磁懸浮控制系統設計研究范文

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磁懸浮技術采用磁力使部件獲得懸浮，可以避免機械接觸造成的摩擦，因此在高速運轉的工程領域有廣闊的應用前景。在實際的使用過程，為了使磁懸浮系統實現穩定的懸浮，并具有可控的位置精度，對其系統的穩定性控制顯得十分重要，因此對磁懸浮控制系統的研究和設計是其關鍵的環節。本文以斥力型磁懸浮系統為研究對象，設計檢測電路來檢測浮子的位移，并采用PID控制器作為系統的控制器，以實現對浮子的穩定懸浮控制。

磁懸浮浮子控制電路的結構設計

本文研究的斥力式磁懸浮系統主要由一塊環狀永磁體、四個電磁線圈、三個霍爾傳感器、磁懸浮浮子組成，如圖1所示。環狀永磁鐵提供磁懸浮浮子懸浮的主磁場；四個電磁線圈通過調節線圈電流大小和方向來調整懸浮磁場大小；X、Y、Z三個方向的霍爾傳感器的作用是檢測磁懸浮浮子的位置偏移。系統工作原理：當磁懸浮浮子偏離中點位置時，通過X、Y方向霍爾傳感器檢測到的磁密信號與中點值進行比較，并經過PID控制之后作為PWM輸出占空比的依據，并通過PWM輸出控制四個電磁線圈的電流來控制磁場強度，以此使得磁懸浮浮子穩定懸浮。本系統控制主要組成包括：串口模塊、電磁線圈、霍爾傳感器模塊、電源電路，系統控制原理如圖2所示。串口模塊將單片機采集到的信號進行發送，能更好地監測系統的狀態參數；電磁感應線圈經過單片機的控制之后完成對磁懸浮浮子的位移控制；STM32單片機為控制系統核心，實現對數據分析與對系統進行控制。電源電路由L7815和1117提供直流電壓。

系統的硬件設計

通過對要實現的功能進行分析與設計，系統主要包括以下硬件電路組成部分：（1）單片機最小系統單片機最小系統由供電模塊、晶振電路和復位電路組成。（2）電磁線圈驅動電路針對電磁線圈的驅動，采用H橋的驅動電路對其進行實現，可以實現正反向驅動。論文采用L298N芯片來實現，它包含2個H橋，其中每個H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓可達48V，邏輯電路接受5VTTL電平。如圖4所示。（3）運算放大電路霍爾傳感器輸出的電壓信號與離浮子之間的距離位移相關，當離的遠時，磁場強度較小，輸出電壓較小，需對電壓信號進行放大，獲得磁懸浮浮子的位移信息，電路如圖5所示。

系統的軟件設計

（1）系統控制流程電磁線圈通電之后產生電磁力，產生推力作用與磁懸浮浮子，當磁懸浮浮子產生偏移，霍爾傳感器能感應并產生電壓信號，單片機對電壓信號進行分析后做出相應指令控制通過電磁線圈的電流大小，以此來達成閉環反饋。系統控制思路如圖6所示.（2）PID控制算法的應用PID控制器調參方便，應用廣泛，不需要精確的數學模型，其表達式為：Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數；u(k)為輸出值；e(k)為控制器輸入與設定值之間的誤差。控制系統主程序主程序流程如圖7所示，系統初始化完成之后，X、Y方向霍爾傳感器信號采集，經過PWM的計算之后，通過STM單片機的TIM1高級定時器的PWM輸出口輸出PWM波，L298N芯片根據PWM波控制通過電磁線圈的電流，之后程序進入循環。系統初始化主要完成對各輸入輸出端口、定時寄存器的初始化操作；霍爾傳感器采集主要通過單片機的A/D接口對X、Y兩個方向的輸出信號進行采樣。

系統實驗分析

系統采用PID控制器對浮子X、Y方向實現控制，X軸方向的控制系數為：Kpx=0.65、Kix=0.001、Kdx=1.5，Y軸反向的控制系數為：Kpy=0.75、Kiy=0.001、Kdy=1.6系統的實物如圖8所示，磁懸浮浮子成功浮在四個電磁線圈中央并處于穩定狀態。使用雙通道示波器采集霍爾傳感器輸出的電壓波形，X軸與Z軸方向的波形如圖9所示，藍線代表X軸方向電壓輸出，電壓波動幅值為0.3~1.2V，紅線代表Z軸方向電壓，輸出幅值15V，說明浮子在X軸方向波動較大。Y軸方向與Z軸方向波形與X軸與Z軸波形相似，藍線代表YT軸方向電壓輸出，電壓波動幅值為0.2~1.5V，紅線代表Z軸方向電壓，輸出幅值15V，但是其波動頻率比圖9偏大，說明其在Z軸方向抖動要多，如圖10所示。由上述兩圖可看出，磁懸浮浮子在控制狀態下X、Y軸方向基本能穩定在一定數值內波動，說明其能使浮子處于比較穩定懸浮的狀態。

結語

文章主要針對斥力型磁懸浮系統，設計了其控制系統的硬件電路和軟件程序，最后通過實驗證明，該控制系統能有效地實現浮子懸浮的功能。

作者：陳泳龍 凌虎 毛麗萍 單位：南京林業大學汽車與交通工程學院