基于霍爾檢測的開關門智能防夾控制技術研究

賀杰 周宏明

廣東美的制冷設備有限公司 廣東順德 528300

1 引言

隨著我國家電產品的全面數字化、全面智能化，采用滑動開關門裝置柜式空調器的智能防夾技術研究變得越來越重要，現有光電檢測技術通過安裝光柵條的發光管和受光管間隔透光來產生反饋信號，再檢測高電平或低電平持續時間來判斷防夾[1]，但此類裝置安裝難度較大，檢測時間較長，靈敏度較低；另外通過電感與電容并聯諧振電路來檢測夾住障礙物后金屬片阻抗變化的原理來判斷防夾[2]，但此類裝置會對金屬片造成不可恢復的形變或徹底損壞而使檢測功能失效，而且不適用于安裝在活動開關門上，并且不能檢測開門過程中的防夾。

本文研究技術通過安裝多極磁環于滑動開關門的驅動齒輪上，門板運動時將同步帶動磁環轉動，同時多極磁環附近布置霍爾，門板運動時多極磁環上的N、S磁極交替經過霍爾上方，產生高低電平，電平持續時間由門板運動速度決定。當門板受阻停滯時，電平持續時間拉長并超過正常持續時間，空調器通過比較該持續時間判斷為異物卡住或夾住手指，同時驅動門板反向加速彈開。開關門智能防夾檢測機構原理示意圖如圖1所示。·

2 傳感器安裝

傳感器相對多極磁環的安裝位置如圖2所示。

磁極分布用S1，N1，S2，N2表示，當霍爾1的中心線對準S1、N1的交界線時，霍爾2必須對準其中S1或者N1的中心，如圖3(a)所示；當磁環磁極較窄小或者傳感器體積較大無法滿足該設計要求時，霍爾2可以間隔一個對準S2的中心，如圖3(b)所示。

傳感器之間的中心距離d的計算公式如下：

其中：D為磁環直徑、N為磁環極數、L為傳感器與磁環的距離。

本文研究技術方案采用直徑40 mm的48極磁環、SOT23標準封裝的霍爾傳感器和圖3(a)的傳感器安裝方式，并通過考慮結構公差影響帶來的偏移，設計傳感器和磁環的距離L=0.8 mm。通過實驗驗證該方案在達到最佳倍頻效果的同時，也能保證轉動過程中霍爾傳感器不會和磁環接觸。

3 檢測精度

3.1 最小檢測寬度計算

最小檢測寬度的理論計算公式如下：

其中：L為每個脈沖對應的距離，Nd為活動門板的個數，n為避檢區脈沖的個數，δ為門板活動綜合誤差，β為門板交錯間隙。

每個脈沖對應的距離L的理論計算公式如下：

其中：D磁環直徑，N為磁環極數，A為齒輪傳動比，nh為霍爾傳感器的個數（倍頻系數）。

式（4）中活動門板的個數指的是被電機驅動的門板的數量，如果左右門板都在運動則Nd=2，如果固定一邊只有一邊的門板在動則Nd=1，類似單開門如圖4(a)、圖4(b)和對開門如圖4(c)。

圖4(b)的情況雖然左右兩邊的門板都有移動，但在中間有一段固定不動的區域，所以相當于兩個單開門的設計組合在一起，也按Nd=1計算，對應這種情況左右門需要各安裝1個檢測組件分別檢測。

式（4）中的門板交錯間隙β指的是左右門板交錯重疊的距離，如圖5所示。圖5(a)表示的是左右門板無交疊區的情況，圖5(b)和圖5(c)分別表示兩種不同的交疊方式。

交疊區的存在增大了整個檢測的容差性，推薦在不影響外觀的情況下盡可能的增大交疊區的寬度。通過測量左右門板重疊部分的寬度得到交疊區β，如圖5(d)所示。

門板綜合誤差δ測量方式如下：

其中：M為在開門狀態下用手輕推門板確保同時齒輪沒有轉動的情況下測量門板移動的最大距離。

圖1 開關門智能防夾檢測機構原理示意圖

圖2 傳感器安裝示意圖

圖3傳感器相對磁極安裝位置

圖4 電機驅動門板的數量情況

某參考X機型中由于兩扇門對開的形式已經確定，所以N=2，測量得到δ=2.5 mm，β=2 mm，在齒輪組件已經固定不能改動的情況下A=1:1，使用直徑40 mm的48極磁環，使用兩個霍爾檢測，根據公式（4）和公式（5）計算如下：

圖5 左右門板交錯的重疊距離

圖6 示波器測試夾物區脈沖

3.2 最小檢測寬度優化

已經計算得到某參考X機型在不改動結構的情況下可以做到的最小檢測精度是8.2 mm，下一步說明如何通過優化結構進一步提高檢測精度。

在前面的基礎上通過結構優化可以進一步降低最小檢測寬度，將檢測最小寬度降低至6 mm作為設計目標，具有以下改進方案：

（1）使用一邊門板固定，一邊門板固定的方案。此時在式（8）中N=1。

（2）加長交疊區的長度。在式（8）的基礎上把交疊區加長到4 mm。

（3）改變齒輪傳動比，齒輪傳動比改成2:1。

選擇優化方案時可以綜合幾種方案同時進行，或者考慮結構和外觀限制后選擇其中可行的方案。避檢區脈沖個數越多，出現夾死的概率越低。

本文研究技術方案通過對所安裝2個霍爾傳感器的檢測信號進行異或，將檢測信號進行倍頻的方法提高檢測精度，并設計齒輪傳動比為3.5:1，同時增加避檢區脈沖個數為3，改變設計參數，提高檢測可靠性同時實現目標最小檢測寬度如下：

4 反應靈敏度

4.1 最大反應時間計算

判斷為異物卡住或夾住手指后需要快速做出反應將對機器損害和人體傷害降到最低，使用本技術進行檢測的反應時間T的理論計算公式如下：

由于理論計算和實際值有一定的差異，故乘以一個延時系數α確保設計數據能達到使用要求，同時脈沖長度不均勻也會造成設計上的誤差需要進行修正，修正后的公式如下：

其中：α為延時系數，θ為倍頻誤差系數。

延時系數α源于實際測量和理論值的差異，按2倍計算；倍頻誤差系數是由于結構誤差造成的脈沖分頻不均勻導致，2倍頻設計時按極限情況下θ=2進行計算。

以某參考X機型為例，夾物區的平均脈沖長度t為100 ms，計算得到如下：故反應時間T在0.6 s以內，實際測試值在0 s～0.5 s之間。

4.2 最大反應時間優化

最終以示波器測得實際數據為準，如圖6所示。

5 結論

本論文研究技術方案安裝2個霍爾傳感器，設計避檢區脈沖個數為3，并調整齒輪傳動比為3.5:1，設計閾值系數為1.5，通過調整磁環極數為48，加速區加速倍數為3來調整夾物區的平均脈沖長度，通過實驗測試實現了最小檢測寬度為6 mm，最大反應時間不超過1 s。

防夾功能、反應時間、力度和開關門的結構有很大關聯，在機器的運輸、跌落、長期運行的結構磨損過程中，可能會導致檢測信號有誤差和誤判，需要軟件控制邏輯調整設置閾值系數和避檢區脈沖個數來進行容錯處理。