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磁悬浮控制系统设计研究

2019/08/05 阅读:

磁悬浮技术采用磁力使部件获得悬浮,可以避免机械接触造成的摩擦,因此在高速运转的工程领域有广阔的应用前景。在实际的使用过程,为了使磁悬浮系统实现稳定的悬浮,并具有可控的位置精度,对其系统的稳定性控制显得十分重要,因此对磁悬浮控制系统的研究和设计是其关键的环节。本文以斥力型磁悬浮系统为研究对象,设计检测电路来检测浮子的位移,并采用PID控制器作为系统的控制器,以实现对浮子的稳定悬浮控制。

磁悬浮浮子控制电路的结构设计

本文研究的斥力式磁悬浮系统主要由一块环状永磁体、四个电磁线圈、三个霍尔传感器、磁悬浮浮子组成,如图1所示。环状永磁铁提供磁悬浮浮子悬浮的主磁场;四个电磁线圈通过调节线圈电流大小和方向来调整悬浮磁场大小;X、Y、Z三个方向的霍尔传感器的作用是检测磁悬浮浮子的位置偏移。系统工作原理:当磁悬浮浮子偏离中点位置时,通过X、Y方向霍尔传感器检测到的磁密信号与中点值进行比较,并经过PID控制之后作为PWM输出占空比的依据,并通过PWM输出控制四个电磁线圈的电流来控制磁场强度,以此使得磁悬浮浮子稳定悬浮。本系统控制主要组成包括:串口模块、电磁线圈、霍尔传感器模块、电源电路,系统控制原理如图2所示。串口模块将单片机采集到的信号进行发送,能更好地监测系统的状态参数;电磁感应线圈经过单片机的控制之后完成对磁悬浮浮子的位移控制;STM32单片机为控制系统核心,实现对数据分析与对系统进行控制。电源电路由L7815和1117提供直流电压。

系统的硬件设计

通过对要实现的功能进行分析与设计,系统主要包括以下硬件电路组成部分:(1)单片机最小系统单片机最小系统由供电模块、晶振电路和复位电路组成。(2)电磁线圈驱动电路针对电磁线圈的驱动,采用H桥的驱动电路对其进行实现,可以实现正反向驱动。论文采用L298N芯片来实现,它包含2个H桥,其中每个H桥可以提供2A的电流,功率部分的供电电压可达48V,逻辑电路接受5VTTL电平。如图4所示。(3)运算放大电路霍尔传感器输出的电压信号与离浮子之间的距离位移相关,当离的远时,磁场强度较小,输出电压较小,需对电压信号进行放大,获得磁悬浮浮子的位移信息,电路如图5所示。

系统的软件设计

(1)系统控制流程电磁线圈通电之后产生电磁力,产生推力作用与磁悬浮浮子,当磁悬浮浮子产生偏移,霍尔传感器能感应并产生电压信号,单片机对电压信号进行分析后做出相应指令控制通过电磁线圈的电流大小,以此来达成闭环反馈。系统控制思路如图6所示.(2)PID控制算法的应用PID控制器调参方便,应用广泛,不需要精确的数学模型,其表达式为:Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数;u(k)为输出值;e(k)为控制器输入与设定值之间的误差。控制系统主程序主程序流程如图7所示,系统初始化完成之后,X、Y方向霍尔传感器信号采集,经过PWM的计算之后,通过STM单片机的TIM1高级定时器的PWM输出口输出PWM波,L298N芯片根据PWM波控制通过电磁线圈的电流,之后程序进入循环。系统初始化主要完成对各输入输出端口、定时寄存器的初始化操作;霍尔传感器采集主要通过单片机的A/D接口对X、Y两个方向的输出信号进行采样。

系统实验分析

系统采用PID控制器对浮子X、Y方向实现控制,X轴方向的控制系数为:Kpx=0.65、Kix=0.001、Kdx=1.5,Y轴反向的控制系数为:Kpy=0.75、Kiy=0.001、Kdy=1.6系统的实物如图8所示,磁悬浮浮子成功浮在四个电磁线圈中央并处于稳定状态。使用双通道示波器采集霍尔传感器输出的电压波形,X轴与Z轴方向的波形如图9所示,蓝线代表X轴方向电压输出,电压波动幅值为0.3~1.2V,红线代表Z轴方向电压,输出幅值15V,说明浮子在X轴方向波动较大。Y轴方向与Z轴方向波形与X轴与Z轴波形相似,蓝线代表YT轴方向电压输出,电压波动幅值为0.2~1.5V,红线代表Z轴方向电压,输出幅值15V,但是其波动频率比图9偏大,说明其在Z轴方向抖动要多,如图10所示。由上述两图可看出,磁悬浮浮子在控制状态下X、Y轴方向基本能稳定在一定数值内波动,说明其能使浮子处于比较稳定悬浮的状态。

结语

文章主要针对斥力型磁悬浮系统,设计了其控制系统的硬件电路和软件程序,最后通过实验证明,该控制系统能有效地实现浮子悬浮的功能。

作者:陈泳龙 凌虎 毛丽萍 单位:南京林业大学汽车与交通工程学院

磁悬浮控制系统设计研究

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