CN111367218A - 一种多功能的磁感应控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能的磁感应控制系统，包括磁感应单元，主控制单元和多个功能单元，其中所述磁感应单元配置成无接触地获取运动目标的磁感应信号；所述主控制单元配置成接收来自于磁感应单元的所述磁感应信号并且基于对所述磁感应信号的分析获得所述运动目标的、与位移相关的数据；所述多个功能单元，其与所述主控制单元连接，并且配置成辅助所述主控制单元获得所述数据或与所述主控制单元交换数据以实现与其关联的功能。本发明的磁感应控制系统适用于多种应用场景，可以根据需求提供多种功能。

Description

一种多功能的磁感应控制系统

技术领域

本发明一般地涉及机电控制领域。更具体地，本发明涉及一种多功能的磁感应控制系统。

背景技术

在机电控制领域，对运动目标的控制通常需要将控制系统接触该目标，这样会对系统的安全性和物件的损耗造成一定影响。其次，多数控制系统通常只能应用于某一种领域，例如应用于汽车行驶、矿井绞车系统或者旅游缆车系统等。以矿井绞车动力机构为例，在一些矿井或其它某些绞车动力机构的轨道中，需要对绞绳的线速度进行计算，以便对绞车的行进速度进行监测和保护，并且同时需要计算出绞车的行程位置。目前，对绞车作业的行程和速度进行检测的装置主要采用轴旋转编码器和轨道传感器等器件。当采用轴旋转编码器时，需要定位准心并接触绞轮进行安装。该安装较为复杂，而且机械部连轴部分容易老化损坏，因此不适合井下临时性和稳定性的需要。另外这种检测装置还存在检测不准确、可靠性差等缺点。

相比而言，当检测控制装置采用轨道传感器时，由于没有专用的速度保护装置，只是依赖于轨道传感器等进行开关量检测，并使用单位控制器进行编程逻辑判断与计算，以至于不能直接输出超速信号供给绞车急停或降速。而且，这种判断受限于传感器的工作状态，期间可能会出现误判和延迟等状况，因此造成系统安全性能的下降。另外，现有传感器不能对绞轮的正反转进行判断，而且在单位控制器对传感器传输的数据进行计算时，出现逻辑错误的几率较大。此外，上述现有技术中的输出开关量也易受电磁环境干扰，准确性仍有待提高。

发明内容

为了克服上述现有技术中的一个或多个缺点，提供一种能满足多种功能需求的控制系统，本发明采用无接触式的磁感应单元来采集运动物体的与位移有关的信息，并将所述信息发送给主控制单元进行处理。另外，本发明设置了多个外设接口以适应不用的应用场景。同时本发明还设置了与主控制单元相连的多个功能模块，以便实现多种不同的功能。

具体地，本发明公开了一种多功能的磁感应控制系统，包括磁感应单元，主控制单元和多个功能单元。其中，所述磁感应单元，其配置成无接触地获取运动目标的磁感应信号；所述主控制单元，其配置成接收来自于磁感应单元的所述磁感应信号并且基于对所述磁感应信号的分析获得所述运动目标的、与位移相关的数据；所述多个功能单元，其与所述主控制单元连接，并且配置成辅助所述主控制单元以获得所述数据，或者与所述主控制单元交换所述数据，以实现与所述功能单元关联的功能。

在一个实施例中，所述磁感应单元包括磁感应电路和磁性检测块，所述磁感应电路包括至少一个单极性霍尔传感器和至少一个双极性霍尔传感器并且靠近磁性检测块布置，以使得所述磁性检测块处于所述磁感应电路的感应范围内。

在另一个实施例中，所述运动目标为绕轴心转动的传动轮，所述磁性检测块布置于所述传动轮。

在又一个实施例中，所述磁性检测块包括一个或多个磁性件，每个所述磁性件包括共面的N磁极和S磁极，并且当所述磁性检测块包括所述多个磁性件时，所述多个磁性件绕所述轴心环形地布置于所述传动轮上，并且相邻磁性件的相邻磁极具有不同的磁极性。

在另一个实施例中，所述主控制单元为微控制单元，其配置用于接收并处理所述磁感应信号并且与所述多个功能单元交换数据以实现相应的功能。

在一个实施例中，所述多个功能单元包括清零单元，其与所述主控制单元连接并配置用于对所述主控制单元的处理结果清零。

在另一个实施例中，所述多个功能单元还包括超速保护单元，其与所述主控制单元和外部速度控制器连接，并且配置用于接收主控制单元发送来的处理信息并向所述外部速度控制器输出超速信号。

在又一个实施例中，所述多个功能单元还包括输入单元，其与所述主控制单元连接，并且配置用于设置参数，所述参数包括传动轮直径、保护速度及减速比中的至少一个。

在另一个实施例中，所述多个功能单元还包括显示单元，其配置用于显示所述主控制单元或所述多个功能单元的处理结果。

在又一个实施例中，所述多个功能单元还包括CAN总线驱动单元和RS-485串行总线驱动单元，其分别与所述主控制单元连接，并且配置用于将所述主控制单元和其他所述功能单元产生的数据向系统外传送。

本发明的多功能的磁感应控制系统可以应用于多种领域，适用范围广泛。在距离或位移确定等相关应用领域，其能方便且精确地计算出运动物体的速度、距离、行程以及方向等各类物理参数以供进一步使用。同时，本发明的磁感应控制系统还能实现清零(例如距离或里程的清零操作)、速度保护(例如限速或超速报警)以及向外部系统提供高速接口以便高效地传输采集到的感应数据等功能。另外，在安装和使用方面，本发明的磁感应控制系统操作简便，具有良好的人机界面；并且其磁性检测块无需安装，简化了系统结构。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，可以更好地理解本发明的上述特征，并且其众多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图，其中:

图1是示出根据本发明实施例的多功能的磁感应控制系统的组成示意图；以及

图2是示出根据本发明实施例的多功能的磁感应控制系统的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，参考标号是指本发明中的组件、技术，以便本发明的优点和特征在适合的环境下实现能更易于被理解。下面的描述是对本发明权利要求的具体化，并且与权利要求相关的其它没有明确说明的具体实现也属于权利要求的范围。

图1是示出根据本发明的多功能的磁感应控制系统100的组成示意图。需要说明的是，尽管图1中仅示出3个功能单元103，但是本领域技术人员可以理解根据不同的应用场景以及对不同功能的需求，本发明的主控制单元可以连接更多的外部功能单元或者仅连接两个功能单元。

如图1所示，本发明的多功能的磁感应控制系统100包括磁感应单元101，主控制单元102和多个功能单元103。其中，磁感应单元101和多个功能单元103分别与主控制单元102相连接。下面将对本发明的磁感应控制系统的工作过程进行简要描述。

首先，磁感应单元利用磁感应原理以无接触的方式来采集运动目标的与位移相关的磁感应信号并经过相应处理。根据不同的应用场景，本发明的运动目标可以是具有圆柱体、圆盘、长方体或者是其他形状的物体，其运动线路可以是直线、圆周或者是其他轨迹。

接着，磁感应单元通过其内部电路将采集并处理的磁感应信号传送给主控制单元。主控制单元接收到该磁感应信号后，通过相关的程序模块进行判断和计算，以便获得相关的参数。在一个实施例中，前述相关的参数例如可以包括速度、距离、行程和方向等数据的一种或者多种。

在一些应用场景中，多个功能单元中的一个或多个也可以向主控制单元发送指令或辅助数据，例如向主控制单元发送相关的功能请求信息。主控制单元接收这些请求信息后，可以根据多个功能单元的需求对接收到的磁感应数据进行不同的分析和处理。最后，主控制单元将分析和处理后的结果发送给一个或多个功能单元，进而实现与这些功能单元关联的不同功能。

另外，多个功能单元中的一些功能单元还可以根据实际需求向本发明的磁感应控制系统之外的外部设备或系统发送经过主控制单元处理后的相关数据。外部设备或系统在接收到这些数据后，可以进行后续的操作，以实现在不同应用场景下的与本发明的磁感应控制系统之间的联动功能。

图2是示出根据本发明实施例的多功能的磁感应控制系统200的组成框图。这里需要指出的是，图2中的磁感应控制系统200可以理解为图1的磁感应控制系统100的一种示例性的具体实现方式，因此结合图1所描述的磁感应控制系统100的细节也同样适用于磁感应控制系统200的描述。下面将结合图2详细地描述多功能的磁感应控制系统的组成和工作原理。

如图2所示，所述磁感应控制系统200包括磁感应电路201、微控制单元202、磁性检测块203、传动轮205、电源206、RS-485串行总线驱动单元207、CAN总线驱动单元208、清零单元209、超速保护单元210、输入单元212以及显示单元213。

在一个实施例中，所述磁感应单元包括磁感应电路和磁性检测块。其中，所述磁感应电路包括一个单极性霍尔传感器2010、一个双极性霍尔传感器2011以及相关的辅助电路。所述霍尔传感器用于感应磁性检测块的磁极性并产生与该磁极性相关的电信号；而所述辅助电路用于对霍尔传感器产生的电信号进行包括逻辑判别在内的相应处理，并向微控制单元发送处理之后的数据。前述辅助电路在图中并未画出，其可以有多种实现方案，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明的教导下能够容易地实现该电路。

上述霍尔传感器是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。当有磁场靠近霍尔传感器时，根据霍尔效应原理，霍尔传感器将产生电流，并且电流的大小会随感应到的磁场大小的变化而不同。在一个实施例中，本发明的双极性霍尔传感器可以用于感应来自于磁性检测块的S磁极和N磁极任意一极的磁信号(但并不具体判定是S磁极或N磁极中哪一磁极的磁信号)，而单极性霍尔传感器仅可以用于感应来自于磁性检测块的一种磁极的磁信号，即仅能感应S磁极或N磁性之一的磁信号。

在一个实施例中，所述运动目标可以为圆形的传动轮205，其可以绕轴心或者说转轴做顺时针或逆时针转动。根据不同的场景，本发明的传送轮例如可以是各类交通工具的车轮、矿井下绞车滚筒或旅游缆车转轮等。在传送或牵引的场景中，前述传动轮的轮子外缘还可以缠绕有传送带或者牵引绳索，该传送带或者牵引绳索可以在传动轮的带动下移动，以实现相应的传递或牵引。

在一个实施例中，所述磁性检测块可以包括一个或多个磁性件。具体地，所述磁性件例如可以是磁铁或者是性能更加优越的磁钢。优选地，所述磁性件可以为钕铁硼磁钢。作为一个具体的实施方式，所述磁性件可以是图中所示出的四块圆形的钕铁硼磁钢，其可以等间距地安装或者吸附在传动轮同一面的圆周边缘。这里，磁性件可以具有共面的N磁极和S磁极。当布置于传动轮上时，相邻磁性件的相邻磁极具有不同的磁极性。以图中的磁钢为例，其布置顺序从逆时针方向来看是“NS NS NS NS”，而从顺时针方向来看则是“SN SN SNSN”。

在一个实施例中，所述磁性检测块处于磁感应电路的磁感应范围之内。优选地，两者之间的距离可以小于5厘米(cm)。如图所示，磁感应电路可以布置于黑色感应点204所示的位置，其与传动轮保持一定距离而不接触。当磁性检测块随传动轮旋转而通过黑色感应点附近的磁感应范围时，霍尔传感器可以检测到磁性检测块的磁信号。

在一个实施例中，本发明的主控制单元可以是微控制单元(MicrocontrollerUnit，简称“MCU”)，其分别与磁感应电路、电源206、RS-485串行总线驱动单元、CAN总线驱动单元、清零单元、超速保护单元、输入单元以及显示单元相连接。所述微控制单元可以用于接收并处理所述磁感应电路发送来的磁感应信号，其对该磁感应信号的处理至少可以包括判断和计算的过程。另外，微控制单元还可以与一个或多个功能单元交换数据以实现与功能单元相关的功能。

在一个实施例中，所述多个功能单元中可以包括清零单元，其与所述微控制器单元连接并配置用于对所述微控制器单元的处理结果清零。在一些应用场景中，当完成特定任务后需要重新计算运动物体的位置、速度等信息的时候，通常需要进行清零操作。例如，当汽车使用达到一定里程数后，可能需要重新记录里程数，此时就可以执行里程的清零操作。

在一个实施例中，所述多个功能单元中还可以包括超速保护单元，其与所述微控制器单元和外部速度控制器211连接。附加地，该超速保护单元还可以与需要超速信号的外部设备或者驱动传动轮转动的电源进行连接，以便发出告警信息或者控制电源的通断，进而控制传动轮的旋转速度。在一个场景中，所述超速保护单元还可以接收微控制器单元经过速度判别之后而发送来的触发信号，并向所述外部速度控制器或驱动传动轮转动的电源系统输出超速控制信号，以便通过降低速度或者急停等方式来保证使用传动轮的设备(例如车辆或矿井下绞车)的正常运行。

在一个实施例中，所述多个功能单元中还可以包括输入单元，其与微控制器单元连接。所述输入单元可以包括例如键盘、鼠标、麦克风、姿势捕捉相机，或其他输入按钮或控件，其可以配置用于接收参数的输入或用户指令。在一个实施例中，前述的参数例如可以包括传动轮直径、保护速度、减速比中的一个或多个。

在一个实施例中，所述多个功能单元中还可以包括显示单元，其与微控制器单元连接。所述显示单元可以包括一个或多个扬声器和/或一个或多个视觉显示器，例如可以包括通用显示器或触敏显示器等，其配置用于显示主控制单元的处理结果或者显示与多个功能单元相关的功能。在一些场景中，前述的触敏显示器也可以充当前述的输入单元来接收用户的指令。

在一个实施例中，所述多个功能单元中还可以包括CAN总线驱动单元和RS-485串行总线驱动单元。这些驱动单元可以分别与微控制器单元连接，并且配置用于将所述微控制器单元或者所述多个功能单元所产生的数据向系统外传送。同时，CAN总线驱动单元和RS-485串行总线驱动单元也可以为微控制器单元或其他的功能单元中转本系统外传送来的数据或指令。

下面以矿井绞车为应用场景，并结合附图2，详细描述本发明的多功能的磁感应控制系统的工作原理。

首先，通过输入单元向MCU输入控制参数，这些参数可以包括转盘直径，保护速度以及减速比等。在设置并保存参数后，本发明的系统开始工作。此时，绞车的驱动电动机驱动其滚筒转动进而收放绳索，以此来牵引与绳索相连的矿车开始沿轨道移动。同时，滚筒的转动带动与其连接的轮盘205(相当于图2中的传动轮)随滚筒一起转动。

在一个实施例中，当轮盘沿逆时针转动并且当设置于轮盘边缘上的磁钢经过检测点的感应区时，磁钢的S极首先被霍尔传感器所感应。此时，双极性霍尔传感器与单极性霍尔传感器(只感应S极磁信号，而不感应N极磁信号)同时被触发，并且分别发送电信号给磁感应电路内的逻辑芯片。逻辑芯片经过逻辑判别确定此时通过检测点的磁钢的极性为S极。然后，磁感应电路将判别的结果传送给MCU并储存。随着轮盘沿逆时针继续转动，当磁钢的N极通过感应区时，双极性霍尔传感器被触发，而单极性霍尔传感器不被触发。此时，逻辑芯片判断通过检测点的磁钢的极性为N极，并且与前述类似地，磁感应电路将判断的结果传送给MCU并且存储。

接着，轮盘继续沿逆时针转动。当经过一个间隔时间后，轮盘边缘上的另外一个磁钢移动到感应区域内。与上述同样的原理，此磁钢的极性也被顺序检测为S极和N极，并通过MCU记录这些信息。由于先后两次被感应的磁钢之间有1/4轮盘圆周的距离，因此MCU通过记录的两次感应的时间间隔和初始输入的轮盘直径等数据，最终计算出滚筒转动的线速度和移动距离，再根据减速比参数即可计算出轮盘(即矿车)的移动速度和移动距离。

随后，MCU将速度和行程等信息传送给显示单元，从而可以通过屏幕直观地查看此时矿车的运行速度和行程。并且，可以通过观察矿车速度的变化来判断电动机是否运行正常。另外，当需要将此速度和行程等信息向系统外传送时，例如需要将所述信息传送给指挥调度中心，可以通过CAN总线驱动单元或者RS-485串行总线驱动单元进行传送。

在一个实施例中，本发明的磁感应控制系统还可以进行超速保护。当经过MCU计算的速度超过初始输入的保护速度时，MCU向超速保护单元发送超速告警信息。于是，超速保护单元被触发，其内部的超速保护继电器闭合并且发送控制信号给电动机的电源系统，进而控制电动机断电来控制滚筒的转速；或者超速保护单元向外部速度控制器发送信号，由外部速度控制器发出告警信息或者控制滚筒的转速。随着滚筒的转速被控制，轮盘旋转逐渐变慢，当MCU计算出的速度小于保护速度时，MCU会再次触发超速保护单元，进而控制接通电动机的电源，于是电动机恢复正常工作。

在另一个实施例中，本发明的磁感应控制系统还可以判断轮盘的转动方向。如前所讨论地，当轮盘沿逆时针转动时，MCU记录的磁钢的磁极顺序为“SN-SN-SN-SN”，其中“-”表示轮盘旋转1/4圆周所经历的时间间隔；基于相同的原理，当轮盘沿顺时针转动时，MCU记录的磁极顺序为“NS-NS-NS-NS”。因此，MCU可以根据磁极的顺序(或者称磁信号的模式)来判断此时轮盘是逆时针旋转还是顺时针旋转。例如，当由于矿车超重等原因而造成轮盘倒转时，通过显示屏观测由MCU发送来磁极的顺序是否发生改变，即可判断矿车是否发生倒退等事故，以便采取及时的补救措施。

在又一个实施例中，本发明的磁感应控制系统还可以对数据进行清零操作。当矿车从井下装矿点被牵引运行到某个指定位置或者需要重新计算速度和行程等其他情况时，可以对该矿车的行程及速度等数据做清零操作。此时，MCU发送给清零单元一个触发信号，由清零单元对系统内的相关数据进行重置清零操作，以便重新开始计算。应该注意的是，上述以矿井绞车为例对本发明的磁感应控制系统进行说明，其意图并不是对本发明进行限制。本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种多功能的磁感应控制系统，包括磁感应单元，主控制单元和多个功能单元，其中：

所述磁感应单元，其配置成无接触地获取运动目标的磁感应信号；

所述主控制单元，其配置成接收来自于磁感应单元的所述磁感应信号并且基于对所述磁感应信号的分析获得所述运动目标的、与位移相关的数据；以及

所述多个功能单元，其与所述主控制单元连接，并且配置成：

辅助所述主控制单元，以获得所述数据；或者

与所述主控制单元交换所述数据，以实现与所述功能单元关联的功能。

2.根据权利要求1所述的磁感应控制系统，其中所述磁感应单元包括磁感应电路和磁性检测块，所述磁感应电路包括至少一个单极性霍尔传感器和至少一个双极性霍尔传感器并且靠近磁性检测块布置，以使得所述磁性检测块处于所述磁感应电路的感应范围内。

3.根据权利要求2所述的磁感应控制系统，其中所述运动目标为绕轴心转动的传动轮，并且所述磁性检测块布置于所述传动轮。

4.根据权利要求3所述的磁感应控制系统，其中所述磁性检测块包括一个或多个磁性件，每个所述磁性件包括共面的N磁极和S磁极，并且当所述磁性检测块包括多个磁性件时，所述多个磁性件绕所述轴心环形地布置于所述传动轮上，并且相邻磁性件的相邻磁极具有不同的磁极性。

5.根据权利要求1所述的磁感应控制系统，其中所述主控制单元为微控制单元，其配置用于接收并处理所述磁感应信号并且与多个功能单元交换数据以实现相应的功能。

6.根据权利要求1所述的磁感应控制系统，其中所述多个功能单元包括清零单元，其与所述主控制单元连接并配置用于对所述主控制单元的处理结果清零。

7.根据权利要求1所述的磁感应控制系统，其中所述多个功能单元还包括超速保护单元，其与所述主控制单元和外部速度控制器连接，并且配置用于接收主控制单元发送来的处理信息并向所述外部速度控制器输出超速信号。

8.根据权利要求1所述的磁感应控制系统，其中所述多个功能单元还包括输入单元，其与所述主控制单元连接，并且配置用于设置参数，所述参数包括传动轮直径、保护速度及减速比中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的磁感应控制系统，其中所述多个功能单元还包括显示单元，其配置用于显示所述主控制单元或所述多个功能单元的处理结果。

10.根据权利要求1-9的任意一项所述的磁感应控制系统，其中所述多个功能单元还包括CAN总线驱动单元和RS-485串行总线驱动单元，其分别与所述主控制单元连接，并且配置用于将所述主控制单元和其他所述功能单元产生的数据向系统外传送。

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