牛淑娅

摘 要：针对现有多采用单片机通过减速器驱动直流有刷电机构成的自动验票闸门时常夹住行人等现象，本文主要探讨了通过MC33033控制无刷直流电机驱动自动验票闸门的可能性。

关键词：验票闸门；无刷直流电机；MC33033

0 引言

在日常生活中，自动验票闸门夹住过往行人的事故时有发生。调查发现，现有的自动验票闸门系统采用直流有刷电机通过齿轮减速器控制，这就导致控制精度不高，损耗较大并且寿命不长，在实际运行中经常出现夹住行人或行李的现象[1]。本文主要研究自动验票闸门用低速无刷直流电机驱动的可能性。

1 直流无刷电机性能介绍

直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。其最本质的特征就是没有机械换向器和电刷所构成的在运动中机械接触式换流结构，而代之以永磁转子磁极位置传感器——电子逻辑电路和功率开关线路共同组成的电子换向器，实现了直流电动机由直流电源供电逆变成电动机绕组内部的交变电流，从而实现机电能量转换。

直流无刷电机是一种无换向器的元件，虽然和有刷直流电动机虽然有着相同的运行机理，但在运行性能方面有着一定的差异。无刷直流电机的优点在于：

1）全面替代直流电机调速、全面替代变频器+变频电机调速、全面替代异步电机+减速机调速；

2）具有传统直流电机的所有优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；

3）可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；

4）体积小、重量轻、出力大；

5）转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；

6）无级调速，调速范围广，过载能力强；

7）软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；

8）效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%～60%，仅节电一项一年收回购置成本；

9）可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；

10）耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；

11）没有无线电干扰，不产生火花。

通过直驱式直流无刷电机控制的自动验票闸门系统能够实现闸门的直接驱动，不靠齿轮减速器，能有效减少齿轮传动引起的摩擦，减少噪音，并且使电机易于控制，反应加快。因此直驱式直流无刷电机应用到检票闸门上时，可以改善现有闸门系统不够灵敏，寿命不长，难以控制的现况。

2 自动验票闸门用低速无刷直流电机驱动的控制探讨

DSP与MC33033都可以作为低速无刷直流电机的控制器，但经过研究后发现，基于DSP的控制器最大优点在于计算能力和数据处理能力强大，硬件方案亦较简单，控制精度高，条件要求严格，但其价格比较高，技术支持方面相对不足[2]。由于验票闸门的驱动精度已由无刷直流电机保证，那么控制精度的要求可以适当降低，为此我们选用成本较低的MC33033控制。

MC33033是 MOTOROLA 公司生产的一种高性能无刷直流电动机控制器，它不仅具有MC33034和MC33035控制器的功能， 而且还具有开环、三相或四相电动机所需要的功能， 是第二代无刷直流电动机控制器的典型芯片。

图1所示是专用控制芯片MC33033的内部电路原理图，它由转子位置传感器信号处理、参考电压调节器、振荡器、误差信号放大器、脉冲宽度调制器（PWM）以及欠电压锁定、过电流限制、过热关断和输出驱动电路等部分组成。由于 MC33033 采用了温度补偿和双极模拟技术，并具有欠压保护、自锁关断模式的电流限制及热关断保护等功能，被广泛应用于各种无刷直流伺服电动机控制系统[3]。

在无刷直流电动机中，感应电动势的幅值与电动机的转速成正比，因此，通过调节输入电动机的端电压可以达到调节转速的目的。MC33033使用PWM控制方式来调节端电压大小，逆变器功率开关不但实现无刷直流电机的换相控制，同时还要实现电机的调速控制。增大PWM波的占空比，输出到电动机上的平均电压就会增大，电枢电流和转矩增大，电动机加速，反之即可实现减速。这种改变电源电压的调速方式与普通直流电动机类似，可以实现电动机的无级平滑调速，调速性能良好。

3 用低速无刷直流电机代替有刷电机驱动自动验票闸门的可能性

目前市場上自动验票闸门动力传动是：无刷直流电机—皮带轮减速—减速离合器—摆闸。按规格不同， 电动机额定功率在40～80W，通常额定转速200r/min 左右，皮带轮减速约为1.75左右[4]。

直流有刷电机之所以占据绝大部分市场的原因在于其成本较低，据调查，国产直流无刷电机比同规格直流有刷电机价格高出一倍，而进口直流无刷电机价格更高。但是，随着科技的不断发展与社会的不断进步，直流无刷电机突出的节能优势、低故障优势一定可以弥补其价格上的不足，况且现有的验票闸门事故发生频繁，不仅带来维修、更新等额外经济损失，更重要的是给人们的生活造成很大的不便利。

采用低速无刷直流电机直接驱动自动验票闸门带来如下好处[5]：

1）直接驱动简化了自动验票闸门的传动结构

直接驱动方式取消了皮带轮和减速齿轮等传动机构，有利于节省材料，降低成本。

2）改善了自动验票闸门机构平衡

原有的闸门传动结构的电动机轴线和闸门主体轴线不重合，重心不平衡。现在直接驱动方式取消了减速结构，就可以保证电动机重心在闸门主体中心轴轴线上，大大有利于闸门机的平衡，运行平稳、无噪音。

3）节能

直流有刷电机，以起停控制调节闸门的运行参数，在起停和正反转时，都引起很大的启动电流冲击，可达正常工作电流数倍，使运行效率变坏，总电能消耗较大。而且一般直流有刷电机本身效率较低，通常小于50%。改用低速无刷电动机，它的固有效率比直流有刷电机要高10%～20%，起停控制时电子驱动器有限流环节，可实现软启动，启动电流较小。再加上免除了机械减速器的机械损耗，使总体效率大为提高，达到节能效果。

4）用电气制动代替机械制动

传统自动验票闸门为保障人身安全设置了机械刹车，机械刹车是减速离合器的一个部分。采用直接驱动无刷直流电动机后，这个功能由电气制动代替，简化了机械结构。

5）降低噪声

直流无刷电机本身具有低噪声的性能，再加上采用直接驱动方式，取消了齿轮减速结构的使用，更大大降低了噪声的产生。

4 结束语

由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机运行效率高、噪声低、调速性能良好等诸多特点，故在军工行业、航天、家电等方面得到了广泛应用。

将直流无刷电机应用于自动验票闸门将极大改善现有自动验票闸门自身的不足，为人们提供更优质更便捷的服务。而用MC33033控制直流无刷电机也在保证调速性能的基础上有效降低了成本。综合直流无刷电机的各种优良特性，将低速无刷直流电机运用于自动验票系统将会成为未来的主流趋势。

参考文献

[1] 熊云海.地铁自动验票闸门宜人化探讨.中国科技信息2005年第7期

[2] 王家敏，陈德荣.基于DSP控制的无刷直流电机在轨道交通屏蔽门中的应用.《工业控制计算机》2004 年17 卷第1期

[3] 李倩，刘明基，李祥永.基于MC33033的无刷直流电动机速度控制

[4] 李士达.铁路自动检票机的设计与实现.铁路信息系统第15卷第3期

[5] 谭建成.直接驱动无刷直流电动机的研究.1995-2004