦較簡單，控制精度高，條件要求嚴(yán)格，但其價格比較高，技術(shù)支持方面相對不足[2]。由于驗(yàn)票閘門的驅(qū)動精度已由無刷直流電機(jī)保證，那么控制精度的要求可以適當(dāng)降低，為此我們選用成本較低的MC33033控制。 </p><p>　　MC33033是 MOTOROLA 公司生產(chǎn)的一種高性能無刷直流電動機(jī)控制器，它不僅具有MC33034和MC33035控

9、制器的功能， 而且還具有開環(huán)、三相或四相電動機(jī)所需要的功能， 是第二代無刷直流電動機(jī)控制器的典型芯片。 </p><p>　　圖1所示是專用控制芯片MC33033的內(nèi)部電路原理圖，它由轉(zhuǎn)子位置傳感器信號處理、參考電壓調(diào)節(jié)器、振蕩器、誤差信號放大器、脈沖寬度調(diào)制器（PWM）以及欠電壓鎖定、過電流限制、過熱關(guān)斷和輸出驅(qū)動電路等部分組成。由于 MC33033 采用了溫度補(bǔ)償和雙極模擬技術(shù)，并具有欠壓保護(hù)、自鎖關(guān)斷模式的

10、電流限制及熱關(guān)斷保護(hù)等功能，被廣泛應(yīng)用于各種無刷直流伺服電動機(jī)控制系統(tǒng)[3]。 </p><p>　　在無刷直流電動機(jī)中，感應(yīng)電動勢的幅值與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，因此，通過調(diào)節(jié)輸入電動機(jī)的端電壓可以達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。MC33033使用PWM控制方式來調(diào)節(jié)端電壓大小，逆變器功率開關(guān)不但實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的換相控制，同時還要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。增大PWM波的占空比，輸出到電動機(jī)上的平均電壓就會增大，電樞電流和轉(zhuǎn)矩增大，

11、電動機(jī)加速，反之即可實(shí)現(xiàn)減速。這種改變電源電壓的調(diào)速方式與普通直流電動機(jī)類似，可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無級平滑調(diào)速，調(diào)速性能良好。 </p><p>　　3 用低速無刷直流電機(jī)代替有刷電機(jī)驅(qū)動自動驗(yàn)票閘門的可能性 </p><p>　　目前市場上自動驗(yàn)票閘門動力傳動是：無刷直流電機(jī)—皮帶輪減速—減速離合器—擺閘。按規(guī)格不同， 電動機(jī)額定功率在40～80W，通常額定轉(zhuǎn)速200r/min 左右，皮帶輪

12、減速約為1.75左右[4]。 </p><p>　　直流有刷電機(jī)之所以占據(jù)絕大部分市場的原因在于其成本較低，據(jù)調(diào)查，國產(chǎn)直流無刷電機(jī)比同規(guī)格直流有刷電機(jī)價格高出一倍，而進(jìn)口直流無刷電機(jī)價格更高。但是，隨著科技的不斷發(fā)展與社會的不斷進(jìn)步，直流無刷電機(jī)突出的節(jié)能優(yōu)勢、低故障優(yōu)勢一定可以彌補(bǔ)其價格上的不足，況且現(xiàn)有的驗(yàn)票閘門事故發(fā)生頻繁，不僅帶來維修、更新等額外經(jīng)濟(jì)損失，更重要的是給人們的生活造成很大的不便利。 <

13、;/p><p>　　采用低速無刷直流電機(jī)直接驅(qū)動自動驗(yàn)票閘門帶來如下好處[5]： </p><p>　　1）直接驅(qū)動簡化了自動驗(yàn)票閘門的傳動結(jié)構(gòu) </p><p>　　直接驅(qū)動方式取消了皮帶輪和減速齒輪等傳動機(jī)構(gòu)，有利于節(jié)省材料，降低成本。 </p><p>　　2）改善了自動驗(yàn)票閘門機(jī)構(gòu)平衡 </p><p>　　原有的

14、閘門傳動結(jié)構(gòu)的電動機(jī)軸線和閘門主體軸線不重合，重心不平衡。現(xiàn)在直接驅(qū)動方式取消了減速結(jié)構(gòu)，就可以保證電動機(jī)重心在閘門主體中心軸軸線上，大大有利于閘門機(jī)的平衡，運(yùn)行平穩(wěn)、無噪音。 </p><p><b>　　3）節(jié)能 </b></p><p>　　直流有刷電機(jī)，以起停控制調(diào)節(jié)閘門的運(yùn)行參數(shù)，在起停和正反轉(zhuǎn)時，都引起很大的啟動電流沖擊，可達(dá)正常工作電流數(shù)倍，使運(yùn)行效率變

15、壞，總電能消耗較大。而且一般直流有刷電機(jī)本身效率較低，通常小于50%。改用低速無刷電動機(jī)，它的固有效率比直流有刷電機(jī)要高10%～20%，起?？刂茣r電子驅(qū)動器有限流環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)軟啟動，啟動電流較小。再加上免除了機(jī)械減速器的機(jī)械損耗，使總體效率大為提高，達(dá)到節(jié)能效果。 </p><p>　　4）用電氣制動代替機(jī)械制動 </p><p>　　傳統(tǒng)自動驗(yàn)票閘門為保障人身安全設(shè)置了機(jī)械剎車，機(jī)械剎車

16、是減速離合器的一個部分。采用直接驅(qū)動無刷直流電動機(jī)后，這個功能由電氣制動代替，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。 </p><p><b>　　5）降低噪聲 </b></p><p>　　直流無刷電機(jī)本身具有低噪聲的性能，再加上采用直接驅(qū)動方式，取消了齒輪減速結(jié)構(gòu)的使用，更大大降低了噪聲的產(chǎn)生。 </p><p><b>　　4 結(jié)束語 </b&

17、gt;</p><p>　　由于直流無刷電動機(jī)既具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動機(jī)運(yùn)行效率高、噪聲低、調(diào)速性能良好等諸多特點(diǎn)，故在軍工行業(yè)、航天、家電等方面得到了廣泛應(yīng)用。 </p><p>　　將直流無刷電機(jī)應(yīng)用于自動驗(yàn)票閘門將極大改善現(xiàn)有自動驗(yàn)票閘門自身的不足，為人們提供更優(yōu)質(zhì)更便捷的服務(wù)。而用MC33033控制直流無刷電機(jī)也在保證調(diào)速性能的基礎(chǔ)

18、上有效降低了成本。綜合直流無刷電機(jī)的各種優(yōu)良特性，將低速無刷直流電機(jī)運(yùn)用于自動驗(yàn)票系統(tǒng)將會成為未來的主流趨勢。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 熊云海.地鐵自動驗(yàn)票閘門宜人化探討.中國科技信息2005年第7期 </p><p>　　[2] 王家敏，陳德榮.基于DSP控制的無刷直流電機(jī)在軌道交通屏蔽門