【梧州電子地磅廠家】基于磁懸浮球系統(tǒng)的地磅的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

時(shí)間：2021-04-16作者：東莞市明準(zhǔn)電子衡器有限公司瀏覽：62

1 引言電子秤作為衡器中的一種, 被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、化工、能源、冶金、商業(yè)等各行各業(yè), 且由于其能夠在惡劣環(huán)境下工作, 易于與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合等特性, 使得其應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣泛。

人們對(duì)于電子秤的稱量精度與場(chǎng)景要求也越來(lái)越高。根據(jù)《*人民共和國(guó)計(jì)量法》規(guī)定, 所有電子衡器均需要通過(guò)相關(guān)計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定方可投入使用。計(jì)量規(guī)程對(duì)于不同量程、精度、環(huán)境等等指標(biāo)有誤差限制規(guī)定。電子秤的誤差是對(duì)稱量結(jié)果準(zhǔn)確度的一個(gè)定量描述, 誤差的存在導(dǎo)致電子秤稱量結(jié)果不可靠且會(huì)影響到使用者的利益。電子秤的誤差來(lái)自于幾個(gè)主要方面[1], 其中四角偏載誤差、稱量誤差、鑒別力誤差的產(chǎn)生都與當(dāng)前電子秤托盤的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相關(guān), 無(wú)法避免摩擦力產(chǎn)生的影響, 導(dǎo)致在小量程情況下稱量精度下降。傳統(tǒng)電子秤主要由稱重系統(tǒng)、壓力傳感器、信號(hào)處理電路、電源四個(gè)部分組成[2], 其中機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的誤差主要來(lái)源于稱重系統(tǒng)這個(gè)部分。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電子秤中誤差來(lái)源進(jìn)行分析, 本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種磁懸浮稱量裝置, 改變了稱量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu), 通過(guò)設(shè)計(jì)傳感器、驅(qū)動(dòng)電路以及控制算法, 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)磁浮球閉環(huán)控制系統(tǒng), 利用磁浮球系統(tǒng)無(wú)接觸、無(wú)摩擦的特點(diǎn), 找到一種新型的稱量方法, 旨在消除傳統(tǒng)稱量系統(tǒng)中不可避免的摩擦力造成的影響, 將磁懸浮技術(shù)中技術(shù)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于稱量領(lǐng)域。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)磁懸浮稱量與精準(zhǔn)定位的仔細(xì)研究, 電磁場(chǎng)磁力分布的分析, 首先解決了磁鐵選材、磁浮球位移傳感器、磁浮球控制方案、電磁鐵驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題, 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種基于引力式的磁懸浮稱量系統(tǒng), 并實(shí)現(xiàn)了磁懸浮電子秤的稱量功能。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和控制算法五個(gè)部分。2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)磁浮球系統(tǒng)一般由控制器 (電磁鐵) 、被控對(duì)象 (磁浮球) 、磁浮球位置傳感器、控制電流驅(qū)動(dòng)電路、**控制器、稱重托盤六個(gè)部分組成, 其結(jié)構(gòu)如圖1所示:圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 下載原圖 由圖1可以看到, 電磁鐵作為產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置, 其磁場(chǎng)空間點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小成正比[3], 本文采用直徑為0.51mm的漆包銅線與1-j50軟磁鎳鐵合金制作電磁鐵, 將鐵芯加工成柱狀, 繞線1950圈制作而成。磁性球采用鐵質(zhì)空心球并懸掛有非磁性的托盤用于放置非磁性被稱量物體。電磁鐵與磁性球構(gòu)成一個(gè)非線性不穩(wěn)定遲滯系統(tǒng)[4], 若希望磁性球可以穩(wěn)定懸浮于某個(gè)固定位置, 則必須采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)。故此作者設(shè)計(jì)了傳感器方案, 加入了控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。本文目標(biāo)是通過(guò)控制電磁鐵驅(qū)動(dòng)電流的大小, 使得小球懸浮于固定高度, 通過(guò)向托盤添加重物, 待到小球再次穩(wěn)定, 建立起驅(qū)動(dòng)電流與小球所受重力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 從而實(shí)現(xiàn)稱重功能。2.2 傳感器設(shè)計(jì)感器部分的設(shè)計(jì), 綜合成本、采集間隔、簡(jiǎn)易度等因素選擇了較終的方案。利用直流電燈與凸透鏡模擬平行光源, 采用硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換設(shè)備, 整體系統(tǒng)工作原理如圖2所示。圖2 傳感器原理圖 下載原圖 如圖2所示, 平行光源通過(guò)一段距離到達(dá)硅光電池板, 小球?qū)ζ叫泄膺M(jìn)行部分遮擋, 在硅光電池板上留下陰影, 經(jīng)過(guò)計(jì)算推導(dǎo), 可以推算出小球距離變化正比于硅光電池上陰影面積的變化, 且可以調(diào)整小球初始位置, 使得在控制過(guò)程中小球位置變化與小球在光電池上的陰影面積的變化是線性關(guān)系, 隨后根據(jù)硅光電池的特性[5], 利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試在穩(wěn)定光照強(qiáng)度不變情況下, 遮擋面積變化與輸出電壓強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 得出遮擋面積變化與硅光電池輸出電壓之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系。因此可以得出小球位置與硅光電池輸出電壓之間呈現(xiàn)線性正比關(guān)系。對(duì)光電池的輸出電壓進(jìn)行調(diào)理電路進(jìn)行處理, 然后對(duì)其進(jìn)行A/D采樣, 傳送到控制器。2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路主要是通過(guò)設(shè)計(jì)恒流電流源電路來(lái)進(jìn)行。考慮到通電螺線管磁場(chǎng)分布[3], 越靠近螺線管中心磁場(chǎng)強(qiáng)度越高, 螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度公式為: 公式 (1) 中μ0表示空間磁導(dǎo)率, n表示線圈匝數(shù), I表示電流大小。公式 (1) 可以得到磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流成正比。因此對(duì)于線圈的控制可以分為電壓控制與電流控制, 而實(shí)際應(yīng)用中電磁線圈在產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引小球的過(guò)程中會(huì)存在發(fā)熱, 銅絲的發(fā)熱又會(huì)導(dǎo)致線圈電阻發(fā)生變化, 因此利用電壓控制的方式會(huì)引入一些誤差, 因此本文選用恒流源驅(qū)動(dòng)方案。恒流源設(shè)計(jì)電路圖如圖3所示?？刂破鬏敵龅臄?shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A模塊轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬量, 經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)放進(jìn)行量程調(diào)整之后作為*三級(jí)運(yùn)放的參考電壓, *三級(jí)運(yùn)放與MOSFET、采樣電阻構(gòu)成可控恒流源, 其中電流經(jīng)過(guò)1Ω的采樣電阻作為電壓值反饋到運(yùn)放負(fù)極, 運(yùn)放的輸出則作為MOSFET基較電壓, 構(gòu)成電壓跟隨器, 確保電流值穩(wěn)定。這樣的電流源具有性能穩(wěn)定、輸出電流線性度高、輸出電流誤差小等優(yōu)點(diǎn)[6][7]。圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 下載原圖 將恒流源與傳感器調(diào)理電路集成在一塊電路板, 選取LM324四運(yùn)算放大器, IRF640進(jìn)行電路設(shè)計(jì), 繪制電路板并進(jìn)行調(diào)試通過(guò)。2.4 控制算法設(shè)計(jì)磁浮球系統(tǒng)的控制對(duì)象為磁性小球與磁鐵鐵芯之間的縱向位移, 控制量為電磁線圈中的電流大小, 基于這些對(duì)磁浮球系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模以及控制算法設(shè)計(jì)。2.4.1 系統(tǒng)建?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示:圖4 系統(tǒng)控制框圖 下載原圖 其中Gc (s) 為控制器傳遞函數(shù), G (s) 為系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。雖然整個(gè)磁懸浮球系統(tǒng)為非線性控制系統(tǒng), 但是在小球懸浮的固定高度附近, 整個(gè)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為線性系統(tǒng)[8][9], 且系統(tǒng)具有以下形式的開環(huán)傳遞函數(shù)[10]: 其中A、B為正實(shí)數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算, 對(duì)應(yīng)于本文所搭建的磁懸浮系統(tǒng), 其開環(huán)傳遞函數(shù)為式 (3) 。 系統(tǒng)存在兩個(gè)較點(diǎn)25.549, 根據(jù)線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件, 可以知道該系統(tǒng)存在右半平面較點(diǎn), 因此系統(tǒng)為二階開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。2.4.2 控制算法欲使系統(tǒng)穩(wěn)定, 則需要設(shè)計(jì)控制器對(duì)其進(jìn)行控制, 對(duì)于此類系統(tǒng), 需要設(shè)計(jì)控制器對(duì)其右半平面較點(diǎn)進(jìn)行消除, 一般采用PD控制方法, 設(shè)計(jì)如下控制器: 其中Kp表示比例系數(shù), Kd表示微分系數(shù)。如此整個(gè)控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為式 (5) : 根據(jù)公式 (5) 可以得出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) (6) : 對(duì)于二階系統(tǒng), 根據(jù)勞斯判據(jù), 若需要系統(tǒng)穩(wěn)定則必須滿足以下條件: 因此理論上需要選取Kp>0.206, Kd>0使得系統(tǒng)穩(wěn)定。在實(shí)際控制算法的實(shí)現(xiàn)中, 選用PID算法對(duì)其進(jìn)行控制, 考慮到系統(tǒng)可能存在一些擾動(dòng), 在實(shí)際使用時(shí)也引入了積分項(xiàng)用于消除擾動(dòng)。較終根據(jù)PID算法公式: 在實(shí)際應(yīng)用中選取Kp=10, Kd=30, Ki=0.01作為實(shí)際控制參數(shù)。期望對(duì)小球的控制具有較高的控制頻率, 且因?yàn)橹苓叴嬖谳^強(qiáng)磁場(chǎng), 因此要求控制器的抗干擾性能較強(qiáng)。因此本文選取FPGA作為控制芯片, FPGA (FieldProgrammable Gate Array) 又稱現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列, 擁有高效、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn), 作者采用Alinx公司DB4CE15-FPGA開發(fā)板以及開發(fā)板板載8位AD/DA, 利用Verilog語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)控制算法。3 系統(tǒng)標(biāo)定對(duì)于磁懸浮球系統(tǒng), 通過(guò)電磁鐵吸引力與小球所受重力平衡這一點(diǎn)出發(fā), 建立起平衡狀態(tài)下電磁鐵驅(qū)動(dòng)電流與小球所受重力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 可以得到整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)定曲線。在實(shí)際標(biāo)定過(guò)程中, 選取非磁性不同質(zhì)量的標(biāo)定材料若干, 確保標(biāo)定材料所對(duì)應(yīng)的重量為標(biāo)準(zhǔn)重量, 然后采用本文稱量系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行稱量, 得出驅(qū)動(dòng)電流與標(biāo)定材料質(zhì)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。圖5中, 縱坐標(biāo)表示放置在托盤上的標(biāo)定材料的重量, 單位為克, 橫坐標(biāo)表示電磁線圈驅(qū)動(dòng)電流的大小, 單位為毫安。根據(jù)圖5中擬合直線與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)標(biāo)定材料重量與控制電流大小呈現(xiàn)正比例線性關(guān)系。

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