专利名称：一种直线运动机构的自动居中与限位电路的制作方法
技术领域：
本发明属于工业控制领域，涉及一种位置控制电路，特别涉及一种用于以永磁同 步电动机-滚珠丝杆为直线伺服机构的自动居中与限位电路。适用于各类往复直线式运动 机构对初始位置进行自动居中与限位控制的要求。
背景技术：
各类基于滚珠丝杆的往复直线式运动机构在投入自动控制运行前必须先将运动 机构回到原点，即先将滚珠丝杆上的螺母移到丝杆的中间，以便有足够的正、反向运动空 间，这是直线式伺服机构能正常工作的前提。目前常用的居中控制方案主要有一是在手动 方式下用点动操作将运动机构移到中间，其存在的主要问题是只能用于操作员能看到运动 机构的场合，且无法在自动方式下完成居中操作；二是通过复杂的机械结构与若干个行程 开关配合以判定运动机构所处的方向位置，进而在居中操作指令下将运动机构移到丝杆的 中间，其存在的主要问题是用于与多个行程开关配合进行判定运动机构方向位置的机械结 构很复杂、所占的机器空间大、成本高。
发明内容
本发明的目的就是为克服现有技术存在的不足，利用霍尔开关对磁场强度阈值敏 感而输出开关信号的原理，提供一种结构简单、可靠、通用性强，基于四个霍尔开关与一只 磁钢即可判定伺服机构所处的居中、偏正(正向)、偏反(反向)、正向限位、反向限位等运 动位置的检测电路与自动居中及限位控制电路，该电路用于不同行程的伺服机构时，无需 调整电路，而只需选择合适的磁钢即可。本发明包括居中与方向及限位检测电路、自动居中与限位控制电路。居中与方向及限位检测电路包括安装在伺服机构滚珠丝杆螺母上的磁钢MS1，磁 钢MSl的附近等间距安装有偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3、反限 霍尔开关HS4，偏正霍尔开关HSl、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3、反限霍尔开关HS4 的各自输出端OUT分别与可编程芯片Ul的检测信号输入端16、17、15、18连接，偏正霍尔 开关HSl、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3、反限霍尔开关HS4的各自电源输入端VC均 与信号连接件的电源输出端+E连接，偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关 HS3、反限霍尔开关HS4的各自接地端GND均与信号连接件CNl的地端GND连接。当磁钢 MSl处于居中位置0点时，偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2的各自输出端OUT均发出低 电平逻辑信号，其余霍尔开关的输出端OUT发出高电平逻辑信号，当磁钢MSl介于0点与L 点间的偏正位置时，偏正霍尔开关HSl的输出端OUT发出低电平逻辑信号，其余霍尔开关的 输出端OUT发出高电平逻辑信号，当磁钢MSl处于L点的正限位置时，偏正霍尔开关HSl与 正限霍尔开关HS3的输出端OUT均发出低电平逻辑信号，其余霍尔开关的输出端OUT发出 高电平逻辑信号，当磁钢MSl介于0点与R点间的偏正位置时，偏反霍尔开关HS2的输出端 OUT均发出低电平逻辑信号，其余霍尔开关的输出端OUT发出高电平逻辑信号，当磁钢MSl处于R点的正限位置时，偏反霍尔开关HS2与反限霍尔开关HS4的输出端OUT均发出低电 平逻辑信号，其余霍尔开关的输出端OUT发出高电平逻辑信号。自动居中与限位控制电路包括可编程芯片U1，其电源输入端VCC与信号连接件 CNl的电源输出端+E连接，其接地端GND与信号连接件CNl的地端GND连接，其信号输入 端Il与信号连接件CNl的工作方式输出端W连接，其信号输入端12与信号连接件CNl的 居中指令输出端C连接，其信号输入端13与信号连接件CNl的正向运动指令输出端&连 接，其信号输入端14与信号连接件CNl的反向运动指令输出端Xy连接，其信号输出端01 与正向固态继电器U2的正输入端IN+连接，其信号输出端02与反向固态继电器U3的正输 入端IN+连接，正向固态继电器U2与反向固态继电器U3的负输入端IN-均与信号连接件 CNl的地端GND连接，正向固态继电器U2与反向固态继电器U3的输出端OUTl均与熔断器 FUl的一端连接，熔断器FUl的另一端与信号连接件CNl的火线输出端ACL连接，正向固态 继电器U2的输出端0UT2分别与分相电阻R6的一端、电机Ml的A相端连接，分相电阻R6 的另一端与分相电容Cl的一端连接，分相电容Cl的另一端分别与反向固态继电器U3的输 出端0UT2、电机Ml的B相端连接，电机Ml的公共端N与信号连接件CNl的零线输出端ACN 连接，可编程芯片Ul的信号输出端03与正限指示灯LEDl的阴极连接，正限指示灯LEDl的 阳极与正限电阻Rl的一端连接，正限电阻Rl的另一端与电源+E连接，可编程芯片Ul的信 号输出端04与偏正指示灯LED2的阴极连接，偏正指示灯LED2的阳极与偏正电阻R2的一 端连接，偏正电阻R2的另一端与电源+E连接，可编程芯片Ul的信号输出端05与居中指示 灯LED3的阴极连接，居中指示灯LED3的阳极与居中电阻R3的一端连接，居中电阻R3的另 一端与电源+E连接，可编程芯片Ul的信号输出端06与偏反指示灯LED4的阴极连接，偏反 指示灯LED4的阳极与偏反电阻R4的一端连接，偏反电阻R4的另一端与电源+E连接，可编 程芯片Ul的信号输出端07与反限指示灯LED5的阴极连接，反限指示灯LED5的阳极与反 限电阻R5的一端连接，反限电阻R5的另一端与电源+E连接。本发明的有益效果是利用霍尔开关对磁场强度的感应原理，只要使用四个霍尔 开关与一只磁钢即可判定伺服机构所处的居中、正向、反向、正向限位、反向限位等运动位 置的检测电路与自动居中及限位控制电路，既可工作于手动方式，也可工作于自动方式，其 输入的指令信号既可来自上一级的控制器，也可来自简单的开关按钮等。该电路用于不同 行程的伺服机构时，无需调整电路，而只需选择合适的磁钢即可，结构简单、通用性强，成本 低。
图1为本发明的电路图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，一种直线运动机构的自动居中与限位电路包括一个有四个霍尔开关 与一只磁钢为主的居中与方向及限位检测电路、以可编程芯片与固态继电器为主的自动居 中与限位控制电路。居中与方向及限位检测电路包括安装在伺服机构滚珠丝杆螺母上的磁钢MS1，磁钢MSl的下方等间距安装有偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3、反限 霍尔开关HS4，偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3、反限霍尔开关HS4 的各自输出端OUT分别与可编程芯片Ul的检测信号输入端16、17、15、18连接，偏正霍尔 开关HSl、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3、反限霍尔开关HS4的各自电源输入端VC均 与信号连接件的电源输出端+E连接，偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关 HS3、反限霍尔开关HS4的各自接地端GND均与信号连接件CNl的地端GND连接。当磁钢MSl 处于居中位置0点时(图中的虚线圈为感应区)，偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2的 各自输出端OUT均发出低电平逻辑信号，其余霍尔开关的输出端OUT发出高电平逻辑信号， 当磁钢MSl介于0点与L点间的偏正位置时，偏正霍尔开关HSl的输出端OUT发出低电平 逻辑信号，其余霍尔开关的输出端OUT发出高电平逻辑信号，当磁钢MSl处于L点的正限位 置时，偏正霍尔开关HSl与正限霍尔开关HS3的输出端OUT均发出低电平逻辑信号，其余霍 尔开关的输出端OUT发出高电平逻辑信号，当磁钢MSl介于0点与R点间的偏正位置时，偏 反霍尔开关HS2的输出端OUT均发出低电平逻辑信号，其余霍尔开关的输出端OUT发出高 电平逻辑信号，当磁钢MSl处于R点的正限位置时，偏反霍尔开关HS2与反限霍尔开关HS4 的输出端OUT均发出低电平逻辑信号，其余霍尔开关的输出端OUT发出高电平逻辑信号。自动居中与限位控制电路包括可编程芯片U1，其电源输入端VCC与信号连接件 CNl的电源输出端+E连接，其接地端GND与信号连接件CNl的地端GND连接，其信号输入 端Il与信号连接件CNl的工作方式输出端W连接，其信号输入端12与信号连接件CNl的 居中指令输出端C连接，其信号输入端13与信号连接件CNl的正向运动指令输出端&连 接，其信号输入端14与信号连接件CNl的反向运动指令输出端Xy连接，其信号输出端01 与正向固态继电器U2的正输入端IN+连接，其信号输出端02与反向固态继电器U3的正输 入端IN+连接，正向固态继电器U2与反向固态继电器U3的负输入端IN-均与信号连接件 CNl的地端GND连接，正向固态继电器U2与反向固态继电器U3的输出端OUTl均与熔断器 FUl的一端连接，熔断器FUl的另一端与信号连接件CNl的火线输出端ACL连接，正向固态 继电器U2的输出端0UT2分别与分相电阻R6的一端、电机Ml的A相端连接，分相电阻R6 的另一端与分相电容Cl的一端连接，分相电容Cl的另一端分别与反向固态继电器U3的输 出端0UT2、电机Ml的B相端连接，电机Ml的公共端N与信号连接件CNl的零线输出端ACN 连接，可编程芯片Ul的信号输出端03与正限指示灯LEDl的阴极连接，正限指示灯LEDl的 阳极与正限电阻Rl的一端连接，正限电阻Rl的另一端与电源+E连接，可编程芯片Ul的信 号输出端04与偏正指示灯LED2的阴极连接，偏正指示灯LED2的阳极与偏正电阻R2的一 端连接，偏正电阻R2的另一端与电源+E连接，可编程芯片Ul的信号输出端05与居中指示 灯LED3的阴极连接，居中指示灯LED3的阳极与居中电阻R3的一端连接，居中电阻R3的另 一端与电源+E连接，可编程芯片Ul的信号输出端06与偏反指示灯LED4的阴极连接，偏反 指示灯LED4的阳极与偏反电阻R4的一端连接，偏反电阻R4的另一端与电源+E连接，可编 程芯片Ul的信号输出端07与反限指示灯LED5的阴极连接，反限指示灯LED5的阳极与反 限电阻R5的一端连接，反限电阻R5的另一端与电源+E连接。可编程芯片Ul的各输入/ 输出间的逻辑关系所依据的算法如下
-- - - ΛO1 = I1I3Is +I1I2I7 I6 +15 (1 反向运动)；
5
O2=Z1Z4Z5+/,Z2Z6 /7 + /8 (1:正向运动)；O3 = 16+15 (O :正向限位指示)；O4=I6+11 (O 偏正指示)；05 = 16+17 (0:居中指示)；O6 =I6 +17 (0 偏反指示)；O7 = 17+18 (0 反向限位指示)。本发明所使用的包括可编程芯片U1、固态继电器U2 U3、霍尔开关HSl HS4、连 接件CN1、指示灯LEDl LED5等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取 得。例如可编程芯片Ul采用EPM3032ATC44、固态继电器U2 U3采用380D05、霍尔开关 HSl HS4采用NJKS002、信号连接件CNl采用HD6. 35-8接线端子排，电机Ml采用TDY型 永磁低速同步电动机，分相电阻R6与分相电容Cl是TDY型永磁低速同步电动机生产厂提 供的配套器件。 本发明中的主要电路参数配合为R1 = R2 = R3 = R4 = R5，此外，霍尔开关HSl HS4要采用相同的型号，磁钢的大小按伺服机构行程的长短选择。本发明的工作过程当信号连接件CNl的ACL、CAN端外接交流电源220VAC，信号 连接件CNl的VCC端、GND端外接+3. 3V直流电源时，整个电路已通电。伺服机构投入自动 运行前先要进行居中操作，此时，上级控制器使信号连接件cm的工作方式输出端W及居中 指令输出端C均输出0电平，可编程芯片Ul根据其信号输入端15、16、17、18的电平状态及
内部逻辑算法 O = IlI3Is +1,1217I I6 +15),O2= I1I4I5 + Z1 /2 /6 (V7 + /81，控制电机 Ml 的正
反转电机Ml通过联轴器带动丝杠转动，当伺服机构中的磁钢MSl处于居中位置时，可编程 芯片Ul的输出端01、02端均输出0电平信号，使正向固态继电器U2和反向固态继电器U3 均关断，则永磁低速同步电动机的A、B两相均不通电，伺服机构不动作，同时根据05=16+17 的逻辑算法使可编程芯片Ul的输出端05端输出0电平，居中指示灯LED3亮；当伺服机构 中的磁钢MSl处于正向位置(偏离居中位置)时，可编程芯片Ul的输出端01端输出1电 平、02端输出0电平，正向固态继电器U2导通，则永磁低速同步电动机的A相通电，伺服机 构向中点方向移动，直至进入居中位置时即停止，同时居中指示灯LED3亮；当伺服机构中 的磁钢MSl处于反向位置(偏离居中位置)时，可编程芯片Ul的输出端01端输出0电平、 02端输出1电平，反向固态继电器U3，则永磁低速同步电动机的B相通电，伺服机构向中点 方向移动，直至进入居中位置时即停止，同时居中指示灯LED3亮。伺服机构居中后便可投入自动工作状态，此时，上级控制器使信号连接件CNl的 工作方式输出端W及居中指令输出端C均输出1电平，当需正向运动时，上级控制器使信号 连接件CNl的正向运动指令输出端&输出1电平、反向运动指令输出端Xy输出0电平，使 磁钢MSl偏离居中位置向正向运动时，偏正指示灯LED2亮，当磁钢MSl到达正向极限位置 L点时，即停止运动，同时使正向限位指示灯LEDl亮；当需反向运动时，上级控制器使信号 连接件CNl的正向运动指令输出端&输出0电平、反向运动指令输出端Xy输出1电平，当 磁钢MSl偏离居中位置向反向运动时，偏反指示灯LED4亮，当磁钢MSl到达反向极限位置R点时，即停止运动，同时使反向位指示灯LED5亮；当需停止时，上级控制器使信号连接件 CNl的正向运动指令输出端&、反向运动指令输出端Xy均输出0电平，可编程芯片Ul的输 出端01、02端均输出0电平，正向固态继电器U2和反向固态继电器U3均关断，则永磁低速 同步电动机的A、B两相均不通电，伺服机构即停止运动。
权利要求
一种直线运动机构的自动居中与限位电路，包括居中与方向及限位检测电路和自动居中与限位控制电路，其特征在于 居中与方向及限位检测电路包括安装在伺服机构滚珠丝杆螺母上的磁钢MS1，磁钢MS1的附近等间距安装有偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3和反限霍尔开关HS4；偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3和反限霍尔开关HS4的各自输出端分别与可编程芯片U1的检测信号输入端I6、I7、I5、I8对应连接，偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3和反限霍尔开关HS4的各自电源输入端均与信号连接件的电源输出端+E连接，偏正霍尔开关HS1、偏反霍尔开关HS2、正限霍尔开关HS3和反限霍尔开关HS4的各自接地端GND均与信号连接件CN1的地端GND连接；自动居中与限位控制电路包括可编程芯片U1，可编程芯片U1电源输入端VCC与信号连接件CN1的电源输出端+E连接，可编程芯片U1接地端GND与信号连接件CN1的地端GND连接，可编程芯片U1信号输入端I1与信号连接件CN1的工作方式输出端W连接，可编程芯片U1信号输入端I2与信号连接件CN1的居中指令输出端C连接，可编程芯片U1信号输入端I3与信号连接件CN1的正向运动指令输出端Xr连接，可编程芯片U1信号输入端I4与信号连接件CN1的反向运动指令输出端Xy连接，可编程芯片U1信号输出端O1与正向固态继电器U2的正输入端IN+连接，可编程芯片U1信号输出端O2与反向固态继电器U3的正输入端IN+连接；正向固态继电器U2与反向固态继电器U3的负输入端IN-均与信号连接件CN1的地端GND连接，正向固态继电器U2与反向固态继电器U3的输出端OUT1均与熔断器FU1的一端连接，熔断器FU1的另一端与信号连接件CN1的火线输出端ACL连接，正向固态继电器U2的输出端OUT2分别与分相电阻R6的一端、电机M1的A相端连接，分相电阻R6的另一端与分相电容C1的一端连接，分相电容C1的另一端分别与反向固态继电器U3的输出端OUT2、电机M1的B相端连接，电机M1的公共端N与信号连接件CN1的零线输出端ACN连接；可编程芯片U1的信号输出端O3与正限指示灯LED1的阴极连接，正限指示灯LED1的阳极与正限电阻R1的一端连接，正限电阻R1的另一端与电源+E连接；可编程芯片U1的信号输出端O4与偏正指示灯LED2的阴极连接，偏正指示灯LED2的阳极与偏正电阻R2的一端连接，偏正电阻R2的另一端与电源+E连接；可编程芯片U1的信号输出端O5与居中指示灯LED3的阴极连接，居中指示灯LED3的阳极与居中电阻R3的一端连接，居中电阻R3的另一端与电源+E连接；可编程芯片U1的信号输出端O6与偏反指示灯LED4的阴极连接，偏反指示灯LED4的阳极与偏反电阻R4的一端连接，偏反电阻R4的另一端与电源+E连接；可编程芯片U1的信号输出端O7与反限指示灯LED5的阴极连接，反限指示灯LED5的阳极与反限电阻R5的一端连接，反限电阻R5的另一端与电源+E连接。
全文摘要
本发明涉及一种直线运动机构的自动居中与限位电路。现有的设备自动化程度低、机械结构复杂。本发明中的居中与方向及限位检测电路包括安装在伺服机构滚珠丝杆螺母上的磁钢，磁钢的附近等间距安装有偏正霍尔开关、偏反霍尔开关、正限霍尔开关和反限霍尔开关，用来感应磁钢的当前位置。自动居中与限位控制电路包括可编程芯片U1，四个霍尔开关作为输入量均与可编程芯片U1连接，上位机的控制信号通过信号连接件CN1与可编程芯片U1的I1、I2、I3和I4口连接；状态指示灯与可编程芯片U1的O3、O4、O5、O6和O7口连接；可编程芯片U1的O1和O2口还连接有两个固态继电器。本发明电路结构简单、通用性强，成本低。
文档编号G05D3/12GK101887274SQ20101022580
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者卢玲, 陈德传 申请人:杭州电子科技大学