懸臂起重機力矩保護系統的構建*

李忠明，余梓唐

（義烏工商學院機電信息分院，浙江義烏322000）

1 引言

起重機廣泛應用于港口、貨場、碼頭等場所的貨物裝卸作業，因超載引起起重機承重部件斷裂甚至起重機傾翻的事故時有發生，解決方案是在起重機上加載力矩保護系統，自動檢測和控制工作力矩［1、2]。對于額定負荷與起重位置無關的起重機，只需實時測量起重力并參照恒定的額定負荷進行起升控制即可，而對于額定負荷與起重位置相關的起重機，需同時測量起重力和起重幅度兩個變量，由此計算出工作力矩，再依據起重機力矩特性曲線進行起升控制［3-5]。

本文主要討論力矩安全保護系統的基本構成，分析和比較SAR型和△-Σ型A/D轉換電路應用于力矩保護系統時的優缺點，針對起重機實際工作環境，通過在力傳感器端構造信號初級調理電路，以解決工作現場傳感器信號長距離傳輸問題［6]，通過隔離執行電路電源與系統電源的方法解決系統干擾問題。

2 系統構成

系統構成如圖1所示，由信號采集、MCU控制處理、顯示及驅動等部分組成。系統能夠進行基本函數運算，提供一定量的存貯單元以存放與機械性能相關的特性曲線，根據用戶要求的不同，人機交互界面可采用觸摸屏或LED+輕觸鍵盤。

圖1 系統構成

系統前端測量單元由力測量和角度測量兩部分構成，其中力傳感器采用應變片，角度測量采用基于加速度計的角度測量裝置。加速度計所采集的起重機臂架加速度信號，經角度測量裝置轉換成起重機臂架轉角的模擬電壓輸出，其成本是旋轉編碼器的十分之一，精度及可靠性比重錘式角度傳感器和連桿式角度傳感器明顯提高。

系統工作現場存在電源污染和大功率設備（變頻器、制動器、大功率電機等）造成的嚴重干擾，采用二階低通濾波器以濾除各種分量的高頻噪聲，采用隔離電路將執行電路電源和系統電源隔離，以防止來自現場的動力電源干擾。實際中，力傳感器與控制器間線纜長達100米以上，信號受現場干擾噪聲很大，傳輸不穩定，因此在力傳感器端設置信號初級調理電路以解決復雜工業現場傳感器信號長距離傳輸問題。

3 模似信號調理

信號測量的精度是系統最終精度實現的決定因素之一，由于起重機工作現場存在電源污染和變頻器、制動器、大功率電機等大功率設備所產生的電磁場對信號傳輸造成較嚴重干擾，首先在系統的信號輸入部分采用二階低通濾波電路以濾除各種分量的高頻噪聲，電路如圖2所示。

圖2 二階低通濾波電路圖

電路中角頻率及阻尼系數各參數為：

其中增益 k＝1+R3/R4，取，則電路截止角頻率為：

實際使用中，增益k一般設置為1.5以下，如果接近或者大于2，則電路將處于不穩定的振蕩狀態。一般現場情況下截止角頻率選在30Hz以下即能滿足要求，有些現場情況需設置在10Hz以下，這時需要將C1和C2選在3-20μF之間。如有需要可以考慮在二階低通濾波的前端進行RC無源濾波。在經過以上各濾波電路的調理之下，起重機現場的高頻噪聲將被有效濾除，而信號延遲即使在最嚴重的情況下（截止角頻率在10Hz以下）也只是ns級，完全能夠滿足電路系統的整體要求。

4 A/D轉換電路的選擇

影響力矩保護系統精度和綜合響應速度的一個重要因素是A/D轉換電路，可采用基于ADS7809的快速型A/D轉換電路和基于CS5505的△-Σ型A/D轉換電路。

4.1 基于ADS7809的SAR型A/D轉換電路

轉換器內部采用逐次比較電路，采樣頻率10-500kHz。此電路對輸入部分的噪聲沒有抑制作用，要求調理電路的輸出沒有各種分量的噪聲，但這在起重機工作現場是不可能的，任何現場的信號經調理后不可能將各種噪聲抑制在絕對零狀態，因而誤差被疊加在A/D轉換的輸出中，這就要求對A/D轉換結果進行進一步高質量數字濾波。構造數字濾波器需要大量的存貯單元和消耗處理器的運算資源，如構造一個長度為128字的數字濾波器，需要256字節的內存占用，同時隊列操作、濾波等函數的建立需要大量的編程工作量。

在力矩保護系統中，建立一個128字深度的數字濾波器，其數據采集時間每次循環需要1-2ms左右（11.0592MHz晶振）。為能更好地消除信號噪聲，需構建濾波階數更高的數字濾波，只要控制整個數據采集和處理時間在10ms以內，就可以達到精度和實時控制要求。如圖3所示為基于ADS7809的A/D轉換電路。

圖3 基于ADS7809的A/D轉換電路

圖4 基于CS5505的A/D轉換電路

4.2 基于CS5505的△-Σ型A/D轉換電路

這類轉換電路的轉換速度較慢，一般為每秒幾十次，但轉換器內部一般都具有數字濾波器。一次轉周期內即可由轉換電路內部集成的處理器用其內部數字濾波器濾除信號噪聲，如圖4所示為基于CS5505的A/D轉換電路。

電路中基準電壓由集成電路LT1019提供，配置成2.5V，在VA+、VD+之間串接一個0.5W 的10Ω電阻，能夠保證電路工作時VA+＞VD+。各路模擬電壓輸入端采用單端電壓模式并進行RC無源網絡濾波。

由于CS5505本身整合了一個片內數字濾波器，這是一個梳狀濾波與低通濾波器相結合的濾波器，同時也是一個有限脈沖響應濾波器（FIR），相對于轉換周期，數據的提供沒有延遲，即從采樣開始，一個數據轉換周期后即在輸出接口提供本次轉換的結果，相對于輸入信號，不需要外加若干周期的延遲。CS5505所提供的梳狀濾波特性對線間50Hz和60Hz的串擾具有較高的擬制能力，即使在這些整數頻點的±1%帶寬內（50Hz±1%、60Hz±1%、100Hz±1%、120Hz±1%、150Hz±1%、180Hz±1%、200Hz±1%、240Hz±1%），濾波器都提供較強的擬制能力［7]。

4.3 兩種A/D轉換電路的比較

上述兩種電路在速度方面有較大差異，圖3所示的SAR型電路的轉換速度比圖4所示的△-Σ型電路高2個數量級。但考慮到力矩保護系統是應用于一個高強度復雜噪聲的工業環境中，要使整個測量系統達到分辨率和響應速度兩個方面的要求，必須對此二類電路進行綜合評價。

噪聲抑制方面，△-Σ型具有明顯優勢。SAR型不但沒有噪聲抑制能力，而且由于采用了高速比較器，并且受快速變換電路的影響，SAR變換器本身成為一個不可忽視的干擾源；電路綜合實現方面，SAR轉換器在轉換期間要采用特殊的采樣/保持電路來保持輸入信號在采樣期間的穩定，這些電路對信號源的阻抗相對較低，且為容性阻抗，所以需要一個穩定可靠的放大電路來保持輸入電平在采樣期間的穩定，需要一個較好的調理電路，而△-Σ轉換器不需要，因為△-Σ轉換器一般都具有高輸入阻擾的輸入緩沖放大器；成本方面，在同樣的分辨率下，SAR的成本要比△-Σ的成本高3倍以上。

針對力矩保護系統所處噪聲環境，要使系統達到要求的精度，必須使A/D實現12位以上分辨率。由于SAR沒有噪聲抑制能力，所以在微處理器中必須增加數字濾波器，且至少達到128字深度。一次真正的數字采樣將由128字A/D轉換來實現，加上數字濾波器處理時間，將使SAR的實際轉換速率下降兩個數量級，最后與△-Σ相當（略高），達到幾倍于△-Σ的速度。同時，如果使用SAR，則軟件設計方面的工作量加大，數字濾波器占用了大量的內存和處理器運行時間。比較結果如表1所示。

表1 SAR型與△-Σ型兩種電路的比較

由此可見，采用△-Σ電路時，雖然實際采樣速度較SAR較低，但能滿足實時控制響應速度的要求，且信號調理電路簡單，無需構造數字濾波器，占用處理器資源較少，價格便宜。應該是正確的選擇。

5 控制執行電路防干擾措施

影響執行電路的主要干擾源來自現場的動力源干擾，如現場并網的大功率電氣設備啟動和制動時產生的浪涌等，防范的措施是將執行電路的電源與系統電源隔離，使用不同的電源。電源部分電路如圖5所示，信號隔離采用光耦，如圖6所示。

圖5 電源隔離電路

圖6 信號隔離電路

信號端使用系統數字電源，控制信號經整形后驅動光耦發光二極管控制執行端，執行端三極管導通后控制繼電器動作，控制部分使用獨立的12V電源。采用上述措施后，不會發生由于電源等干擾而引起的控制繼電器發生誤動等情況。

6 結論

在設計力矩保護系統時，通過在力傳感器端構造信號初級調理電路，能夠有效解決傳感器信號長距離傳輸問題；通過隔離執行電路電源與系統電源的方法能有效解決系統干擾問題。同時，采用△-Σ型A/D轉換電路比SAR型A/D轉換電路簡單，且在輸入阻抗、噪聲抑制以及價格方面有明顯優勢。

［1] GB 12602-1990，起重機械超載保護裝置安全技術規范［S] .

［2] GB 7950-1999，臂架型起重機起重力矩限制器通用技術條件［S] .

［3] 胡月華，王冬梅.單片機力矩限制器的研制［J] .工業控制計算機，2005，18（5）：42-43.

［4] 王安敏，何兆民，張學強.基于AT89C52單片機的起重機力矩限制器［J] .儀表技術與傳感器，2008，6：24-25.

［5] 梁桂航，于京諾，宋進桂等.單片機在臂架型起重機力矩限制器上的應用［J] .工程機械，2007，38（9）：6-9.

［6] 李忠明.復雜工業現場傳感器信號長距離傳輸研究［J] .電氣傳動自動化，2003，25（4）：33-35.

［7] Cirrus Logic.CS5505/06/07/08 Product Data Sheet（pdf）［J/OL] .2009：1-31.