[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

说明书

本发明公开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，系统中电涡流间隙传感器采集悬浮间隙信号值并发送给悬浮控制器；加速度传感器和无线发送单元设置于钢球内，加速度传感器采集钢球加速度值，通过无线发送单元和无线接收单元发送至悬浮控制器；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，确定要输出的电流大小，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，使钢球悬浮在给定悬浮间隙处。本发明提升了悬浮系统的悬浮性能，增大系统的动态刚度，改变了系统的阻尼和振动频率，提高了系统的抗干扰能力和悬浮稳定性。

技术领域

本发明涉及电磁悬浮技术领域，具体为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。

背景技术

传统的电磁悬浮球系统主要包括电磁铁、钢球、间隙传感器、悬浮控制电路以及斩波器等部分。电磁悬浮球系统是一个闭环控制系统，一般由间隙传感器检测钢球与电磁铁之间的距离变化，当钢球受到扰动下降，钢球与电磁铁距离增大，间隙传感器输出电压发生变化，然后间隙电压信号发送到悬浮控制器处理，再经过斩波器调节电磁铁电流，使得电磁铁电流增大，电磁吸力增大，钢球被吸回平衡位置，反之同理，故能使钢球在平衡位置悬浮。整个系统的工作原理图如图1所示。

现有电磁悬浮球系统根据悬浮间隙的变化情况常采用比例-微分控制器(位置速度反馈)来控制电磁铁电流进而实现钢球的稳定悬浮。控制电流可以表示为:

Δi(t)＝Kp*Δx(t)+Kd*Δx’(t)

式中Δx是间隙值变化量，Δx’(t)即速度值变化量，Kp、Kd分别是间隙变化量和速度变化量的反馈增益，可由实验测得。

但是在实际应用中微分环节存在有以下弊端：(1)微分控制对幅值变化快的强扰动反应过快，而执行机构的动作速度则相对比较缓慢，不能及时响应微分控制作用，因而微分控制不能有效抑制扰动；(2)进入微分环节的信号若出现突变现象，则控制器输出将出现一个尖峰；(3)理想微分控制对偏差信号夹杂的噪声干扰十分敏感，这对悬浮系统的稳定运行是不利的。

另外，当有外在扰动作用于钢球时，现有的电磁悬浮球系统存在因缺少加速度反馈导致的刚度不够及稳定性不够强的问题，如果有较强的扰动作用于悬浮球或者信号中干扰过大，电磁悬浮球系统很容易产生剧烈振动甚至失稳。它的结构简单且易于实现，但是抗干扰性不够强，稳定性有待提高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够显著提升悬浮系统的悬浮性能，增大系统的动态刚度，改变系统的阻尼，改变振动频率，提高系统的抗干扰能力和系统的悬浮稳定性的具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统及其控制方法。技术方案如下：

一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统，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、电池和悬浮钢球；

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；

电池用于给加速度传感器和无线发送单元供电；

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，使钢球悬浮在给定悬浮间隙处。

一种具有加速度检测功能的电磁悬浮球系统的控制方法，包括以下步骤：