基于DSPIC30F4013的塔机变幅监测系统的电路设计

摘要:变幅监测是塔式起重机状态监测的重要内容之一,在国家标准中有明确的规定,文章就塔机变幅监测系统的电路设计进行分析。首先根据塔式起重机的结构和工作流程设计变幅监测系统的结构,变幅监测系统由主控制器、位置传感器、编程接口、看门狗电路和通讯接口电路构成;其次,设计硬件电路,主控制器选用微芯制造的DSPIC30F4013芯片,位置测量电路选用MLX91204芯片,看门狗电路选用MAX706芯片,CAN总线收发器采用TI公司生产的SN65HVD1050芯片;实验表明:该硬件电路能够满足测量系统对电路的要求。

关键词:塔式起重机;变副机构;测量电路

中图分类号:TH213.3文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)14-0011-02

变幅机构是塔式起重机重要的工作机构,用来改变塔机的作业幅度,使吊运物品沿臂架径向水平位移。幅度是塔式起重机的重要参数,指从取物装置中心线到起重机旋转中心线的水平距离。在施工工程中,操作员操作变幅机构,与其它机构配合使被提取物移动到指定的位置。

以往主要依靠操作员的目视来判断被提取物是否到达指定的位置,因此操作人员的判断失误将使行程幅度过大,导致塔机超载压翻、疲劳断裂的事故。GB/T5031-2008中要求在塔机上配置实时监测系统,对塔机的变幅状况进行监测,以减少此类事故的发生。

目前国内市场上出现了部分塔机监测系统,这些系统性能各异,很多并不能达到GB/T5031-2008中的性能要求。基于本单位制造的塔式起重机,结合常用的单片机芯片——DSPIC30F4013设计变幅机构测量系统,结合流行的现场总线技术,在系统中预留接口。

1变幅测量原理

塔机变幅机构的工作原理图如图1所示。工作过程中,在牵引卷筒M2的牵引作用下,载重小车会随着牵引钢丝绳左右移动。要测量载重小车的行程幅度,只需测得牵引卷筒M2的旋转角度,再换算成转过的钢丝绳的长度就可以间接获得载重小车的行程幅度。

根据塔机变幅机构的特点设计了监测系统框架。测量过程中,位置传感器将卷筒转过的角度的信息转变成电信号,进入主控制器,主控制器将位置信息打包,使之成为能够通过现场总线传输的帧,通过通讯接口与其它单元联系,看门狗电路主要负责监测系统的运行状况,当发现系统出现异常时,发出信号,重新启动系统,使系统恢复正常。主控制器的程序通过编程/调试接口写入。

2硬件设计

2.1主控制器选择

从变幅测量系统的具体需求和控制器性能、价格方面考虑,选用MICROCHIP公司生产的dsPIC30F系列数字信号控制器来实现变幅机构的监测。

dsPIC30F系列DSP芯片是MICROCHIP公司的特殊系列IC芯片,该IC是单片机与DSP结合的新型芯片,由于它兼容了单片机和DSP芯片两类产品的优点,因此dsPIC30F系列芯片具备丰富的特性,且加密性能较好,解密难度大,可以广泛应用于马达控制、因特网接入器件、汽车产品、功能电路、数字应答机、低速软件调制解调器、线卡、POS终端、自动售货机、生物测定安全装置、不间断电源、电源管理和自然语音输入/输出等领域

dsPIC30F具有性能稳定可靠的CAN总线通讯模块,内置的CAN模块具有以下属性:报文优先级控制、确保响应时间、配置灵活、带时间同步的组播接收、全系统数据一致性、多主机、错误检测和信令、损坏报文的自动重发、区分节点的暂时错误和永久无效并自动关闭出错节点。dsPIC30F系列数字信号控制器又分为通用系列、电机控制或电源转换系列及传感器系列。每个系列都包含有功能丰富的器件型号。

综合考虑系统的要求和性价比,选择DSPIC30F4013作为主控制器,图2是其引脚和外围电路图。

dsPIC30F4013具有48KB的程序存储器空间,有1024字节的EEPROM空间,含有1个CAN总线通信接口,1个SPI通信接口,1个I2C通信接口,2个UART通信接口,具有44个引脚,多达30个I/O引脚,有13个12位200ksps的A/D采样通道,满足传感器子系统的性能需求。

2.2测量传感器选择

系统采用Melexis公司生产的360度高速旋转位置传感器芯片MLX91204来测量卷筒的旋转角度。

MLX91204芯片的工作原理如图3(a)所示。圆柱形的N-S极磁铁安装在起升卷筒的转轴上,MLX91204芯片靠近磁铁放置,确保能准确地感应出圆柱形磁铁的旋转角度,从而达到准确测量小车幅度的目的。MLX91204芯片的内部含有水平和垂直两个方向的磁场感应电路,如图3(b)所示。

MLX91204含有X_OUT、Y_OUT、CO_OUT三个输出端;其中CO_OUT输出为参考电压的1/2,X_OUT和Y_OUT两路输出则反映了磁铁与芯片的当前相对位置关系。计算公式为:

Vx(t)=V0*sin(?棕t)

Vy(t)=V0*cos(?棕t)

使用A/D采样采集X_OUT、Y_OUT两端的电压值,对照MLX91204的工作曲线,即可换算出磁铁与芯片之间的当前位置关系。MLX91204的电路如图4所示。

MLX91204位置传感器芯片的三个输出端X_OUT、Y_OUT、CO_OUT通过RC低通滤波之后,接入CPU的A/D采样输入端AN3、AN5、AN4。

2.3看门狗电路

电磁干扰会影响单片机的正常工作,使程序跑飞,造成整个系统的停滞,因此使用看门狗来监测单片机的运行,当发现系统出现异常时,发出信号使系统复位。变幅测量系统的看门狗电路如图5所示。

采用MAX706看门狗芯片,工作是,当在最长1.6 s的

时间内,没有看门狗信号WDI输入时,看门狗电路将使CPU复位。

2.4现场总线通讯接口选择

采集的信号需要与主机通讯,现场总线通讯接口电路如图6所示。总线收发器采用TI公司生产的SN65HVD1050芯片;在CAN总线的输出端使用三端平衡对称瞬态过电压保护抑制器SDT3021对电路进行过电压保护;使用RC电路对CAN总线输出端进行滤波。

3结语

变幅机构是塔机的重要工作机构,为了运行安全需要对其实时监测。根据变幅机构的特点和本单位的实际情况。研制了一套监测系统的硬件电路,电路使用了性价比较高的几种工业芯片。硬件电路实现了信号采集,单片机故障,数据通讯等功能,实验表明,该设计能够满足监测系统的要求。

参考文献:

[1] GB/T5031-2008,塔式起重机[S].

[2] Microchip.dsPIC30F系列概述DS70043F_CN[EB/OL].http: //,2005-08-09.