CPC自動對中控制系統(tǒng)的設(shè)計

楊　君,羅　旭,盧仁智,劉夢菱

(1.武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢　430080; 2.遵義醫(yī)學院 醫(yī)學信息工程系，貴州 遵義　563000)

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CPC自動對中控制系統(tǒng)的設(shè)計

楊君1,羅旭2,盧仁智1,劉夢菱1

(1.武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢430080; 2.遵義醫(yī)學院 醫(yī)學信息工程系，貴州 遵義563000)

針對目前在線運行的CPC(center position control)自動對中控制系統(tǒng)存在響應(yīng)速度慢、容易受到現(xiàn)場干擾以及檢測精度低的問題，設(shè)計開發(fā)了一種新的高性能CPC自動對中控制系統(tǒng)；該系統(tǒng)主要是采用電磁感應(yīng)原理檢測帶鋼的位置，然后采用電子電路對控制對象的位置信號進行放大、濾波，再經(jīng)過STM32微控制器、控制柜、液壓控制等單元調(diào)整導輥位置來實現(xiàn)對控制對象的對中控制；整個電路系統(tǒng)的檢測和控制精度為1 mm，并且信號線性度以及穩(wěn)定性好，提高了產(chǎn)品的可靠性。

自動對中控制；放大濾波；信號傳輸；高精度

0　引言

自動對中控制系統(tǒng)廣泛運用于在冶金、化工、印刷、印染等工業(yè)生產(chǎn)中，其反應(yīng)的靈敏度和精度非常重要。在冶金生產(chǎn)過程中，自動對中控制系統(tǒng)對鋼帶糾偏[1-2]的控制CPC(center position control)在帶鋼生產(chǎn)線中是一個十分重要的控制環(huán)節(jié)[1]，如果沒有這個系統(tǒng)或這個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，生產(chǎn)線上的帶鋼會跑偏并最終導致斷帶停產(chǎn)。上個世紀60年代德國EMG[3]生產(chǎn)了一款反射式CPC，這個CPC有一些缺點，系統(tǒng)被目前大部分的鋼鐵公司使用，但是這個系統(tǒng)如糾偏精度差，很弱的抗干擾能力，靈敏度低，且沒有備件，所以不符合現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。本文介紹的自動對中控制系統(tǒng)[4]以新型Cortex—M3的32位ARM微處理器為核心，同時包括線圈傳感器、信號采集放大電路、信號濾波電路、信號傳輸電路、控制單元部分。系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、檢測精度高、抗干擾能力強、安全穩(wěn)定等優(yōu)勢，在功能上完全兼容和實現(xiàn)對現(xiàn)有在線CPC產(chǎn)品的無縫替代，且能大幅度提高生產(chǎn)效益。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

系統(tǒng)的核心是信號處理單元、STM32單片機構(gòu)成的主控單元、對中控制單元和伺服驅(qū)動單元。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框圖

線圈傳感器會隨著鋼帶的偏離大小產(chǎn)生一個線性相關(guān)的電壓差[5-6]，然后這個電壓差經(jīng)過信號處理單元放大、濾波后，送給主控芯片單片機STM32，通過STM32單片的PID運算，輸出一個數(shù)字量傳送至對中控制單元變成模擬量，然后送到伺服驅(qū)動單元，最終驅(qū)動液壓糾偏系統(tǒng)使鋼帶保持平衡，不發(fā)生偏離。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1信號產(chǎn)生電路

本文使用專用CR振蕩器(CG-402R2)來產(chǎn)生一個40 kHz的正弦信號。該振蕩器集成度高，信號穩(wěn)定，可避免工業(yè)現(xiàn)場很多不確定噪聲的干擾。CG-402R2輸出1 Hz到100 kHz的信號，工作電壓為±15 V，工作溫度從-20 ℃到+70 ℃。

采用ST公司的TDA2040功放芯片對40 kHz的原始信號進行功率放大[7]，以使電路正常工作。TDA2040功放電路外接元件少，輸出功率大，當負載RL為4 Ω的時候，功率輸出Po可達22 W。由于功放芯片輸出功率高，在使用過程中發(fā)熱量極大，容易被燒毀，所以需配備足夠大的散熱片，以保證芯片可長時間工作。功放電路如圖2所示。

圖2　功放電路

圖2中功放芯片的供電電壓為18 V，在該芯片的正常工作電壓范圍內(nèi)；C38為2.2 μF的隔直電容，避免正弦信號中的直流成分對電路造成干擾；R18為10 KΩ，匹配輸入阻抗。功放反相端反饋部分由電阻R24，R27以和電容C41構(gòu)成，其作用為：R24和R27構(gòu)成放大比例，將輸入信號放大10倍；C41對直流信號進行放大抑制，使輸入信號中的直流成分無法通過，而交流信號可以自由地通過電容，不影響交流信號的放大。功放輸出端的兩個1N4007二極管保護功放芯片，防止瞬間輸出電壓大于功放芯片的供電電壓而使功放芯片燒毀。

避免功放芯片的工作時間過長，發(fā)熱量過大，還采用了分時復(fù)用電路，即兩路功放分開工作。本文采用555定時器以及其他分立元件構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生占空比為50%的方波，如圖3所示。

圖3　555定時器振蕩電路

2.2信號濾波電路

首先，濾除可能出現(xiàn)的信號干擾，如50 Hz電源干擾，555定時器產(chǎn)生的2 MHz方波的干擾，以及電路中電阻電容的熱噪聲。設(shè)計如圖4所示的帶通濾波器。該帶通濾波器基于典型的二階低通濾波器結(jié)構(gòu)，將其中的一級低通濾波部分改為高通[8]，即該濾波器是由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)連接組成。其作用是只允許在某一個通帶頻率范圍內(nèi)的信號通過，對于比通頻帶下限頻率低和通頻帶上限頻率高的信號均加以衰減或抑制，在本系統(tǒng)中我們解決了電源噪聲以及無源器件熱噪聲對儀表放大器的輸出信號造成干擾的問題。

圖4　帶通濾波電路

然后，由于微處理器不能處理正弦信號，所以要把正弦信號變成直流信號，這就需要對正弦信號進行全波整流[9]，把交流信號變成直流信號，圖5給出了全波整流電路的電路設(shè)計。電路中整流二極管選擇反向恢復(fù)時間較快的二極管1N4148。

圖5　精密全波整流電路

在圖5電路中，只需匹配R19=R18即可，當經(jīng)過帶通濾波器的OUT>0時，根據(jù)運放的虛短原理，運放OPA2211的腳1和腳2的電壓相等，腳2的電壓和腳3之間電壓差為+0.7 V，而此時腳4的電壓是腳2的電壓的2倍，則運放OPA2211的輸出Uo>0(腳7的電壓)，D10導通，D9截止；當經(jīng)過帶通濾波器的OUT<0時，則運放OPA2211的輸出Uo<0，D9導通，D10截止。

再次，經(jīng)過精密全波整流后，電路中難免會出現(xiàn)高次諧波分量，這就需要采用低通濾波器把高頻分量給濾掉。在本系統(tǒng)中，采用的方案是先用RC無源低通濾波濾掉一部分高頻，然后再經(jīng)過π型濾波器去除電源噪聲和其它高頻噪聲。RC低通濾波器與π型濾波器如圖6所示。

圖6　RC低通濾波和π型濾波電路

2.3信號傳輸電路

被控對象與被測信號往往分布在電路中各個不同的位置，并且他們與控制站之間也有較長的距離，因此信號線與控制線一般是長線，而引線越長，帶來的干擾越多；其次，現(xiàn)場往往有許多強電設(shè)備，它們的啟動和工作對控制系統(tǒng)會產(chǎn)生強烈的影響；同時來自空間的輻射、系統(tǒng)外引線等也會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在控制過程中，若這些干擾信號未被適當?shù)靥幚?，將會偏離實際結(jié)果，嚴重時將使系統(tǒng)不能正常工作。

鑒于以上原因，本系統(tǒng)信號傳輸采用電流傳輸?shù)姆绞剑倚盘杺鬏斁€采用屏蔽線[10]，以減少信號干擾。信號傳輸電路如圖7所示。

圖7　信號傳輸電路

輸入電壓信號INPUT的范圍是0～5 V，R3的阻值為250歐，R3采用的是一個高精度的取樣電阻，當輸入電壓一定時，電流經(jīng)過取樣電阻進行取樣，獲得的電壓信號經(jīng)由運放組成的電壓反饋系統(tǒng)來控制三極管的通斷。當運放的反相端(取樣)電壓大于同相端(輸入)的電壓時，運放輸出低電平，當運放的同相端(輸入)電壓大于反相端(取樣)的電壓時，運放輸出高電平，使得回路上的電流值為輸入電壓與R3的比值。電路信號傳輸線上的電流為0～20 mA。

2.4D/A轉(zhuǎn)換

在本系統(tǒng)中，我們選擇數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC714。DAC714具有16位高精度，單通道，SPI串行通信方式的，能實現(xiàn)±10 V、±5 V和0～10 V的模擬電壓輸出，該芯片克服了STM32單片機內(nèi)部自帶12位DA轉(zhuǎn)換器，且僅能輸出0-3.3 V正電壓的不足。

其中，DAC714的A0腳為輸入寄存器控制信號，A1腳為D/A鎖存控制信號，SDI腳為串行數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)控制均為低電平有效，當A0=0時，當前數(shù)據(jù)進入移位寄存器；當A1=0時，數(shù)據(jù)進入D/A鎖存，5 V滿刻度的16位DAC714轉(zhuǎn)換器，1LSB對應(yīng)76 μV。

在本系統(tǒng)中D/A電路設(shè)計中注意了以下4個要點：

1)DAC714采用±15V工作電壓，通過調(diào)節(jié)OFFS和GADJ電位計來調(diào)整輸出電壓的精度，使精度滿足要求。在調(diào)整OFFS和GADJ時，先調(diào)整比例系數(shù)后調(diào)零點，這樣可以避免零點影響比例調(diào)節(jié)。

2)如果輸出端的負載電流為5 mA，經(jīng)過60 mΩ的線路和接觸電阻，就會產(chǎn)生300 μV的壓降；印刷電路板也會產(chǎn)生壓降。因此，要將模擬地和數(shù)字地分開，采用單點連接，盡量減小接地回路。

3)模擬信號應(yīng)該盡可能遠離數(shù)字信號，讓模擬插釘相隔盡可能近，有利于模擬與數(shù)字信號的隔離。為了隔離D/A轉(zhuǎn)換器與開關(guān)電流，在D/A的周圍或者在它下方模擬信號和電源的附近設(shè)置模擬地，在DAC714轉(zhuǎn)換器的下方將DCOM與ACOM直接接地。

4)系統(tǒng)添加了正負電源的濾波電容，克服了輸出的模擬量的電源噪聲干擾。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件在嵌入式單片機上，采用C51語言編程。其設(shè)計流程為：首先用STM32單片機內(nèi)部自帶AD對兩路傳感器產(chǎn)生的電壓進行采集；然后經(jīng)過內(nèi)部PID[10-12]運算，輸出一個數(shù)字量到DAC714驅(qū)動伺服閥[13]使鋼帶擺正；同時，把整個過程的信息通過串口送顯示屏顯示。流程圖如圖8所示。

圖8　軟件流程圖

4　結(jié)果分析

工業(yè)現(xiàn)場會出現(xiàn)各種干擾，產(chǎn)品現(xiàn)場測試，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定的現(xiàn)象，設(shè)計中將信號處理單元和微控制器處理單元都加上屏蔽盒屏蔽，以解決信號不穩(wěn)定的現(xiàn)象。在現(xiàn)場測試系統(tǒng)性能，把鋼帶以1 mm間隔左偏移5 cm和右偏移5 cm，分別測出15組傳感器組的電壓值，如表1所示。

從表1中可以看出，對中控制系統(tǒng)的調(diào)整精度達到1 mm，每隔1 mm線圈傳感器的電壓差值為0.004 V，電壓的隨著偏移傳感器的電壓值線性度較好。該系統(tǒng)已投入武漢鋼鐵公司的生產(chǎn)中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性表現(xiàn)良好。

5　結(jié)束語

本文詳細介紹了CPC自動對中控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，利用印制板式電感型傳感器獲取鋼帶偏移情況，經(jīng)過處理電路放大、濾波、傳輸，控制器PID運算后，使鋼帶擺正，精度高達1 mm，很好地滿足了工業(yè)要求。其創(chuàng)新點：1)用印制板

表1　現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

式線圈傳感器代替繞線式線圈傳感器，信號更加穩(wěn)定。2)濾波電路采用4階帶通濾波，更好地濾除了干擾信號。3)采用電流傳輸方式，與傳統(tǒng)電壓傳輸電路相比具有信號損耗低、抗電磁干擾能力強的優(yōu)勢。

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Design of CPC Automatic Control System

Yang Jun1，Luo Xu2，Lu Renzhi1，Liu Mengling1

(1.Department of Information Science and Engineering, Wuhan University Of Science and Technology, Wuhan430080,China； 2.Department of Medical Information Engineering, Zunyi Medical College, Zunyi563000，China)

According to the present online operation of CPC (center position control) automatic control of the system response speed is slow, vulnerable to the interference and the problem of low precision, thus design and develop a high performance of CPC auto control system. The system that detects strip position is mainly using the electromagnetic induction principle, and then use electronic circuit to control the position of the object signal amplifying, filtering, then adjust the position of guide roller to control the object with STM32 microcontroller, control cabinet and the hydraulic control unit. The whole circuit system of detection and control precision can reach 1 mm, signal linearity and stability is also very good, greatly improve the reliability of products. The product has been invested in the industrial production, and the effect is better.

automatic control; amplification filter; signal transmission; high precision

2015-07-06；

2015-08-05。

國家自然科學基金(61463053)國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(201210488063)。

楊君(1977-)，女，湖北人，副教授，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)和電路設(shè)計方向的研究。

羅旭(1986-)，男，湖北人，副教授，碩士研究生導師，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0112-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.031

TP273

A