唐云柯+汪野+井伟明

摘 要：该文文旨在利用磁悬浮技术，实现对轻量物件的较高精度称重，并通过对原理及应用做了详尽的阐述和实验，设计了一个吸式的磁悬浮式电子秤。该文涵盖磁悬浮电秤系统的设计方案，电磁线圈非线性、系统的电磁力模型、系统的控制模型及控制电路的设计与调试。解决了磁悬浮电子秤设计的几个难点：电磁场的非线性问题、各种材料和部件的选取和机械加工及控制电路的设计与参数调试。该文的创新点有：（1）采用红外收发二极管设计系统的距离传感器，同时也使用摄像头作为传感装置进行试验;（2）创新图像化反馈，采用NI模块配合LabVIEW进行图像化处理;（3）自行绕制电磁线圈，采用最佳1j-50软磁镍铁合金作为铁芯。

关键词：磁悬浮  PID  距离传感器  非线性  NI  Labview

中图分类号：TH715.1 文献标识码：A 文章编号：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 绪论

1.1 引言

电磁悬浮技术（electromagnetic levitation）简称EML技术[1]。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。

我们由此想到采用磁悬浮原理来制造一种高精度的秤。我们称它为“磁悬浮电子秤”。我们采用磁场吸引力来平衡被称重物体的重力。磁场受系统的控制，随被称重物体的重量变化。然而磁场是受电流的大小控制的，这样我们就能通过电流的大小来得到物体的重量。这种电子秤优势在于没有摩擦，也没有形变，精度很高。

1.2 自动控制系统

1.2.1 自动控制设备

自动控制（automatic control）[2]是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。

1.2.2 自动控制原理

原理分析：从控制的方式看，自动控制系统有闭环和开环两种。

闭环控制：闭环控制也就是（负）反馈控制。传感器检测被控对象的状态信息（输出量），并将其转变成物理（电）信号传给控制装置。控制装置比较被控对象当前状态（输出量）对希望状态（给定量）的偏差，产生一个控制信号，通过执行机构驱动被控对象运动，使其运动状态接近希望状态。

开环控制：开环控制也叫程序控制，这是按照事先确定好的程序，依次发出信号去控制对象。

1.2.3 PID控制

PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））[3]。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e （t）与输出u（t）的关系为：

因此它的传递函数为：

其中为比例系数;为积分时间常数;为微分时间常数。endprint

1.2.4 应用于本课题

设计目的是通过理论设计与实际操作搭建一个可以工作的磁悬浮电子秤系统。控制方法以磁悬浮技术为核心。借助悬浮小球，平衡托盘上面重物的重力。选择合适的材料制作电磁线圈，铁球和秤的托盘。通过距离传感器控制小球的悬浮位置，电流传感器用来控制磁场强度。

2 磁悬浮电子秤原理

2.1 磁悬浮电子秤系统结构

图中，电磁铁表示通过磁感应线圈产生磁力的装置，圆圈代表被吸附的铁球，重物表示要称取的物体（不论物体是否是铁磁性物质），根据牛顿力学定理要保持整个系统平衡必须保证F=Mg，其中，F为电磁线圈电流产生的电磁力，Mg为铁球、托盘、拉线及被测重物的总重力。为了得到一个稳定的平衡系统，必须实现闭环控制，使整个系统稳定具有一定的抗干扰能力。本系统中采用红外距离传感器检测铁球与电磁铁之间距离的变化。

2.2 电磁线圈制作

通过上述流程我们可以知道，控制电压经过功率放大器产生较大的电流，经过磁感线圈产生较强的磁场，从而将铁磁性物体吸起，通过测量电压或者是电流的大小就可以转化为被测重物的质量。我们自己绕制了电磁线圈，采用1-j50软磁镍铁合金，软磁性尤佳，适宜做磁悬浮铁芯。并采用了直径0.51 mm的漆包线自己进行绕制，圈数为2050圈，总阻值约为20欧姆，铁芯直径为50 mm，实际使用中效果较理想。

2.3 电传感器选取及测试

2.3.1红外距离传感器GP2D12[4]

GP2D12是一款Sharp公司生产的红外线测距传感器，其技术参数如下：

（1）测量射程范围：10 cm to 80 cm;

（2）最大允许角度：大于40°;

（3）电源电压：4.5 V to 5.5 V;

（4）平均功耗：35 mA;

（5）峰值功耗：约200 mA;

（6）更新频率/周期：20 Hz/40 ms;

（7）模拟输出噪声：小于200 mV;

（8）测量距离与输出模拟电压关系：2.4～0.4V模拟信号对应10～80 cm。

其外部图像如图5。

电源电压+5 V，在温度为25 °时测得其距离与输出电压关系如图6。

将该传感器应用在磁悬浮电磁秤项目上的原理为：将传感器置于小球的下方，观测小球与传感器之间的距离，从而获取小球高度。该方法简单易行，器材在网上容易寻找，可以在项目中尝试，但是缺点是距离与电压输出关系不是线性关系，导致系统非线性性质更加严重，且其数据更新周期为40 ms，对于磁悬浮控制而言太长，所以不采用该方案。

2.3.2 红外线发射接收测距传感器电路

因为方案2.3.1采样周期的问题导致系统离散化严重，稳定性遭受破坏，所以自己用模拟电路搭建距离传感器。该传感器由发射和接收两个模块组成，发射模块如图7所示。

其工作原理：在共射极放大电路中，红外发光二极管与NPN三极管的集电极相接，与基极和发射极相接的二极管D1起温度补偿作用，控制管脚通过电阻R3与Q2相连，当给控制管脚高电平时，电路导通，红外发射管发出红外光。

接受模块如图8所示。

其工作原理为：在红外发射管发射出的红光遇到物体之后反射，由接收管D2接收，此时接收管会产生一个与光强相关的电流，经过两级放大器电路放大之后在输出端可以得到一个电压，通过AD采集到单片机内部便可以得到当前光强信息，此时电压与光强就可以有相对应的关系了，选取与光强线性关系比较好的接收管可以使检测系统的性能得到更好的提高。这个方案十分具有可靠性，可以采用，但是需要解决单片机采样速率的问题。

2.3.3 摄像头图像识别传感器

考虑到近年图像识别方向的进展，使用摄像头作为传感器越来越流行，这里使用摄像头做传感器的原理图如图9：

将背景用白色纸板挡住，小球涂装成黑色，摄像头装置在正对纸板的地方就构成了简单的传感器部分，实物图见图9。通过对摄像头采集回来的图像进行二值化处理并检测黑色区域的重心便可以得到小球的高度，通过这些便可以实时监测小球的高度。在实际的应用中发现，一般的摄像头采样周期为30 ms，价格在200元左右，此时系统的采样速度达不到稳定，如果采样速度希望提高则需要更换高速率摄像头，考虑到经济效益本次项目暂不考虑此方法。

综合来说，方案2.3.1和方案2.3.3由于是购买的模块，其采样周期的提升不利于经济效益的提高，方案二虽然没有规范的制作工艺，但是可以达到模拟控制的效果，避免了因为采样周期导致的系统不稳定，所以采用方案2.3.2，自行进行制作。

2.4 控制器选取及测试

2.4.1 控制器FPGA

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）[5]这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

控制与处理部分采用Altera公司的FPGA芯片Cyclone IIEP2C5Q20 8C80电源模块为整个电能表系统提供电源，有5 V和24 V的直流电源输出，5 V电源供给距离测量传感器，FPGA开发板以及电磁铁的驱动电路，24 V的电源供给电磁铁。显示部分采用八段数码管，共显示四位数据。时钟信号为50 M赫兹。endprint