賀杰 周宏明

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528300

1 引言

隨著我國(guó)家電產(chǎn)品的全面數(shù)字化、全面智能化，采用滑動(dòng)開關(guān)門裝置柜式空調(diào)器的智能防夾技術(shù)研究變得越來越重要，現(xiàn)有光電檢測(cè)技術(shù)通過安裝光柵條的發(fā)光管和受光管間隔透光來產(chǎn)生反饋信號(hào)，再檢測(cè)高電平或低電平持續(xù)時(shí)間來判斷防夾[1]，但此類裝置安裝難度較大，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，靈敏度較低；另外通過電感與電容并聯(lián)諧振電路來檢測(cè)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(huì)對(duì)金屬片造成不可恢復(fù)的形變或徹底損壞而使檢測(cè)功能失效，而且不適用于安裝在活動(dòng)開關(guān)門上，并且不能檢測(cè)開門過程中的防夾。

本文研究技術(shù)通過安裝多極磁環(huán)于滑動(dòng)開關(guān)門的驅(qū)動(dòng)齒輪上，門板運(yùn)動(dòng)時(shí)將同步帶動(dòng)磁環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)多極磁環(huán)附近布置霍爾，門板運(yùn)動(dòng)時(shí)多極磁環(huán)上的N、S磁極交替經(jīng)過霍爾上方，產(chǎn)生高低電平，電平持續(xù)時(shí)間由門板運(yùn)動(dòng)速度決定。當(dāng)門板受阻停滯時(shí)，電平持續(xù)時(shí)間拉長(zhǎng)并超過正常持續(xù)時(shí)間，空調(diào)器通過比較該持續(xù)時(shí)間判斷為異物卡住或夾住手指，同時(shí)驅(qū)動(dòng)門板反向加速?gòu)楅_。開關(guān)門智能防夾檢測(cè)機(jī)構(gòu)原理示意圖如圖1所示?！?/p>

2 傳感器安裝

傳感器相對(duì)多極磁環(huán)的安裝位置如圖2所示。

磁極分布用S1，N1，S2，N2表示，當(dāng)霍爾1的中心線對(duì)準(zhǔn)S1、N1的交界線時(shí)，霍爾2必須對(duì)準(zhǔn)其中S1或者N1的中心，如圖3(a)所示；當(dāng)磁環(huán)磁極較窄小或者傳感器體積較大無法滿足該設(shè)計(jì)要求時(shí)，霍爾2可以間隔一個(gè)對(duì)準(zhǔn)S2的中心，如圖3(b)所示。

傳感器之間的中心距離d的計(jì)算公式如下：

其中：D為磁環(huán)直徑、N為磁環(huán)極數(shù)、L為傳感器與磁環(huán)的距離。

本文研究技術(shù)方案采用直徑40 mm的48極磁環(huán)、SOT23標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)公差影響帶來的偏移，設(shè)計(jì)傳感器和磁環(huán)的距離L=0.8 mm。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案在達(dá)到最佳倍頻效果的同時(shí)，也能保證轉(zhuǎn)動(dòng)過程中霍爾傳感器不會(huì)和磁環(huán)接觸。

3 檢測(cè)精度

3.1 最小檢測(cè)寬度計(jì)算

最小檢測(cè)寬度的理論計(jì)算公式如下：

其中：L為每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的距離，Nd為活動(dòng)門板的個(gè)數(shù)，n為避檢區(qū)脈沖的個(gè)數(shù)，δ為門板活動(dòng)綜合誤差，β為門板交錯(cuò)間隙。

每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的距離L的理論計(jì)算公式如下：

其中：D磁環(huán)直徑，N為磁環(huán)極數(shù)，A為齒輪傳動(dòng)比，nh為霍爾傳感器的個(gè)數(shù)（倍頻系數(shù)）。

式（4）中活動(dòng)門板的個(gè)數(shù)指的是被電機(jī)驅(qū)動(dòng)的門板的數(shù)量，如果左右門板都在運(yùn)動(dòng)則Nd=2，如果固定一邊只有一邊的門板在動(dòng)則Nd=1，類似單開門如圖4(a)、圖4(b)和對(duì)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(dòng)，但在中間有一段固定不動(dòng)的區(qū)域，所以相當(dāng)于兩個(gè)單開門的設(shè)計(jì)組合在一起，也按Nd=1計(jì)算，對(duì)應(yīng)這種情況左右門需要各安裝1個(gè)檢測(cè)組件分別檢測(cè)。

式（4）中的門板交錯(cuò)間隙β指的是左右門板交錯(cuò)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(qū)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(qū)的存在增大了整個(gè)檢測(cè)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(qū)的寬度。通過測(cè)量左右門板重疊部分的寬度得到交疊區(qū)β，如圖5(d)所示。

門板綜合誤差δ測(cè)量方式如下：

其中：M為在開門狀態(tài)下用手輕推門板確保同時(shí)齒輪沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下測(cè)量門板移動(dòng)的最大距離。

圖1 開關(guān)門智能防夾檢測(cè)機(jī)構(gòu)原理示意圖

圖2 傳感器安裝示意圖

圖3傳感器相對(duì)磁極安裝位置

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)門板的數(shù)量情況

某參考X機(jī)型中由于兩扇門對(duì)開的形式已經(jīng)確定，所以N=2，測(cè)量得到δ=2.5 mm，β=2 mm，在齒輪組件已經(jīng)固定不能改動(dòng)的情況下A=1:1，使用直徑40 mm的48極磁環(huán)，使用兩個(gè)霍爾檢測(cè)，根據(jù)公式（4）和公式（5）計(jì)算如下：

圖5 左右門板交錯(cuò)的重疊距離

圖6 示波器測(cè)試夾物區(qū)脈沖

3.2 最小檢測(cè)寬度優(yōu)化

已經(jīng)計(jì)算得到某參考X機(jī)型在不改動(dòng)結(jié)構(gòu)的情況下可以做到的最小檢測(cè)精度是8.2 mm，下一步說明如何通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。

在前面的基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以進(jìn)一步降低最小檢測(cè)寬度，將檢測(cè)最小寬度降低至6 mm作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有以下改進(jìn)方案：

（1）使用一邊門板固定，一邊門板固定的方案。此時(shí)在式（8）中N=1。

（2）加長(zhǎng)交疊區(qū)的長(zhǎng)度。在式（8）的基礎(chǔ)上把交疊區(qū)加長(zhǎng)到4 mm。

（3）改變齒輪傳動(dòng)比，齒輪傳動(dòng)比改成2:1。

選擇優(yōu)化方案時(shí)可以綜合幾種方案同時(shí)進(jìn)行，或者考慮結(jié)構(gòu)和外觀限制后選擇其中可行的方案。避檢區(qū)脈沖個(gè)數(shù)越多，出現(xiàn)夾死的概率越低。

本文研究技術(shù)方案通過對(duì)所安裝2個(gè)霍爾傳感器的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行異或，將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行倍頻的方法提高檢測(cè)精度，并設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)比為3.5:1，同時(shí)增加避檢區(qū)脈沖個(gè)數(shù)為3，改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，提高檢測(cè)可靠性同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最小檢測(cè)寬度如下：

4 反應(yīng)靈敏度

4.1 最大反應(yīng)時(shí)間計(jì)算

判斷為異物卡住或夾住手指后需要快速做出反應(yīng)將對(duì)機(jī)器損害和人體傷害降到最低，使用本技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的反應(yīng)時(shí)間T的理論計(jì)算公式如下：

由于理論計(jì)算和實(shí)際值有一定的差異，故乘以一個(gè)延時(shí)系數(shù)α確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能達(dá)到使用要求，同時(shí)脈沖長(zhǎng)度不均勻也會(huì)造成設(shè)計(jì)上的誤差需要進(jìn)行修正，修正后的公式如下：

其中：α為延時(shí)系數(shù)，θ為倍頻誤差系數(shù)。

延時(shí)系數(shù)α源于實(shí)際測(cè)量和理論值的差異，按2倍計(jì)算；倍頻誤差系數(shù)是由于結(jié)構(gòu)誤差造成的脈沖分頻不均勻?qū)е拢?倍頻設(shè)計(jì)時(shí)按極限情況下θ=2進(jìn)行計(jì)算。

以某參考X機(jī)型為例，夾物區(qū)的平均脈沖長(zhǎng)度t為100 ms，計(jì)算得到如下：故反應(yīng)時(shí)間T在0.6 s以內(nèi)，實(shí)際測(cè)試值在0 s～0.5 s之間。

4.2 最大反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化

最終以示波器測(cè)得實(shí)際數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，如圖6所示。

5 結(jié)論

本論文研究技術(shù)方案安裝2個(gè)霍爾傳感器，設(shè)計(jì)避檢區(qū)脈沖個(gè)數(shù)為3，并調(diào)整齒輪傳動(dòng)比為3.5:1，設(shè)計(jì)閾值系數(shù)為1.5，通過調(diào)整磁環(huán)極數(shù)為48，加速區(qū)加速倍數(shù)為3來調(diào)整夾物區(qū)的平均脈沖長(zhǎng)度，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了最小檢測(cè)寬度為6 mm，最大反應(yīng)時(shí)間不超過1 s。

防夾功能、反應(yīng)時(shí)間、力度和開關(guān)門的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)聯(lián)，在機(jī)器的運(yùn)輸、跌落、長(zhǎng)期運(yùn)行的結(jié)構(gòu)磨損過程中，可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)有誤差和誤判，需要軟件控制邏輯調(diào)整設(shè)置閾值系數(shù)和避檢區(qū)脈沖個(gè)數(shù)來進(jìn)行容錯(cuò)處理。