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1、2011-2012中南大学信息科学与工程学院电气工程及其自动化专业课外研学设计报告基于MC9S12微处理器的悬浮控制器设计方案导师：陈特放班级：电气0901班学号：0909091507姓名：邓兴生摘要磁悬浮技术是一门涉及多学科的综合性技术。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料和转子动力学的发展，磁悬浮技术得到了长足的发展。其已被广泛应用于航空、航天、精密仪器、仪表 、机械制造和交通运输等领域。为加强对磁悬浮系统的实时控制，这就对磁悬浮控制器提出了较高要求。为此，本文在介绍磁悬浮技术的基础上重点讨论了一种以飞思卡尔16位单片机XS128为核心的磁悬浮控制器设计方案，该控
2、制器结构简单，实现方便理论可行。关键字：磁悬浮技术 MC9S12 PID控制 驱动模块 ABSTRACTMaglev technology is a multidisciplinary and comprehensive technical. With the development of electronic technology, control engineering, signal processing components, and new magnetic materials, electromagnetic theory and rotor dynamics, magnetic
3、suspension technology has made great development. It has been widely used in many fields, for example in aviation, aerospace, precision instruments, meters, machinery manufacturing and transportation.In order to enhance real-time control of magnetic levitation system, it makes higher requirement to
4、magnetic levitation controller. So, this paper describes the basis of maglev technology and a new design of magnetic levitation controller focus on Freescales 16-bit microcontroller XS128. This kind of controller is simple and easy to achieve. Keywords: maglev technology MC9S12 PID control drive mod
5、ule前言磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来，该装置由传感器、控制器、电磁铁和功率放大器等部分组成。根据在磁悬浮系统中实现稳定悬浮的电磁力的状态（是静态的还是动态的），可将磁悬浮系统划分为无源（静态）和有源（动态）两种磁悬浮系统。图（一）为简单的有源磁悬浮系统，它是由悬浮体、传感器、控制器和执行器4部分组成。其中，执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。现假设在某参考位置上，由于悬浮体受到一个向下的扰动，它将偏离其参考位置。这时，传感器测出悬浮体偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测到的位移变换成控制信号；功率放大器将这一控制信号转化成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生电磁力，
6、从而驱动悬浮体返回原来的平衡位置。因此，不论悬浮体受到的力是向上还是向下，它始终都能保持在平衡位置。控制器悬浮体功放电磁铁传感器图（一）磁悬浮原理1、 磁悬浮控制器磁悬浮控制器是磁悬浮系统的一个关键部分，能够通过控制信号实时性地控制磁悬浮系统稳定。它的输入部分是传感器检测到的模拟控制信号经过A/D转化后数字化信号，经过微处理器的控制算法运算，输出信号控制驱动模块控制电磁铁产生磁力实现系统平衡。图（二）详细描述了这一过程。PWM波数字控制器采样保持控制算法滤波放大A/D转换驱动电路主电路电磁铁传感器 图（二）磁悬浮控制器控制过程由于电磁铁的动力学模型是三阶不稳定模型系统，故在开环模式下，系统是不
7、稳定的，必须对电磁铁的气隙进行反馈控制，才能保持气隙恒定。控制系统的工作原理为：首先通过气隙传感器检测电磁铁的气隙变化数模转化后，经数字滤波并放大，再与控制的给定值比较获得偏移量，采取一定的控制算法（闭环PID控制算法），获取控制量，此控制量通过PWM发生器，产生PWM波驱动主电路，改变电磁铁两端的电压，从而改变电磁铁的电磁吸力的大小，以控制悬浮体的稳定悬浮。图（二）中方框内部为整个数字控制器。文献1提出将磁悬浮系统分解为电流环和悬浮子控制系统两个并行、解耦的子系统来设计控制器；文献2提出将悬浮系统分为电流环和位置环进行控制，并设计了以TMS320F2407数字信号处理器（DSP）为核心的控制
8、器对其进行试验验证；文献3对磁悬浮控制器的电流环做了研究，并设计了实用模拟电流环控制电路；文献4对磁悬浮列车悬浮控制器的电流环进行深入研究，并提出了次速电流环的概念；文献5对磁悬浮控制数字化进行了分析，并采用MC80C196单片机进行控制；文献6利用DSP实现了磁悬浮控制器。本文参考这些文献，基于飞思卡尔16位芯片MC9S12DP256提出以MC9S12DP256为微处理器的磁悬浮控制器的简单实现方案。2、 基于MC9S12微处理器的磁悬浮控制器设计控制系统的实现可以全部采用模拟电路，也可以采用数字电子计算机为核心的数字电路。模拟电路的优点是运算速度快，实时性较好，但控制精度低、电路受外界环境
9、影响，且不易实现复杂的控制算法，调试困难。对于复杂的控制理论来说，用数字实现方式肯定比模拟实现方式方便。而磁悬浮系统本身就是个复杂系统，这自然就对控制器提出了较高要求。磁悬浮模拟控制电路中的电阻、电容、运算放大器等器件的特性就会随着温度的改变而改变，这就意味着，一个模拟控制器的性能为00C时和700C时会大不一样，而数字控制器的电路在其保证的工作范围内受温度变化的影响几乎没有。此外，对于磁浮列车模拟控制器电路来说，还必须考虑到器件以及制作器件的材料的寿命，这将极大地影响整个悬浮控制系统的性能。本文主要讨论基于XS128微处理器的磁悬浮控制系统，下面先对这个16位单片机进行简单介绍，重点研究控制
10、算法的实现以及驱动模块的设计。2.1 MC9S12芯片简介MC9S12系列单片机采用了高性能的16位处理器HCS12，可提供丰富的指令系统，具有较强的数值运算和逻辑运算能力；其内大容量的FLASH存储器具有在线编程能力，EEPROM和RAM可存储各种控制参数。MC9S12有多个系列几十个品种，而且仍然在不断发展中。该系列单片机有很高的集成度，片上集成了很多功能模块，如串行通信接口、串行设备接口、USB接口、A/D转换器、PWM和CAN等，丰富的外设资源使用户使用起来十分方便。本实验用的单片机是MC9S12DP256 。2.2 MC9S12控制原理MC9S12单片机本身集成有8位A/D转换ATD
11、功能实现模块，所以可以简化电路，省去外围A/D转化模块。考虑到传感器输出信号小致使难以通过单片机引脚直接检测的原因，传感器输出信号经过运算放大器至标准单片机输入电压模式再接入单片机AD引脚。同时，传感器受其他电路影响，会出现纹波，为有效的检测到信号的变化，必须把这部分纹波滤去，与运算放大器构成一阶有源滤波电路，滤波的同时实现电压放大。该单片机内部同时还具有PWM模块，只需改变PWM寄存器的值就能方便的实现任意占空比的脉冲输出，通过该模块能够有效控制驱动模块。控制算法实现起来简单，单片机从AD输入引脚实时读取传感器数据，比与悬浮体稳定点数据比较，应用PID算法实现闭环控制，根据比较结果改变PWM
12、输出值，从而控制电磁铁的电磁力，保证悬浮体保持平衡。算法实现流程图如图（三）。函数入口初始化读取传感器数据比较PWM输出PID控制相同不相同2.3 驱动模块设计电磁悬浮系统是个不稳定系统，当悬浮气隙发生变化时，要求电磁铁电流迅速做出相应的调整，从而改变电磁线圈的电磁场以改变电磁铁的电磁力的大小，以使悬浮系统气隙保持一个动态的稳定状态。因为该部分能够相应单片机PWM波做出相应变化，所以该部分必须具备反应时间快的特点，并且有足够的驱动能力。为此，笔者选用MOS管组成H型半桥电路控制电路通断，用以驱动电磁线圈。在选用MOS管时，选取内阻小抗压能力强且最大电流大的MOS管以保证其安全性。该电路的工作原
13、理是，通过PWM的占空比变化实现电磁线圈的电磁力变化，只要单片机上的PWM有合适的占空比就能实现对电磁线圈的有效控制。该电路反应速度快，效率高等特点。电路原理图如图（四）所示。3、 可行性分析MC9S12DP256是一块16位单片机，内部集成有A/D模块和PWM模块，能够成功实现磁悬浮的控制，程序实现和电路设计简单，芯片经济实用，是个不错的尝试。但缺点是，MC9S12DP256实现的主频有限，这一点大大影响了其实时性，所以对于那些对于实时性要求高的磁悬浮系统，此方案有待进一步改进。4、 总结通过两个星期对磁悬浮系统的基础了解，基本掌握了磁悬浮系统原理及其组成部分，并结合正在学习的单片机MC9S
14、12提出对磁悬浮控制器的一种猜想方案，有利于增强对基础知识的了解以及对单片机的应用，从而增加学习热情。5、 参考文献1 李云钢. 磁浮列车悬浮系统的串级控制 J .自动化学报，1999 ，25 (2):247-251. 2 刘横坤. 磁悬浮列车的双环控制 J . 控制工程， 2007 ，14 (2):198-200. 3 徐晓峰 连级三 磁悬浮斩波器电流闭环误差放大器设计研究C 中国首届电子电源及功率自关断器件应用技术研讨会，1999 (8):191-194. 4 李云钢. 磁浮列车悬浮控制器的电流环分析与优化设计 J .国防科技大学学报，2006，28 (1):94- 97. 5 李熹 蒋启龙 基于MC80C196 的单磁铁悬浮控制J . 机车电传动，2000 (1):25-27. 6 吴建军,张昆仑.用 DSP实现新一代磁浮列车悬浮控制器 J . 电子技术应用，2000 ，26 (7):25-27.
