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高精度磁悬浮微量电子秤系统的设计及实现

时间:2017-09-14 10:46   来源:http://www.shzrhq.com   访问量:

给出一种高精度磁悬浮式微量电子秤系统的结构形式及实现方法。重点讨论了设计与实现中存在的关键问题和解决的方法。实验结果表明该装置性能优良,对于研究超高精度的磁悬浮电子秤是有价值的。

1.引言

高精度称量或定位控制首先受到系统中摩擦力 的挑战摩擦力作为一种高度复杂的非线性现 ,几乎存在于每一个包括部件之间相对运动的机械系统中。不同的摩擦力特征可以出现在不同类型 的接触表面,而摩擦力的幅度与接触表面的物理特 性及负载有关。由摩擦力产生的问题主要导致不可 接受的跟踪y定位误差,它不能仅在控制器中引入一 个积分作用来消除。尤其是当要求低速小幅度运动任务时,非线性摩擦力与积分作用相结合将导致所 谓的黏滑极限环。将磁悬浮技术用于精密称 量,可以消除摩擦力或物理接触。由于秤体悬浮,故 对于机件加工精度要求宽的多,更为重要的是通过 闭环控制系统可以最大限度的消除人为因素对系统 的影响,自动地获取称量信息。为了获得比机械天平 更快、更准确的结果,反馈控制的应用可在技术和经济两方面提供测量过程的最优化。不同结构的磁悬 浮电子秤有不同的测量精度。针对笔者研究的一 种满量程为100g精度为万分之一的磁悬浮电子秤, 介绍其结构、关键技术和解决方案。

2.磁悬浮电子秤系统简介

(1)系统结构

磁悬浮电子秤系统由铁芯、线圈、光源、传感器、 控制器、功率放大器和被控对象秤体等部分组成。 如图2 1所示。

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(2)系统的工作原理

在磁场中,载流导线受到的电磁力与磁场强度 和电流的乘积成正比。在恒稳磁场中,电磁力仅与电流成正比如图 2 1 所示, 由永久磁铁产生恒稳磁场 B , 通过电流 I 的线圈在磁场B 的作用下产生垂直向上的悬浮力f ,若悬浮力 f 正好等于秤体自重 G0 与被秤物体重量 G 之和, 则秤体就平衡在空中的固定位置,为了保证秤体自动达到平衡,电流 I 的产生来自位置检测、控制器等构成的一个闭环控制环路。这样一来, 无论 G 取量程范围内的任何值 , 都能自动地产生合适的电流值 I , 以使 f =G0 +G 总是成立的。如图 2 2 所示。

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于是电流 I G +G0 成正比是固定不变的, 所以可以利用电流信号获得被秤物的重量 G 。这就是所研制磁悬浮式电子秤的基本原理。

(3)秤体机械结构的选择国外的磁悬浮式电子秤的秤体具有多种机械结构形式 。经过实验对比和分析 ,决定选用图 2 3 所示的结构。这种结构的优点在于 :可选用尺寸较大的永久磁铁, 以便在气隙内产生较强和均匀分布的磁场强度。因此 ,较少的线圈匝数和较小的电流 I 就能产生足够的电磁力, 有利于降低功放电路的功耗、稳压电流的负荷和对于磁场的温度影响 ,并且易于加工实现。在这种结构中 , 中心杆水平方向的固定是一个难题 :连接秤盘与线圈成一体的中心杆是需要水平固定的, 否则便会倾斜歪倒。而采用弹性机构解决了这个问题。从力学上分析, 当秤体处于平衡位置时, 各个弹簧片应处于不受力的状态。因此, 平衡以后弹簧片的存在并不破坏 f =G0 +G 的关系。并且,  l1 =l2  l3 =l4 的关系得到严格保证时,被秤物无论放在秤盘上任何位置,所秤得的结果是相等的。

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3.闭环控制环路的数学模型

在样机中, 闭环控制环路采用数字控制器 ,其数学模型如图 3 1 所示。假定线圈附近的磁场强度B 不变 ,可以用 f =PI 表示电流 I 与磁悬浮力 f 之间的关系 ,而磁悬浮力与位移 x 之间的关系可用下列微分方程表示:

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其中 m 表示全部运动部分的质量 , mg =G0 +G ,这是一个变系数微分方程式 ,系数 m 随被秤物重量G的变化而变化;δ是黏性摩擦系数(即由于线圈作切割磁力线方向运动所造成的电磁阻力);Q 是弹簧的刚度系数。根据控制理论可知, 希望 f G +G0 尽量近似相等 ,就应使 Q 值尽量小。这样 W2(s)就越接近存在一个积分环节 ,这对总体精度的提高是有益的。

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(3 3)至少在低颇段是近似正确的。由此可见 P 值的变化对精度的影响是严重的。由于永久磁铁都有一定的温度系数, 它产生的磁场强度 B 是随温度变化的。这就造成对同一秤重物而言温度不同时电流信息会发生变化 ,即造成温度误差。因此必须选择受温度影响小的磁性材料作永久磁铁 , 并且对秤量结果作温度补偿。

4.高精度 A/D D/A 电路的设计

称量信号的高精度测量, 关键一点是高精度 A/ D  D/A 电路的设计 。综合精度要求和价格, 可选用双斜式积分型 A/DICL7135 , 计数范围为 19999 个码,其特点是转换精度高 , 功耗低 ,尤其是抗干扰能力强 ,易于与微型计算机接口 ,其价格为同等精度并行芯片的 1/10 左右。D/A 选用 14 位精度即可。为了保证A/D D/A 的精度,A/D  D/A 转换器 , 分离模拟地与数字地 ,消除数字量对模拟量的干扰 , 而且要对 A/D 的基准电源进行多级稳压(由粗到精), 在很大程度上减少基准电源的波动, 以保证 A/ D  D/A 的精度 

5.单片机系统的设计

单片机系统由 8031 单片机、EEPROM2864 E-PROM2764  I/O 扩展 8155 8255 等芯片构成 。键盘及 LED 显示通过8155 的端口与单片机相连 ,高精度A/D  D/A 转换器由 8031 单片机控制 8255  PB  PC 口完成转换及数据采集 , PA 口输出到打印机的数据。把单片机的运算处理与控制管理功能结合, 使系统能方便、准确的执行校零、定标、测量、计算、显示和打印结果等操作。

系统除了具有一般数据采集处理和控制的特点外,在提高精度、线性化处理方面采取了以下几种有效措施:

(1)由于秤量范围在 1 mg  100 g , 相应要测量的信号变化的最小值为 10  20 μV ,  A/D 的精度在1 mV ,能测到 0.1 mV ,直接利用 A/D 的结果将会丢掉称量的精度。故而采用累加求和及按式(5 1)滤波处理的方法 :

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所得结果便是以 mg 为单位的数据。但由于多种因素的影响,上述关系实际上存在着非线性, 并超出了精度允许范围, 即相对误差在千分之一左右。为此 ,采用若干段折线来逼近曲线的方法做非线性处理。其原理如图 5 1 所示。

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经过非线性处理后, 所得结果 Rx 经过定标后就是测量的结果, 并可保证在全量程范围内误差不超过允许范围。

6.结束语

该磁悬浮电子秤系统经一年多运行 , 结果证明准确、可靠。虽然其精度与高精度的分析天平相比有相当大的差距, 但其意义主要在于它结构形式简单 ,易于加工实现。由于能够将力的信息转化为电信息,有利于自动化生产中用作实时测量 ,可以满足一定范围的科研和工业生产自动化称量和检测质量微小变化过程的需要 , 称量结果基本上不受人为因素影响。而要实现更高精度的电子秤, 如精度在 ng

量级 ,采用其它更为复杂的磁悬浮结构形式是可以做到的

 


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