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基于磁悬浮球系统的地磅的设计与实现
2019-08-29 09:23:09 来源:http://www.scalesh.com 作者:http://www.scalesh.com 【 】 浏览:0次 评论:0

1 引言

电子秤作为衡器中的一种, 被广泛应用于医院、学校、化工、能源、冶金、商业等各行各业, 且由于其能够在恶劣环境下工作, 易于与计算机技术结合等特性, 使得其应用场景越来越广泛。人们对于电子秤的称量精度与场景要求也越来越高。

根据《中华人民共和国计量法》规定, 所有电子衡器均需要通过相关计量检定机构检定方可投入使用。计量规程对于不同量程、精度、环境等等指标有误差限制规定。

电子秤的误差是对称量结果准确度的一个定量描述, 误差的存在导致电子秤称量结果不可靠且会影响到使用者的利益。电子秤的误差来自于几个主要方面[1], 其中四角偏载误差、称量误差、鉴别力误差的产生都与当前电子秤托盘的设计结构相关, 无法避免摩擦力产生的影响, 导致在小量程情况下称量精度下降。

传统电子秤主要由称重系统、压力传感器、信号处理电路、电源四个部分组成[2], 其中机械结构导致的误差主要来源于称重系统这个部分。

通过对传统电子秤中误差来源进行分析, 本文设计并实现了一种磁悬浮称量装置, 改变了称量系统的机械结构, 通过设计传感器、驱动电路以及控制算法, 实现了一个磁浮球闭环控制系统, 利用磁浮球系统无接触、无摩擦的特点, 找到一种新型的称量方法, 旨在消除传统称量系统中不可避免的摩擦力造成的影响, 将磁悬浮技术中技术优势应用于称量领域。

2 系统设计

通过对磁悬浮称量与精准定位的仔细研究, 电磁场磁力分布的分析, 首先解决了磁铁选材、磁浮球位移传感器、磁浮球控制方案、电磁铁驱动等关键技术问题, 在此基础上设计出一种基于引力式的磁悬浮称量系统, 并实现了磁悬浮电子秤的称量功能。整个系统的设计分为系统结构设计、传感器设计、驱动电路设计和控制算法五个部分。

2.1 系统结构设计

磁浮球系统一般由控制器 (电磁铁) 、被控对象 (磁浮球) 、磁浮球位置传感器、控制电流驱动电路、核心控制器、称重托盘六个部分组成, 其结构如图1所示:

图1 系统结构图

图1 系统结构图  下载原图

由图1可以看到, 电磁铁作为产生磁场的装置, 其磁场空间点磁场强度与电流大小成正比[3], 本文采用直径为0.51mm的漆包铜线与1-j50软磁镍铁合金制作电磁铁, 将铁芯加工成柱状, 绕线1950圈制作而成。磁性球采用铁质空心球并悬挂有非磁性的托盘用于放置非磁性被称量物体。电磁铁与磁性球构成一个非线性不稳定迟滞系统[4], 若希望磁性球可以稳定悬浮于某个固定位置, 则必须采用闭环结构。故此作者设计了传感器方案, 加入了控制器对整个系统进行控制。

本文目标是通过控制电磁铁驱动电流的大小, 使得小球悬浮于固定高度, 通过向托盘添加重物, 待到小球再次稳定, 建立起驱动电流与小球所受重力之间的对应关系, 从而实现称重功能。

2.2 传感器设计

感器部分的设计, 综合成本、采集间隔、简易度等因素选择了最终的方案。

利用直流电灯与凸透镜模拟平行光源, 采用硅光电池作为光电转换设备, 整体系统工作原理如图2所示。

图2 传感器原理图

图2 传感器原理图  下载原图

如图2所示, 平行光源通过一段距离到达硅光电池板, 小球对平行光进行部分遮挡, 在硅光电池板上留下阴影, 经过计算推导, 可以推算出小球距离变化正比于硅光电池上阴影面积的变化, 且可以调整小球初始位置, 使得在控制过程中小球位置变化与小球在光电池上的阴影面积的变化是线性关系, 随后根据硅光电池的特性[5], 利用实验测试在稳定光照强度不变情况下, 遮挡面积变化与输出电压强度之间的对应关系, 得出遮挡面积变化与硅光电池输出电压之间呈现正比例关系。因此可以得出小球位置与硅光电池输出电压之间呈现线性正比关系。对光电池的输出电压进行调理电路进行处理, 然后对其进行A/D采样, 传送到控制器。

2.3 驱动电路设计

驱动电路主要是通过设计恒流电流源电路来进行。考虑到通电螺线管磁场分布[3], 越靠近螺线管中心磁场强度越高, 螺线管内部磁场强度公式为:

公式 (1) 中µ0表示空间磁导率, n表示线圈匝数, I表示电流大小。公式 (1) 可以得到磁场强度与电流成正比。因此对于线圈的控制可以分为电压控制与电流控制, 而实际应用中电磁线圈在产生磁场吸引小球的过程中会存在发热, 铜丝的发热又会导致线圈电阻发生变化, 因此利用电压控制的方式会引入一些误差, 因此本文选用恒流源驱动方案。

恒流源设计电路图如图3所示。

控制器输出的数字信号经过D/A模块转换为对应的模拟量, 经过两级运放进行量程调整之后作为第三级运放的参考电压, 第三级运放与MOSFET、采样电阻构成可控恒流源, 其中电流经过1Ω的采样电阻作为电压值反馈到运放负极, 运放的输出则作为MOSFET基极电压, 构成电压跟随器, 确保电流值稳定。这样的电流源具有性能稳定、输出电流线性度高、输出电流误差小等优点[6][7]

图3 驱动电路原理图

图3 驱动电路原理图  下载原图

将恒流源与传感器调理电路集成在一块电路板, 选取LM324四运算放大器, IRF640进行电路设计, 绘制电路板并进行调试通过。

2.4 控制算法设计

磁浮球系统的控制对象为磁性小球与磁铁铁芯之间的纵向位移, 控制量为电磁线圈中的电流大小, 基于这些对磁浮球系统进行系统建模以及控制算法设计。

2.4.1 系统建模

控制系统框图如图4所示:

图4 系统控制框图

图4 系统控制框图  下载原图

其中Gc (s) 为控制器传递函数, G (s) 为系统开环传递函数。

虽然整个磁悬浮球系统为非线性控制系统, 但是在小球悬浮的固定高度附近, 整个系统可以简化为线性系统[8][9], 且系统具有以下形式的开环传递函数[10]:

其中A、B为正实数。经过计算, 对应于本文所搭建的磁悬浮系统, 其开环传递函数为式 (3) 。

系统存在两个极点25.549, 根据线性定常系统稳定的充分必要条件, 可以知道该系统存在右半平面极点, 因此系统为二阶开环不稳定系统。

2.4.2 控制算法

欲使系统稳定, 则需要设计控制器对其进行控制, 对于此类系统, 需要设计控制器对其右半平面极点进行消除, 一般采用PD控制方法, 设计如下控制器:

其中Kp表示比例系数, Kd表示微分系数。如此整个控制系统开环传递函数为式 (5) :

根据公式 (5) 可以得出系统的闭环传递函数 (6) :

对于二阶系统, 根据劳斯判据, 若需要系统稳定则必须满足以下条件:

因此理论上需要选取Kp>0.206, Kd>0使得系统稳定。

在实际控制算法的实现中, 选用PID算法对其进行控制, 考虑到系统可能存在一些扰动, 在实际使用时也引入了积分项用于消除扰动。最终根据PID算法公式:

在实际应用中选取Kp=10, Kd=30, Ki=0.01作为实际控制参数。

期望对小球的控制具有较高的控制频率, 且因为周边存在较强磁场, 因此要求控制器的抗干扰性能较强。因此本文选取FPGA作为控制芯片, FPGA (FieldProgrammable Gate Array) 又称现场可编程门阵列, 拥有高效、稳定等诸多优点, 作者采用Alinx公司DB4CE15-FPGA开发板以及开发板板载8位AD/DA, 利用Verilog语言编程实现控制算法。

3 系统标定

对于磁悬浮球系统, 通过电磁铁吸引力与小球所受重力平衡这一点出发, 建立起平衡状态下电磁铁驱动电流与小球所受重力之间的对应关系, 可以得到整个系统的标定曲线。

在实际标定过程中, 选取非磁性不同质量的标定材料若干, 确保标定材料所对应的重量为标准重量, 然后采用本文称量系统对其进行称量, 得出驱动电流与标定材料质量之间的对应关系如图5所示。

图5中, 纵坐标表示放置在托盘上的标定材料的重量, 单位为克, 横坐标表示电磁线圈驱动电流的大小, 单位为毫安。根据图5中拟合直线与实际测量数据对比可以发现标定材料重量与控制电流大小呈现正比例线性关系。

由此得到整个磁浮球电子秤的标定方式, 即将整个系统视为一个黑盒系统进行标定, 建立起物体重量与驱动电流之间的对应关系表, 在标定结束之后实际称量过程中, 按照电流大小对表中数据进行线性插值即可获得实际称量结果。

这种标定方式的优点是可以不必保证整个系统各个环节的结果是否准确, 只需要确保最终的标定结果准确即可, 因此整个磁悬浮电子秤的标定环节不会太繁琐, 每次只需要对一个系统进行一次标定即可。缺点是对于每个不同的系统都需要进行独立的标定, 且随时间推移, 当出现系统损耗导致偏差产生还需要进行二次标定, 较为繁琐, 对于量产带来不便。

4 系统误差来源

本文所实现的系统从结构上避免了摩擦力的干扰, 理论上可以提升电子秤的称量精度。现在对本文实现的系统存在的误差来源进行分析:

1) 电磁线圈通电后温度漂移。电磁线圈通电之后会产生发热, 导致线圈以及铁芯受热产生形变, 影响磁场分布, 导致误差出现, 可以通过增加散热装置进行处理。

2) 光电传感器环境光强的影响。光电传感器会受到环境光强变化的影响, 导致误差产生, 可以通过光补偿进行修正。

3) A/D、D/A精度。A/D、D/A模块的精度直接决定了观测量与控制量的精度, 继而影响系统的稳态电流的精度, 从而导致误差产生, 可以通过选用高精度的A/D, D/A提高精度。

4) 标定材料最小重量差的选取。标定时最小砝码的重量决定了最终电子秤称量精度的影响, 选用细小粒度进行标定可以提升最终称量结果的精度。

5) 人为操作误差, 因为标定过程存在人为操作, 不可避免会产生偶然误差, 可以通过多次重复操作、去除偏差较大点等方式进行消除。

5 结束语

本文通过实现一个磁悬浮球系统, 建立起物体重量与平衡状态下驱动电流之间的对应关系, 并通过标定获取驱动电流与实际负载重量之间的确切对应关系, 从而可以利用线性插值对被称物重量进行测量, 实现了精度为0.5g, 称量范围为0-30g的磁悬浮电子秤称量系统。

图5 物体质量与驱动电流对应关系散点图

图5 物体质量与驱动电流对应关系散点图  下载原图

系统目前支持0-30g称量范围主要原因为当系统质量过大时, 驱动电流过大导致线圈发热现象严重, 继而导致系统非线性度增加, 从而产生误差。若希望更改系统称量范围, 可以选用粗的铜线绕制线圈, 同时采用大功率的电流驱动模块并附加散热系统可以对量程进行提升。

总的来说, 本文实现的磁悬浮称量系统, 避开了传统称量方式中的摩擦力的影响, 如果选用合适的铁芯材料、设计封闭的光电传感器、高精度的A/D、D/A以及粒度更小的标定材料, 可以达到更高的测量精度, 对于改善小重量称量过程中摩擦力导致的误差有较好的效果, 具有实际应用价值。

最终系统实物图如图6所示:

图6 系统实物图

图6 系统实物图

Tags:地磅 责任编辑:admin
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