普通自动门的控制原理与改进

摘　要：本文简要介绍自动门系统的控制原理。根据自动门的控制要求，在现行常见的小型平移感应式自动门的控制基础上，提出相应的改进思路，使系统更具有完整性和实用性。

关键词：自动门; 控制原理; 改进

1．前言
     在一些公共场所，如大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼、超级市场、医院等，自动门已经是随处可见。自动门极大地方便了人们的进出，同时能很好地保留节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处。
     自动门可以说是已经进入我们的生活，而且会越来越广泛。自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常庞大，一般只用于有需要的高档宾馆。更多的地方使用的是自动平移门，能够完成基本所需的控制功能，而在价格上相对比较低不少。一般所说的自动门、感应门就是指普通的自动平移门。
     这里主要是简要介绍小型普通自动门的基本原理；同时在前人研究的基础上，提出了一些改进思路，以期使普通自动门控制系统更具有友好性与实用性。
2．普通自动门控制的基本要求
 2.1人或物体靠近门时
 （1）门处于关闭状态，控制器应驱动执行电机以最佳速度打开门；
 （2）门处于某一位置，控制器应根据门当前所在位置，以适当的速度驱动执行电机开门；
 （3）门处于开启状态，控制器应使门保持开启状态。
 2.2没有人或物体靠近门时
 （1）门处于开启状态，门应以最佳速度关闭；
 （2）门处于关闭状态，门保持关闭状态。
     以上就是常见的普通自动平移门的基本控制要求，若客户没有额外增加成本，生产厂家为了追求最大的利润，往往把一些其他功能给省略了，普通自动门就依据基本的控制要求来运作。
3．自动门控制原理
 3.1控制系统图
    一个普通的自动门的控制系统如图1，图中描绘了一个自动门系统各个部件之间的关系。下面简要分析此系统的主要部件和控制原理，然后讨论该控制系统的一些改进想法。

1图
 3.2普通平移式自动门控制原理
　3.2.1平移式自动门的组成部件：
 （1）主控制器：是自动门的指挥中心，接收感应探测器送来的检测信号，通过内部编有指令程序的大规模集成电路，发出相应指令，指挥电机工作；同时可通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。主控制器的设定决定了整个自动门系统的控制方案。早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，现多用单片机控制器或PLC控制器。
 （2）感应探测器：负责采集外部信号，当有移动的人或物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号，超声波（雷达）传感器和红外传感器是常用的两种信号源。红外传感器对物体存在进行反应，不管人员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号；超声波（雷达）传感器是对物体的位移反应，因而反应速度快。
 （3）动力电机：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。现行自动门的电机一般为直流电机。
 （4）常见传动部件：
     门扇行进轨道：约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进；
     门扇吊具走轮系统：用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行；
     同步皮带：用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统；
     下部导向系统：是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。
  3.2.2普通自动门的基本控制原理：
　（1）开门控制：感应探测器探测到有人或物体进入感应范围时，将感测信号转换为将脉冲信号，传给主控制器，主控制器判断后通知电机运行，同时监控电机转数，以便通知电机在一定时候加速和进入平缓运行。电机得到一定运行电流后作正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；
　（2）关门控制：门扇开启后，若感应探测器探测到有人或物体离开感应范围时，将感测信号转换为将脉冲信号，传给主控制器，主控制器判断后通知电机作反向运动，再由传动部件将动力传给吊具系统使关闭门扇。
　（3）关门途中开门控制：门扇在关闭过程中，这时感应探测器探测到又有人或物体进入感应范围时，主控制器判断后立即通知电机作正向运行，再由传动部件将动力传给吊具系统使门扇重新开启。
　如图2即为基本的控制原理流程图：
　
图2
4．普通自动门的控制特点与局限
     自动门控制系统是利用执行电机来带动自动门机械系统实现开关门。由于自动门系统工作环境和工作对象的特殊性，对控制精度要求并不是很高。故系统只要能保证开关门时实现快速、平稳、无较大冲击即可。普通自动门为了节省成本，便是以此为控制目的，完成简单的开门和关门功能，而缺少一些人性化的设计。
5．普通自动门的控制方案改进
    自动门的控制组成部分中关键是三大部件：感应探测器，主控制器，电机，分别对应于系统的检测，控制与执行。感应探测器现都采用超声波（雷达）传感器或红外传感器，技术上已经很成熟，下面主要是从控制方案入手，提出相应的改进思路。
 5.1控制功能的改进
    为了改进控制功能和增强用户的友好性，可对自动门控制增加以下功能。
　（1）增加手动附加控制开关
     有时候在停电时，或系统出现故障时，能保证门扇可以人工打开或关闭，故应增加手动开关。原理：手动开门—自动门—手动关门。
　（2）根据时间或方向将门打开
     例如：银行在营业时间，自动门双向开门；在不营业时，只有从内往外走时，门才能打开。
  （3）障碍感知记忆功能
    当门扇做开闭功能时如撞到人或物体时，门会自动向反方向运行，并记录前次障碍物的位置，在下次开关过程中，接近前次障碍物时，会提前减速以确保安全，如障碍物已移除，自动门应能自动修正参数，恢复正常的控制过程。
　（4）能判断进门（或出门）人员的状态
    很多时候，在门附近的人员不想进门（或出门）而静止不动，自动门应能作出判断，一定时间内自动门就会关闭，对门机起到保护作用。同理，能判断出站立在门中央的人员的状态。
　（5）对站在门内的人员应能发出语音提示
     有时候有人会站立在门中央而不动，这时候自动门应能以蜂鸣器提示自动门需要关闭，以防出现夹人现象。
     以上五点的改进思路中，都可以通过对主控制器的程序设置来达到目的，而且几乎没有增加新的成本。其中在（4）、（5）点的改进中，感应探测器需采用超声波传感器或微波传感器，对超声波传感器作一定的设置，将检测到的变化信号反复送到主控制 器，由主控制器作出判断，再驱动电机，便可完成相应的功能。
 5.2控制策略的改进
     自动门的控制策略是指自动门的主控制器与动力电机之间控制关系。
     普通自动门的控制思路可由以下开门/关门速度曲线来体现：
  （1）开门速度曲线：
　　
                        图3 
　（2）关门速度曲线：
　　
                        图4
      
     下面以开门为例，简单分析其控制策略：
     1、常见控制情况，如图3。当人员或物体靠近自动门时，感应探测器将感知信号发送回主控制器，主控制器发出开门信号：在A1段，表示在控制信号的调节下，电机作加速运转，门扇打开速度在很短时间内由零加速到最大；在B1段，电机匀速运转，门扇以最大速度打开，一直到完全打开；在C1段，门扇受限位开关的作用，此时限位感应器将限位信号送回主控制器，从而控制电机停转，门扇立即停止打开。
     2、若在关门的途中有人靠近需要重新开门，如图3，图4。感应探测器将感知信号发送回主控制器，主控制器控制由B2段立即进入C2段，电机马上停转，重新转入A1段进行控制。
     关门的控制策略亦然。
     从上述控制策略中可看出，系统有两个需要改进的地方：（1）对动力电机和门扇（包括传动部件）的保护措施不够，冲击性较大，需要采用质量要求很高的设备和材料，无形增加了投入成本；（2）对人或物体缺少智能化的响应。
     根据上述讨论，提出以下改进的控制策略，开门/关门速度曲线如下：
　（3）改进后的开门速度曲线
　　
                        图5
　（4）改进后的关门速度曲线
  
　　　                  图6
　　　由改进的开门/关门速度曲线上，可以看出：
　　　1．电机和门扇系统的运作有足够的平滑性，有效减少其冲击力，起到保护的作用；
　　　2．而由关门速度曲线上，可以看出，关门时保留一定的时间余量，避免系统的频繁开关；
　　　3．而在关门（或开门）的途中有人靠近需要重新开门（或关门）时，门扇是先减速关门（或开门），接着停下来，然后再重新加速开门（或关门），显然这可以对人体起到一定的保护作用。
　　　以上的改进策略均可以通过设置调节主控制器的程序和参数来达到要求。
6．结束语
     对于小型普通自动门的控制系统，以上的改进是在保持原有投入成本（或不大幅度增加投入成本）的基础提出的，通过改进，能更好的发挥系统的潜能，有着较好的实用前景。

[参考文献]
[1]吴玉香等，交流变频电机在自动门控制系统中的应用，2006(3)
[2]刘朝晖，可编程控制器在自动门控制中的应用，2004（1）

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