磁懸浮電子秤的研究

唐云柯+汪野+井偉明

摘 要：該文文旨在利用磁懸浮技術(shù)，實現(xiàn)對輕量物件的較高精度稱重，并通過對原理及應用做了詳盡的闡述和實驗，設計了一個吸式的磁懸浮式電子秤。該文涵蓋磁懸浮電秤系統(tǒng)的設計方案，電磁線圈非線性、系統(tǒng)的電磁力模型、系統(tǒng)的控制模型及控制電路的設計與調(diào)試。解決了磁懸浮電子秤設計的幾個難點：電磁場的非線性問題、各種材料和部件的選取和機械加工及控制電路的設計與參數(shù)調(diào)試。該文的創(chuàng)新點有：（1）采用紅外收發(fā)二極管設計系統(tǒng)的距離傳感器，同時也使用攝像頭作為傳感裝置進行試驗;（2）創(chuàng)新圖像化反饋，采用NI模塊配合LabVIEW進行圖像化處理;（3）自行繞制電磁線圈，采用最佳1j-50軟磁鎳鐵合金作為鐵芯。

關(guān)鍵詞：磁懸浮 ?PID ?距離傳感器 ?非線性 ?NI ?Labview

中圖分類號：TH715.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0037-05

Study on magnetic Suspension electronic balance

Tang Yunke Wang Ye Jing Weiming

（School of automation，Southeast University Jiangsu Nanjing，210096，China）

Abstract：The paper aims to construct a device， using the tech of maglev， to weigh things and behave artistically. Design an adsorption of magnetic electronic scale， which is based on the related electronic scale design researches. The paper introduces the system structure of the magnetic electronic scale and implementation methods， and focuses on the non-linear feature of the electromagnetic coil， electromagnetic force system model and the control model. During the design we solved several difficulties： the nonlinear feature of the electromagnetic field， the mathematical model of the system， the selection of various materials and components in machine， and the design of control circuit and debug parameters. There are several innovations： First， we use infrared sensor and also try camera as the sensor; second， we use image as feedback， cooperating with NI and Labview; third， we construct our coil with 1j-50 Fe-Ni soft magnetic alloy.

Key Words： Magnetic Levitation; PID; Distance Sensor;Non-linear Feature; NI; Labview

1 緒論

1.1 引言

電磁懸浮技術(shù)（electromagnetic levitation）簡稱EML技術(shù)[1]。它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產(chǎn)生的渦流來實現(xiàn)對金屬球的懸浮。

我們由此想到采用磁懸浮原理來制造一種高精度的秤。我們稱它為“磁懸浮電子秤”。我們采用磁場吸引力來平衡被稱重物體的重力。磁場受系統(tǒng)的控制，隨被稱重物體的重量變化。然而磁場是受電流的大小控制的，這樣我們就能通過電流的大小來得到物體的重量。這種電子秤優(yōu)勢在于沒有摩擦，也沒有形變，精度很高。

1.2 自動控制系統(tǒng)

1.2.1 自動控制設備

自動控制（automatic control）[2]是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。

1.2.2 自動控制原理

原理分析：從控制的方式看，自動控制系統(tǒng)有閉環(huán)和開環(huán)兩種。

閉環(huán)控制：閉環(huán)控制也就是（負）反饋控制。傳感器檢測被控對象的狀態(tài)信息（輸出量），并將其轉(zhuǎn)變成物理（電）信號傳給控制裝置?？刂蒲b置比較被控對象當前狀態(tài)（輸出量）對希望狀態(tài)（給定量）的偏差，產(chǎn)生一個控制信號，通過執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動被控對象運動，使其運動狀態(tài)接近希望狀態(tài)。

開環(huán)控制：開環(huán)控制也叫程序控制，這是按照事先確定好的程序，依次發(fā)出信號去控制對象。

1.2.3 PID控制

PID（比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation））[3]。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e （t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

因此它的傳遞函數(shù)為：

其中為比例系數(shù);為積分時間常數(shù);為微分時間常數(shù)。endprint

1.2.4 應用于本課題

設計目的是通過理論設計與實際操作搭建一個可以工作的磁懸浮電子秤系統(tǒng)?？刂品椒ㄒ源艖腋〖夹g(shù)為核心。借助懸浮小球，平衡托盤上面重物的重力。選擇合適的材料制作電磁線圈，鐵球和秤的托盤。通過距離傳感器控制小球的懸浮位置，電流傳感器用來控制磁場強度。

2 磁懸浮電子秤原理

2.1 磁懸浮電子秤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖中，電磁鐵表示通過磁感應線圈產(chǎn)生磁力的裝置，圓圈代表被吸附的鐵球，重物表示要稱取的物體（不論物體是否是鐵磁性物質(zhì)），根據(jù)牛頓力學定理要保持整個系統(tǒng)平衡必須保證F=Mg，其中，F(xiàn)為電磁線圈電流產(chǎn)生的電磁力，Mg為鐵球、托盤、拉線及被測重物的總重力。為了得到一個穩(wěn)定的平衡系統(tǒng)，必須實現(xiàn)閉環(huán)控制，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定具有一定的抗干擾能力。本系統(tǒng)中采用紅外距離傳感器檢測鐵球與電磁鐵之間距離的變化。

2.2 電磁線圈制作

通過上述流程我們可以知道，控制電壓經(jīng)過功率放大器產(chǎn)生較大的電流，經(jīng)過磁感線圈產(chǎn)生較強的磁場，從而將鐵磁性物體吸起，通過測量電壓或者是電流的大小就可以轉(zhuǎn)化為被測重物的質(zhì)量。我們自己繞制了電磁線圈，采用1-j50軟磁鎳鐵合金，軟磁性尤佳，適宜做磁懸浮鐵芯。并采用了直徑0.51 mm的漆包線自己進行繞制，圈數(shù)為2050圈，總阻值約為20歐姆，鐵芯直徑為50 mm，實際使用中效果較理想。

2.3 電傳感器選取及測試

2.3.1紅外距離傳感器GP2D12[4]

GP2D12是一款Sharp公司生產(chǎn)的紅外線測距傳感器，其技術(shù)參數(shù)如下：

（1）測量射程范圍：10 cm to 80 cm;

（2）最大允許角度：大于40°;

（3）電源電壓：4.5 V to 5.5 V;

（4）平均功耗：35 mA;

（5）峰值功耗：約200 mA;

（6）更新頻率/周期：20 Hz/40 ms;

（7）模擬輸出噪聲：小于200 mV;

（8）測量距離與輸出模擬電壓關(guān)系：2.4～0.4V模擬信號對應10～80 cm。

其外部圖像如圖5。

電源電壓+5 V，在溫度為25 °時測得其距離與輸出電壓關(guān)系如圖6。

將該傳感器應用在磁懸浮電磁秤項目上的原理為：將傳感器置于小球的下方，觀測小球與傳感器之間的距離，從而獲取小球高度。該方法簡單易行，器材在網(wǎng)上容易尋找，可以在項目中嘗試，但是缺點是距離與電壓輸出關(guān)系不是線性關(guān)系，導致系統(tǒng)非線性性質(zhì)更加嚴重，且其數(shù)據(jù)更新周期為40 ms，對于磁懸浮控制而言太長，所以不采用該方案。

2.3.2 紅外線發(fā)射接收測距傳感器電路

因為方案2.3.1采樣周期的問題導致系統(tǒng)離散化嚴重，穩(wěn)定性遭受破壞，所以自己用模擬電路搭建距離傳感器。該傳感器由發(fā)射和接收兩個模塊組成，發(fā)射模塊如圖7所示。

其工作原理：在共射極放大電路中，紅外發(fā)光二極管與NPN三極管的集電極相接，與基極和發(fā)射極相接的二極管D1起溫度補償作用，控制管腳通過電阻R3與Q2相連，當給控制管腳高電平時，電路導通，紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光。

接受模塊如圖8所示。

其工作原理為：在紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅光遇到物體之后反射，由接收管D2接收，此時接收管會產(chǎn)生一個與光強相關(guān)的電流，經(jīng)過兩級放大器電路放大之后在輸出端可以得到一個電壓，通過AD采集到單片機內(nèi)部便可以得到當前光強信息，此時電壓與光強就可以有相對應的關(guān)系了，選取與光強線性關(guān)系比較好的接收管可以使檢測系統(tǒng)的性能得到更好的提高。這個方案十分具有可靠性，可以采用，但是需要解決單片機采樣速率的問題。

2.3.3 攝像頭圖像識別傳感器

考慮到近年圖像識別方向的進展，使用攝像頭作為傳感器越來越流行，這里使用攝像頭做傳感器的原理圖如圖9：

將背景用白色紙板擋住，小球涂裝成黑色，攝像頭裝置在正對紙板的地方就構(gòu)成了簡單的傳感器部分，實物圖見圖9。通過對攝像頭采集回來的圖像進行二值化處理并檢測黑色區(qū)域的重心便可以得到小球的高度，通過這些便可以實時監(jiān)測小球的高度。在實際的應用中發(fā)現(xiàn)，一般的攝像頭采樣周期為30 ms，價格在200元左右，此時系統(tǒng)的采樣速度達不到穩(wěn)定，如果采樣速度希望提高則需要更換高速率攝像頭，考慮到經(jīng)濟效益本次項目暫不考慮此方法。

綜合來說，方案2.3.1和方案2.3.3由于是購買的模塊，其采樣周期的提升不利于經(jīng)濟效益的提高，方案二雖然沒有規(guī)范的制作工藝，但是可以達到模擬控制的效果，避免了因為采樣周期導致的系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以采用方案2.3.2，自行進行制作。

2.4 控制器選取及測試

2.4.1 控制器FPGA

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）[5]這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。

可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

控制與處理部分采用Altera公司的FPGA芯片Cyclone IIEP2C5Q20 8C80電源模塊為整個電能表系統(tǒng)提供電源，有5 V和24 V的直流電源輸出，5 V電源供給距離測量傳感器，F(xiàn)PGA開發(fā)板以及電磁鐵的驅(qū)動電路，24 V的電源供給電磁鐵。顯示部分采用八段數(shù)碼管，共顯示四位數(shù)據(jù)。時鐘信號為50 M赫茲。endprint