1 引言

隨著微計算機技術、 傳感器、 電子技術和通訊技術的發展 , 稱重技術迅速發展 , 其稱重裝置在數字化、 智能化和網絡化等方麵有長足的進步。快速、 準確、 操作方便、 消除人為誤差、 功能多樣化等方麵己成為現代稱重技術的主要特點。稱重裝置不僅是提供重量數據的單體儀表 , 而且作為工業控製係統和商業管理係統的一個組成部分 , 推進了工業生產的自動化和管理的現代化。

皮帶秤是一種重要的稱重儀表 , 由於其具有動態測量和自動在線測量等優點 , 被廣泛地應用。它可以起到減員增效、 節支創收、 減少誤差的作用 , 還可以提高管理、 提高勞動生產率、 降低勞動強度 , 從而大大提高了生產的自動化程度。

原有的皮帶秤控製器大多采用 8 位單片機 , 在數據的采集和處理上 , 速度和精度都不是很高。 雖然 8 位單片機的技術應用在國內已經很成熟 , 但隨著微處理器技術的發展必將逐漸被性能更先進、 功耗更低的 16 位或 32 位單片機所取代。本係統使用了 32 位 ARM7 核的嵌入式微控製器 , 提高了測速精度 , 改進了皮帶秤的性能。

2 係統組成以及誤差分析

皮帶秤控製係統結構上主要由三個主要部分組成 : 動態秤、靜態秤和控製器。動態秤主要完成了單位時間內給定K8凯发登录入口的配料 ; 靜態秤緩衝由動態秤送到其鬥中的配料 , 在規定時間內打開鬥門將給定K8凯发登录入口的配料送出 , 實現了二次校準 , 提高了皮帶秤配料的精度 ; 控製器實現了荷重與速度采集、 算法實現和對動態秤電機以及靜態秤鬥門的控製。

皮帶秤誤差產生的因素很多 , 綜合分析主要有以下幾個方麵 : 稱量力誤差 ; 皮帶速度誤差 ; 信號處理誤差 ; 校準誤差 ; 環境影響誤差。為了提高皮帶秤的計量精度 , 減少誤差 , 針對使用現場環境狀況 , 選擇相應的設備 , 提高安裝技術水平 , 正確的維護以及有效的校準。環境、 機械製造、 安裝等因素造成的誤差是不可避免的 , 而且在這些方麵計量精度的改進不大 , 但是采用微計算機控製皮帶秤可以最大限度的減小皮帶測速誤差和信號處理誤差 , 進而也減小了其他因素對皮帶秤計量精度的影響。

3 高精度測速技術研究

3.1 嵌入式微控製器

係統核心控製器選型是整個係統設計的重點 , 也是測速精度改進的關鍵。皮帶秤控製器需要實現複雜的功能 , 其外圍設備比較多 , 內部需要執行大量的數據處理、 控製和通訊等 , 而且計算精度要求高、 計算量大 , 因此軟件較龐大 , 要求執行速度比較快 ;另外 , 所選用微控製器必須考慮到實用、 可靠、 性價比高等優點。考慮到以上因素 , 我們選用 Philips 公司的嵌入式微控製器LPC2132 。 LPC2132 以 32 位的 ARM7TDMI- S 為內核 ,2 個 32 位定 時 器 、 2 個 UART 、 1 個 10 位 8 路 的 ADC 、 10位 DAC 、 IIC 、PWM 通道、 47 個 GPIO 以及多達 9 個邊沿或電平觸發的外部中斷使其非常適合本係統的開發 ; 內置了寬範圍的串行通信接口和 16kB 的片內 SRAM, 提供大規模的緩衝區和強大的處理功能 , 非常適合於通信 ; 內部嵌入 64k 的高速 Flash 存儲器 ,128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使 32 位代碼能夠在最大時鍾速率下運行 ; 內部 PLL 時鍾調整 , 可以達到最高 60MHz 的工作頻率 ; 支持實時仿真和嵌入式跟蹤 , 使係統開發更加有效 ; 較小的封裝 , 功耗很低。

3.2 速度脈衝采集精度改進

皮帶秤控製係統中 , 速度是一個及其重要的參數 , 速度的采集精度要依靠穩定且準確的傳感器獲得。 所以 , 測速傳感器的性能直接影響到整個係統的響應速度、 精確度和穩定性等等。因此 , 測速傳感器的選用極為重要。

采用脈衝測速傳感器 , 脈衝測速傳感器輸出方波信號 , 其輸出脈衝個數、 脈衝波形、 脈衝占空比以及相鄰兩通道輸出脈衝波形相位差等技術指標均達到要求 , 此種傳感器可用。脈衝傳感器測速時 , 齒輪每轉動一周 , 脈衝個數與齒輪齒數相同。齒輪個數為M, 齒輪轉速為 N(r/min), 則每秒鍾產生脈衝個數為 MN/60, 標定每個脈衝皮帶走過的距離是 s (mm), 則皮帶速度為 MNs/60 (mm/s) 。

當皮帶秤轉速很高時 , 采用上麵的測速方法還是能夠得到一個較理想的皮帶速度值 ; 但是 , 當皮帶秤轉速很慢時 , 甚至每秒鍾轉動不超過一個齒時 , 顯然上麵的方法是不可行的。 速度脈衝的采集需要進一步地改進 , 需要更多的標定量。

利用 LPC2132 的定時器功能可以得到更加精確的速度脈衝采集值。設置 LPC2132 定時器 1 相關寄存器 , 使能下降沿中斷 捕 獲 功 能 。 將 高 精 度 脈衝 測 速 傳 感 器 信 號 輸 出 引 腳 與LPC2132 的捕獲管腳相連 , 當有速度脈衝信號輸入時 , 信號由高電平翻轉為低電平時 LPC2132 將產生定時器捕獲中斷, 進入中斷後可以記錄捕獲到的速度脈衝個數 , 更重要的是還可以同時讀取由定時器計數寄存器中保存的每個用於速度計算的脈衝占用的 LPC2132 處理器周期數。至此 , 得到了兩個以上速度脈衝采集的標定量 , 速度脈衝采集得到改進。

3.3 速度脈衝計算精度改進

設置 LPC2132 定時器 0 相關寄存器 , 使能 1 秒定時中斷 , 且優先級最高 ; 設置定時器 1 相關寄存器 , 使能下降沿中斷捕獲功能。每次進入捕獲中斷 , 保存所需各標定量的值 ; 每 1 秒到進入中斷 , 讀取各標定量的值 , 計算瞬時速度。假定 1 秒定時到 , 實際捕獲的速度脈衝波形如圖 2 所示

可以很直觀的看出 , 在 1 秒定時開始和結束的時候 , 捕獲到不完整的脈衝信號。 t ₁ 為 1 秒定時開始捕獲到的脈衝信號的時間 ,t ₂ 為 1 秒定時結束得到的脈衝信號的時間 ,T_add 為 1 秒定時開始到最後一次捕獲到下降沿的累計時間 , T_sec 為 1 秒時間恒定值。t ₁ 在捕獲中斷時 , 讀取定時器計數寄存器值獲得, T_add在每次進入捕獲中斷時 , 計數寄存器的值累加得到 , t ₂ 等於T_sec 與T_add 的差值。要得到速度的計算值 , 還需要引入兩個量 T_f 和 T _l , 分別為前後兩個不完整脈衝信號的完整周期時間值。電機運行過程中 , 速度不可能突變 , 所以 T _f 與 T _l 取值其前一個脈衝的周期時間。因此 , 我們得到瞬時速度 v :

其中 C 為 1 秒內捕獲到的下降沿個數 , 所有的時間量以LPC2132 處理器周期個數為單位。

1 秒時間內 , 捕獲到一個或多個下降沿 , 公式 (1) 總是成立的 ,但是 1 秒時間內沒有捕獲到下降沿 , 公式 (1) 就不能成立。此時 ,瞬時速度 v 采用公式(2):

即使電機運行速度非常緩慢 , 公式 (2) 也能得到當前的瞬時速度 v₀但是 , 電機突然停止 , 公式 (2) 就不再適用了。因此 , 根據電機速度不可能突變 , 程序裏需要判斷臨近兩個脈衝周期差值也不會突變來斷定電機是否停止 , 電機停止則 v 置零。

皮帶秤運行時 , 電機可能在某一時刻處於加速或減速狀態 ,此時公式 (1) 中的 t 1 / T _f 與 t ₂ / T _l 項的值可能出現大於 1 的情況 , 因此 , 必須在程序中判斷並避免這種情況 , 取 t ₁ / T _f 與 t ₂ /T _l 近似等於 0.99 。另外 , 實際運行中會出現抖動幹擾 , 使定時捕獲產生誤差 , 根據電機速度不可能突變, 程序裏需要判斷臨近兩次完整脈衝周期差值也不會突變來消除抖動幹擾。電機運行速度非常緩慢時 , 定時器計數寄存器可能產生溢出 , 應及時讀取和清空。

4 結論

係統結構上保留原有的皮帶秤裝置 , 采用了新型的 ARM 皮帶秤控製器。選用 32 位嵌入式 ARM7 微控製器 , 不但提供了豐富的外圍部件 , 而且性能優越 , 數據采集準確 , 處理速度快 , 運行穩定。 軟件開發獲得較以往更加準確的速度測定值 , 皮帶秤測速精度得到改進。 因此 , 皮帶秤配料係統控製性能得到進一步的改善 , 而且響應快 , 誤差小 ; 同時采用 32 位 ARM7 數字控製器和分布式控製係統 , 功能強大。係統集控製、 測試、 管理於一體 , 便於二次開發、 係統升級和技術移植 , 性價比高。

本文作者創新點 : 原有的皮帶秤控製器 , 采用脈衝計數方法測速 , 精度不高 , 從而影響了整個皮帶秤的計量精度。在原有的皮帶秤裝置基礎上 , 采用新型的 32 位嵌入式 ARM 微控製器作為皮帶秤控製器 , 得到精度較高的速度測定值 , 改善了皮帶秤的計量精度。

項目經濟效益 : 本課題是水泥廠配料係統項目的一部分 , 是解決皮帶秤配料係統計量精度的關鍵技術。該項目投入 15 萬資金 , 其中控製器及其軟件開發部分占資金的 50%, 也是設計的重難點之一 , 占整個設計工作量的一半。

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