基于電子限位技術(shù)的管狀電機(jī)控制系統(tǒng)探究

高帥，楊家武，蔣宗祥，劉丹丹，郭琳，姚樹偉，王博，通訊作者：張東煜

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

在管狀電機(jī)的控制系統(tǒng)中，常用于系統(tǒng)限位的方式有機(jī)械限位與電子限位。雖然機(jī)械限位的可靠性較強(qiáng)，但是體積比較大，很容易出現(xiàn)磨損且限位調(diào)整較為繁瑣。而電子限位能夠彌補(bǔ)機(jī)械限位的缺陷，能夠用于體積要求較小的控制系統(tǒng)中。因此，對(duì)電子限位技術(shù)的應(yīng)用分析很有必要。

1 限位裝置安裝

在管狀電機(jī)的控制系統(tǒng)中，常用的限位裝置有機(jī)械限位與電子限位。首先是機(jī)械限位，這種限位裝置具備較強(qiáng)的可靠性，但是體積比較大，很容易出現(xiàn)磨損，而且限位調(diào)整比較繁瑣，不夠便捷。這種限位裝置常用于機(jī)電一體化設(shè)備中。在管狀電機(jī)中應(yīng)用的機(jī)械限位裝置主要是通過(guò)輸出軸帶動(dòng)限位傳動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)，再通過(guò)傳動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)機(jī)械限位的驅(qū)動(dòng)。在機(jī)械限位裝置中，包括正向螺桿與反向螺桿2種，當(dāng)限位傳動(dòng)輪進(jìn)行正向或者反向旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，這兩組螺桿上安裝的螺絲會(huì)向相反的方向運(yùn)動(dòng)。如果到達(dá)了管狀電機(jī)所需的限位位置，螺絲會(huì)將安裝好的小型限位開關(guān)頂開，從而使管狀電機(jī)正反方向的其中一個(gè)電源斷開，以此停止管狀電機(jī)的運(yùn)行。因?yàn)闄C(jī)械限位裝置會(huì)進(jìn)行較長(zhǎng)的外部運(yùn)動(dòng)行程，所以正反向的螺桿需要一定的長(zhǎng)度，通常來(lái)說(shuō)，螺桿的長(zhǎng)度在15cm左右。然后是電子限位，在管狀電機(jī)中，電子限位裝置主要是將三端霍爾元件安裝在減速箱與管狀結(jié)構(gòu)的電機(jī)中間，并在管狀電機(jī)的輸出軸位置安裝與輸出軸共同旋轉(zhuǎn)的磁鋼安裝盤。當(dāng)管狀電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鋼會(huì)與霍爾原件進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得管狀電機(jī)的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)脈沖數(shù)。通常來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)將電子限位裝置安裝在電機(jī)的高速區(qū)域或者增加磁鋼的數(shù)量來(lái)提升限位精度。因?yàn)榛魻栐陌惭b盤與磁鋼安裝盤之間的距離在6mm左右，所以電子限位裝置所占的體積非常小，能夠彌補(bǔ)機(jī)械限位裝置的不足，需要將其進(jìn)行推廣應(yīng)用。具體的電子限位裝置見圖1。

圖1 卷簾機(jī)電子限位裝置示意圖

2 必要設(shè)備

管狀電機(jī)主要由交流電動(dòng)機(jī)、減速箱與限位控制器3個(gè)部件組成。交流電動(dòng)機(jī)能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行負(fù)載工作，充分利用了管狀電機(jī)的體積效能；減速箱具備體積小、傳動(dòng)范圍廣、工作效率高以及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)；限位控制器主要分為機(jī)械限位裝置與電子限位裝置2種，傳統(tǒng)的管狀電機(jī)大都采用機(jī)械限位裝置，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子限位技術(shù)在管狀電機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

3 電子限位技術(shù)的限位精度分析

管狀電機(jī)屬于垂直起降的設(shè)備，內(nèi)部安裝有停車制動(dòng)裝置，但是在上行與下行這兩個(gè)方向上的慣性轉(zhuǎn)矩會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成一定影響，上行與下行造成的影響有所不同。當(dāng)上行停止運(yùn)行后，管狀電機(jī)本身的重量基本能夠?qū)T性轉(zhuǎn)矩抵消掉；當(dāng)下行停止運(yùn)行后，在管狀電機(jī)本身的重量和慣性轉(zhuǎn)矩的共同作用下，設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)。在管狀電機(jī)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中明確指出，其限位精度要求整個(gè)行程在4mm以內(nèi)。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用狀況與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以在每次運(yùn)行停止時(shí)，把計(jì)數(shù)器的關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)1s。也就是說(shuō)，等到慣性小時(shí)之后，再將本次運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。這種應(yīng)用方式不僅可以保障設(shè)備的限位精度，還能夠避免電機(jī)瞬時(shí)正反轉(zhuǎn)為驅(qū)動(dòng)器件造成較大的電流沖擊，延長(zhǎng)管狀電機(jī)控制系統(tǒng)的使用壽命。

4 電子限位技術(shù)設(shè)計(jì)

4.1 電子限位技術(shù)應(yīng)用硬件的設(shè)計(jì)

首先，主要芯片的選用。本文設(shè)計(jì)的管狀電機(jī)控制系統(tǒng)的控制核心為Atmel公司開發(fā)的89C2051單片機(jī)，并選用X25045芯片，提升控制系統(tǒng)的抗干擾能力與纖維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。作為XICOX公司的“看門狗”電路，X25045芯片內(nèi)置4k位的EEPROM，采用8腳封裝方式。與此同時(shí)，控制系統(tǒng)中的遙控電路主要將2262/2272作為核心組件，以此設(shè)計(jì)而成的遙控電路簡(jiǎn)單便捷，按鍵和數(shù)據(jù)位可以很好地對(duì)應(yīng)，還具備較高的可靠性。另外，控制系統(tǒng)的位置檢測(cè)主要通過(guò)霍爾元件C203來(lái)實(shí)現(xiàn)，交流/直流輸出區(qū)域主要選用LM1413集成放大芯片或者晶體管放大器，通過(guò)驅(qū)動(dòng)小型繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)管狀電機(jī)的控制。

然后，系統(tǒng)的組成。在管狀電機(jī)控制系統(tǒng)中，X25045芯片主要通過(guò)P3.0～P3.3這4根口線進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)“看門狗”電路的定期訪問以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；控制系統(tǒng)的遙控器采用3鍵控制（包括停止鍵、正轉(zhuǎn)鍵以及反轉(zhuǎn)鍵），這3個(gè)按鍵主要通過(guò)P1.5～P1.7這3根口線連接三路放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出，其中，有兩路放大器用于繼電器的控制，另一路放大器用于蜂鳴器的控制，蜂鳴器主要用于應(yīng)答遙控器發(fā)出的操作信號(hào)；控制系統(tǒng)中的霍爾元件C203屬于集電極開路，是一種三端器件，主要接入系統(tǒng)的集電極電阻R9。另外，在控制系統(tǒng)中，通過(guò)二極管隔離的直流電壓主要通過(guò)P1.0以及P1.1與89C2051單片機(jī)中內(nèi)部模擬量比較器進(jìn)行連接；在不同的容量條件下，C3和C4能夠在停電時(shí)，得到多種時(shí)間常數(shù)。

4.2 電子限位技術(shù)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)

首先，系統(tǒng)功能軟件的設(shè)計(jì)，管狀電機(jī)控制系統(tǒng)的功能軟件設(shè)計(jì)需要注意以下2點(diǎn)：其一，運(yùn)動(dòng)距離的限位參數(shù)需要具備自學(xué)習(xí)功能，該系統(tǒng)能夠通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間按動(dòng)遙控器上的停止鍵5s，聽到應(yīng)答聲后，進(jìn)入到系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)子程序。再通過(guò)正轉(zhuǎn)鍵控制管狀電機(jī)上行1次、通過(guò)反轉(zhuǎn)鍵控制管狀電機(jī)下行1次，同時(shí)采集系統(tǒng)上端限位以及下端限位的相關(guān)數(shù)據(jù)。這里的限位數(shù)據(jù)指的是霍爾元件輸出的脈沖數(shù)，采集到的限位數(shù)據(jù)會(huì)被存入到X25045中。其二，當(dāng)管狀電機(jī)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，正反轉(zhuǎn)會(huì)通過(guò)控制正轉(zhuǎn)鍵和反轉(zhuǎn)鍵實(shí)現(xiàn)管狀電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，在判斷停止鍵有沒有按下停車的同時(shí)，將霍爾元件輸出的限位數(shù)據(jù)與自學(xué)習(xí)過(guò)程中記錄的脈沖數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以此實(shí)現(xiàn)限位停車。

然后，因?yàn)楣軤铍姍C(jī)的實(shí)際安裝位置有所不同，其具備的限位參數(shù)也存在一定差異。所以管狀電機(jī)控制系統(tǒng)需要具備限位參數(shù)的自學(xué)習(xí)功能。此外，在停電的過(guò)程中，管狀電機(jī)控制系統(tǒng)需要將實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。尤其是在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)停電時(shí)，當(dāng)下的限位參數(shù)必須要記錄下來(lái)。本文設(shè)計(jì)的管狀電機(jī)控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用89C2051內(nèi)置的模擬量比較器，通過(guò)一個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)電源電壓的隔離；再接入P1.0與P1.1，并在系統(tǒng)軟件中，通過(guò)定時(shí)中斷20ms對(duì)P3.6進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷；最后通過(guò)C3與C4共同組成的放電時(shí)間差來(lái)記錄停電瞬間系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電子限位技術(shù)在管狀電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)管狀電機(jī)的小型化。分析可得，通過(guò)對(duì)電子限位的應(yīng)用分析可知，有關(guān)人員可以根據(jù)窗簾機(jī)與卷簾機(jī)的慣性轉(zhuǎn)矩進(jìn)行電子限位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并保障控制系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)功能及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，這樣才能有效地控制管狀電機(jī)，提升限位精度，為窗簾機(jī)與卷簾機(jī)的用戶提供更好的產(chǎn)品體驗(yàn)。

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