基于霍爾檢測的開關(guān)門智能防夾控制技術(shù)研究

賀杰 周宏明

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528300

1 引言

隨著我國家電產(chǎn)品的全面數(shù)字化、全面智能化，采用滑動開關(guān)門裝置柜式空調(diào)器的智能防夾技術(shù)研究變得越來越重要，現(xiàn)有光電檢測技術(shù)通過安裝光柵條的發(fā)光管和受光管間隔透光來產(chǎn)生反饋信號，再檢測高電平或低電平持續(xù)時間來判斷防夾[1]，但此類裝置安裝難度較大，檢測時間較長，靈敏度較低；另外通過電感與電容并聯(lián)諧振電路來檢測夾住障礙物后金屬片阻抗變化的原理來判斷防夾[2]，但此類裝置會對金屬片造成不可恢復(fù)的形變或徹底損壞而使檢測功能失效，而且不適用于安裝在活動開關(guān)門上，并且不能檢測開門過程中的防夾。

本文研究技術(shù)通過安裝多極磁環(huán)于滑動開關(guān)門的驅(qū)動齒輪上，門板運動時將同步帶動磁環(huán)轉(zhuǎn)動，同時多極磁環(huán)附近布置霍爾，門板運動時多極磁環(huán)上的N、S磁極交替經(jīng)過霍爾上方，產(chǎn)生高低電平，電平持續(xù)時間由門板運動速度決定。當(dāng)門板受阻停滯時，電平持續(xù)時間拉長并超過正常持續(xù)時間，空調(diào)器通過比較該持續(xù)時間判斷為異物卡住或夾住手指，同時驅(qū)動門板反向加速彈開。開關(guān)門智能防夾檢測機構(gòu)原理示意圖如圖1所示。·

2 傳感器安裝

傳感器相對多極磁環(huán)的安裝位置如圖2所示。

磁極分布用S1，N1，S2，N2表示，當(dāng)霍爾1的中心線對準S1、N1的交界線時，霍爾2必須對準其中S1或者N1的中心，如圖3(a)所示；當(dāng)磁環(huán)磁極較窄小或者傳感器體積較大無法滿足該設(shè)計要求時，霍爾2可以間隔一個對準S2的中心，如圖3(b)所示。

傳感器之間的中心距離d的計算公式如下：

其中：D為磁環(huán)直徑、N為磁環(huán)極數(shù)、L為傳感器與磁環(huán)的距離。

本文研究技術(shù)方案采用直徑40 mm的48極磁環(huán)、SOT23標(biāo)準封裝的霍爾傳感器和圖3(a)的傳感器安裝方式，并通過考慮結(jié)構(gòu)公差影響帶來的偏移，設(shè)計傳感器和磁環(huán)的距離L=0.8 mm。通過實驗驗證該方案在達到最佳倍頻效果的同時，也能保證轉(zhuǎn)動過程中霍爾傳感器不會和磁環(huán)接觸。

3 檢測精度

3.1 最小檢測寬度計算

最小檢測寬度的理論計算公式如下：

其中：L為每個脈沖對應(yīng)的距離，Nd為活動門板的個數(shù)，n為避檢區(qū)脈沖的個數(shù)，δ為門板活動綜合誤差，β為門板交錯間隙。

每個脈沖對應(yīng)的距離L的理論計算公式如下：

其中：D磁環(huán)直徑，N為磁環(huán)極數(shù)，A為齒輪傳動比，nh為霍爾傳感器的個數(shù)（倍頻系數(shù)）。

式（4）中活動門板的個數(shù)指的是被電機驅(qū)動的門板的數(shù)量，如果左右門板都在運動則Nd=2，如果固定一邊只有一邊的門板在動則Nd=1，類似單開門如圖4(a)、圖4(b)和對開門如圖4(c)。

圖4(b)的情況雖然左右兩邊的門板都有移動，但在中間有一段固定不動的區(qū)域，所以相當(dāng)于兩個單開門的設(shè)計組合在一起，也按Nd=1計算，對應(yīng)這種情況左右門需要各安裝1個檢測組件分別檢測。

式（4）中的門板交錯間隙β指的是左右門板交錯重疊的距離，如圖5所示。圖5(a)表示的是左右門板無交疊區(qū)的情況，圖5(b)和圖5(c)分別表示兩種不同的交疊方式。

交疊區(qū)的存在增大了整個檢測的容差性，推薦在不影響外觀的情況下盡可能的增大交疊區(qū)的寬度。通過測量左右門板重疊部分的寬度得到交疊區(qū)β，如圖5(d)所示。

門板綜合誤差δ測量方式如下：

其中：M為在開門狀態(tài)下用手輕推門板確保同時齒輪沒有轉(zhuǎn)動的情況下測量門板移動的最大距離。

圖1 開關(guān)門智能防夾檢測機構(gòu)原理示意圖

圖2 傳感器安裝示意圖

圖3傳感器相對磁極安裝位置

圖4 電機驅(qū)動門板的數(shù)量情況

某參考X機型中由于兩扇門對開的形式已經(jīng)確定，所以N=2，測量得到δ=2.5 mm，β=2 mm，在齒輪組件已經(jīng)固定不能改動的情況下A=1:1，使用直徑40 mm的48極磁環(huán)，使用兩個霍爾檢測，根據(jù)公式（4）和公式（5）計算如下：

圖5 左右門板交錯的重疊距離

圖6 示波器測試夾物區(qū)脈沖

3.2 最小檢測寬度優(yōu)化

已經(jīng)計算得到某參考X機型在不改動結(jié)構(gòu)的情況下可以做到的最小檢測精度是8.2 mm，下一步說明如何通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)進一步提高檢測精度。

在前面的基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以進一步降低最小檢測寬度，將檢測最小寬度降低至6 mm作為設(shè)計目標(biāo)，具有以下改進方案：

（1）使用一邊門板固定，一邊門板固定的方案。此時在式（8）中N=1。

（2）加長交疊區(qū)的長度。在式（8）的基礎(chǔ)上把交疊區(qū)加長到4 mm。

（3）改變齒輪傳動比，齒輪傳動比改成2:1。

選擇優(yōu)化方案時可以綜合幾種方案同時進行，或者考慮結(jié)構(gòu)和外觀限制后選擇其中可行的方案。避檢區(qū)脈沖個數(shù)越多，出現(xiàn)夾死的概率越低。

本文研究技術(shù)方案通過對所安裝2個霍爾傳感器的檢測信號進行異或，將檢測信號進行倍頻的方法提高檢測精度，并設(shè)計齒輪傳動比為3.5:1，同時增加避檢區(qū)脈沖個數(shù)為3，改變設(shè)計參數(shù)，提高檢測可靠性同時實現(xiàn)目標(biāo)最小檢測寬度如下：

4 反應(yīng)靈敏度

4.1 最大反應(yīng)時間計算

判斷為異物卡住或夾住手指后需要快速做出反應(yīng)將對機器損害和人體傷害降到最低，使用本技術(shù)進行檢測的反應(yīng)時間T的理論計算公式如下：

由于理論計算和實際值有一定的差異，故乘以一個延時系數(shù)α確保設(shè)計數(shù)據(jù)能達到使用要求，同時脈沖長度不均勻也會造成設(shè)計上的誤差需要進行修正，修正后的公式如下：

其中：α為延時系數(shù)，θ為倍頻誤差系數(shù)。

延時系數(shù)α源于實際測量和理論值的差異，按2倍計算；倍頻誤差系數(shù)是由于結(jié)構(gòu)誤差造成的脈沖分頻不均勻?qū)е拢?倍頻設(shè)計時按極限情況下θ=2進行計算。

以某參考X機型為例，夾物區(qū)的平均脈沖長度t為100 ms，計算得到如下：故反應(yīng)時間T在0.6 s以內(nèi)，實際測試值在0 s～0.5 s之間。

4.2 最大反應(yīng)時間優(yōu)化

最終以示波器測得實際數(shù)據(jù)為準，如圖6所示。

5 結(jié)論

本論文研究技術(shù)方案安裝2個霍爾傳感器，設(shè)計避檢區(qū)脈沖個數(shù)為3，并調(diào)整齒輪傳動比為3.5:1，設(shè)計閾值系數(shù)為1.5，通過調(diào)整磁環(huán)極數(shù)為48，加速區(qū)加速倍數(shù)為3來調(diào)整夾物區(qū)的平均脈沖長度，通過實驗測試實現(xiàn)了最小檢測寬度為6 mm，最大反應(yīng)時間不超過1 s。

防夾功能、反應(yīng)時間、力度和開關(guān)門的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)聯(lián)，在機器的運輸、跌落、長期運行的結(jié)構(gòu)磨損過程中，可能會導(dǎo)致檢測信號有誤差和誤判，需要軟件控制邏輯調(diào)整設(shè)置閾值系數(shù)和避檢區(qū)脈沖個數(shù)來進行容錯處理。