專利名稱：可精確控制位移量的牽引電磁鐵的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可對被牽引物體實施精確定位的牽引電磁鐵，屬牽引技術領域。
背景技術：
電磁鐵是一種常用的牽引裝置，在很多情況下，人們需要對被牽引物體的速度和 最終位置進行控制。現有的牽引電磁鐵一般是通過控制加在其線圈兩端電壓的方式來間接 控制被牽引物體的速度和最終位置，對于銜鐵的運動速度是開環的控制方式。但在實際應 用中，常需要精確控制其運行速度，以免造成過大沖擊；電源電壓常出現波動，造成線圈上 的電壓不穩，電磁鐵所產生的牽引力隨電壓而變化，影響速度的穩定；當線圈溫度升高后， 線圈電阻增大，即使電壓穩定，流過線圈的驅動電流也會減小，使拖動速度降低。被拖動物 體所受到的阻力主要是它與運行軌道之間的摩擦力，它的大小受很多因素的影響，被拖動 的物體不同，摩擦力也會不同，這就必然要影響拖動速度。由于上述問題的存在，使用傳統 電磁鐵拖動物體時，物體運行速度不穩導致最終定位位置分散性很大，在不能使用檔塊定 位的情況下，現有電磁鐵很難滿足定位要求。
發明內容
本發明的目的在于克服已有技術之缺陷，提供一種能夠使被拖動物體準確定位的 可精確控制位移量的牽引電磁鐵。 本發明所稱問題是以下述技術方案實現的 —種可精確控制位移量的牽引電磁鐵，由電磁鐵及其控制電路構成閉環控制系 統，所述控制電路由信號采集電路、單片機和驅動電路組成，所述信號采集電路由光電傳感 器和比較器組成，所述光電傳感器的發光管和光電管分別位于電磁鐵銜鐵兩側(也可采用 一側方式)，所述比較器的兩輸入端分別接光電傳感器的輸出信號和參考電壓，輸出端接單 片機的INT0端；所述驅動電路的輸入端接單片機的P1.7端，輸出端驅動電磁鐵的線圈；所
述電磁鐵的銜鐵上沿軸線方向設置多個等距且與光電傳感器的發光管和光電管相對應的 檢測孔。 上述可精確控制位移量的牽引電磁鐵，所述驅動電路由三極管和CMOS管組成，所 述CMOS管與電磁鐵線圈串聯連接后接電源，所述三極管接成共發射極放大器，其基極接單 片機的Pl. 7端，集電極的輸出信號控制CMOS管的柵極，在電磁鐵的線圈上還并接有續流二 極管；所述CM0S管為IGBT。 上述可精確控制位移量的牽引電磁鐵，在驅動電路與單片機之間還設置信號放大 器和光電隔離器，所述信號放大器的輸入端接單片機的Pl. 7端，輸出端驅動光電隔離器的 發光二極管，所述光電隔離器的輸出端接三極管的基極。 上述可精確控制位移量的牽引電磁鐵，相鄰兩檢測孔的軸線之間的距離為1 2 毫米。 本發明利用信號采集電路采集電磁鐵銜鐵的運動信息，單片機根據銜鐵的速度、加速度等運動參數，通過驅動電路來控制加于電磁鐵線圈上的電壓，使電磁鐵按設定的運 動參數牽引物體。由于本裝置以運動參數作為閉環控制對象，有效抑制了電源波動、溫度變 化和運行阻力的干擾，因而可使被牽引物體獲得精確的運動速度，進而可對被牽引物體實 施精確定位、避免過度沖擊。
下面結合附圖對本發明作進一步詳述。
圖1是電磁鐵結構示意圖；
圖2是控制電路的電原理圖；
圖3是電磁鐵控制原理框圖； 圖中各標號為1、引線插頭；2、檢測孔；3、線路板；4、銅導軸；5、銜鐵；6、外殼；T、 光電管；D1、發光管；D2、續流二極管；L、線圈；U1、單片機；U2、比較器；U3、光電隔離器；F、
放大器；Q、三極管；E、CM0S管；W1、W2、電位器；R1 R6、電阻；R、線圈電阻；m、被拖動物體的
質量叫、運動部分(包括銜鐵5和被拖動的物體)的質量；t、通電時間；k、牽引力與驅動電 流之比；V、物體的運動速度；f、定位力；fz、阻力。
具體實施例方式
參看圖1 ，本裝置的電磁鐵由線圈L、銜鐵5和外殼6組成，線圈L通電時產生磁場， 磁力線牽引銜鐵5做功，銜鐵5牽引物體作直線運動。控制電路的光電傳感器通過線路板 3與電磁鐵的外殼6固定連接，其發光管Dl和光電管T分別位于電磁鐵銜鐵5兩側。在銜 鐵上沿軸線方向每2毫米開1個檢測孔2，銜鐵運動時，發光管Dl發出的光線依次經過各檢 測孔到達光電管，光電管T輸出反應銜鐵運動速度的電脈沖信號。 參看圖2，光電傳感器由電阻R1、R2、發光管D1、電位器W1和光電管T構成，R1是 發光管Dl的限流電阻，R2和Wl用于調節光電管T輸出信號的電平。光電管T受光照后發 出信號，經過比較器U2得到脈沖信號，比較器U2每輸出一個脈沖信號表示銜鐵運行了 2毫 米的距離。該脈沖經過比較器U2整形后，送到單片機U1的中斷引腳INT0，單片機U1根據 銜鐵運行1 2毫米所需的時間計算出運行速度。比較器的反向輸入端接參考電壓Vref ， 參考電壓Vref是由電阻R3和電位器W2分壓形成的，其大小可以由電位器W2設定和調節， 從而改變比較器U2的閥值電壓。單片機U1選用AT89c2051，工作在12MHz的頻率下，計時 的分辨精度是l微秒。單片機U1把計算得到的占空比由P1.7輸出，用來調整驅動電路(脈 寬調制電路)的平均電壓，這個電壓經過晶體三極管Q和CMOS管E兩級放大得到驅動電 壓，加載到電磁線圈L上，電磁線圈L的驅動電壓決定了驅動電流和電磁牽引力、牽引力使 銜鐵5產生加速度，決定銜鐵5的運行速度、銜鐵5拖動被傳送的物體一起運動，被傳送物 體的動量是由運行速度決定的，定位作用力(即定位裝置施加給運動物體使其停止的作用 力)和被拖動物體的動量最終決定被拖動物體所停的位置。因此驅動電壓與物體定位的位 置有關。 圖3是電磁鐵控制原理框圖，圖中R是線圈電阻，n^是運動部分的質量(包括銜鐵 5和被拖動的物體)，t是通電時間，k是牽引力與驅動電流之比，在鐵芯不飽和的情況下K 是常數。從框圖可見，自驅動電壓到速度都包含在閉環以內，這個區間的所有干擾及不穩定
4因素都將被反饋環節所抑制，因此動態物體得到一個穩定的速度，在相同定位作用力下，必 將得到一個準確的定位位置。 如圖3所示，設定速度與檢測得到的速度由單片機計算比較，得到速度誤差信號， 程序通過調整占空比，把誤差信號放大，通過脈寬調制(Pulse Width Modulation)轉換成 對應的驅動電壓，該電壓加到線圈L上，產生線圈電流，電路的時間常數相對于機械反應時
間很小，可以忽略電路的過渡過程，認為電流與電壓符合歐姆定律，即"。牽引力與電流 之間的關系是個二次函數，但在裝置的磁路不飽和，電流變化不大的情況下，認為電磁牽引 力的變化^ = ^^/，設該點的|= K ，即牽引力在該點與電流成正比。牽引力F使得銜鐵
5和被驅動的物體加速運動，加速度"=，加速度的積分是銜鐵5和被拖動物體的運
附l
動速度v，由于運動的物體有動量，在定位力的作用下停止運動必然要經過一段時間，且符 合能量守恒定律和動量守恒定律。由此得到位移、運動速度及定位力的關系。在定位力作
用下，被拖動的物體做減速運動，速度變化率32=-^，其中的m是被拖動物體的質量，由初速
附
度為v到靜止所經過的路程s = = ^ 。 由上述分析可見本裝置的速度反饋閉環結構，以運行速度為控制對象，抑制了電 源波動干擾、溫度變化干擾和運行阻力的干擾，可以得到一個穩定的運動速度，運動速度越 一致，定位的重復性就越好。制作過程中發現，檢測孔2的距離越近，檢測的實時性越好，就 越有利于速度的穩定，但由于機械尺寸的限制，實際應用中孔距為2mm。
經過長時間的現場試驗，本定位裝置的最終定位精度達到了 0. 02mm，而無速度反 饋的開環控制結構，在其他條件不變的情況下定位精度是0. 06mm。
權利要求
一種可精確控制位移量的牽引電磁鐵，其特征是，它由電磁鐵及其控制電路構成閉環控制系統，所述控制電路由信號采集電路、單片機(U1)和驅動電路組成，所述信號采集電路由光電傳感器和比較器(U2)組成，所述光電傳感器的發光管(D1)和光電管(T)分別位于電磁鐵銜鐵(5)兩側，所述比較器(U2)的兩輸入端分別接光電傳感器的輸出信號和參考電壓，輸出端接單片機(U1)的I NTO端；所述驅動電路的輸入端接單片機(U1)的P1.7端，輸出端驅動電磁鐵的線圈(L)；所述電磁鐵的銜鐵(5)上沿軸線方向設置多個等距且與光電傳感器的發光管(D1)和光電管(T)相對應的檢測孔(2)。
2. 根據權利要求1所述可精確控制位移量的牽引電磁鐵，其特征是，所述驅動電路由 三極管(Q)和CM0S管(E)組成，所述CMOS管(E)與電磁鐵的線圈(L)串聯連接后接電源， 所述三極管(Q)接成共發射極放大器，其基極接單片機(Ul)的P1.7端，集電極的輸出信號 控制CM0S管(E)的柵極，在電磁鐵的線圈(L)上還并接有續流二極管(D2);所述CMOS管 為IGBT。
3. 根據權利要求2所述可精確控制位移量的牽引電磁鐵，其特征是，在驅動電路與單 片機(Ul)之間還設置信號放大器(F)和光電隔離器(U3)，所述信號放大器(F)的輸入端接 單片機(Ul)的P1.7端，輸出端驅動光電隔離器(U3)的發光二極管，所述光電隔離器(U3) 的輸出端接三極管(Q)的基極。
4. 根據權利要求1或2或3所述可精確控制位移量的牽弓I電磁鐵，其特征是，相鄰兩檢 測孔(2)的軸線之間的距離為1 2毫米。
全文摘要
一種可精確控制位移量的牽引電磁鐵，用于解決被牽引物體的定位問題。其技術方案是它由電磁鐵及其控制電路構成閉環控制系統，所述控制電路由信號采集電路、單片機和驅動電路組成，所述信號采集電路由光電傳感器和比較器組成，所述光電傳感器的發光管和光電管分別位于電磁鐵銜鐵兩側，所述比較器的兩輸入端分別接光電傳感器的輸出信號和參考電壓，輸出端接單片機的INTO端；所述驅動電路的輸入端接單片機的P1.7端，輸出端驅動電磁鐵的線圈；所述電磁鐵的銜鐵上沿軸線方向設置多個等距的檢測孔。本裝置以運動參數作為閉環控制對象，因而可使被牽引物體獲得精確的運動速度，進而可對被牽引物體實施精確定位。
文檔編號H01F7/18GK101719411SQ200910263920
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月28日 優先權日2009年12月28日
發明者張弛, 魏澤鼎 申請人:河北科技大學