专利名称：数字高速栏杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字高速栏杆，应用于高速公路不停车收费系统(ElectronicToll Collection,简称ETC)、高速公路人工收费系统(Manual Toll Collection,简称MTC)、车辆自动分类系统(Automatic Vehicle Classification,简称AVC)、桥梁、隧道、停车场的收费系统，以及公寓小区、货场等单位的通行管理场合。
背景技术：
国内市场上栏杆普遍存在的现象I)由于栏杆加工、安装的偏差，出现电机齿轮咬合不好、齿轮润滑油消耗过大，导致传动阻力增大，栏杆轴承容易损坏； 2)栏杆机箱里的电机主轴一松动，容易引起栏杆起落不稳和抖动，导致螺栓易损坏；3)栏杆起落无法到达“死点”位置，使电机长时间发热，加速了损坏电机、曲柄和连杆频率和误抬杆次数的增多。4)栏杆机体箱内部零件多、机械结构复杂，易损坏。5)栏杆调控角度不精确，不能灵活应用各行业的需求。6)设备成本昂贵，难以推广。本发明是由专门设计的软件控制、高扭矩混合式交流步进电机、减速机、控制驱动器等，共同配合驱动栏杆的抬起和落下。通过软件编程设计，可任意设定栏杆的转速、转动次数、旋转角度和控制栏杆的运行状态。
发明内容
3. I技术特点I)栏杆起落平稳、无抖动本发明采用高性能的处理器，通过修改寄存器初速度值、加速度值、减速度值、末速度值，控制步进电机的启动、停止整个过程。利用加、减速变速运动的控制方法使栏杆起落平稳运行，解决传统栏杆起落时间短、运行速度过快引起的不平稳、终点抖动等现象。2)全数字化调控本发明将全数字调控应用于不同的栏杆机，可进行0° 360°范围内全方位数字化角度调控和速度调速。不需要传感器，打破传统栏杆调控精度范围0° 90°和调控精度不准确。3) 一体化机芯本发明采用一体化机芯，具有成本低、结构简单稳定、易维护等特点，解决市场上出售的机械式栏杆内部结构复杂，难以维护。4)行程保护通过对路面坡度、路面宽窄、路面障碍物等检测，采用数字控制技术，可以对栏杆的极限位置进行精确设定，确保抬落杆时内部结构不被损坏，延长使用寿命。同时栏杆到达极限位置时具有自锁功能，使栏杆不被反向抬起或下落。5)时间保护通过设定栏杆起落时间，栏杆在设定的时间内可执行栏杆抬起、下落。6)主动防砸本发明栏杆在下落过程中如果有轻微碰触车辆、人员，栏杆会立即抬起返回至竖直状态，避免栏杆继续下落对车辆和人员造成伤害。同时栏杆臂将采用高强度、低密度的碳纤维材质，表面附有泡棉管，具有质轻、高强度、耐腐蚀，耐撞、不伤人和车等特点。同时也减轻了电机的负载，延长了电机的使用寿命O·
7)人机交互本发明采用软件控制与文本控制相结合的技术，使栏杆的位置状态信息通过通信端口设备可以实时反馈，打破传统栏杆人机交互性能差。8)转型应用根据步进电机自身特点(成本低、运行可靠、精度高、转速高)，将原先主要应用于数控机床精密制造等工业生产领域，转向应用于高速数字栏杆机上。3. 2、技术方案3. 2. I构造方式步进电机和减速机通过联轴器驱动栏杆运动。I)按照栏杆预期的运动方式(设置角度、轨迹路线)和控制策略(设置运转精度、转速快慢)，编写程序代码。2)将程序代码下载到控制器。3)控制器输出连接到步进电机的驱动器。4)用驱动器控制步进电机，并按照预先设计好的轨迹进行栏杆抬起落下。3. 2. 2技术原理本发明高速数字栏杆，可接收数字控制信号电脉冲转换成与之相对应的角位移或直线位移，每次输入一个脉冲信号，电机将转动一个角度，并带动栏杆移动。利用软件编程技术可以设置脉冲信号频率、脉冲个数、方向信号。 利用控制器控制加速和减速脉冲数、脉冲总数，从而控制栏杆的转速(力口速/减速)，达到调速的目的。 利用电机的脉冲个数控制栏杆停止的位置和栏杆起落角度偏移的轨迹路线，达到准确定位的目的。 利用控制器不同的输入点有效控制栏杆的转向，达到调整栏杆的方向。 利用细分驱动器，使步距角减少、运行平滑，达到提高运转精度，减弱电机噪声和过热、过流和欠电压保护等情形； 利用减速器，降低转速和增大转矩，提高精度的准确度。避免因电机负载突变引起冲击过大，造成过流现象。 曲线加减速运行栏杆起落采用软件编程设定电机驱动器。在启动开始加速时，做无冲击性的缓启动，驱动栏杆进行“启动-加速-高速运行-减速-停止”。运行速度采用分阶梯式上升，“减速、恒速、加速”的速度值可以调整设定。在低于启动频率下启动栏杆，将逐步增加脉冲频率提高栏杆的运行速度，避免发生失步现象。在栏杆停止前从最高速度逐步减小脉冲率，使其降到能够停止的速度，使栏杆能够精确定位，如图I所示。栏杆在起动区域内起动，通过加速到达运行区域。在运行区域内，电机不能直接制动，否则会造成失步，必须通过减速到达起动区域，才可以进行制动。栏杆在启动运行时，受惯性的原因，启动瞬间的重力矩值最大。随着栏杆逐渐抬起，重力矩将逐渐减小，停止时竖直状态的重力矩值最小。而电机在运行时，转速是随着栏杆起落将由小变到大再变到小这一过程。如图2所示。3. 2. 3实现方法见图8 脉冲形成先输出一个高电平，延时一段时间后，再输入一个低电平，形成一个下降沿，每个 下降沿有效，电机相应转动一个脉冲角。脉冲的周期取决于控制器脉冲的总数。 转速控制通过硬件中断或软件延时两种方式，控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，在栏杆加速过程中，脉速频率逐渐增加，反之减速过程中，脉冲频率逐渐减少。I)硬件中断通过可编程的硬件定时器对系统时钟脉冲或某一频率的脉冲进行计数，计数值由编程决定。当计数达到预定的脉冲数时，产生中断信号，得到所需的延时时间或定时时间间隔。通过编程设定计数值，以满足不同的定时和计数要求。2)软件延时根据所需要的时间常数，编写程序完成指令操作。要对设定指令的执行时间进行多次计算、测试分析后，设定延时时间值。 旋转方向控制通过改变内部绕组通电方式和通电顺序，控制栏杆的旋转方向。分三步第一，A相通电，使转子齿与A相定子齿对齐。第二，A相通电，同时接通B相，形成合成磁场，然后对准A、B两极轴线的角等分线，使转子齿转动。第三，使A相切断，B相仍保持接通。依次类推，绕组以正时序或反时序方式转换。磁场每旋转一周，转子将前进一个齿距，每次转换使转子转动一定的角度。I)正时序旋转AB —BC —CA —AB2)反时序旋转AB — CA — BC — ABy序 Ail·力式I制I十六进制
1— AB0000001103H
2— BC— 0000011006H 一I CA0000010105H正时序旋转模块03H、06H、05H存放在正转模型为起始地址的内存单元，反时序旋转模块03H、06H、05H存放在以反转模型为起始地址的内存单元。然后通过标志位，判断电机的旋转方向。最后输出相应的控制脉冲，判断脉冲信号是否输出完毕。3. 2. 4流程图见图9至图14所示3. 3、结构关系 本发明数字高速栏杆组成部分栏杆臂、机体箱、机芯、控制器四部分。I)栏杆臂材质采用碳纤维，表面附有泡棉管。2)机体箱采用上下两件式，上边是防雨机盖，下部是主机箱机盖。机体箱是由2mm厚冷轧钢板制成，表面经磷化喷塑处理可置于室外环境。 3)机芯是由步进电机、减速器、主轴、平衡弹簧等组成。4)控制器控制接口采用软件编程设置程序化驱动。如图3所示。3. 4、有益效果 采用高扭矩混合式步进电机和软件控制驱动单元，是国内首家将全数字执行系统应用于栏杆，目前在国内还没有先例。 栏杆O. 58s闪电开启，是迄今为止最快的栏杆机，可以使车辆快速通行。而市场普遍在售的栏杆抬起时间普遍大于Is。 不需位置传感器，停止精度小于O. 2度，无冲击、无弹跳、免调整。 采用定位设计，根据路面的宽窄、坡度，软件可精确设计栏杆倾斜度、转速，保证车辆、行人安全通行。 采用防砸车设计，落杆时碰到车辆或行人能够自动抬杆，不会出现砸车、人现象。即使出现砸车、砸人，栏杆臂采用碳素纤维材质，也不会造成对人和车伤害。 采用防撞车设计，即使出现轻微撞车，栏杆会向外侧水平方向打开。 采用防断电、设备故障设计，栏杆可自动抬起，无障碍通过。 采用曲线加减速设计，软件可多时段设置栏杆起落，实现栏杆起落快速、平稳、无抖动。 采用正弦连杆技术、高强度钢板机架和一体化机芯，驱动结构简单，性能可靠，所需成本较合理，维护费低。 采用人机交互设计，提供文本界面。栏杆的运行模式、起落时间、运行状态可通过文本进行设置、修改、显示，达到人机交互目的。 无论杆在任何位置启动，抬起时，杆可竖直停止；落下时，杆可水平停放。 没有电刷，可靠性高，电机使用寿命仅取决于轴承寿命，维修费趋于零。 纠错能力栏杆机具有识别误操作的能力，即栏杆本来在竖直位误操作抬杆或在水平位误操作落杆，栏杆机具有自动鉴别能力，不做任何响应。
实施步骤I)确认电机、减速器是否完好无损，零件是否匹配。(包括电机的定位凸台、输入轴与减速器凹槽等尺寸及配合公差)2)旋下减速器外侧防尘孔上的螺钉，调整夹紧环使其侧孔与防尘孔对齐，插入内六角旋紧。之后，取走电机轴键。3)将电机与减速器连接，使减速器输出轴与电机输入轴同心度保持一致。4)根据现场具体情况，确定栏杆机的安装位置。5)确定四个地脚螺栓孔和控制线的位置，打上四个M16的膨胀螺栓或用水泥埋上四个M16地脚螺栓。6)将电缆线用塑料管穿好，用水泥埋到相应的位置，并露出地面5米。7)打开机箱门，将主机上的四个安装孔套进地脚螺栓上，加弹簧垫片并紧固。8)把栏杆套进对应的栏杆槽内，拧上一个M12螺杆固定、栏杆前段卡在槽内较小的横向推力可将栏杆推出，卡槽打开即可。9)采用RS232接口，将电源线接到控制器和驱动器的电源端子上。10)用控制盒上的“升”、“降”按钮，可手动或自动控制栏杆起落。如说明书附图所示图I是曲线加减速运行图。图2是栏杆起落运行图。图3是栏杆构造图。图4是施工图。图5是接线图。图6是装配图。图7是总装图。图8是实现方法图。图9是驱动程序流程图。图10是显示子程序流程图。图11是正反转流程图。图12是转速快慢流程图，转速的快慢取决于控制系统发出时钟脉冲的频率。在升速的过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速的过程中，脉冲的频率逐渐减少。通过脉冲信号的变更控制转速。图13是中断子程序流程图。图14是细分程序子程序图。
具体实施例方式控制栏杆有两个按钮，一个是抬起，另一个是落下。 手动控制当按下抬起按钮时，控制器输出触发驱动器控制步进电机，电机顺时针旋转90°，栏杆被抬起；当按下落下按钮时，控制器输出触发驱动器控制步进电机，电机逆时针旋转90°，栏杆被落下； 自动控制在高速公路不停车收费时，发现有车辆通过且扣款成功后，闭合抬起通道的开关，栏杆会抬起；当车辆通过后，闭合落下通道的开关，栏杆会落下。如果发生断电现象，栏杆靠拉簧拉起，避免因停电造成堵车。
权利要求
1.本发明数字高速栏杆属于机电一体化产品，由高扭矩混合式交流步进电机、软件编程控制驱动单元、减速机一体化机芯，共同配合驱动栏杆的抬起、下落。
2.根据权利要求I所描述的数字高速栏杆，其特征是将全数字执行系统应用于栏杆控制，栏杆可根据路面坡度、路宽参数精确设置栏杆的转角度、转速。
3.根据权利要求I所描述的数字高速栏杆，其特征是栏杆臂采用碳素纤维，落杆时不会造成对人、车伤害。如果出现轻微撞车，栏杆会向外侧水平方向打开。
4.根据权利要求I所描述的数字高速栏杆，其特征是多时段设置栏杆起落，无论栏杆在任何位置抬起时可以竖直停止，落下时可以水平停放。运行到极限位置时，可设置自动死锁。
5.根据权利要求I所描述的数字高速栏杆，其特征是断电或出现设备故障时，栏杆会自动抬起，可无障碍通过。
6.根据权利要求I所描述的数字高速栏杆，其特征是栏杆机具有识别误操作的能力，即栏杆本来在竖直位误操作抬杆或在水平位误操作落杆，栏杆机具有自动鉴别能力，不做任何响应。
全文摘要
本发明数字高速栏杆，是由高扭矩混合式交流步进电机、软件编程控制驱动单元、减速机，共同配合驱动栏杆的抬起、下落，是将全数字执行系统应用于栏杆。研发的栏杆0.58s的闪电开启，是迄今为止，世界上最快的栏杆机。本发明采用高性能的处理器，按照栏杆预期的运动方式(设置角度、轨迹路线)和控制策略(设置运转精度、转速快慢)编写程序代码，把代码下载到控制器。通过连接步进电机的驱动器来控制电机。按照预先编制好的栏杆轨迹运动进行栏杆抬起、下落。本发明可应用于高速公路不停车收费系统、人工收费系统、车辆自动分类系统、桥梁、隧道、停车场的收费系统，以及公寓小区、货场等单位的通行管理场合。
文档编号E01F13/06GK102888819SQ20111020012
公开日2013年1月23日 申请日期2011年7月18日 优先权日2011年7月18日
发明者潘海军, 郝彦军 申请人:北京博宇通达科技有限公司