懸臂起重機(jī)力矩保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建*

李忠明，余梓唐

（義烏工商學(xué)院機(jī)電信息分院，浙江義烏322000）

1 引言

起重機(jī)廣泛應(yīng)用于港口、貨場(chǎng)、碼頭等場(chǎng)所的貨物裝卸作業(yè)，因超載引起起重機(jī)承重部件斷裂甚至起重機(jī)傾翻的事故時(shí)有發(fā)生，解決方案是在起重機(jī)上加載力矩保護(hù)系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)和控制工作力矩［1、2]。對(duì)于額定負(fù)荷與起重位置無關(guān)的起重機(jī)，只需實(shí)時(shí)測(cè)量起重力并參照恒定的額定負(fù)荷進(jìn)行起升控制即可，而對(duì)于額定負(fù)荷與起重位置相關(guān)的起重機(jī)，需同時(shí)測(cè)量起重力和起重幅度兩個(gè)變量，由此計(jì)算出工作力矩，再依據(jù)起重機(jī)力矩特性曲線進(jìn)行起升控制［3-5]。

本文主要討論力矩安全保護(hù)系統(tǒng)的基本構(gòu)成，分析和比較SAR型和△-Σ型A/D轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用于力矩保護(hù)系統(tǒng)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)起重機(jī)實(shí)際工作環(huán)境，通過在力傳感器端構(gòu)造信號(hào)初級(jí)調(diào)理電路，以解決工作現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸問題［6]，通過隔離執(zhí)行電路電源與系統(tǒng)電源的方法解決系統(tǒng)干擾問題。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，由信號(hào)采集、MCU控制處理、顯示及驅(qū)動(dòng)等部分組成。系統(tǒng)能夠進(jìn)行基本函數(shù)運(yùn)算，提供一定量的存貯單元以存放與機(jī)械性能相關(guān)的特性曲線，根據(jù)用戶要求的不同，人機(jī)交互界面可采用觸摸屏或LED+輕觸鍵盤。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)前端測(cè)量單元由力測(cè)量和角度測(cè)量?jī)刹糠謽?gòu)成，其中力傳感器采用應(yīng)變片，角度測(cè)量采用基于加速度計(jì)的角度測(cè)量裝置。加速度計(jì)所采集的起重機(jī)臂架加速度信號(hào)，經(jīng)角度測(cè)量裝置轉(zhuǎn)換成起重機(jī)臂架轉(zhuǎn)角的模擬電壓輸出，其成本是旋轉(zhuǎn)編碼器的十分之一，精度及可靠性比重錘式角度傳感器和連桿式角度傳感器明顯提高。

系統(tǒng)工作現(xiàn)場(chǎng)存在電源污染和大功率設(shè)備（變頻器、制動(dòng)器、大功率電機(jī)等）造成的嚴(yán)重干擾，采用二階低通濾波器以濾除各種分量的高頻噪聲，采用隔離電路將執(zhí)行電路電源和系統(tǒng)電源隔離，以防止來自現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力電源干擾。實(shí)際中，力傳感器與控制器間線纜長(zhǎng)達(dá)100米以上，信號(hào)受現(xiàn)場(chǎng)干擾噪聲很大，傳輸不穩(wěn)定，因此在力傳感器端設(shè)置信號(hào)初級(jí)調(diào)理電路以解決復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸問題。

3 模似信號(hào)調(diào)理

信號(hào)測(cè)量的精度是系統(tǒng)最終精度實(shí)現(xiàn)的決定因素之一，由于起重機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)存在電源污染和變頻器、制動(dòng)器、大功率電機(jī)等大功率設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)傳輸造成較嚴(yán)重干擾，首先在系統(tǒng)的信號(hào)輸入部分采用二階低通濾波電路以濾除各種分量的高頻噪聲，電路如圖2所示。

圖2 二階低通濾波電路圖

電路中角頻率及阻尼系數(shù)各參數(shù)為：

其中增益 k＝1+R3/R4，取，則電路截止角頻率為：

實(shí)際使用中，增益k一般設(shè)置為1.5以下，如果接近或者大于2，則電路將處于不穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。一般現(xiàn)場(chǎng)情況下截止角頻率選在30Hz以下即能滿足要求，有些現(xiàn)場(chǎng)情況需設(shè)置在10Hz以下，這時(shí)需要將C1和C2選在3-20μF之間。如有需要可以考慮在二階低通濾波的前端進(jìn)行RC無源濾波。在經(jīng)過以上各濾波電路的調(diào)理之下，起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的高頻噪聲將被有效濾除，而信號(hào)延遲即使在最嚴(yán)重的情況下（截止角頻率在10Hz以下）也只是ns級(jí)，完全能夠滿足電路系統(tǒng)的整體要求。

4 A/D轉(zhuǎn)換電路的選擇

影響力矩保護(hù)系統(tǒng)精度和綜合響應(yīng)速度的一個(gè)重要因素是A/D轉(zhuǎn)換電路，可采用基于ADS7809的快速型A/D轉(zhuǎn)換電路和基于CS5505的△-Σ型A/D轉(zhuǎn)換電路。

4.1 基于ADS7809的SAR型A/D轉(zhuǎn)換電路

轉(zhuǎn)換器內(nèi)部采用逐次比較電路，采樣頻率10-500kHz。此電路對(duì)輸入部分的噪聲沒有抑制作用，要求調(diào)理電路的輸出沒有各種分量的噪聲，但這在起重機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)是不可能的，任何現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)經(jīng)調(diào)理后不可能將各種噪聲抑制在絕對(duì)零狀態(tài)，因而誤差被疊加在A/D轉(zhuǎn)換的輸出中，這就要求對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步高質(zhì)量數(shù)字濾波。構(gòu)造數(shù)字濾波器需要大量的存貯單元和消耗處理器的運(yùn)算資源，如構(gòu)造一個(gè)長(zhǎng)度為128字的數(shù)字濾波器，需要256字節(jié)的內(nèi)存占用，同時(shí)隊(duì)列操作、濾波等函數(shù)的建立需要大量的編程工作量。

在力矩保護(hù)系統(tǒng)中，建立一個(gè)128字深度的數(shù)字濾波器，其數(shù)據(jù)采集時(shí)間每次循環(huán)需要1-2ms左右（11.0592MHz晶振）。為能更好地消除信號(hào)噪聲，需構(gòu)建濾波階數(shù)更高的數(shù)字濾波，只要控制整個(gè)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)間在10ms以內(nèi)，就可以達(dá)到精度和實(shí)時(shí)控制要求。如圖3所示為基于ADS7809的A/D轉(zhuǎn)換電路。

圖3 基于ADS7809的A/D轉(zhuǎn)換電路

圖4 基于CS5505的A/D轉(zhuǎn)換電路

4.2 基于CS5505的△-Σ型A/D轉(zhuǎn)換電路

這類轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換速度較慢，一般為每秒幾十次，但轉(zhuǎn)換器內(nèi)部一般都具有數(shù)字濾波器。一次轉(zhuǎn)周期內(nèi)即可由轉(zhuǎn)換電路內(nèi)部集成的處理器用其內(nèi)部數(shù)字濾波器濾除信號(hào)噪聲，如圖4所示為基于CS5505的A/D轉(zhuǎn)換電路。

電路中基準(zhǔn)電壓由集成電路LT1019提供，配置成2.5V，在VA+、VD+之間串接一個(gè)0.5W 的10Ω電阻，能夠保證電路工作時(shí)VA+＞VD+。各路模擬電壓輸入端采用單端電壓模式并進(jìn)行RC無源網(wǎng)絡(luò)濾波。

由于CS5505本身整合了一個(gè)片內(nèi)數(shù)字濾波器，這是一個(gè)梳狀濾波與低通濾波器相結(jié)合的濾波器，同時(shí)也是一個(gè)有限脈沖響應(yīng)濾波器（FIR），相對(duì)于轉(zhuǎn)換周期，數(shù)據(jù)的提供沒有延遲，即從采樣開始，一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換周期后即在輸出接口提供本次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，相對(duì)于輸入信號(hào)，不需要外加若干周期的延遲。CS5505所提供的梳狀濾波特性對(duì)線間50Hz和60Hz的串?dāng)_具有較高的擬制能力，即使在這些整數(shù)頻點(diǎn)的±1%帶寬內(nèi)（50Hz±1%、60Hz±1%、100Hz±1%、120Hz±1%、150Hz±1%、180Hz±1%、200Hz±1%、240Hz±1%），濾波器都提供較強(qiáng)的擬制能力［7]。

4.3 兩種A/D轉(zhuǎn)換電路的比較

上述兩種電路在速度方面有較大差異，圖3所示的SAR型電路的轉(zhuǎn)換速度比圖4所示的△-Σ型電路高2個(gè)數(shù)量級(jí)。但考慮到力矩保護(hù)系統(tǒng)是應(yīng)用于一個(gè)高強(qiáng)度復(fù)雜噪聲的工業(yè)環(huán)境中，要使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到分辨率和響應(yīng)速度兩個(gè)方面的要求，必須對(duì)此二類電路進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

噪聲抑制方面，△-Σ型具有明顯優(yōu)勢(shì)。SAR型不但沒有噪聲抑制能力，而且由于采用了高速比較器，并且受快速變換電路的影響，SAR變換器本身成為一個(gè)不可忽視的干擾源；電路綜合實(shí)現(xiàn)方面，SAR轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換期間要采用特殊的采樣/保持電路來保持輸入信號(hào)在采樣期間的穩(wěn)定，這些電路對(duì)信號(hào)源的阻抗相對(duì)較低，且為容性阻抗，所以需要一個(gè)穩(wěn)定可靠的放大電路來保持輸入電平在采樣期間的穩(wěn)定，需要一個(gè)較好的調(diào)理電路，而△-Σ轉(zhuǎn)換器不需要，因?yàn)椤?Σ轉(zhuǎn)換器一般都具有高輸入阻擾的輸入緩沖放大器；成本方面，在同樣的分辨率下，SAR的成本要比△-Σ的成本高3倍以上。

針對(duì)力矩保護(hù)系統(tǒng)所處噪聲環(huán)境，要使系統(tǒng)達(dá)到要求的精度，必須使A/D實(shí)現(xiàn)12位以上分辨率。由于SAR沒有噪聲抑制能力，所以在微處理器中必須增加數(shù)字濾波器，且至少達(dá)到128字深度。一次真正的數(shù)字采樣將由128字A/D轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)，加上數(shù)字濾波器處理時(shí)間，將使SAR的實(shí)際轉(zhuǎn)換速率下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)，最后與△-Σ相當(dāng)（略高），達(dá)到幾倍于△-Σ的速度。同時(shí)，如果使用SAR，則軟件設(shè)計(jì)方面的工作量加大，數(shù)字濾波器占用了大量的內(nèi)存和處理器運(yùn)行時(shí)間。比較結(jié)果如表1所示。

表1 SAR型與△-Σ型兩種電路的比較

由此可見，采用△-Σ電路時(shí)，雖然實(shí)際采樣速度較SAR較低，但能滿足實(shí)時(shí)控制響應(yīng)速度的要求，且信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)單，無需構(gòu)造數(shù)字濾波器，占用處理器資源較少，價(jià)格便宜。應(yīng)該是正確的選擇。

5 控制執(zhí)行電路防干擾措施

影響執(zhí)行電路的主要干擾源來自現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力源干擾，如現(xiàn)場(chǎng)并網(wǎng)的大功率電氣設(shè)備啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的浪涌等，防范的措施是將執(zhí)行電路的電源與系統(tǒng)電源隔離，使用不同的電源。電源部分電路如圖5所示，信號(hào)隔離采用光耦，如圖6所示。

圖5 電源隔離電路

圖6 信號(hào)隔離電路

信號(hào)端使用系統(tǒng)數(shù)字電源，控制信號(hào)經(jīng)整形后驅(qū)動(dòng)光耦發(fā)光二極管控制執(zhí)行端，執(zhí)行端三極管導(dǎo)通后控制繼電器動(dòng)作，控制部分使用獨(dú)立的12V電源。采用上述措施后，不會(huì)發(fā)生由于電源等干擾而引起的控制繼電器發(fā)生誤動(dòng)等情況。

6 結(jié)論

在設(shè)計(jì)力矩保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，通過在力傳感器端構(gòu)造信號(hào)初級(jí)調(diào)理電路，能夠有效解決傳感器信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸問題；通過隔離執(zhí)行電路電源與系統(tǒng)電源的方法能有效解決系統(tǒng)干擾問題。同時(shí)，采用△-Σ型A/D轉(zhuǎn)換電路比SAR型A/D轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)單，且在輸入阻抗、噪聲抑制以及價(jià)格方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

［1] GB 12602-1990，起重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范［S] .

［2] GB 7950-1999，臂架型起重機(jī)起重力矩限制器通用技術(shù)條件［S] .

［3] 胡月華，王冬梅.單片機(jī)力矩限制器的研制［J] .工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005，18（5）：42-43.

［4] 王安敏，何兆民，張學(xué)強(qiáng).基于AT89C52單片機(jī)的起重機(jī)力矩限制器［J] .儀表技術(shù)與傳感器，2008，6：24-25.

［5] 梁桂航，于京諾，宋進(jìn)桂等.單片機(jī)在臂架型起重機(jī)力矩限制器上的應(yīng)用［J] .工程機(jī)械，2007，38（9）：6-9.

［6] 李忠明.復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸研究［J] .電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2003，25（4）：33-35.

［7] Cirrus Logic.CS5505/06/07/08 Product Data Sheet（pdf）［J/OL] .2009：1-31.