高精度电子秤系统的设计

2　电子秤系统简介　　　　（1）系统结构

　　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。

　　（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*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。

　　于是电流I与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

　　国外的电子秤的秤体具有多种机械结构形式［4］。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*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，当l1＝l2及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。

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：

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和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。

　　W1（s）是用计算机完成的PID控制算法。其传 递函数可写成：

　　其中K1和T1都很大。而其数值的大小与运算放大器的开路增益有关。应当选用开路增益尽量大的运算放大器，以保证K和T1尽可能的大，W1（s）就很接近一个理想积分环节了，这有利于总体精度的提高。另一方面，只要适当选择PID参数，闭环系统的稳定性和动态性能是容易满足要求的。

　　 精度问题是电子秤的关键问题，从图3—1可以得到：

式中：In（s）表示随机干扰引起的电流分量，它的影响可用数字滤波的方法来滤除，并且可以调整机械 结构使x0≈0。所以，

　　式（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*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*磁铁，并且对秤量结果作温度补偿。

4　高精度A／D和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和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*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和D／A的精度，对A／D和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和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和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和D／A转换器由8031单片机控制8255的PB口、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zui小值为10～20μV，而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：

提高了A／D的精度。根据A／D的性能，精度可提高一位。实测结果也说明了这一点。

　　 （2）非线性补偿

　　通过A／D变换送进计算机的数据，再经过滤波处理及减去秤体自重后的净重码Nx与实际秤重Gx若呈理想的线性关系，则式（5—2）成立：

　　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。

对应的算式是：

　　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。


     精度称量或定位控制首先受到系统中摩擦力的挑战［1～3］。摩擦力作为一种高度复杂的非线性现象，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／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［3、4］。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zui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*化。不同结构的磁悬浮电子秤有不同的测量精度［4］。针对笔者研究的一种满量程为100 g，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。