电子凸轮在煤矿提升系统中的应用

张海滨，李建伟

（1.鹤壁煤业技师学院，河南 鹤壁 458000；2.鹤壁汽车工程学院，河南 鹤壁 458000）

0 引言

现代自动控制领域常用的有可变电位器、机械凸轮控制器等，但它们在控制时存在精度差、可靠性差、有火花，且机械凸轮角度固定或修改角度值很不方便等缺点，已经不能满足现代多样化控制的要求。电子凸轮是以绝对式编码器为核心元件的控制主令系统，具有无火花、精度高、可靠性高、敏感性可调等优点，可替代机械凸轮控制器和可变电位器。

电子凸轮将手柄（手轮等）产生的机械旋转运动传送到编码器，由编码器将其转换成数字信号再传递给CPU（单片机、ARM、PLC）的I/O口，这样就建立了手柄（手轮）旋转角度与速度的对应关系。电子凸轮可实现以下功能：①可输出多路控制开关量（ON/OFF），且每路都可以独立预设起始、终止角度；②可动态检测和显示实际运行角度，对设备运行和再调整进行实时检测；③可随时修改预设角度；④各路输出信号在电气上相互隔离，抗干扰能力强，可靠性高；⑤动作精度可达到1°或更低（根据编码器及传动精度而定）。

1 电子凸轮的组成

电子凸轮由传动机构、绝对式编码器和位置显示组成。其中传动机构是将机构运动按传动比传输给编码器。绝对式编码器检测手柄的实际运行角度或旋转位置，并将其转换成数字信号。位置显示为可选项，用于显示当前系统运行状态，可以用指示灯或数码管等实现。

以手柄式电子凸轮为例，若手柄运动范围在－45°～45°，可选用单圈式绝对编码器，如图1所示。

2 工作原理

单圈式绝对编码器将手柄产生的转动角度转换成数字信号传递给CPU，通过计算得出手柄运动角度、方向及角速度，CPU根据控制要求可实现外围器件的具体操作功能。当手柄在2°～45°时，通过CPU控制变频器（或可控电源等）使电动机正转，转速为最大转速的0～100%（根据需要可达100%以上）；当手柄在－2°～－45°时，电动机反转，转速为最大转速的0～100%；当手柄在－2°～2°时，电动机停止。在这里没有设置成0°时电动机停止，是由于容差的缘故。

图1 手柄式电子凸轮

3 实例应用

在煤矿提升系统中需要使用提升控制主令、液压站控制主令，传统的煤矿提升主令多为倒正开关或可变电位器。倒正开关只能实现电动机正、反转及停止功能，没有速度控制功能；虽然可变电位器配合CPU及变频器可实现电动机正转、反转、停止及电动机速度控制，但其可靠性差。以绝对编码器为核心的电子凸轮可以解决以上问题，基于电子凸轮的煤矿提升系统控制原理图如图2所示。

图2 基于电子凸轮的煤矿提升系统控制原理图

3.1 运动过程

提升系统的整个运动过程分为加速阶段、保持阶段和减速阶段。提升机正方向加速运动即加速阶段，运动速度至vmax时停止加速，即进入保持阶段，提升至目标位置时可根据设定好的减速值减速，即进入减速阶段。当加速度、减速度均为一固定值时，为了获得以下4种不同的速度，我们可以把电子凸轮设计成4个档位。

（1）当电子凸轮手柄推至＋45°，CPU检测到电子凸轮的当前位置为正方向运动范围的100%处，CPU对变频器连接的电动机发出指令，电动机开始正向旋转并逐渐加速，当速度达到最高值vmax时，即最大速度的100%，保持这个较高速度一段时间，提升系统到达目标位置时，开始减速运行，速度输出图对应为“加速阶段—vmax保持阶段—减速阶段”。

（2）当电子凸轮手柄推至36°，即电子凸轮运动到正方向范围的80%，电动机正转，其速度达到最大速度的80%，即v1，输出图对应为“加速阶段—v1保持阶段—减速阶段”。

（3）当电子凸轮手柄推至22.5°，即电子凸轮正方向运动范围的50%，电动机正转，其速度达到最大速度的50%，即v2，输出图对应为“加速阶段—v2保持阶段—减速阶段”。

（4）当电子凸轮手柄推至9°，即电子凸轮正方向运动范围的20%，电动机正转，其速度达到最大速度的20%，即v3，输出图对应为“加速阶段—v3保持阶段—减速阶段”。

如图3所示，电子凸轮手柄从9°推至45°，保持速度呈上升趋势，电子凸轮手柄推至9°时，保持速度v3最低；电子凸轮推至45°时，保持速度vmax最高。若在保持阶段增加或减少电子凸轮手柄运动的角度范围，则保持速度会相应地增加或减少。根据运行特点，我们知道电子凸轮采用实时比例方式控制电动机，电动机当前速度与电子凸轮手柄当前位置的角度成比例关系。

反方向推电子凸轮手柄时，电动机反转，原理与正方向推电子凸轮手柄时相同。

3.2 提升模式

提升模式多为3种，即提物模式、提人模式和手动模式。

（1）提人模式：因提升对象为人员，考虑人员承受能力及安全等因素，加、减速度及保持速度都不高，保持速度一般为4m/s～6m/s。

（2）提物模式：所提对象为煤及物资，没有人员，在保证安全的前提下为提高生产率，提升速度、加速度会尽可能地高，保持速度可达12m/s左右，使用电子凸轮后，提物模式时的提升速度输出可以在保持原加、减速不变的情况下，尽可能设置最大速度。

（3）手动模式：该模式主要应用于提升设备检修，提升对象主要是人员，其加速阶段、保持加速阶段、减速阶段速度不高，运行时速度根据需要随时调整，若某一段高度有可能有故障，速度会降至很低；如若某一段高度没故障，则提升速度会高些。

图3 实时输出图

4 结束语

电子凸轮配合CPU能满足更为复杂、苛刻的控制要求，这是传统器件无法达到的。制约电子凸轮推广的因素是绝对编码器的价格较高，但随着电子技术的发展及国产绝对编码器的大量出现，其价格会逐步降低。

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