CN201722085U - 基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统 - Google Patents

基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统 Download PDF

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本实用新型的目的在于提供一种高可靠性、高精度、低成本、具有较高抗干扰能力的门座式悬臂起重机力矩保护系统。其技术方案是:一种基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统,包括力传感器、角度测量装置、和一个MCU,力传感器和角度测量装置输出信号至MCU,角度测量装置包括一个加速度计传感器,角度测量装置输出加速度计传感器的测量信号至MCU。本系统采用基于加速计传感技术的起重机角度测量装置,采用加速度计采集起重机臂架的加速度数值信号,从根本上消除了由于传统的起重机角度测量方法的缺陷所产生的测量误差,提高了力矩保护系统的可靠性和精度,并且大幅度地降低了生产成本。

Description

基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种力矩保护系统,尤其是一种门座式悬臂起重机的力矩保护系 统,更具体的,是一种基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机的力矩保护系统。
背景技术
[0002] 力矩保护系统,又名力矩限制器,是安装在门座式悬臂起重机上的安全保护装置, 通过实时测量臂架转角计算出起重幅度,通过力传感器实时测量起重量,实现起重机工作 力矩的实时计算,进而依据起重机特性曲线实现力矩的实时保护。
[0003] 门座式悬臂起重机广泛应用于港口、货场、码头等场所的货物装卸作业,因过载致 使起重机承重部件断裂和起重机倾翻的恶性事故时有发生,一般来说,起重机生产商一般 不配套力矩保护装置,而是由第三方其中设备配件厂家生产。
[0004] 目前国内外对力矩保护系统的研究基本都是基于机械式传感器的,市场上的力矩 限制器分为两类,一类是采用重锤式角度传感器或连杆式角度传感器的低价、低精度产品; 另一类是采用旋转编码器的高价、高精度产品。这些产品的可靠度只有75%左右,系统综合 响应时间一般在IOOms左右,稳定性也较差。造成上述缺点的主要原因包括:由角度测量方 法的缺陷所导致的过大的角度测量误差;没有或很少考虑力矩传感器信号的长距离传输问 题;抗干扰设计不到位;以及,对起重幅度的算法没有引起足够的重视。
[0005] 现有技术中的力矩保护系统,角度信号的采集基本上都是基于重锤式角度传感 器、连杆式角度传感器、以及旋转编码器。上述传感器具有以下缺点:重锤式传感器应用于 测量起重机臂架转角时,往往会出现由于传感器重锤由于阻尼作用而对臂架的微小转动无 响应的情况,传感器的灵敏度较低,角度测量时存在“丢步”现象;连杆式角度传感器和旋转 编码器应用于测量起重机臂架转角时,其传感器连杆一端固定于起重机臂架转轴中心,另 一端固定于起重机臂架,实际应用中,臂架转轴在某一时间点会产生微小转动,致使传感器 连杆获得一定的初始转角并保持较长的时间,由于臂架转轴发生转动的时间点、转动方向、 转角大小都是随机的,导致角度测量存在“随机永久误差”。
实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的在于提供一种高可靠性、高精度、低成本、具有较高抗干扰能力 的门座式悬臂起重机力矩保护系统。
[0007] 为达到上述目的,本实用新型所采用的技术方案是:
[0008] 一种基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统,包括力传感器、 角度测量装置、和一个MCU,力传感器和角度测量装置输出信号至MCU,角度测量装置包括 一个加速度计传感器,角度测量装置输出加速度计传感器的测量信号至MCU。
[0009] 本系统采用基于加速计传感技术的起重机角度测量装置,采用加速度计采集起重 机臂架的加速度数值信号,从根本上消除了由于传统的起重机角度测量方法的缺陷所产生 的测量误差,提高了力矩保护系统的可靠性和精度,并且大幅度地降低了生产成本,具体的,基于加速度计传感技术的角度测量装置,其生产成本只有旋转编码器的1/10,其精度比 重锤式角度传感器和连杆式角度传感器提高了 75%,可靠性提高了 20%〜30%。
[0010] 上述技术方案还可以进一步完善,作为优选,角度测量装置和MCU之间还连接有 二阶低通滤波装置。
[0011] 作为优选,角度测量装置与二阶低通滤波装置之间还设置有RC无源滤波装置,二 阶低通滤波装与MCU之间还设置有A/D转换装置。
[0012] 角度测量装置采集到角度信号后,首先进行RC无源滤波,再采用二阶低通滤除各 种分量的高频噪声,经A/D转换后输入至控制器(MCU)。
[0013] 作为优选,力传感器和MCU之间还连接有二阶低通滤波装置。
[0014] 作为优选,力传感器和二阶低通滤波装置之间还依次连接有信号放大装置和电压 /电流转换装置,二阶低通滤波装置和MCU之间还依次连接有电流/电压转换装置和A/D转 换装置。
[0015] 力传感器输出的是毫伏级小信号,在力传感器输出端对信号进行放大,并将电压 信号转变为电流信号,经长距离(约100米)传输后,在控制器(MCU)的输入端再转换成电压 信号,这种初级调理方式可以有效地解决力传感器信号的长距离传输问题;采用二阶低通 可以滤除各种分量的高频噪声,必要时可以考虑在二阶低通前端进行RC无源滤波;最后经 A/D转换后输入控制器(MCU)。
[0016] 作为优选,MCU输出控制信号至起重机控制系统,MCU与起重机控制系统之间依次 连接有隔离电路和驱动电路。
[0017] 在系统的执行部分,通过隔离电路和驱动电路隔离执行电路电源和系统电源,以 防止来自现场的动力电源干扰。
[0018] 控制器(MCU)对输入的力信号和角度信号进行计算处理,计算出实时力矩,并将其 与被控起重机的起重力矩曲线进行对比,若实际工作力矩达到额定工作力矩的90%或大于 90%,则发出预警信号,并输出控制信号到起重机控制系统,强行产生保护动作。若达到100% 额定力矩时发出报警信号,并输出控制信号强行起重机缩臂,必要时强行切断起重机电源, 使起重机停止工作。
[0019] 作为优选,隔离电路为光耦隔离电路。
[0020] 作为优选,该系统还包括与MCU连接的触摸屏。
[0021] 作为优选,该系统还包括与MCU连接的LED显示系统和键盘。
[0022] 作为优选,A/D转换装置是基于CS5505的Δ - Σ型A/D转换电路。
[0023] 由于上述技术方案的采用,本实用新型与现有技术相比,具有以下优点:
[0024] 准确测量起重角度,是实现系统精度和可靠性的技术关键,本实用新型抛弃了传 统的几种角度测量方法,提出了应用于力矩保护系统的基于加速度计传感技术的角度测 量装置提高了系统的精度和可靠度,系统的综合误差< 士3%,系统综合响应时间<60ms, 首次无故障工作时间>500h,其中,角度测量装置的误差彡士 0.5%,分辨率为0.05°,量程 士30°。
[0025] 另外,由于系统的抗干扰能力也是保证系统稳定性的关键因素,为了防止力矩保 护系统工作现场存在电源污染和大功率设备(如变频器、制动器、大功率电机等)造成的干 扰,本实用新型采用了二阶低通滤除各种分量的高频噪声,隔离执行电路电源和系统电源,
4以防止来自现场的动力电源干扰。
[0026] 再者,力矩保护系统中力传感器与控制器间线缆长达100米以上,信号受现场干 扰较大,传输很不稳定,本实用新型通过初级调理解决了这一问题。
附图说明
[0027] 图1是本实用新型的电原理框图。 具体实施方式
[0028] 下面结合附图,对本实用新型进行进一步说明:
[0029] 如图1所示的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统,包括力 传感器、角度测量装置、和一个MCU,力传感器和角度测量装置输出信号至MCU,角度测量装 置包括一个加速度计传感器,角度测量装置输出加速度计传感器的测量信号至MCU。
[0030] 本系统采用基于加速计传感技术的起重机角度测量装置,采用加速度计采集起重 机臂架的加速度数值信号,从根本上消除了由于传统的起重机角度测量方法的缺陷所产生 的测量误差,提高了力矩保护系统的可靠性和精度,并且大幅度地降低了生产成本,具体 的,基于加速度计传感技术的角度测量装置,其生产成本只有旋转编码器的1/10,其精度比 重锤式角度传感器和连杆式角度传感器提高了 75%,可靠性提高了 20%〜30%。
[0031] 角度测量装置和MCU之间还依次连接有、RC无源滤波装置、二阶低通滤波装置、A/ D转换装置。在本实施例中,A/D转换装置基于CS5505设计,Δ-Σ型,CS5505所提供的梳 状滤波特性对线间50Hz和60Hz的串扰有较高的抑制能力。
[0032] 角度测量装置采集到角度信号后,首先进行RC无源滤波,再采用二阶低通滤除各 种分量的高频噪声,经A/D转换后输入至控制器(MCU)。
[0033] 力传感器和MCU之间还依次连接有信号放大装置、电压/电流转换装置、二阶低通 滤波装置、电流/电压转换装置和A/D转换装置。在本实施例中,A/D转换装置基于CS5505 设计,Δ-Σ型,CS5505所提供的梳状滤波特性对线间50Hz和60Hz的串扰有较高的抑制能 力。
[0034] 力传感器输出的是毫伏级小信号,在力传感器输出端对信号进行放大,并将电压 信号转变为电流信号,经长距离(约100米)传输后,在控制器(MCU)的输入端再转换成电压 信号,这种初级调理方式可以有效地解决力传感器信号的长距离传输问题;采用二阶低通 可以滤除各种分量的高频噪声,必要时可以考虑在二阶低通前端进行RC无源滤波;最后经 A/D转换后输入控制器(MCU)。
[0035] 下面以四连杆门座悬臂式起重机为例,给出起重幅计算公式如下:[0036]
Figure CN201722085UD00051
[0037] 其中用时最多的是、和三个函数。以为例,说明其算法。
[0038] 零点泰勒展式为:
[0039]
Figure CN201722085UD00052
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
若要求力矩保护系统综合精度保证为2 %,则精度控制在0. 5 %以内即可t 将泰勒展式取其前6项并修正为下式:
Figure CN201722085UD00061
此算法误差分析结果表明计算精度达到0.3%。但此算法占用2个中间暂存单元
存放χ2和χ3,双字节乘法和除法次数为4 + 5 = 9次。 [0044] 将此算再行修改正为分段计算:
Figure CN201722085UD00062
[0045]
D:
[0046] 此算法只需用1个中间暂存单元存放χ2,乘除法次数为3 + 3 = 6次,经误差分析, 精度达到0.25%。此算法大大减少内存资源占用,大大节省运算时间。
[0047] MCU输出控制信号至起重机控制系统,MCU与起重机控制系统之间依次连接有隔 离电路和驱动电路。在本实施例中,执行信号的隔离采用光耦。
[0048] 在系统的执行部分,通过隔离电路和驱动电路隔离执行电路电源和系统电源,以 防止来自现场的动力电源干扰。
[0049] 控制器(MCU)对输入的力信号和角度信号进行计算处理,计算出实时力矩,并将其 与被控起重机的起重力矩曲线进行对比,若实际工作力矩达到额定工作力矩的90%或大于 90%,则发出预警信号,并输出控制信号到起重机控制系统,强行产生保护动作。若达到100% 额定力矩时发出报警信号,并输出控制信号强行起重机缩臂,必要时强行切断起重机电源, 使起重机停止工作。
[0050] MCU的一个输出端连接有触摸屏。为提高在复杂工业现场使用时的抗干扰能力,增 加系统处理器与触摸屏之间数据传输的可靠性,采用MODBUS串行传输协议,数据传输采用 RTU模式的CRC方法。
[0051] MCU的另一个输出端连接有LED显示系统和键盘。作为一种兼顾成本的实施方式, 采用这种配置,该电路为ICM7218驱动电路,包括控制器、显示静态RAM、译码电路、扫描及 振荡电路、驱动器。该电路既可驱动共阳LED,又可驱动共阴LED。
6

Claims (10)

  1. 一种基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统,包括力传感器、角度测量装置、和一个MCU,所述的力传感器和角度测量装置输出信号至所述的MCU,其特征在于:所述的角度测量装置包括一个加速度计传感器,所述的角度测量装置输出所述的加速度计传感器的测量信号至所述的MCU。
  2. 2.根据权利要求1所述的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统, 其特征在于:所述的角度测量装置和所述的MCU之间还连接有二阶低通滤波装置。
  3. 3.根据权利要求2所述的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统, 其特征在于:所述的角度测量装置与所述的二阶低通滤波装置之间还设置有RC无源滤波 装置,所述的二阶低通滤波装与所述的MCU之间还设置有A/D转换装置。
  4. 4.根据权利要求1所述的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统, 其特征在于:所述的力传感器和所述的MCU之间还连接有二阶低通滤波装置。
  5. 5.根据权利要求4所述的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统, 其特征在于:所述的力传感器和所述的二阶低通滤波装置之间还依次连接有信号放大装置 和电压/电流转换装置,所述的二阶低通滤波装置和所述的MCU之间还依次连接有电流/ 电压转换装置和A/D转换装置。
  6. 6.根据权利要求1所述的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统, 其特征在于:所述的MCU输出控制信号至起重机控制系统,所述的MCU与所述的起重机控制 系统之间依次连接有隔离电路和驱动电路。
  7. 7.根据权利要求6所述的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护系统, 其特征在于:所述的隔离电路为光耦隔离电路。
  8. 8.根据权利要求1〜7中任意一条所述的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机 力矩保护系统,其特征在于:它还包括与所述的MCU连接的触摸屏。
  9. 9.根据权利要求1〜7中任意一条所述的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机 力矩保护系统,其特征在于:它还包括与所述的MCU连接的LED显示系统和键盘。
  10. 10.根据权利要求3或5所述的基于加速度计传感技术的门座式悬臂起重机力矩保护 系统,其特征在于:所述的A/D转换装置是基于CS5505的Δ-Σ型A/D转换电路。
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