CN2935225Y - 磁浮球控制系统实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种磁浮球控制系统实验装置，应用于自动控制领域。包括磁悬浮本体、供电电路(A)、控制电路(C)、驱动电路(B)、位置检测电路(D)和磁浮球(2)；还包括发光元件(3)，采用激光发射器或红外发送管组件，所述的位置检测电路(D)为光电检测电路，由光电接收器件(5)、I/V转换器(6)、放大偏置电路(7)和反相放大电路(8)组成；发光元件发出的光束覆盖整个检测区域，其发出的光信号经光电接收器件转化为电流信号，再经I/V转换器转化为电压信号，然后经放大偏置电路和反相放大电路(8)输出位置反馈信号。本实用新型为自动控制理论类课程的教学实验与课程设计提供了物理模型与控制方法研究的实验平台。

Description

磁浮球控制系统实验装置

技术领域

磁浮球控制实验装置受控物理量为球的位移，由电磁力控制钢球在空气中悬浮；通过位移闭环控制可实现磁浮球悬浮状态的动态调节控制、垂直位移跟踪控制等，应用于自动控制领域。

背景技术

关于磁浮球的自动控制理论，许多学者都进行过各种研究与尝试。台湾的国立云林科技大学与虎尾技术学院的吴旭焜、苏仲鹏、陈中政等几位教授是较早研究磁浮球控制理论的学者。他们在2001年共同发表了一篇题为《非线性磁浮球系统之全域指数追踪》的学术论文，该论文研究的主要内容是利用一种非线性控制方法，设计出一个可以缩小轨迹误差的追踪控制器。国内关于磁浮球的研究主要工作集中在应用方面，例如磁浮球液位控制器和磁浮球感光控制器的研究。英国Feedback公司研制生产的磁浮球控制系统是专门用于自动控制专业的实验设备，由国内的耀华公司进行代理，但是对于其内部结构与电路无法获知。国内关于磁浮球实验平台上的研究较少。

发明内容

本实用新型的磁浮球控制系统实验装置的目的是以自动控制理论为基础，利用磁悬浮技术实现对磁浮球的控制，提供学生进行不同控制方法的设计与研究。可以满足工科院校自动控制原理、现代控制理论教学实验和控制系统课程设计的需求。

本磁浮球实验装置为吸浮式悬浮系统，由磁悬浮本体(电磁铁1、支架14、底座4等)、供电电路A、控制电路C、驱动电路B、位置检测电路D和磁浮球2组成。利用电磁力克服球体的自身重力，达到平衡状态时球体悬浮于空中。电磁设计采用单磁极方式，由于磁极的电磁力作用方向唯一，可以平衡磁浮球自身重力并控制磁浮球的运动状态。本实验装置的原理图参见图1，电磁铁由磁极与电磁线圈组成，电磁线圈中通以一定电流将产生电磁力，磁浮球受电磁力吸引向上悬浮，当电磁吸力与磁浮球的重力相平衡时，磁浮球处于稳定悬浮状态。由于电磁力大小与磁浮球与磁极之间的距离的平方成反比，所以开环状态下只要平衡状态受到极微小的扰动，就会从某个平衡位置偏出。而距离越近(越远)，所受到的吸力就越大(越小)，使磁浮球更加偏离平衡位置，最终导致磁浮球或是掉下来或是被电磁铁吸住，为此必须实现磁浮球悬浮位置闭环控制。

本实用新型的磁浮球的位置信号由位置检测电路检测后反馈给控制电路，控制电路将控制量变为电压信号传给驱动电路控制电磁铁中的电流大小从而控制电磁吸力，供电电路用来给电磁铁提供电源。

一般光电位移检测装置是检测被测物体上光点的移动；而磁浮球位移属于光斑位移，即遮光体移动。因此，国内没有现成的检测装置。本装置中设计了光电检测电路，由光电接收器件5、I/V转换器6、放大偏置电路7和反相放大电路8组成；设置发光元件3，其位置满足其发出的光束覆盖整个检测区域，其发出的光信号经光电接收器件转化为电流信号，再经I/V转换器转化为电压信号，然后经放大偏置电路7和反相放大电路8输出位置检测信号。

本装置中的光电检测电路设计了以激光为光源与以红外线为光源的两种光斑位移检测电路。

以激光为光源的发光元件采用激光发射器3₁，检测电路采用光电位置传感器(PSD)10，本实用新型采用集成硅光电池，根据光生伏特效应，通过磁浮球的位移(遮光量)改变PSD接收器件的入射光，落到PSD上的入射光转换成光电子在PSD内部形成光电流，再通过分别接光电位置传感器的两电极的第一I/V转换器6₁和第二I/V转换器6₂和加法器9将电压信号输入到第一放大偏置电路7₁实现磁浮球位移信号的检测。电路原理框图见图3。

由于以激光为光源的光斑检测电路对可见光十分敏感，检测信号受白昼、日光、灯光的影响较大，使系统控制参数常常受到可见光的影响。本实用新型又设计了以红外线为光源的光斑检测电路，红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，占了波谱的0.76～1000um的波长，而可见光的波谱为0.38～0.76um波长，因此选用中红外(3.0～6.0um)中远红外(6.0～20um)，远红外为20～1000um的红外器件构成发射与接收电路，即可避开可见光对位置检测信号的影响，提高了磁浮球实验系统的抗干扰能力和工作的可靠性。以红外线为光源的检测电路原理框图见图4，红外发送管组件3₂为多个红外发光二极管线性紧密排列组成，其发出的平行红外光的最顶端满足与钢球运动的最顶端相平行，光电接收器件为带滤光镜的光电二极管组件11，光电二极管组件11也为多个带滤光镜的光电二极管紧密排列组成，接收磁浮球运动遮挡之余的红外光，输出的电流信号经第三I/V转换器6₃输出到第二放大偏置电路7₂。

实验装置的驱动电路采用电力电子技术中的开关器件与斩波控制。控制器的设计提供两种方法，即经典校正方法与智能控制方法。经典的校正方法通过模拟电路实现；智能控制方法通过数字控制器实现。

本装置的驱动电路由脉宽调制电路12和开关器件13组成，脉宽调制电路采用芯片SG3525，开关器件采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。磁浮球的位置信号由传感器检测后反馈给控制器，控制器通过控制算法得到控制量，然后将控制量变为电压信号传给集成脉冲宽度调制器芯片SG3525的输入端，SG3525是一个两端的脉冲宽度调制器，根据输入电压信号可以产生脉宽可变的输出信号，控制开关器件IGBT的通断，使得电磁铁中的电流大小得到控制，即控制电磁吸力，从而使钢球稳定悬浮。由IGBT与SG3525构成的驱动电路如图2所示。

本实验装置模拟控制器采用运算放大器及外围器件构成，可实现PI、PD、PID控制。本装置还包括信号发生器电路，由正弦波发生器和梯形波发生器电路构成。除了实现钢球的悬浮位置可控制外，还可根据正弦波或梯形波给定信号，通过位置闭环实现钢球按正弦波或梯形波运动轨迹进行跟踪控制。控制器电路原理图如图6所示，信号发生器电路如图7所示。

本实验装置的数字控制器由PC机、PCI-1711数据采集卡、Matlab的软件平台构成，可以通过Simulink环境建立磁浮球的数学模型及控制器模型，进行控制算法的仿真；亦可通过Matlab中的Real-Time Windows Target环境实现控制算法对于磁浮球实验系统的实时控制。

本实用新型设计的磁浮球控制系统实验装置可以进行按正弦轨迹与梯形波轨迹的位置跟踪的实验演示；可以在实验装置面板上提供操作者进行模拟控制器的连接与调试；可以与Pc机连接在MATALAB软件平台上进行各种智能控制算法的仿真与实时控制的研究。为自动控制理论类课程的教学实验与课程设计提供了物理模型与控制方法研究的实验平台。

附图说明

图1、磁浮球控制系统实验装置电路原理框图；

图2、磁浮球控制系统实验装置电路结构框图；

图3、本磁浮球控制实验装置的激光源光电检测电路原理框图；

图4、本磁浮球控制实验装置的红外线光电检测电路原理框图；

图5、磁浮球控制系统实验装置驱动电路原理图；

图6、磁浮球控制系统实验装置模拟控制器；

图7、正弦波与梯形波信号发生器电路原理图；

图8、激光源光电检测电路原理图；

图9、红外线光电检测电路原理图；

图10、磁浮球实验装置结构示意图；

图中，1、电磁铁，2、磁浮球，3、发光元件，3₁、激光发射器，3₂、红外发送管组件，4、底座，5、光电接收器件，6、I/V转换器，6₁第一I/V转换器，6₂、第二I/V转换器，6₃、第三I/V转换器，7、放大偏置电路，8、反相放大电路，8₁、第一反相放大电路，8₂、第二反相放大电路，9、加法器，10、光电位置传感器，11、光电二极管组件，12、脉宽调制电路，13、开关器件，14、支架，15、控制器，A、供电电路，B、驱动电路，C、控制电路，D、位置检测电路。

具体实施方式

结合图5～图10对本实用新型的实施例作进一步的说明：

磁浮球控制系统实验装置的电路部分主要由驱动电路B、控制电路C和光电检测电路D构成。本实验装置结构设计采用台式结构，电磁铁的安装位置采用“龙门式”设计方案，固定在横梁的中间，这样能够起到稳固的效果，磁浮球采用直径为20cm的钢球。其结构示意图如图10所示。

参照图5，主电路采用了直流脉宽调制(PWM)工作方式。首先将单相交流电通过整流模块变换为直流电，在直流侧采用一只IGBT器件(选用型号为10N60)作为开关控制主电路的电流变化。在IGBT开通过程中，主电路中得到一个持续稳定的电压，对电磁线圈供电；在IGBT关断过程中，电源被切断，电路处于断路状态，负载上得不到任何电压信号。IGBT通过改变主电路输出电压脉冲波形宽度，可连续地改变主电路电流(即流过电磁线圈的电流)的大小。PWM驱动电路选用SG3525集成电路芯片，SG3525的5脚接振荡电路电容，6脚接充电电容，7脚接放电电容。14脚与11脚短接，使两个三极管接成推拉式输出极。9脚为比较器的一个输入端，来自控制器的输入电压信号和振荡电路的幅值作比较，得到的PWM波由13脚输出，输出PWM波的幅值为5V。

SG3525之后，依次连接了74LS00、TLP521-1、7406芯片，起整形滤波、隔离、驱动的作用。74LS00、7406作为后级驱动，TLP521作为强弱电之间DC-DC隔离，解决了SG3525抗干扰能力不强的问题。

参照图6，磁浮球控制系统实验装置模拟控制器由运算放大器和外围器件件组成。该模拟控制器电路分为两部分，图中上半部分为内置演示用；下半部分供外部连接实验用。运算放大器选用内部含有双运放的LM258集成电路芯片，位置给定信号接入LM258的反向端2脚；位置检测信号接入LM258的同相端3脚，构成差动输入。根据电阻电容外围元件与运算放大器的配置，可以构成PD、PI、PID控制器。输出端为LM258的1脚。由于PWM驱动电路SG3525的输入控制信号Uct要求正的电压信号，因此，在模拟控制器的输出级接入一反相器，由LM258中的另一运放组成，7脚输出为Uct信号，送入SG3525的输入端。

参照图7，信号发生器电路包括正弦波发生器与梯形波发生器电路。正弦波发生器是由运算放大器LM224组成的RC正弦波振荡器，电路采用文氏电桥，R₂₃、C₂₀和R₂₇、C₂₁的选频网络为LM224同向输入端提供反馈，R₃₁、R₅₉、R₃₅为负反馈。为了维持振荡，正反馈必须大于负反馈。当电阻R₂₃＝R₂₇＝R，电容C₂₀＝C₂₁＝C，电路振荡频率为： $f=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}},$ 通过改变电阻R

可调节正弦波的振荡频率。

梯形波信号发生器与正弦波发生器的工作原理相同，只是在正弦波发生器的输出端并联了两只稳压管DW₁与DW₂，对正弦波的正负峰值进行了限幅处理-变为平顶波，即为梯形波。

参照图8，光斑位移检测电路发射端采用激光源，去掉发光元件前面的透镜，使其发出的光束覆盖整个检测区域。接收端采用光电位置传感器(Position-Sensitive Detector)，简称PSD，是一种利用半导体的横向光电效应得到入射光电位置信息的功能化器件，选用安徽蚌埠集成光电技术研究所的一维PSD-W107。PSD结构由三层组成：P型层在表面，N型层在底面，I层在它们中间。落到PSD上的入射光转换成光电子在P层上形成光电流流动，由两端电极收集。

根据入射光点的位置，电流与位置关系的方程如式下：

$x=k\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}$

上式中，x代表光点位置，k代表转换系数，I₁代表其中的一个电极收集的电流，I₂代表另一电极收集的电流。

由于检测物理量由光点位移变为了球体运动所遮挡的阴影，因此电流与位置的关系也发生了变换，变成了两电极输出电流大小之和与阴影面积成反比，即两电极输出电流大小之和与球的位置成反比。由于PSD的两个电极输出的是电流信号，而位置反馈信号应为电压信号，因此，首先进行电流-电压转换，转换电路采用LM224集成电路芯片，LM224内部含有四个运放。PSD的两个电极输出的电流信号，分别接入两个运算放大器U_1A和U_1B的反相输入端，即LM224的2脚与6脚，经过I/V转换，1脚与4脚分别输出电压信号。两路电压信号在运算放大器U_1C的反向端9脚输入，进行求和运算，8脚输出合成电压信号，同时，由于系统要求位置反馈信号应随着球的升高而增加，在底座位置时检测信号为零。因此必须将电压信号的大小与球体的位移距离成正比，也即检测电压的大小与光斑位移的大小成正比。因此最后一级采用比较器，+5V比较电压接在U_1D-LM224的12脚，检测电压信号接入13脚，采用求差的方法最后由LM224的14脚输出位置检测信号0～5V的电压。图5中的U4单元为零位调节单元，将PSD的中点接入运算放大器OP07的输入端，运放接为跟随器形式，通过调节W1的电位，改变PSD的中点的参考电位，从而调节零位对应的电压。

参照图9，磁浮球实验系统的红外位置检测装置是对光斑位移信号的检测，利用红外光电二极管对照射光接收时反向电流随着照射光强度的变化而变化的特点，光的强度越大，则反向电流越大。通过磁浮球在规定范围内上下运动时对红外线发射源的照射光进行遮挡，使红外接收装置所接收的入射光光强产生连续、线性的变化。

为了在磁浮球的运动范围内，任意一点的光强相等，因此，采用了将若干个红外发光二极管(型号为SE303)组成线性排列结构，彼此之间的间距尽量小，以便产生平行的红外光线，覆盖整个磁浮球运动区域。并且，为了保证磁浮球运动所遮挡光照强度数值上的单调性，磁浮球运动区域的最上端与红外发光二极管所发射平行光的最顶端相平行。因此，选用了七只红外发光二极管组成线性排列结构。

由于磁浮球实验装置的红外接收器件要求输出有较高的线性度和灵敏度，而光电二极管产生的光电流较小，但具有输出线性较好，响应时间短的特点，最终选择光电二极管(带滤光镜)作为接收器件且选7只并联连接，将各个光电二极管所产生的电流信号进行求和，作为红外接收装置的输出电流信号。

根据磁浮球实验系统对反馈信号的要求为0～5V的电压信号，需要进行电流/电压转换，转换电路采用集成运算放大器OP07(U1_A)、电阻R₁及电容C₁构成积分电路；当接收器件输出电流时，电容C₁进入充电，OP07输出电压U₁线性增长；稳态时，输出电压U₁恒定。为了满足反馈信号输出电压数值的要求，在积分电路的后级加入了一级放大电路，由OP07(U2_A)、输入电阻R₃、R₄、反馈电阻R₅及电位器RP1组成，改变RP1可调节放大增益。

根据系统控制要求，当磁浮球在静止状态下，即在运动范围的最底端时，反馈电路的输出电压为0V，而根据红外检测装置的设计原理，此时磁浮球所遮挡的红外线强度最小，红外接收装置接收的光强为最大值，产生的电流也是最大值，经过电流/电压电路转换和电压放大，对应的检测电压为+5V，与系统控制装置的要求相矛盾，当磁浮球运动到最高点时亦然。为此，在放大环节后面加入一级带偏置的差动放大器，在运算放大器OP07(U3_A)的反相端加入一个-5V的电压信号，与红外接收后的放大电压信号进行比较，通过对输入端的偏差电压进行放大，即可得到磁浮球运动的零点电压对应为0V；而当磁浮球运动到最高点时，遮挡光强达到最大值，红外检测电路所接收的光强达到最小，偏差放大器输出的反馈电压为+5V。

Claims (10)

1、磁浮球控制系统实验装置，包括由电磁铁(1)、支架(14)、底座(4)构成的磁悬浮本体、供电电路(A)、控制电路(C)、驱动电路(B)、位置检测电路(D)和位于电磁铁(1)与底座(4)之间的磁浮球(2)，所述的电磁铁由磁极与电磁线圈组成；其中，磁浮球的位置信号由位置检测电路检测后反馈给控制电路(C)，控制电路(C)将控制量变为电压信号传给驱动电路(B)控制电磁铁中的电流大小从而控制电磁吸力，供电电路(A)用来给电磁铁提供电源，其特征在于：还包括发光元件(3)，所述的位置检测电路(D)为光电检测电路，由光电接收器件(5)、I/V转换器(6)、放大偏置电路(7)和反相放大电路(8)组成；发光元件(3)的位置满足其发出的光束覆盖整个检测区域，其发出的光信号经光电接收器件(5)转化为电流信号，再经I/V转换器(6)转化为电压信号，然后经放大偏置电路(7)和反相放大电路(8)输出位置反馈信号。

2、根据权利要求1所述的磁浮球控制系统实验装置，其特征在于：所述的光电检测电路中的发光元件(3)为激光发射器(3₁)，光电接收器件(5)为光电位置传感器(10)，由第一I/V转换器(6₁)和第二I/V转换器(6₂)分别接光电位置传感器的两电极，还包括一个加法器(9)将两个I/V转换器输出的电压信号输出到第一放大偏置电路(7₁)。

3、根据权利要求2所述的磁浮球控制系统实验装置，其特征在于：所述的光电位置传感器(10)为集成硅光电池。

4、根据权利要求1所述的磁浮球控制系统实验装置，其特征在于：所述的光电检测电路中的发光元件(3)为红外发送管组件(3₂)，光电接收器件为带滤光镜的光电二极管组件(11)，光电二极管组件(11)输出的电流信号经第三I/V转换器(6₃)输出到第二放大偏置电路(7₂)。

5、根据权利要求4所述的磁浮球控制系统实验装置，其特征在于：所述的红外发送管组件(3₂)为多个红外发光二极管线性紧密排列组成，其发出的平行红外光的最顶端满足与钢球运动的最顶端相平行，红外发光二极管的光谱为20～1000um的远红外线；光电二极管组件(11)亦为多个带滤光镜的光电二极管紧密排列组成，接收红外发光二极管发射范围内经磁浮球运动遮挡之余的红外光信号。

6、根据权利要求1所述的磁浮球控制系统实验装置，其特征在于：所述的驱动电路(B)由脉宽调制电路(12)和开关器件(13)组成，脉宽调制电路将控制器输出的电压信号产生脉宽可变的输出信号控制开关器件的通断。

7、根据权利要求6所述的磁浮球控制系统实验装置，其特征在于：所述的脉宽调制电路(12)采用SG3525芯片，开关器件(13)采用绝缘栅双极晶体管。

8、根据权利要求1所述的磁浮球控制系统实验装置，其特征在于：所述的控制电路为模拟控制器，包括运算放大器和外围器件，构成PI、PD、PID控制器。

9、根据权利要求8所述的磁浮球控制系统实验装置，其特征在于：所述的控制电路还包括信号发生器电路，由正弦波发生器和梯形波发生器电路构成，通过闭环控制实现磁浮球按正弦波或梯形波跟踪控制。

10、根据权利要求1所述的磁浮球控制系统实验装置，其特征在于：所述的控制电路为数字控制器，由PC机、PCI-1711数据采集卡构成。

Images