CN110320385B - 一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统及其控制方法，系统中电涡流间隙传感器采集悬浮间隙信号值并发送给悬浮控制器；加速度传感器和无线发送单元设置于钢球内，加速度传感器采集钢球加速度值，通过无线发送单元和无线接收单元发送至悬浮控制器；电流传感器检测电磁铁的电流信号，并将其发送至悬浮控制器；悬浮控制器根据接收到的悬浮间隙信号值、加速度数据和电流信号的实时数据，确定要输出的电流大小，然后通过斩波器调节电磁铁的绕组电流，改变电磁力的大小，使钢球悬浮在给定悬浮间隙处。本发明提升了悬浮系统的悬浮性能，增大系统的动态刚度，改变了系统的阻尼和振动频率，提高了系统的抗干扰能力和悬浮稳定性。

Description

一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电磁悬浮技术领域，具体为一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统及其控制方法。
背景技术
传统的电磁悬浮球系统主要包括电磁铁、钢球、间隙传感器、悬浮控制电路以及斩波器等部分。电磁悬浮球系统是一个闭环控制系统，一般由间隙传感器检测钢球与电磁铁之间的距离变化，当钢球受到扰动下降，钢球与电磁铁距离增大，间隙传感器输出电压发生变化，然后间隙电压信号发送到悬浮控制器处理，再经过斩波器调节电磁铁电流，使得电磁铁电流增大，电磁吸力增大，钢球被吸回平衡位置，反之同理，故能使钢球在平衡位置悬浮。整个系统的工作原理图如图1所示。
现有电磁悬浮球系统根据悬浮间隙的变化情况常采用比例-微分控制器(位置速度反馈)来控制电磁铁电流进而实现钢球的稳定悬浮。控制电流可以表示为:
Δi(t)＝Kp*Δx(t)+Kd*Δx’(t)
式中Δx是间隙值变化量，Δx’(t)即速度值变化量，Kp、Kd分别是间隙变化量和速度变化量的反馈增益，可由实验测得。
但是在实际应用中微分环节存在有以下弊端：(1)微分控制对幅值变化快的强扰动反应过快，而执行机构的动作速度则相对比较缓慢，不能及时响应微分控制作用，因而微分控制不能有效抑制扰动；(2)进入微分环节的信号若出现突变现象，则控制器输出将出现一个尖峰；(3)理想微分控制对偏差信号夹杂的噪声干扰十分敏感，这对悬浮系统的稳定运行是不利的。
另外，当有外在扰动作用于钢球时，现有的电磁悬浮球系统存在因缺少加速度反馈导致的刚度不够及稳定性不够强的问题，如果有较强的扰动作用于悬浮球或者信号中干扰过大，电磁悬浮球系统很容易产生剧烈振动甚至失稳。它的结构简单且易于实现，但是抗干扰性不够强，稳定性有待提高。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够显著提升悬浮系统的悬浮性能，增大系统的动态刚度，改变系统的阻尼，改变振动频率，提高系统的抗干扰能力和系统的悬浮稳定性的具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统及其控制方法。技术方案如下：
一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统，包括电涡流间隙传感器、加速度传感器、悬浮控制器、斩波器、电流传感器、电池和悬浮钢球；
电涡流间隙传感器实时采集悬浮间隙信号值并将其发送给悬浮控制器；
加速度传感器和无线发送单元设置于钢球内部，加速度传感器采集钢球的加速度值，通过无线发送单元发送给无线接收单元；
电池用于给加速度传感器和无线发送单元供电；
无线接收单元将由无线发送单元发来的加速度数据发送至悬浮控制器；
电流传感器检测电磁铁的电流信号，并将其发送至悬浮控制器；
悬浮控制器根据接收到的悬浮间隙信号值、加速度数据和电流信号的实时数据，计算要输出的电流大小，然后通过斩波器调节电磁铁的绕组电流，改变电磁力的大小，使钢球悬浮在给定悬浮间隙处。
一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：根据间隙传感器实时发送的间隙信号值，得到悬浮间隙值的变化量Δx(t)；
步骤2：计算悬浮间隙值变化量的一阶微分Δx’(t)，记为Δv1(t)；
步骤3：根据加速度传感实时发送的加速度数据，得到加速度值的变化量Δa(t)；
步骤4：计算加速度值变化量的积分∫Δa(t)dt，记为Δv2(t)；
步骤5：确定电磁悬浮球竖向速度值的变化量Δv(t)：若|Δv1(t)|<＝|Δv2(t)|，则Δv(t)＝Δv1(t)；若|Δv1(t)|>|Δv2(t)|，则Δv(t)＝Δv2(t)；
步骤6：计算要输出的电流变化量
Δi(t)＝Kp*Δx(t)+Kv*Δv(t)+Ka*Δa(t)
其中Kp、Kv、Ka分别为间隙、速度和加速度变化量的反馈增益，根据系统稳定性需求，调整所述反馈增益值的大小；
步骤7：根据期望的控制电流与电流传感器反馈的实际电流的差值Ei确定输出PWM波形的占空比，从而控制电磁铁的电流：当Ei变大时，增大PWM波的占空比，使输出电流变大，当Ei变小时，减小PWM波的占空比，使输出电流变小。
进一步的，所述反馈增益值的调整方式包括：
通过增大间隙变化量的反馈增益Kp来提高系统响应速度并减小静态误差；
当因间隙变化量的反馈增益Kp过大，产生过大的超调、振荡或系统失稳时，则适当回调以减小间隙变化量的反馈增益Kp；
通过增大速度变化量的反馈增益Kv来改善系统的动态特性，减小超调量；
当因速度变化量的反馈增益Kv过大，导致系统阻尼过大使系统的调节速度过慢或系统失稳时，则适当回调以减小速度变化量的反馈增益Kv；
通过增大加速度变化量的反馈增益Ka，以增大系统刚度，减小钢球振动幅度；
当因加速度变化量的反馈增益Ka过大，引起干扰变大，系统不稳定时，则适当回调以减小加速度变化量的反馈增益Ka。
本发明的有益效果是：本发明加入了加速度反馈环节，并对悬浮控制方法的改进，使得悬浮系统的悬浮性能有了显著的提升，增大了系统的动态刚度，改变了系统的阻尼，使得振动频率改变；提高系统的抗干扰能力，系统的悬浮稳定性显著提高。同时可以增大位置增益Kp的调节范围，从而增大悬浮系统的稳定范围。
附图说明
图1为现有的电磁悬浮球系统原理图。
图2为本发明的电磁悬浮球系统原理图。
图3为本发明的整体结构示意图。
图4为加速度信号传输过程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明设计了一种具有加速度检测及无线传输功能的电磁悬浮球系统，并结合加速度信号的反馈对悬浮控制方法进行了优化。由于在磁悬浮球系统中钢球本身处于悬浮状态与外界没有电气接线，因此采用无线通信的方法实现钢球加速度信号的传输。电磁悬浮球系统的工作原理图如图2所示。
如图3所示，本发明的电磁悬浮球系统包括电涡流间隙传感器、加速度传感器、悬浮控制器、斩波器和电流传感器；电涡流间隙传感器实时采集悬浮间隙信号值并将其发送给悬浮控制器；加速度传感器、无线发送单元和电池设置于钢球内部，加速度传感器采集钢球的加速度值，通过无线发送单元发送给无线接收单元；无线接收单元将由无线发送单元发来的加速度数据发送至悬浮控制器；电池用于给加速度传感器和无线发送单元供电；电流传感器检测电磁铁的电流信号，并将其发送至悬浮控制器；悬浮控制器根据接收到的悬浮间隙信号值、加速度数据和电流信号的实时数据，计算要输出的电流大小，然后通过斩波器调节电磁铁的绕组电流，改变电磁力的大小，使钢球悬浮在给定悬浮间隙处。斩波器用于输出可控的PWM波，控制电磁铁电流的大小。
本实施例在钢球内部安装加速度传感器、无线通信单元和电池用以实现竖向加速度信号的检测及无线传输。加速度传感器检测钢球运动时的竖向加速度值，然后由钢球上安装的无线发送单元经无线传输将加速度数据发送给无线接收单元，无线接收单元将加速度数据发送给悬浮控制器。而间隙信号和电流信号可经有线传输直接传输给悬浮控制器。
对电磁悬浮球系统模型线性化后得到如下关系式:
mΔa＝kx*Δx-ki*Δi+fd
其中，Δa为加速度值变化量，m为钢球质量，kx和ki分别为气隙刚度系数和电流刚度系数，Δx为间隙值变化量，Δi为电流变化量。
控制结构框图如图4所示。为了提高悬浮控制系统的稳定性和抗干扰能力，悬浮控制器在原有的位置-速度反馈基础之上，加入了加速度反馈环节，即位置-速度-加速度反馈，控制电流可以表示为:
Δi(t)＝Kp*Δx(t)+Kv*Δv(t)+Ka*Δa(t)
式中，Δx(t)是间隙值变化量，Δv(t)是竖向速度值变化量，Δa(t)是竖向加速度值变化量，Kp、Kd和Ka分别是间隙、速度和加速度变化量的反馈增益，Δx(t)和Δa(t)分别由间隙传感器和加速度传感器测得。
由于微分环节对噪声干扰十分敏感以及存在微分突变现象，为了减少微分控制环节对系统稳定性的影响，增强速度反馈环节的可靠性，钢球的竖向速度值由实际测到的悬浮间隙值的微分和加速度值的积分中绝对值最小的值来表示，即当|Δx’(t)|<＝|∫Δa(t)dt|时，Δv(t)＝Δx’(t)；当|Δx’(t)|>|∫Δa(t)dt|时，Δv(t)＝∫Δa(t)dt。使用该方法获得的速度数据有效减少了微分环节带来的不良影响，提高速度反馈环节的可靠性。
悬浮控制器根据反馈得到的悬浮间隙值和竖向加速度值得到控制电流的值，然后通过改变PWM波的占空比调节输出电流的大小，从而控制钢球受到的电磁力，使钢球稳定悬浮在给定悬浮间隙处，实时电流信号反馈则用于提高电流的响应速度。当有外力作用于钢球时，破坏了钢球的受力平衡，此时钢球加速度值应为非零值。加速度传感器将加速度数据传送至悬浮控制器，悬浮控制器根据加速度值和悬浮间隙值的变化采用相应的控制方法调节电磁铁电流的大小，使钢球快速回到受力平衡及稳定悬浮状态。
控制步骤如下：
步骤1：根据间隙传感器实时发送的间隙信号值，得到悬浮间隙值的变化量Δx(t)。
步骤2：计算悬浮间隙值变化量的一阶微分Δx’(t)，记为Δv1(t。
步骤3：根据加速度传感实时发送的加速度数据，得到加速度值的变化量Δa(t)。
步骤4：计算加速度值变化量的积分∫Δa(t)dt，记为Δv2(t)。
步骤5：确定电磁悬浮球竖向速度值的变化量Δv(t)：若|Δv1(t)|<＝|Δv2(t)|，则Δv(t)＝Δv1(t)；若|Δv1(t)|>|Δv2(t)|，则，Δv(t)＝Δv2(t)。
步骤6：计算要输出的电流变化量
Δi(t)＝Kp*Δx(t)+Kv*Δv(t)+Ka*Δa(t)
其中Kp、Kv、Ka分别为间隙、速度和加速度变化量的反馈增益，根据系统稳定性需求，调整所述反馈增益值的大小。
反馈增益值的调整方式包括：
通过增大间隙变化量的反馈增益Kp来提高系统响应速度并减小静态误差；
当因间隙变化量的反馈增益Kp过大，产生过大的超调、振荡或系统失稳时，则适当回调以减小间隙变化量的反馈增益Kp；
通过增大速度变化量的反馈增益Kv来改善系统的动态特性，减小超调量；
当因速度变化量的反馈增益Kv过大，导致系统阻尼过大使系统的调节速度过慢或系统失稳时，则适当回调以减小速度变化量的反馈增益Kv；
通过增大加速度变化量的反馈增益Ka，以增大系统刚度，减小钢球振动幅度；
当因加速度变化量的反馈增益Ka过大，引起干扰变大，系统不稳定时，则适当回调以减小加速度变化量的反馈增益Ka。
当因加速度变化量的反馈增益Ka过大，引起干扰变大，系统不稳定时，则适当回调以减小加速度变化量的反馈增益Ka。
步骤7：根据期望的控制电流与电流传感器反馈的实际电流的差值Ei确定输出PWM波形的占空比，从而控制电磁铁的电流：当Ei变大时，增大PWM波的占空比，使输出电流变大，当Ei变小时，减小PWM波的占空比，使输出电流变小。
当有外在扰动时，加速度为非零值，悬浮控制器根据加速度值和悬浮间隙值调节电磁铁的电流大小，使钢球快速回到受力平衡状态，加速度反馈环节的加入以及控制方法的改进提高了整个悬浮控制系统的抗干扰性，有效提高了系统的悬浮性能。

Claims (2)

1.一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统的控制方法，其特征在于，
所述电磁悬浮球系统包括电涡流间隙传感器、加速度传感器、悬浮控制器、斩波器、电流传感器和钢球；
电涡流间隙传感器实时采集悬浮间隙信号值并将其发送给悬浮控制器；
加速度传感器和无线发送单元设置于钢球内部，加速度传感器采集钢球的加速度值，通过无线发送单元发送给无线接收单元；
无线接收单元将由无线发送单元发来的加速度数据发送至悬浮控制器；
电流传感器检测电磁铁的电流信号，并将其发送至悬浮控制器；
悬浮控制器根据接收到的悬浮间隙信号值、加速度数据和电流信号的实时数据，计算要输出的电流大小，然后通过斩波器调节电磁铁的绕组电流，改变电磁力的大小，使钢球稳定悬浮在给定悬浮间隙处；
所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：根据间隙传感器实时发送的间隙信号值，得到悬浮间隙值的变化量Δx(t)；
步骤2：计算悬浮间隙值变化量的一阶微分Δx’(t)，记为Δv1(t)；
步骤3：根据加速度传感实时发送的加速度数据，得到加速度值的变化量Δa(t)；
步骤4：计算加速度值变化量的积分∫Δa(t)dt，记为Δv2(t)；
步骤5：确定电磁悬浮球竖向速度值的变化量Δv(t)：若|Δv1(t)|<=|Δv2(t)|，则Δv(t) =Δv1(t)；若|Δv1(t)|>|Δv2(t)|，则，Δv(t)=Δv2(t)；
步骤6：计算要输出的电流变化量
Δi(t)=Kp*Δx(t)+Kv*Δv(t)+Ka*Δa(t)
其中Kp、Kv、Ka分别为间隙、速度和加速度变化量的反馈增益，根据系统稳定性需求，调整所述反馈增益值的大小；
步骤7：根据计算的控制电流与电流传感器反馈的实际电流的差值Ei确定输出PWM波形的占空比，从而控制电磁铁的电流：当差值Ei变大时，增大PWM波的占空比，使输出电流变大，当差值Ei变小时，减小PWM波的占空比，使输出电流变小。
2.根据权利要求1的控制方法，其特征在于，所述反馈增益值的调整方式包括：
通过增大间隙变化量的反馈增益Kp来提高系统响应速度并减小静态误差；
当因间隙变化量的反馈增益Kp过大，产生过大的超调、振荡或系统失稳时，则适当回调以减小间隙变化量的反馈增益Kp；
通过增大速度变化量的反馈增益Kv来改善系统的动态特性，减小超调量；
当因速度变化量的反馈增益Kv过大，导致系统阻尼过大使系统的调节速度过慢或系统失稳时，则适当回调以减小速度变化量的反馈增益Kv；
通过增大加速度变化量的反馈增益Ka，以增大系统刚度，减小钢球振动幅度；
当因加速度变化量的反馈增益Ka过大，引起干扰变大，系统不稳定时，则适当回调以减小加速度变化量的反馈增益Ka。
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