專(zhuān)利名稱(chēng)：一種磁懸浮控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁懸浮領(lǐng)域，尤其是涉及一種磁懸浮控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
目前的懸浮技術(shù)主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束 懸浮等，其中電磁懸浮技術(shù)比較成熟。電磁懸浮技術(shù)(electromagnetic levitation)簡(jiǎn)稱(chēng)EML技術(shù)。它的主要原理是利 用高頻電磁場(chǎng)在金屬表面產(chǎn)生的渦流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬球的懸浮。將一個(gè)金屬樣品放置在通有 高頻電流的線(xiàn)圈上時(shí)，高頻電磁場(chǎng)會(huì)在金屬材料表面產(chǎn)生一高頻渦流，這一高頻渦流與外 磁場(chǎng)相互作用，使金屬樣品受到一個(gè)洛淪茲力的作用。在合適的空間配制下，可使洛淪茲力 的方向與重力方向相反，通過(guò)改變高頻源的功率使電磁力與重力相等，即可實(shí)現(xiàn)電磁懸浮。隨著磁懸浮技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的磁懸浮控制平臺(tái)。在控制器方面，在早 期的磁懸浮控制系統(tǒng)大多采用了模擬式控制方案，而隨著人們對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理要求的不斷 提高和DSP技術(shù)的不斷完善，當(dāng)今的磁懸浮控制系統(tǒng)都逐漸地轉(zhuǎn)向了數(shù)字控制系統(tǒng)，因?yàn)?數(shù)字式控制具有控制精度高、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，既可以保證計(jì)算和控制的實(shí)時(shí)性，又能 充分發(fā)揮數(shù)字控制的諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，現(xiàn)有技術(shù)的磁懸浮數(shù)字控制系統(tǒng)，電路復(fù)雜，制作成本高，并且現(xiàn)有技術(shù)的 磁懸浮數(shù)字控制系統(tǒng)在位置檢測(cè)方面，其位置傳感器通常利用渦流、電容、電感或者光電傳 感器來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸位移檢測(cè)的目的，但采用上述傳感器不但成本高，而且容易受電磁信號(hào) 的干擾，測(cè)量不容易實(shí)現(xiàn)。因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種基于數(shù)字信 號(hào)處理的數(shù)字式控制器、基于新型一維PSD傳感器作為位置檢測(cè)單元的磁懸浮控制系統(tǒng)及 控制方法，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下一種磁懸浮控制系統(tǒng)，其中，包括電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊、位置檢測(cè)及信號(hào)處理模 塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊，以及人機(jī)交互模塊；所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊，一方面用于根據(jù)一控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁鐵，讓其產(chǎn)生懸 浮被懸浮控制對(duì)象的電磁力，另一方面用于檢測(cè)電磁鐵的電流大小，并把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成 第一電壓信號(hào)；所述位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊，用于檢測(cè)被懸浮控制對(duì)象的懸浮位置，并把懸浮 位置的位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成第二電壓信號(hào)；所述數(shù)字信號(hào)處理模塊分別與所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊和位置檢測(cè)及信號(hào)處理 模塊連接，一方面用于將所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并將所述數(shù)字信號(hào)通過(guò)控制算法的處理產(chǎn)生內(nèi)部控制信號(hào)輸出至所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊， 另一方面用于實(shí)時(shí)調(diào)用多種控制算法，調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被懸浮控制對(duì)象的實(shí)時(shí)懸浮 控制；所述人機(jī)交互模塊與所述數(shù)字信號(hào)處理模塊連接，用于接收用戶(hù)輸入的外部控制 信號(hào)并輸出至所述數(shù)字信號(hào)處理模塊，以及用于通過(guò)實(shí)時(shí)控制界面顯示控制狀態(tài)。所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其中，所述數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)一步包括:ADC采樣單 元、驅(qū)動(dòng)器控制接口單元、微處理器單元、串口通信單元；所述ADC采樣單元分別與所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊和位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊 連接，用于采集電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊的第一電壓信號(hào)、以及位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊的第 二電壓信號(hào)，并把所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；所述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元與所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊連接，用于給所述微處理器 單元和電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊之間提供通信通道；所述微處理器單元分別與所述ADC采樣單元和所述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元連接，用 于通過(guò)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)化公式將所述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制的反饋信號(hào)，并將所述反饋 信號(hào)通過(guò)控制算法的處理，產(chǎn)生所述內(nèi)部控制信號(hào)通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元發(fā)送至所 述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊，以控制所述電磁鐵的電磁力的大?。凰龃谕ㄐ艈卧糜诮o所述微處理器單元與人機(jī)交互模塊之間的通信提供連 接通道。所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其中，所述數(shù)字信號(hào)處理模塊還包括一與所述微處理器 單元連接的存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)多種控制算法，所述多種控制算法包括PID控制算法，模糊 PID控制算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，魯棒控制算法，滑?？刂扑惴ǎＰ蛥⒖甲赃m應(yīng)控制算 法，LQR控制算法。所述微處理器單元還用于調(diào)用所述存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的多種控制算法，在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn) 多種不同控制算法的控制。所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其中，所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)器，及 與所述驅(qū)動(dòng)器連接的電流傳感器；所述驅(qū)動(dòng)器用于通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制接口單元接收所述微處理器單元發(fā)出的控制信 號(hào)，并根據(jù)該控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述電磁鐵，讓其產(chǎn)生懸浮被懸浮控制對(duì)象的電磁力，使被懸浮 控制對(duì)象懸浮在設(shè)定的參考位置；所述電流傳感器用于檢測(cè)電磁鐵的電流大小并轉(zhuǎn)化成第一電壓信號(hào)，以及通過(guò)電 流傳感器信號(hào)接口將所述第一電壓信號(hào)采樣傳遞到微處理器單元，形成一電流控制環(huán)。所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其中，所述電流傳感器為霍爾電流傳感器。所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其中，所述位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊進(jìn)一步包括位置傳 感器、及與所述位置傳感器連接的位置信號(hào)處理單元，所述位置傳感器用于檢測(cè)被懸浮控制對(duì)象的懸浮位置，形成一位置信號(hào)；所述位置信號(hào)處理單元用于將所述位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成第二電壓信號(hào)，并通過(guò)位置信 號(hào)接口采樣傳遞給微處理器單元，形成一位置反饋閉環(huán)。所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其中，所述位置傳感器為新型一維PSD傳感器。所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其中，所述存儲(chǔ)模塊為Flash存儲(chǔ)模塊。
一種磁懸浮控制方法，其中，包括步驟A、根據(jù)內(nèi)部控制信號(hào)或外部控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁鐵，讓其產(chǎn)生懸浮被懸浮控制對(duì)象 的電磁力；B、檢測(cè)電磁鐵的電流大小，并把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成第一電壓信號(hào)；以及檢測(cè)被懸浮 控制對(duì)象的懸浮位置，并把位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成第二電壓信號(hào)；C、將所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并將所述數(shù)字 信號(hào)轉(zhuǎn)化成為控制器的反饋信號(hào)，通過(guò)控制算法的處理產(chǎn)生內(nèi)部控制信號(hào)。所述磁懸浮控制方法，其中，所述步驟C具體包括步驟Cl、采樣所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)，并把所述第一電壓信號(hào)和第二電壓 信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；C2、通過(guò)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)化公式將所述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制的反饋信號(hào)；C3、將所述反饋信號(hào)通過(guò)控制算法的處理，產(chǎn)生所述內(nèi)部控制信號(hào)以控制所述電 磁鐵的電磁力的大小。本發(fā)明所提供的磁懸浮控制系統(tǒng)及控制方法，由于采用了新型一維PSD(位置敏 感傳感器(Position Sensitive Detector，簡(jiǎn)稱(chēng)PSD))傳感器作為其位置檢測(cè)單元，其不 會(huì)受電磁信號(hào)的干擾，使本發(fā)明的磁懸浮控制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性；而采用DSP(數(shù)字信 號(hào)處理器)芯片作為系統(tǒng)的數(shù)字式控制器，使本發(fā)明的磁懸浮控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單， 可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)部控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的控制，也可以實(shí)現(xiàn)接收用戶(hù)輸入的外部控 制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的控制；同時(shí)多種算法程序燒寫(xiě)在DSP的Flash中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部直接調(diào)用 多種控制算法的加載；基于MFC設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊的實(shí)時(shí)控制界面，通過(guò)SCI串 口，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與PC的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被懸浮控制對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控，且制作成本低、控 制調(diào)節(jié)方便。


圖1是本發(fā)明的磁懸浮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的磁懸浮控制系統(tǒng)實(shí)施例1結(jié)構(gòu)原理框圖；圖3是本發(fā)明的磁懸浮控制系統(tǒng)實(shí)施例2結(jié)構(gòu)原理框圖；圖4是本發(fā)明的磁懸浮控制方法一實(shí)施例的流程圖；圖5是本發(fā)明的磁懸浮控制方法進(jìn)一步實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所提供的磁懸浮控制系統(tǒng)及控制方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu) 點(diǎn)更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所 描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例所提供的磁懸浮控制系統(tǒng)，包括電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊 160、位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊150、數(shù)字信號(hào)處理模塊100，以及人機(jī)交互模塊170 ；所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160與磁懸浮系統(tǒng)的電磁鐵連接，一方面用于根據(jù)一控 制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁鐵，讓其產(chǎn)生懸浮被懸浮控制對(duì)象的電磁力；本發(fā)明中所述控制信號(hào)包括 用戶(hù)輸入的外部控制信號(hào)及通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部控制算法處理產(chǎn)生的內(nèi)部控制信號(hào)，通過(guò)控制信號(hào)的控制驅(qū)動(dòng)所述電磁鐵產(chǎn)生被懸浮控制對(duì)象(如懸浮小球)的電磁力。所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160另一方面用于檢測(cè)電磁鐵的電流大小，并把電流信 號(hào)轉(zhuǎn)化成第一電壓信號(hào)。所述位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊150，用于檢測(cè)被懸浮控制對(duì)象的懸浮位置，并把懸 浮位置的位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成第二電壓信號(hào)；例如檢測(cè)懸浮小球的懸浮位置，把位置信號(hào)轉(zhuǎn)化 成所述第二電壓信號(hào)。所述數(shù)字信號(hào)處理模塊100分別與所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160和位置檢測(cè)及信 號(hào)處理模塊150連接，一方面用于將所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化成數(shù) 字信號(hào)，并將所述數(shù)字信號(hào)通過(guò)控制算法的處理產(chǎn)生內(nèi)部控制信號(hào)輸出至所述電流驅(qū)動(dòng)及 檢測(cè)模塊160，另一方面用于實(shí)時(shí)調(diào)用多種控制算法，調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被懸浮控制對(duì) 象的實(shí)時(shí)懸浮控制。所述人機(jī)交互模塊170與所述數(shù)字信號(hào)處理模塊100連接，用于接收用戶(hù)輸入的 外部控制信號(hào)并輸出至所述數(shù)字信號(hào)處理模塊，以及用于通過(guò)實(shí)時(shí)控制界面顯示控制狀 態(tài)。其中，該外部控制信號(hào)包括用戶(hù)修改控制器的參數(shù)信號(hào)，及用戶(hù)輸入的各種操作信號(hào)寸。本發(fā)明中所述數(shù)字信號(hào)處理模塊100通過(guò)一塊DSP(Digital Signal Processor 數(shù)字信號(hào)處理器)芯片完成位置信號(hào)采樣、電流信號(hào)采樣、電流驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出，并通過(guò) 人機(jī)交互模塊170的實(shí)時(shí)控制界面顯示控制狀態(tài)，及實(shí)時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)在DSP內(nèi)部的多種控制 算法，進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)被懸浮控制對(duì)象的實(shí)時(shí)懸浮控制。進(jìn)一步地，如圖2所示，所述數(shù)字信號(hào)處理模塊100包括:ADC (模/數(shù)轉(zhuǎn)換 (Analog to Digital Converter，簡(jiǎn)稱(chēng)ADC))采樣單元120、驅(qū)動(dòng)器控制接口單元130、微處 理器單元110、串口通信單元140，以及一存儲(chǔ)模塊180 ；所述ADC采樣單元120分別與所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160和位置檢測(cè)及信號(hào)處 理模塊150連接，用于采集電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160的第一電壓信號(hào)、以及采集位置檢測(cè)及 信號(hào)處理模塊150的第二電壓信號(hào)，并把所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信 號(hào)。所述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元130與所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160連接，用于給所述 微處理器單元Iio和電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160之間提供通信通道。所述存儲(chǔ)模塊180與所述微處理器單元110連接，本發(fā)明實(shí)施例中所述存儲(chǔ)模 塊180為Flash存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)多種控制算法，所述多種控制算法包括PID (比例-積 分-微分(Proportion Integration Differentiation，簡(jiǎn)稱(chēng)PID))控制算法，模糊 PID控制 算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，魯棒控制算法，滑模控制算法，模型參考自適應(yīng)控制算法，LQR(線(xiàn) 性二次型最優(yōu)控制(Linear Quadratic Regulator，簡(jiǎn)稱(chēng)LQR))控制算法等，允許所述微處 理器單元110的調(diào)用，以在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)不同種控制算法的控制。所述微處理器單元分110別與所述ADC采樣單元120和所述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元 130連接，用于通過(guò)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)化公式將所述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制的反饋信號(hào)，并 通過(guò)調(diào)用存儲(chǔ)模塊180的控制算法對(duì)所述反饋信號(hào)進(jìn)行處理，以產(chǎn)生所述內(nèi)部控制信號(hào)； 并通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元130發(fā)送至所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160，以用于控制驅(qū) 動(dòng)所述電磁鐵的電磁力的大小；所述微處理器單元110還用于調(diào)用所述存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的多種控制算法，在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多種不同控制算法的控制。所述串口通信單元140用于給所述微處理器單元110與人機(jī)交互模塊170之間的 通信提供連接通道。即所述串口通信單元140位于所述數(shù)字信號(hào)處理器單元110與所述人 機(jī)交互模塊170之間，用于DSP與PC上位機(jī)的通信?？梢酝ㄟ^(guò)SCI串口(SCI，串行通信接 口 (Serial Communication Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)SCI))，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明系統(tǒng)與PC的實(shí)時(shí)通信。本實(shí)施例中，如圖2所示，所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160包括驅(qū)動(dòng)器162，及與所述 驅(qū)動(dòng)器162連接的電流傳感器161(即電流檢測(cè)單元)。本發(fā)明實(shí)施例中所述電流傳感器 161為霍爾電流傳感器。所述驅(qū)動(dòng)器162通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制接口 130接收微處理器單元110發(fā)出的PWM(脈 沖寬度調(diào)制，Pulse Width Modulation)控制信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)電磁鐵，讓其產(chǎn)生懸浮被懸浮 控制對(duì)象的電磁力，使得被懸浮控制對(duì)象懸浮在設(shè)定的參考位置。同時(shí)電流傳感器161檢測(cè)電磁鐵的電流大小并轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)(2.5V-3V對(duì)應(yīng) 的電流大小為0-4. 8A，這可根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整)，通過(guò)電流傳感器信號(hào)接口采樣傳遞到微 處理器單元110，從而形成了電流控制環(huán)，采用PD控制(比例-微分控制(Proportion Differentiation,簡(jiǎn)稱(chēng) PD 控制))。如圖2所示，所述位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊150包括位置傳感器152、及與所述位 置傳感器152連接的位置信號(hào)處理單元151。所述位置傳感器151用于檢測(cè)被懸浮控制對(duì) 象的懸浮位置，即被懸浮控制對(duì)象與電磁鐵之間的位移量，再通過(guò)位置信號(hào)處理單元151 轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)(0-2. 5V對(duì)應(yīng)的位移量是0-20mm)?？烧{(diào)整所述位置傳感器152的位置或通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)處理單元151的增益來(lái)改變符 合ADC采樣模塊120采樣的電壓信號(hào)的范圍，并通過(guò)位置信號(hào)接口采樣傳遞給微處理器單 元110，形成了位置反饋閉環(huán)，從而使本發(fā)明的系統(tǒng)形成了兩環(huán)控制。串口通信模塊140與人機(jī)交互模塊170之間由電平轉(zhuǎn)換電路連接，所述人機(jī)交互 模塊170的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面是利用MFC(微軟基礎(chǔ)類(lèi)(Microsoft Foundation Classes，簡(jiǎn)稱(chēng) MFC))是一種專(zhuān)業(yè)軟件)設(shè)計(jì)，可用于實(shí)時(shí)顯示控制狀態(tài)，也可用于在線(xiàn)調(diào)用燒寫(xiě)在DSP的 flash中的各種算法時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整等。本發(fā)明實(shí)施例中所述位置傳感器152采用新型一維PSD傳感器，其具有優(yōu)良的線(xiàn) 性特性，以及很高的穩(wěn)定性和可靠性，成本低，且不容易受電磁信號(hào)的干擾，測(cè)量很容易實(shí) 現(xiàn)。本發(fā)明實(shí)施例二的磁懸浮控制系統(tǒng)如圖3所示，包括第一微處理器單元111、第一 ADC采樣單元121、第一串口通信單元141 ；以及第二微處理器單元112、第二 ADC采樣單元 122、驅(qū)動(dòng)器控制接口單元130、第二串口通信單元142、位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊150、電流 驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160、人機(jī)交互模塊170、Flash存儲(chǔ)模塊180。其中第一微處理器單元111、第一 ADC采樣單元121、第一串口通信單元141、Flash 存儲(chǔ)模塊180置于第一 DSP芯片內(nèi)部。所述Flash存儲(chǔ)模塊180內(nèi)部存儲(chǔ)了多種控制算法。所述第二微處理器模塊211、第二 ADC采樣單元122、驅(qū)動(dòng)器控制接口單元130、第 二串口通信單元142置于第二 DSP芯片內(nèi)部。本發(fā)明實(shí)施例二的磁懸浮控制系統(tǒng)特點(diǎn)是采用兩塊DSP芯片作為控制器，其中一 塊DSP芯片以電流信號(hào)采樣、電流驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)電流驅(qū)動(dòng)器功能，即本實(shí)施例中的第二 DSP芯片。另一塊DSP芯片(即本實(shí)施例2的第一 DSP芯片)專(zhuān)門(mén)用于位置信號(hào)采樣，以及 發(fā)出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)位置反饋閉環(huán)控制，并通過(guò)人機(jī)交互模塊170的實(shí)時(shí)控制界面顯示控制 狀態(tài)及實(shí)時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)在Flash中的多種控制算法，進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)被懸浮控制 對(duì)象的實(shí)時(shí)懸浮控制。本實(shí)施例中，所述位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊150、電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160、串口 通信模塊140、人機(jī)交互模塊170的工作原理同實(shí)施例一基本相同；不同之處在于，利用第 二微處理器單元112獨(dú)立完成電流閉環(huán)，即完成給所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160的控制信 號(hào)的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的電流驅(qū)動(dòng)器，則可以接收其他控制卡的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)被懸 浮控制對(duì)象的懸浮效果。比如基于dSPACE(dSPACE是德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于 MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及測(cè)試用的工作平臺(tái)，也是一種專(zhuān)業(yè)軟件)實(shí)時(shí)仿真系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制器設(shè)計(jì)，采集位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊150所輸出的位置電壓信號(hào)，從而對(duì)系 統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。第一微處理器單元111則是通過(guò)第一 ADC采樣單元121采用位置檢測(cè)及 信號(hào)處理模塊150的輸出位置信號(hào)，并產(chǎn)生對(duì)所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160的控制信號(hào)輸 出給第二微處理器單元112，從而實(shí)現(xiàn)了位置反饋閉環(huán)控制?；谏鲜霰景l(fā)明的磁懸浮控制系統(tǒng)，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種磁懸浮控制方 法，如圖4所示，所述的方法包括以下步驟步驟S310、所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160根據(jù)一內(nèi)部控制信號(hào)或外部控制信號(hào)驅(qū) 動(dòng)電磁鐵，讓所述電磁鐵產(chǎn)生懸浮被懸浮控制對(duì)象的電磁力；步驟S320、所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊160檢測(cè)電磁鐵的電流大小，并把電流信號(hào) 轉(zhuǎn)化成第一電壓信號(hào)；以及通過(guò)所述位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊150檢測(cè)被懸浮控制對(duì)象的 懸浮位置，并把位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成第二電壓信號(hào)；步驟S330、將所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并將 所述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成為控制器內(nèi)部的反饋信號(hào)，通過(guò)控制算法的處理產(chǎn)生內(nèi)部控制信號(hào)。進(jìn)一步地實(shí)施例，如圖5所示，所述磁懸浮控制方法，所述步驟S330具體包括步 驟步驟S331、通過(guò)所述ADC采樣單元采樣所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)，并把 所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；步驟S332、所述微處理器單元110通過(guò)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)化公式將所述數(shù)字信 號(hào)轉(zhuǎn)化為控制的反饋信號(hào)；步驟S333、將所述反饋信號(hào)通過(guò)控制算法的處理，產(chǎn)生所述內(nèi)部控制信號(hào)通過(guò)所 述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元發(fā)送至所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊，以控制所述電磁鐵的電磁力的大 小。綜上所述，本發(fā)明所提供的磁懸浮控制系統(tǒng)及控制方法，由于采用了新型一維 PSD (位置敏感傳感器(Position Sensitive Detector，簡(jiǎn)稱(chēng)PSD))傳感器作為其位置檢 測(cè)單元，其不會(huì)受電磁信號(hào)的干擾，使本發(fā)明的磁懸浮控制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性；而采用 DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)芯片作為系統(tǒng)的數(shù)字式控制器，使本發(fā)明的磁懸浮控制系統(tǒng)電路結(jié) 構(gòu)更簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)部控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的控制，也可以實(shí)現(xiàn)接收用戶(hù)輸 入的外部控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的控制；同時(shí)多種算法程序燒寫(xiě)在DSP的Flash中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部直接調(diào)用多種控制算法的加載；基于MFC設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊的實(shí)時(shí)控制界面， 通過(guò)SCI串口，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與PC的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被懸浮控制對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控，且制作 成本低、控制調(diào)節(jié)方便。 應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可 以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保 護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種磁懸浮控制系統(tǒng)，其特征在于，包括電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊、位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊，以及人機(jī)交互模塊；所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊，一方面用于根據(jù)一控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁鐵，讓其產(chǎn)生懸浮被懸浮控制對(duì)象的電磁力，另一方面用于檢測(cè)電磁鐵的電流大小，并把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成第一電壓信號(hào)；所述位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊，用于檢測(cè)被懸浮控制對(duì)象的懸浮位置，并把懸浮位置的位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成第二電壓信號(hào)；所述數(shù)字信號(hào)處理模塊分別與所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊和位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊連接，一方面用于將所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并將所述數(shù)字信號(hào)通過(guò)控制算法的處理產(chǎn)生內(nèi)部控制信號(hào)輸出至所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊，另一方面用于實(shí)時(shí)調(diào)用多種控制算法，調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被懸浮控制對(duì)象的實(shí)時(shí)懸浮控制；所述人機(jī)交互模塊與所述數(shù)字信號(hào)處理模塊連接，用于接收用戶(hù)輸入的外部控制信號(hào)并輸出至所述數(shù)字信號(hào)處理模塊，以及用于通過(guò)實(shí)時(shí)控制界面顯示控制狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)一 步包括ADC采樣單元、驅(qū)動(dòng)器控制接口單元、微處理器單元、串口通信單元；所述ADC采樣單元分別與所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊和位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊連接， 用于采集電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊的第一電壓信號(hào)、以及位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊的第二電壓 信號(hào)，并把所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；所述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元與所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊連接，用于給所述微處理器單元 和電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊之間提供通信通道；所述微處理器單元分別與所述ADC采樣單元和所述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元連接，用于通 過(guò)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)化公式將所述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制的反饋信號(hào)，并將所述反饋信號(hào) 通過(guò)控制算法的處理，產(chǎn)生所述內(nèi)部控制信號(hào)通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)器控制接口單元發(fā)送至所述電 流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊，以控制所述電磁鐵的電磁力的大??；所述串口通信單元用于給所述微處理器單元與人機(jī)交互模塊之間的通信提供連接通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字信號(hào)處理模塊還包 括一與所述微處理器單元連接的存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)多種控制算法，所述多種控制算法包 括PID控制算法，模糊PID控制算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，魯棒控制算法，滑?？刂扑惴?，模 型參考自適應(yīng)控制算法，LQR控制算法。所述微處理器單元還用于調(diào)用所述存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的多種控制算法，在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多種 不同控制算法的控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊進(jìn) 一步包括驅(qū)動(dòng)器，及與所述驅(qū)動(dòng)器連接的電流傳感器；所述驅(qū)動(dòng)器用于通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制接口單元接收所述微處理器單元發(fā)出的控制信號(hào)，并 根據(jù)該控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述電磁鐵，讓其產(chǎn)生懸浮被懸浮控制對(duì)象的電磁力，使被懸浮控制 對(duì)象懸浮在設(shè)定的參考位置；所述電流傳感器用于檢測(cè)電磁鐵的電流大小并轉(zhuǎn)化成第一電壓信號(hào)，以及通過(guò)電流傳感器信號(hào)接口將所述第一電壓信號(hào)采樣傳遞到微處理器單元，形成一電流控制環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其特征在于所述電流傳感器為霍爾電流 傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測(cè)及信號(hào)處理模 塊進(jìn)一步包括位置傳感器、及與所述位置傳感器連接的位置信號(hào)處理單元，所述位置傳感器用于檢測(cè)被懸浮控制對(duì)象的懸浮位置，形成一位置信號(hào)； 所述位置信號(hào)處理單元用于將所述位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成第二電壓信號(hào)，并通過(guò)位置信號(hào)接 口采樣傳遞給微處理器單元，形成一位置反饋閉環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其特征在于，所述位置傳感器為新型一維 PSD傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁懸浮控制系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲(chǔ)模塊為Flash存儲(chǔ)模塊。
9.一種磁懸浮控制方法，其特征在于，包括步驟A、根據(jù)內(nèi)部控制信號(hào)或外部控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁鐵，讓其產(chǎn)生懸浮被懸浮控制對(duì)象的電 磁力；B、檢測(cè)電磁鐵的電流大小，并把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成第一電壓信號(hào)；以及檢測(cè)被懸浮控制 對(duì)象的懸浮位置，并把位置信號(hào)轉(zhuǎn)化成第二電壓信號(hào)；C、將所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并將所述數(shù)字信號(hào) 轉(zhuǎn)化成為控制器的反饋信號(hào)，通過(guò)控制算法的處理產(chǎn)生內(nèi)部控制信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述磁懸浮控制方法，其特征在于，所述步驟C具體包括步驟 Cl、采樣所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)，并把所述第一電壓信號(hào)和第二電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；C2、通過(guò)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)化公式將所述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制的反饋信號(hào)； C3、將所述反饋信號(hào)通過(guò)控制算法的處理，產(chǎn)生所述內(nèi)部控制信號(hào)以控制所述電磁鐵 的電磁力的大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁懸浮領(lǐng)域，公開(kāi)了一種磁懸浮控制系統(tǒng)及控制方法，所述系統(tǒng)包括電流驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)模塊、位置檢測(cè)及信號(hào)處理模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊，以及人機(jī)交互模塊；本發(fā)明的磁懸浮控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)部控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的控制，也可以實(shí)現(xiàn)接收用戶(hù)輸入的外部控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的控制，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)被懸浮控制對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控，且制作成本低、控制調(diào)節(jié)方便。
文檔編號(hào)H02N15/00GK101895240SQ20101022798
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者曹廣忠, 李寒逸, 邱洪, 黃蘇丹 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)