高精度磁悬浮微量电子秤系统的设计及实现
［摘要］给出一种高精度磁悬浮式微量电子秤系统的结构形式及实现方法。重点讨论了设计与实现中存在的关键问题和解决的方法。实验结果表明该装置性能优良，对于研究超高精度的磁悬浮电子秤是有价
值的。
［关键词］磁悬浮；微量秤；结构；控制
Design andimplementation ofhigh precision magnetic suspension micro－weightelectronic balance
ZHUXin－zhi，ZHOUFeng－qi
（CollegeofAstronautic，Northwestern polytechnin Univ．，Shannxi－Xi＇an 710072，China）
Abstract：The structure and implementation of a high precision magnetic supension electronic balance ispresented．The problemin the balance and solvingits methodsis discussed．The experimentalresults are satis－factory．Itis of value to studying super－high precision magnetic
suspension electronic microbalance．
Key words：Magnetic suspension；Microbalance；Structure；Control
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。
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。由于永久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永久磁铁，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，尤其是抗干扰能力强，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|稳压器进行多级稳压（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最小值为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
