[发明专利]一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统及其控制方法

权利要求书

1.一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统的控制方法，其特征在于，

所述电磁悬浮球系统包括电涡流间隙传感器、加速度传感器、悬浮控制器、斩波器、电流传感器和钢球；

电涡流间隙传感器实时采集悬浮间隙信号值并将其发送给悬浮控制器；

加速度传感器和无线发送单元设置于钢球内部，加速度传感器采集钢球的加速度值，通过无线发送单元发送给无线接收单元；

无线接收单元将由无线发送单元发来的加速度数据发送至悬浮控制器；

电流传感器检测电磁铁的电流信号，并将其发送至悬浮控制器；

悬浮控制器根据接收到的悬浮间隙信号值、加速度数据和电流信号的实时数据，计算要输出的电流大小，然后通过斩波器调节电磁铁的绕组电流，改变电磁力的大小，使钢球稳定悬浮在给定悬浮间隙处；

所述控制方法包括以下步骤：

步骤1：根据间隙传感器实时发送的间隙信号值，得到悬浮间隙值的变化量Δx(t)；

步骤2：计算悬浮间隙值变化量的一阶微分Δx’(t)，记为Δv₁(t)；

步骤3：根据加速度传感实时发送的加速度数据，得到加速度值的变化量Δa(t)；

步骤4：计算加速度值变化量的积分∫Δa(t)dt，记为Δv₂(t)；

步骤5：确定电磁悬浮球竖向速度值的变化量Δv(t)：若|Δv₁(t)|=|Δv₂(t)|，则Δv(t) =Δv₁(t)；若|Δv₁(t)||Δv₂(t)|，则，Δv(t)=Δv₂(t)；

步骤6：计算要输出的电流变化量

Δi(t)=Kp*Δx(t)+Kv*Δv(t)+Ka*Δa(t)

其中Kp、Kv、Ka分别为间隙、速度和加速度变化量的反馈增益，根据系统稳定性需求，调整所述反馈增益值的大小；

步骤7：根据计算的控制电流与电流传感器反馈的实际电流的差值Ei确定输出PWM波形的占空比，从而控制电磁铁的电流：当差值Ei变大时，增大PWM波的占空比，使输出电流变大，当差值Ei变小时，减小PWM波的占空比，使输出电流变小。

2.根据权利要求1的控制方法，其特征在于，所述反馈增益值的调整方式包括：

通过增大间隙变化量的反馈增益Kp来提高系统响应速度并减小静态误差；

当因间隙变化量的反馈增益Kp过大，产生过大的超调、振荡或系统失稳时，则适当回调以减小间隙变化量的反馈增益Kp；

通过增大速度变化量的反馈增益Kv来改善系统的动态特性，减小超调量；

当因速度变化量的反馈增益Kv过大，导致系统阻尼过大使系统的调节速度过慢或系统失稳时，则适当回调以减小速度变化量的反馈增益Kv；

通过增大加速度变化量的反馈增益Ka，以增大系统刚度，减小钢球振动幅度；

当因加速度变化量的反馈增益Ka过大，引起干扰变大，系统不稳定时，则适当回调以减小加速度变化量的反馈增益Ka。