高精度磁悬浮微量电子秤系统的设计及实现

　　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[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[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。

　　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。

         (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。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

　　国外的磁悬浮式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,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。