李欣頎 李云飛 陳子川 蔡興宗 楊夢(mèng)玉

摘?要：采用微元分析方法構(gòu)建下推式磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)解析式模型，構(gòu)建下推式磁懸浮控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。由正交放置的霍尼韋爾3503傳感器采集浮子磁場(chǎng)在其垂直分量上的磁場(chǎng)大小，線性轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后作為控制器STM32讀取和寫入控制信息，并用于數(shù)字濾波算法和運(yùn)行控制算法后將計(jì)算數(shù)據(jù)作用于功率放大器件驅(qū)動(dòng)螺旋線圈產(chǎn)生校正磁場(chǎng)。使浮子處于動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到預(yù)期控制效果。

1 系統(tǒng)模型

設(shè)計(jì)一種多自由度，下推磁場(chǎng)磁懸浮系統(tǒng)?？刂颇繕?biāo)是讓浮子不借助除磁場(chǎng)以外的力，穩(wěn)定懸停在指定空間位置，并在此控制基礎(chǔ)上完成懸浮磁體對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)的控制。

通過下推式磁懸浮磁源概念圖，環(huán)形磁鐵產(chǎn)生較大的谷形磁場(chǎng)。使得浮子磁體在垂直方向上收到與重力相反的排斥力，因此物體懸浮的高度只能取決于環(huán)形磁鐵的磁場(chǎng)的大小和浮子或浮子與浮子及其稱重物質(zhì)量決定。在水平面上，浮子受到隨機(jī)擾動(dòng)，向遠(yuǎn)離中心位置運(yùn)動(dòng)。受到不對(duì)稱的磁場(chǎng)力斥力，吸引力大的一邊會(huì)持續(xù)增加，吸引力小的一邊會(huì)愈加減小，促進(jìn)浮子磁體向遠(yuǎn)離中心位置運(yùn)動(dòng);在磁場(chǎng)中還受到旋轉(zhuǎn)力矩的作用，會(huì)使浮子發(fā)生翻轉(zhuǎn)。因而為了保障水平面上浮子磁體的穩(wěn)定，必需投入新的微弱的磁場(chǎng)克服原先的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。使其在設(shè)定位置達(dá)到平衡。

Vizimag是利用有限元分析來仿真復(fù)雜磁場(chǎng)的軟件，用Vizimag的軟件來畫出合成磁場(chǎng)分布，仿真出浮子受沿X方向的電磁力和垂直方向上的旋轉(zhuǎn)力矩來。如下所示。

可見，在不平衡位置，浮子磁體會(huì)收到縱向的力使浮子加速移動(dòng)產(chǎn)生更大的位置誤差，同時(shí)會(huì)受到轉(zhuǎn)矩，使浮子磁體發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，下推式磁懸浮的整個(gè)控制系統(tǒng)包括電源模塊、位置測(cè)量模塊，功率放大模塊和主控制器模塊。

芯片的全部的電力供應(yīng)來源于電源模塊，本文設(shè)計(jì)三種板載電源，分別為12V、5V、和3.3V。3.3V的電壓供給STM32主控制器使用，5V的電壓供給位置檢測(cè)模塊內(nèi)芯片、驅(qū)動(dòng)芯片使用，12V的電壓供給驅(qū)動(dòng)模塊使用。

位置測(cè)量模塊，動(dòng)態(tài)測(cè)量浮子的空間位置信息。與目標(biāo)位置相比較，是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)。

位置測(cè)量模塊采集到的數(shù)據(jù)和調(diào)試程序時(shí)記錄的數(shù)據(jù)被主控制芯片處理，通過PID算法，以PWM控制波的形式得出驅(qū)動(dòng)功率信息。如圖3所示硬件平臺(tái)實(shí)物圖。

3結(jié)論

本文對(duì)磁懸浮系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)搭建進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1]?朱熙，范瑜等.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電動(dòng)式磁懸浮裝置的狀態(tài)方程與懸浮力控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，（12）：1-6.

[2]?劉三紅，吳傳生.一類免疫系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其Hopf分支[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，（05）：87-89.

[3]?劉恒坤，常文森.非線性磁懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J].兵工自動(dòng)化，2004，06：56-58.

[4]?曾文輝，范瑜等.高溫超導(dǎo)電動(dòng)式磁懸浮系統(tǒng)的建模仿真[J].微電機(jī)，2013，（1）：37-40.

[5]?朱熙，范瑜等.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電動(dòng)式磁懸浮裝置的狀態(tài)方程與懸浮力控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，（12）：1-6.

基金項(xiàng)目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YC19-17）