一种基于直流电机推杆的提升架控制系统及其控制方法与流程

本发明一种基于直流电机推杆的提升架控制系统及其控制方法，属于直流电机推杆提升架控制技术领域。

背景技术：

提升架是近些年来使用的新型脚手架体系，主要应用于高层剪力墙式楼盘，它能沿着建筑物体表向上或向下移动，提升架依照动力来源分为液压式、电动式、人力手拉式等主要几类，通用的液压式提升架主要采用普通千斤顶驱动电机进行升降动力输出。

但目前使用的提升架在控制过程中，提升架间升降同步性差效率低，而且不能根据起升架所处环境进行速度调整，如起升架组合面积较大时或环境风速较大时，应降低升降速度，使起升架实现平稳运行；另外在运行过程中，目前使用的千斤顶起升模式无法监控升降过程中各单元电机输出载荷情况，提升架的升降速度无法控制，提升架间的升降运动难以保证同步，提升过程中载荷输出情况难以检测，容易出现不同步或超载故障，导致提升架倾斜。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于直流电机推杆的提升架控制系统硬件结构及控制方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于直流电机推杆的提升架控制系统，包括设置在监控室内的上位控制机，所述上位控制机通过现场通信总线与多台下位单元机相连；

所述下位单元机的内部设置有单元控制器，所述单元控制器通过导线分别与lcd显示屏、键盘、电源模块、数据采集模块、数据通信模块、直流电机驱动模块相连；

所述直流电机驱动模块设置在下位单元机的底部，所述直流电机驱动模块的信号输出端与直流电机相连，所述直流电机上设置有载荷传感器、红外传感器、位置传感器，所述载荷传感器、红外传感器、位置传感器的信号输出端均与数据采集模块相连；

所述上位控制机通过外接的数据分线器与数据通信模块有线连接；

在提升架上设置有风速风向传感器和高度传感器，所述风速风向传感器和高度传感器的信号输出端均与上位控制机相连。

所述上位控制机还连接有声光报警模块。

所述直流电机驱动模块使用的芯片为控制芯片u1，所述直流电机驱动模块的电路结构为：

所述控制芯片u1的1脚并接电阻r10的一端，二极管d1的正极，二极管d2的正极，二极管d3的正极后与15v输入电源相连；

所述控制芯片u1的2脚至7脚分别与单元控制器的信号输出端相连；

所述控制芯片u1的8脚串接发光二极管d4后与电阻r10的另一端相连；

所述控制芯片u1的9脚与电阻r11的一端相连，所述控制芯片u1的11脚与电阻r12的一端相连；

所述控制芯片u1的12脚并接电容c1的一端，电阻r13的一端后接地，所述电容c1的另一端与15v输入电源相连，所述电阻r12的另一端并接电阻r11的另一端，电阻r13的另一端后接地；

所述控制芯片u1的14脚串接电阻r9后与场效应管q6的栅极相连；

所述控制芯片u1的15脚串接电阻r8后与场效应管q5的栅极相连；

所述控制芯片u1的16脚串接电阻r7后与场效应管q4的栅极相连；

所述控制芯片u1的18脚并接电阻r6的一端后与电容c4的一端相连，所述电阻r6的另一端与直流电机的c相端口相连；

所述控制芯片u1的19脚串接电阻r5后与场效应管q3的栅极相连，所述控制芯片u1的20脚并接电容c4的另一端后二极管d3的负极相连；

所述控制芯片u1的22脚并接电容c3的一端后与电阻r4的一端相连，所述电阻r4的另一端与直流电机的b相端口相连；

所述控制芯片u1的23脚串接电阻r3后与场效应管q2的栅极相连；

所述控制芯片u1的24脚并接电容c3的另一端后与二极管d2的负极相连；

所述控制芯片u1的26脚并接电容c2的一端后与电阻r2的一端相连，所述电阻r2的另一端与直流电机的a相端口相连；

所述控制芯片u1的27脚串接电阻r1后与场效应管q1的栅极相连，所述控制芯片u1的28脚并接二极管d1的负极后与电容c2的另一端相连；

所述场效应管q6的漏极并接场效应管q5的漏极，场效应管q4的漏极后接地；

所述场效应管q6的源极与场效应管q3的漏极相连；

所述场效应管q5的源极与场效应管q2的漏极相连；

所述场效应管q4的源极与场效应管q1的漏极相连；

所述场效应管q1的源极并接场效应管q2的源极，场效应管q3的源极后与vcc输入电源相连。

所述单元控制器使用的芯片为控制芯片u2，所述单元控制器的电路结构为：

所述控制芯片u2的电源端vbat并接二极管d5的负极后与电容c7的一端相连，所述二极管d5的正极与3.3v输入电源相连，所述电容c7的另一端并接二极管d6的负极，电池bt1的负极后接地，所述二极管d6的正极与电池bt1的正极相连；

所述控制芯片u2的复位端口reset并接电阻r15的一端，电容c9的一端后与复位开关k1的一端相连，所述复位开关k1的另一端并接电容c9的另一端后接地，所述电阻r15的另一端与3.3v输入电源相连；

所述控制芯片u2的时钟osc输出端并接晶振y2的一端，电阻r14的一端后与电容c8的一端相连，所述控制芯片u2的时钟osc输入端并接晶振y2的另一端，电阻r14的另一端后与电容c7的一端相连，所述电容c8的另一端并接电容c7的另一端后接地；

所述控制芯片u2的时钟端pc15并接晶振y1的一端后与电容c6的一端相连，所述控制芯片u2的时钟端pc14并接晶振y1的另一端后与电容c5的一端相连，所述电容c6的另一端并接电容c5的另一端后接地；

所述控制芯片u2的pc3端口与电阻r24的一端相连，所述电阻r24的另一端并接电阻r25的一端后接地，所述电阻r25的另一端与3.3v输入电源相连。

所述控制芯片u2的型号为stm32f103zet6。

一种基于直流电机推杆的提升架控制方法，包括如下步骤：

步骤一：启动上位控制机，上位控制机检查与各功能模块及传感器的连接状态；

步骤二：操作上位控制机与各下位单元机建立连接，同时采集上位控制机周边环境数据，包括温湿度、风速风向、高度数据，并将相应连接数据及环境数据显示在显示屏上；

步骤三：上位控制机向下位单元机发送数据采集指令，下位单元机通过相应传感器采集直流电机的载荷重量、高度位置数据，并将相应数据反馈回上位控制机；

步骤四：上位控制机通过将采集数据与预设的参数阈值进行比对，判断是否超限；

如判断采集到的上位控制机周边环境数据超限，则上位控制机发出声光报警；

步骤五：如判断上位控制机收到操作指令，则向各下位单元机发出动作指令，控制直流电机工作，同时采集直流电机的载荷及位置参数，上位控制机将采集到的各直流电机的数据进行比对分析，判断各直流电机在升降过程中，受力及高度是否一致，如不一致则上位控制机发出声光报警，并向下位单元机反馈自锁信号，控制相应的直流电机停止工作；

步骤六：直流电机停止工作后，工作人员可以通过操作上位控制机控制做适应性调整，将相应直流电机的载荷及高度数据进行自适应调整，满足提升架安全动作参数后，控制下位单元机解除直流电机的锁定指令，控制继续工作，同时继续采集上位控制机周边的环境参数和直流电机的运行参数。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明采用直流电机为动力的电动推杆取代液压千斤顶，不仅解决了提升架间升降同步控制的问题，同时可以监控提升架升降过程中载荷变化情况，根据实际情况调整升降运行速度，实时监控整个提升架在升降过程中的运行状态，防止提升架倾斜或不同步，消除提升架故障隐患，杜绝事故的发生；本发明与现有技术相比，具备提升架工作数据监测及自适应调整功能，可以根据现场风速风向调整提升架升降速度，提高了系统的运行效率、安全性和可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明直流电机驱动模块的电路图；

图4为本发明单元控制器的电路图；

图5为本发明控制提升架工作过程的流程图；

图中：1为上位控制机、2为下位单元机、3为单元控制器、4为lcd显示屏、5为键盘、6为电源模块、7为数据采集模块、8为数据通信模块、9为直流电机驱动模块、10为直流电机、11为载荷传感器、12为红外传感器、13为位置传感器、14为数据分线器、15为风速风向传感器、16为高度传感器、17为声光报警模块。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明一种基于直流电机推杆的提升架控制系统，包括设置在监控室内的上位控制机（1），所述上位控制机（1）通过现场通信总线与多台下位单元机（2）相连；

所述下位单元机（2）的内部设置有单元控制器（3），所述单元控制器（3）通过导线分别与lcd显示屏（4）、键盘（5）、电源模块（6）、数据采集模块（7）、数据通信模块（8）、直流电机驱动模块（9）相连；

所述直流电机驱动模块（9）设置在下位单元机（2）的底部，所述直流电机驱动模块（9）的信号输出端与直流电机（10）相连，所述直流电机（10）上设置有载荷传感器（11）、红外传感器（12）、位置传感器（13），所述载荷传感器（11）、红外传感器（12）、位置传感器（13）的信号输出端均与数据采集模块（7）相连；

所述上位控制机（1）通过外接的数据分线器（14）与数据通信模块（8）有线连接；

在提升架上设置有风速风向传感器（15）和高度传感器（16），所述风速风向传感器（15）和高度传感器（16）的信号输出端均与上位控制机（1）相连。

所述上位控制机（1）还连接有声光报警模块（17）。

所述直流电机驱动模块（9）使用的芯片为控制芯片u1，所述直流电机驱动模块（9）的电路结构为：

所述控制芯片u1的1脚并接电阻r10的一端，二极管d1的正极，二极管d2的正极，二极管d3的正极后与15v输入电源相连；

所述控制芯片u1的2脚至7脚分别与单元控制器（3）的信号输出端相连；

所述控制芯片u1的8脚串接发光二极管d4后与电阻r10的另一端相连；

所述控制芯片u1的9脚与电阻r11的一端相连，所述控制芯片u1的11脚与电阻r12的一端相连；

所述控制芯片u1的12脚并接电容c1的一端，电阻r13的一端后接地，所述电容c1的另一端与15v输入电源相连，所述电阻r12的另一端并接电阻r11的另一端，电阻r13的另一端后接地；

所述控制芯片u1的14脚串接电阻r9后与场效应管q6的栅极相连；

所述控制芯片u1的15脚串接电阻r8后与场效应管q5的栅极相连；

所述控制芯片u1的16脚串接电阻r7后与场效应管q4的栅极相连；

所述控制芯片u1的18脚并接电阻r6的一端后与电容c4的一端相连，所述电阻r6的另一端与直流电机（10）的c相端口相连；

所述控制芯片u1的19脚串接电阻r5后与场效应管q3的栅极相连，所述控制芯片u1的20脚并接电容c4的另一端后二极管d3的负极相连；

所述控制芯片u1的22脚并接电容c3的一端后与电阻r4的一端相连，所述电阻r4的另一端与直流电机（10）的b相端口相连；

所述控制芯片u1的23脚串接电阻r3后与场效应管q2的栅极相连；

所述控制芯片u1的24脚并接电容c3的另一端后与二极管d2的负极相连；

所述控制芯片u1的26脚并接电容c2的一端后与电阻r2的一端相连，所述电阻r2的另一端与直流电机（10）的a相端口相连；

所述控制芯片u1的27脚串接电阻r1后与场效应管q1的栅极相连，所述控制芯片u1的28脚并接二极管d1的负极后与电容c2的另一端相连；

所述场效应管q6的漏极并接场效应管q5的漏极，场效应管q4的漏极后接地；

所述场效应管q6的源极与场效应管q3的漏极相连；

所述场效应管q5的源极与场效应管q2的漏极相连；

所述场效应管q4的源极与场效应管q1的漏极相连；

所述场效应管q1的源极并接场效应管q2的源极，场效应管q3的源极后与vcc输入电源相连。

所述单元控制器（3）使用的芯片为控制芯片u2，所述单元控制器（3）的电路结构为：

所述控制芯片u2的电源端vbat并接二极管d5的负极后与电容c7的一端相连，所述二极管d5的正极与3.3v输入电源相连，所述电容c7的另一端并接二极管d6的负极，电池bt1的负极后接地，所述二极管d6的正极与电池bt1的正极相连；

所述控制芯片u2的复位端口reset并接电阻r15的一端，电容c9的一端后与复位开关k1的一端相连，所述复位开关k1的另一端并接电容c9的另一端后接地，所述电阻r15的另一端与3.3v输入电源相连；

所述控制芯片u2的时钟osc输出端并接晶振y2的一端，电阻r14的一端后与电容c8的一端相连，所述控制芯片u2的时钟osc输入端并接晶振y2的另一端，电阻r14的另一端后与电容c7的一端相连，所述电容c8的另一端并接电容c7的另一端后接地；

所述控制芯片u2的时钟端pc15并接晶振y1的一端后与电容c6的一端相连，所述控制芯片u2的时钟端pc14并接晶振y1的另一端后与电容c5的一端相连，所述电容c6的另一端并接电容c5的另一端后接地；

所述控制芯片u2的pc3端口与电阻r24的一端相连，所述电阻r24的另一端并接电阻r25的一端后接地，所述电阻r25的另一端与3.3v输入电源相连。

所述控制芯片u2的型号为stm32f103zet6。

一种基于直流电机推杆的提升架控制方法，包括如下步骤：

步骤一：启动上位控制机（1），上位控制机（1）检查与各功能模块及传感器的连接状态；

步骤二：操作上位控制机（1）与各下位单元机（2）建立连接，同时采集上位控制机（1）周边环境数据，包括温湿度、风速风向、高度数据，并将相应连接数据及环境数据显示在显示屏上；

步骤三：上位控制机（1）向下位单元机（2）发送数据采集指令，下位单元机（2）通过相应传感器采集直流电机（10）的载荷重量、高度位置数据，并将相应数据反馈回上位控制机（1）；

步骤四：上位控制机（1）通过将采集数据与预设的参数阈值进行比对，判断是否超限；

如判断采集到的上位控制机（1）周边环境数据超限，则上位控制机（1）发出声光报警；

步骤五：如判断上位控制机（1）收到操作指令，则向各下位单元机（2）发出动作指令，控制直流电机工作，同时采集直流电机（10）的载荷及位置参数，上位控制机（1）将采集到的各直流电机的数据进行比对分析，判断各直流电机在升降过程中，受力及高度是否一致，如不一致则上位控制机（1）发出声光报警，并向下位单元机（2）反馈自锁信号，控制相应的直流电机（10）停止工作；

步骤六：直流电机（10）停止工作后，工作人员可以通过操作上位控制机（1）控制做适应性调整，将相应直流电机（10）的载荷及高度数据进行自适应调整，满足提升架安全动作参数后，控制下位单元机（2）解除直流电机（10）的锁定指令，控制继续工作，同时继续采集上位控制机（1）周边的环境参数和直流电机（10）的运行参数。

本发明由上位控制机的主控制器、单元控制器、直流电机驱动模块、直流电机、及外部传感器等设备模块组成；所述主控制器和单元控制器均采用arm系列cortextm-m3处理器stm32f103zet6，该处理器处理信号能力强，功耗低，具备良好的功能扩展能力，支持接入多种功能型号的传感器进行数据监控。

本发明采用stm32单片机作为处理器，lcd液晶显示屏实现处理数据对外显示，键盘实现对提升架设备的操作，单元控制器通过直流电机驱动模块控制直流电机运动，同时检测直流电机工作状态，如电流、转矩等参数并发送回单元控制器，直流电机驱动模块根据接收到的控制指令驱动直流电机进行运动，直流电机带动电葫芦实现提升架的上升或下降运动；

本发明使用的直流电机驱动模块采用控制芯片u1，具体为stc89c51型号的单片机芯片，也可以与at89s51/52、at89c51/52通用；由于本发明使用的直流电机具备良好的线性特性、优异的控制性能，支持变速控制，可以采用闭环位置伺服控制系统对其进行控制；由于专用在集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求，因此本发明通过在直流电机驱动电路中接入场效应管来实现对大功率直流电机驱动控制；该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求，并具有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与单元控制器连接，应用pwm技术实现直流电机的调速控制。

本发明各单元控制器与主控制器之间采用现场工业总线的方式实现信息的传输，外围电路负责对环境风速、温度、湿度、高度、载荷、系统运行状态信息实时检测并反馈给处理器进行实时处理。

本发明采用直流电机为动力的电动推杆作为提升架升降的驱动动力，控制过程采用pwm控制电机模式，实现提升架平稳运行；

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。