自动门控制系统设计(源码+万字报告+讲解)（支持资料参考_相关定制）
自动门控制系统设计
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第6章 总结
摘 要
为提高当前智能开关门控制系统的安全性和可操作性，本文对现有的控制系统进行了一些改进，离开了传统的以PLC为控制核心的智能开关门控制系统，换作用STM32F103C8T6搭配硬件电路实现控制无刷直流电机，增加系统灵活性，降低了制造成本。 本文设计了一种全新的抗挤压方案来提高控制系统的安全性，采用了PID模糊控制、轧制速度测量方法和波形调制方法来提高系统的稳定，实现了直流无刷电机应用在智能门锁的控制系统中。
关键词：智能开关门；控制系统；设计
Design of automatic door control system
Abstract
In order to improve the safety and operability of the current intelligent door opening and closing control system, this article has made some improvements to the existing control system, leaving the traditional intelligent door opening and closing control system with PLC as the control core, and replaced it with S7-200. The main control components are matched with the hardware circuit to control the brushless DC motor, which increases the flexibility of the system and reduces the manufacturing cost. This paper designs a new anti-extrusion scheme to improve the safety of the control system. It uses PID fuzzy control, rolling speed measurement methods and waveform modulation methods to improve the stability of the system, and realizes the application of brushless DC motors in smart doors. In the control system of the lock.
Key words：intelligent door opening and closing; control system; design
第1章 绪论
1.1研究背景
1930年，世界上第一扇能开合的智能门在美国诞生，并开始在世界范围内逐步得到应用。我国在八十年代初期从日本引进这个技术，其后在我国得到迅速发展。根据资料，2013年我国智能门开关数量起码有几十万台。庞大的市场对智能门整体的结构和控制方式提出了更高的要求。经过好几年的积累和技术创新，现在的智能门正在朝着安全、智能、节约、环保的方向发展。
目前市场上较为流行的智能门的系统多为采用“电机+皮带输送机”拖动方式，能量传输效率低，机械结构占用空间大。这些不足在当今市场上变得越来越明显。直线执行器作为一款新的特种执行器，已从电磁挤压、高精度加工、铁路道口等高精度应用场景逐步大众化。把直线执行器用在智能门上可以发挥它的长处，直线执行器用在开关门上具有以下优点： (1)直线执行器可以直接产生的直线运动，执行器和门板负载通过机械结构直接连接，不需要螺杆和轴承等可变运动，是一种直线运动的机械机构，简化了系统的运动方法，提高了系统的动力传输效率和可靠性； (2)结构更简单，与传统智能门开关相比，占用空间大大减少，摩擦阻力降低。传统智能门电机一旦停电，电磁阻力和电机驱动的阻力叠加使得很难手动打开智能门。但是智能门与直线驱动电机是间接连接，停电后磁阻小，智能门能很容易打开； (4)更高的安全性。传统智能门的电磁力一般高于100N，但是智能门由于摩擦力小，电磁力可以控制在30N以下，当发生意外停止时破坏性小。虽然智能门具有上述优点，但与传统智能系统相比，它的控制系统还有很多需要改进的地方，比方说位置信号处理和相对复杂的控制策略。所以对智能门控制系统中直线性执行器的研究对提高智能门的性能很重要。
1.2研究意义
通过分析行业报告，可以发现智能门的安全系数是影响客户选择的主要原因。这几年，因智能门发生的意外事故有很多，受害者多为年幼的孩子。本文采用红外接近传感器来监控智能门和门框之间行人的位置和方向，这样来控制智能门，让它具有各种安全保护措施。根据工程实践，发动机在控制系统中一般是低速转动，这种情况下，如果电机转速计算不稳定，不能在一定程度上抑制转矩脉动，那么智能门的稳定性将大大下降。本文采用的方法是增加速度计算的稳定性，减少转矩脉动。本文采用模糊PID控制器来更换原来的PID控制器，比传统的PID控制器功能更强大，提高了控制系统的抗干扰性和强度。模糊控制具有一定的智能化水平，数值可以根据实际情况进行调整，增强了对复杂系统的控制力。
1.3国内外研究现状
对国外来说，国内智能门开闭技术的研发起步较慢，但这几年，国内智能门技术慢慢发展起来。随着我们国家城市化进程的发展，越来越多的高楼拔地而起。90年代往后，智能门禁得到了越来越多的用处，技术也发展迅速。我国拥有大量的智能门厂家，其中北京的博顿、青岛的迪盟、广州的盛威、沉阳的金海、上海的康宇等厂家在行业内有着良好的口碑和发展。
智能门最开始的时候，它的控制系统主要是由好几个继电器组成。这种智能门的开启和关闭由一个按钮操控，里面是用复杂电路连接的继电器和驱动装置组成。由于电路复杂、控制方式固定、控制灵活性不好等原因，现在已被很多厂商放弃了。
可编程控制器具有稳定性高、安全性高、功能灵活、扩展能力强等好处。控制器可以灵活控制智能门，也可以实现更加复杂的控制功能。智能控制器现在一般分为两类：可编程控制器（PLC）和微控制器（MCU）。可编程 PLC 现场控制器节约了绘制仪器电路所用的成本。由于其维护方便、编程容易、使用稳定，已被大部分智能门厂商使用。微控制器MCU具有更强大的灵活性、计算和逻辑处理能力，智能门厂家可以根据实际使用场景设计配套的电路，降低成本。由于集成度高、体积小、控制尺寸减小，智能门的美观度也有所提升。，所以越来越多的制造商开始使用微控制器。
国外的智能门制造技术相对国内更为成熟些，荷兰的B00N EDAM、瑞典的BESAM、德国的Doma、德国的GEZE、日本的Nabok、日本的Teraoka都在全球智能门行业享有盛誉。他们所制造的智能门控制系统以智能控制器为主要核心，采用更加先进的技术，使智能门使用起来更轻松，安全性能更高，功能更强大。多种冗余传感器，使得智能门可以有效检测行人的存在和运动轨迹，从而控制门体，有效防止人被门夹住，增高了智能门的安全系数。使用通讯技术和液晶显示，让智能门开闭的维护调试更方便。所以控制系统出现问题时，维修人员可以通过液晶屏直接监控系统的各种状态和数值，马上找出故障的地方，提高了效率，降低了结构的复杂程度。
第2章 智能开关门结构及其控制基础
2.1智能开关门的结构
智能门采用直线电机作为门板驱动电机进行智能开门和关门，定子绕组固定，电机绕组带动门板移动。 其结构如图2.1所示，定子绕组平行于导轨并固定在导轨上方。 三个线性霍尔效应传感器以 120 度角安装在定子绕组的侧端。 电机下侧通过机械结构与门板负载连接，上侧与轴承轮连着，下表面固定有永磁体，电机在电磁推力的作用下带动轴承轮运动。
图2.1 智能开关门结构示意图
2.2永磁同步直线电机的结构和原理
2.2.1永磁同步直线电机的基本结构
电机沿半径方向分开，然后将圆周拉伸成一条直线，就构成了直线电机的基本形状，如图2.2所示。电机定子拉伸后变成直线电机的初级（定子），电机转子对照直线电机的次级。 直线电机的次级一般叫动子，因为它是静止的，本文只讨论直线电机。
图2.2 直线电机结构示意图
我们把直线电机按工作原理分成：感应直线电机、直流直线电机、同步直线电机；同步直线电机可分为磁阻式、电励磁式、永磁式和组合励磁式。这几年，材料技术一直发展，永磁材料的磁、热性能一直提高，电机采用永磁体建立励磁，不需要另外的励磁绕组和绝缘。不用滑环和电刷，可降低损耗，提高效率。同时，可以缩小电机的尺寸，提高单位体积的功率密度。在直线电机这块，永磁同步直线电机具有损耗低、推力大、精度高等好处。一步步代替感应直线电机和直流直线电机。永磁同步直线电机根据永磁体的安装部位可分成表面贴装磁极和内置集成磁极。表面磁极永磁同步直线电机以其突极效应小、隔振分布均匀、推力大等好处，广泛应用在直线伺服系统中。本文用的是长动子、表面贴片式永磁同步直线电机作为控制对象。
在这种永磁同步直线电机中，Nd-Fe-B永磁材料的N极和S极沿运行方向交替安装在电机的铁质气缸盖上，定子铁芯分体安装三相对称感应绕组。 电机运行时，定子铁心不动，动子在定子感应绕组电磁力的作用下作直线运动，是行波磁场前进方向的反方向。
2.2.2永磁同步直线电机的工作原理
永磁同步电机的工作原理与永磁同步电机相同。三相对称的电流流过定子的三相对称电机绕组，气隙中会产生气隙磁场。沿轴分布，如图 2.3 所示。在电枢中，当三相对称电流随时间变化时，气隙磁场为圆形磁场，而在线性电枢中，气隙磁场沿A、B、C三相方向线性运动，因此是行波。磁场和行波磁场的平移速度就是同步电机的同步速度。
永磁体以N极和S极交替分布在电机的底面上，永磁体的固有磁场与定子绕组产生的波的行进磁场相互作用。永磁贴是旅游推广的动力。在电磁推力的作用下，致动器衔铁与行波磁场相反方向加速，加速到同步速度，然后匀速运动。电机的运动方向由行波磁场的运动方向决定。因此，通过改变定子线圈的相序，可以改变行波磁场的运动方向，从而改变电枢的运动方向。
图2.3 永磁同步直线电机气隙磁场分布
第3章 智能开关门控制系统硬件电路设计
3.1硬件电路总图
基于意法半导体STM32F103C8T6的微处理器智能门开关控制系统。 控制系统的硬件电路主要由电机驱动电路、电机电流检测电路、微处理器电路、电源电路等模块组成。方案如下图：
图3.1 智能开关门控制器电路图
电路板实物图如下所示：
图3.2 电路板实物图
各模块大致功能如下：
1、电源模块将通过直流电源输入的24V电压转换为12V、5V和3.3V直流电压，提供给电机驱动模块、串口模块、电流检测模块、霍尔传感器等电路。 2、调试器设有复位按钮，供用户设置机器的工作状态或紧急停机。 3、电流检测模块采用LM358微阻芯片读取电机的操作电流和相电流。 4、驱动电机单元采用IR2101S场效应管驱动芯片和N沟道MOS STP80NF75 N沟道管进行桥路驱动设计，驱动无刷直流电机转动。 5、UART模块采用CH340芯片对PC外设进行基本数据输出，方便调试和错误检测。 6、外部信号接口用于接收红外传感器提供的行人检测信号。 7、霍尔传感器用于读取电机当前位置信息，用于计算电机转速，驱动电机运行。 8.蜂鸣器用于向外界输出报警信号。
3.2单片机控制电路
3.2.1信息处理单元
最小的芯片平台由主控芯片、复位电路、外部时钟电路和电源电路组成。 处理单元电路图如3.3所示，STM32F103C8T6的基本参数如表3.1所示。
表3.1 STM32F103C8T6 基本参数
图3.3 核心处理单元电路
3.2.2电流检测电路
载波电流和相电流的准确采样至关重要，如果将采样电阻的电压值直接送入芯片，当电流较小时，采样电阻两端的电压过小，对ADC测量精度会有更高的要求。LM358双驱动放大器用于电流检测电路，放大电压变化，图 3.8 中的电阻器 R5 是一个示例，电阻检测电枢电流，电阻值为 0.01 欧姆，R5两端的电压值经放大器放大后送到微处理器的ADC引脚。 电压值可用于通过欧姆定律计算一相的电流值。 在使用电流检测放大器检测操作电流和相电流的方案中，使用低电平电流检测方案。 原理如下图3.4所示：
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