自動驗票閘門用低速無刷直流電機驅(qū)動的研究探討

牛淑婭

摘 要：針對現(xiàn)有多采用單片機通過減速器驅(qū)動直流有刷電機構(gòu)成的自動驗票閘門時常夾住行人等現(xiàn)象，本文主要探討了通過MC33033控制無刷直流電機驅(qū)動自動驗票閘門的可能性。

關(guān)鍵詞：驗票閘門；無刷直流電機；MC33033

0 引言

在日常生活中，自動驗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)有的自動驗票閘門系統(tǒng)采用直流有刷電機通過齒輪減速器控制，這就導致控制精度不高，損耗較大并且壽命不長，在實際運行中經(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票閘門用低速無刷直流電機驅(qū)動的可能性。

1 直流無刷電機性能介紹

直流無刷電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。其最本質(zhì)的特征就是沒有機械換向器和電刷所構(gòu)成的在運動中機械接觸式換流結(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，實現(xiàn)了直流電動機由直流電源供電逆變成電動機繞組內(nèi)部的交變電流，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。

直流無刷電機是一種無換向器的元件，雖然和有刷直流電動機雖然有著相同的運行機理，但在運行性能方面有著一定的差異。無刷直流電機的優(yōu)點在于：

1）全面替代直流電機調(diào)速、全面替代變頻器+變頻電機調(diào)速、全面替代異步電機+減速機調(diào)速；

2）具有傳統(tǒng)直流電機的所有優(yōu)點，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)；

3）可以低速大功率運行，可以省去減速機直接驅(qū)動大的負載；

4）體積小、重量輕、出力大；

5）轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小；

6）無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力強；

7）軟啟軟停、制動特性好，可省去原有的機械制動或電磁制動裝置；

8）效率高，電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗，消除了多級減速耗，綜合節(jié)電率可達20%～60%，僅節(jié)電一項一年收回購置成本；

9）可靠性高，穩(wěn)定性好，適應性強，維修與保養(yǎng)簡單；

10）耐顛簸震動，噪音低，震動小，運轉(zhuǎn)平滑，壽命長；

11）沒有無線電干擾，不產(chǎn)生火花。

通過直驅(qū)式直流無刷電機控制的自動驗票閘門系統(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，并且使電機易于控制，反應加快。因此直驅(qū)式直流無刷電機應用到檢票閘門上時，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。

2 自動驗票閘門用低速無刷直流電機驅(qū)動的控制探討

DSP與MC33033都可以作為低速無刷直流電機的控制器，但經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，基于DSP的控制器最大優(yōu)點在于計算能力和數(shù)據(jù)處理能力強大，硬件方案亦較簡單，控制精度高，條件要求嚴格，但其價格比較高，技術(shù)支持方面相對不足[2]。由于驗票閘門的驅(qū)動精度已由無刷直流電機保證，那么控制精度的要求可以適當降低，為此我們選用成本較低的MC33033控制。

MC33033是 MOTOROLA 公司生產(chǎn)的一種高性能無刷直流電動機控制器，它不僅具有MC33034和MC33035控制器的功能， 而且還具有開環(huán)、三相或四相電動機所需要的功能， 是第二代無刷直流電動機控制器的典型芯片。

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 采用了溫度補償和雙極模擬技術(shù)，并具有欠壓保護、自鎖關(guān)斷模式的電流限制及熱關(guān)斷保護等功能，被廣泛應用于各種無刷直流伺服電動機控制系統(tǒng)[3]。

在無刷直流電動機中，感應電動勢的幅值與電動機的轉(zhuǎn)速成正比，因此，通過調(diào)節(jié)輸入電動機的端電壓可以達到調(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)不但實現(xiàn)無刷直流電機的換相控制，同時還要實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。增大PWM波的占空比，輸出到電動機上的平均電壓就會增大，電樞電流和轉(zhuǎn)矩增大，電動機加速，反之即可實現(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類似，可以實現(xiàn)電動機的無級平滑調(diào)速，調(diào)速性能良好。

3 用低速無刷直流電機代替有刷電機驅(qū)動自動驗票閘門的可能性

目前市場上自動驗票閘門動力傳動是：無刷直流電機—皮帶輪減速—減速離合器—擺閘。按規(guī)格不同， 電動機額定功率在40～80W，通常額定轉(zhuǎn)速200r/min 左右，皮帶輪減速約為1.75左右[4]。

直流有刷電機之所以占據(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)直流無刷電機比同規(guī)格直流有刷電機價格高出一倍，而進口直流無刷電機價格更高。但是，隨著科技的不斷發(fā)展與社會的不斷進步，直流無刷電機突出的節(jié)能優(yōu)勢、低故障優(yōu)勢一定可以彌補其價格上的不足，況且現(xiàn)有的驗票閘門事故發(fā)生頻繁，不僅帶來維修、更新等額外經(jīng)濟損失，更重要的是給人們的生活造成很大的不便利。

采用低速無刷直流電機直接驅(qū)動自動驗票閘門帶來如下好處[5]：

1）直接驅(qū)動簡化了自動驗票閘門的傳動結(jié)構(gòu)

直接驅(qū)動方式取消了皮帶輪和減速齒輪等傳動機構(gòu)，有利于節(jié)省材料，降低成本。

2）改善了自動驗票閘門機構(gòu)平衡

原有的閘門傳動結(jié)構(gòu)的電動機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)，就可以保證電動機重心在閘門主體中心軸軸線上，大大有利于閘門機的平衡，運行平穩(wěn)、無噪音。

3）節(jié)能

直流有刷電機，以起停控制調(diào)節(jié)閘門的運行參數(shù)，在起停和正反轉(zhuǎn)時，都引起很大的啟動電流沖擊，可達正常工作電流數(shù)倍，使運行效率變壞，總電能消耗較大。而且一般直流有刷電機本身效率較低，通常小于50%。改用低速無刷電動機，它的固有效率比直流有刷電機要高10%～20%，起停控制時電子驅(qū)動器有限流環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)軟啟動，啟動電流較小。再加上免除了機械減速器的機械損耗，使總體效率大為提高，達到節(jié)能效果。

4）用電氣制動代替機械制動

傳統(tǒng)自動驗票閘門為保障人身安全設(shè)置了機械剎車，機械剎車是減速離合器的一個部分。采用直接驅(qū)動無刷直流電動機后，這個功能由電氣制動代替，簡化了機械結(jié)構(gòu)。

5）降低噪聲

直流無刷電機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。

4 結(jié)束語

由于直流無刷電動機既具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電動機運行效率高、噪聲低、調(diào)速性能良好等諸多特點，故在軍工行業(yè)、航天、家電等方面得到了廣泛應用。

將直流無刷電機應用于自動驗票閘門將極大改善現(xiàn)有自動驗票閘門自身的不足，為人們提供更優(yōu)質(zhì)更便捷的服務(wù)。而用MC33033控制直流無刷電機也在保證調(diào)速性能的基礎(chǔ)上有效降低了成本。綜合直流無刷電機的各種優(yōu)良特性，將低速無刷直流電機運用于自動驗票系統(tǒng)將會成為未來的主流趨勢。

參考文獻

[1] 熊云海.地鐵自動驗票閘門宜人化探討.中國科技信息2005年第7期

[2] 王家敏，陳德榮.基于DSP控制的無刷直流電機在軌道交通屏蔽門中的應用.《工業(yè)控制計算機》2004 年17 卷第1期

[3] 李倩，劉明基，李祥永.基于MC33033的無刷直流電動機速度控制

[4] 李士達.鐵路自動檢票機的設(shè)計與實現(xiàn).鐵路信息系統(tǒng)第15卷第3期

[5] 譚建成.直接驅(qū)動無刷直流電動機的研究.1995-2004