基于MEMS微加速度计的防摇控制系统研究

量块是微加速度计的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧。

　　MEMS微加速度计的工作原理

　　加速度计的工作原理可概述如下：当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，质量块具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），质量块的位移也发生相应的变化。另一方面，当质量块的发生位移时，可动臂和固定臂（即感应器）之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了执行器（质量块）的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系，即通过输出电压就能测得外界加速度。

　　执行器的力学结构示意图，如图3所示，感应器的电学原理图，如图4所示。以Vm 表示输入电压信号，Vs表示输出电压，Cs1与Cs2分别表示固定臂与可动臂之间的两个电容，则输入信号和输出信号之间的关系可表示为：

　　图3　执行器力学结构示意图

　　图4　感应器电学原理图

　　电容与位移之间的关系为：

　　式中，x为可动臂（执行器）的位移；d为没有加速度时固定臂与悬臂之间的距离。由式（13）和式（14）可得：

　　根据力学原理，在稳定情况下，质量块的力学方程为：

　　式中，k为弹簧的劲度系数；m为质量块的质量。因此，外界加速度与输出电压的关系为：

　　可见，在加速度计的结构和输入电压确定的情况下，输出电压与加速度呈正比关系。

　　无视觉传感器防摇控制系统的设计

　　为达到较好的防摇控制效果，采用闭环控制系统，将检测到的信息传送到控制系统中的微机，由微机内部控制软件处理后将最佳的控制参数（如PID控制参数）提供给小车调速系统，通过调节小车的速度和方向，控制小车的运行，来减少吊具及负载的摆动幅度。

　　图5为闭环控制系统框图。图中，n为PLC（可编程序控制器）输出电机转速值，v（t）为小车实际运行线速度，vd（t）为小车理想运行线速度，Kw为反馈系数。

　　图5　闭环控制系统框图

　　从小车-吊重系统的控制来看，有两种控制方式：一种是力控制方式，通过控制系统数学模型中小车牵引电机和吊重提升电机的输出力矩来抑制吊重摆动，关系较为明确，控制系统的输入变量为电机力矩，输出变量是小车速度与吊重摆角，但要对此求解，并得出给定摆角时的电机力矩就非常困难，而且要控制电机力矩的输出也非常困难；另一种是速度控制方式，以电机转速或小车速度解为输入变量，以吊重摆角等作为输出变量，求解方便，而且控制电机的转速比控制电机的输出力矩要方便得多。由于PLC的输出不能直接去控制电机的转速，因此需在PLC和牵引电机之间增加一个控制设备。

　　对于三相异步电机，其转速公式为：

　　式中，n为电机每分钟转速；p为磁极对数；f为电源频率；s为转差率。

　　由转速公式可以看出电机的调速方式有3种：变极调速（改变p） ，变频调速（改变f ）和改变转差率s调速。其中变频调速能够实现异步电机连续平滑的无级调速。小车- 吊重电子防摇控制系统中，小车的速度变化应是一条以时间为变量的连续光滑曲线，故采用变频调速系统（变频器）通过改变输出频率来控制小车牵引电机的转速。

　　图6为小车-吊重防摇控制系统框图。

采用德国西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC。该系列提供了多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，模块的种类和数量可根据用户的需要任意选用。根据系统要求，图中选用的分别是电源模块PS307/10、中央处理模块CPU315、数字量输入模块（DI）SM321、数字量输出模块（DO）SM322、模拟量输入模块（AI）SM331、模拟量输出模块（AO）SM332、接口模块IM360/IM361、通信模块CP340-RS232。变频器选用安川VS616G5系列。该变频器具有全程磁通矢量控制，在全速范围内具有恒转矩特性，无速度反馈时，速比为100∶1，控制精度为±0.2%；有速度反馈时，速比达1000∶1，控制精度为±0.02%。完全满足要求。图中所示的变频器另外配置了PG-B2速度反馈卡以构成反馈电路，电机的实际转速就能反馈回变频器，对控制系统的传输误差进行修正。微加速度计选用A