CN117068940A - 一种控制旋转电磁铁稳定转向的方法、系统及天车 - Google Patents

一种控制旋转电磁铁稳定转向的方法、系统及天车 Download PDF

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张红献
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Abstract

本发明涉及一种控制旋转电磁铁稳定转向的方法、系统及天车，包括：在运动件的加速阶段和匀速阶段，对所述旋转电磁铁施加第一方向的电流，使得运动件沿第一直线方向运动；在运动件的减速阶段，对所述旋转电磁铁施加第二方向的电流以持续抵消运动件的动能，直至运动件在终点静止，其中，所述第二方向与第一方向的电流相反。其精确的控制电磁铁电流的大小与方向，减小转向部件到达位置时所携带的动能，极大的减小了转向时的噪声，缓解了电磁铁使用过程中的发热问题，提高了机构部件、电磁铁的使用寿命。

Description

一种控制旋转电磁铁稳定转向的方法、系统及天车
技术领域
本发明涉及电磁铁的旋转控制技术领域，尤其是指一种控制旋转电磁铁稳定转向的方法、系统及天车。
背景技术
现有的天车转向装置中，常常设置有旋转电磁铁、杆体、运动件和直线导向件，旋转电磁铁带动杆体转动，运动件位于直线导向件上，杆体转动带动运动件沿导向件做直线动作。旋转电磁铁驱动杆体转动，在旋转电磁铁带动杆体转动过程中，需要保证运动件的运动稳定。运动件的动作包括三个阶段，加速阶段、匀速阶段和减速阶段。
通常，在减速阶段，为了防止旋转电磁铁的转动导致运动件碰撞终点处的机架，常常需要在机架上设置有缓冲装置，缓冲装置可包括多个缓冲弹簧。当运动件运动至其终点时，运动件会碰撞缓冲装置，而缓冲装置的设置也会导致运动件的运动速度骤减，这不符合天车转向装置的平稳转向的运动需求。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中天车不能平稳转向，速度容易突变的技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种控制旋转电磁铁稳定转向的方法，基于转向装置，所述转向装置包括依次设置的旋转电磁铁、杆体、运动件和导向件，所述旋转电磁铁驱动杆体旋转，所述运动件安装座安装在导向件上，所述杆体转动带动运动件沿导向件做直线运动，其特征在于，所述方法包括：
在运动件的加速阶段和匀速阶段，对所述旋转电磁铁施加第一方向的电流，使得运动件沿第一直线方向运动；
在运动件的减速阶段，对所述旋转电磁铁施加第二方向的电流以持续抵消运动件的动能，直至运动件在终点静止，其中，所述第二方向与第一方向的电流相反。
作为优选的，加速阶段运动件所受力f1(r)＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M1/√[b2+(a-r)2]，M1为加速阶段旋转电磁铁对运动件施加的力矩；
匀速阶段运动件所受力f2(r)＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M2/√[b2+(a-r)2]，M2为匀速阶段旋转电磁铁对运动件施加的力矩；
减速阶段运动件所受力f3(r)＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M3/√[b2+(a-r)2]，M3为减速阶段旋转电磁铁对运动件施加的力矩；
其中，m为运动件的质量，a为导向件的中点到运动件的终点的距离，b为旋转电磁铁到导向件中点的距离，r为运动件与运动起点之间的距离。
作为优选的，由能量守恒定律获得：
其中，n为1、2、3；
则运动件的速度与位移的关系：
由分离变量再积分，获得位移与时间的关系：
其中，t1为加速阶段的时间，t2为匀速阶段的时间，t3为减速阶段的时间；
将代入上式，得到/>
作为优选的，分别赋予t1、t2、M1和M2预设值；
根据能量守恒定律，使得减速阶段终点处的速度为0，计算获得减速阶段的M3和t3；
依据M1、M2、M3，获得旋转电磁铁的电流I1、I2、I 3；其中，I 1为加速阶段对旋转电磁铁施加的电流，I2为匀速阶段对于电磁铁施加的电流，I3为减速阶段对电磁铁施加的电流；
通过对电磁铁依次施加I1、I2、I 3，以此实现转向装置的加速运动、匀速运动和减速运动。
作为优选的，所述杆体上设置有长条形的限位槽，所述运动件上设置有限位凸起，所述限位凸起位于限位槽内。
作为优选的，所述限位凸起上设置有滚轮。
作为优选的，所述运动件与导向件之间设置有导轨。
作为优选的，还包括第一位置传感器和第二位置传感器，所述第一位置传感器位于匀速阶段的起点处，所述第二位置传感器位于匀速阶段的终点处。
作为优选的，所述旋转电磁铁上设置有角度传感器。
本发明公开了一种通过控制旋转电磁铁稳定转向的系统，基于上述的过控制旋转电磁铁稳定转向的方法控制转向装置工作。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明通过简单的控制方式，精确的控制电磁铁电流的大小与方向，通过电磁刹车的方式，在满足转向速度的情况下，减小转向部件到达位置时所携带的动能，极大的减小了转向时的噪声，缓解了电磁铁使用过程中的发热问题，提高了机构部件、电磁铁的使用寿命。
附图说明
图1为本发明转向装置的结构示意图一；
图2为本发明转向装置的结构示意图二，其中，运动件的运动方向与图1相反；
图3为转向装置的角度示意图；
图4为电磁铁扭矩示意图。
说明书附图标记说明：10、旋转电磁铁；20、杆体；30、运动件；40、导向件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1-图4所示，本发明公开了一种控制旋转电磁铁稳定转向的方法，基于转向装置，转向装置包括依次设置的旋转电磁铁10、杆体20、运动件30和导向件40，旋转电磁铁10驱动杆体20旋转，运动件30安装座安装在导向件40上，杆体20转动带动运动件30沿导向件40做直线运动，方法包括：
在运动件30的加速阶段和匀速阶段，对旋转电磁铁10施加第一方向的电流，使得运动件30沿第一直线方向运动；
在运动件30的减速阶段，对旋转电磁铁10施加第二方向的电流以持续抵消运动件30的动能，直至运动件30在终点静止，其中，第二方向与第一方向的电流相反。
本发明的工作原理是：本发明通过简单的控制方式，精确的控制电磁铁电流的大小与方向，通过电磁刹车的方式，在满足转向速度的情况下，减小转向部件到达位置时所携带的动能，极大的减小了转向时的噪声，缓解了电磁铁使用过程中的发热问题，提高了机构部件、电磁铁的使用寿命。
参照图3所示，加速阶段运动件所受力f(r)1＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M1/√[b2+(a-r)2]，M1为加速阶段旋转电磁铁对运动件施加的力矩；
匀速阶段运动件所受力f(r)2＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M2/√[b2+(a-r)2]，M2为匀速阶段旋转电磁铁对运动件施加的力矩；
减速阶段运动件所受力f(r)3＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M3/√[b2+(a-r)2]，M3为减速阶段旋转电磁铁对运动件施加的力矩；
其中，m为运动件的质量，a为导向件的中点到运动件的终点的距离，b为旋转电磁铁到导向件中点的距离，r为运动件与运动起点之间的距离。
进一步的，由能量守恒定律获得：
其中，n为1、2、3；
则运动件的速度与位移的关系：
由分离变量再积分，获得位移与时间的关系：
其中，t1为加速阶段的时间，t2为匀速阶段的时间，t3为减速阶段的时间；
将代入上式，得到/>
具体的，分别赋予t1、t2、M1和M2预设值；
根据能量守恒定律，使得减速阶段终点处的速度为0，计算获得减速阶段的M3和t3；
依据M1、M2、M3，获得旋转电磁铁的电流I1、I2、I 3；其中，I 1为加速阶段对旋转电磁铁施加的电流，I2为匀速阶段对于电磁铁施加的电流，I3为减速阶段对电磁铁施加的电流；
通过对电磁铁依次施加I1、I2、I 3，以此实现转向装置的加速运动、匀速运动和减速运动。
进一步的，杆体20上设置有长条形的限位槽，运动件30上设置有限位凸起，限位凸起位于限位槽内。由于设置有限位槽和限位凸起，在旋转电磁铁10带动杆体20转动时，由于杆体20上设置有长条形的限位槽，运动件30的限位凸起位于限位槽内，在旋转电磁铁10的作用下，运动件30即可沿导向件40做直线运动。
在限位凸起上设置有滚轮。由于限位凸起上设置有滚轮，滚轮能够减小限位凸起与限位槽之间的摩擦力。
运动件30与导向件40之间设置有导轨，如此，可以保证运动件30能够沿导向件40直线运动。
在另一实施例中，本发明还包括第一位置传感器和第二位置传感器，第一位置传感器位于匀速阶段的起点处，第二位置传感器位于匀速阶段的终点处。通过设置第一位置传感器，可以检测运动件运动至匀速阶段的起点，通过设置第二位置传感器，可以检测运动件运动至匀速阶段的终点。
进一步的，在旋转电磁铁10上设置有角度传感器。通过角度传感器尅检测旋转电磁铁10的当前的运动角度，从而便于控制旋转电磁铁10的工作。
下面，结合具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明与解释。
本发明的控制系统由传感器、PLC与驱动器组成，传感器位于转向系统两侧靠前位置，转向机构由A向B运动时：首先基于移动方向，给电磁铁施加启动电流(此电流略高)，此电流切换前，应足以使电磁铁开始运动并具备一定的初始速度，随后切换较小的持续电流，此电流的作用为保持电磁铁的运动方向，并保持一定的运动速度，在触碰到B侧的传感器时，监测由开始运动到触碰到传感器的时间，由时间长短来计算部件动能，并以此为依据，施加一段时间的反向减速电流(相对于运动方向)，至抵消之前运动所产生的动能(防止机构部件以一个较大的速度撞击硬限位，减小噪音，增大机构部件使用寿命)，随后对电磁铁施加一个正向(相对于运动方向)的保持电流，使机构部件平稳的接触硬限位并保持在B侧。
设转向轮行程为2a，转向电磁铁与轨道距离为b；
另设启动电流、持续电流、减速电流对应的电磁铁力矩为M1、M2、M3；
转向机构(转向轮)对应受到的力为F1、F2、F3；
转向机构(转向轮)对应受到的运动方向的力为f(r)1、f(r)2、f(r)3；
转向机构(转向轮)运动的距离为r；
运动时连接杆与电磁铁垂直轨道的轴夹角为ɑ；
则：F＝M/√[b2+(a-r)2]
f(x)＝cosɑ*F
ɑ＝arctan(|a-r|/b)
由上述公式可得转向机构(转向轮)对应受到的运动方向的力f(r)与转向机构(转向轮)运动的距离r的关系式：
f(r)＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M/√[b2+(a-r)2]
前三段电流转向机构所受到的力f(r)与运动距离r的关系则为：
f(r)1＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M1/√[b2+(a-r)2]
f(r)2＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M2/√[b2+(a-r)2]
f(r)3＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M3/√[b2+(a-r)2](M3的方向与M1/M2相反)
设机构重量为m
由能量守恒定律获得：
其中，n为1、2、3；
则运动件的速度与位移的关系：
由分离变量再积分，获得位移与时间的关系：
其中，t1为加速阶段的时间，t2为匀速阶段的时间，t3为减速阶段的时间；
将代入上式，得到/>
其中电磁铁力矩M1、M2与其所持续的时间t1、t2按实际所需选择(转向时间要求越小M越大t越大)，已上述公式计算得出启动电流、持续电流持续时间结束后的速度v1、v2(计算v1时公式中v0带入0，计算v2时v0带入v1)，将v2带入f(r)3的计算中的v0，得出速度v3与时间t3、M3之间的关系，选择合适的减速电流与持续时间，使得v3为零。
在一具体工作情况中，工作情况对速度有明确要求(可在350ms内完成转向动作)，故使用的启动电流较大(2A)持续时间较长(200ms)，保持电流为1.2A，减速电流为3.0A反向电流，持续时间为100ms，保持电流为0.6A，本实例使用24V电源，电流为2A时功率为48W，由图4可知，电磁铁扭矩大小约为0.23N.m至0.25N.m，在本实验中，取均值计算，即为0.24N.m，电流为1.2A时功率为28.8W,扭矩大小取0.19N.m，在启动电流时间内，机构受力大小f与运动距离L之间的关系为：(摩擦力忽略不计)
cos{arctan[(40-L)/60]}*0.24/(40-L)＝f(到达0°前)
cos{arctan[(L-40)/60]}*0.24/√[(L-40)^2+3600]＝f(到达0°后)
在保持电流时间内，机构受力大小f与运动距离L之间的关系为：
cos{arctan[(L-40)/60]}*0.19/√[(L-40)^2+3600]＝f
因电磁铁未提供72W时的电磁铁扭矩，故本次实验的减速时间取近似值(实测得100ms)
在平稳状态下，此过程为：使用200ms启动电流(2A)，使用1.2A保持电流至减速传感器，使用100ms减速电流(3A)后使用0.6A保持电流。
本发明通过反向电流对电磁铁施加反向力抵消运动过程中产生的动能，以实现电磁铁转向机构的平稳运行。
此外，也可通过传感器反馈数据，对减速过程进行调整，以抵消实际运行过程中产生的误差。
本发明公开了一种通过控制旋转电磁铁10稳定转向的系统，基于上述的过控制旋转电磁铁10稳定转向的方法控制转向装置工作。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种控制旋转电磁铁稳定转向的方法，基于转向装置，所述转向装置包括依次设置的旋转电磁铁、杆体、运动件和导向件，所述旋转电磁铁驱动杆体旋转，所述运动件安装座安装在导向件上，所述杆体转动带动运动件沿导向件做直线运动，其特征在于，所述方法包括：
在运动件的加速阶段和匀速阶段，对所述旋转电磁铁施加第一方向的电流，使得运动件沿第一直线方向运动；
在运动件的减速阶段，对所述旋转电磁铁施加第二方向的电流以持续抵消运动件的动能，直至运动件在终点静止，其中，所述第二方向与第一方向的电流相反。
2.根据权利要求1所述的控制旋转电磁铁稳定转向的方法，其特征在于，
加速阶段运动件所受力f1(r)＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M1/√[b2+(a-r)2]，M1为加速阶段旋转电磁铁对运动件施加的力矩；
匀速阶段运动件所受力f2(r)＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M2/√[b2+(a-r)2]，M2为匀速阶段旋转电磁铁对运动件施加的力矩；
减速阶段运动件所受力f3(r)＝cos[arctan(|a-r|/b)]*M3/√[b2+(a-r)2]，M3为减速阶段旋转电磁铁对运动件施加的力矩；
其中，m为运动件的质量，a为导向件的中点到运动件的终点的距离，b为旋转电磁铁到导向件中点的距离，r为运动件与运动起点之间的距离。
3.根据权利要求2所述的控制旋转电磁铁稳定转向的方法，其特征在于，由能量守恒定律获得：
其中，n为1、2、3；
则运动件的速度与位移的关系：
由分离变量再积分，获得位移与时间的关系：
其中，t1为加速阶段的时间，t2为匀速阶段的时间，t3为减速阶段的时间；
将代入上式，得到/>
4.根据权利要求3所述的控制旋转电磁铁稳定转向的方法，其特征在于，
分别赋予t1、t2、M1和M2预设值；
根据能量守恒定律，使得减速阶段终点处的速度为0，计算获得减速阶段的M3和t3；
依据M1、M2、M3，获得旋转电磁铁的电流I1、I2、I3；其中，I1为加速阶段对旋转电磁铁施加的电流，I2为匀速阶段对于电磁铁施加的电流，I3为减速阶段对电磁铁施加的电流；
通过对电磁铁依次施加I1、I2、I3，以此实现转向装置的加速运动、匀速运动和减速运动。
5.根据权利要求1所述的控制旋转电磁铁稳定转向的方法，其特征在于，所述杆体上设置有长条形的限位槽，所述运动件上设置有限位凸起，所述限位凸起位于限位槽内。
6.根据权利要求5所述的控制旋转电磁铁稳定转向的方法，其特征在于，所述限位凸起上设置有滚轮。
7.根据权利要求1所述的控制旋转电磁铁稳定转向的方法，其特征在于，所述运动件与导向件之间设置有导轨。
8.根据权利要求1所述的控制旋转电磁铁稳定转向的方法，其特征在于，还包括第一位置传感器和第二位置传感器，所述第一位置传感器位于匀速阶段的起点处，所述第二位置传感器位于匀速阶段的终点处。
9.根据权利要求1所述的控制旋转电磁铁稳定转向的方法，其特征在于，所述旋转电磁铁上设置有角度传感器。
10.一种通过控制旋转电磁铁稳定转向的系统，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的过控制旋转电磁铁稳定转向的方法控制转向装置工作。
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