CN107942726B - 一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台 - Google Patents

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Abstract

一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台，包括机械部分和电气部分，所述机械部分采用电磁驱动方式，采用高精度和高线性度的超声波传感器和角度电位器分别测量小球位置和平衡杆转过的角度；所述电气部分包含TMS320F28027s DSP控制板、PWM开关型功率放大器以及超声波传感器和角度传感器的信号采集电路，平台与PC机之间通过USB接口连接，用户在Simulink环境下设计的模型，在编译成可执行文件后通过XDS100仿真器下载到控制器中运行。本发明控制器与PC机之间通过USB接口实现交互，使得平台控制电路小巧可靠，可同时兼容携式笔记本电脑，台式电脑以及工控机。

Description

一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台
技术领域
本发明涉及磁悬浮控制、球杆控制以及半实物仿真技术领域，特别是一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台。
背景技术
随着我国经济的快速增长，社会生产生活对自动化需求越来越大，要求也越来越高。对自动化专业的人才需求也越来越多样化和个性化，不仅要求自动化行业人才有扎实的理论功底，更要有很强的动手能力，开拓创新能力。为适应市场需求，目前我国各大高校均积极采取有效措施，坚持同时进行理论教学与实际实验教学相结合，加强实验教学研究，创新实验教学模式。在这个过程中，教学实验仪器对培养学生的系统观和控制观起着重要的作用。球杆系统和磁悬浮球系统作为经典的教学仪器，在高校中得到了广泛的推广使用，他们极大的方便了控制类专业进行教学演示和控制算法验证实验。但传统的球杆系统和磁悬浮球系统均存在许多不足。
传统球杆系统实验平台均采用伺服电机驱动，从电机转轴到平衡杆之间还存在减速皮带和传动轮等传动机构，这使得系统模型变得更加复杂，不利于进行系统分析与控制算法设计。并且系统所用伺服驱动器、伺服电机等执行机构组件为通用工业设备，通常价格昂贵，这无形之中提高了球杆系统的开发成本，不利于实验设备的推广。另一方面，传统球杆系统通过固定于平衡杆上的直线电位器的电阻大小来判断小球位于平衡杆中的位置，小球直接在直线电位器上运动，使得电位器容易变形和老化，导致系统参数发生改变。
传统磁悬浮球系统实验平台的模型相对复杂，控制难度大，并且由于小球只经过轻微的扰动，线圈电流就要产生变化，所以控制过程肉眼无法分辨不利于控制教学。另一方面，由于传统磁悬浮实验平台大多采用光电位移传感器或者霍尔传感器，使得小球位置反馈存在测量精度低、量程短，输入输出线性度差等问题。
同时，传统控制工程实验平台无论是运动控制部分还是数据采集部分，大多依赖于PCI数据采集接口。限制了平台只能与台式电脑配套使用，这使得实验人员所有的实验工作都必须在实验室完成。并且由于PCI接口电路的复杂，以及通用型数据采集卡的功能多，而导致PCI通用数据采集卡价格昂贵，间接提高了设备开发成本。
发明内容
为克服上述提到的传统球杆系统和磁悬浮球系统实验平台的不足，本发明提供了一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台。该实验平台对传统球杆系统与磁悬浮球系统的机械结构和控制方式上进行了优化，使得实验平台控制器电路小巧、实验现象直观、执行器工作稳定效率高，可广泛用于高校控制理论实验教学以及控制算法验证。
为达以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台，包括机械部分和电气部分，所述机械部分采用电磁驱动方式替换传统球杆系统中的电机驱动方式，省略了传统球杆系统中的中间传动装置，采用高精度和高线性度的超声波传感器和角度电位器分别测量小球位置和平衡杆转过的角度；所述电气部分包含TMS320F28027s DSP控制板、PWM开关型功率放大器以及超声波传感器和角度传感器的信号采集电路，平台与PC机之间通过USB接口连接，用户在Simulink环境下设计的模型，在编译成可执行文件后通过XDS100仿真器下载到控制器中运行。
进一步，所述机械部分包含超声波位置传感器、角度传感器、平台基座、平衡梁、小钢球、励磁电磁铁、衔铁和限幅胶垫，其中，平衡梁由前后两个滚珠轴承固定于底座之中，将超声波位置传感器固定于平衡梁左侧，衔铁固定于平衡梁右侧；角度传感器通过联轴器与平衡梁转轴连接，固定于前面的滚珠轴承前部；励磁电磁铁对衔铁的吸附力带动平衡梁转动从而实现对小钢球位置的控制；限幅胶垫对平衡梁转动区间进行限定，防止平衡梁大幅度摆动。
所述电气部分所采用的TMS320F28027s DSP控制板内部集成有多路12位ADC采集电路与16位PWM波形发生器。控制板两路ADC经外部采样电路采集超声波传感器和角度电位器输出电压信号。控制器输出控制信号以PWM波的形式经PWM功率放大器放大后输入到励磁电磁铁中对衔铁产生对应的吸附力。
实验平台所有RTW实时控制实验均通过Simulink采用RTW仿真模块构建实验模型，Simulink调用CCS编译器将模型转化为DSP可执行代码，通过TMS320F28027s DSP控制板中集成的XDS100仿真器将代码下载到控制器中运行，并通过仿真器将控制器采集的传感器信号发送到Simulink中的监测模型中进行观测。
实验所用PC机可以是便携式笔记本电脑、台式电脑以及工控机，PC机与实验平台通过USB接口连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明对传统球杆系统机械结构进行了创新型改造，将传统球杆系统中以电机为驱动转换为采用电磁铁驱动，省略了传统球杆系统中的中间传动装置，简化了系统模型，极大的降低了设备生产成本。采用精度为1mm和线性度为0.1％的超声波传感器替换传统球杆平台中的直线电位器，克服了因直线电位器老化和形变等因素而引起的系统模型参数改变问题。
(2)本发明所采用控制器，PWM驱动器以及传感器信号采集电路均为集成电路，电路结构小巧，开发成本低，易于实现。
(3)本发明采用RTW仿真中的基于模型的自动代码生成技术生成控制器的可执行代码，该模式下实验人员只需在Simulink中通过模型构建系统的RTW控制模型，省去了大量的DSP驱动代码编写工作，使得实验模型简单直观，易于学生理解。克服了传统的仿真研究与实时控制相分离的问题。
(4)本发明控制器通过USB接口与PC机建立连接，Simulink通过XDS100仿真器将模型自动生成的可执行代码下载到控制器中，并通过仿真器进行实时数据监测，克服了传统实验平台PCI通讯接口的依赖，使实验平台同时兼容便携式笔记本电脑，台式电脑以及工控机。
附图说明
图1为基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台机械结构三维视图。
图2为基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台机械结构俯视图。
图3为基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台系统控制结构图。
图4为基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台实验流程图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案、设计思路能更加清晰，下面结合附图再进行详尽的描述。
参照图1～图4，一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台，包括机械部分和电气部分。
所述机械部分包含超声波位置传感器1、前部滚珠轴承2、角度传感器3、前面固定台4、后面固定台5、励磁电磁铁固定支架6、平台基座7、后部滚珠轴承8、平衡梁9、小钢球10、励磁电磁铁固定螺丝11、励磁电磁铁支撑顶板12、励磁电磁铁固定螺母13、励磁电磁铁14、衔铁15、限幅胶垫16、限幅胶垫固定柱17等组件；其中平衡梁9的转轴与前部滚珠轴承2和后部滚珠轴承8相连，前后两个轴承通过轴承座分别用螺丝固定于前面固定台4的内侧和后面固定台5上；将超声波位置传感器1通过两个螺帽固定于平衡梁9的左侧传感器槽中，衔铁15通过螺丝固定于平衡梁9的右侧；角度传感器3的转轴通过联轴器与平衡梁9的转轴相连，通过固定座用螺丝固定于前面固定台的外侧；励磁电磁铁14通过励磁电磁铁固定螺丝11固定于励磁电磁铁支撑顶板12上，可通过旋转励磁电磁铁固定螺母13对励磁电磁铁14的位置进行微调，励磁电磁铁支撑顶板12与励磁电磁铁固定支架6连接，并通过螺丝固定于平台基座7右侧；励磁电磁铁14对衔铁15的吸附力带动平衡梁9转动从而实现对小钢球10的位置控制；位于限幅胶垫固定柱17上的限幅胶垫16对平衡梁9的转动区间进行限定，防止平衡梁9大幅度摆动。再进一步，所述平台基座、励磁电磁铁固定支架、平衡梁均由铝合金制成。
所述电气部分所采用的TMS320F28027s DSP控制板内部集成有多路12位ADC采集电路与16位PWM波形发生器。控制板两路ADC经外部采样电路采集超声波传感器和角度电位器输出电压信号。控制器输出控制信号以PWM波的形式经PWM功率放大器放大后输入到励磁电磁铁中对衔铁产生对应的吸附力。
实验平台所有RTW实时控制实验均通过Simulink采用RTW仿真模块构建实验模型，Simulink调用CCS编译器将模型转化为DSP可执行代码，通过TMS320F28027s DSP控制板中集成的XDS100仿真器将代码下载到控制器中运行，并通过仿真器将控制器采集的传感器信号发送到Simulink中的监测模型中进行观测。
实验所用PC机可以是便携式笔记本电脑、台式电脑以及工控机，PC机与实验平台通过USB接口连接。
为省去传统球杆平台的中间传动装置，本发明中将平衡梁用前后两个轴承和轴承座直接固定于基座上。将超声波传感器固定于平衡梁左侧，衔铁固定于平衡梁右侧。如图2所示角度传感器与平衡梁转轴直连。励磁电磁铁通过M12螺杆支架固定于衔铁正上方处，可通过旋转上下两个螺帽对励磁电磁铁高度进行微调。
本实施例的基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台的具体实验步骤如下：
步骤1)为防止平台支架对励磁电磁铁的磁力产生影响，基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台的基座、平衡梁、限幅胶垫支架均采用铝合金钣金制成。平衡梁通过左右两个滚珠轴承和轴承座固定于基座之中，可在一定空间范围内自由旋转。励磁电磁铁通过对固定在平衡梁末端的衔铁的吸附力，使得平衡梁绕转动轴转动对应的角度，并通过固定于转轴末端的角度传感器测量得平衡梁转过的角度值，通过高精度超声波传感器获取小球的位置信号。同时为了防止过度运动而导致平衡梁损坏，在衔铁下方设置了一固定限幅胶垫对平衡梁转动区间进行限幅。
步骤2)采用支持RTW代码自动生成的32位DSP TMS320F28027s作为基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台的嵌入式实时控制器。该控制器内部集成有12位ADC采样电路，采样电压为0～3.3V，可通过外部采样处理电路对超声波传感器和角度传感器输出电压0～5V电压信号进行采集。利用控制器自带PWM发生器输出PWM信号经PWM功率放大器放大后输入给励磁电磁铁产生对应的吸附力，PWM控制器输出驱动电压为0～24V，驱动电流为0～2A，工作频率范围为100～100KHz。
步骤3)实验平台通过USB接口与PC机相连，通过控制板中集成的XDS100仿真接口实现与PC机中的Simulink仿真模型进行交互。
步骤4)本发明所使用PC机可以是装有Simulink、Ti C2000系列DSPSimulink RTW工具箱以及CCS集成开发环境的任何便携式笔记本电脑，台式电脑以及工控机。本发明所采用MATLAB版本为R2014b，所采用CCS集成开发环境为5.4版本。
如图3所示，一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台的电气部分由TMS320F28027s DSP控制板，PWM功率放大器，角度传感器信号采集电路以及超声波传感器信号采集电路组成。整个系统控制过程可以归纳为：励磁电磁铁吸附衔铁使得平衡梁绕滚珠轴承转动，角度传感器测量得到转轴转过角度计算得对应时刻角速度，超声波传感器测量得到小球的位置，DSP控制控制器根据传感器反馈信号计算得对应的控制量，并以PWM波的形式输出到PWM功率放大器，经放大后输入到励磁电磁铁中，从而实现对小球的稳定控制。
如图4所示，基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台的实验过程如下：
(1)对超声波位置传感器，角度传感器和PWM功率放大器进行标定实验，对标定结果进行拟合得到传感器和功率放大器的输入输出关系曲线。
(2)在Simulink中安装C2000系列工具箱，利用工具箱构建RTW仿真模型。接着为模型配置编译环境，将模型编译器选择为CCS V5，编译模式选择为“Build，load and run”。
(3)编译并下载模型到DSP控制板中，程序开始运行，系统开始工作。实验人员通过监测模型观测平衡梁转过角度和小球位置信息。
(4)根据实验现象和监测数据，修改模型参数，直到获得理想实验结果。

Claims (2)

1.一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台，其特征在于：包括机械部分和电气部分，所述机械部分采用电磁驱动方式，采用高精度和高线性度的超声波传感器和角度电位器分别测量小球位置和平衡杆转过的角度；所述电气部分包含TMS320F28027s DSP控制板、PWM开关型功率放大器以及超声波传感器和角度传感器的信号采集电路，平台与PC机之间通过USB接口连接，用户在Simulink环境下设计的模型，在编译成可执行文件后通过XDS100仿真器下载到控制器中运行；所述机械部分包含超声波位置传感器、角度传感器、平台基座、平衡梁、小钢球、励磁电磁铁、衔铁和限幅胶垫，其中，平衡梁由前后两个滚珠轴承固定于底座之中，将超声波位置传感器固定于平衡梁左侧，衔铁固定于平衡梁右侧；角度传感器通过联轴器与平衡梁转轴连接，固定于前面的滚珠轴承前部；励磁电磁铁对衔铁的吸附力带动平衡梁转动从而实现对小钢球位置的控制；限幅胶垫对平衡梁转动区间进行限定，防止平衡梁大幅度摆动；所述电气部分所采用的TMS320F28027s DSP控制板内部集成有多路12位ADC采集电路与16位PWM波形发生器； 控制板两路ADC经外部采样电路采集超声波传感器和角度电位器输出电压信号； 控制器输出控制信号以PWM波的形式经PWM功率放大器放大后输入到励磁电磁铁中对衔铁产生对应的吸附力；实验平台所有RTW实时控制实验均通过Simulink采用RTW仿真模块构建实验模型，Simulink调用CCS编译器将模型转化为DSP可执行代码，通过TMS320F28027s DSP控制板中集成的XDS100仿真器将代码下载到控制器中运行，并通过仿真器将控制器采集的传感器信号发送到Simulink中的监测模型中进行观测。
2.如权利要求1所述的一种基于快速模型的磁悬浮球杆系统半实物仿真实验平台，其特征在于：实验所用PC机可以是便携式笔记本电脑、台式电脑以及工控机，PC机与实验平台通过USB接口连接。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108873947A (zh) * 2018-06-05 2018-11-23 浙江工业大学 一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台
CN109782628A (zh) * 2019-03-11 2019-05-21 中国科学院力学研究所 一种基于实时仿真系统的磁悬浮列车实验台控制系统
CN111078487A (zh) * 2019-12-18 2020-04-28 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种基于实时嵌入式系统的硬件在环仿真方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012060599A2 (ko) * 2010-11-01 2012-05-10 김응정 인공 에너지식 구형 회전축 동력 발전장치
CN103512482A (zh) * 2013-10-14 2014-01-15 中国科学院电工研究所 一种超导磁悬浮转子姿态测量信号标定装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1047589A (ja) * 1996-08-02 1998-02-20 Yoshiro Oguro 磁気浮上防振装置
CN201417536Y (zh) * 2008-12-18 2010-03-03 浙江天煌科技实业有限公司 磁悬浮实验装置
CN104635511A (zh) * 2015-02-03 2015-05-20 西安交通大学 基于模型设计和自动代码生成的磁悬浮小球控制实验台
CN104867393B (zh) * 2015-05-21 2017-05-24 浙江大学 一种磁悬浮平衡梁实验装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012060599A2 (ko) * 2010-11-01 2012-05-10 김응정 인공 에너지식 구형 회전축 동력 발전장치
CN103512482A (zh) * 2013-10-14 2014-01-15 中国科学院电工研究所 一种超导磁悬浮转子姿态测量信号标定装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SoPC-Based Function-Link Cerebellar Model Articulation Control System Design for Magnetic Ball Levitation Systems;Chih-MinLin,et al.;《IEEET RANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》;20140831;第61卷(第8期);全文 *

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