磁悬浮课程设计 2

1、日期评定表学生姓名顾志鑫班级学号1011020110专业探测制导与控制技术课程设计题目磁悬浮控制系统设计与实现评语组长签字：成绩20 年 月曰课程设计任务书学院装备工程专业探测制导与控制学生姓名顾志鑫班级学号1011020110课程设计题目磁悬浮控制系统设计与实现实践教学要求与任务：设计个小功率磁悬浮控制系统。要求根据问题的要求设计系统的总体实现方案， 并为该系统选择合适的硬件。根据所选择的硬件，建立系统的数学模型，进而设计合 适的控制系统校正方案并进行仿真研究。根据自己的设计，实际动手制作该磁悬浮系 统，并进行调试和测试。最后，汇总课程设计内容完成课程设计报告。系统参数及指标：Vcc=16,

2、m=10g,n=150,R=12控制系统相位裕度30度。工作计划与进度安排：1、设计一个小功率磁悬浮控制系统，包括确定总体控制方案、硬件选 择。32、写出各个器件单元的传递函数，画出组成系统单元传递函数的方框 图，推导出系统的传递函数；根据系统的传递函数设计系统的控制器计 算出控制器的相关参数，建立控制系统动态数学模型；23、米用MATLAB仿真软件进行系统仿真实验。24、根据所设计的控制方案，进行控制系统制作并调试；35、对设计结果做出评价并提出改进意见；26、课程设计结果验收并撰写写出设计报告；27、课程设计答辩。1指导教师：专业负责人：学院教学副院长:2013年 月曰2013年 月曰20

3、13年 月曰摘要本文介绍了磁悬浮技术的系统试验构成及原理，并通过PD校正和超前校正分别 实现系统校正。关键词：磁悬浮技术，校正。目录 TOC o 1-5 h z 一磁悬浮技术简介1磁悬浮技术概述1 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 二磁悬浮实验系统的构成及工作原理2 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 三磁悬浮实验系统的硬件及其特性4 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 四实验磁悬浮系统的数学模型11 HYPERLINK l bookmark162

4、o Current Document 五校正装置设计16 HYPERLINK l bookmark178 o Current Document 六校正装置的实现19 HYPERLINK l bookmark206 o Current Document 七参考文献21-、磁悬浮技术简介磁悬浮技术概述磁悬浮系统是一种利用磁场力依靠自动控制技术使某一物体在存在一 定干扰的情况下在空间中保持某个固定位置的系统。由于悬浮体和支撑之间没有任何接触，磁悬浮技术克服了由摩擦带来的能量 消耗和速度限制，具有寿命长、能耗低、无污染、无噪声、不受任何速度限制、 安全可靠等优点，磁悬浮技术在一些领域得到了应用，其中包

5、括 1）磁悬浮列 车、2）磁悬浮轴承、3）高速磁悬浮电机、4）风洞磁悬浮系统、5）磁悬浮隔振系统、 6）磁悬浮熔炼等。二、磁悬浮实验系统的构成及工作原理本次课程设计中所讨论的磁悬浮系统，是一种简单的低成本磁悬浮系统。借 助该系统，同学们可以加深对自动控制理论的理解，熟悉构成自动控制系统的一 些硬件，利用实际的硬件构成磁悬浮实验系统，进行测试和调试，增强同学们的 实际动手能力。利用该系统，同学们可进行系统建模和理论分析，从数学和理论层面加深对 该系统的认识。进一步，可利用Matlab/Simulink进行进一步的分析和仿真研究。该系统的基本组成包括：1、永磁性磁悬浮体；2、螺线管（无铁芯线圈）或

6、电磁铁（带铁芯）；3、LMD18201 PWM功率放大器；4、MIC 502电压频率转换器；5、SS496霍尔传感器；6、电源（四直流电源和LM7805稳压器）7、校正装置（用LM358及电阻电容组成）该系统的物理构成图如图1所示，图1简易磁悬浮系统的物理构成示意图该系统的基本电路图如下:VI.LM7IK5= 470 iF djMtrol 海C2 L |.lF ceranii-E：C5 . 0.1 pJ ceranucC4 - Q.01 pT cerwi-LMtnwrt CL and C? clwc to LB.Moiini C3 andl C4 close to U2.vncrourV51P

7、cmvn_ EDCCS-ntAJ DCiTPOI L lOEECTIOBRAKE CFVT M.LMLrj T.；-51JJELYSKNA1GMD THHbLlLELAJj ormnj EDOTJ.TTJJ-is图1磁悬浮系统电路原理图。磁悬浮体的位置由SS495霍尔传感器测量。该传感器的输出电压驱动MIC502 电扇管理芯片。该电扇管理芯片向LMD18201电机驱动H桥芯片提供PWM信 号。该PWM驱动器调整螺线管的平均电流，而该电流控制螺线管的磁场。这个 简单的系统，对于初始条件非常敏感，只有在把悬浮体准确稳定地放在其平衡位 置上，磁悬浮体才能保持住。显然，利用SS495来测量磁悬浮体的位

8、置的测量 方式，测量结果受到由螺线管所产生的磁场所污染，因而，这种位置测量方式并 不理想。但对于这个基本系统，该霍尔传感器不但价格低廉而且，分辨率很高， 可满足应用需求。三、磁悬浮实验系统的硬件及其特性SS495Honeywell SS490系列传感器为霍尔元件与电子线路一体化的集成电路，由霍尔 元件、放大器、品体管利用集成电路工艺技术制成。该传感器是一个三个管脚的 装置，三个管脚分别用于接地，接电源和信号输出：CIRCUIT BLOCK DIAGRAMVs (+)OUTPUT ；0lV(-)该器件内部带有放大器，测量的灵敏度很高；工作的温度范围为40C全125C，电源电压范围为4.5V至10

9、.5V。产品的数据手册提供了零点温度漂移特性、频率响应特性、线性度等数据。当SS495的Vs接+5V，V-接地时，其管脚OUTPUT的值如下：TRANSFER CHAP ACTE RIST ICS Vs 5.0 VDC这里的磁悬浮系统中基本使用该元件的上述特性。补充知识：数据手册的阅读该器件的温度漂移特性如下图：该器件的零点随温度变化而发生变化，这个现象称为零点温度漂移。从图上可以看出，该器件以25摄氏度为标准温度，当温度上升或下降时， 输出值发生变化。不同型号器件的温度漂移特性不同。TEfERATURE -气urns 30宅HLL.TS MIC502MIC502原本是为散热和风扇管理所设计的

10、芯片，它根据所测量的温度 （如CPU的温度）来调整电机的转速。或者说，把它与风扇电机、热敏电 阻及几个辅助元件相连接，可直接实现PWM调宽方式调压的开环调速系 统，其输入量由热敏电阻提供。典型应用电路R1IVT1VDDGFOUTVSLPiTTFGNDVT2R4R2atrp d n n n o 0-c c V eIn st-aMIC502的引脚布局MIC502芯片有八个引脚，有两种封装形式：塑料DIP封装和SOIC封装，工作温度范围为-40oC到+ 85oC。如图所示：序号名称Pin Function1VT1Thermistor 1 (Input): VT1 :输入引脚，模拟输入信号为VDD的3

11、0%到70% 时，(OUT) 端输出信号的占空比为0%到100%。2CFPWM时序电容(外部)：PWM三角波发生器时序电容的正端。建议CF为0.1此，此时，PWM 工作频率为30Hz。如使用其它工作频率，C=3/f，C单位uF，f单位Hz。3VSLP睡眠阈值(Input):该引脚的电压与Vti和Vt2比较。当Vti Vslp和Vt2 Vot)。7OUT驱动器输出：PWM输出。通常连接到外部NPN电机控制晶体管的基极。8VDDPower Supply (Input)：芯片电源。范围为4.5V至 13.2V。在本系统中，CF=0.01uF，此时，f=3/CF=300Hz。本系统使用VDD=5V，此

12、时，当输入为VDD的30%到70% (1.5V至3.5V) 时，(OUT)端输出信号的占空比为0%到100%。该PWM输出为单极性信号，高电平为5V，低电平为0V。参考文献1，给出了另外的电容频率公式，当CF=0.1uF，频率约为100Hz。 当CF=0.01uF，频率约为10KHz。此计算方法与MIC502数据手册不一致，且差别 很大，计算根据不明。LMD182001、PWM原理回顾+Us p双极式可逆PWM的输出电压为:on U - T t Ton U = (2ton - 1)U厂s T s2、LMD18200LMD18200是美国国家半导体公司的用于运动控制的H桥组件。其功能如 下：连续

13、输出电流3A，峰值电流6A，工作电压高达55V；可通过输入的PWM信号实现PWM控制；可通过输入的方向控制信号实现转向控制；可以接受TTL或CMOS以及它们兼容的输入控制信号；可以实现直流电动机的双极型和单极型控制；内设过热报警输出和自动关断保护电路；内设防桥臂直通电路；低导通电阻，典型值0.3欧ainpin 1OUTPUT B0-0TS7RAP 2TH ERM AL FLAG OUTPUT BCQPST RAP 1LMD18200的内部结构图 自举3出 g= 混厦报警瑜出n 落地wn剁车精人二方面新入输出十= 白举1LMD18200的管脚封装及管脚说明：LMD18200的T-220封装及各引

14、脚功能如下:序 号名称引脚功能1自举1当开关频率非常高时，可接入外部自举电容。如在H桥输出 端1与自举端2之间接入10nF外部电容，可保证开关频率 达到500kHz2输出1H桥的第一输出端3方向输入方向输入端4刹车输入刹车输入端5PWM输入PWM输入端6电源电源：12V55V7地地8电流取样输出电流与输出1和输出2之间的电流成正比。输出值通常 为 377 A/A如果外接2.7K欧的电阻，则当电流为1A时，输出电压为 1V。9温度报警温度报警输出。当芯片结温达145。时，该端变为低电平， 结温达170C时，芯片关断。10输出2H桥的第二输出端。11自举2在脚10与脚11之间接入l0nF电容，可保

15、证开关频率达到 500kHz。PWM转目1刹车实际输出驱动电流HHL流出1灌2HLL流入1 ,流出2LXL流;出匚流出2HHl流出：筑出2HLH流入匚流入：LXHNONLLMD18201在本设计中的使用方式：1、工作频率为300Hz，频率低，不用外接自举电容，故引脚1、11悬空。2、PWM输出接5V，即PWM引脚逻辑电平为H。3、BRAKE引脚接地，即BRAKE引脚逻辑电平为L。4、DIRECTION引脚接MIC502输出，即该引脚接收MIC502的PWM输出，高电平时，引脚输出为5V，低电平时为0V。当MIC502输出高电平时，电流从1流出，从2流入。当MIC502输出低 电平时，电流从2流

16、出，从1流入。LM7805三端固定稳压集成电路LM7805,其作用是以一定电压范围内的直流电源作 为能源，提供5V直流电源。引脚1：加8至15V电压；引脚2：接地；引脚3：输出5V电压。X76XXVo士 coO.1pFViciO.33pFTX7805电参数除轴别说期，*2 12伊I8500EA, Yi= 107, Ci F. 33叶，Co=0-1 瑚）等致苻号测试条件卷小伯最洗值单位新出电压VoTj=25C4.85.05.2V5.CmAlo1.0AlP&1/2时，Y 为正，Ud0；当0 1/2时，Y 为负，Ud, Pm 1.4 dfrfl (st 142 rud-sec) 200.i-,I-_

17、一tt， IID1IDIE?10*Frequency (radiiEcj六、校正装置的实现(1)集成运放LM324管脚连接回输出4输出1回2输入1输入4回3回回输入2Vcc 输出2 7(俯视图)引脚及内部连接关系图极限工作参数LM324的特点：短路保护输出真差动输入级可单电源工作：3V-32V低偏置电流：最大100nA每封装含四个运算放大器。具有内部补偿的功能。共模范围扩展到负电源行业标准的引脚排列输入端具有静电保护功能校正电路的实现0.0-15+-1100.00-1S+-1七、参考文献参考文献：1、Guy Marsden, Levitation! Nuts and V olts Magazine, vol. 24, no. 9, pp. 58-6