一种电磁铁开关状态检测装置及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种电磁铁开关状态检测装置及检测方法，包括支架，支架呈倒T状，电磁铁固定在支架的左下方，电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯上的电磁线圈，电磁铁上的电磁线圈连接MCU上，弹簧固定在支架右下方，弹簧另一端与限位衔铁一端连接；MCU接收到开命令后，利用电磁铁的电磁物理特性，实现限位衔铁吸合，断开电磁铁线圈电压，延时，电磁线圈再加上电压，限位衔铁吸合，再断开电磁线圈电压，产生强烈的反向电动势，开关装置在开关两种状态下分别采集反向电动势，并在阈值区间进行计数，用户通过计数值判断开关的状态，实现利用电磁效应检测开关的状态。本发明降低了控制电路硬件设计的复杂性，并且没有外加传感器采集模块而大大降低了成本。
【专利说明】
-种电磁铁开关状态检测装置及检测方法
技术领域
[0001] 本发明设及开关状态检测领域，特别设及一种电磁铁开关状态检测装置及检测方 法。
【背景技术】
[0002] 电磁学在日常生活中有着极为广泛的应用，当下的生活与其息息相关。电磁铁的 原理是当直流电通过导体时会产生磁场，若使直流电通过由导体构成的线圈则会产生具有 方向性的磁场，但是单纯由直流电和线圈所构成磁场不够集中而导致产生的磁力不够，因 此会在线圈的中屯、加入磁性物质W达到集中磁场的效果。一般而言，电磁场所产生的磁场 强度和直流电大小、线圈圈数及中屯、的导磁物质有关。
[0003] 利用电磁原理进行开关的检测称为电磁开关化Iectromagnetic Switch，EMS)，要 实现EMS完全的可观测性和可控性，关键就是要能检测出EMS的电磁线圈与衔铁在开关暂态 过程中的行为，W及它们之间在状态转变点的对应关系。为此，就要分析EMS的开关暂态过 程。直流接触器开关暂态过程包括吸动和释放过程。吸动过程分为3个阶段:触动过程，即从 控制电压源接通电磁线圈起，一直到电磁电流的磁通增长到将要吸动衔铁为止，该阶段电 磁吸力小于或等于弹黃弹力，衔铁尚未运动;运动过程，该阶段磁通已增长到使电磁吸力大 于弹黃的弹力，衔铁开始运动，磁路的气隙逐渐减少，直至衔铁与电磁铁开始闭合；闭合过 程，该阶段是刚闭合衔铁进入完全静止的过程，期间电磁电流要增大到最大值。释放过程是 指从电磁线圈断开控制电压源起一直到衔铁返回至原来静止位置为止。对于电磁线圈反接 续流二极管的正常工作条件，释放过程和吸动过程相似，也可分为释动阶段、返回阶段与断 开阶段3个阶段。释动阶段期间衔铁尚未运动;返回阶段期间弹黃弹力大于残余磁通产生的 电磁吸力，衔铁开始运动，磁路的气隙逐渐增大，直至衔铁与电磁铁处于分断。断开阶段是 分断后的衔铁进入完全静止的过程，期间残余磁通逐渐趋于零。因此根据电磁铁吸动和释 放运种特性，研究其电磁线圈电压在衔铁不同状态下的变化，根据其变化和各个状态下电 磁特性来实现开关装置开关状态的检测。
[0004] 本发明对开关状态进行检测，开关状态变化目前一般使用传感器来检测，装置上 使用传感器一方面使得体积增大，不利于体积严控的检测场合，另一方装置上增加传感器， 成本会进一步提高。本发明运用电磁铁的电磁效应来检测开关状态，使用电磁铁主要优势 在于：一是在不影响检测效果的同时，降低了硬件设计的复杂度；二是没有额外使用传感 器，使得该装置大大降低了成本。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题：不使用传感器等外加资源的情况下，提供一种电磁铁开 关状态检测装置及检测方法，依据电磁特性有效的区分开关的状态，实现了装置智能化，也 降低了硬件设计的复杂度。
[0006] 本发明所采用的第一种技术方案是:一种电磁铁开关状态检测装置，包括支架，支 架呈倒T状，电磁铁固定在支架的左下方，电磁铁包括铁忍和缠绕在铁忍上的电磁线圈，电 磁铁上的电磁线圈连接MCU上，弹黃固定在支架右下方，弹黃另一端与限位衔铁一端连接， 限位衔铁自然状态下另一端抵住开关装置的左下方。
[0007] 本发明所采用的第二种技术方案是，一种电磁铁开关状态检测方法，具体按照W 下步骤实施：
[0008] 步骤1、限位衔铁在电磁线圈没有通电的情况下抵住开关装置，电磁线圈加上电 压，限位衔铁吸合，开关装置在没有限位衔铁抵住下，用户可W实现开的状态，断开电磁线 圈电压，瞬间产生反向电动势，反向电动势在开关装置开关两种状态下回落时间不一样，通 过A/D模块采集反向电动势电压，将采集的电压发送到MCU模块；
[0009] 步骤2、MCU对采集到反向电动势的电压值在一个阔值区间进行计数，计数值大小 代表回落时间的长短，根据计数值区分开关两种状态，若计数值所代表的状态由待开状态 变为开状态，则MCU发出关命令，电磁线圈断电，限位衔铁在弹黃弹力作用下移动，抵住开关 装置。
[0010] 所述步骤1中电磁线圈通电闭合期间
：于或等于F，电磁线圈断开 电压有=个过程:释动期间
等于F、返回期间
小于F、断开期间
小于F，其中U。为直流电压电磁线圈的控制电压、i (t)为随时间变化的线圈电流、L(t)为随时间变化的线圈电感、LU)为随位移变化的线圈电 感，r为线圈内电阻，F为弹黃的弹力。
[0011] 所述步骤1中反向电动势在开关装置开关两种状态下的回落时间不相同，是由于 开关装置在关状态下，断开电磁线圈电压，弹黃弹力大于残余磁通产生的电磁吸力，限位衔 铁开始运动，磁路的气隙逐渐增大，直至限位衔铁彻底断开抵住开关装置，开关装置在开状 态下，断开电磁线圈电压，弹黃弹力大于残余磁通产生的电磁吸力，限位衔铁开始运动，磁 路的气隙逐渐增大，由于受开关装置挡住限位衔铁因弹黃弹力继续运动，运时磁路的气隙 不变，即距离不变，残余的磁通量比开关装置在关状态下持续时间长一点，反向电动势持续 时间也会长一点。
[001^ 所述步骤帥阔值区间为，进行开关装置开关两种状态下的测试，通过A/D采集和 MCU处理，获得适合检测的阔值区间，在实际计数过程中，依据所测得反向电动势，并与阔值 区间进行比较，在运个阔值区间内计数增加，否则不进行计数，计数完之后将计数值与之前 所测得开关装置开关状态下的计数值区间相比较，确定开关装置开关的状态。
[0013] 与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
[0014] (1)本发明使用电磁特性技术实现开关状态的监测，方法简单，资源开销小，非常 适合电磁铁开关状态检测的领域；
[0015] (2)本发明无需外加传感器来进行开关状态的检测，节约成本，也降低了硬件设计 的复杂度。
【附图说明】
[0016] 图1开关装置在关状态下的主要结构示意图；
[0017] 图2开关装置在开状态下的主要结构示意图；
[0018] 图3开关装置在开状态下限位衔铁与电磁铁因突然断电产生反向电动势回落时 间；
[0019] 图4开关装置在关状态下限位衔铁与电磁铁因突然断电产生反向电动势回落时 间；
[0020] 图5执行开命令检测流程图。
【具体实施方式】
[0021] 如图1所示，支架6呈倒T状，电磁铁8固定在支架6的左下方上，电磁铁8包括铁忍4 和缠绕在铁忍上的电磁线圈5,电磁铁8上的电磁线圈5连接MCU7上，弹黃3固定在支架6右下 方上，限位衔铁2固定在支架6的上面，弹黃3另一端与限位衔铁连接2，限位衔铁2另一端在 电磁线圈5没有通电的情况下，抵住开关装置1，此时处于关状态。
[0022] 如图2所示，用户将开命令发送给MCU7，MCU7执行开命令，电磁线圈5通电产生电磁 效应，限位衔铁2克服弹黃3弹力与电磁铁4吸合，此时处于开状态，开关装置1在开状态下， 电磁线圈5断电之后，限位衔铁2因弹黃3弹力克服电磁力而与电磁铁4断开，但由于开关装 置1遮挡，根据受力平衡，限位衔铁2在此处稳定处于静止状态；
[0023] 如图3所示，开关装置1在开状态下限位衔铁2与电磁铁4因突然断电产生反向电动 势的回落时间，图4是开关装置巧关状态下限位衔铁巧电磁铁姻突然断电产生反向电动势 的回落时间，从两幅图中可W看出，开关装置1在开状态下反向电动势的回落时间比开关装置 1在关状态下要长一些，运是因为开关装置1在开状态下挡化限位衔铁2因弹箸3弹力而继续 向前移动，此时磁通气隙不变，磁通量不为0，根据公式
与开关装置1产生的阻挡力之和等于F，其中U。为直流电压电磁线圈的控制电压、i(t)为随 时间变化的线圈电流、L(t)为随时间变化的线圈电感、LU)为随位移变化的线圈电感，r为 线圈内电阻，F为弹黃的弹力，因此反向电动势会持续的时间会长一点，直至磁通量为0;
[0024] 如图5所示，本发明的工作流程是：用户发送开命令，MCU7接受到开命令，执行关命 令，断开电磁线圈5的电压，延时3s，运是为了释放电磁铁4中储存的能量，防止对后面开关 检测造成影响，执行开命令，接通电磁线圈5的电压，再执行关命令，断开电磁线圈5的电压， 由于电磁效应，产生反向电动势，A/D模块采集反向电动势的电压，并将采集的电压发送给 MCU7，MCU7将反向电动势值在阔值区间内进行计数(开关装置1在开和在关两种关状态下， 在相同阔值区间，计数大小不同），当计数结果的值显示开关装置1在关状态下，表明处于待 开启状态，MCU7重新执行关命令，延时3s，执行开命令，再执行关命令，采集反向电动势值， 在阔值区间比较并进行计数，直到计数结果显示开关状态1在开状态下，表明此时处于开状 态，若处于开状态，MCU7立即发送关命令，此时限位衔铁2不受电磁力，仅受弹黃弹力，使得 限位衔铁2在弹黃弹3力作用下与电磁铁4断开，并最终抵住开关装置1。但由于限位衔铁2抵 住开关装置1，此时无法执行开操作，根据上述所述，从而利用电磁铁4的电磁效应来实现开 关状态的检测。
[0025] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
[0026] W上通过具体的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发 明并不局限于W上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何领域，等同替 换，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种电磁铁开关状态检测装置，其特征在于:包括支架，支架呈倒T状，电磁铁固定在 支架的左下方，电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯上的电磁线圈，电磁铁上的电磁线圈连接MCU 上，弹簧固定在支架右下方，弹簧另一端与限位衔铁一端连接，限位衔铁自然状态下另一端 抵住开关装置的左下方。2. 采用权利要求1所述的装置实现电磁铁开关状态检测方法，其特征在于，所述方法包 括下述步骤： 步骤1、限位衔铁在电磁线圈没有通电的情况下抵住开关装置，电磁线圈加上电压，限 位衔铁吸合，开关装置在没有限位衔铁抵住下，用户可以实现开的状态，断开电磁线圈电 压，瞬间产生反向电动势，反向电动势在开关装置开关两种状态下回落时间不一样，通过Α/ D模块采集反向电动势电压，将采集的电压发送到MCU; 步骤2、MCU对采集到反向电动势的电压值在一个阈值区间进行计数，计数值大小代表 回落时间的长短，根据计数值区分开关两种状态，若计数值所代表的状态由待开状态变为 开状态，则MCU发出关命令，电磁线圈断电，限位衔铁在弹簧弹力作用下移动，达到自然状态 抵住开关装置。3. 根据权利要求2所述的电磁铁开关检测方法，其特征在于，所述步骤1中电磁线圈5通的线圈电流、L(t)为随时间变化的线圈电感、L(x)为随位移变化的线圈电感，r为线圈内电 阻，F为弹簧的弹力。4. 根据权利要求2所述的电磁铁开关检测方法，其特征在于，所述步骤1中反向电动势 在开关装置开关两种状态下的回落时间不相同，是由于开关装置在关状态下，断开电磁线 圈电压，弹簧弹力大于残余磁通产生的电磁吸力，限位衔铁开始运动，磁路的气隙逐渐增 大，直至限位衔铁彻底断开抵住开关装置，开关装置在开状态下，断开电磁线圈电压，弹簧 弹力大于残余磁通产生的电磁吸力，限位衔铁开始运动，磁路的气隙逐渐增大，由于受开关 装置挡住限位衔铁因弹簧弹力继续运动，这时磁路的气隙不变，即距离不变，残余的磁通量 比开关装置在关状态下持续时间长一点，反向电动势持续时间也会长一点。5. 根据权利要求2所述的电磁铁开关检测方法，其特征在于，所述步骤2中阈值区间为， 开关装置开关两种状态下反复进行测试，通过A/D采集和MCU处理，获得适合检测的阈值区 间，在实际计数过程中，依据所测得反向电动势，并与阈值区间进行比较，在这个阈值区间 内计数增加1，否则不进行计数，计数完之后将计数值与之前所测得开关装置开关状态下的 计数值区间相比较，确定开关装置开关的状态。
【文档编号】H01H50/08GK105826133SQ201610382495
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】何永达, 李晓风, 谭海波, 许金林, 张梦龙
【申请人】宁波精业保管箱有限公司