摘要：随着高速公路的快速发展，高速公路的收费模式也在发生变化。交通部从2007年起，开始试点推行ETC收费（即电子不停车收费），到2010年起，ETC收费方式开始进入快速发展期。按照交通部的标准，ETC车道车辆通过设计时速为20km/h,按此要求，栏杆机的单程起落时间不能超过0.6S。原有的电动栏杆机，采用交流电机减速机技术，速度最快只能达到0.9S,已经远远不能满足ETC收费的需求。市场上对0.6S的栏杆机需求很大，受困技术问题，快速电动栏杆机的市场被几家外国公司垄断。本文介绍了一种基于步进电机的快速电动栏杆机解决方案，经过实际应用，取得了良好的社会效益和经济效益。
关键词：步进电机；快速栏杆机；控制器；解决方案
一、硬件介绍
1.电动栏杆机一般由箱体、机芯、控制系统、栏杆臂四部分组成。
箱体：由机帽、机箱组成。材料一般选用2mm厚度以上Q235钢板，表面经过磷化喷塑处理、箱体颜色选择比较醒目的橘黄色或者其它颜色。
机芯：由免维护一体化步进电机，三连杆传动机构、基座、主轴、分布式平衡弹簧等组成。
控制系统：由主控器、驱动器、车检器组成。其结构采用单元组装式，主控器、车检器分别安装在可翻转控制底板的导轨上。
栏杆臂：采用碳素纤维组成，表面采用聚酯泡沫材料包裹，具有重量轻、弹性好、耐冲击的特点。杆体颜色白色，杆体两侧表面贴有红色工程级反光膜，标准杆长3米左右。栏杆臂与栏杆机主轴之间装有回转装置，在栏杆臂受撞击时可以转开，减轻对车辆和栏杆的损坏。
2.其中控制系统和机芯是核心部分。我们重点向大家介绍一下。
快速栏杆机的机芯由免维护一体化步进电机，三连杆传动机构、基座、主轴、分布式平衡弹簧等组成。免维护一体化步进电机，是一个由15牛米的步进电机和一台8比1的减速机整合而成，该一体机，具有输出力矩大（最大可达120牛米）、使用寿命长、耐候性好、免维护等优点。传动部分采用三连杆机构，具有架构简单、可靠性高、使用寿命长等优点，非常适合控制栏杆臂起落。分布式平衡弹簧，可以根据栏杆臂的长短和重量，调整弹力，一般要求做到45度平衡，目的是减轻电机的负担。同时在断电的时候，能够利用弹簧的拉力，自动将栏杆臂回复到抬杆状态，保证车辆正常通行。
3.控制系统主要包括三个部分：主控器、驱动器、车检器。
主控器是整个栏杆机的核心控制部分，我们采用基于ARM核心的STM32F103为核心控制芯片，该芯片具有运算速度快、外围接口多、存贮空间大、成本低廉等优点。而且该芯片已经面试多年，质量稳定、供货周期短等。支持串口程序升级，可以在线实时升级程序，兼容性好。
控制器的主要功能是接受上位机发送的抬杆、落杆命令，控制栏杆臂的起落。同时具有防砸功能，在车检信号给出车辆存在信号时，确保栏杆臂处于抬杆状态。在下落的过程中如果检测到车辆驶入，需要将栏杆臂迅速抬起。
4.控制器负责工作模式的选择。一般现在栏杆机的工作模式主要有三种：
一是手动模式：即栏杆臂的抬起和落下全部依靠外界命令输入。
二是自动模式：自动模式一般指自动落杆模式，即收到抬杆命令后，栏杆臂抬起；在车辆通过之后，无需命令，即可自动落杆。自动模式也支持手动落杆，即栏杆臂抬起后，如果没有车辆通过，通过落杆命令，也可以落杆。
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三是自检模式：无需外接控制信号，进入此模式，自动不停执行抬杆和落杆命令，该模式主要是用于栏杆机的故障检测和调试老化。
工作模式的选择一般建议采用拨码开关设置，同时控制器设置有抬杆命令、落杆命令、抬杆状态、落杆状态、车辆指示等各种指示灯，可以直观明了的了解其工作状态，非常方便现场人员的安装和调试。
驱动器的选择一般都是与步进电机配套工作。可以选择闭环的伺服电机和驱动器；也可以选择开环的驱动器和步进电机。两者各有优缺点，闭环系统可以确保不丢步，位置精确，电流自动调整，但是故障率稍高，机械部分发生故障时，需及时处理，否则电机容易损坏。开环系统容易丢步，电流根据负载情况，需要人工预制，不够智能，但是当机械结构损坏后，可以堵转运行，相对皮实。我们在本方案中选择开环系统。
驱动器根据需要，设置细分频率和电流值。我们可以通过拨码开关简单的完成设置。本方案中，我们一般设置成细分频率为4000步/转，电流4.6A左右。
车检器一般用来检测车辆的存在，一个是提供防砸信号，一个自动模式下检测车辆通过后自动落杆。现在公路收费应用最多的还是线圈检测，即在路面上放置一个线圈电感量必须在70uH至1000uH之间的电感线圈，当车辆通过的时候，由于电感量发生变化，线圈的震荡频率会随之减低，即可检测到车辆是否通过。通过调整检测频率的百分比，可以调整车检器的检测灵敏度。该方法简单、可靠、成本低，不受外界环境的影响；缺点是需要破坏路面，施工比较麻烦。现在还有厂家陆续开发了红外对射的车检器、微波车检器等，其施工比较简单，但缺点是容易受到外界环境的影响，在雨、雾天气，容易出现误检情况。微波的车检器只能检测移动的物体，当车辆因故长时间停留时，容易砸车。
二、软件设计
快速栏杆机由于起落速度快，如果采用传统的刹车方式，会存在的起落不平稳、终点弹跳、机械冲击大、齿轮寿命短等问题。我们根据步进电机的特点，决定采用S型加减速程序。
一般步进电机的加/减速运行方式是指电机首先以一个较低的速度启动，经过一个加速过程后达到正常的驱动脉冲速度，运行一段时间之后再经过一个减速过程后电机停止的运行方式。其定位时间包括加速时间、减速时间和以驱动脉冲速度运行的时间。加/减速时间需要根据传送距离、速度和定位时间来计算。在快速栏杆机的程序设计中，因为其运行时间短，基本上小于0.6S,基本没有正常的驱动速度时间，只需要考虑加速时间和减速时间就可以。
我们采用的电机和驱动器，其细分频率为4000步/转，考虑到减速比大约为8:1，可以计算出栏杆机单次起落的步数大约为16000步。采用S型加减速设计程序，要考虑到启动速度、加速度、加加速度、减速度、减减速度、停止速度等各个参数，建立完整的电机曲线模型。
由于栏杆机具有防砸功能，当车检器检测到有车的时候，必须马上停止下落，迅速抬起。因此程序设计中要考虑到小于16000步的情况。必须能够实时建立多个数据模型。在电机运行的过程中，时刻记录的电机运行步数。当下落的过程中检测到车辆存在时，首先启动刹车程序，在根据栏杆的下落步数，重新计算抬杆模型，启动抬起程序。在车检信号显示无车时，再次执行落杆命令。
由于我们采用的是开环的步进电机，所以在产品的设计过程中，选择使用抬杆到位检测，即栏杆机上电后，栏杆臂初始化的过程中，会检测是否抬杆到位。如果抬杆到位信号为高，表示初始化完成；否则继续执行抬杆命令。在实际运行过程中，即每次抬杆命令执行后，也都会检测栏杆臂是否处于抬杆初始位置，保证起落的精度符合国家标准。
栏杆机的软件设计，以S型加减速技术为基础，通过实际测试，建立完整的数学模型，可以自由的控制起落时间，完美的实现了栏杆的低速启动、高速运行、减速刹车、慢速停靠。经过我们的测试，起落时间完全可以到0.6S以内。按照此方案生产的快速电动栏杆机经过国家交通安全设施质量监督检验中心测试，其各项技术指标完全符合国家标准的要求，能够满足高速公路ETC不停车收费的需求。
论文作者:齐飞,王聘
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/10
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