门锁常吸合的电流源控制装置及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通安全领域，具体涉及一种门锁常吸合的电流源控制装置及方法。

背景技术

地铁站台门门锁为电磁铁驱动机构，主要部件为电磁铁，利用电磁铁的吸合及释放，实现门锁的解锁、锁闭动作。由于电磁铁本身内部为电感线圈，在通电状态下可形成磁场，与内部永磁铁作用产生吸力。

电磁铁的动作包括以下几个过程：

锁闭位吸锁过程：电磁铁不通电状态下，电磁铁释放，锁体处于锁闭位，给电磁铁加载外部电的情况下，电磁铁从锁闭位进行吸锁操作；吸锁过程中，锁体解锁：电磁铁吸锁后，锁体开始向解锁位移动，直到解锁位机械限制停止移动；

解锁位保持：锁体到达解锁位后，电磁铁需要保持一段时间，直至门体离开关门位方可做其他操作。

目前常用的一款电磁铁门锁自身参数包括两种情况：

电磁铁解锁电压为110v，解锁电流为0.8A；

电磁铁保持电压为24v，电流为0.15A。

如果电磁铁在解锁保持位长期使用110v电压进行保持，电磁铁将在大电流作用下发热并且烧毁。

因此，一种可以使解锁状态在低压小电流状态下保持吸合的控制装置及方法成为本领域技术人员追求的目标。

发明内容

本发明为解决现有电磁铁门锁在解锁电压(高电压)下进行保持吸合状态容易引起发热甚至烧毁的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种门锁常吸合的电流源控制装置，其特征在于：包括：

控制系统：用于接收上级解锁或落锁命令，向隔离单元发出解锁或落锁信号；用于接收所述检测单元传送的第一运行信号，经过计算、比较、处理后向隔离单元发送可以使门锁保持解锁位的第二运行信号；

隔离单元：设置在所述控制系统与所述控制开关之间，用于隔离所述控制系统电源与所述控制开关电源，接收所述控制系统传送的第二运行信号、解锁或落锁信号，将所述第二运行信号转换为能够使门锁保持解锁位的第三运行信号以及解锁或落锁信号传送至控制开关；

控制开关：控制开关设在电磁铁回路中并和所述隔离单元相连，用于接收所述第三运行信号，用于按照所述第三运行信号控制开关，控制电磁铁回路在电磁铁保持电流下常通；接收解锁或落锁信号，并控制电磁铁回路通断；

电磁铁回路：用于向电磁铁提供解锁电流或保持电流，连接控制开关与检测单元；

检测单元：与电磁铁回路相连，将生成的第一运行信号传送至控制系统，用于检测节点A的运行电流。

其中，所述控制系统发出的解锁信号是占空比为100％的PWM波，PWM波的频率1KHz、幅值为3.3V。

本发明所述门锁常吸合的电流源控制装置，作为优选方式，其中，所述控制系统包括微控制单元MCU：

所述对第一运行信号的计算、比较、处理是指：根据所述第一运行信号计算生成检测节点A(等于流过电磁铁线圈)的运行电流值I

其中，所述第二运行信号是调整占空比后的频率为1KHz、幅值为3.3V的PWM波。

本发明所述门锁常吸合的电流源控制装置，作为优选方式，其中，所述隔离单元包括二极管、三极管、电源，所述二极管一端和控制系统相连，另一端接地，用于接收所述控制系统传送的所述第二运行信号；三极管的一端接电源，另一端接所述控制开关，通过所述三极管耦合将第二运行信号转换为第三运行信号、传送至所述控制开关，电源为隔离单元供电。

本发明所述门锁常吸合的电流源控制装置，作为优选方式，其中，所述控制开关为MOS开关管，MOS开关管的栅极与所述隔离单元的三极管相连，用于接收所述第三运行信号，漏极、源极连接于电磁铁回路，用于按照所述解锁信号、第三运行信号、落锁信号控制MOS开关管的接通和断开，从而控制电磁铁回路通断。

其中，所述第三运行信号是第二运行信号经过耦合后得到的幅值可以触发控制开关的PWM波。

本发明所述门锁常吸合的电流源控制装置，作为优选方式，其中，电磁铁回路包括电磁铁线圈和电源，电磁铁线圈缠绕在电磁铁铁芯的外部，用于电磁铁工作状态的控制，控制开关的漏极和源极分别接电源和电磁铁线圈，电磁铁线圈的另一端接检测单元的电流传感器的正极，电流传感器的负极接地；电磁铁铁芯，根据控制开关的漏极和源极接通或断开使电磁铁线圈通电产生电磁或非产生电磁，电磁铁铁芯被磁化或非磁化，牵引电磁铁锁头吸起、保持或落下。

本发明所述门锁常吸合的电流源控制装置，作为优选方式，其中，检测单元包括隔离电源、电流传感器、第一电阻、第二电阻；隔离电源与电流传感器相连，用于为电流传感器供电；电流传感器一端接电磁铁线圈、另一端接地；控制系统通过第一电阻与电流传感器相连，通过第二电阻与地相连，将第一运行信号传送至控制系统。

本发明所述门锁常吸合的电流源控制装置，作为优选方式，其中，检测单元包括隔离电源、电流传感器、第一电阻、第二电阻、比较器；隔离电源与电流传感器、比较器相连，用于为电流传感器、比较器供电；电流传感器一端接电磁铁线圈、另一端接地；比较器的正向输入端通过第一电阻与电流传感器相连，比较器的正向输入端通过第二电阻与地相连，比较器的负向输入端与比较器的输出端相连，比较器的输出端生成第一运行信号并将第一运行信号传送至控制系统。

本发明还提供一种门锁常吸合的电流源控制方法，其特征在于：包括以下步骤；

S1、电磁铁吸合：控制系统输出解锁信号，控制电磁铁吸合，实现解锁；

S2、运行电流检测：控制电磁铁吸合后，检测单元对电磁铁回路检测点A处的运行电流进行实时检测时，生成第一运行信号，并将第一运行信号传送至控制系统；根据所述第一运行信号获取检测点A处运行电流值I

S3、电流判断：控制系统将运行电流值I

S4、减小占空比：当运行电流大于I

S5、增大占空比：判断运行电流是否等于I

S6、信号输出：控制系统(100)调整后占空比后将传送第二运行信号至隔离单元(200)；

S7、信号传递：隔离单元(200)接收来自控制系统(100)的第二运行信号，并换为使电磁铁实际运行电流值等于或趋近于I

S8、运行信号执行：控制开关接收第三运行信号，按照第三运行信号控制开关接通，控制电磁铁回路保持接通，实现电磁铁保持吸合。

本发明所述的门锁常吸合的电流源控制装置，当通过检测单元实时向控制系统输送第一运行信号，控制系统经过计算可以得到通过电磁铁线圈的实际运行电流，经过与电磁铁的保持电流I

本发明所述的检测单元，采用电流传感器检测电流、采用电阻进行分压，并将分压后的电压作为第一运行信号输送给控制系统，从而实现了实时检测节点A的运行电流，其具有结构简单的优点。

检测单元，在分压节点与控制装置之间设置比较器，起缓冲隔离作用，使输出的第一运行信号的电压值更加稳定、准确。

附图说明

图1为一种门锁常吸合的电流源控制装置电路图；

图2为一种门锁常吸合的电流源控制装置的隔离单元电路图；

图3为一种门锁常吸合的电流源控制装置的控制开关组成图；

图4为一种门锁常吸合的电流源控制装置的电磁铁回路组成图；

图5为一种门锁常吸合的电流源控制装置的检测单元组成图；

图6为一种门锁常吸合的电流源控制装置的实施例二的检测单元组成图；

图7为一种门锁常吸合的电流源控制方法流程图；

图8为实施例1的使用方法流程图；

图9为实施例2的使用方法流程图；

附图标记：

100-控制系统；200-隔离单元；210-二极管；220-三极管；230-电源；300-控制开关；310-栅极；320-漏极；330-源极；400-电磁铁回路；410-电磁铁线圈；420-电磁铁铁芯；430-电磁铁锁头；440-电源；500-检测单元；510-隔离电源；520-电流传感器；530-第一电阻(R1)；540-第二电阻(R2)；550-比较器。

具体实施方式

实施例一，如图1所示，本发明提供一种门锁常吸合的电流源控制装置，本实施例中，是以解锁电压为110v，解锁电流为0.8A；电磁铁保持电压为24v，电流为0.15A的电磁铁为例进行说明。

所述门锁常吸合的电流源控制装置包括：控制系统100、隔离单元200、控制开关300、电磁铁回路400和检测单元500；

控制系统100：用于接收上级解锁或落锁命令，向隔离单元200发出解锁信号或落锁信号，并将解锁或落锁信号发送给隔离单元200；其中解锁信号为占空比为100％的频率为1KHz、幅值为3.3V可以触发控制开关的PWM波，落锁信号为占空比为0％的频率为1KHz、幅值为3.3V的PWM波；控制系统100还用于接收所述检测单元500传送的第一运行信号，根据所述第一运行信号进行计算、比较、处理后向隔离单元200发送可以使门锁保持解锁位的第二运行信号；

隔离单元200：设置在控制系统100与控制开关300之间，用于隔离控制系统100的电源和控制开关300的电源；接收控制系统100传送的第二运行信号以及解锁信号或落锁信号，并将所述第二运行信号转换为能够使门锁保持解锁位的第三运行信号以及解锁信号或落锁信号传送至控制开关300；

控制开关300：设在电磁铁回路400中并与隔离单元200相连，用于接收隔离单元200发出的所述第三运行信号，并根据所述第三运行信号控制开关，控制电磁铁回路400保持解锁位；同时，其可以接收隔离单元200发送的解锁信号或落锁信号，控制电磁铁回路400通断，实现解锁和落锁；

电磁铁回路400：该电磁铁回路400连接控制开关300与检测单元500，用于向电磁铁线圈提供电流，控制锁头分别处在吸合、保持位和释放的工作状态；

检测单元500：与电磁铁回路400相连，将生成的第一运行信号传送至控制系统100，该检测单元500其通过传送至控制系统100中的第一运行信号V3，对检测节点A的实际运行电流I

具体而言，如图1所示，所述控制系统100包括微控制单元MCU，该微控制单元MCU可以通过CAN通讯接收上级门控单元(DUC)发来的开门或者关门信号，并将该信号发送给隔离单元200；同时可以接收检测单元500传送的第一运行信号，如图1所示，该第一运行信号即为检测单元500在电流采集过程最后阶段的比较器550传送给控制系统100的微控制单元MCU的电压值V3；微控制单元MCU对第一运行信号V3进行计算，可以得出检测节点A的实际运行电流值I

参见图1，图中与控制系统100的微控制单元MCU相连接的CAN隔离收发器、非隔离稳压模块、隔离稳压模块是现有技术，其分别是用于和上级系统直接收发信息以及用于带隔离和不带隔离的电源电压转换。

如图1、2所示，其中，所述的隔离单元200为隔离光耦，其包括二极管210、三极管220、电源230；所述二极管210一端和控制系统100相连，另一端接地，用于接收所述控制系统100传送的述第二运行信号；三极管220的一端接电源230，另一端接控制开关300，通过三极管220耦合将第二运行信号转换为第三运行信号、传送至所述控制开关300，电源230为隔离单元200供电。

如图3所示，控制开关300为MOS开关管，包括栅极310、漏极320、源极330；栅极310与隔离单元200的三极管220相连，用于接收所述第三运行信号以及解锁信号和落锁信号，第三运行信号可以控制开关300保持在接通的工作状态，漏极320与源极330接于电磁铁回路400中，用于控制电磁铁回路400的通断。

当控制开关300接收到解锁信号：占空比为100％的频率为1KHz的、幅值为15V的PWM波，漏极320与源极330接通，电磁铁线圈得电，吸合锁头。当控制开关300接收到第三运行信号：调整占空比后的频率为1KHz的、幅值为15V的PWM波，当幅值为15V高电平时，控制开关300导通，电磁铁吸合，低电平时，幅值是0V，此时，控制开关300截止，电磁铁释放；但是，因为脉冲周期非常短：T＝1/f＝1/1000＝0.001s，所以可以在低电流下在解锁保持位，使电磁铁一直在吸合状态。因此，实现了在额定电磁铁保持电流0.15A下，使电磁铁保持吸合状态。当控制开关300接收到落锁信号时：占空比为0％的频率为1KHz的、幅值为3.3V的PWM波，该落锁信号可以使漏极320与源极330间断开，从而使电磁铁回路400断电。因此，控制开关300可以根据解锁信号、第三运行信号、落锁信号控制MOS开关管(控制开关300)的接通、保持接通、断开。

如图4所示，电磁铁回路400包括电磁铁线圈(410)和电源440，电磁铁线圈410缠绕在电磁铁铁芯420的外部，用于电磁铁工作状态的控制，控制开关300的漏极320和源极330分别接电源440电磁铁线圈410，电磁铁线圈410的另一端接检测单元500的电流传感器520的正极，电流传感器520的负极接地；控制开关300的漏极320与源极330串联在电磁铁回路400中，用于控制回路的通断以及保持，电流传感器520串联在回路中，用于检测电流；当控制开关300为收到解锁信号，处于导通状态，电磁铁铁芯420，电磁铁线圈410通电产生电磁，电磁铁铁芯420被磁化，牵引电磁铁锁头430吸起，当控制开关300收到第三运行信号，电磁铁在额定保持电流0.15A状态下保持吸合；当控制开关300收到落锁信号，控制开关300处于截止状态，电磁铁线圈410断电不产生电磁，电磁铁铁芯420失去磁性，电磁铁锁头430自由落下；控制开关300的通断，取决于收到的信号：解锁信号、第三运行信号、落锁信号。

如图5所示，检测单元500包括：隔离电源510、电流传感器520、第一电阻(R1)530、第二电阻(R2)540、比较器550；隔离电源510与电流传感器520、比较器550相连，用于为电流传感器520、比较器550供电；电流传感器520正输入端接电磁铁线圈410、负端接地；比较器550的正向输入端通过第一电阻(R1)530与电流传感器520相连，比较器550的正向输入端通过第二电阻(R2)540与地相连，比较器550的负向输入端与比较器550的输出端相连，比较器550的输出端生成第一运行信号V3并将第一运行信号V3传送至控制系统100。

应说明的是，检测单元500，将第一运行信号V3输入到控制系统100中，控制系统100通过第一运行信号V3对检测节点A的实际运行电流值进行计算，检测节点A的实际运行电流值I

具体计算过程是：

首先，电流传感器520输出电压值V1计算公式为：

V1＝a*I

其中，V0为电流传感器520的基础电压，为固定值，a为电流传感器的系数，为可根据电流传感器手册计算得出的常数，本实施例中采用型号为ACS712ELCTR-05B-T的电流传感器，其中a＝0.1；V0＝2.5V(伏)，即：

V1＝0.1*I

其次，经过电阻分压后的分压值V2：

V2＝(V1*R2)/(R1+R2)

＝(V1*10)/(10+4.7)

＝0.68V1；

本实施例中：R1＝4.7KΩ，R2＝10KΩ；

比较器550的作用为输出电压V3跟随输入电压V2，也就是电压跟随器，起缓冲隔离作用；故，V3＝V2

由此可以根据V3，如下式(1)计算出I

I

即，控制系统100的微控制单元MCU将V3转换为实际运行电流值I

ierror(当前误差值)＝0.15(电磁铁保持额定电流)–I

iIncpid(PWM占空比增量)＝P(差分系数)*ierror(当前误差值)–I(积分系数)*Lasterror(上次误差值)+D(微分系数)*Preverror(上上次误差值) (3)

duty1＝duty0+iIncpid(占空比增量) (4)

其中，duty1为调整后的占空比，duty0为调整前的占空比；

计算占空比增量100毫秒进行一次；duty1调整占空比后，输出第二运行信号——其经调整占空比后的频率为1KHz、幅值为3.3V的PWM波，即不同duty1的PWM就是第二运行信号。

控制系统100输出的频率为1KHz、幅值为3.3V的PWM波经过隔离单元200的隔离光耦生成可以使控制开关300保持接通状态的第三运行信号，本实施例中，第三运行信号为1KHz、幅值是15V的PWM波。

本实施例中，控制开关300的导通与截止的条件是：当开关管栅极310与源极330电压差大于10V时开关管漏极320与源极330导通，当开关管栅极310与源极330电压差小于10V时开关管漏极320与源极330截止。

因此，当第三运行信号为15V时(PWM为高电平时)，控制开关300导通。由于，第三运行信号的PWM波的频率f＝1KHz，周期为：T＝1/f＝1/1000＝0.001s，在一个脉冲循环内，高电平时，第二运行信号为幅值是3.3V的PWM波，第三运行信号为幅值是15V的PWM波，此时，控制开关300导通，电磁铁吸合；低电平时，第二运行信号和第三运行信号均为幅值是0V的PWM波，此时，控制开关300截止，电磁铁释放。因为脉冲周期非常短，所以可以在低电流下仍在解锁保持位，使电磁铁一直在吸合状态。

实施例二，参见图6，与上一实施例不同之处是：其中的能检测单元取消了比较器550，比较器550作用为输出电压V3跟随输入电压V2，也就是电压跟随器，起缓冲隔离作用。取消比较器550，控制系统直接获取的是电流传感器520输出电压值V1经过第一、第二电阻进行分压成为V2,其同样可以用于检测实际运行电流I

参见图7，本发明还提供一种门锁常吸合的电流源控制方法，包括以下步骤：

S1、电磁铁吸合：控制系统100发出解锁信号，控制电磁铁吸合，实现解锁；

S2、运行电流检测：控制电磁铁吸合后，检测单元500通过检测点A、即电磁铁回路400的中的运行电流(或称实际运行电流，I

S3、电流判断：控制系统100将实际运行电流值I

S4、减小占空比：当运行电流I

S5、增大占空比：当运行电流I

S6、信号输出：控制系统100调整后占空比后；将第二运行信号传送至隔离单元200；

S7、信号传递：隔离单元200接收来自控制系统100的第二运行信号并将第二运行信号通过隔离光耦转换为可以使控制开关300接通的第三运行信号传递至控制开关300；

S8、运行信号执行：控制开关300接收第三运行信号，按照第三运行信号控制开关，使控制电磁铁回路400在额定保持电流下保持接通状态，实现电磁铁常吸合状态。

实施例三，如图8所示，图中展示的是检测点A检测出的运行电流值大于0.15A的电流源控制方法，其包括以下步骤：

S11、电磁铁吸合：控制系统100输出解锁信号，控制系统100发出可以触发控制开关300接通的占空比为100％的幅值为3.3V频率为1KHz的PWM波，控制电磁铁吸合；

S12、运行电流检测：控制电磁铁吸合后，对电磁铁回路检测点A的运行电流进行实时检测：控制系统100收到检测单元500发来的第一运行信号：V3＝1.71224伏，其为V2经过比较器550的输出端生成与V2等值的电压值，V2为电流传感器520的输出电压值V1经过第一、第二电阻R1、R2进行分压后的电压；根据公式一，经过计算(I

S13、与额定电流值0.15A比较，此时大于0.15A；

S14、减小占空比：经过上述计算式(2)、(3)、(4)，生成第二运行信号：PWM波，频率1KHz，幅值3.3V，占空比的计算为：

iIncpid＝iIncpid(PWM占空比增量)＝P(差分系数)*ierror(当前误差值)–I(积分系数)*Lasterror(上次误差值)+D(微分系数)*Preverror

(上上次误差值)

＝5*(0.15–0.18)–0.5*0+0*0

＝5*(-0.03)

＝-0.15

其中：P＝5；I＝0.5；D＝0；duty1＝duty0(上一时刻占空比值)+iIncpid

＝duty0–0.15

故，输出第二运行信号：占空比为(duty0–0.15)的频率为1KHz，幅值为3.3V的PWM波，duty0为上一时刻占空比值；

S15、信号输出：将能生成使电流值等于0.15A的第二运行信号：占空比为(duty0–0.15)、频率为1KHz、幅值3.3V的PWM波传送至隔离单元200；

S16、信号传递：隔离单元200接收来自控制系统100的第二运行信号频率为1KHz、幅值3.3V的PWM波，并将第二运行信号通过隔离光耦转换为第三运行信号：占空比为(duty0–0.15)、频率为1KHz、3.3V的PWM波传递至控制开关300；

S17、运行信号执行：控制开关300接收第三运行信号：频率为1KHz、幅值15V的PWM波，按照第三运行信号控制开关，控制电磁铁回路400常通，实现电磁铁常吸合状态。

实施例四，如图9所示，图中展示的是检测点A检测出的电流值小于0.15A的电流源控制方法，其包括以下步骤：

S21、电磁铁吸合：控制系统100输出解锁信号，控制系统100发出可以触发控制开关300接通的占空比为100％的幅值为3.3V频率为1KHz的PWM波，控制电磁铁吸合；

S22、运行电流检测：控制电磁铁吸合后，检测点A对电磁铁回路的运行电流进行实时检测：控制系统100收到检测单元生成的第一运行信号V3＝1.70816伏，并经过计算得出电磁铁回路的实际运行电流值I

S23、与额定电流值0.15A比较，此时I

S24、增大占空比：控制系统100增大占空比，具体根据上述公式(2)、(3)、(4)进行计算，得出第二运行信号：频率为1KHz、幅值3.3V的PWM波，占空比的计算为：

本实施例中：P＝5；I＝0.5；D＝0；

实际电流值：0.12A

iIncpid＝5*(0.15–0.12)–0.5*0+0*0

＝5*0.03

＝0.15

duty1＝duty0(上一时刻占空比值)+iIncpid

＝duty0+0.15

即，占空比为(duty0+0.15)；

S25、信号输出：控制系统100传送第二运行信号至隔离单元200；

S26、信号传递：隔离单元200接收来自控制系统100的第二运行信号，并将第二运行信号通过隔离光耦转换为第三运行信号：占空比为：(duty0+0.15)、频率为1KHz、幅值15V的PWM波传递至控制开关300；

S27、运行信号执行：控制开关300接收第三运行信号，按照第三运行信号控制开关，控制电磁铁回路400常通，使电磁铁保持吸合状态。

应说明的是，本发明所述的门锁常吸合的电流源控制装置及方法，旨在当门锁进行解锁后，通过检测单元对电磁铁的线圈中的运行电流进行实时检测，当实际运行电流值小于或大于电磁铁的保持电流时，改变占空比，使电磁铁线圈电流保持在额定保持电流值，从而实现电磁铁在额定保持电流下保持常吸状态，从而解决了现有技术中需要高压、大电流保持常吸合状态会导致线圈过热，进而损坏的问题。

而本发明在开始时解锁的命令是来自上一级控制：站台中央控制盘(PSC)发出开门信号，门控单元(DCU)的主控板接收到开门信号向含有本发明控制系统100——MCU的接口板发出解锁命令，解锁命令是通过CAN通讯传给接口板，接口板上的MCU(本发明所述控制系统100)执行解锁命令，发出可以触发控制开关300接通的PWM波(频率为1KHz、幅值15V的PWM波)控制电磁铁吸合；此时占空比为100％，输出电压为110V，电磁铁吸合，进行开门动作。

电磁铁吸合后，即通过本发明所述的门锁常吸合的电流源控制装置及方法使其处于保持位：控制系统100(微控制单元MCU)进行计算，控制占空比，使实际运行电流值I

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，例如改变电磁铁型号，从而改变电磁铁保持位的额定电流值，或者改变控制开关的额定触发电压值等等，但都将落入本发明的保护范围之内。