自动门控制系统设计

自动门控制系统设计目录第章绪论11研究背景

1.11研究意义

1.21国内外研究现状

1.32第章智能开关门结构及其控制基础24智能开关门的结构

2.14永磁同步直线电机的结构和原理

2.24永磁同步直线电机的基本结构

2.

2.14永磁同步直线电机的工作原理

2.

2.25第章智能开关门控制系统硬件电路设计37硬件电路总图

3.17单片机控制电路

3.28信息处理单元3218电流检测电路

3.

2.29串口通信电路

3.

2.310电机控制电路

3.311管的选择

3.

3.2MOS11驱动芯片的选择

3.

3.311电机驱动电路设计

3.

3.412电源电路

3.412第章智能开关门控制系统软件设计414软件系统设计

4.114软件功能结构设计

4.

1.114软件运行流程设计用下，致动器衔铁与行波磁场相反方向加速，加速到同步速度，

4.

1.215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永磁同步直线电机气隙磁场分布

2.3第章智能开关门控制系统硬件电路设计3硬件电路总图

3.1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智能开关门控制器电路图

3.1电路板实物图如下所示.JSgZI工不伏勺w4依刎】入“外修密斗,人信口试按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场效应管驱动芯图电路板实物图

3.2片和N沟道MOS STP80NF75N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单片机控制电路

3.

23.

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所示表基本参数

3.1STM32F103c8T6型号STM32F103C8T6工作电压工作温度・40C~S51CFlash存储器128KSRAM20K时钟频军72Mhz内核Cortex-M3VBAT—VDDPC13VSSPCI4PAI3PCI5PAI2PDO PA1IPDI STM12FIO3C8T6PAIDNRSTVSSA PARVDDAPBI5PA0PBHPAI PBI3g-PWMIJLPA2o一—FBIIDGOTCPU32位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LM358n33PWMUH-4^PWMVHPWMUH P^WT7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弓|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LOAD图下位电流检测电路原理示意图

3.4如上图所示，电阻串联在负载和地之间，然后连接到运放的输入端端子与电阻的上下端串联，使电阻两端的电位差送入电流检测放大器图电流放大电路

3.5UM图

3.5包括电压跟踪电路、载波电流检测电路和相电流检测电路LM358芯片是二合一放大器，U8A和U8B是同一个芯片，U9A和U9B是同一个芯片电路设计要点如下

1、图

3.5中的U8A运放作为电压跟随器，使用单脚电压（

1.65V）的2/3作为其他三个正输入运放，并测量三个运算放大器输出放大器电压用于测量上升电流，可以进一步取电压的最小值，在一定程度上消除信号采集过程中的干扰

2、另外三个运放都是电流检测电路，U8B运放是算子电流检测电路，U9A和U9B是线路电流检测电路，放大倍数为

23、运放的输出口设计有RC低通滤波电路，滤波频率为IMHZoLOC323串口通信电路串行通信电路用于实现单片机与上述计算机之间的通信，使用的芯片是CH340G,该芯片为USB总线转换芯片，可实现USB□转串口，全双工串口，内置收发缓冲器，波特率50bits/s-2MbpSo电路图如下GS1nIut♦!IOufIbVCC GND«•1•IX IKISRXU DIRV3DCDD・RI P-l+K XICISXU图通信电路

3.6UART该电路中的芯片连接到一个12MHz、5V的直流晶振，片上TXD和RXD接口分别兼容单片机上的UART3RX和UART3Tx接口，D+和D-芯片连接Mini_USB,控制系统通过USB与电脑通讯电机控制电路

3.

33.

3.1MOS管的选择选择合适的MOS管非常重要，因为MOS管的好坏直接影响到整个驱动电路的效率和成本用MOS管设计无刷直流电机驱动电路时，需要考虑MOS管的阻值和MOS管所能承受的最大电压和电流给定器件运行所需的电压，额定电压越高，MOS管的成本就越高MOS管的额定电压必须大于总线电压，以保证MOS管在工作过程中不会误动作而对电路造成损坏同时需要注意的是，MOS管所能承受的电压值会随着MOS管的温度而变化因此，需要保证MOS管的额定电压在正常工作条件下始终高于总线电压，以保证驱动电路不发生故障电压瞬变是在电机运行期间产生的同时还要注意MOS管的额定电流与确定额定电压的情况一样，MOS管必须能够承受系统中的最大电流要考虑的两种电流模式是连续传导电流和脉冲浪涌电流一旦确定了电路中可以产生的最大电流,只需使MOS管的额定电流大于最大电流即可根据实际工程中的应用，考虑到关断时电机驱动电路中MOS管的返回电压，MOS管的阻性电压电平应为电源电压的2倍以上对于电机额定电压，MOS管的耐压必须高于48Vo MOS管在100°C时的工作电流是电机电流值的两倍

3.

3.2驱动芯片的选择本控制系统选用IR公司生产的IR2101S作为N沟道MOS管的驱动芯片，该芯片设计用于与桥式逆变电路在同一桥臂上的上下MOS管驱动电机MOS管驱动芯片上有低电压检测保护模块当电压出现故障时，芯片内部的低电压检测和保护模块会使电机的信号输出为低电平，因此NMOS管会立即截止，起到保护电路的作用

3.

3.3电机驱动电路设计我们在进行电路设计的过程中应该做到以下几个方面，从而能够确保控制系统的运行工作第一个就是在IR2101S MOS中有关电路对于二极管方面的选择,在对于这些二极管进行选择的过程中，我们一定要秉持高要求的准则，能够找到更加适合电路的二极管类型第二个就是在IR21015中对于自举电容之间的选择过程在这方面我们可以看到，启动电容在进行选择的过程中，要选择适合电路运行的启动电容来保持不会对控制系统的开关频率产生影响ESIJU2\VCC VB•HIN HOU=CAICUMi ai1II\I COMLOiR2101sGND图功率开关驱动电路

3.7在功率开关驱动电路后连接对应的半桥电路，电路图如图

3.8所示:PUND图半桥电路

3.8电源电路

3.4在电源电路的选择过程中，我们主要选择的是MOS管电机以及微处理器等,找到合适工作的工作电压能够根据这些工作电压对单片机芯片和运算过程中产生影响，在实验的过程中，我们可以保险下图GND图电源电路

3.9电源电路中使用的XL2596-12E1DC-DC转换器芯片将24V电压转换为12V,AMS1117-5将12V电压转换为5V,AMS1117-

3.3将5V电压转换为

3.3V选择XL2596-12E1芯片的原因有

1、芯片转换效率高，参考数据手册就知道转换效率为90%

2、芯片在正常工作条件下能产生稳定的3A电流

3、输出电压纹波小--SLIZOWLS第章智能开关门控制系统软件设计4软件系统设计

4.

14.

1.1软件功能结构设计在系统软件的过程中，里面所涵盖的内容主要由七个层面，我们可以参照下图电安红机全外控检信制测乡模模模块块块红制控位电外制苴流间位按计检距按键冽验他测粒速计信达念行发状紧送态急曲情运变行况提报控警控制系统图系统软件结构框图

4.1在时间感知位产生模块中，每10毫秒自产生一次中断，并根据10毫秒中断标志产生多个间隔信号位在主循环中，通过查找区间符号来执行循环函数关键单元包括一个复位按钮、一个控制按钮和一个紧急停止按钮复位键为软复位键，软复位为MCU的重启，即重启；控制按钮主要用于设置智能门开关的操作状态；急停按钮连接到TIM1高级正时的制动功能接口，用于紧急情况停止发动机蜂鸣器模块用于报告外部操作状态的变化并发送报警信息电机控制主要包括启动、启动和停止电机根据设定的运行条件和接收到的传感3IW.1WWr器信号，通过模糊PID控制器实时设定电机速度通讯单元为串行通讯CH340G芯片处理串口信息，实现控制板与计算机顶端的通讯，实现数据的收发和信息的校验故障检测包括电机电流检测和门扇应力检测根据当前电机值判断智能钥匙门是否有碰撞事件根据行人在智能锁门室内的位置和运动方向，判断电机是否转动及转动方向红外检测模块判断是否有人向红外传感器走来如果有人走近，发动机运行速度将被设置到一定限度中断TIM1更新中断串口接收中断滴答定时器中断图

4.2软件运行流程示意图

4.

1.2软件运行流程设计程序在控制系统中运行的示意图如图

4.2所示这个程序在进行运行的过程中主主程序要的运行过程在主程序中，因此对主程序的各个过程我们都需要给予重视,能够找到对应的控制器，并且可以对其主进循行环配置，能够使得程序可以正常的运行,预防发生一些障生成时网标志位酒中航标志位清除中断标志碍现象京取零小信号技慎校君lntlock1主要功能软件帛口增熠讳冰电机转速讳算电机位■红外信号怏测在终端初始化步骤中，通吗进各行嵯出与控制系输统出所WV需的外围功能相对应的记录设置,并读族襦除时向标志包立耻代Df1取一些外部信号号按键消抖17功能按键42218电机控制模块

4.318通信模块

4.420串口信息发送

4.

4.120串口信息接收

4.

4.221第章系统调试523平移智能开关门驱动系统实物介绍

5.123实验结果

5.223第章总结626参考文献

271、调用SysTickConfig函数配置系统标签时间，设置为10ms进入中断哈希时间

2.配置UART3,波特率为

96003.对应ADC初始化，ADC1终端初始化，DMA配置

4、启动TimeC功能，启动对应的PWM波形输出引脚

5、启动Timer3功能，启动对应的PWM波形输出引脚

6.初始化PI控制器的参数

7.使用ADC读取电流传感器上的偏置电压，在读取偏置电压之前执行delay函数，等待一段时间直到数值稳定后再读取初始化完成后，进入主循环主循环的主要工作是利用定时事件功能来检测外部传感器具体如下夕调用RunSystimer函数生成case时间信号的数量在该函数中，您可以使用哈希时间中断来生成10ms、100ms、500ms、Is、5s和10s时间信号

2、我们应该对Uart3_RS232TX_sen软件及时进行调用的工作,么子给对应的上位机发送相关信息如果我们设置的标志位为1的话，那我们就可以对此信息进行读取工作

3.在使用外部传感器的过程中，我们可以首先对其进行检测对相关状态和位置进行分析

4.对产生的时间任务标记删掉2软件中断服务功能Timerl更新中断正向定时器是控制系统软件中最重要的中断之一中断服务的功能主要是控制电机的运行，读取电流传感器和应力传感器的值详细情况如下

1、确定连接电机霍尔信号线的引脚电平，根据三个引脚的电平确定无刷直流电机所在的扇区

2.根据目标段和速度输出具有特定占空比的PWM波形

3.当检测到霍尔条件发生变化时，将计算电机速度

4、使用片内ADC读取电机内部电流信号，读取红外距离传感器

5、计算当前速度、目标速度和误差率的差值，将以上两个值代入模糊PI控制器，计算下一个周期的PWM波输出占空比串口中断服务的作用主要是控制接收到的数据当接收到的数据为错误信号时,错误信号被忽略，如果扫描成功，则将信号存入内存并置位满接收标志定时器每10毫秒产生一次中断在中断服务函数中设置IntClockJLOms为1,作为Run Sytimer函数的主要时间信号提供按键功能模块

4.2按键消抖⑴软件消抖去抖动程序通常具有自去抖动功能自拍启动定时器，每隔几毫秒检查一次按键状态，多次扫描按键状态，观察按键状态是否发生变化如果连续扫描的结果一致，则认为该密钥是稳定的本项目使用的程序的主要debounce方案与debounce time相同，只是不开启时间，而是通过时间任务初始化函数创建的10ms标志取消开关提现流程示意图如图

4.3所示图

4.3按键消抖程序流程框图在上面的程序视图中，当在40毫秒内检测到与低级键对应的引脚时，则认为该键已被按下⑵硬件去抖去抖是在按键上并联电容，利用电容的通电和放电特性，平滑抖动过程中产生的电压上升，实现抖动在实际使用中，防震液有一定的效果，但并不能消除震颤的影响因此，它必须与debounce配合才能达到debounce key的目的功能按键1复位按钮复位按钮是对STM32微控制器上的硬件进行复位该功能键用于在调试作业或程序运行异常时重新启动系统该设备插入微控制器上的NREST端口当按键按下时，NREST引脚接地，单片机复位系统，即CRS时钟寄存器上除复位标志外的所有寄存器，控制和备份区寄存器都复位复位电路的硬件电路图如图

4.3所示，此处不再赘述⑵控制按钮智能开门和关门控制系统具有四种运行模式正常旋转模式、节能模式、低速模式和关门模式这四种模式的关闭位置由按钮控制在停止位置，电机驱动电路上桥杆闭合，下桥杆打开，电机锁定；三种工作模式由另一个按钮控制系统启动后，智能门开关处于正常旋转位置，三者通过按工作模式切换按钮实现3急停按钮紧急停止按钮连接到微控制器的TIM_BKIN引脚按下按钮时，该引脚接地TIM1操作刹车功能，程序实现TIMl_BRK」RQHandler刹车中断服务功能在中断服务函数中，执行Stop_Motor函数停止电机，然后从TIM1中去除刹车中断信号位在Stop_Motor函数中，立即关闭6个TIM1输出比较通道，停止单片机向电机输出PWM波驱动开关电机控制模块

4.3高级定时器是该控制系统中最主要的外设，其承担了驱动电机时的主要功能,产生12kHz的更新中断并输出PWM波其程序框图如下所示图高级定时器更新中断程序框图

4.41高级Timerl配置Timerl的高级自配置如下

1、在Timl_PWM」nit的设置过程中，我们设置了对应的计数值对系统的时钟频率也进行了设定，规定打字刷新的过程中的产生频率为12KHZ；

2、在lnit_Gpio_TIMl_PWM程序中，将TIM1_CH

1、TIM1_CH2TIM1_CH3配置为三个输出通道，对应的输入输出通道为芯片上的互补输出通道

3、在Timl_PWM_lnit中打开输出比较功能，设置关机时间为4us,使能刹车中断和刷新中断提前时间，并设置两者的中断优先级2高级Timerl更新中断功能高级定时器Timerl产生更新中断，stm32内核自动指示运行程序提示更新TIMl_UP」RQHandler中断函数操作流程为

1、在这个中断函数中，首先调用TIM_Clear Flag函数来删除和更新中断信号位

2.然后实现三个Hall_huanxkz霍尔开关函数，闭环控制函数，以及A/DADC_Sample采样函数

3、在中断函数中，有一个全局变量PWMZD_count,用于记录高级定时器的中断次数当计数值达到25次时，进入循环控制程序的循环速度删除全局变量PWMZD_count后，闭环的值被取消通信模块

4.

44.

4.1串口信息发送从UART3传输串口信息的程序主要有从串口对应的引脚Init USART3_Gpio初始化函数，Usart3_RS232_init初始化函数来设置UART3外设，说明上述功能如下

1、配置UART3使用的UART3JX管脚和UART_RX管脚，设置UART3JTX匹配管脚为多拉推挽输出模式，设置UART_RX匹配管脚为浮空输入模式

2、在Usart3_RS232_init函数中进行终端初始化，打开串口中断，设置波特率为9600,发送字符长度为8位，1位停止

3、在主循环中，调用程序Uart3_RS232TX_sen发送动作信息该函数一次向uint8_t发送一个长度为8的数组数据包内容如下表所示表」数据帧内容4帧头帧尾1一3456电流低s LJ.S运行模传感器Oxaa电流高s位速度低s位Oxcc位位式标志位在程序Uart3_RS232TX_sen中，先询问500ms事件时间位标志，如果事件信号时间为1位，则执行内部程序函数，用完该函数发送串口信息，首先将要发送的信息存储到发送数组中，然后调用Uart3_Sendlen函数将信息发送到数组中操作流程如下void Uart3_Sendlenuint8_t*data,u8lendo{USART_Send DataUSART3,*data;while!USART3-SR0x40;data++;len-;}whilelen!=O;通过do_while循环实现连续发送长度为8的数组442串口信息接收当我们在对串口信息进行接受工作的过程中，我们会通过USART3」RQHandler这个函数进行完成工作，能够通过这些函数对于一些中断数据进行处理工作，相关过程如下图串口中断接收程序流程框图

4.5检查中断函数中接收到的信息后，如果接收到全报文，则将全数据Rece_flag的接收位设置为lo在主程序中打开Receive Data_Handle函数Data Processing串口，在该函数中查询Rece_flag,如果为1,则读取接收到的数据，并在函数结束时将Rece_flag设置为0第章系统调试5平移智能开关门驱动系统实物介绍

5.1控制系统主要包括电源、驱动控制板、永磁直线电机、轨道和门，如图

5.1所示图平移智能开关门系统实物图

5.1实验结果

5.2图

5.2和

5.3分别显示了来自15V和5V系统电源的测量电压波形上图为电压输出波形，下图为额定状态下的电压波形以上波形显示，不同工作条件下输出电压稳定，负载处15V和5V电压波动分别为±

0.5V和±

0.3V,说明电源具有良好的动态调制能力，性能可以满足智能门的开合要求控制条件its cwMmw图电压输出波形

5.215V图电压输出波形

5.35V图一相电压与相电流波形

5.4图

5.4为智能门在稳定运行状态下开合时的单相电压电流波形，门重40kg,该阶段平均速度为200mm/so本脚本采用SVPWM控制方式，从图片可以看出文件的工作流程以下波形为智能门开关典型工况下电机线圈的电流波形两者的工作条件都是空载和满载（80kg负载）从图

5.5和图

5.6可以看出，过渡型智能门开关运行过程中电机电流的幅值和频率比较稳定，可以实现智能门开关的平稳运行同时可以看出，在重载和轻载条件下，电机旋转电流幅值分别达到

3.4A和

0.5A,设计的装置可以满足其工作需要200mx.klhlXms/div2AHiv1A/div图空载时电流波形图图带负载时的电流波形

5.

55.6图平移智能开关门运行曲线

5.7在智能门开闭运行过程中，测试智能门开闭控制系统的开闭运行曲线，如图

5.7所示通过对智能开门关门控制系统智能开门关门过程曲线的分析可知，实际速度变化曲线主要对应理论设计的开门关门过程曲线，满足要求开、关控制系统智能门速控制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；设计第章总结6本文针对智能开门和关门控制系统进行了具体研究，提出了更好的方法和手段来解决当前运行过程中的安全性和稳定性问题本文的工作可以总结如下

1、完成电机控制元件的选型，分析现有智能开关门控制系统的安全功能，了解现有安全措施的缺陷，通过电机在实际工程中遇到的问题，了解电机控制原理

2、为了解决智能门开关的安全问题，智能门开关系统基于所提出的红外距离传感器通过检测行人在门室内智能开闭的位置和移动方向，实现人移动后对门的控制效果，智能按键增加门的安全性

3、为解决电机低速运行时的速度稳定性和转矩稳定性问题，建议增加基于转速计法的测速和基于S7-200波调制的电机转矩纹波抑制法，提高电机控制系统的响应速度和抗干扰能力

4、实现了设计的智能开门和关门控制系统参考文献[l]Drucker,Christopher J.The effectsof automaticand manualdoor openingsystemsA cross-sectional investigationof busoperators[D].New YorkStateUniversity ofNew YorkatBuffalo,2014:1-

25.⑵张建春.智能开关门系统的设计[J].数字技术与应用，2014,9165-

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[3]梁晓国，段甜，段聪.PLC智能开关门的控制装置系统[J].电子技术与软件工程，2015,10,

153.⑷张春秋.可编程序控制器PLC在智能开关门上的应用[J].中国科技信息，201705133-

134.⑸张宝文,罗玲.智能开关门用直线感应电机设计与仿真[几电子设计工程,2014,2220124-

127.⑹戴建国.我国智能开关门行业现状调研报告[J].中国建筑金属结构.2014,

9.⑺宰文姣.基于单片机的智能开关门控制系统的设计与实现[J].西南民族大学学报，2013,396655-

658.⑻何东祥.智能开关门控制器论述川.价值工程，2016,

2924241.

[9]吕文琪.智能开关门智能控制算法及其可靠性研究[D].南京南京航空航天大学，

2017.

[10]曲建真.轨道车辆电动塞拉门控制系统设计[D].青岛青岛科技大学，

2014.致谢我们相约于2018年秋季却在2021年夏天分开，转眼间，三年已经过去，我不由得感叹，时间过的飞快！首先我要感谢我的论文指导老师王炜青老师以及授课老师还有我的班主任张志娟老师，他们为了我的论文付出了很多帮助，耐心地给予了我很多指导，帮我找出我在论文的写作中出现的问题，在这里，衷心的祝愿我的老师们身体健康、万事如意！其次，我要感谢我的舍友和我的朋友们，他们陪伴了我三年，包容了我的缺点，我被他们没每一个人都感染了很多好的学习习惯在这里，我也衷心的祝福他们学业有成、天天开心！最后，感谢我的父母，是他们给予了我生命，我相信我终将会成为他们的骄傲！写尽千山，落笔是你山水一程，三生有幸武进区鸣新中路22号常州信息学院，再会重逢！毕业设计中期检查表姓名赵昊挺学号专业电子信息工程毕业设计题目自动门控制系统设计查阅的主要文献资料[l]Drucker,Christopher J.The effectsof automaticand manualdoor openingsystemsA cross-sectional investigationof busoperators[D].New YorkStatellniversity ofNewYork atBuffalo,2014:1-

25.⑵张建春.智能开关门系统的设计[J].数字技术与应用，2014,9165-

166.⑶梁晓国，段甜，段聪.PLC智能开关门的控制装置系统[J].电子技术与软件工程,2015,10,

153.⑷张春秋.可编程序控制器PLC在智能开关门上的应用[J].中国科技信息，201705133-

134.⑸张宝文，罗玲.智能开关门用直线感应电机设计与仿真[J].电子设计工程，2014,2220124-

127.⑹戴建国.我国智能开关门行业现状调研报告[几中国建筑金属结构.2014,

9.⑺宰文姣.基于单片机的智能开关门控制系统的设计与实现[J].西南民族大学学报，检2013,396655-

658.查⑻何东祥.智能开关门控制器论述[J].价值工程,2016,

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[9]吕文琪.智能开关门智能控制算法及其可靠性研究[D].南京南京航空航天大学，容〈

2017.学

[10]曲建真.轨道车辆电动塞拉门控制系统设计[D].青岛青岛科技大学，

2014.生主要设计研究内容、途径及技术路线研究方法本本文对现有控制系统进行了一定改进，文中摒弃了传统的智能开关门中以PLC为人填控制核心的控制系统，采用S7-200为控制主体配合硬件电路实现对无刷直流电机写的控制，提高系统的灵活性并降低成本本文设计新型防挤压方案以提高控制系统〉的安全系数，使用模糊PID控制、滚动测速法及波形调制法提升系统运行稳定性，实现了直流无刷电机在智能开关门控制系统中的应用目前研究进展到何阶段、进度状况初步完成了毕业设计预计完成时间2021年11月13日学生签名赵昊挺年月日20211113指导教师检查意见指导教师签名年月日教研室意见教研室主任签名年月日二级学院意见二级学院领导签名年月日毕业设计成绩评定表

一、指导教师评分表（总分为分）70序号考核项目满分评分工作态度与纪律110调研论证25外文翻译35设计（论文）报告文字质量410技术水平与实际能力515基础理论、专业知识与成果（作品）价值620思想与方法创新75合计70指导教师综合评语指导教师签名年月日

二、答辩小组评分表（总分为分）30序号考核项目满分评分技术水平与实际能力15基础理论、专业知识与成果（作品）价值210设计（论文）报告内容的讲述35回答问题的正确性410合计30答辩小组评价意见（建议等第）答辩小组组长签名年月日

三、答辩委员会审定表审定意见

2.审定成绩（等第）答辩委员会主任签名年月日Design ofautomatic doorcontrol systemAbstractInorder to improve the safety andoperability of the currentintelligent door opening andclosingcontrol system,this articlehas madesome improvementsto theexisting control system,leaving thetraditional intelligent dooropening and closingcontrol systemwith PLCas thecontrolcore,and replacedit withS7-

200.The maincontrol componentsare matchedwith thehardwarecircuit tocontrol thebrushless DCmotor,which increasesthe flexibilityof the system andreducesthe manufacturingcost.This paperdesigns anew anti-extrusion schemetoimprove thesafetyofthe control system.It usesPID fuzzycontrol,rolling speedmeasurement methodsand waveformmodulationmethods toimprovethestability ofthesystem,and realizesthe applicationofbrushless DCmotors insmart doors.In thecontrolsystemofthelock.Key wordsintelligentdooropeningandclosing;controlsystem;design第章绪论1研究背景

1.11930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；⑵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研究意义

1.2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国内外研究现状

1.3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BOON 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章智能开关门结构及其控制基础2智能开关门的结构

2.1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智能开关门结构示意图

2.1永磁同步直线电机的结构和原理

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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功子图直线电机结构示意图

2.2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

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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。