基于電感式檢測的CPC自動對中控制系統

馮巧葉，王景存，盧仁智

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081）

在冷軋帶鋼的連續生產線和后續處理線中，帶鋼在運送過程中極易偏離機組中心線，如不及時檢測和糾正，將導致板帶損壞和生產損失，嚴重時甚至斷帶停產。CPC對中控制系統在帶鋼生產線上是一個十分重要的控制環節，它能夠實時檢測帶鋼的運動情況并加以糾正，確保生產安全正常運行。

目前國內外CPC對中控制系統主要分電感式、電容式和光電式。都有自己的特點，但都受到現場條件的制約。國內大型鋼鐵企業用到的電感式對中檢測系統幾乎全部為國外進口的產品。本文在參照國內外相關技術的基礎上自主研發的電感式對中檢測系統，由電感差動式位移測量、STM32高速單片機處理數據、液壓糾偏裝置等組成，已成功運行于某大型鋼鐵企業，達到了設計要求。

1 總體設計

1.1 系統設計要求

CPC自動對中控制系統是對高速運行的帶鋼邊部位置進行連續檢測、控制的閉環調節系統。當帶鋼的被檢測邊的位置發生變化時，系統就會將檢測到的帶鋼邊緣位置偏差信號輸入到控制放大器，經控制器處理后輸出信號到液壓糾偏系統，操作油缸移動卷取機，使帶鋼保持在合適的位置上[1]。

本系統為滿足某鋼鐵企業需求而設計，要求被測帶鋼的中心偏差范圍為-150 mm～150 mm，帶鋼厚度為0.3 mm～2.5 mm，最大線速度為2 m/s。系統檢測精度在±2 mm，控制精度在±5 mm。

1.2 系統總體設計

系統采用電磁感應式測量，如圖1所示。在框架上邊有2個對稱的發射線圈，框架下邊對應有2個接收線圈。電感式傳感器將帶鋼位置轉換為電壓信號，并將信號進行放大、濾波、整流等處理后送至控制器STM32。STM32將收集到的帶鋼位置信號處理后經DAC轉換、功率放大后送至液壓糾偏系統，調整帶鋼的位置。

圖1 系統設計框圖Fig.1 Block diagram of system

系統檢測裝置采用電磁感應原理。當2個發射線圈中通以可控正弦交變電壓時，在發射線圈周圍產生交變磁場，則在接收線圈中產生感應電勢E0。

式中：N為接收線圈的匝數；t為時間；φ0為發射線圈的磁通量；K1為發射線圈和接收線圈的結構常數。當發射和接收線圈安裝好后，K1是個固定值。當有帶鋼通過時，接收線圈中的磁通量減小了φ，即

式中：K2為常數；B為磁感應強度；h為帶鋼厚度；b為帶鋼寬度。所以接收線圈的感應電動勢與帶鋼在線圈內的寬度變化量成反比[2]。

當被控帶鋼處于中間位置時，兩邊接收線圈輸出相同。當被控帶鋼向左跑偏時，左側接收線圈的輸出信號減小，右側接收線圈的輸出信號增加。由于輸出信號的幅度較小，因此采用差動放大、濾波、整流等措施保證系統的檢測精度。

2 硬件設計

整個系統的硬件控制部分包括傳感器設計、信號調理、單片機控制、液壓驅動部分等。

2.1 電磁感應式傳感器

傳統的電感線圈是指用漆包銅線或沙包銅線一圈一圈地繞制在空心或有鐵、磁心的絕緣骨架上的一種電子元件。常見的繞法有：①亂繞法，是指用手工或繞線機不需排列地將銅線亂繞在絕緣骨架上；②排繞法，是指用一般繞線機或排線繞線機將銅線每一圈整齊地排列繞制在絕緣骨架上。此方法特點是繞制工藝煩瑣、品質因數Q值低、分布電容大、耐壓較高、電感量大，多用于低、中壓，低頻場合；③間繞法，是指用手工或繞線機將銅線每一圈間留有相同間隔地整齊繞制在絕緣骨架上的繞線方法。

本系統中因電感式對中傳感器是由2個發射線圈和2個接收線圈組成，且采用差動方式連接，所以2個發射線圈和2個接收線圈的結構必須對稱。為了保證傳感器在生產過程中的一致性，減少人為因素的影響，本系統中的電磁感應式傳感器摒棄了導線繞制形式，設計成印刷電路板方式，體積小、靈敏度高、且一致性好，可有效地減小漏磁現象。經過大量的實驗最終確定PCB傳感器的規格為72 cm×10 cm，電感量為68 mH，如圖2所示。

圖2 PCB傳感器原理圖Fig.2 Schematic diagram of PCB sensor

高頻振蕩電源為2組發送傳感器提供穩定勵磁電流，它由2個獨立振蕩電源組成，分別連接2個發送電感。采用高頻作為勵磁電源，其目的是為了提高檢測靈敏度和測量距離。勵磁電源頻率為40 kHz（50 Vp-p，20 W），穩定度為 50 ppm/℃。

2.2 交流放大和帶通濾波

由于電磁傳感器的輸出信號伴隨著大量的噪聲，普通放大電路和差分放大電路無法滿足系統要求。本設計選用了基于AD623的三運放儀表放大電路。AD623能夠實現在放大的同時有效地降低噪聲。圖3為AD623放大和帶通濾波電路。

圖3 交流放大和帶通濾波電路Fig.3 AC amplifier and band-pass filter

輸入電阻從推薦的20 k減小到10 k，可增加信號帶寬和減低電阻噪聲。并且依然可起到有效的輸入保護作用。C14、C22、C23與輸入電阻 R2、R5構成抗干擾電路。利用電磁感應式傳感器采集到的信號中包含一些無用信號，混在有用信號里直接影響檢測的準確性和數據的穩定性。該系統所需信號的中心頻率為40 kHz。為此選用二階的Sallen-key帶通濾波器，通帶范圍在35 kHz～45 kHz，可有效濾除干擾信號。Sallen-key帶通濾波電路的轉移函數為

式中，K=1+R8/R7，是放大器的增益[3]。設置合理的參數，可以使該帶通濾波器的中心頻率為40 kHz，帶通為10 kHz。

2.3 相敏檢波和直流放大

相敏檢波電路將帶通電路送來的信號與參考信號（正弦波）對比，利用參考信號與輸入的有用信號具有相關性，而參考信號與噪聲互不相關，從而達到抑制噪聲的目的，同時判斷信號的相位。信號經過相敏檢波電路的處理后送至后端直流放大電路。圖4為相敏檢波和直流放大電路。

2.4 MCU處理單元

MCU系統的總體設計如圖5所示。主要組成為電磁感應式傳感器、信號處理、STM32處理器、觸摸屏、DAC轉換及功率放大和液壓糾偏系統等。

電路增益G由AD623外接電阻R3確定。

圖4 相敏檢波和直流放大電路Fig.4 Phase sensitive detection and DC amplifier

圖5 MCU系統組成框圖Fig.5 Block diagram of MCU system

STM32具有功耗控制及眾多外設。設計時可充分利用其片上資源，節省了硬件投資。利用STM32內置的A/D可對信號進行采集和處理，其自帶的USB接口可對數據進行快速傳輸。此外，該芯片最高工作頻率可達72 MHz，運算能力強，保證了程序快速完成數據處理工作，從而提高系統的響應速率。

1）通訊部分

STM32F103VC具有UART串行通信接口，內置分數波特率發生器，發送與接收可共用可編程波特率，最高達4.5Mb/s，支持LIN、調制解調器操作、DMA等[4]。

2）DAC轉換及功率放大

STM32片上DAC為12位，為提高控制精度，本系統選用美國BB公司生產的16位高精度數/模轉換芯片DAC714。DAC714采用單通道、串行通訊方式，實現±10 V、±5 V和0～10 V模擬電壓輸出。通過對外部連接的增益（OFFS）和雙極性偏移（GADJ）電位計調整，實現對輸出電壓的精度控制。

DAC輸出的電壓在±10 V內，電流很小，在毫安級，不足以驅動伺服閥，所以必須進行功率放大。采用集成芯片tda2040，經放大后，功率可達約50 W～70 W，足以驅動伺服閥。

3 軟件設計

本CPC自動對中控制系統的軟件設計大致可分為2部分：一是STM32控制程序的設計；二是觸摸屏的程序設計。

3.1 系統軟件設計

STM32為控制器的核心，實現了系統的初始化、對中操作及自動運行等功能，同時經串口與觸摸屏相結合，實現信息的錄入顯示。由于為閉環控制，系統采用了PID控制算法，其流程如圖6所示。

圖6 STM32主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart of STM32

3.2 觸摸屏程序設計與說明

觸摸屏主要用于顯示與系統相關的信息和數據，并對突發情況報警。本系統采用迪文公司的串口液晶顯示屏，其主要特點是用戶幾乎不用編程，在組態好顯示界面后只需傳送參數即可完成畫面切換、顯示、動畫等功能。其主要應用組態畫面為

1）登錄頁面：設備上電，顯示系統、生產設備商的各種廠商信息，具備密碼訪問功能。

2）狀態顯示畫面：顯示當前設備的狀態信息、傳感器的偏差位移、功放輸出、手動調整參數等。

3）參數設置畫面：該畫面用于各種調試校正工作以及參數的設置。

4）報警畫面：用戶記錄所有發生的歷史報警信息以及發生報警的時間和取消報警的時間。

5）使用說明畫面：用戶可通過該畫面獲得各種操作幫助，更好地熟悉以及使用該系統。

4 測試結果及分析

為了評價基于電感式檢測傳感器的CPC帶鋼糾偏自動對中控制系統中電感式檢測裝置的性能，在帶鋼偏移量為±150 mm的條件下進行了性能測試，選出其中一組實驗結果列于表1中。

表1 實驗數據Tab.1 Experimental data

由實驗室模擬實驗可知，其控制精度優于±2mm，電感式檢測裝置的線性度優于1.5%，滿足實際生產線中糾偏控制系統的要求。

5 結語

基于電感式傳感器的CPC對中自動控制系統，采用STM32做為控制核心大大提高了系統的響應速度。特別是采用特殊的PCB電感式傳感器，提高了系統一致性，有效減少了漏磁現象。信號經過多次處理，濾除了干擾信號，確保了信號的準確性和穩定性。整個系統能夠安全、穩定高效地運行。

[1]劉寧，王躍民.帶鋼糾偏系統（CPC）分析及其應用[J].中國儀器儀表，2009（8）：75-78.

[2]鄒鳳欣，楊溪林，高增雪，等.基于電感式位置檢測原理帶鋼糾偏控制方法[J].冶金自動化，2006，30（4）：37-39，57.

[3]楊志明，馬義德，張新國.現代電路理論與設計[M].北京：清華大學出版社，2009.

[4]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理及實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.