CN115296563B - 一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，包括滑柱组件、安装支撑框架组件和控制处理组件，所述控制处理组件包括电源组件、输出电路、检测电路和计算处理单元，通过所述计算处理单元控制线圈组件的通电电流及方向，进而控制线圈组件对磁轨组件的磁作用力的大小和方向。在进行电磁控制时，在第一阶段和第三阶段采用最大输出，提高了每个打桩周期的打桩效果，降低了每个打桩周期的时间，而在第二阶段，根据检测到的实时速度对输出进行调整，在保证打桩效果的前提下减少了能量的浪费，提高了能源的使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及打桩机控制系统，具体涉及一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统。
背景技术
智能控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。一般控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量；控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的；控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。当然控制系统都是有具体的控制对象的，本技术方案的对象是由桩锤、桩架及附属设备等组成的打桩机系统，桩锤依附在桩架前部两根平行的竖直导杆之间，用提升吊钩吊升，桩架为一钢结构塔架，在其后部设有卷扬机，用以起吊桩和桩锤，常见的液压锤打桩机是柴油带启动，以油液压力为动力，可按地层土质不同调整液压，以达到适当的冲击力进行打桩，是一种新型打桩机，中小型液压打桩机,常用于公路护栏的打桩,高速公路护栏建设。
背景技术的前述论述仅意图便于理解本发明。此论述并不认可或承认提及的材料中的任一种公共常识的一部分。
现在已经开发出了很多控制系统，经过我们大量的检索与参考，发现现有的授权系统有如公开号为KR101527323B1，KR100754784B1、CN105133611B和KR100440729B1所公开的系统，这些系统一般包括包括集中控制器、夯桩控制单元、吊装控制单元、支撑定位单元、人机操作单元和网络控制单元，集中控制器分别与夯桩控制单元、吊装控制单元、支撑定位单元、人机操作单元和网络控制单元连接，所述的夯桩控制单元由启保停控制电路、主卷扬电机、离合器及制动器控制单元、卷扬滚筒及缆绳重锤单元组成，集中控制器、启保停控制电路、主卷扬电机、离合器及制动器控制单元、卷扬滚筒及缆绳重锤单元依次连接。但该系统由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低、泄露污染环境且可能引起火灾和爆炸事故的问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对所存在的不足，提出了一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统。
本发明采用如下技术方案：
一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，包括滑柱组件、安装支撑框架组件和控制处理组件，所述滑柱组件包括导杆、磁轨组件、霍尔磁轨组件和导柱，所述磁轨组件和所述霍尔磁轨组件安装于所述导杆外侧并与所述导杆固定相连，所述安装支撑框架组件包括安装支撑框架、线圈组件、霍尔传感器组件和滑动导轨座，所述线圈组件和所述霍尔传感器组件安装于所述安装支撑框架内侧并与所述安装支撑框架固定相连，所述控制处理组件包括电源组件、输出电路、检测电路和计算处理单元，所述电源组件用于提供电能，所述输出电路与所述线圈组件连接，用于控制线圈组件上的电流大小，所述检测电路与所述霍尔传感器组件连接，用于检测霍尔传感器上的霍尔电压大小，所述计算处理单元用于对霍尔电压进行计算分析并调整输出电路上的电流，所述线圈组件通电后与所述磁轨组件之间形成磁作用力，所述磁作用力驱动所述滑柱组件上下移动；
所述计算处理单元对所述输出电路的控制包括三个阶段，在第一阶段，所述输出电路输出最大电流，使所述滑柱组件以最大的加速度向下做匀加速运动，在第二阶段，所述计算处理单元调整输出电路的输出电流使得检测到的实时霍尔电压Urt满足下述公式；
其中，Umax为所述检测电路在第一阶段检测到的霍尔电压，U0为所述滑柱组件能够悬空静止时检测电路检测到的霍尔电压，v0为所述滑柱组件在第一阶段的最终运动速度，v为所述滑柱组件的实时速度；
在第三阶段，所述计算处理单元先调整输出电路输出最小电流，使所述滑柱组件以最大的加速度向上做匀加速运动，再调整输出电路输出最大电流，使所述滑柱组件以最大的减速度向上做匀减速运动；
所述霍尔传感器中设有一个位置检测单元，所述位置检测单元通过检测滑柱组件的相对位移来获取滑柱组件的运行状态；
进一步的，所述磁轨组件单元包括磁轨、磁钢、环氧定位条和磁轨环氧封胶，所述霍尔磁轨组件单元包括霍尔磁轨导磁条和信号磁钢，所述线圈组件单元包括线圈、线圈环氧封胶和安装板；
进一步的，所述滑柱组件的导柱和所述安装支撑框架组件的滑动导轨座滑动配合，所述滑柱组件可以轴向移动的插接在所述安装支撑框架组件内；
进一步的，所述磁轨组件对称靠外分布于所述导杆外侧，对应所述线圈组件对称靠外分布于所述安装支撑框架内侧，所述磁轨组件可以轴向移动的插接在所述线圈组件内；
进一步的，所述磁钢采用键槽定位的方式布局在所述磁轨组件上；
进一步的，所述霍尔传感器组件、所述霍尔磁轨组件采用单独霍尔形式反馈信息；
进一步的，所述安装支撑框架采用三段导向支撑或采用两段导向支撑；
进一步的，所述线圈组件采用外接线的接线方式。
本发明所取得的有益效果是：
本系统采用电磁控制系统取代液压控制系统，具有效率高、环保的优点，在进行电磁控制时，在第一阶段和第三阶段采用最大输出，提高了每个打桩周期的打桩效果，降低了每个打桩周期的时间，而在第二阶段，根据检测到的实时速度对输出进行调整，在保证打桩效果的前提下减少了能量的浪费，提高了能源的使用效率。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明组件框架示意图；
图3为本发明滑柱组件速度与各控制阶段关系示意图；
图4为本发明输出电流与各控制阶段关系示意图；
图5为本发明磁钢与磁轨组件的定位结构示意图。
图中：滑柱组件1、安装支撑框架组件2、导杆11、磁轨组件12、霍尔磁轨组件13、导柱14、磁轨组件单元121、霍尔磁轨组件单元131、安装支撑框架21、线圈组件22、霍尔传感器组件23、滑动导轨座24、线圈组件单元221、霍尔传感器231、霍尔环氧封胶232、磁轨1211、磁钢1212、环氧定位条1213、磁轨环氧封胶1214、霍尔磁轨导磁条1311、信号磁钢1312、线圈2211、线圈环氧封胶2212、安装板2213。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
实施例一。
本实施例提供了一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，结合图1和图2，包括滑柱组件、安装支撑框架组件和控制处理组件，所述滑柱组件包括导杆、磁轨组件、霍尔磁轨组件和导柱，所述磁轨组件和所述霍尔磁轨组件安装于所述导杆外侧并与所述导杆固定相连，所述安装支撑框架组件包括安装支撑框架、线圈组件、霍尔传感器组件和滑动导轨座，所述线圈组件和所述霍尔传感器组件安装于所述安装支撑框架内侧并与所述安装支撑框架固定相连，所述控制处理组件包括电源组件、输出电路、检测电路和计算处理单元，所述电源组件用于提供电能，所述输出电路与所述线圈组件连接，用于控制线圈组件上的电流大小，所述检测电路与所述霍尔传感器组件连接，用于检测霍尔传感器上的霍尔电压大小，所述计算处理单元用于对霍尔电压进行计算分析并调整输出电路上的电流，所述线圈组件通电后与所述磁轨组件之间形成磁作用力，所述磁作用力驱动所述滑柱组件上下移动；
所述计算处理单元对所述输出电路的控制包括三个阶段，在第一阶段，所述输出电路输出最大电流，使所述滑柱组件以最大的加速度向下做匀加速运动，在第二阶段，所述计算处理单元调整输出电路的输出电流使得检测到的实时霍尔电压Urt满足下述公式；
其中，Umax为所述检测电路在第一阶段检测到的霍尔电压，U0为所述滑柱组件能够悬空静止时检测电路检测到的霍尔电压，v0为所述滑柱组件在第一阶段的最终运动速度，v为所述滑柱组件的实时速度；
在第三阶段，所述计算处理单元先调整输出电路输出最小电流，使所述滑柱组件以最大的加速度向上做匀加速运动，再调整输出电路输出最大电流，使所述滑柱组件以最大的减速度向上做匀减速运动；
所述霍尔传感器中设有一个位置检测单元，所述位置检测单元通过检测滑柱组件的相对位移来获取滑柱组件的运行状态；
所述磁轨组件单元包括磁轨、磁钢、环氧定位条和磁轨环氧封胶，所述霍尔磁轨组件单元包括霍尔磁轨导磁条和信号磁钢，所述线圈组件单元包括线圈、线圈环氧封胶和安装板；
所述滑柱组件的导柱和所述安装支撑框架组件的滑动导轨座滑动配合，所述滑柱组件可以轴向移动的插接在所述安装支撑框架组件内；
所述磁轨组件对称靠外分布于所述导杆外侧，对应所述线圈组件对称靠外分布于所述安装支撑框架内侧，所述磁轨组件可以轴向移动的插接在所述线圈组件内；
所述磁钢采用键槽定位的方式布局在所述磁轨组件上；
所述霍尔传感器组件、所述霍尔磁轨组件采用单独霍尔形式反馈信息；
所述安装支撑框架采用三段导向支撑或采用两段导向支撑；
所述线圈组件采用外接线的接线方式；并且在本实施例中，驱动控制方式是采用永磁同步控制方案。
实施例二。
本实施例包含了实施例一中的全部内容，提供了一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，包括滑柱组件、安装支撑框架组件和控制处理组件，所述滑柱组件包括导杆、磁轨组件、霍尔磁轨组件和导柱，所述磁轨组件和所述霍尔磁轨组件安装于所述导杆外侧并与所述导杆固定相连，所述安装支撑框架组件包括安装支撑框架、线圈组件、霍尔传感器组件和滑动导轨座，所述线圈组件和所述霍尔传感器组件安装于所述安装支撑框架内侧并与所述安装支撑框架固定相连，所述导柱和所述滑动导轨座滑动配合，所述磁轨组件轴向插接在所述线圈组件内并能够相对移动，所述霍尔磁轨组件轴向插接在所述霍尔传感器组件内并能够相对移动，所述控制处理组件包括电源组件、输出电路、检测电路和计算处理单元，所述电源组件用于提供电能，所述输出电路与所述线圈组件连接，用于控制线圈组件上的电流大小，所述线圈组件上的电流同时作为所述霍尔传感器组件上的偏置电流，所述检测电路与所述霍尔传感器组件连接，用于检测霍尔传感器上的霍尔电压大小，所述计算处理单元用于对霍尔电压进行计算分析并调整输出电路上的电流，所述线圈组件通电后与所述磁轨组件之间形成磁作用力，所述磁作用力驱动所述滑柱组件上下移动；
结合图3和图4，所述控制处理组件在控制输出电路的电流时包括三个阶段，第一阶段为加速下冲阶段，第二阶段为减速下冲阶段，第三阶段为重置阶段，所述第一阶段和所述第二阶段为所述滑柱组件的下降过程，所述第三阶段为所述滑柱组件的上升过程，所述第一阶段为所述滑柱组件与地面接触前的下降过程，所述第二阶段为所述滑柱组件与地面接触后的下降过程，在所述第一阶段，所述计算处理单元控制所述输出电路输出最大电流，所述线圈组件与所述磁轨组件之间形成一个恒定的磁作用力，使得所述滑柱组件进行匀加速运动，当所述滑柱组件的匀加速运动被破坏时，进入第二阶段，在所述第二阶段，所述计算处理单元控制所述输出电路不断降低输出电流，使所述线圈组件与所述磁轨组件之间的磁作用力不断减小甚至改变方向，并在所述滑柱组件的速度降为零时，所述线圈组件对所述磁轨组件的磁作用力与所述滑柱组件的重力相抵消，此时进入第三阶段，在所述第三阶段，所述线圈组件上的电流方向与在第一阶段中的电流方向相反，通过将输出电流值记为负值来表示电流方向，所述计算处理单元控制所述输出电路输出最小值，所述线圈组件与所述磁轨之间形成一个恒定的磁作用力，使所述滑柱组件进行匀加速运动，在所述滑柱组件靠近起始位置时，所述计算处理单元控制所述输出电路输出最大值，使所述滑柱组件进行匀减速运动，并在滑柱组件达到起始位置时速度降至为零；
在第一阶段和第三阶段，所述计算处理单元直接控制所述输出电路的电流最大或最小，在第二阶段，所述计算处理单元需结合霍尔电压以及所述滑柱组件的运动速度对输出电路的电流进行调整；
所述霍尔传感器上的霍尔电压U根据霍尔公式表示为：
其中，RH为霍尔系数，I为偏置电流，B磁感应强度，d为霍尔传感器的厚度；
在本发明的设计中，偏置电流等于线圈组件中线圈的电流，线圈电流I′表示为：
所述线圈组件与所述磁轨之间产生的磁作用力F与线圈电流I′、线圈匝数N正相关，表示为：
F＝k·I′·N；
其中，k为磁作用力系数；
结合上述公式，得到磁作用力F与霍尔电压之间的关系为：
记通过测量所述滑柱组件静止悬空时的霍尔电压U0得到k′的值：
其中，M为滑柱组件的重量，g为重力加速度；
需要注意的是，U0的方向与第一阶段时的霍尔电压的方向相反，为负值；
在第二阶段，所述计算处理单元将该阶段滑柱组件的初始速度记为v0，将滑柱组件的实时速度记为v，所述计算处理单元调整输出电路中的电流得到实时磁作用力Frt的大小为：
将上述公式用实时霍尔电压Urt替换后为：
其中，Umax为输出电路中电流为最大值时的霍尔电压，Fmax为输出电路中电流为最大值时的磁作用力；
写成实时霍尔电压Urt的表达公式为：
所述计算处理单元调整输出电路的输出电流使得检测到的霍尔电压满足上述公式；
所述磁轨组件由多个磁轨组件单元组合而成，所述霍尔磁轨组件由多个霍尔磁轨组件单元组合而成；
所述线圈组件由多个线圈组件单元组合而成，所述霍尔传感器组件包括霍尔传感器和霍尔环氧封胶；
所述磁轨组件单元包括磁轨、磁钢、环氧定位条和磁轨环氧封胶，所述霍尔磁轨组件单元包括霍尔磁轨导磁条和信号磁钢，所述线圈组件单元包括线圈、线圈环氧封胶和安装版；
所述磁轨组件对称靠外分布于所述导杆外侧，对应所述线圈组件对称靠外分布于所述安装支撑框架内侧；
结合图5，所述磁钢采用键槽定位的方式布局在所述磁轨组件上；
所述霍尔传感器组件、所述霍尔磁轨组件采用单独霍尔形式反馈位置信息；
所述安装支撑框架采用多段导向支撑，包括三段导向支撑或两段导向支撑；
所述线圈组件采用外接线的接线方式。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的保护范围内，此外，随着技术发展其中的元素可以更新的。
Claims (8)
1.一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，其特征在于，包括滑柱组件、安装支撑框架组件和控制处理组件，所述滑柱组件包括导杆、磁轨组件、霍尔磁轨组件和导柱，所述磁轨组件和所述霍尔磁轨组件安装于所述导杆外侧并与所述导杆固定相连，所述安装支撑框架组件包括安装支撑框架、线圈组件、霍尔传感器组件和滑动导轨座，所述线圈组件和所述霍尔传感器组件安装于所述安装支撑框架内侧并与所述安装支撑框架固定相连，所述线圈组件包括多个线圈组件单元，所述霍尔传感器组件包括霍尔传感器和霍尔环氧封胶，所述控制处理组件包括电源组件、输出电路、检测电路和计算处理单元，所述电源组件用于提供电能，所述输出电路与所述线圈组件连接，用于控制线圈组件上的电流大小，所述检测电路与所述霍尔传感器组件连接，用于检测霍尔传感器上的霍尔电压大小，所述计算处理单元用于对霍尔电压进行计算分析并调整输出电路上的电流，所述线圈组件通电后与所述磁轨组件之间形成磁作用力，所述磁作用力驱动所述滑柱组件上下移动；
所述计算处理单元对所述输出电路的控制包括三个阶段，在第一阶段，所述输出电路输出最大电流，使所述滑柱组件以最大的加速度向下做匀加速运动，在第二阶段，所述计算处理单元调整输出电路的输出电流使得检测到的实时霍尔电压满足下述公式；
；
其中，为所述检测电路在第一阶段检测到的霍尔电压，/>为所述滑柱组件能够悬空静止时检测电路检测到的霍尔电压，/>为所述滑柱组件在第一阶段的最终运动速度，v为所述滑柱组件的实时速度；
在第三阶段，所述计算处理单元先调整输出电路输出最小电流，使所述滑柱组件以最大的加速度向上做匀加速运动，再调整输出电路输出最大电流，使所述滑柱组件以最大的减速度向上做匀减速运动；
所述霍尔传感器中设有一个位置检测单元，所述位置检测单元通过检测滑柱组件的相对位移来获取滑柱组件的运行状态。
2.如权利要求1所述的一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，其特征在于，所述磁轨组件包括磁轨、磁钢、环氧定位条和磁轨环氧封胶，所述霍尔磁轨组件包括霍尔磁轨导磁条和信号磁钢，所述线圈组件单元包括线圈、线圈环氧封胶和安装板。
3.如权利要求2所述的一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，其特征在于，所述滑柱组件的导柱和所述安装支撑框架组件的滑动导轨座滑动配合，所述滑柱组件可以轴向移动的插接在所述安装支撑框架组件内。
4.如权利要求3所述的一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，其特征在于，所述磁轨组件对称靠外分布于所述导杆外侧，对应所述线圈组件对称靠外分布于所述安装支撑框架内侧，所述磁轨组件可以轴向移动的插接在所述线圈组件内。
5.如权利要求4所述的一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，其特征在于，所述磁钢采用键槽定位的方式布局在所述磁轨组件上。
6.如权利要求5所述的一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，其特征在于，所述霍尔传感器组件、所述霍尔磁轨组件采用单独霍尔形式反馈信息。
7.如权利要求6所述的一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，其特征在于，所述安装支撑框架采用三段导向支撑或采用两段导向支撑。
8.如权利要求7所述的一种永磁同步直线电机用于打桩机的电磁控制系统，其特征在于，所述线圈组件采用外接线的接线方式。
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2022
- 2022-08-10 CN CN202210958562.1A patent/CN115296563B/zh active Active
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|---|
| 电磁打桩机;程健 等;《中国机械工程》;第109-110页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115296563A (zh) | 2022-11-04 |
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