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基于全行程位置反馈的电气限位设计

2020/11/11    来源:互联网    作者:谭敏  倪灯塔      
关键字:全行程位置反馈  电气限位  双余度电位器  非线性结构  
将电位器设计成双余度结构,其中一个余度为非线性结构,作为极限位置判断,另外一个余度为线性结构,作为全行程位置反馈输出,可充分利用空间,有效减少零部件数量,达到减重的目的。

    电气限位装置作为旋转式电动机构中的重要组成部分,其主要作用为:(1)切断产品电源:旋转式电动机构通过外部电源给产品供电,由于旋转式电动机构输出轴的旋转角度对产品影响较大,为保证输出轴旋转角度满足设计要求,当旋转式电动机构输出轴旋转至设计要求角度后,输出轴应能停止转动,因此,在旋转式电动机构中应设置断电装置,当输出轴受旋转角度影响,要求旋转至规定角度后,产品应能自动切断电源,停止转动,保证产品工作角度。(2)反馈极限信号:当产品工作到极限位置,自动断电停止时,需立即向上一级控制器反馈极限信号,控制器根据极限信号进行判断后,发出下一次动作指令。传统的旋转式电动机构电气限位装置一般采用微动开关按压方式或霍尔感应方式实现电源切断和极限位置信号反馈。微动开关按压方式主要分为弹簧片按压和钢球按压两种方式,弹簧片按压方式由摇臂部件、开关固定板部件组成,其结构如图1所示,钢球按压方式由开关固定板部件、钢球、小轴组成,其结构如图2所示,霍尔感应方式由霍尔印制板部件、磁钢支座部件组成,霍尔根据磁钢位置产生霍尔效应,其结构如图3所示。

弹簧片按压式电动机构电气限位装置结构图

图1 弹簧片按压式电动机构电气限位装置结构图

钢球按压式电动机构电气限位装置结构图

图2 钢球按压式电动机构电气限位装置结构图

霍尔式电动机构电气限位装置结构图

图3 霍尔式电动机构电气限位装置结构图

1 问题描述

    根据主机要求,电动机构需要工作90°时自动断电,电机停止工作,并且在90°的工作范围内需输出全行程线性的电阻位置信号,产品势必需要电位器作为角度位置传感器。在图1、图2结构中,电动机构内部已无空间安装电位器,原电气限位装置结构难以实现。鉴于此,考虑采用双余度的电位器作为位置反馈装置,其中一个余度采集电压值作为位置信号供控制器作为极限位置判断使用,另一个余度输出电阻信号给上位机。通常双余度电位器独立输出两个余度,且两个余度结构一致,均为线性,其中,Ⅰ余度作为电动机构极限位置判断用,Ⅱ余度输出电阻值给主机作为实时位置监控用。在实际使用中,因三端稳压器FW7812、电阻等元器件参数差异,导致极限位置判断电路中参考电压存在偏差,而电位器的两个余度之间对应也不可能完全一致,由于上述偏差的积累,产品极限位置断电后,输出电阻势必存在差异,导致部分产品输出电阻不满足要求。

2 方案实现

    根据产品验收特点,其主要检测产品开、关极限时输出的电阻值需满足要求,而中间位置只要求线性变化即可,因此,可以考虑将Ⅰ余度的输出电压与Ⅱ余度的输出电阻联系起来,并产生对应关系。电动机构停止是根据电位器Ⅰ余度的输出电压与比较器的基准电压相比较,通过向控制器输出高低电平的形式使电机工作或停止。因控制重点是需要准确判断极限位置,比较器在中间位置并不会发生翻转,所以,提高极限位置的分辨率,可有效控制电动机构的角度。将Ⅰ余度阻值设计为非线性结构,在左右极限位置±10°范围内增大电阻值,中间10°~80°范围内减小电阻值,根据电阻分压原理,可有效提高限位置的分辨率,Ⅱ余度需输出线性的电阻值,设计为线性结构,其阻值及对应关系分别如下:Ⅰ余度总阻值为10.5kΩ±150Ω,阻值为非线性分布,-10°~10°阻值为5kΩ,10°~80°阻值为500Ω,80°~100°阻值为5kΩ,见图4,Ⅱ余度总阻值不小于2100Ω。

电位器非线性结构

图4 电位器非线性结构

    根据对开/关极限位置电压的计算,余度间电阻值对应关系为:Ⅰ余度输出(9.13±0.1)V时对应Ⅱ余度阻值为(500±10)Ω,Ⅰ余度输出(2.86±0.05)V时对应Ⅱ余度阻值为(1700±25)Ω。

    采用比较器对电位器输出电压进行比较判断,当电位器电压达到设定的上、下极限阈值时,比较器输出+5V高电平,给出高电平极限位置信号,当电位器电压未达到阈值时,比较器输出0V低电平电平,见图5。

    开、关极限电压分别为:

开、关极限电压

开、关极限电压

极限位置比较判断电路

图5 极限位置比较判断电路

3 取得的成果

    通过采用非线性结构的双余度电位器,取得如下成果:

    (1)在不增加产品体积的情况下,实现了主机对全行程位置反馈的要求,并减少了电气限位装置结构的零部件数量,优化了结构,简化了装配工艺性,可有效减小产品的体积和重量。

    (2)通过将电位器的Ⅰ余度设计为非线性结构,在极限位置±10°范围内,有效提高了控制器的分辨率,其分辨率K为:K=5kΩ/10.5kΩ×12V/20°=0.286V/°。分辨率由原线性结构的0.082V/°提高到0.286V/°,提高3.5倍,即提高了电动机构输出角度的控制精度。

    (3)通过极限位置0°和90°时两个余度之间的对应关系,可保证电动机构极限位置停止时输出500±10Ω、1700±25Ω,不用调试即可满足主机要求,大大减少了调试时间,有效提高了生产效率。

4 结语

    目前,该技术已完成相关试验及设计鉴定,并应用于市场,通过使用情况来看,取得了良好的经济效果。因该结构控制精度高、体积小、重量轻,在小型化电动机构应用方面有很强的竞争力,市场前景广阔,具有较高的推广价值。

责任编辑:程玥
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