基于XS128微处理器的悬浮控制器设计方案设想03.doc

2011-2012中南大学信息科学与工程学院电气工程及其自动化专业 课外研学设计报告 基于MC9S12微处理器的悬浮控制器 设计方案 导师：陈特放 班级：电气0901班 学号：0909091507 姓名：邓兴生 摘要 磁悬浮技术是一门涉及多学科的综合性技术。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料和转子动力学的发展，磁悬浮技术得到了长足的发展。其已被广泛应用于航空、航天、精密仪器、仪表 、机械制造和交通运输等领域。 为加强对磁悬浮系统的实时控制，这就对磁悬浮控制器提出了较高要求。为此，本文在介绍磁悬浮技术的基础上重点讨论了一种以飞思卡尔16位单片机XS128为核心的磁悬浮控制器设计方案，该控制器结构简单，实现方便理论可行。 关键字：磁悬浮技术 MC9S12 PID控制 驱动模块 ABSTRACT Maglev technology is a multidisciplinary and comprehensive technical. With the development of electronic technology, control engineering, signal processing components, and new magnetic materials, electromagnetic theory and rotor dynamics, magnetic suspension technology has made great development. It has been widely used in many fields, for example in aviation, aerospace, precision instruments, meters, machinery manufacturing and transportation. In order to enhance real-time control of magnetic levitation system, it makes higher requirement to magnetic levitation controller. So, this paper describes the basis of maglev technology and a new design of magnetic levitation controller focus on Freescale’s 16-bit microcontroller XS128. This kind of controller is simple and easy to achieve. Keywords: maglev technology MC9S12 PID control drive module 前言 磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，该装置由传感器、控制器、电磁铁和功率放大器等部分组成。根据在磁悬浮系统中实现稳定悬浮的电磁力的状态（是静态的还是动态的），可将磁悬浮系统划分为无源（静态）和有源（动态）两种磁悬浮系统。 图（一）为简单的有源磁悬浮系统，它是由悬浮体、传感器、控制器和执行器4部分组成。其中，执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。现假设在某参考位置上，由于悬浮体受到一个向下的扰动，它将偏离其参考位置。这时，传感器测出悬浮体偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测到的位移变换成控制信号；功率放大器将这一控制信号转化成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生电磁力，从而驱动悬浮体返回原来的平衡位置。因此，不论悬浮体受到的力是向上还是向下，它始终都能保持在平衡位置。 传感器 图（一）磁悬浮原理 磁悬浮控制器 磁悬浮控制器是磁悬浮系统的一个关键部分，能够通过控制信号实时性地控制磁悬浮系统稳定。它的输入部分是传感器检测到的模拟控制信号经过A/D转化后数字化信号，经过微处理器的控制算法运算，输出信号控制驱动模块控制电磁铁产生磁力实现系统平衡。图（二）详细描述了这一过程。 图（二）磁悬浮控制器控制过程 由于电磁铁的动力学模型是三阶不稳定模型系统，故在开环模式下，系统是不稳定的，必须对电磁铁的气隙进行反馈控制，才能保持气隙恒定。控制系统的工作原理为：首先通过气隙传感器检测电磁铁的气隙变化数模转化后，经数字滤波并放大，再与控制的给定值比较获得偏移量，采取一定的控制算法（闭环PID控制算法），获取控制量，此控制量通过PWM发生器，产生PWM波驱动主电路，改变电磁铁两端的电压，从而改变电磁铁的电磁吸力的大小，以控制悬浮体的稳定悬浮。图（二）中方框内部为整个数字控制