基于XC64CM单片机的磁悬浮球控制系统设计

基于XC64CM单片机的磁悬浮球控制系统设计

摘要

磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学等为一体的典型机电一体化技术，具有十分重要的理论和现实意义。对应磁悬浮系统是一种不稳定性和非线性系统，其中的控制器设计至关重要,本设计控制器采用XC164CM单片机。在硬件设计方面介绍了系统的组成，结构的特点，电路的设计。在成功搭建单片机控制电路后，对硅光电池进行了线性度测量，然后用ICL7650设计放大电路，选择芯片IR2110搭建驱动电路。

在介绍了悬浮球控制系统的组成和工作原理的基础上，通过理论和实验的方法建立了磁悬浮系统的模型，并通过在平衡点附近线性化建立了对应的磁悬浮线性系统模型，得到了系统的传递函数。在此基础上，分析了系统的稳定性，设计了系统的PID控制器并采用MATLAB软件进行了仿真。在获得PID参数后用c语言对单片机编程，程序分为DAVE辅助编程软件生成的程序和手动编写的程序，主要包括IO初始化模块，AD模块，PID算法模块，CCU6调制波输出模块以及一个死循环的主程序，以实现对磁悬浮球的实时控制。在最后系统的调试中，PID参数需要进一步修改已达到控制效果最佳。

关键词：磁悬浮；XC164CM；IR2110; PID控制;

第1章绪论 1

1.1　论文的研究背景目的及意义 1

1.2　国内外发展状况 2

1.3 研究方法与实验设计 4

1.4　论文研究的主要内容 6

第2章　系统的总体设计方案 7

2.1　系统结构及控制原理 7

2.2　系统硬件设计 9

2.3　系统软件实现 10

2.4本章小结 14

第3章硬件系统的设计与实现 15

3.1 测量元件 15

3.1.1 硅光电池的工作原理及其特性 15

3.1.2 利用ICL7560设计放大电路 19

3.1.3 传感器标定试验 22

3.2 XC164CM控制电路片上资源 24

3.2.1 片上系统资源总括 25

3.2.2 片上外设资源 26

3.2.3 时钟信号的产生 26

3.3 硬件电路系统的实现 28

3.3.1 A/D转换器 28

3.3.2 PWM产生原理 29

3.3.3 桥式电路的设计 31

3.3.4 功率驱动电路 32

3.3.5 XC164CM单片机电路 34

3.4 本章小结 37

第4章系统数学模型的建立 38

4.1 微分方程的推导 38

4.1.1.1 控制对象的动力学方程 38

4.1.1.2 系统的电磁力模型 39

4.1.1.3 电磁铁中控制电压与和电流的模型 41

4.1.1.4 功率放大器模型 43

4.1.1.5 系统平衡的边界条件 43

4.1.1.6 系统方程的描述 43

4.2 系统模型线性化处理 44

4.2.1 线性化理论基础 44

4.2.2 系统模型线性化处理 46

4.3 系统控制模型的建立 47

4.4 系统实际模型 49

4.4.1 系统物理参数 49

4.4.2 实际模型的建立 49

4.5 PID参数的确定PID 50

4.6 本章小结 54

第5章软件设计 55

5.1 Dave的使用 55

5.2 软件系统简介 56

5.2 核心程序介绍 58

5.2.1 主程序 58

5.2.2 AD采样 59

5.2.3 PID算法的实现 61

5.2.4 CCU6输出 63

5.3 本章小结 64

结论 65

参考文献 67

致谢 69

附录 70

第1章绪论

1.1　论文的研究背景目的及意义

磁悬浮技术是集电磁学、电子学、力学、机械学、控制工程和计算机科学于一体的技术，它是随着控制技术的发展而建立起来的。磁悬浮的作用是利用磁场力使一物体沿着或绕着某一基准框架的一轴或几轴保持固定位置。由于悬浮体和支撑之间没有任何接触，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，因此目前世界各国己广泛开展磁悬浮控制系统的研究。随着控制理论的不断完善和发展，采用先进的控制方法对磁悬浮系统进行的控制和设计，使系统具有更好的鲁棒性。随着电子技术的发展，特别是电子计算机的发展，带来了磁悬浮控制系统向智能化方向的快速发展。目前，关于磁悬浮技术的研究与开发在国内外都处于快速发展之中。磁悬浮技术从原理上来说不难以理解，但是真正将其产业化却是近几年才开始的。

一百多年前，人类提出的利用磁场力来对物体进行无接触支撑的想法，因受当时认识水平和技术条件的限制，一直没有很大的进展。20 世纪初，悬浮理论的奠基者们最先在实验室中造成了物体在空间自由悬浮这一人类历史上长期视为神秘的现象。然而真正实现电磁悬浮，并把这一技术加以应用是近几十年的事。单纯使用永久磁铁或超导体产生的悬浮则为“被动磁悬浮”(或“无源磁悬浮”)，而使用电动或电磁方式产生的悬浮则为“主动磁悬浮”(或“有源磁悬浮”)。早期的悬浮支撑研究侧重于“被动磁悬浮”(Passive Magnetic Suspension)，随着现代科学技术的飞速发展，电磁悬浮技术的研究开始转入“主动磁悬浮”(ActiveMagnetic Suspension)阶段[1]。特别是进入上世纪的 80 年代，超导现象的发现首先应用于磁悬浮方面。超导技术与磁悬浮技术的结合，新材料，新工艺，新器件的出现以及现代控制技术的发展，使电磁悬浮技术趋于成熟，由理论研究阶段进入了实际应用新阶段——磁悬浮支撑技术和磁悬浮列车技术两大使用领域。

1.2　国内外发展状况

一百多年前，人类提出的利用磁场力来对物体进行无接触支撑的想法，因受当时认识水平和技术条件的限制，一直没有很大的进展。20 世纪初，悬浮理论的奠基者们最先在实验室中造成了物体在空间自由悬浮这一人类历史上长期视为神秘的现象。然而真正实现电磁悬浮，并把这一技术加以应用是近几十年的事。

1842 年，英国剑桥大学的恩休(Earnshaw)就提出了磁悬浮概念，并证明了铁磁体不可能仅由一个永久磁铁支撑而在六个自由度上都保持稳定、自由的悬浮，必须有一个自由度被机械或其他方式所约束。1937 年肯拍(Kemper)申请了一项有关磁悬浮支承的专利，提出了作为新的交通方法的一种可能，并作一些实验，这就是近年来出现的磁悬浮列车的前身。

以后的二十多年里，磁悬浮研究主要着重于由静磁场所稳定的被动悬浮，此时的代表机构是美国麻省理工学院的雷伯实验室。由于被动力不可能使一个刚体在所有自由度上都稳定悬浮，因此，就需要采用主动方法即控制环节，以不断地使磁场适应刚体的运动。二十世纪五十年代末，针对主动式磁悬浮技术的研究开始出现。1957 年，法国 Hispon-Suiza 公司提出了第一个完整的主动磁悬浮技术设想，并取得了法国专利(French Patent,1186527)。 20 世纪 60 年代后，法国、日本、美国、前苏联等国家纷纷开始进行主动式磁悬浮技术的研究，为当今的磁悬浮技术打下了理论基础。

针对非线性主动磁轴承系统的控制方法主要有自适应控制、模糊控制及滑模控制[2]。P. K. Sinha 在他的著作中也采用了模型参考自适应控制来抑制电磁悬浮的非线性影响。以磁悬浮系统的非线性模型作为可调系统，以某个线性化模型作为参考模型，并以该参考模型的状态和输出作为希望的性能指标。当受到干扰时，将两个系统各自的状态通过比较得到广义误差。自适应控制算法就是要在这种广义误差的作用下修改可调系统的参数，使广义误差的某种性能指标达到极小，从而使磁悬浮模型的状态输出达到和参考模型一致。

Jin. H 等提出通过非线性反馈线性化设计磁悬浮控制器的理论和方法。磁悬浮模型采用完全非线性化状态方程描述，因此通过反馈线性化得到的模型在很大范围内不受平衡点的影响。

第六届磁力轴承国际会议中还出现了基因算法与神经网络在磁力轴承中应用的论文，如多目标基因算法在线优化调整 PID 控制器，基因算法在线调节 AMB 控制器，以及神经网络辅助下的不平衡补偿，并结合商业软件，实现电磁轴承控制系统的数字化、集成化、模块化和结构化。使得电磁轴承更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向发展。

Jin. H 等提出通过非线性反馈线性化设计磁悬浮控制器的理论和方法。磁悬浮模型采用完全非线性化状态方程描述，因此通过反馈线性化得到的模型在很大范围内不受平衡点的影响。第六届磁力轴承国际会议中还出现了基因算法与神经网络在磁力轴承中应用的论文，如多目标基因算法在线优化调整 PID 控制器，基因算法在线调节 AMB 控制器，以及神经网络辅助下的不平衡补偿，并结合商业软件，实现电磁轴承控制系统的数字化、集成化、模块化和结构化。使得电磁轴承更具有“柔性”，并向多功能、智能化方向发展。

我国对磁悬浮技术的研究起步较晚，磁悬浮轴承的研究始于 80 年代。1986年广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在 FAM 中的应用”这一课题进行研究。此后，山东科技大学磁悬浮研究所、清华大学、西安交通大学、国防科技大学等进行这方面的研究。但到目前为止，开发的多数产品还在实验阶段。磁悬浮技术应用于列车也是一个很有前景的研究领域，国防科技大学在磁悬浮列车方面的研究取得了瞩目成果。

经过近半个世纪的研究，目前磁悬浮技术在很多领域己经取得了重大突破，某些领域己经开始广泛应用，越来越多的磁悬浮技术相关产品问世。目前最突出的代表性技术为磁悬浮列车与磁悬浮轴承。1969 年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型(TRO1型)，该车在1 km轨道上时速165km,这是磁悬浮列车发展的一个里程碑。1994 年2月24日，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，在宫崎一段 74km 长的试验线上，创造了时速 431km 的记录。1999 年4月，日本磁悬浮列车再次刷新纪录，时速达到 552 公里。德国经过 20 年的努力，己具备建造营运线的能力。我国对磁悬浮列车的研究起步较晚，1989 年3月，国防科技大学研制出我国第一台磁悬浮样车。1995 年我国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行时速 300km 的试验[3][4]。

近年来，半导体等电子元器件的加工需要用到真空技术，对于环境的洁净度、精度以及加速度等都有更高的要求。结合磁悬浮技术的种种优点，越来越多的国家和单位开始了磁悬浮工作台机床的研究工作。磁悬浮工作台是以电磁力为工作台的支承，同时以辅助电磁导向机构构成机床导轨系统。以平板式直线电机为驱动系统，用来进行高要求的加工。目前，日本一些半导体零件生产厂家已经研制出可以乘放、运送要求高清洁度的电子零件的磁悬浮工作平台[5]。1993 年，日本东京大学与东芝公司共同研制的磁悬浮工作平台更具特色，可进行精密定位，适应于精细加工。

当前，国际上对磁悬浮技术的研究工作已经非常活跃。1988 年召开了第一届国际磁悬浮轴承会议，此后每两年召开一次。1991 年，美国航空航天管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。另外，磁悬浮技术在其他方面也有着突出进展，例如：磁悬浮主轴系统、磁悬浮隔振系统、磁悬浮研磨技术等等。现在，美国、法国、日本、瑞士和我国都在大力支持开展磁悬浮技术的研究工作，国际上的这些努力，推动了磁悬浮技术在工业中的广泛应用。

1.3 研究方法与实验设计

本设计在单片机的基础上采用PID算法，在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛的应用．在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中，95％以上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制也都是以PID控制为基础的．

从频域角度上分析，PID控制是通过积分作用于系统的低频段，以提供系统的稳态性能；而微分作用于系统的中频段，以改善系统的动态性能。因此，PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，它应该根据被控对象的特性，来确定PID控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数。

PID控制器参数整定的方法有很多，概括起来有两大类：

1、理论计算整定法，主要依据系统的数学模型，经过理论计算或计算机仿真来确定控制器的参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改，但它可以作为参数整定的参考依据。

2、工程整定方法，主要有Ziegler--Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过试验然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后的调整与完善。工程整定法的基本特点是：不需要事先知道被控对象的数学模型，而直接在控制系统中进行现场整定，方法简单，计算方便，容易掌握。

PID控制器具有以下优点：

(1)原理简单，使用方便，PID参数可以根据过程动态特性及时调整。如果过程的动态特性发生变化，如对负载变化引起的系统动态特性变化，PID参数就可以重新进行调整与设定。

(2)适应性强，应用范围广。虽然很多工业工程是非线性或时变的，但通

过适当简化，可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样就可以通过PID控制了。

(3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。

当然，PID控制器也有其固有的缺点。它在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，效果不是太好。虽然有这些缺点，但PID控制器仍因其自身的优点而得到了最广泛的应用[7]。

由于PID控制器的用途广泛，使用灵活，已有系列化产品，在使用中只需设定三个参数即可。而且在很多情况下，并不一定都需要三个单元，可以只取其中的一个或者两个单元，不过比例控制单元是必不可少的，因为它是PID控制器的主体部分，起着主要的控制作用。

1.4　论文研究的主要内容

本设计采用XC164CM单片机作为控制器，运用经典的PID对磁悬浮球进行控制。

(1)介绍论文的研究背景和选题的目的和意义。综述了国内外的研究现状，概括地介绍论文的设计内容。

(2)的硬件电路的设计，介绍系统主要硬件电路的设计，主要包括三部分电路的设计，利用IR2110以及IRF540设计电磁铁驱动电路，利用XC164CM设计控制电路，还需搭建一个ICL7650的放大电路。

(3) 程序辅助软件Dave的应用说明，对PID算法进行说明，并对程序进行分块编程。