CN103246221A

CN103246221A - 电磁铁自感应闭环控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN103246221A
Application number: CN2013102007320A
Authority: CN
Inventors: 宋标
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2013-08-14

Abstract

本发明提供一种电磁铁自感应闭环控制系统及控制方法，该系统包括：系统输入模块，电磁铁主控模块，电磁铁动作模块，自感应检测模块，参考标准模块，逻辑比较输出模块和信号输出模块。本发明解决了电磁铁控制系统的闭环控制，同时又降低了整个电磁铁控制系统的成本。本发明的控制方法也提高了电磁铁控制系统的稳定可靠性，同时也方便了电磁铁和电磁铁控制系统的设计。

Description

电磁铁自感应闭环控制系统及控制方法

技术领域：

本发明涉及的是一种电磁铁的自感应闭环控制系统及控制方法，属于工业控制技术领域。

背景技术:

电磁铁内部带有铁心的、利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置叫做电磁铁。电磁铁在通电时有磁性,断电后就随之消失。电磁铁有许多优点:电磁铁磁性的有无,可以用通、断电流控制。磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数来控制。电磁铁在日常生活中有极其广泛的应用。电磁铁是电流磁效应（电生磁）的一个应用。目前电磁铁应用在工业控制领域，作为机械运动系统中，控制机械部件往复运动的一种灵活，方便的控制方法。而且目前所用的电磁铁都是大部分磁保持，或电保持电磁铁。简单的说，磁保持电磁铁根据电磁铁的工作原理，是通过直流短脉冲电信号激励，产生作用力推动电磁铁中的硅钢磁芯产生一定的位移，并且磁芯能够稳定的停留在目标位置。在运动时根据作用力的大小可以带动固定的机械部件运动。这种应用在工业控制领域极其广泛。

针对上述电磁铁的控制方法，目前的应用都是开环控制方式，即使是闭环控制方式，也是另外加上传感器，检测电磁铁中的磁芯位移量，来反馈电磁铁的位移量是否达到目标位移量，达到闭环控制的效果，但是增加了系统的复杂度和使得系统成本很高。这是目前工业控制领域常用的两种方法，开环控制和加上传感器的闭环控制。但是这两种控制方法都存在不足之处，比如开环控制，电磁铁的磁芯运动的位移量是否达到目标的位移量，无法判断，如果碰到阻力，或者推力不足，无法达到目标位移量，对整个精密机械控制系统的运行结果造成的损坏是无法估量的。另外一种是加上传感器的闭环控制方法，这种控制虽然能够达到闭环控制的效果，但是对整个机械控制系统来说，成本大幅增加是不可避免的。这两种控制方式在纺织机械领域，比如电脑横机控制系统，和袜机控制系统电磁铁有着广泛应用的机械系统中表现特别明显，在电脑横机系统中，目前象换色用的电磁铁，控制方法主要是开环控制，如果驱动电磁铁控制换色纱线，电磁铁的磁芯没有达到目标位移量，就会造成换色动作没有完成，造成整片织物废掉，严重影响生产效率。

发明内容：

本发明提出的是一种电磁铁自感应闭环控制装置，其目的旨在克服目前电磁铁系统中开环控制系统的不足，同时目前工业控制领域闭环系统的成本问题，降低电磁铁控制系统成本。本发明解决了电磁铁控制系统的闭环控制，同时又降低了整个电磁铁控制系统的成本。本发明的控制方法也提高了电磁铁控制系统的稳定可靠性，同时也方便了电磁铁和电磁铁控制系统的设计。

本发明的另一目的是提供上述电磁铁自感应闭环控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种电磁铁自感应闭环控制系统，该系统包括：系统输入模块，电磁铁主控模块，电磁铁动作模块，自感应检测模块，参考标准模块，逻辑比较输出模块和信号输出模块，

其中，系统输入模块1的输出端与电磁铁主控模块2输入端相连接，电磁铁主控模块2的信号输出端分别与信号输出模块7的信号输入端和电磁铁动作模块3的信号输入端连接，电磁铁主控模块2的输入端还分别与逻辑比较输出模块6和系统输入模块1的输出端连接；自感应检测模块4的两路输入中一路与电磁铁动作模块3的输出端相连，另一路与参考标准模块5输出端相连接，自感应检测模块4的输出端与逻辑比较输出模块6的输入端相连。

所述系统输入模块1为电压采样电路, 实时采样电磁铁运动状态的反馈电压作为系统的输入；所述电磁铁主控模块2采用STM32F103VCT6处理器；所述自感应检测模块4采用LM393DT双电压比较器；所述标准参考信号模块5为一个标准的电压采样信号，作为检测电磁铁运动的反馈电压的参考比较标准，这个标准值可以根据不同的特性的电磁铁来设置不同的值；逻辑比较输出模块6采用标准D触发器构成；信号输出模块7采用LCD显示屏

3、根据权利要求2所述电磁铁自感应闭环控制系统，其特征是：所述电磁铁动作模块3设有电磁铁，该电磁铁包括线电磁铁外罩，及罩于电磁铁外罩内的圈A，线圈B和磁芯，磁芯依次穿套线圈A、B，圈A和线圈B的输出端分别接入LM393DT双电压比较器。

上述系统的闭环控制方法，该方法包括以下步骤：

1）电磁铁主控模块2根据系统输入模块1的控制指令输出控制信号，控制电磁铁动作模块3，执行电磁铁动作，完成系统的操作指令；电磁铁动作模块3把动作执行结果的反馈信号输出给自感应检测模块4；

2）自感应检测模块4接收电磁铁动作模块3的反馈输出信号，同时还有参考标准模块5的输出信号，自感应检测模块4比较电磁铁动作模块3的反馈输出信号和参考标准模块5的输出信号，判断电磁铁的动作执行是否达到目标位移量，并把比较结果输出给逻辑比较输出模块6；

3）由逻辑比较输出模块6把动作执行结果的逻辑反馈信号传递给电磁铁主控模块2；

4）电磁铁主控模块2根据逻辑反馈结果，判断电磁铁运动是否达到目标位移量；

5）电磁铁主控模块2输出动作的逻辑信号给信号输出模块7。

所述步骤4）中，如果反馈的输入信号小于标准参考电压，则电磁铁的运动状态处于正常状态，如果反馈的输入信号大于标准参考电压，则电磁铁运动处于异常状态。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

本发明相对于开环控制系统来说，实现了电磁铁运动控制的闭环控制，如果能够实时检测电磁铁的实际运动状态，能够感测到电磁铁的位移是否达到目标位置，系统实现了错误状态报警，从而增强了电磁铁控制系统的可靠性和稳定性。相对目前的电磁铁闭环控制系统来说降低了系统成本。保证了整个电磁铁控制系统的稳定，可靠，同时也保证了工业生产的生产率。

本发明解决了目前困扰在纺织机械，工业控制领域电磁铁控制系统不稳定的，控制不到位，由于电磁铁控制系统产生的电磁作用力不足以推动磁芯运动无法快速产生系统报警信息，而造成的电磁铁系统不稳定的问题。

附图说明

图1本发明电磁铁控制系统的结构示意图。

图2电磁铁主控模块结构图。

图3电磁铁结构示意图。

图4自感应检测模块系统结构图。

图5自感应检测模块电路原理图。

图中：1-系统输入模块，2-电磁铁主控模块；3-电磁铁动作模块；4-自感应检测模块；5-参考标准模块；6-逻辑比较输出模块； 7-信号输出模块。

具体实施方式：

实施例一：

如图1所示，电磁铁自感应控制系统结构包括1是系统输入模块，2是电磁铁主控模块；3是电磁铁动作模块；4是自感应检测模块；5是参考标准模块；6是逻辑比较输出模块； 7是信号输出模块。系统输入模块1的输出端与电磁铁主控模块2输入端相连接，电磁铁主控模块2的信号输出端同时分两路分别与信号输出模块7的信号输入端和电磁铁动作模块3的信号输入端相接，同时有一路输入端连接逻辑比较输出模块6的输出端。自感应检测模块4有两路输入其中一路与电磁铁动作模块2的输出端，还有一路与参考标准模块5输出端相连接。

本发明的工艺步骤如下：

1）电磁铁电磁铁主控模块2根据系统输入模块1的控制指令输出控制信号，控制电磁铁动作模块3，执行电磁铁动作，完成系统的操作指令。电磁铁动作模块3把动作执行结果的反馈信号输出给自感应检测模块4。

2）自感应检测模块4接收电磁铁动作模块3的反馈输出信号，同时还有参考标准模块5的输出信号，自感应检测模块4比较电磁铁动作模块3的反馈输出信号和参考标准模块5的输出信号，判断电磁铁的动作执行是否达到目标位移量，并把比较结果输出给逻辑比较输出模块6。

3）由逻辑比较输出模块6把动作执行结果的逻辑反馈信号传递给电磁铁电磁铁主控模块2。

4）电磁铁电磁铁主控模块2根据逻辑反馈结果，判断电磁铁运动是否达到目标位移量。

5）电磁铁电磁铁主控模块2输出动作的逻辑信号给信号输出模块7。

实施例二：本发明各模块的工作原理和作用描述如下：

本发明系统输入模块1的工作原理和作用

系统输入模块1作为电磁铁控制系统的输入接口，电磁铁的动作模块3是根据输入接口接收的控制命令，执行相应的动作。

本发明电磁铁主控模块2的结构、工作原理和作用

电磁铁主控模块主要是ST公司的STM32F103VCT6处理器，LQFP100封装，是一款CORTEX-M3内核的ARM处理器，系统主频可高达72MHz，作为整个系统的主控的硬件平台，在此硬件基础上，自己开发的系统中的可执行软件代码控制整个系统的运行，包括系统图形界面，输入信号检测，输出控制信号，控制外部的动作执行模块，详细的技术参数如下：

表1 ST公司的STM32F103VCT6处理器技术参数表

工作原理是解析系统输入的电磁铁动作控制命令，转换成系统所要执行的动作数据信息。电磁铁主控模块的作用是以系统中断方式获取输入接口送出的电磁铁动作指令，驱动系统中动作电磁铁完成目标动作，同时检测逻辑比较输出模块6输出的电磁铁动作是否达到目标位移量的反馈信号，判断电磁铁动作状态是否正常，把逻辑结果显示在信号输出模块7中。

系统结构图：

本发明电磁铁动作模块3的结构、工作原理和作用

如图所示，图中所示电磁铁包括1.线圈A，2.线圈B，3.磁芯，4.电磁铁外罩4个部分。电磁铁是利用载流铁心线圈产生的电磁吸力来操纵机械装置，以完成预期动作的一种电器。它是将电能转换为机械能的一种电磁元件。电磁铁主要由线圈、磁芯两部分组成。本系统中电磁铁动作模块电磁铁采用的是东莞市博顺实业有限公司生产的型号为BS-0951N的电磁铁，工作的额定电压为+24.0V, 其内阻为14欧姆，额定行程为8毫米，结构示意图如图所示。当线圈通电后，在磁芯位置产生电磁吸力，与磁芯的本身的极性相同是产生作用合力，推动磁芯产生位移，相反，就会产生反向作用力，使得磁芯回到释放位置。

实际工作中，对内阻为14欧姆的电磁铁，通过施加+24V的激励电压，在正常工作的时候，非通电线圈中产生的感应电动势的脉冲电压的幅值约为15V，而在电磁铁工作时候，磁芯受阻，不能达到目标位移量的时候，产生的感应电动势的脉冲电压的幅值约为22V，通过设定标准参考信号电压的幅值18V，利用本发明的方法可以稳定的检测到电磁铁工作的状态反馈信号，完成了电磁铁工作状态的自感应检测闭环控制系统，并且能够稳定的工作。

本发明自感应检测模块4的结构、工作原理和作用

自感应检测模块的组成主要由检测硬件电路构成，自感应检测模块的核心构成是ST公司的低功率低失调双电压比较器，型号为LM393DT，LM393主要参数表：

参数名称	符号	数值	单位
				电源电压	VCC	±18 或36	V
差模输入电压	VID	±36	V
				共模输入电压	VI	-0.3～VCC	V
功耗	Pd	570	mW
				工作环境温度	Topr	0 to +70	℃
贮存温度	Tstg	-65 to 150	℃

自感应检测模块4的电路原理：系统中如果电磁铁工作正常，在电磁铁的两个线圈中不工作的那个线圈中，根据电磁感应原理，会产生感应电动势，形成一个脉冲电压信号。反之，在电磁铁工作不正常的情况下，这个脉冲电压信号的幅值和正常工作的情况下，会有很大的差别。本方法是测量这个感应的脉冲电压信号的幅值，与设定的标准参考信号相比较，来判断电磁铁工作时候是否达到系统所要求的目标位移量。自感应检测模块6作用是根据检测电压反馈输入A和反馈输入B，如图4中所示，分别为两个线圈的检测输入端，在实际工作过程中，每次电磁铁运动，要去测量没有外加电压的那个线圈的感应电压，并且与标准输入参考信号相比较，经过LM393DT电压比较器后，输出信号会反映出电磁铁运动的状况。如果在电磁铁运动的一个方向上出现不稳定工作情况，这个反馈信号就会反映出这个现象的，同时，就会把这个信号输出到输出信号A或者输出信号B上。这两路输出信号的电平高低决定了电磁铁的工作状态是否正常，有没有运动到预定的目标位置。例如，如果两路都为低电平，说明电磁铁的工作状态处于正常状态。如果其中一个为高电平，说明其在一个方向上运动处于异常状态。主控系统负责判断显示电磁铁的运动状态与运动结果。

标准参考信号模块5是系统中的根据不同的电磁铁特性设定的一个表征电磁铁工作在正常状态的标准参考信号，是一个稳定的、可以变化的一个参考电压值。系统根据电磁铁运动时采样反馈的电压信号是大于还是小于这个标准参考值来判断电磁铁的运动是否正常。图中所示标号的物理意义如下，①：为输入信号A；②：为标准参考输入信号；③：为输出信号A；④：为输出信号B；⑤：为输入信号B。

逻辑比较输出模块6是由标准D触发器构成，其电路原理就是D触发器的工作原理，其作用是把自感应检测模块4反馈的电磁铁的工作状态，如果有非常的工作状态，把这个电压信号锁存，从而使得电磁铁主控模块能够方便快捷的检测到自感应模块4输出的电磁铁的工作状态信号。

信号输出模块7在系统中的作用就是由电磁铁主控模块控制，把电磁铁主控模块检测到的电磁铁的工作状态直观的显示出来。可以采用LCD屏，也可以是电压信号等形式。

Claims

1.一种电磁铁自感应闭环控制系统，该系统包括：系统输入模块，电磁铁主控模块，电磁铁动作模块，自感应检测模块，参考标准模块，逻辑比较输出模块和信号输出模块；

其中，系统输入模块（1）的输出端与电磁铁主控模块（2）输入端相连接，电磁铁主控模块（2）的信号输出端分别与信号输出模块（7）的信号输入端和电磁铁动作模块（3）的信号输入端连接，电磁铁主控模块（2）的输入端还分别与逻辑比较输出模块（6）和系统输入模块（1）的输出端连接；自感应检测模块（4）的两路输入中一路与电磁铁动作模块（3）的输出端相连，另一路与参考标准模块（5）输出端相连接，自感应检测模块（4）的输出端与逻辑比较输出模块（6）的输入端相连。

2.根据权利要求1所述电磁铁自感应闭环控制系统，其特征是：所述系统输入模块（1）为电压采样电路；所述电磁铁主控模块（2）采用STM32F103VCT6处理器；所述自感应检测模块（4）采用LM393DT双电压比较器；逻辑比较输出模块（6）采用标准D触发器构成；信号输出模块（7）采用LCD显示屏。

3.根据权利要求2所述电磁铁自感应闭环控制系统，其特征是：所述电磁铁动作模块3设有电磁铁，该电磁铁包括线电磁铁外罩，及罩于电磁铁外罩内的圈A，线圈B和磁芯，磁芯依次穿套线圈A、B，圈A和线圈B的输出端分别接入LM393DT双电压比较器。

4.权利要求1所述系统的闭环控制方法，该方法包括以下步骤：

5）电磁铁主控模块2输出动作的逻辑信号给信号输出模块7。

5.权利要求4所述的闭环控制方法，其中，所述步骤4）中，如果反馈的输入信号小于标准参考电压，则电磁铁的运动状态处于正常状态，如果反馈的输入信号大于标准参考电压，则电磁铁运动处于异常状态。