張海濱，李建偉

（1.鶴壁煤業(yè)技師學(xué)院，河南 鶴壁 458000；2.鶴壁汽車工程學(xué)院，河南 鶴壁 458000）

0 引言

現(xiàn)代自動(dòng)控制領(lǐng)域常用的有可變電位器、機(jī)械凸輪控制器等，但它們在控制時(shí)存在精度差、可靠性差、有火花，且機(jī)械凸輪角度固定或修改角度值很不方便等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代多樣化控制的要求。電子凸輪是以絕對式編碼器為核心元件的控制主令系統(tǒng)，具有無火花、精度高、可靠性高、敏感性可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可替代機(jī)械凸輪控制器和可變電位器。

電子凸輪將手柄（手輪等）產(chǎn)生的機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳送到編碼器，由編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再傳遞給CPU（單片機(jī)、ARM、PLC）的I/O口，這樣就建立了手柄（手輪）旋轉(zhuǎn)角度與速度的對應(yīng)關(guān)系。電子凸輪可實(shí)現(xiàn)以下功能：①可輸出多路控制開關(guān)量（ON/OFF），且每路都可以獨(dú)立預(yù)設(shè)起始、終止角度；②可動(dòng)態(tài)檢測和顯示實(shí)際運(yùn)行角度，對設(shè)備運(yùn)行和再調(diào)整進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測；③可隨時(shí)修改預(yù)設(shè)角度；④各路輸出信號(hào)在電氣上相互隔離，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；⑤動(dòng)作精度可達(dá)到1°或更低（根據(jù)編碼器及傳動(dòng)精度而定）。

1 電子凸輪的組成

電子凸輪由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絕對式編碼器和位置顯示組成。其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)按傳動(dòng)比傳輸給編碼器。絕對式編碼器檢測手柄的實(shí)際運(yùn)行角度或旋轉(zhuǎn)位置，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。位置顯示為可選項(xiàng)，用于顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可以用指示燈或數(shù)碼管等實(shí)現(xiàn)。

以手柄式電子凸輪為例，若手柄運(yùn)動(dòng)范圍在－45°～45°，可選用單圈式絕對編碼器，如圖1所示。

2 工作原理

單圈式絕對編碼器將手柄產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給CPU，通過計(jì)算得出手柄運(yùn)動(dòng)角度、方向及角速度，CPU根據(jù)控制要求可實(shí)現(xiàn)外圍器件的具體操作功能。當(dāng)手柄在2°～45°時(shí)，通過CPU控制變頻器（或可控電源等）使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的0～100%（根據(jù)需要可達(dá)100%以上）；當(dāng)手柄在－2°～－45°時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的0～100%；當(dāng)手柄在－2°～2°時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。在這里沒有設(shè)置成0°時(shí)電動(dòng)機(jī)停止，是由于容差的緣故。

圖1 手柄式電子凸輪

3 實(shí)例應(yīng)用

在煤礦提升系統(tǒng)中需要使用提升控制主令、液壓站控制主令，傳統(tǒng)的煤礦提升主令多為倒正開關(guān)或可變電位器。倒正開關(guān)只能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)及停止功能，沒有速度控制功能；雖然可變電位器配合CPU及變頻器可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止及電動(dòng)機(jī)速度控制，但其可靠性差。以絕對編碼器為核心的電子凸輪可以解決以上問題，基于電子凸輪的煤礦提升系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。

圖2 基于電子凸輪的煤礦提升系統(tǒng)控制原理圖

3.1 運(yùn)動(dòng)過程

提升系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程分為加速階段、保持階段和減速階段。提升機(jī)正方向加速運(yùn)動(dòng)即加速階段，運(yùn)動(dòng)速度至vmax時(shí)停止加速，即進(jìn)入保持階段，提升至目標(biāo)位置時(shí)可根據(jù)設(shè)定好的減速值減速，即進(jìn)入減速階段。當(dāng)加速度、減速度均為一固定值時(shí)，為了獲得以下4種不同的速度，我們可以把電子凸輪設(shè)計(jì)成4個(gè)檔位。

（1）當(dāng)電子凸輪手柄推至＋45°，CPU檢測到電子凸輪的當(dāng)前位置為正方向運(yùn)動(dòng)范圍的100%處，CPU對變頻器連接的電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)開始正向旋轉(zhuǎn)并逐漸加速，當(dāng)速度達(dá)到最高值vmax時(shí)，即最大速度的100%，保持這個(gè)較高速度一段時(shí)間，提升系統(tǒng)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，開始減速運(yùn)行，速度輸出圖對應(yīng)為“加速階段—vmax保持階段—減速階段”。

（2）當(dāng)電子凸輪手柄推至36°，即電子凸輪運(yùn)動(dòng)到正方向范圍的80%，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其速度達(dá)到最大速度的80%，即v1，輸出圖對應(yīng)為“加速階段—v1保持階段—減速階段”。

（3）當(dāng)電子凸輪手柄推至22.5°，即電子凸輪正方向運(yùn)動(dòng)范圍的50%，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其速度達(dá)到最大速度的50%，即v2，輸出圖對應(yīng)為“加速階段—v2保持階段—減速階段”。

（4）當(dāng)電子凸輪手柄推至9°，即電子凸輪正方向運(yùn)動(dòng)范圍的20%，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其速度達(dá)到最大速度的20%，即v3，輸出圖對應(yīng)為“加速階段—v3保持階段—減速階段”。

如圖3所示，電子凸輪手柄從9°推至45°，保持速度呈上升趨勢，電子凸輪手柄推至9°時(shí)，保持速度v3最低；電子凸輪推至45°時(shí)，保持速度vmax最高。若在保持階段增加或減少電子凸輪手柄運(yùn)動(dòng)的角度范圍，則保持速度會(huì)相應(yīng)地增加或減少。根據(jù)運(yùn)行特點(diǎn)，我們知道電子凸輪采用實(shí)時(shí)比例方式控制電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)當(dāng)前速度與電子凸輪手柄當(dāng)前位置的角度成比例關(guān)系。

反方向推電子凸輪手柄時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，原理與正方向推電子凸輪手柄時(shí)相同。

3.2 提升模式

提升模式多為3種，即提物模式、提人模式和手動(dòng)模式。

（1）提人模式：因提升對象為人員，考慮人員承受能力及安全等因素，加、減速度及保持速度都不高，保持速度一般為4m/s～6m/s。

（2）提物模式：所提對象為煤及物資，沒有人員，在保證安全的前提下為提高生產(chǎn)率，提升速度、加速度會(huì)盡可能地高，保持速度可達(dá)12m/s左右，使用電子凸輪后，提物模式時(shí)的提升速度輸出可以在保持原加、減速不變的情況下，盡可能設(shè)置最大速度。

（3）手動(dòng)模式：該模式主要應(yīng)用于提升設(shè)備檢修，提升對象主要是人員，其加速階段、保持加速階段、減速階段速度不高，運(yùn)行時(shí)速度根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整，若某一段高度有可能有故障，速度會(huì)降至很低；如若某一段高度沒故障，則提升速度會(huì)高些。

圖3 實(shí)時(shí)輸出圖

4 結(jié)束語

電子凸輪配合CPU能滿足更為復(fù)雜、苛刻的控制要求，這是傳統(tǒng)器件無法達(dá)到的。制約電子凸輪推廣的因素是絕對編碼器的價(jià)格較高，但隨著電子技術(shù)的發(fā)展及國產(chǎn)絕對編碼器的大量出現(xiàn)，其價(jià)格會(huì)逐步降低。

［1］姜明.數(shù)控凸輪［J］.無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，18（4）：91-94.

［2］王富東.數(shù)字化凸輪及其實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，20（4）：47-48.

［3］孫燕.一種可編程電子式凸輪開關(guān)控制器的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2005，18（5）：146-147，150.

［4］李瑞琴，鄒慧君.可控機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2002，18（4）：17-19.

［5］譚躍，王天序，高向東.多功能可編程電子凸輪的研制［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，29（4）：105-106.