基于ModBus/TCP工業以太網總線的電動欄桿機控制器設計

【摘要】本文介紹一種電動欄桿機控制器的設計方法，該設計采用STM32為核心控制器，選用低速無刷電機作為驅動，通過現場總線技術連接車道控制器與電動欄桿機，車道控制器通過總線控制欄桿機的升起與落下動作，并根據不同的收費系統調整起落桿時間，實現柔性控制功能。本系統以現場總線為核心可以適應不同的類型的電子停車收費系統的應用場合。

【關鍵詞】電動欄桿機；工業以太網；ModBus/TCP

1.引言

電動欄桿機是機電一體化設備，不僅應用于公路、橋梁和口岸，同時也廣泛使用在各種場區的禁行管理場合。電動欄桿系統設計的技術水平對產品的功耗、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道都配置一臺電動欄桿機。電動欄桿的快速與穩定運行對車輛快速通過收費站有著非常重要的意義。

傳統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構形式，大多數電動欄桿需要與上位機聯網，由上位機發出控制指令，通過計算機內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來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網，因此設計一款帶有以太網總線的嵌入式電動欄桿機控制器既解決了可靠性與穩定性問題，也使得系統總成本大幅降低。

2.總體結構

本文設計的電動欄桿機選用低速無刷電機直接拖動攔桿機構，控制器采用STM32作為主控制器，并由STM32內部PWM模塊產生PWM波形驅動智能功率模塊（IPM）中的功率器件的導通與關斷來驅動無刷電機的運轉。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。這種方案不僅可以適應不同的電動欄桿機的應用場合，能與各種車道控制器聯網，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，提高產品競爭力，電動欄桿機采用非隔離方式設計。

3.2 電源設計

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絡通訊的微處理器，片內集成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的行程，STM32內部集成編碼器接口可以對轉動中的抖動進行抑制。

3.5 以太網接口

STM32F107內部集成了MAC控制器，可以輸出25MHz或50MHz時鐘信號，可以驅動外部以太網物理層（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，可以實現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聯網運行，電動欄桿機除了設計以太網接口以外還設計了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過，以及經過的速度。當有汽車完全通過欄桿機位置時，欄桿機自動落下。

4.軟件設計

電動欄桿機的主要功能是完成對無刷電機的驅動的控制，以及檢測地感線圈信號。電機的運行及速度參數由總線控制。整個軟件程序采用模塊化設計思想，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用，系統軟件采用Keil MDK開發環境。

4.1 ModBus/TCP報文結構

電動欄桿機與上位機之間的通訊采用以太網聯接和ModBus/TCP通訊協議，欄桿機作為協議從站。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

本次設計的電動欄桿機控制器原理樣機為無刷電機功率為60W，轉子極數為100極，電機額定轉速為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。

6.結論

目前大多數進口電動欄桿機也采用類似技術，但其報價是國產設備的數倍之多，本次設計這款電動欄桿機控制器具有結構簡單、性能可靠、兼容性強等特點，特別適合多車道聯網的電子不停車收費系統。

參考文獻

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基金項目：南京工程學院校級科研基金項目（項目編號：QKJC2010014）。

作者簡介：盛國良（1980—），男，安徽蕪湖人，南京工程學院工業中心教師，研究方向：嵌入式現場總線。