专利名称：一种磁悬浮控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及磁悬浮领域，尤其是涉及一种磁悬浮控制系统及控制方法。
背景技术：
目前的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束 悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟。电磁悬浮技术(electromagnetic levitation)简称EML技术。它的主要原理是利 用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。将一个金属样品放置在通有 高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外 磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力 的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。随着磁悬浮技术的发展，出现了各种各样的磁悬浮控制平台。在控制器方面，在早 期的磁悬浮控制系统大多采用了模拟式控制方案，而随着人们对实时信号处理要求的不断 提高和DSP技术的不断完善，当今的磁悬浮控制系统都逐渐地转向了数字控制系统，因为 数字式控制具有控制精度高、动态性能优良的特点，既可以保证计算和控制的实时性，又能 充分发挥数字控制的诸多优点。但是，现有技术的磁悬浮数字控制系统，电路复杂，制作成本高，并且现有技术的 磁悬浮数字控制系统在位置检测方面，其位置传感器通常利用涡流、电容、电感或者光电传 感器来实现非接触位移检测的目的，但采用上述传感器不但成本高，而且容易受电磁信号 的干扰，测量不容易实现。因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于数字信 号处理的数字式控制器、基于新型一维PSD传感器作为位置检测单元的磁悬浮控制系统及 控制方法，其电路结构简单，制作成本低。本发明解决技术问题所采用的技术方案如下一种磁悬浮控制系统，其中，包括电流驱动及检测模块、位置检测及信号处理模 块、数字信号处理模块，以及人机交互模块；所述电流驱动及检测模块，一方面用于根据一控制信号驱动电磁铁，让其产生悬 浮被悬浮控制对象的电磁力，另一方面用于检测电磁铁的电流大小，并把电流信号转化成 第一电压信号；所述位置检测及信号处理模块，用于检测被悬浮控制对象的悬浮位置，并把悬浮 位置的位置信号转化成第二电压信号；所述数字信号处理模块分别与所述电流驱动及检测模块和位置检测及信号处理 模块连接，一方面用于将所述第一电压信号和第二电压信号进行采样转化成数字信号，并将所述数字信号通过控制算法的处理产生内部控制信号输出至所述电流驱动及检测模块， 另一方面用于实时调用多种控制算法，调整控制参数，实现对被悬浮控制对象的实时悬浮 控制；所述人机交互模块与所述数字信号处理模块连接，用于接收用户输入的外部控制 信号并输出至所述数字信号处理模块，以及用于通过实时控制界面显示控制状态。所述的磁悬浮控制系统，其中，所述数字信号处理模块进一步包括:ADC采样单 元、驱动器控制接口单元、微处理器单元、串口通信单元；所述ADC采样单元分别与所述电流驱动及检测模块和位置检测及信号处理模块 连接，用于采集电流驱动及检测模块的第一电压信号、以及位置检测及信号处理模块的第 二电压信号，并把所述第一电压信号和第二电压信号转化为数字信号；所述驱动器控制接口单元与所述电流驱动及检测模块连接，用于给所述微处理器 单元和电流驱动及检测模块之间提供通信通道；所述微处理器单元分别与所述ADC采样单元和所述驱动器控制接口单元连接，用 于通过数字量与模拟量的转化公式将所述数字信号转化为控制的反馈信号，并将所述反馈 信号通过控制算法的处理，产生所述内部控制信号通过所述驱动器控制接口单元发送至所 述电流驱动及检测模块，以控制所述电磁铁的电磁力的大小；所述串口通信单元用于给所述微处理器单元与人机交互模块之间的通信提供连 接通道。所述的磁悬浮控制系统，其中，所述数字信号处理模块还包括一与所述微处理器 单元连接的存储模块，用于存储多种控制算法，所述多种控制算法包括PID控制算法，模糊 PID控制算法，神经网络控制算法，鲁棒控制算法，滑模控制算法，模型参考自适应控制算 法，LQR控制算法。所述微处理器单元还用于调用所述存储模块存储的多种控制算法，在系统上实现 多种不同控制算法的控制。所述的磁悬浮控制系统，其中，所述电流驱动及检测模块进一步包括驱动器，及 与所述驱动器连接的电流传感器；所述驱动器用于通过驱动器控制接口单元接收所述微处理器单元发出的控制信 号，并根据该控制信号驱动所述电磁铁，让其产生悬浮被悬浮控制对象的电磁力，使被悬浮 控制对象悬浮在设定的参考位置；所述电流传感器用于检测电磁铁的电流大小并转化成第一电压信号，以及通过电 流传感器信号接口将所述第一电压信号采样传递到微处理器单元，形成一电流控制环。所述的磁悬浮控制系统，其中，所述电流传感器为霍尔电流传感器。所述的磁悬浮控制系统，其中，所述位置检测及信号处理模块进一步包括位置传 感器、及与所述位置传感器连接的位置信号处理单元，所述位置传感器用于检测被悬浮控制对象的悬浮位置，形成一位置信号；所述位置信号处理单元用于将所述位置信号转化成第二电压信号，并通过位置信 号接口采样传递给微处理器单元，形成一位置反馈闭环。所述的磁悬浮控制系统，其中，所述位置传感器为新型一维PSD传感器。所述的磁悬浮控制系统，其中，所述存储模块为Flash存储模块。
一种磁悬浮控制方法，其中，包括步骤A、根据内部控制信号或外部控制信号驱动电磁铁，让其产生悬浮被悬浮控制对象 的电磁力；B、检测电磁铁的电流大小，并把电流信号转化成第一电压信号；以及检测被悬浮 控制对象的悬浮位置，并把位置信号转化成第二电压信号；C、将所述第一电压信号和第二电压信号进行采样转化成数字信号，并将所述数字 信号转化成为控制器的反馈信号，通过控制算法的处理产生内部控制信号。所述磁悬浮控制方法，其中，所述步骤C具体包括步骤Cl、采样所述第一电压信号和第二电压信号，并把所述第一电压信号和第二电压 信号转化为数字信号；C2、通过数字量与模拟量的转化公式将所述数字信号转化为控制的反馈信号；C3、将所述反馈信号通过控制算法的处理，产生所述内部控制信号以控制所述电 磁铁的电磁力的大小。本发明所提供的磁悬浮控制系统及控制方法，由于采用了新型一维PSD(位置敏 感传感器(Position Sensitive Detector，简称PSD))传感器作为其位置检测单元，其不 会受电磁信号的干扰，使本发明的磁悬浮控制系统具有更高的稳定性；而采用DSP(数字信 号处理器)芯片作为系统的数字式控制器，使本发明的磁悬浮控制系统电路结构更简单， 可以实现系统内部产生的内部控制信号对系统的控制，也可以实现接收用户输入的外部控 制信号对系统的控制；同时多种算法程序烧写在DSP的Flash中，实现了系统内部直接调用 多种控制算法的加载；基于MFC设计了系统的人机交互模块的实时控制界面，通过SCI串 口，实现了系统与PC的实时通信，实现了对被悬浮控制对象的实时监控，且制作成本低、控 制调节方便。
图1是本发明的磁悬浮控制系统结构框图；图2是本发明的磁悬浮控制系统实施例1结构原理框图；图3是本发明的磁悬浮控制系统实施例2结构原理框图；图4是本发明的磁悬浮控制方法一实施例的流程图；图5是本发明的磁悬浮控制方法进一步实施例的流程图。
具体实施例方式本发明所提供的磁悬浮控制系统及控制方法，为使本发明的目的、技术方案及优 点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所 描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1所示，本发明实施例所提供的磁悬浮控制系统，包括电流驱动及检测模块 160、位置检测及信号处理模块150、数字信号处理模块100，以及人机交互模块170 ；所述电流驱动及检测模块160与磁悬浮系统的电磁铁连接，一方面用于根据一控 制信号驱动电磁铁，让其产生悬浮被悬浮控制对象的电磁力；本发明中所述控制信号包括 用户输入的外部控制信号及通过系统内部控制算法处理产生的内部控制信号，通过控制信号的控制驱动所述电磁铁产生被悬浮控制对象(如悬浮小球)的电磁力。所述电流驱动及检测模块160另一方面用于检测电磁铁的电流大小，并把电流信 号转化成第一电压信号。所述位置检测及信号处理模块150，用于检测被悬浮控制对象的悬浮位置，并把悬 浮位置的位置信号转化成第二电压信号；例如检测悬浮小球的悬浮位置，把位置信号转化 成所述第二电压信号。所述数字信号处理模块100分别与所述电流驱动及检测模块160和位置检测及信 号处理模块150连接，一方面用于将所述第一电压信号和第二电压信号进行采样转化成数 字信号，并将所述数字信号通过控制算法的处理产生内部控制信号输出至所述电流驱动及 检测模块160，另一方面用于实时调用多种控制算法，调整控制参数，实现对被悬浮控制对 象的实时悬浮控制。所述人机交互模块170与所述数字信号处理模块100连接，用于接收用户输入的 外部控制信号并输出至所述数字信号处理模块，以及用于通过实时控制界面显示控制状 态。其中，该外部控制信号包括用户修改控制器的参数信号，及用户输入的各种操作信号寸。本发明中所述数字信号处理模块100通过一块DSP(Digital Signal Processor 数字信号处理器)芯片完成位置信号采样、电流信号采样、电流驱动控制信号输出，并通过 人机交互模块170的实时控制界面显示控制状态，及实时调用存储在DSP内部的多种控制 算法，进一步调整参数，从而实现被悬浮控制对象的实时悬浮控制。进一步地，如图2所示，所述数字信号处理模块100包括:ADC (模/数转换 (Analog to Digital Converter，简称ADC))采样单元120、驱动器控制接口单元130、微处 理器单元110、串口通信单元140，以及一存储模块180 ；所述ADC采样单元120分别与所述电流驱动及检测模块160和位置检测及信号处 理模块150连接，用于采集电流驱动及检测模块160的第一电压信号、以及采集位置检测及 信号处理模块150的第二电压信号，并把所述第一电压信号和第二电压信号转化为数字信 号。所述驱动器控制接口单元130与所述电流驱动及检测模块160连接，用于给所述 微处理器单元Iio和电流驱动及检测模块160之间提供通信通道。所述存储模块180与所述微处理器单元110连接，本发明实施例中所述存储模 块180为Flash存储模块，用于存储多种控制算法，所述多种控制算法包括PID (比例-积 分-微分(Proportion Integration Differentiation，简称PID))控制算法，模糊 PID控制 算法，神经网络控制算法，鲁棒控制算法，滑模控制算法，模型参考自适应控制算法，LQR(线 性二次型最优控制(Linear Quadratic Regulator，简称LQR))控制算法等，允许所述微处 理器单元110的调用，以在系统上实现不同种控制算法的控制。所述微处理器单元分110别与所述ADC采样单元120和所述驱动器控制接口单元 130连接，用于通过数字量与模拟量的转化公式将所述数字信号转化为控制的反馈信号，并 通过调用存储模块180的控制算法对所述反馈信号进行处理，以产生所述内部控制信号； 并通过所述驱动器控制接口单元130发送至所述电流驱动及检测模块160，以用于控制驱 动所述电磁铁的电磁力的大小；所述微处理器单元110还用于调用所述存储模块存储的多种控制算法，在系统上实现多种不同控制算法的控制。所述串口通信单元140用于给所述微处理器单元110与人机交互模块170之间的 通信提供连接通道。即所述串口通信单元140位于所述数字信号处理器单元110与所述人 机交互模块170之间，用于DSP与PC上位机的通信。可以通过SCI串口(SCI，串行通信接 口 (Serial Communication Interface，简称SCI))，实现本发明系统与PC的实时通信。本实施例中，如图2所示，所述电流驱动及检测模块160包括驱动器162，及与所述 驱动器162连接的电流传感器161(即电流检测单元)。本发明实施例中所述电流传感器 161为霍尔电流传感器。所述驱动器162通过驱动器控制接口 130接收微处理器单元110发出的PWM(脉 冲宽度调制，Pulse Width Modulation)控制信号，用于驱动电磁铁，让其产生悬浮被悬浮 控制对象的电磁力，使得被悬浮控制对象悬浮在设定的参考位置。同时电流传感器161检测电磁铁的电流大小并转化成电压信号(2.5V-3V对应 的电流大小为0-4. 8A，这可根据设计要求调整)，通过电流传感器信号接口采样传递到微 处理器单元110，从而形成了电流控制环，采用PD控制(比例-微分控制(Proportion Differentiation,简称 PD 控制))。如图2所示，所述位置检测及信号处理模块150包括位置传感器152、及与所述位 置传感器152连接的位置信号处理单元151。所述位置传感器151用于检测被悬浮控制对 象的悬浮位置，即被悬浮控制对象与电磁铁之间的位移量，再通过位置信号处理单元151 转化成电压信号(0-2. 5V对应的位移量是0-20mm)。可调整所述位置传感器152的位置或通过调节信号处理单元151的增益来改变符 合ADC采样模块120采样的电压信号的范围，并通过位置信号接口采样传递给微处理器单 元110，形成了位置反馈闭环，从而使本发明的系统形成了两环控制。串口通信模块140与人机交互模块170之间由电平转换电路连接，所述人机交互 模块170的实时监控界面是利用MFC(微软基础类(Microsoft Foundation Classes，简称 MFC))是一种专业软件)设计，可用于实时显示控制状态，也可用于在线调用烧写在DSP的 flash中的各种算法时，进行实时参数调整等。本发明实施例中所述位置传感器152采用新型一维PSD传感器，其具有优良的线 性特性，以及很高的稳定性和可靠性，成本低，且不容易受电磁信号的干扰，测量很容易实 现。本发明实施例二的磁悬浮控制系统如图3所示，包括第一微处理器单元111、第一 ADC采样单元121、第一串口通信单元141 ；以及第二微处理器单元112、第二 ADC采样单元 122、驱动器控制接口单元130、第二串口通信单元142、位置检测及信号处理模块150、电流 驱动及检测模块160、人机交互模块170、Flash存储模块180。其中第一微处理器单元111、第一 ADC采样单元121、第一串口通信单元141、Flash 存储模块180置于第一 DSP芯片内部。所述Flash存储模块180内部存储了多种控制算法。所述第二微处理器模块211、第二 ADC采样单元122、驱动器控制接口单元130、第 二串口通信单元142置于第二 DSP芯片内部。本发明实施例二的磁悬浮控制系统特点是采用两块DSP芯片作为控制器，其中一 块DSP芯片以电流信号采样、电流驱动控制信号输出实现电流驱动器功能，即本实施例中的第二 DSP芯片。另一块DSP芯片(即本实施例2的第一 DSP芯片)专门用于位置信号采样，以及 发出控制信号实现位置反馈闭环控制，并通过人机交互模块170的实时控制界面显示控制 状态及实时调用存储在Flash中的多种控制算法，进一步调整参数，从而实现被悬浮控制 对象的实时悬浮控制。本实施例中，所述位置检测及信号处理模块150、电流驱动及检测模块160、串口 通信模块140、人机交互模块170的工作原理同实施例一基本相同；不同之处在于，利用第 二微处理器单元112独立完成电流闭环，即完成给所述电流驱动及检测模块160的控制信 号的发送，实现了独立的电流驱动器，则可以接收其他控制卡的控制信号，从而实现被悬 浮控制对象的悬浮效果。比如基于dSPACE(dSPACE是德国dSPACE公司开发的一套基于 MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试用的工作平台，也是一种专业软件)实时仿真系 统实现控制器设计，采集位置检测及信号处理模块150所输出的位置电压信号，从而对系 统进行实时控制。第一微处理器单元111则是通过第一 ADC采样单元121采用位置检测及 信号处理模块150的输出位置信号，并产生对所述电流驱动及检测模块160的控制信号输 出给第二微处理器单元112，从而实现了位置反馈闭环控制。基于上述本发明的磁悬浮控制系统，本发明实施例还提供了一种磁悬浮控制方 法，如图4所示，所述的方法包括以下步骤步骤S310、所述电流驱动及检测模块160根据一内部控制信号或外部控制信号驱 动电磁铁，让所述电磁铁产生悬浮被悬浮控制对象的电磁力；步骤S320、所述电流驱动及检测模块160检测电磁铁的电流大小，并把电流信号 转化成第一电压信号；以及通过所述位置检测及信号处理模块150检测被悬浮控制对象的 悬浮位置，并把位置信号转化成第二电压信号；步骤S330、将所述第一电压信号和第二电压信号进行采样转化成数字信号，并将 所述数字信号转化成为控制器内部的反馈信号，通过控制算法的处理产生内部控制信号。进一步地实施例，如图5所示，所述磁悬浮控制方法，所述步骤S330具体包括步 骤步骤S331、通过所述ADC采样单元采样所述第一电压信号和第二电压信号，并把 所述第一电压信号和第二电压信号转化为数字信号；步骤S332、所述微处理器单元110通过数字量与模拟量的转化公式将所述数字信 号转化为控制的反馈信号；步骤S333、将所述反馈信号通过控制算法的处理，产生所述内部控制信号通过所 述驱动器控制接口单元发送至所述电流驱动及检测模块，以控制所述电磁铁的电磁力的大 小。综上所述，本发明所提供的磁悬浮控制系统及控制方法，由于采用了新型一维 PSD (位置敏感传感器(Position Sensitive Detector，简称PSD))传感器作为其位置检 测单元，其不会受电磁信号的干扰，使本发明的磁悬浮控制系统具有更高的稳定性；而采用 DSP (数字信号处理器)芯片作为系统的数字式控制器，使本发明的磁悬浮控制系统电路结 构更简单，可以实现系统内部产生的内部控制信号对系统的控制，也可以实现接收用户输 入的外部控制信号对系统的控制；同时多种算法程序烧写在DSP的Flash中，实现了系统内部直接调用多种控制算法的加载；基于MFC设计了系统的人机交互模块的实时控制界面， 通过SCI串口，实现了系统与PC的实时通信，实现了对被悬浮控制对象的实时监控，且制作 成本低、控制调节方便。 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可 以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保 护范围。
权利要求
一种磁悬浮控制系统，其特征在于，包括电流驱动及检测模块、位置检测及信号处理模块、数字信号处理模块，以及人机交互模块；所述电流驱动及检测模块，一方面用于根据一控制信号驱动电磁铁，让其产生悬浮被悬浮控制对象的电磁力，另一方面用于检测电磁铁的电流大小，并把电流信号转化成第一电压信号；所述位置检测及信号处理模块，用于检测被悬浮控制对象的悬浮位置，并把悬浮位置的位置信号转化成第二电压信号；所述数字信号处理模块分别与所述电流驱动及检测模块和位置检测及信号处理模块连接，一方面用于将所述第一电压信号和第二电压信号进行采样转化成数字信号，并将所述数字信号通过控制算法的处理产生内部控制信号输出至所述电流驱动及检测模块，另一方面用于实时调用多种控制算法，调整控制参数，实现对被悬浮控制对象的实时悬浮控制；所述人机交互模块与所述数字信号处理模块连接，用于接收用户输入的外部控制信号并输出至所述数字信号处理模块，以及用于通过实时控制界面显示控制状态。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮控制系统，其特征在于，所述数字信号处理模块进一 步包括ADC采样单元、驱动器控制接口单元、微处理器单元、串口通信单元；所述ADC采样单元分别与所述电流驱动及检测模块和位置检测及信号处理模块连接， 用于采集电流驱动及检测模块的第一电压信号、以及位置检测及信号处理模块的第二电压 信号，并把所述第一电压信号和第二电压信号转化为数字信号；所述驱动器控制接口单元与所述电流驱动及检测模块连接，用于给所述微处理器单元 和电流驱动及检测模块之间提供通信通道；所述微处理器单元分别与所述ADC采样单元和所述驱动器控制接口单元连接，用于通 过数字量与模拟量的转化公式将所述数字信号转化为控制的反馈信号，并将所述反馈信号 通过控制算法的处理，产生所述内部控制信号通过所述驱动器控制接口单元发送至所述电 流驱动及检测模块，以控制所述电磁铁的电磁力的大小；所述串口通信单元用于给所述微处理器单元与人机交互模块之间的通信提供连接通道。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮控制系统，其特征在于，所述数字信号处理模块还包 括一与所述微处理器单元连接的存储模块，用于存储多种控制算法，所述多种控制算法包 括PID控制算法，模糊PID控制算法，神经网络控制算法，鲁棒控制算法，滑模控制算法，模 型参考自适应控制算法，LQR控制算法。所述微处理器单元还用于调用所述存储模块存储的多种控制算法，在系统上实现多种 不同控制算法的控制。
4.根据权利要求2所述的磁悬浮控制系统，其特征在于，所述电流驱动及检测模块进 一步包括驱动器，及与所述驱动器连接的电流传感器；所述驱动器用于通过驱动器控制接口单元接收所述微处理器单元发出的控制信号，并 根据该控制信号驱动所述电磁铁，让其产生悬浮被悬浮控制对象的电磁力，使被悬浮控制 对象悬浮在设定的参考位置；所述电流传感器用于检测电磁铁的电流大小并转化成第一电压信号，以及通过电流传感器信号接口将所述第一电压信号采样传递到微处理器单元，形成一电流控制环。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮控制系统，其特征在于所述电流传感器为霍尔电流 传感器。
6.根据权利要求1所述的磁悬浮控制系统，其特征在于，所述位置检测及信号处理模 块进一步包括位置传感器、及与所述位置传感器连接的位置信号处理单元，所述位置传感器用于检测被悬浮控制对象的悬浮位置，形成一位置信号； 所述位置信号处理单元用于将所述位置信号转化成第二电压信号，并通过位置信号接 口采样传递给微处理器单元，形成一位置反馈闭环。
7.根据权利要求6所述的磁悬浮控制系统，其特征在于，所述位置传感器为新型一维 PSD传感器。
8.根据权利要求3所述的磁悬浮控制系统，其特征在于，所述存储模块为Flash存储模块。
9.一种磁悬浮控制方法，其特征在于，包括步骤A、根据内部控制信号或外部控制信号驱动电磁铁，让其产生悬浮被悬浮控制对象的电 磁力；B、检测电磁铁的电流大小，并把电流信号转化成第一电压信号；以及检测被悬浮控制 对象的悬浮位置，并把位置信号转化成第二电压信号；C、将所述第一电压信号和第二电压信号进行采样转化成数字信号，并将所述数字信号 转化成为控制器的反馈信号，通过控制算法的处理产生内部控制信号。
10.根据权利要求9所述磁悬浮控制方法，其特征在于，所述步骤C具体包括步骤 Cl、采样所述第一电压信号和第二电压信号，并把所述第一电压信号和第二电压信号转化为数字信号；C2、通过数字量与模拟量的转化公式将所述数字信号转化为控制的反馈信号； C3、将所述反馈信号通过控制算法的处理，产生所述内部控制信号以控制所述电磁铁 的电磁力的大小。
全文摘要
本发明涉及磁悬浮领域，公开了一种磁悬浮控制系统及控制方法，所述系统包括电流驱动及检测模块、位置检测及信号处理模块、数字信号处理模块，以及人机交互模块；本发明的磁悬浮控制系统电路结构简单，可以实现系统内部产生的内部控制信号对系统的控制，也可以实现接收用户输入的外部控制信号对系统的控制，以及实现对被悬浮控制对象的实时监控，且制作成本低、控制调节方便。
文档编号H02N15/00GK101895240SQ20101022798
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月7日 优先权日2010年7月7日
发明者曹广忠, 李寒逸, 邱洪, 黄苏丹 申请人:深圳大学