一種便捷式電梯鋼絲繩張力計及控制系統(tǒng)的設(shè)計

張慶豐，趙在俊，李 武，趙德棟

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，浙江 寧波 315048；2.麗水市特種設(shè)備檢測院，浙江 麗水 323000）

1 引言

電梯鋼絲繩張力是影響電梯舒適性與安全性的重要因素。鋼絲繩張力不均不僅會導致電梯運行抖動，還會造成鋼絲繩和曳引輪磨損，降低鋼絲繩的安全系數(shù)，破壞電梯曳引力，從而引發(fā)安全事故[1]。國家標準GB∕T10060?2011《電梯安裝驗收規(guī)范》中規(guī)定：“至少應(yīng)在懸掛鋼絲繩或鏈條的一端設(shè)置一個自動調(diào)節(jié)裝置，用來平衡各繩或鏈之張力平均值的偏差不大于5%?！?/p>

目前，電梯鋼絲繩張力檢測法主要有2種[2]，一種是彈簧秤測力法，另外一種是電子張力計法。普通彈簧稱測力法：人處于轎頂，操作彈簧秤逐一拉動各鋼絲繩至同一水平徑向位置，記錄每根鋼絲繩的張力值，計算出各鋼絲繩的平均張力，再計算各鋼絲繩的張力與平均張力的偏差是否在5%的允許范圍內(nèi)。該方法雖簡單直觀，但需同時控制距離和張力2個物理量，操作時不僅需要用刻度尺來確定各鋼絲繩是否拉至同一水平徑向位置，同時還需關(guān)注彈簧秤的張力值，操作不便，測量精度低下，往往不適合一個人在轎頂操作?，F(xiàn)有的電子張力計均由“三點法”原理研制而成[3]，雖張力測量精度大大提高，但是體積較大和重量較重，易于與鋼絲繩與其它轎頂設(shè)備產(chǎn)生干涉，不便在轎頂復雜環(huán)境中操作。有些電子張力計的研發(fā)也并不是專用于電梯鋼絲繩張力的測量，在設(shè)計時，未考慮測量環(huán)境的復雜性和特殊性?，F(xiàn)有電子式張力計還存在一缺點就是在測量各鋼絲繩張力時，需要手動加載各鋼絲繩至同一水平徑向位置。電子張力計雖然能顯示張力值，但還是存在讀取鋼絲繩徑向位移的麻煩，難以精確保證手動加載各鋼絲繩至同一水平徑向位置。

基于電梯數(shù)量激增，電梯檢驗檢測人員不足，人機矛盾突出的現(xiàn)狀，而鋼絲繩張力對電梯運行至關(guān)重要，但目前缺乏一種結(jié)構(gòu)小巧、攜帶方便、操作便捷、效率高、精度高、專用于電梯鋼絲繩張力檢測的張力計，故設(shè)計開發(fā)了一種操作方式上類似于普通彈簧秤測力法，具有一工裝結(jié)構(gòu)裝置，能自動判斷張力是否超標的電子式張力計。

2 張力計的結(jié)構(gòu)及工作原理

普通彈簧稱測力法需用刻度尺肉眼觀察各鋼絲繩是否拉至同一水平徑向位置，在轎頂復雜環(huán)境中操作費時費力。根據(jù)三角關(guān)系，若拉動同一水平面上的各鋼絲繩至相同水平徑向位置，那么各彎折鋼絲繩在拉力點所形成夾角（后文把這夾角稱為張角）必然是相同的，而角度的采集，相對于距離的測量，更為簡單容易。因此就通過簡單的張角測量，就可以確定鋼絲繩的拉動距離，避免了肉眼讀取刻度尺所帶來的誤差和操作上的繁瑣。為了測量受拉彎折鋼絲繩的張角，開發(fā)了一種鋼絲繩的工裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 工裝結(jié)構(gòu)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Drawing of Tooling Structure Device

工裝結(jié)構(gòu)主要由上下轉(zhuǎn)動桿件、角度監(jiān)測單元、轉(zhuǎn)動止擋等組成。上下轉(zhuǎn)動桿件的上下端分別由可供鋼絲繩伸入，與鋼絲繩緊密配合的上下套環(huán)構(gòu)成。上下轉(zhuǎn)動桿件與轉(zhuǎn)動銷軸配合形成轉(zhuǎn)動副，轉(zhuǎn)動軸端部安裝有角度檢測單元，用于采集上下轉(zhuǎn)動桿件的轉(zhuǎn)動角度。在轉(zhuǎn)動止擋與復位彈簧的共同作用下，使上下轉(zhuǎn)動桿件保持在預備初始位置。（兩桿成180°）工裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2（a）、圖3（a）所示。

圖2 工裝結(jié)構(gòu)預備初始狀態(tài)Fig.2 Initial State of Tooling Structure Preparation

圖3 工裝結(jié)構(gòu)受拉工作狀態(tài)Fig.3 Tensile Working State of Tooling Structure

CAO1即為上轉(zhuǎn)動桿件，DBO1即為下轉(zhuǎn)動桿件。其中CA⊥桿件AO1，桿件CA⊥上套環(huán)，桿件DB⊥桿件BO1，桿件DB⊥下卡套，且CA=DB，AO1=B，當工裝結(jié)構(gòu)與鋼絲繩套接在一起，在上下桿件中心點O2水平徑向拉動鋼絲繩，根據(jù)以上幾何關(guān)系可得，兩轉(zhuǎn)動桿件所形成的張角β始終等于彎折鋼絲繩所形成的張角α。若拉力消失，在彈簧力與轉(zhuǎn)動止擋的作用下，工裝結(jié)構(gòu)有恢復到預備初始位置。

綜上所述，通過鋼絲繩工裝結(jié)構(gòu)中的角度監(jiān)測單元精確的獲取受拉彎折鋼絲繩的張角，來間接確定各鋼絲繩拉至同一水平徑向位置，確保了測量精度。張力計的工作原理，如圖2（b）、3圖（b）所示。只要逐一拉動各鋼絲繩至同一預設(shè)定張角，系統(tǒng)自動存儲當時的張力值，且發(fā)出報警提示音，提示測量人員完成該根鋼絲繩張力的測量，進入下一根鋼絲繩張力的測量。測量完畢時，張力計通過計算，顯示不合格鋼絲繩繩號。該張力計結(jié)構(gòu)精巧，便于攜帶，吸取了普通彈簧測力法簡單直觀的優(yōu)點，又兼顧了電子張力計精度精準，能自動判斷張力差的優(yōu)點。

為實現(xiàn)張力計能實時張力值，測量結(jié)束，自動判斷張力差是否超標的功能，整個控制系統(tǒng)除了工裝結(jié)構(gòu)中的角度監(jiān)測模塊，還需要主控制信號處理模塊、張力采集模塊、按鍵功能模塊、蜂鳴報警模塊、通訊數(shù)據(jù)傳遞模塊。所設(shè)計的張力計相關(guān)技術(shù)指標如下：測力量程為（0～400）N；測力精度：≤2%。為最終達到張力計的測量精度，設(shè)計開發(fā)了以dsPIC30F4012為主控芯片，以磁編碼傳感器AS5045 為角度監(jiān)測模塊，張力采集單元采用HX711+懸臂梁傳感器模塊。為方便操作，采用蜂鳴器來提醒操作人員鋼絲繩確已拉動到位，且用四段碼實時顯示輸出張力值和最終不合格鋼絲繩號。該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，精度高，能滿足張力計系統(tǒng)要求。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

張力計控制系統(tǒng)硬件框架，如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)框架Fig.4 Hardware System Framework

3.1 數(shù)字信號處理控制器選擇

數(shù)字信號處理器是張力計控制系統(tǒng)的核心，對角度傳感器AS5045、張力傳感器A∕D 轉(zhuǎn)換HX711模塊、顯示輸出模塊、通訊模塊等進行總體調(diào)度與控制。張力計控制系統(tǒng)要求精度高，穩(wěn)定性高、處理速度快，控制系統(tǒng)主芯片采用Microchip 公司的dsPIC30F4012，它是一款具備高速計算活動的16位數(shù)字信號處理器，是一款集合了單片機和數(shù)字信號處理器的高效芯片[4]，主要特點具體如下：

（1）擁有強大的外圍設(shè)備和快速中斷處理能力：具有8個電平變化通知（簡稱CN）引腳，電平變化通知引腳使dsPIC30F4012能向處理器發(fā)出中斷請求，以響應(yīng)輸入引腳上的電平狀態(tài)變化。CN引腳中斷功能可應(yīng)用于張力計按鍵輸入模塊，功能按鍵動作，使按鈕引腳上的電平發(fā)生變化，引起CN中斷，以執(zhí)行按鈕中斷程序，實現(xiàn)各按鍵功能。并且提供了5個16位定時器，可選擇將16位定時器配對組成32位定時器模塊，定時器模塊可應(yīng)用于顯示模塊的動態(tài)顯示方式，可編程的定時方式可以方便地更改顯示刷新頻率。而5個I∕O外部中斷源且每個中斷源有7個用戶可選的優(yōu)先級和強大的I∕O 口復用功能亦為張力計控制系統(tǒng)中HX711模塊，蜂鳴報警模塊功能的實現(xiàn)提供了豐富的配置，帶來了極大的便捷。

（2）指令執(zhí)行速度可達到30MIPS，當內(nèi)部最高時鐘頻率為120MHz時，進行一次16bitxl6bit運算的時間為8.3ns，控制器的運算速度極快，實時控制能力極高；dsPIC30F4012的DSP引擎具有1個高速的17位×17位的硬件乘法器，1個40位的ALU，主控芯片的快速處理能力和豐富的DSP指令系統(tǒng)可使張力計控制系統(tǒng)快速采集、運算張力值。

（3）低功耗，能在工業(yè)級溫度和擴展級溫度范圍內(nèi)工作，適應(yīng)很寬的工作電壓，表明主芯片有很高的工作可靠性，為張力計控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作提供有利條件。

dsPIC30F4012 采用5V 供電，控制系統(tǒng)的其他芯片也采用5V供電，因此芯片引腳可直接相連。dsPIC30F4012最小系統(tǒng)電路包括外部上電復位電路、時鐘電路等，如圖5所示。

圖5 dsPIC30F4012最小系統(tǒng)電路Fig.5 Dspic30f4012 Minimum System Circuit

3.2 角度監(jiān)測電路

為了實時監(jiān)測受拉彎折鋼絲繩的張角，上下兩轉(zhuǎn)動桿件銷軸末端處設(shè)置一磁性角度傳感器AS5045。AS5045是一種12位無接觸式磁性編碼器，其分辨率達到0.0879°。測量角度時，只需簡單地在芯片中心的上方放置1個旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)雙極磁鐵即可[5]。

轉(zhuǎn)動銷軸與上轉(zhuǎn)動桿件連接孔可間隙配合，銷軸與下轉(zhuǎn)動桿件連接孔可過盈配合，置一磁鐵于銷軸末端處，把AS5045角度監(jiān)測電路板安裝于上轉(zhuǎn)動桿件，使AS5045芯片中心與磁鐵中心在銷軸軸心連接線上，這樣AS5045所采集到的角度變化量即為受拉鋼絲繩的張角變化量。AS5045的電路連接，如圖6所示。

圖6 As5045接口電路Fig.6 As5045 Interface Circuit

3.3 張力采集電路

參照普通彈簧測力法的工作方式，水平徑向拉動鋼絲繩至（100～150）mm，其拉力范圍基本小于150N[6]。顯然，水平拉動距離越大，彎折鋼絲繩的張角變化量越大，則AS5045的角度測量誤差對張力計的測量精度影響越小。

同時，所需拉力越大。綜合考慮測量誤差和操作便捷性，選用量程為400N的懸臂梁傳感器作為張力傳感器，該張力傳感器體積輕巧、布置方便。傳感器尺寸僅為（40×8×4）mm，安裝時只需帶線端右端固定，左端呈懸臂梁方式，承受壓力。主要電氣技術(shù)參數(shù)，如表1所示。傳感器外形，如圖7所示。

表1 懸臂梁測力傳感器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main Technical Parameters of Cantilever Force Sensor

圖7 懸臂梁張力傳感器Fig.7 Cantilever Tension Sensor

傳感器的滿量程電壓=激勵電壓×靈敏度1.0mV∕V[7]，而激勵電壓采用5V，故該傳感器的滿量程電壓僅為5mV。為提高A∕D轉(zhuǎn)換精度，需對張力電壓信號進行放大，同時為簡化電路，選用一款專為高精度電子秤而設(shè)計的24位A∕D轉(zhuǎn)換芯片HX711[8]，適合作為懸臂梁傳感器的張力信號轉(zhuǎn)換芯片。原因如下：

（1）懸臂梁傳感器滿流程輸出電壓信號僅為5mV，而HX711具有通道A 和通道B 兩個輸入通道，而通道A 的可編程增益為128或64，根據(jù)不同差分輸入信號的幅值，選用合適的增益，能對懸臂梁傳感器的微弱信號進行放大，從而提高轉(zhuǎn)換精度。

（2）HX711集成度高，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強。內(nèi)部集成了穩(wěn)壓電源?？芍苯幼鳛閼冶哿簜鞲衅鞯募铍妷海氏到y(tǒng)板上無需另外的模擬電源為張力傳感器及A∕D 轉(zhuǎn)換器提供電源。且HX711內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。因此把HX711應(yīng)用于張力檢測電路，極大地簡化了電路。

（3）HX711 與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程，所有控制信號由管腳驅(qū)動。張力數(shù)據(jù)A∕D 轉(zhuǎn)換完成，需通過HX711 的串口通訊口管腳PD_SCK 和DOUT來進行數(shù)據(jù)傳遞。HX711的接口電路，如圖8所示。

圖8 HX711接口電路Fig.8 Hx711 Interface Circuit

3.4 其它電路

張力計控制系統(tǒng)的其它電路還有外圍顯示電路、蜂鳴報警電路、按鍵功能電路、通訊電路。其中外圍顯示電路用來實時顯示張力值和不合格鋼絲繩號，采用4位數(shù)碼管LED顯示模塊，4位串行芯片74HC595驅(qū)動，4位共陽接法，只占用單片機3個I∕O口，595驅(qū)動電流大，35毫安每個端口，操作靈活，需要數(shù)據(jù)線，時鐘線，鎖存線，數(shù)目多的話用595可以方便的組成動態(tài)顯示，且電路簡單成本低。其余電路比較簡單，不再累述。張力計的實物控制板，如圖9所示。

圖9 控制板實物Fig.9 Physical Control Board

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在張力計控制系統(tǒng)中，主要完成張力的采集計算和角度的監(jiān)測。為實現(xiàn)上述2大功能，控制系統(tǒng)軟件采用主程序模塊和子程序模塊。主程序主要實現(xiàn)各個子程序模塊的調(diào)用，而子程序主要由各個特定功能模塊程序組成，如張力采集子程序、角度監(jiān)測子程序、報警提示子程序、張力數(shù)據(jù)處理子程序、張力判斷子程序等。主程序的軟件流程，如圖10所示。

圖10 主程序軟件流程Fig.10 Main Program Software Flow

基于dsPIC30F4012的張力計控制系統(tǒng)上電后，首先進入程序初始化，如I∕O引腳功能定義、定時器設(shè)置、中斷設(shè)置和預定角度的設(shè)置。一旦監(jiān)測到開始測量鍵動作，系統(tǒng)進入到張力采集狀態(tài)，隨著測量人員水平徑向拉動鋼絲繩，受拉點彎折鋼絲繩張角逐漸變大，系統(tǒng)實時判斷角度是否達到預定角度，若鋼絲繩張角達到預定角度，張力計發(fā)出報警提示音，提醒測量人員已經(jīng)完成該根鋼絲繩的張力測量，可以進入到下一根鋼絲繩的張力測量。若鋼絲繩的張力全部檢測完畢，則計算鋼絲繩的平均張力值和各根鋼絲繩的張力偏差值，通過計算自動判斷出不合格鋼絲繩號。

5 控制系統(tǒng)精度驗證

張力計控制系統(tǒng)的精度主要由張力采集模塊和角度監(jiān)測模塊的精度決定，而張力監(jiān)測模塊的精度主要影響因素有：懸臂梁傳感器的穩(wěn)態(tài)誤差、線性度、重復誤差和HX711芯片的可靠穩(wěn)定性。而芯片AS5045的可靠穩(wěn)定性是達到角度監(jiān)測模塊精度的重要因素。當然，硬件電路本體布置的合理性也是影響控制系統(tǒng)精度的因素之一。為驗證張力計控制系統(tǒng)的精度，搭建了張力計控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控實驗平臺，實驗平臺原理如下：

基于dsPIC30F4012 為主控芯片的下位機控制板內(nèi)嵌張力數(shù)據(jù)A∕D轉(zhuǎn)換芯片HX711實時采集處理來自于懸臂梁傳感器的張力電壓信號，而角度信號則是通過AS5045的同步串行接口與下位機控制板進行數(shù)據(jù)傳遞；上位機用LabVIEW語言編寫，建立一個張力、角度數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，用來存儲和顯示接收到的數(shù)據(jù)；上下位機間的通訊方式采用RS232，通過上下位機通訊，實現(xiàn)信號采集，數(shù)據(jù)存儲[9]。因張力計工作拉力范圍通常在150N之下，故確定試驗最大載荷為150N。25N、50N、75N、100N、125N、150N這6種載荷工況可采用標準砝碼。實驗平臺，如圖11所示。

圖11 精度驗證實驗平臺Fig.11 Precision Verification Experiment Platform

5.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是達到張力計精度的前提，特別是張力采集模塊和角度監(jiān)測模塊的穩(wěn)定性。分別在空載、50N、100N、150N的載荷狀況下、采用基于LABVIEW為上位機中的文件I∕O功能對張力數(shù)據(jù)進行存儲，而張力采集模塊HX711采集的張力數(shù)據(jù)為24位數(shù)字量，發(fā)現(xiàn)24位數(shù)據(jù)中的后8位波動很大，經(jīng)多次重復試驗，前16位采集數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同載荷狀況下張力數(shù)據(jù)波動Tab.2 Tension Data Fluctuation Under Different Load Conditions

由表2可知：（1）數(shù)據(jù)波動與載荷狀態(tài)關(guān)系不大，在不同的載荷狀態(tài)下，張力數(shù)據(jù)波動維持在4個單位內(nèi)。在150N的載荷范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性為99.92%。（2）載荷狀況從空載到50N，張力數(shù)據(jù)變化量為1692 個單位，4 個單位的數(shù)據(jù)波動量轉(zhuǎn)換成張力為0.1N，處于張力計的精度2%范圍之內(nèi)。

而對角度監(jiān)測模塊AS5045的12為角度數(shù)據(jù)量進行采集，只要磁鐵與AS5045的安裝位置符合要求，其數(shù)據(jù)穩(wěn)定性為100%。故控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、重復性能符合系統(tǒng)精度要求。

5.2 張力采集模塊線性度測試

張力計對各鋼絲繩張力合格的判定是基于所測各鋼絲繩張力與平均張力的偏差是否在5%之內(nèi)，故驗證張力采集模塊的非線性度誤差更顯必要，而對張力模塊的穩(wěn)態(tài)誤差可不進行驗證。選取空載、25N、50N、75N、100N、125N、150N 等7 種標準載荷狀況，因空載載荷狀況下，其載荷為0，故需對各載狀況下的張力數(shù)據(jù)進行校準調(diào)零[10]，分別對各載荷狀況下的張力數(shù)據(jù)減去空載狀況下的張力數(shù)據(jù)。為方便統(tǒng)計分析計算，把校準調(diào)零后的16進制張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10進制數(shù)據(jù)，張力數(shù)據(jù)，如表3所示。對這些數(shù)據(jù)用Matlab中的polyfit函數(shù)作線性擬合，如圖12所示。

圖12 張力值線性擬合Fig.12 Linear Fitting of Tension Value

表3 不同載荷狀況下采集的張力值Tab.3 Tension Values Collected Under Different Load Conditions

由圖12可知：各個載荷狀況下的張力數(shù)據(jù)值基本成線性，經(jīng)計算最大非線性度誤差產(chǎn)生于75N的標準載荷狀況下，非線性度誤差為0.14%，其余各載荷狀況下的非線性誤差均在0.1%之下。故在150N的載荷量程下，張力采集模塊的非線性度為0.14%，與懸臂梁傳感器的非線性度0.1%基本吻合。產(chǎn)生偏差的原因在于張力A∕D轉(zhuǎn)換芯片的測量誤差、電路電源的波動及標準載荷砝碼誤差等。

6 結(jié)論

（1）設(shè)計了一種操作方式類似于普通彈簧秤測力法的便捷式電梯鋼絲繩電子張力計，通過測量鋼絲繩工裝結(jié)構(gòu)的張角來確定各鋼絲繩是否拉至同一水平徑向位置，操作方便，攜帶輕便，精度精準。

（2）設(shè)計了以DSPIC30F4012為主控芯片，以HX711+懸臂梁傳感器為張力采集模塊，以AS5045為角度監(jiān)測模塊的張力計控制系統(tǒng)。搭建了以LabVIEW為主控界面的實驗平臺，實驗證明：該控制系統(tǒng)張力測量穩(wěn)定性高達99.92%，而角度傳感器穩(wěn)定性高達100%。張力測量的非線性誤差在0.14%，均在張力計設(shè)計精度范圍內(nèi)，該控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)滿足張力計的精度要求。