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

時間：2021-04-16作者：東莞市明準電子衡器有限公司瀏覽：63

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, 易于與計算機技術(shù)結(jié)合等特性, 使得其應(yīng)用場景越來越廣泛。

人們對于電子秤的稱量精度與場景要求也越來越高。根據(jù)《*人民共和國計量法》規(guī)定, 所有電子衡器均需要通過相關(guān)計量檢定機構(gòu)檢定方可投入使用。計量規(guī)程對于不同量程、精度、環(huán)境等等指標有誤差限制規(guī)定。電子秤的誤差是對稱量結(jié)果準確度的一個定量描述, 誤差的存在導(dǎo)致電子秤稱量結(jié)果不可靠且會影響到使用者的利益。電子秤的誤差來自于幾個主要方面[1], 其中四角偏載誤差、稱量誤差、鑒別力誤差的產(chǎn)生都與當前電子秤托盤的設(shè)計結(jié)構(gòu)相關(guān), 無法避免摩擦力產(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、信號處理電路、電源四個部分組成[2], 其中機械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的誤差主要來源于稱重系統(tǒng)這個部分。通過對傳統(tǒng)電子秤中誤差來源進行分析, 本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種磁懸浮稱量裝置, 改變了稱量系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu), 通過設(shè)計傳感器、驅(qū)動電路以及控制算法, 實現(xiàn)了一個磁浮球閉環(huán)控制系統(tǒng), 利用磁浮球系統(tǒng)無接觸、無摩擦的特點, 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)勢應(yīng)用于稱量領(lǐng)域。2 系統(tǒng)設(shè)計通過對磁懸浮稱量與精準定位的仔細研究, 電磁場磁力分布的分析, 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)動等關(guān)鍵技術(shù)問題, 在此基礎(chǔ)上設(shè)計出一種基于引力式的磁懸浮稱量系統(tǒng), 并實現(xiàn)了磁懸浮電子秤的稱量功能。整個系統(tǒng)的設(shè)計分為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳感器設(shè)計、驅(qū)動電路設(shè)計和控制算法五個部分。2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計磁浮球系統(tǒng)一般由控制器 (電磁鐵) 、被控對象 (磁浮球) 、磁浮球位置傳感器、控制電流驅(qū)動電路、**控制器、稱重托盤六個部分組成, 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)生磁場的裝置, 其磁場空間點磁場強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)定懸浮于某個固定位置, 則必須采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)。故此作者設(shè)計了傳感器方案, 加入了控制器對整個系統(tǒng)進行控制。本文目標是通過控制電磁鐵驅(qū)動電流的大小, 使得小球懸浮于固定高度, 通過向托盤添加重物, 待到小球再次穩(wěn)定, 建立起驅(qū)動電流與小球所受重力之間的對應(yīng)關(guān)系, 從而實現(xiàn)稱重功能。2.2 傳感器設(shè)計感器部分的設(shè)計, 綜合成本、采集間隔、簡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, 平行光源通過一段距離到達硅光電池板, 小球?qū)ζ叫泄膺M行部分遮擋, 在硅光電池板上留下陰影, 經(jīng)過計算推導(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], 利用實驗測試在穩(wěn)定光照強度不變情況下, 遮擋面積變化與輸出電壓強度之間的對應(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。對光電池的輸出電壓進行調(diào)理電路進行處理, 然后對其進行A/D采樣, 傳送到控制器。2.3 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路主要是通過設(shè)計恒流電流源電路來進行?？紤]到通電螺線管磁場分布[3], 越靠近螺線管中心磁場強度越高, 螺線管內(nèi)部磁場強度公式為: 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) 可以得到磁場強度與電流成正比。因此對于線圈的控制可以分為電壓控制與電流控制, 而實際應(yīng)用中電磁線圈在產(chǎn)生磁場吸引小球的過程中會存在發(fā)熱, 銅絲的發(fā)熱又會導(dǎo)致線圈電阻發(fā)生變化, 因此利用電壓控制的方式會引入一些誤差, 因此本文選用恒流源驅(qū)動方案。恒流源設(shè)計電路圖如圖3所示。控制器輸出的數(shù)字信號經(jīng)過D/A模塊轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬量, 經(jīng)過兩級運放進行量程調(diào)整之后作為*三級運放的參考電壓, *三級運放與MOSFET、采樣電阻構(gòu)成可控恒流源, 其中電流經(jīng)過1Ω的采樣電阻作為電壓值反饋到運放負極, 運放的輸出則作為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[6][7]。圖3 驅(qū)動電路原理圖 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LM324四運算放大器, IRF640進行電路設(shè)計, 繪制電路板并進行調(diào)試通過。2.4 控制算法設(shè)計磁浮球系統(tǒng)的控制對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, 基于這些對磁浮球系統(tǒng)進行系統(tǒng)建模以及控制算法設(shè)計。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, 整個系統(tǒng)可以簡化為線性系統(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為正實數(shù)。經(jīng)過計算, 對應(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)存在兩個較點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, 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)計控制器對其進行控制, 對于此類系統(tǒng), 需要設(shè)計控制器對其右半平面較點進行消除, 一般采用PD控制方法, 設(shè)計如下控制器: 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。在實際控制算法的實現(xiàn)中, 選用PID算法對其進行控制, 考慮到系統(tǒng)可能存在一些擾動, 在實際使用時也引入了積分項用于消除擾動。較終根據(jù)PID算法公式: 在實際應(yīng)用中選取Kp=10, Kd=30, Ki=0.01作為實際控制參數(shù)。期望對小球的控制具有較高的控制頻率, 且因為周邊存在較強磁場, 因此要求控制器的抗干擾性能較強。因此本文選取FPGA作為控制芯片, FPGA (FieldProgrammable Gate Array) 又稱現(xiàn)場可編程門陣列, 擁有高效、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點, 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語言編程實現(xiàn)控制算法。3 系統(tǒng)標定對于磁懸浮球系統(tǒng), 通過電磁鐵吸引力與小球所受重力平衡這一點出發(fā), 建立起平衡狀態(tài)下電磁鐵驅(qū)動電流與小球所受重力之間的對應(yīng)關(guān)系, 可以得到整個系統(tǒng)的標定曲線。在實際標定過程中, 選取非磁性不同質(zhì)量的標定材料若干, 確保標定材料所對應(yīng)的重量為標準重量, 然后采用本文稱量系統(tǒng)對其進行稱量, 得出驅(qū)動電流與標定材料質(zhì)量之間的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。圖5中, 縱坐標表示放置在托盤上的標定材料的重量, 單位為克, 橫坐標表示電磁線圈驅(qū)動電流的大小, 單位為毫安。根據(jù)圖5中擬合直線與實際測量數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)標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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