基于電子限位技術(shù)的管狀電機控制系統(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，黑龍江 哈爾濱 150000）

在管狀電機的控制系統(tǒng)中，常用于系統(tǒng)限位的方式有機械限位與電子限位。雖然機械限位的可靠性較強，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機械限位的缺陷，能夠用于體積要求較小的控制系統(tǒng)中。因此，對電子限位技術(shù)的應用分析很有必要。

1 限位裝置安裝

在管狀電機的控制系統(tǒng)中，常用的限位裝置有機械限位與電子限位。首先是機械限位，這種限位裝置具備較強的可靠性，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電一體化設(shè)備中。在管狀電機中應用的機械限位裝置主要是通過輸出軸帶動限位傳動輪運轉(zhuǎn)，再通過傳動輪實現(xiàn)機械限位的驅(qū)動。在機械限位裝置中，包括正向螺桿與反向螺桿2種，當限位傳動輪進行正向或者反向旋轉(zhuǎn)的時候，這兩組螺桿上安裝的螺絲會向相反的方向運動。如果到達了管狀電機所需的限位位置，螺絲會將安裝好的小型限位開關(guān)頂開，從而使管狀電機正反方向的其中一個電源斷開，以此停止管狀電機的運行。因為機械限位裝置會進行較長的外部運動行程，所以正反向的螺桿需要一定的長度，通常來說，螺桿的長度在15cm左右。然后是電子限位，在管狀電機中，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)的電機中間，并在管狀電機的輸出軸位置安裝與輸出軸共同旋轉(zhuǎn)的磁鋼安裝盤。當管狀電機進行旋轉(zhuǎn)時，磁鋼會與霍爾原件進行相對運動，使得管狀電機的旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)脈沖數(shù)。通常來說，可以通過將電子限位裝置安裝在電機的高速區(qū)域或者增加磁鋼的數(shù)量來提升限位精度。因為霍爾元件的安裝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，能夠彌補機械限位裝置的不足，需要將其進行推廣應用。具體的電子限位裝置見圖1。

圖1 卷簾機電子限位裝置示意圖

2 必要設(shè)備

管狀電機主要由交流電動機、減速箱與限位控制器3個部件組成。交流電動機能夠在短時間內(nèi)進行負載工作，充分利用了管狀電機的體積效能；減速箱具備體積小、傳動范圍廣、工作效率高以及運動平穩(wěn)等優(yōu)點；限位控制器主要分為機械限位裝置與電子限位裝置2種，傳統(tǒng)的管狀電機大都采用機械限位裝置，但是隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電子限位技術(shù)在管狀電機中的應用越來越廣泛。

3 電子限位技術(shù)的限位精度分析

管狀電機屬于垂直起降的設(shè)備，內(nèi)部安裝有停車制動裝置，但是在上行與下行這兩個方向上的慣性轉(zhuǎn)矩會對系統(tǒng)造成一定影響，上行與下行造成的影響有所不同。當上行停止運行后，管狀電機本身的重量基本能夠?qū)T性轉(zhuǎn)矩抵消掉；當下行停止運行后，在管狀電機本身的重量和慣性轉(zhuǎn)矩的共同作用下，設(shè)備將會出現(xiàn)滑動。在管狀電機的產(chǎn)品標準中明確指出，其限位精度要求整個行程在4mm以內(nèi)。根據(jù)實際的應用狀況與產(chǎn)品標準要求，設(shè)計人員在進行軟件設(shè)計時，可以在每次運行停止時，把計數(shù)器的關(guān)斷時間延長1s。也就是說，等到慣性小時之后，再將本次運行的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來。這種應用方式不僅可以保障設(shè)備的限位精度，還能夠避免電機瞬時正反轉(zhuǎn)為驅(qū)動器件造成較大的電流沖擊，延長管狀電機控制系統(tǒng)的使用壽命。

4 電子限位技術(shù)設(shè)計

4.1 電子限位技術(shù)應用硬件的設(shè)計

首先，主要芯片的選用。本文設(shè)計的管狀電機控制系統(tǒng)的控制核心為Atmel公司開發(fā)的89C2051單片機，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，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)計而成的遙控電路簡單便捷，按鍵和數(shù)據(jù)位可以很好地對應，還具備較高的可靠性。另外，控制系統(tǒng)的位置檢測主要通過霍爾元件C203來實現(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，通過驅(qū)動小型繼電器來實現(xiàn)管狀電機的控制。

然后，系統(tǒng)的組成。在管狀電機控制系統(tǒng)中，X25045芯片主要通過P3.0～P3.3這4根口線進行控制，以此實現(xiàn)“看門狗”電路的定期訪問以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲；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個按鍵主要通過P1.5～P1.7這3根口線連接三路放大器實現(xiàn)信號輸出，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，蜂鳴器主要用于應答遙控器發(fā)出的操作信號；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，通過二極管隔離的直流電壓主要通過P1.0以及P1.1與89C2051單片機中內(nèi)部模擬量比較器進行連接；在不同的容量條件下，C3和C4能夠在停電時，得到多種時間常數(shù)。

4.2 電子限位技術(shù)應用軟件的設(shè)計

首先，系統(tǒng)功能軟件的設(shè)計，管狀電機控制系統(tǒng)的功能軟件設(shè)計需要注意以下2點：其一，運動距離的限位參數(shù)需要具備自學習功能，該系統(tǒng)能夠通過長時間按動遙控器上的停止鍵5s，聽到應答聲后，進入到系統(tǒng)的自學習子程序。再通過正轉(zhuǎn)鍵控制管狀電機上行1次、通過反轉(zhuǎn)鍵控制管狀電機下行1次，同時采集系統(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)會被存入到X25045中。其二，當管狀電機控制系統(tǒng)正常運行時，正反轉(zhuǎn)會通過控制正轉(zhuǎn)鍵和反轉(zhuǎn)鍵實現(xiàn)管狀電機的正反轉(zhuǎn)，在判斷停止鍵有沒有按下停車的同時，將霍爾元件輸出的限位數(shù)據(jù)與自學習過程中記錄的脈沖數(shù)進行對比，以此實現(xiàn)限位停車。

然后，因為管狀電機的實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。所以管狀電機控制系統(tǒng)需要具備限位參數(shù)的自學習功能。此外，在停電的過程中，管狀電機控制系統(tǒng)需要將實時位置數(shù)據(jù)進行記錄。尤其是在運行過程中出現(xiàn)停電時，當下的限位參數(shù)必須要記錄下來。本文設(shè)計的管狀電機控制系統(tǒng)，主要應用89C2051內(nèi)置的模擬量比較器，通過一個二極管來實現(xiàn)電源電壓的隔離；再接入P1.0與P1.1，并在系統(tǒng)軟件中，通過定時中斷20ms對P3.6進行實時判斷；最后通過C3與C4共同組成的放電時間差來記錄停電瞬間系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

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

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