基于ModBus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)總線的電動欄桿機(jī)控制器設(shè)計

【摘要】本文介紹一種電動欄桿機(jī)控制器的設(shè)計方法，該設(shè)計采用STM32為核心控制器，選用低速無刷電機(jī)作為驅(qū)動，通過現(xiàn)場總線技術(shù)連接車道控制器與電動欄桿機(jī)，車道控制器通過總線控制欄桿機(jī)的升起與落下動作，并根據(jù)不同的收費系統(tǒng)調(diào)整起落桿時間，實現(xiàn)柔性控制功能。本系統(tǒng)以現(xiàn)場總線為核心可以適應(yīng)不同的類型的電子停車收費系統(tǒng)的應(yīng)用場合。

【關(guān)鍵詞】電動欄桿機(jī)；工業(yè)以太網(wǎng)；ModBus/TCP

1.引言

電動欄桿機(jī)是機(jī)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(jī)。電動欄桿的快速與穩(wěn)定運(yùn)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(jī)大多采用繼電器控制帶有大減速比減速異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，大多數(shù)電動欄桿需要與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，由上位機(jī)發(fā)出控制指令，通過計算機(jī)內(nèi)的接口卡控制欄桿機(jī)的起停，并檢測安裝在電動欄桿機(jī)上的行程開關(guān)來控制抬起與落下的行程。由于計算機(jī)的不穩(wěn)定性與系統(tǒng)不可靠性，使得電動欄桿機(jī)的可靠性降低，電動欄桿機(jī)故障引起的高速公路車流不暢屢見不鮮。另外選用計算機(jī)作為控制器使得電動欄桿機(jī)的成本大幅提高，而選用計算機(jī)的理由僅僅是為了與上位機(jī)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(jī)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(jī)選用低速無刷電機(jī)直接拖動攔桿機(jī)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(dǎo)通與關(guān)斷來驅(qū)動無刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。控制器檢測無刷電機(jī)的霍爾信號以計算出行程，在電動運(yùn)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(jī)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(jī)的應(yīng)用場合，能與各種車道控制器聯(lián)網(wǎng)，其運(yùn)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(jī)采用全數(shù)字控制方式，大大降低了硬件電路的復(fù)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(jī)采用非隔離方式設(shè)計。

3.2 電源設(shè)計

電動欄桿機(jī)的主要器件是無刷電機(jī)，為了降低電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)控制模塊，可以靈活控制無刷直流電機(jī)和其他交直流電機(jī)。

3.4 位置檢測

為了實現(xiàn)電動欄桿快速運(yùn)行并防止到位沖擊，使用霍爾傳感器檢測機(jī)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(jìn)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(yùn)行，電動欄桿機(jī)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(jī)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(dāng)有汽車完全通過欄桿機(jī)位置時，欄桿機(jī)自動落下。

4.軟件設(shè)計

電動欄桿機(jī)的主要功能是完成對無刷電機(jī)的驅(qū)動的控制，以及檢測地感線圈信號。電機(jī)的運(yùn)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(jìn)行編寫，通過用戶的需求進(jìn)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(jī)與上位機(jī)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(jī)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(jī)速度，4002寄存器為欄桿機(jī)緩行距離等。

5.運(yùn)行特性

本次設(shè)計的電動欄桿機(jī)控制器原理樣機(jī)為無刷電機(jī)功率為60W，轉(zhuǎn)子極數(shù)為100極，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為100rpm。通過測試欄桿打開至80度時可以達(dá)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(jìn)口電動欄桿機(jī)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(jī)控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、兼容性強(qiáng)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)。

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基金項目：南京工程學(xué)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(xué)院工業(yè)中心教師，研究方向：嵌入式現(xiàn)場總線。