CN101719411B - 可精确控制位移量的牵引电磁铁 - Google Patents

可精确控制位移量的牵引电磁铁 Download PDF

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Abstract

一种可精确控制位移量的牵引电磁铁，用于解决被牵引物体的定位问题。其技术方案是：它由电磁铁及其控制电路构成闭环控制系统，所述控制电路由信号采集电路、单片机和驱动电路组成，所述信号采集电路由光电传感器和比较器组成，所述光电传感器的发光管和光电管分别位于电磁铁衔铁两侧，所述比较器的两输入端分别接光电传感器的输出信号和参考电压，输出端接单片机的INTO端；所述驱动电路的输入端接单片机的P1.7端，输出端驱动电磁铁的线圈；所述电磁铁的衔铁上沿轴线方向设置多个等距的检测孔。本装置以运动参数作为闭环控制对象，因而可使被牵引物体获得精确的运动速度，进而可对被牵引物体实施精确定位。

Description

可精确控制位移量的牵引电磁铁
技术领域
本发明涉及一种可对被牵引物体实施精确定位的牵引电磁铁，属牵引技术领域。
背景技术
电磁铁是一种常用的牵引装置，在很多情况下，人们需要对被牵引物体的速度和最终位置进行控制。现有的牵引电磁铁一般是通过控制加在其线圈两端电压的方式来间接控制被牵引物体的速度和最终位置，对于衔铁的运动速度是开环的控制方式。但在实际应用中，常需要精确控制其运行速度，以免造成过大冲击；电源电压常出现波动，造成线圈上的电压不稳，电磁铁所产生的牵引力随电压而变化，影响速度的稳定；当线圈温度升高后，线圈电阻增大，即使电压稳定，流过线圈的驱动电流也会减小，使拖动速度降低。被拖动物体所受到的阻力主要是它与运行轨道之间的摩擦力，它的大小受很多因素的影响，被拖动的物体不同，摩擦力也会不同，这就必然要影响拖动速度。由于上述问题的存在，使用传统电磁铁拖动物体时，物体运行速度不稳导致最终定位位置分散性很大，在不能使用档块定位的情况下，现有电磁铁很难满足定位要求。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术之缺陷，提供一种能够使被拖动物体准确定位的可精确控制位移量的牵引电磁铁。
本发明所称问题是以下述技术方案实现的：
一种可精确控制位移量的牵引电磁铁，由电磁铁及其控制电路构成闭环控制系统，所述控制电路由信号采集电路、单片机和驱动电路组成，所述信号采集电路由光电传感器和比较器组成，所述光电传感器的发光管和光电管分别位于电磁铁衔铁两侧(也可采用一侧方式)，所述比较器的两输入端分别接光电传感器的输出信号和参考电压，输出端接单片机的INTO端；所述驱动电路的输入端接单片机的P1.7端，输出端驱动电磁铁的线圈；所述电磁铁的衔铁上沿轴线方向设置多个等距且与光电传感器的发光管和光电管相对应的检测孔。
上述可精确控制位移量的牵引电磁铁，所述驱动电路由三极管和CMOS管组成，所述CMOS管与电磁铁线圈串联连接后接电源，所述三极管接成共发射极放大器，其基极接单片机的P1.7端，集电极的输出信号控制CMOS管的栅极，在电磁铁的线圈上还并接有续流二极管；所述CMOS管为IGBT。
上述可精确控制位移量的牵引电磁铁，在驱动电路与单片机之间还设置信号放大器和光电隔离器，所述信号放大器的输入端接单片机的P1.7端，输出端驱动光电隔离器的发光二极管，所述光电隔离器的输出端接三极管的基极。
上述可精确控制位移量的牵引电磁铁，相邻两检测孔的轴线之间的距离为1～2毫米。
本发明利用信号采集电路采集电磁铁衔铁的运动信息，单片机根据衔铁的速度、加速度等运动参数，通过驱动电路来控制加于电磁铁线圈上的电压，使电磁铁按设定的运动参数牵引物体。由于本装置以运动参数作为闭环控制对象，有效抑制了电源波动、温度变化和运行阻力的干扰，因而可使被牵引物体获得精确的运动速度，进而可对被牵引物体实施精确定位、避免过度冲击。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是电磁铁结构示意图；
图2是控制电路的电原理图；
图3是电磁铁控制原理框图；
图中各标号为：1、引线插头；2、检测孔；3、线路板；4、铜导轴；5、衔铁；6、外壳；T、光电管；D1、发光管；D2、续流二极管；L、线圈；U1、单片机；U2、比较器；U3、光电隔离器；F、放大器；Q、三极管；E、CMOS管；W1、W2、电位器；R1～R6、电阻；R、线圈电阻；m、被拖动物体的质量；m1、运动部分(包括衔铁5和被拖动的物体)的质量；t、通电时间；k、牵引力与驱动电流之比；V、物体的运动速度；f、定位力；fZ、阻力。
具体实施方式
参看图1，本装置的电磁铁由线圈L、衔铁5和外壳6组成，线圈L通电时产生磁场，磁力线牵引衔铁5做功，衔铁5牵引物体作直线运动。控制电路的光电传感器通过线路板3与电磁铁的外壳6固定连接，其发光管D1和光电管T分别位于电磁铁衔铁5两侧。在衔铁上沿轴线方向每2毫米开1个检测孔2，衔铁运动时，发光管D1发出的光线依次经过各检测孔到达光电管，光电管T输出反应衔铁运动速度的电脉冲信号。
参看图2，光电传感器由电阻R1、R2、发光管D1、电位器W1和光电管T构成，R1是发光管D1的限流电阻，R2和W1用于调节光电管T输出信号的电平。光电管T受光照后发出信号，经过比较器U2得到脉冲信号，比较器U2每输出一个脉冲信号表示衔铁运行了2毫米的距离。该脉冲经过比较器U2整形后，送到单片机U1的中断引脚INT0，单片机U1根据衔铁运行1～2毫米所需的时间计算出运行速度。比较器的反向输入端接参考电压Vref，参考电压Vref是由电阻R3和电位器W2分压形成的，其大小可以由电位器W2设定和调节，从而改变比较器U2的阀值电压。单片机U1选用AT89c2051，工作在12MHz的频率下，计时的分辨精度是1微秒。单片机U1把计算得到的占空比由P1.7输出，用来调整驱动电路(脉宽调制电路)的平均电压，这个电压经过晶体三极管Q和CMOS管E两级放大得到驱动电压，加载到电磁线圈L上，电磁线圈L的驱动电压决定了驱动电流和电磁牵引力、牵引力使衔铁5产生加速度，决定衔铁5的运行速度、衔铁5拖动被传送的物体一起运动，被传送物体的动量是由运行速度决定的，定位作用力(即定位装置施加给运动物体使其停止的作用力)和被拖动物体的动量最终决定被拖动物体所停的位置。因此驱动电压与物体定位的位置有关。
图3是电磁铁控制原理框图，图中R是线圈电阻，m1是运动部分的质量(包括衔铁5和被拖动的物体)，t是通电时间，k是牵引力与驱动电流之比，在铁芯不饱和的情况下K是常数。从框图可见，自驱动电压到速度都包含在闭环以内，这个区间的所有干扰及不稳定因素都将被反馈环节所抑制，因此动态物体得到一个稳定的速度，在相同定位作用力下，必将得到一个准确的定位位置。
如图3所示，设定速度与检测得到的速度由单片机计算比较，得到速度误差信号，程序通过调整占空比，把误差信号放大，通过脉宽调制(Pulse Width Modulation)转换成对应的驱动电压，该电压加到线圈L上，产生线圈电流，电路的时间常数相对于机械反应时间很小，可以忽略电路的过渡过程，认为电流与电压符合欧姆定律，即 i = v R . 牵引力与电流之间的关系是个二次函数，但在装置的磁路不饱和，电流变化不大的情况下，认为电磁牵引力的变化 ΔF = dF di Δi , 设该点的 dF di = K , 即牵引力在该点与电流成正比。牵引力F使得衔铁5和被驱动的物体加速运动，加速度 a = F - f z m 1 , 加速度的积分是衔铁5和被拖动物体的运动速度v，由于运动的物体有动量，在定位力的作用下停止运动必然要经过一段时间，且符合能量守恒定律和动量守恒定律。由此得到位移、运动速度及定位力的关系。在定位力作用下，被拖动的物体做减速运动，速度变化率 a z = - f m , 其中的m是被拖动物体的质量，由初速度为v到静止所经过的路程 s = v 2 2 a z = mv 2 2 f .
由上述分析可见：本装置的速度反馈闭环结构，以运行速度为控制对象，抑制了电源波动干扰、温度变化干扰和运行阻力的干扰，可以得到一个稳定的运动速度，运动速度越一致，定位的重复性就越好。制作过程中发现，检测孔2的距离越近，检测的实时性越好，就越有利于速度的稳定，但由于机械尺寸的限制，实际应用中孔距为2mm。
经过长时间的现场试验，本定位装置的最终定位精度达到了0.02mm，而无速度反馈的开环控制结构，在其他条件不变的情况下定位精度是0.06mm。

Claims (3)

1.一种可精确控制位移量的牵引电磁铁，其特征是，它由电磁铁及其控制电路构成闭环控制系统，所述控制电路由信号采集电路、单片机(U1)和驱动电路组成，所述信号采集电路由光电传感器和比较器(U2)组成，所述光电传感器的发光管(D1)和光电管(T)分别位于电磁铁衔铁(5)两侧，所述比较器(U2)的两输入端分别接光电传感器的输出信号和参考电压，输出端接单片机(U1)的INT0端；所述驱动电路的输入端接单片机(U1)的P1.7端，输出端驱动电磁铁的线圈(L)；所述电磁铁的衔铁(5)上沿轴线方向设置多个等距且与光电传感器的发光管(D1)和光电管(T)相对应的检测孔(2)；
所述单片机(U1)选用AT89c2051。
2.根据权利要求1所述可精确控制位移量的牵引电磁铁，其特征是，所述驱动电路由三极管(Q)和CMOS管(E)组成，所述CMOS管(E)与电磁铁的线圈(L)串联连接后接电源，所述三极管(Q)接成共发射极放大器，其集电极的输出信号控制CMOS管(E)的栅极，在电磁铁的线圈(L)上还并接有续流二极管(D2)；所述CMOS管为IGBT；
在驱动电路与单片机(U1)之间还设置信号放大器(F)和光电隔离器(U3)，所述信号放大器(F)的输入端接单片机(U1)的P1.7端，输出端驱动光电隔离器(U3)的发光二极管，所述光电隔离器(U3)的输出端接所述三极管(Q)的基极。
3.根据权利要求1或2所述可精确控制位移量的牵引电磁铁，其特征是，相邻两检测孔(2)的轴线之间的距离为1～2毫米。
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