杨章 陈龙 吴岳敏
摘要：智能电动平衡器是一个涉及机械工程、电子学、控制工程、红外通信等多个不同学科领域较为复杂的系统。智能电动平衡器主要用于汽车模具、配件焊接、流水线、装配生产线或定工位工作等需要频繁提升或下放负载的场合，和操作人员密切合作，识别操作人员的操作意图，快速安全的实现提升、下放或悬吊负载的功能。
关键词 工程电子;平衡器;悬吊功能
中图分类号：G4 文献标识码：A
一、系统工作原理
电动平衡器系统通常情况下具有两种不同的工作模式，遥控模式是电动平衡器系统具有的第一种工作模式，在这种模式下操作人员想要传输信号，只需采用红外遥控器便可以进行相关的传输，系统可以准确的对信号进行识别，从而进行相关的操作。浮动模式则是电动平衡器系统具有的第二种工作模式，在这种模式下，操作人员可以通过手动的方式来进行相应的功能。通过以往的相关操作经验，可以得知操作人员若是想要提升负载，则可以通过将负载向上拉起，反之则可以将负载向下拉，并且负载的速度受拉速的影响，拉速和负载的速度呈正比，浮动模式便是受此启发而设计而成。称重传感器在相应的时间则会对负载重量进行测量，并且W为负载重量的最初数值，负载受到手作用的影响会产生当前数值W1，通过W和W1的差值可以得知施加力，操作力F通常为1-Wo。如果F的数值为0，那么则代表电机处于停滞运行的状态，如果F的数值小于0，则代表电机状态处于负载提升;如果F的数值大于0，则代表电机状态处于负载下放。电机转速通常用V来表示，其比例系数通常采用K来表示，施加力的大小则采用F来表示。
施加力在实际操作中会对K的数值产生影响，并且无法得出具体的影响情况，通常操作人员需要通过自身的操作经验来对操作力F进行控制。通过三种方式可以得知K值，第一种方式是通过逻辑门控制;第二种方式是通过数学模型的状态控制盒最优控制;第三种方式则是通PID控制，采用第一种和第三种方式可以有效的得出控制逻辑;采用第二种方式，则精准度对其控制效果具有极为重要的影响。
二、智能电动平衡器机械结构及安全保护设计
智能电动平衡器的构造由五个组件构成，第一个组件是变速箱;第二个组件是钢丝绳;第三个组件是交流伺服电机;第四个组件是挂钩;第五个组件是传动装置。通过对图3.1进行分析，可以得知其具体结构。
2.1驱动电机的选择
电力为驱动电机最优的动力，前提升装置普遍应用三种电机来对动力进行驱动，第一种电机为交流电机;第二种电机为步进电机;第三种电机为直流电机。由于直流电机可以更好的对速度进行调整，并且较为容易控制，所以现阶段普遍采用直流电机来作为动力驱动装置。虽然直流电机应用普及度较高，但是其仍具有五个方面的不足，第一个方面的不足是其转向器以及电刷较易损耗;第二个方面的不足是费用较为高昂;第三个方面的不足是难以进行维护工作;第四个方面的不足是使用期限较低;第五个方面的不足是环境对其具有极为关键的影响。由于现阶段人们逐渐提升对交流电机控制技术的重视程度，所以对此方面具有较为丰富的研究成果，其现阶段已具有与直接电机相差无几的控制性能，并且逐渐完善存在的不足。交流电机通常具有两种不同的类型，第一种类型的交流电机为交流异步电机;第二种类型的交流电机则是交流同步电机，由于交流同步电机可以稳定的进行相关的工作，所以通常应用于环境较差的场所。由于交流异步电机的稳定程度较差，所以通常应用于对精准度没有过多要求的场所。
若是工作场所具有较为精准的定位需求，则普遍采用交流伺服电机，该种电机具有较高的精准程度，并且具有较强的过载能力。电动平衡器在进行相关操作时普遍为竖直状态，所以应该采用具有制动器的伺服电机来进行相关的操作。
2.2减速比计算
通过对伺服电机的参数进行分析，得知应该采用高于系统转速的电机进行相关的工作，并且负载转矩应该高于电机输出转矩，采用合理的减速传动装置可以使电机更好的进行相关的工作29。现阶段普遍采用四种传动方式来作为机械传动装置，第一种传动方式为齿轮传动;第二种传动方式为链传动;第三种传动方式为蜗轮蜗杆传动;第四种传动方式为皮带传动3?。通常参数受其结构形式的影响，所以应该根据工作的实际情况来采用相应的传动装置。本次设计采用三种传动方式来作为其传动装置，第一种传动方式为皮带传动;第二种传动方式为滚动传动;第三种传动方式为减速箱传动，将减速箱与电机轴进行连接，皮来主动轮则和减速箱输出端相连，滚筒则和皮带从动轮进行连接。钢丝绳受到滚动从动力的影响进行相关的操作。可以得出2 TI=F*R，负载转矩（Nm）为公式中的T，负载力（N）R为公式中的F;通过对设计要求进行分析，可以得知本次设计的系统可以对150Kg重量的物体进行提升，0.8是本设计传动效率的数值，本设计将6cm作为滚动半径，通过相关的计算可以得知18.75为减速比。通常减速箱减速比的范围处于6到10区间内，并且减速比和价值成正比。本设计将8作为减速箱减速比的数值，所以可以得知2.34是滚筒和皮带主动轮的半径比数值。
三、安全性保护设计
智能电动平衡器在进行日常工作的时候往往需要持续的进行下放或者提升负载，所以操作人员需要通过良好的合作来保证工作的完成，操作人员需要不断的进行相关的工作，所以应该提升对智能电动平衡器安全性的重视程度。应该提升对三个方面安全性的重视程度，第一个方面是断电的状态下保证负载不会对操作人员的安全造成威胁，通过采用具有制动器的伺服电机可以对此方面的问题进行有效的解决。第二个方面是应该提升对反弹保护的重视程度，避免物体重量出现变化的时候，由于反弹作用力对钢丝绳造成影响，从而对操作人员的安全造成威胁。智能电动平衡器应该具有对电机进行锁定的功能，若出现高于其负载的重量，则应该对电机进行锁定。第三个方面则是应该具有超载保护功能，若是设备不能有效的进行相关工作，则应该发出警报。软件系统中应该具有提升重量的最高数值，应该低于该数值进行相关的负载，若是重量高于该数值，那么则不能进行提升负载的相关工作，此时只允许下放负载。
参考文獻
[1]单片机复位电路的设计与分析[J]. 包国彬，张建民，刘嬴. 光电技术应用. 2005（03）
[2]数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应用[J]. 谢世杰，陈生潭，楼顺天. 现代电子技术. 2004（02）
[3]单轴双轮自平衡代步车的研究与设计[D]. 张吉昌.中国海洋大学 2009
作者简介：
杨章（2001—），男，本科生， 湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院 湖北 十堰 442002从事单片机及PLC应用开发方面的学习与研究
吴岳敏（1986—），男，实验师，硕士，研究方向：自动化检测技术、数控设备开发等，通讯作者
基金项目：湖北汽车工业学院大学生创新训练基金资助（DC2020029）
