斥力式混合磁懸浮體的控制系統設計

陳嘉淏，李冰林，高 峰

(南京林業大學 汽車與交通工程學院，南京210037)

0 引 言

隨著中國經濟的快速發展，特別是工業化的進程，各種驅動裝置對其體積、成本、環境污染等要求越來越高，混合磁懸浮技術采用電磁和永磁混合驅動，可以減小裝置體積、實現懸浮位置可控，具有無摩擦、噪音低，能高速運轉等特性［1］。在中國制藥、工業、食品、國防等眾多行業和領域有著廣闊的應用空間和市場前景［2］。在各類磁懸浮控制裝置中，需使控制對象的懸浮位置可控，同時為了滿足實際需求，精度和穩定性控制顯得十分重要［3］。同時在開發磁懸浮系統控制平臺與臺架試驗過程中，實時對其參數進行監測，有利于系統調試以及直觀地觀測到系統運行的效果和穩定性［4］。

本文以斥力式混合磁懸浮系統為設計對象，通過設計霍爾傳感電路來檢測懸浮體的移動，采用四象限H橋驅動電路實現對電磁線圈的驅動，采用PID控制器實現對懸浮體的懸浮位置的穩定性控制。設計上位機軟件對磁懸浮體運行系統的狀態和控制參數進行監測，實時地獲取磁懸浮體的位置和控制電流參數值，獲得磁懸浮體的實時運行狀態，為其控制提供保證。

1 混合磁懸浮體的控制系統結構

斥力式混合磁懸浮系統結構如圖1所示。系統外圈為永磁環，永磁環內圈均布4個電磁線圈，還包含圓柱永磁懸浮體和檢測3個方向位移大小的霍爾傳感器。當懸浮體處于中心時，永磁環給懸浮體提供偏置磁場，在軸向產生推力的同時，在徑向會對懸浮體四周產生一個向心推力，由于這個推力在懸浮體四周均勻產生，使懸浮體在徑向所受的力基本抵消達到平衡［5］。當懸浮體偏離其平衡位置時，由永磁環所提供的磁場平衡被打破，此時通過X、Y方向的霍爾傳感器檢測磁懸浮體的位置偏移信息，并由控制器采集，輸出PWM信號，通過驅動電路使4個電磁線圈流過電流，產生磁通，給系統提供一個附加磁場，使其產生附加徑向力對懸浮體的位移進行修正，使得懸浮體重新回到平衡位置。

圖1 混合磁懸浮系統結構組成Fig.1 Structure of hybrid magnetic levitation system

控制系統主要組成包括:MCU單元、串口通信電路、電磁線圈、霍爾傳感電路、電流采集電路，線圈驅動電路，系統控制原理如圖2所示。MCU為控制系統核心，實現對數據采集分析，對系統進行控制。MCU通過給驅動電路發送PWM信號，使電磁線圈產生電流和磁場，這種磁場力會作用到懸浮磁體，產生的位移由霍爾傳感器檢測，送回給MCU單元，同時電流采樣電路對流經線圈的電流進行采樣，便于后續對其參數進行監控。串口模塊將MCU采集到的信息發送給上位機，實現對系統狀態參數的監測，獲得磁懸浮體的運行狀態。

圖2 混合磁懸浮系統控制原理框圖Fig.2 Control principle block diagram of Hybrid Maglev System

2 系統的硬件設計

系統硬件電路組成部分主要包括:

2.1 MCU控制器最小系統

MCU控制器最小系統包含供電電路、時鐘電路和復位電路。本文選用STC12C5A60S2處理器，指令代碼與8051相兼容，但速度比8051要快8～12倍，工作頻率可達35 MHz。片上集成有EEPROM、RAM存儲器，內有8路10位模數轉換器，有SPI接口、雙串口，集成度高，ISP（在系統可編程）。處理器工作電壓為5.5 V～3.3 V。MCU最小系統電路如圖3所示。

圖3 MCU最小系統電路Fig.3 MCU system circuit

2.2 線圈驅動和電流采集電路

H橋電路可以實現四象限驅動，能對電磁線圈進行驅動。L298N芯片包含2個H橋，每個橋可提供2 A的電流，供電電壓可達48 V，邏輯電路接受5 V的TTL電平。為了檢測各H橋的驅動電流大小，采用R20、R21 2個采樣電阻對其采樣，信號經調理后送入控制器的A／D采集通道，完成對控制電流的采集，具體電路設計如圖4所示。

圖4 電磁線圈驅動電路Fig.4 Electromagnetic coil drive circuit

2.3 串口通信電路

串口通信電路實現磁懸浮控制器與上位機之間的通信，把控制器所檢測到的控制參數傳送給上位機，實現對系統參數的監測。串口通信電路如圖5所示，采用的是MAX232芯片。

圖5 串口通信電路圖Fig.5 Serial communication circuit

3 系統的軟件設計

系統軟件包含2部分，一部分為下位機混合磁懸浮控制系統的軟件設計，主要完成對系統信號采集處理和輸出控制；另一部分為上位機監測軟件的設計，主要實現對系統運行狀態參數的觀測。

3.1 下位機控制系統主程序

系統控制主程序流程如圖6所示。系統初始化主要完成對各輸入輸出接口、定時器等的初始化操作，同時給定懸浮位置參考值；讀入霍爾傳感器采集的位置信息，通過與設定值相比，根據對比偏差判斷是否需要進行PID調節，如有需要，則補償調節量，然后統一經過PWM計算及PWM信號輸出之后，電磁線圈獲得電流，產生磁場使得懸浮體修正其位置，再次采集更新后的位置信號，對比是否達到需求位置，循環比較直至磁懸浮體達到所設定的位置，然后把位置信息和檢測到的電流信息通過串口通信發送給上位機。

圖6 控制主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main control program

3.2 上位機軟件監測系統

上位機軟件的主要功能是磁懸浮體電控單元采集系統中控制懸浮線圈的電流大小和位移傳感器的位移信息，通過串口通信把數據傳送至PC機，這些數據信息包括磁懸浮X、Y、Z方向的位置信息，X、Y方向H電橋的控制電流信息，表征磁懸浮體的控制狀態。同時，該軟件具有實現參數顯示以及數據的保存等功能。軟件功能包括2大部分:監測模塊、控制模塊，如圖7所示。

圖7 上位機軟件結構圖Fig.7 Software structure of host computer

（1）監測模塊包括:數據保存、數據保存路徑更改、參數顯示、曲線顯示。主要是顯示系統的參數如懸浮體的位置、控制電流大小等，并對故障代碼進行保存。

（2）控制模塊包括:通信連接、暫停監測、關閉系統。主要是對系統進行通信的連接、或者暫停、系統關閉等操作。

(2) 出流邊界: 出口為超聲速下游流場不影響上游流場, 將所有參數數值外推. 在大平板的側緣同樣采用出流邊界條件.

軟件獲取的參數信息來自磁懸浮體電控采集單元串行通信接口，采用RS232通訊協議，其通信協議格式:

（1）幀格式:采用通用RS232 UART信號，每一個數據幀包含10 bit，具體格式為:

bit1:起始位；bit2-bit9:數據位；bit10:停止位。

（2）數據格式:每次發送的數據包有9個數據幀，其定義如下:

第1幀:D0-D7——0xAAH（數據包頭1）

第2幀:D0-D7——0x00H（數據包頭2）

第3幀:D0-D7——位置X值

第5幀:D0-D7——位置Y值

第6幀:D0-D7——電流Y值

第7幀:D0-D7——位置Z值

第8幀:D0-D7——電源電壓

第9幀:D0-D7——校驗和

串行通信中斷流程如圖8所示。為了使數據發送過程中不至于出現丟幀，導致接收的數據出現錯誤的情況，在每個數據包最后一幀發送校驗和的字節，一旦數據不匹配，舍棄當前數據包數據，重新接收下一幀解包。

圖8 串口通訊中斷子程序流程圖Fig.8 Flow chart of serial communication interrupts subprogram

4 系統實驗分析

采用PID控制方法對懸浮體實現控制，PID控制器的具體控制參數為:X軸方向系數Kpx＝0.65、Kix＝0.001、Kdx＝1.5；Y軸方向系數Kpy＝0.75、Kiy＝0.001、Kdy＝1.6。系統實驗平臺如圖9所示，懸浮體穩定地懸浮于4個電磁線圈中央，獲得了控制效果。

圖9 系統實驗平臺Fig.9 Experimental platform of Hybrid Maglev System

主監控界面反映控制系統各參數的變化，串口通道為COM2，波特率:9 600。在所設計的PID控制下，軟件所監測到的磁懸浮體的位移和控制電流分別為:X位置為1.03、Y位置為0.85、Z位置為1.13、X電流為0.67、Y電流為0.98，如圖10所示，系統參數最后保持穩定，證明了系統得到了有效控制。

圖10 參數監測界面Fig.10 System parameter monitoring interface

5 結束語

本文設計了斥力式混合磁懸浮控制系統，主要包含懸浮系統的位置檢測電路和電磁線圈的驅動電路，軟件采用PID控制算法對其進行控制；同時為了方便對系統運行參數實現監測，設計了系統參數的上位機監測軟件，實現了對系統穩定性的控制和參數監控。