基于步進電機控制的大空間火災精確定位原理設計

莫本團

(佛山市南海天雨智能滅火裝置公司，廣東佛山，528200)

基于步進電機控制的大空間火災精確定位原理設計

莫本團

(佛山市南海天雨智能滅火裝置公司，廣東佛山，528200)

常規(guī)噴淋滅火系統(tǒng)的保護凈空高度在8m以內。而在今天，大型車站、機庫、倉庫、電視塔的超級工程出現，新的挑戰(zhàn)也隨之出現，經過人們的不段探索和努力另一個消防領域應運而生，那就是大空間場所智能消防系統(tǒng)?！按罂臻g場所”是指民用和工業(yè)建筑內凈空高度大于8m，倉庫建筑物內凈空高度大于12m的場所（中國工程檢測協(xié)會標準《大空間智能型主動噴水滅火系統(tǒng)技術規(guī)程》CECS 263:2009規(guī)定）。

傳動部件；滅火裝置；空間定位

0 引言

面對“大空間場所”挑戰(zhàn)，只有將紅外/紫外傳感技術、信號處理技術、通訊控制技術、計算機技術和機械傳動技術有機地結合在一起的“大空間滅火裝置”才能滿足要求：“大空間滅火裝置”全天候自動監(jiān)測保護范圍內的火災，同時具有重復啟閉功能。一旦發(fā)生火災，滅裝置立即精確定位火災的空間坐標，中央控制器發(fā)出指令，發(fā)出火警信號，同時啟動水泵、打開閥門，滅火裝置對準火源進行射水滅火，火源撲滅后，中央控制器再發(fā)出指令停止射水。若有新的火源，滅火裝置將重復上述過程，待全部火源被撲滅后重新回到監(jiān)控狀態(tài)。

1 關鍵傳動部件選型比較

滅火裝置對火源進行水平方向和垂直方向的XY二維掃描的機械傳動部分現有技術一般采用AC220V永磁同步電機和直流減速電機。永磁同步電機和直流減速電機優(yōu)點是電路設計簡潔成本低廉，用可控硅控制永磁同步電機正反轉，用繼電器或者MOS管搭建“H橋”控制直流減速電機正反轉，但是在工程安裝應用中發(fā)現這兩種電機內部變速齒輪組比較脆弱且電機軸是咬死狀態(tài)，若人為逆向擰動裝置，很小的一個力通過杠桿原理放大后最終施加在電機上會造成內部齒輪組損壞。并且永磁同步電機和直流減速電機都是通過加于其兩極的電壓時間控制其轉動角度，滅火裝置受施加電壓時間的精度、反向電動勢以及累積誤差的影響較大。舉個例子，以某一條線為中心，左右偏轉相同角度β°，當重復10次后，左右偏轉線已經偏移了中心線且左右偏轉角≠β°，這就是反向電動勢和誤差積累的緣故，目前只能用軟件進行補償。

采用步進電機就可以彌補永磁同步電機和直流減速電機的缺點。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，通過控制施加在電機線圈上的電脈沖順序、頻率和數量，可以實現對步進電機的轉向、速度和旋轉角度的控制，配合以直線運動執(zhí)行機構或齒輪箱裝置，更可以實現更加復雜、精密的線性運動控制要求。一般步進電機的精度為步進角的3～5%，且不累積。步進電機在不通電或脫機狀態(tài)下，電機軸是自由轉動的，這樣裝置轉動部位不受逆向外力作用而損壞。

2 系統(tǒng)組成設計

滅火裝置系統(tǒng)組成如下圖1所示，主要由:UV紫外啟動組件、IR1紅外水平定位組件、IR2紅外垂直定位組件、MCU微控制器、THB19C8雙電機驅動模塊、水平及垂直步進電機組成。步進電機驅動采用高集成度的THB19C8型PWM斬波型雙極性正弦步進電機微步驅動模塊，可同時控制2只兩相混合式步進電機，最高16細分，最大電壓50VDC,單路最大輸出電流5A。滅火裝置在額定工作壓力0.6Mpa、額定流量5L及射程35m時后坐力達到30KG.M。選用1.8度的1.2N.M兩相步進電機，考慮冗余后，機械齒輪傳動比須為50。那么THB19C8設置16細分時精度為0.0025度/步（α=1.8÷16÷50=0.00225度），4細分時0.009度/步。

3 空間定位原理

為了更好地理解滅火裝置的對火源的定位原理，在滅火裝置的保護空間內，設置了幾個參考點和參考線，見下圖2。這些參考點和參考線包括。

圖1 滅火裝置系統(tǒng)組成簡圖

原點O（滅火裝置的地面投影）；

水平角起始線OB(水平掃描狹縫所在平面與地平面的相交線）；

垂直角起始線OA（裝置頂部進水管所在的線與地平面的垂直線）；

水平目的線OC（火焰水平中心線）；

垂直目的線AC；

水平角∠BOC；

垂直角∠OAC。

有了上面的定義，滅火裝置保護范圍內的任一點都可以由水平角∠BOC和垂直角∠OAC這兩個XY坐標參數來確定。簡單地說，所謂“定位”，就是將滅火裝置的射水槍口對準水平角為∠BOC，垂直角為∠OAC的點。而∠BOC和∠OAC由火源的位置隨機確定。

滅火裝置上設有IR1水平定位傳感器組件和IR2垂直定位傳感組件。當發(fā)生火災時，UV紫外啟動傳感組件（與裝置一體化安裝）發(fā)出信號，裝置上的CPU確認后發(fā)出指令驅動THB19C8控制裝置X方向轉動進行水平掃描，在掃描過程中，一旦IR1水平定位傳感組件與火源相對，IR1定位傳感組件會發(fā)出信號，CPU經過分析處理后發(fā)出指令將THB19C8的水平電機驅動部分設置到半電流自鎖狀態(tài)使裝置水平方向剎車停止水平掃描，此時，確定了水平角∠BOC；然后CPU又發(fā)出指令驅動THB19C8控制裝置帶射水槍和IR2垂直定位傳感組件進行垂直方向掃描。在掃描過程中，一旦IR2定位傳感組件與火源相對，IR2定位傳感組件會發(fā)出信號，CPU經過分析處理后發(fā)出指令將THB19C8的垂直電機驅動部分設置到半電流自鎖狀態(tài)使裝置垂直方向剎車停止垂直掃描，此時，確定了垂直角∠OAC。至此，裝置已經找到了火源的水平角∠BOC和垂直角∠OAC，由于射水槍與∠BOC和∠OAC定位傳感組件是同步聯動的，射水槍口也就自然對準了火源。打開閥門、啟動水泵就可射水滅火了。

圖2 滅火裝置定位原理說明

4 結束語

基于步進電機及THB19C8高集成度驅動模塊做為動力部件實現大空間火災精確定位，在高大空間消防領域具有舉足輕重的意義，即實現了遠距離精確定位滅火功能，在一定程度上保障了人們生命財產安全。

[1]中國工程建設標準化協(xié)會.大空間智能型主動噴水滅火系統(tǒng)技術規(guī)程.CECS263:2009.

[2]中華人民共和國國家標準.自動跟蹤射流滅火系統(tǒng).GB25204-2010.

Design of precise positioning of large space fire based on stepping motor control

Mo Bentuan
(Foshan Nanhai Tianyu intelligent fire extinguishing equipment company, Foshan Guangdong, 528200)

The protection of conventional spray extinguishing system headroom within 8 m. Today, super large station, garage, warehouse, TV tower engineering, new challenges have emerged, after people’s not period of exploration and efforts to another fire area arises at the historic moment, is the large space intelligent fire control system.“Big Spaces” refers to the civil and industrial buildings headroom is more than 8 m, warehouse buildings headroom is greater than 12 m.(China association of engineering test standard“regulations of technology of large space intelligent active sprinkler system” CECS 263:2009).

Driving part; Fire extinguishing system; Spatial orientation