CN108873947A - 一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台 - Google Patents

Abstract

一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台，包含机械部分、电气部分和网络通信模块，其中机械部分包含励磁电磁铁、励磁电磁铁固定螺纹杆、外部支架、小铁球和激光位移传感器固定支架；电气部分包含PWM开关型功率放大器以及激光位移传感器；网络通信模块包括STM32控制芯片及其扩展电路，STM32控制芯片通过以太网口与PC机中的上位机进行网络通信，进而实现网络交互。本发明的装置将磁悬浮控制与网络控制技术相结合，为网络控制理论和教学提供了一个方便的实验平台，具有低成本、可监测、可远程控制和可调参等优点。

Description

一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术、网络化控制技术领域，特别是一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台。

背景技术

磁悬浮技术的基本原理是指利用磁力克服重力，使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态。磁悬浮技术是集电磁学、电力电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型综合应用技术。因此与其他传统的机械结构相比具有无需润滑、系统状态可测、无接触式控制、无接触式机械磨损等优点。磁悬浮技术已被广泛的应用到包括工业、航空、医疗的众多领域中。而且磁悬浮系统实验平台作为相关控制算法研究的重要工具，具有数学模型简单，机械结构易于实现等优点，目前已成为高校相关专业进行控制理论教学和控制算法验证的经典平台。但传统的磁悬浮系统还存在着很多的不足，限制了其推广和应用。

传统的磁悬浮球系统实验平台多采用PCI数据卡作为控制器，限制了其只能与台式电脑配套使用，而且PCI相关的实验装置大多比较笨重，占地面积大，使得所有的实验工作必须在实验室完成。而且PCI的接口电路很复杂，采集卡价格昂贵，提高了实验开发成本。

传统磁悬浮球实验平台大多采用光电位移传感器或者霍尔传感器作为系统的数据采集器件。然而它们具有量程短、响应速度慢、精度低、线性度差等缺点。从而降低了磁悬浮球实验平台的控制精度。

随着工业技术的不断发展，很多场合都出现了空间分布广、日常维护难度大的系统。因为传统控制系统多为点对点的控制，空间位置相对分散时很难做到协调控制，所以越来越难以满足复杂大系统的控制要求。而与之相对应的网络控制系统(Networked ControlSystem,NCS)则更具优势。NCS主要由传感器、控制器、执行器、控制对象和共享网络组成，它适应了现代工业对控制系统的结构的灵活性、对控制现场更强的适应性以及开放性、便捷性、快速性等方面的智能化要求。在网络化时代背景下，相比传统的磁悬浮装置大都采用串口通信，面临通讯距离受限、串口数量限制、成本高等问题，开发基于网络的磁悬浮实验平台显得尤为必要。

发明内容

为了克服上述提到的传统磁悬浮系统实验平台无法实现远程协同控制、传感器量程短、响应速度慢、测量精度低、线性度差，PCI通讯距离、接口数量受限以及成本高的不足，本发明提供了一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台。该平台将控制器和执行器分离，使得系统各部分的工作更加稳定、控制效率更高，可以推广到高校中作为实验学习平台或用于类似问题的控制算法验证。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台，包含机械部分、电气部分和网络通信模块，其中机械部分包含励磁电磁铁、励磁电磁铁固定螺纹杆、外部支架、小铁球和激光位移传感器固定支架，所述外部支架上可伸缩地套装励磁电磁铁固定螺纹杆，所述励磁电磁铁固定螺纹杆的下端安装励磁电磁铁，所述激光位移传感器固定支架位于励磁电磁铁的正下方，所述激光位移传感器固定支架与所述励磁电磁铁之间为放置小铁球的实验工位；电气部分包含PWM开关型功率放大器以及激光位移传感器，所述激光位移传感器安装在所述激光位于传感器固定支架上；网络通信模块包括STM32控制芯片及其扩展电路。

进一步，所述机械部分中，所述外部支架为铝合金型材支架，采用铝制角码固定铝合金型材支架与上下胶合板，采用铝制角槽固定激光位移传感器支架与下面的胶合板，采用螺钉固定激光位移传感器支架上部与激光传感器木板，所述励磁电磁铁固定螺纹杆的上端套装螺母，励磁电磁铁通过螺纹杆和螺母动态调整位置，方便实验时进行校正。

更进一步，所述激光位移传感器采用高精度COM激光位移传感器，以获取小球的精确位置，传感器输出电压信号直接传输到STM32控制芯片的ADC模块。

再进一步，所述STM32控制芯片通过以太网接口实现与PC中上位机的网络通讯，并利用自身的ADC模块获取激光传感器输出的小球实时位置信号，并将信号实时传输到PC机端的上位机，上位机利用所得位置信号、参数设定值和控制算法计算出控制信号，再将控制信号传输给STM32控制芯片，接着芯片将控制信号以PWM波的形式输出到PWM功率放大器中，PWM功率放大器驱动励磁电磁铁从而实现对小球位置的稳定控制。

所述PC机是装有上位机开发软件Microsoft Visual Studio 2010的任何台式PC机、便携式笔记本电脑或工控机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用STM32控制芯片作为系统的通讯媒介。主要功能是采集位置数据和获取控制信号，并将控制信号以PWM波的形式传输给PWM功率放大器。该方法克服了传统实验平台对昂贵PCI数据采集卡的依赖，进而克服了对台式PC机的依赖，而且不受通信接口数量的限制，同时解决了网络远程控制磁悬浮球的问题；

(2)本发明为节约开发成本，便于后续集成化设计，使用低成本、高效率的PWM开关型功率放大器，使得功率放大电路性能更加可靠，电路结构更加小巧，本发明所采用的STM32控制芯片，PWM开关型功率放大器均为低成本硬件；

(3)本发明采用大量程、高精度、强线性度的COM激光位移传感器作为位移量测器件。极大地提高了实验平台的控制精度，因此本发明具有巨大的推广价值和应用前景。

附图说明

图1为基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台结构示意图。

图2为基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台本体示意图。其中，1—

外部支架，2—励磁电磁铁固定螺纹杆，3—励磁电磁铁，4—小铁球，5—激光位移传感器，6—激光位移传感器固定支架

图3为基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台控制流程图。

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3，一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台，包含机械部分、电气部分和网络通信模块。

基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台机械部分的主要功能为实现小球位置控制。如图2所示，机械部分包含励磁电磁铁3、励磁电磁铁固定螺纹杆2、外部支架1、小铁球4和激光位移传感器固定支架6。所述外部支架上可伸缩地套装励磁电磁铁固定螺纹杆，所述励磁电磁铁固定螺纹杆的下端安装励磁电磁铁，所述激光位移传感器固定支架位于励磁电磁铁的正下方，所述激光位移传感器固定支架与所述励磁电磁铁之间为放置小铁球的实验工位。所述外部支架为铝合金型材支架，铝合金型材支架与上下胶合板通过铝制角码固定。所述励磁电磁铁固定螺纹杆的上端套装螺母，励磁电磁铁可通过螺纹杆和螺母动态调整位置，方便实验时进行校正。

如图1所示，电气部分包括PWM功率放大器、激光位移传感器5。所述激光位移传感器安装在所述激光位于传感器固定支架上。电气部分的主要功能是采集小球实时位置信号以及接收STM32控制芯片输出的控制信号，再利用PWM功率放大器驱动励磁电磁铁实现对小球位置的稳定控制。

网络通信模块包括STM32控制芯片及其扩展电路。网络通信模块的主要功能是采集激光传感器的位置信号，再通过以太网将位置信号传输到PC端，PC端的上位机根据设定值和一定的控制规律计算出对小球的控制信号，再将控制信号通过以太网传输到STM32控制芯片，接着STM32控制芯片将该信号以PWM波的形式输出到PWM功率放大器中。这种基于以太网的网络控制实验实现了执行器与上位机的网络通讯，实验人员可以在PC机上实时监测实验数据、设定控制参数以及整定控制算法参数。

一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台的具体实现步骤如下：

步骤1)基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台的机械部分主要由木质型材和铝合金材料构成，铝合金型材主要作为支架悬梁，高密度压缩胶合板主要作为装置的平板支撑面，利用螺纹杆将励磁线圈固定于上部胶合板中。电磁铁固定螺纹杆和螺母可灵活调整励磁线圈的位置，激光传感器通过螺钉固定于传感器下方的传感器角件上。

步骤2)采用大量程、高精度、强线性度的COM激光位移传感器作为位移量测器件，传感器最大量程30mm，测量精度达0.01mm，极大的提高了实验平台的控制精度。采用低成本、高性能的STM32控制芯片作为本磁悬浮球实验平台的嵌入式通信媒介。控制器内部集成有A/D转换电路，其采样电压为0～3.3V，可利用自带ADC模块采集激光位移传感器的位置信号输出电压，芯片的PWM模块引脚输出控制信号到PWM功率放大器。采用输出电压为0～24V，工作频率范围为100～100KHz的PWM开关型功率放大器，与励磁电磁铁组合构成磁悬浮球实验平台的执行器部分。

步骤3)如图3所示，基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台的配置和工作流程如下：

(1)对传感器，功率放大器进行标定实验，利用算法，如最小二乘法、卡尔

曼滤波等方法对实验结果进行拟合，得到传感器和功率放大器的输入和输

出关系曲线。

(2)在PC的上位机软件中配置相应的IP和端口地址。

(3)将配置好开发环境的PC机与STM32控制芯片连接在同一局域网中，

运行PC机中的上位机软件，系统开始工作。实验人员通过上位机绘图插件动态观测小球实时位置以及控制算法相关的中间变量，并根据监测数据实时在线整定系统控制算法的参数，最终使得小球稳定悬浮于平衡位置或者动态跟踪某一信号曲线。

Claims (5)

1.一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台，其特征在于，包含机械部分、电气部分和网络通信模块，其中机械部分包含励磁电磁铁、励磁电磁铁固定螺纹杆、外部支架、小铁球和激光位移传感器固定支架，所述外部支架上可伸缩地套装励磁电磁铁固定螺纹杆，所述励磁电磁铁固定螺纹杆的下端安装励磁电磁铁，所述激光位移传感器固定支架位于励磁电磁铁的正下方，所述激光位移传感器固定支架与所述励磁电磁铁之间为放置小铁球的实验工位；电气部分包含PWM开关型功率放大器以及激光位移传感器，所述激光位移传感器安装在所述激光位于传感器固定支架上；网络通信模块包括STM32控制芯片及其扩展电路。

2.如权利要求1所述的一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台，其特征在于：所述机械部分中，所述外部支架为铝合金型材支架，采用铝制角码固定铝合金型材支架与上下胶合板，采用铝制角槽固定激光位移传感器支架与下面的胶合板，采用螺钉固定激光位移传感器支架上部与激光传感器木板，所述励磁电磁铁固定螺纹杆的上端套装螺母，励磁电磁铁通过螺纹杆和螺母动态调整位置。

3.如权利要求1或2所述的一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台，其特征在于：所述激光位移传感器采用高精度COM激光位移传感器，以获取小球的精确位置，传感器输出电压信号直接传输到STM32控制芯片的ADC模块。

4.如权利要求1或2所述的一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台，其特征在于：所述STM32控制芯片通过以太网接口实现与PC中上位机的网络通讯，并利用自身的ADC模块获取激光传感器输出的小球实时位置信号，并将信号实时传输到PC机端的上位机，上位机利用所得位置信号、参数设定值和控制算法计算出控制信号，再将控制信号传输给STM32控制芯片，接着芯片将控制信号以PWM波的形式输出到PWM功率放大器中，PWM功率放大器驱动励磁电磁铁从而实现对小球位置的稳定控制。

5.如权利要求4所述的一种基于以太网的网络控制磁悬浮球实验平台，其特征在于：所述PC机是预装有Microsoft Visual Studio 2010及后续版本的任何台式PC机、便携式笔记本电脑或工控机。