莫本團(tuán)

(佛山市南海天雨智能滅火裝置公司，廣東佛山，528200)

基于步進(jìn)電機(jī)控制的大空間火災(zāi)精確定位原理設(shè)計(jì)

莫本團(tuán)

(佛山市南海天雨智能滅火裝置公司，廣東佛山，528200)

常規(guī)噴淋滅火系統(tǒng)的保護(hù)凈空高度在8m以內(nèi)。而在今天，大型車站、機(jī)庫、倉庫、電視塔的超級工程出現(xiàn)，新的挑戰(zhàn)也隨之出現(xiàn)，經(jīng)過人們的不段探索和努力另一個(gè)消防領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，那就是大空間場所智能消防系統(tǒng)。“大空間場所”是指民用和工業(yè)建筑內(nèi)凈空高度大于8m，倉庫建筑物內(nèi)凈空高度大于12m的場所（中國工程檢測協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《大空間智能型主動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》CECS 263:2009規(guī)定）。

傳動(dòng)部件；滅火裝置；空間定位

0 引言

面對“大空間場所”挑戰(zhàn)，只有將紅外/紫外傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)、通訊控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起的“大空間滅火裝置”才能滿足要求：“大空間滅火裝置”全天候自動(dòng)監(jiān)測保護(hù)范圍內(nèi)的火災(zāi)，同時(shí)具有重復(fù)啟閉功能。一旦發(fā)生火災(zāi)，滅裝置立即精確定位火災(zāi)的空間坐標(biāo)，中央控制器發(fā)出指令，發(fā)出火警信號，同時(shí)啟動(dòng)水泵、打開閥門，滅火裝置對準(zhǔn)火源進(jìn)行射水滅火，火源撲滅后，中央控制器再發(fā)出指令停止射水。若有新的火源，滅火裝置將重復(fù)上述過程，待全部火源被撲滅后重新回到監(jiān)控狀態(tài)。

1 關(guān)鍵傳動(dòng)部件選型比較

滅火裝置對火源進(jìn)行水平方向和垂直方向的XY二維掃描的機(jī)械傳動(dòng)部分現(xiàn)有技術(shù)一般采用AC220V永磁同步電機(jī)和直流減速電機(jī)。永磁同步電機(jī)和直流減速電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡潔成本低廉，用可控硅控制永磁同步電機(jī)正反轉(zhuǎn)，用繼電器或者M(jìn)OS管搭建“H橋”控制直流減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)，但是在工程安裝應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這兩種電機(jī)內(nèi)部變速齒輪組比較脆弱且電機(jī)軸是咬死狀態(tài)，若人為逆向擰動(dòng)裝置，很小的一個(gè)力通過杠桿原理放大后最終施加在電機(jī)上會(huì)造成內(nèi)部齒輪組損壞。并且永磁同步電機(jī)和直流減速電機(jī)都是通過加于其兩極的電壓時(shí)間控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，滅火裝置受施加電壓時(shí)間的精度、反向電動(dòng)勢以及累積誤差的影響較大。舉個(gè)例子，以某一條線為中心，左右偏轉(zhuǎn)相同角度β°，當(dāng)重復(fù)10次后，左右偏轉(zhuǎn)線已經(jīng)偏移了中心線且左右偏轉(zhuǎn)角≠β°，這就是反向電動(dòng)勢和誤差積累的緣故，目前只能用軟件進(jìn)行補(bǔ)償。

采用步進(jìn)電機(jī)就可以彌補(bǔ)永磁同步電機(jī)和直流減速電機(jī)的缺點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，通過控制施加在電機(jī)線圈上的電脈沖順序、頻率和數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制，配合以直線運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或齒輪箱裝置，更可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、精密的線性運(yùn)動(dòng)控制要求。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3～5%，且不累積。步進(jìn)電機(jī)在不通電或脫機(jī)狀態(tài)下，電機(jī)軸是自由轉(zhuǎn)動(dòng)的，這樣裝置轉(zhuǎn)動(dòng)部位不受逆向外力作用而損壞。

2 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

滅火裝置系統(tǒng)組成如下圖1所示，主要由:UV紫外啟動(dòng)組件、IR1紅外水平定位組件、IR2紅外垂直定位組件、MCU微控制器、THB19C8雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、水平及垂直步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用高集成度的THB19C8型PWM斬波型雙極性正弦步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)模塊，可同時(shí)控制2只兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，最高16細(xì)分，最大電壓50VDC,單路最大輸出電流5A。滅火裝置在額定工作壓力0.6Mpa、額定流量5L及射程35m時(shí)后坐力達(dá)到30KG.M。選用1.8度的1.2N.M兩相步進(jìn)電機(jī)，考慮冗余后，機(jī)械齒輪傳動(dòng)比須為50。那么THB19C8設(shè)置16細(xì)分時(shí)精度為0.0025度/步（α=1.8÷16÷50=0.00225度），4細(xì)分時(shí)0.009度/步。

3 空間定位原理

為了更好地理解滅火裝置的對火源的定位原理，在滅火裝置的保護(hù)空間內(nèi)，設(shè)置了幾個(gè)參考點(diǎn)和參考線，見下圖2。這些參考點(diǎn)和參考線包括。

圖1 滅火裝置系統(tǒng)組成簡圖

原點(diǎn)O（滅火裝置的地面投影）；

水平角起始線OB(水平掃描狹縫所在平面與地平面的相交線）；

垂直角起始線OA（裝置頂部進(jìn)水管所在的線與地平面的垂直線）；

水平目的線OC（火焰水平中心線）；

垂直目的線AC；

水平角∠BOC；

垂直角∠OAC。

有了上面的定義，滅火裝置保護(hù)范圍內(nèi)的任一點(diǎn)都可以由水平角∠BOC和垂直角∠OAC這兩個(gè)XY坐標(biāo)參數(shù)來確定。簡單地說，所謂“定位”，就是將滅火裝置的射水槍口對準(zhǔn)水平角為∠BOC，垂直角為∠OAC的點(diǎn)。而∠BOC和∠OAC由火源的位置隨機(jī)確定。

滅火裝置上設(shè)有IR1水平定位傳感器組件和IR2垂直定位傳感組件。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，UV紫外啟動(dòng)傳感組件（與裝置一體化安裝）發(fā)出信號，裝置上的CPU確認(rèn)后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)THB19C8控制裝置X方向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行水平掃描，在掃描過程中，一旦IR1水平定位傳感組件與火源相對，IR1定位傳感組件會(huì)發(fā)出信號，CPU經(jīng)過分析處理后發(fā)出指令將THB19C8的水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)置到半電流自鎖狀態(tài)使裝置水平方向剎車停止水平掃描，此時(shí)，確定了水平角∠BOC；然后CPU又發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)THB19C8控制裝置帶射水槍和IR2垂直定位傳感組件進(jìn)行垂直方向掃描。在掃描過程中，一旦IR2定位傳感組件與火源相對，IR2定位傳感組件會(huì)發(fā)出信號，CPU經(jīng)過分析處理后發(fā)出指令將THB19C8的垂直電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)置到半電流自鎖狀態(tài)使裝置垂直方向剎車停止垂直掃描，此時(shí)，確定了垂直角∠OAC。至此，裝置已經(jīng)找到了火源的水平角∠BOC和垂直角∠OAC，由于射水槍與∠BOC和∠OAC定位傳感組件是同步聯(lián)動(dòng)的，射水槍口也就自然對準(zhǔn)了火源。打開閥門、啟動(dòng)水泵就可射水滅火了。

圖2 滅火裝置定位原理說明

4 結(jié)束語

基于步進(jìn)電機(jī)及THB19C8高集成度驅(qū)動(dòng)模塊做為動(dòng)力部件實(shí)現(xiàn)大空間火災(zāi)精確定位，在高大空間消防領(lǐng)域具有舉足輕重的意義，即實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離精確定位滅火功能，在一定程度上保障了人們生命財(cái)產(chǎn)安全。

[1]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).大空間智能型主動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程.CECS263:2009.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).自動(dòng)跟蹤射流滅火系統(tǒng).GB25204-2010.

Design of precise positioning of large space fire based on stepping motor control

Mo Bentuan
(Foshan Nanhai Tianyu intelligent fire extinguishing equipment company, Foshan Guangdong, 528200)

The protection of conventional spray extinguishing system headroom within 8 m. Today, super large station, garage, warehouse, TV tower engineering, new challenges have emerged, after people’s not period of exploration and efforts to another fire area arises at the historic moment, is the large space intelligent fire control system.“Big Spaces” refers to the civil and industrial buildings headroom is more than 8 m, warehouse buildings headroom is greater than 12 m.(China association of engineering test standard“regulations of technology of large space intelligent active sprinkler system” CECS 263:2009).

Driving part; Fire extinguishing system; Spatial orientation