電子凸輪在煤礦提升系統中的應用

張海濱，李建偉

（1.鶴壁煤業技師學院，河南 鶴壁 458000；2.鶴壁汽車工程學院，河南 鶴壁 458000）

0 引言

現代自動控制領域常用的有可變電位器、機械凸輪控制器等，但它們在控制時存在精度差、可靠性差、有火花，且機械凸輪角度固定或修改角度值很不方便等缺點，已經不能滿足現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，具有無火花、精度高、可靠性高、敏感性可調等優點，可替代機械凸輪控制器和可變電位器。

電子凸輪將手柄（手輪等）產生的機械旋轉運動傳送到編碼器，由編碼器將其轉換成數字信號再傳遞給CPU（單片機、ARM、PLC）的I/O口，這樣就建立了手柄（手輪）旋轉角度與速度的對應關系。電子凸輪可實現以下功能：①可輸出多路控制開關量（ON/OFF），且每路都可以獨立預設起始、終止角度；②可動態檢測和顯示實際運行角度，對設備運行和再調整進行實時檢測；③可隨時修改預設角度；④各路輸出信號在電氣上相互隔離，抗干擾能力強，可靠性高；⑤動作精度可達到1°或更低（根據編碼器及傳動精度而定）。

1 電子凸輪的組成

電子凸輪由傳動機構、絕對式編碼器和位置顯示組成。其中傳動機構是將機構運動按傳動比傳輸給編碼器。絕對式編碼器檢測手柄的實際運行角度或旋轉位置，并將其轉換成數字信號。位置顯示為可選項，用于顯示當前系統運行狀態，可以用指示燈或數碼管等實現。

以手柄式電子凸輪為例，若手柄運動范圍在－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生的轉動角度轉換成數字信號傳遞給CPU，通過計算得出手柄運動角度、方向及角速度，CPU根據控制要求可實現外圍器件的具體操作功能。當手柄在2°～45°時，通過CPU控制變頻器（或可控電源等）使電動機正轉，轉速為最大轉速的0～100%（根據需要可達100%以上）；當手柄在－2°～－45°時，電動機反轉，轉速為最大轉速的0～100%；當手柄在－2°～2°時，電動機停止。在這里沒有設置成0°時電動機停止，是由于容差的緣故。

圖1 手柄式電子凸輪

3 實例應用

在煤礦提升系統中需要使用提升控制主令、液壓站控制主令，傳統的煤礦提升主令多為倒正開關或可變電位器。倒正開關只能實現電動機正、反轉及停止功能，沒有速度控制功能；雖然可變電位器配合CPU及變頻器可實現電動機正轉、反轉、停止及電動機速度控制，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控制原理圖

3.1 運動過程

提升系統的整個運動過程分為加速階段、保持階段和減速階段。提升機正方向加速運動即加速階段，運動速度至vmax時停止加速，即進入保持階段，提升至目標位置時可根據設定好的減速值減速，即進入減速階段。當加速度、減速度均為一固定值時，為了獲得以下4種不同的速度，我們可以把電子凸輪設計成4個檔位。

（1）當電子凸輪手柄推至＋45°，CPU檢測到電子凸輪的當前位置為正方向運動范圍的100%處，CPU對變頻器連接的電動機發出指令，電動機開始正向旋轉并逐漸加速，當速度達到最高值vmax時，即最大速度的100%，保持這個較高速度一段時間，提升系統到達目標位置時，開始減速運行，速度輸出圖對應為“加速階段—vmax保持階段—減速階段”。

（2）當電子凸輪手柄推至36°，即電子凸輪運動到正方向范圍的80%，電動機正轉，其速度達到最大速度的80%，即v1，輸出圖對應為“加速階段—v1保持階段—減速階段”。

（3）當電子凸輪手柄推至22.5°，即電子凸輪正方向運動范圍的50%，電動機正轉，其速度達到最大速度的50%，即v2，輸出圖對應為“加速階段—v2保持階段—減速階段”。

（4）當電子凸輪手柄推至9°，即電子凸輪正方向運動范圍的20%，電動機正轉，其速度達到最大速度的20%，即v3，輸出圖對應為“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，保持速度v3最低；電子凸輪推至45°時，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動的角度范圍，則保持速度會相應地增加或減少。根據運行特點，我們知道電子凸輪采用實時比例方式控制電動機，電動機當前速度與電子凸輪手柄當前位置的角度成比例關系。

反方向推電子凸輪手柄時，電動機反轉，原理與正方向推電子凸輪手柄時相同。

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率，提升速度、加速度會盡可能地高，保持速度可達12m/s左右，使用電子凸輪后，提物模式時的提升速度輸出可以在保持原加、減速不變的情況下，盡可能設置最大速度。

（3）手動模式：該模式主要應用于提升設備檢修，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，運行時速度根據需要隨時調整，若某一段高度有可能有故障，速度會降至很低；如若某一段高度沒故障，則提升速度會高些。

圖3 實時輸出圖

4 結束語

電子凸輪配合CPU能滿足更為復雜、苛刻的控制要求，這是傳統器件無法達到的。制約電子凸輪推廣的因素是絕對編碼器的價格較高，但隨著電子技術的發展及國產絕對編碼器的大量出現，其價格會逐步降低。

［1］姜明.數控凸輪［J］.無錫輕工大學學報，1999，18（4）：91-94.

［2］王富東.數字化凸輪及其實現［J］.機械設計，2003，20（4）：47-48.

［3］孫燕.一種可編程電子式凸輪開關控制器的設計［J］.農機化研究，2005，18（5）：146-147，150.

［4］李瑞琴，鄒慧君.可控機構的分類及應用［J］.機械設計與研究，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］.大連海事大學學報，2003，29（4）：105-106.