一种基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台制造技术

一种基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台，包含机械部分与电气部分，所述机械部分包含平台外部支架、励磁电磁铁、激光位移传感器以及小铁球；所述电气部分包含Arduino Mega2560控制板、W5200以太网扩展板、PWM开关型功率放大器以及激光传感器位置信号采集电路，控制器通过W5200以太网扩展板与Simulink仿真模块进行网络通讯进而实现人机交互。本发明专利技术的平台将硬件在环仿真技术与经典控制对象相结合，为控制理论教学和实验提供了一个小巧方便的实验平台，具有成本低、实验方便、可动态监测实验数据和整定系统参数等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台
本专利技术涉及磁悬浮技术和半实物仿真
，尤其是一种基于硬件在环仿真的磁悬浮实验平台。
技术介绍
磁悬浮系统的基本原理是在不需要其他任何额外支撑力地作用下，通过电磁线圈产生的电磁力将对象悬浮于空中。磁悬浮系统具有无接触式控制、无接触式机械磨损、无污染等优点，已被广泛的应用到工业、航空、医疗等众多领域中。磁悬浮球系统是典型的具有强不确定性的单自由度非线性系统，对比于多自由度磁悬浮系统，磁悬浮球系统具有数学模型简单，机械结构易于实现等优点，目前磁悬浮球系统实验平台已成为高校相关专业进行经典控制理论教学与先进控制算法验证的经典平台。传统的基于PCI数据采集卡磁悬浮球系统实验平台因采用PCI数据采集卡作为控制器限制了平台只能与台式电脑配套使用，这使得实验人员所有的实验工作都必须在实验室完成。并且由于PCI接口电路的复杂，以及通用型数据采集卡的功能多，而导致PCI通用数据采集卡价格昂贵，间接提高了设备开发成本。传统的基于DSP快速代码自动生成技术的磁悬浮球系统实验平台通过MATLAB调用CCS编译器将目标模型编译为可执行代码，并需要额外的仿真器将可执行程序下载到DSP控制器中从而实现对硬件平台的控制。但该模式下，实验人员无法直接从MATLAB中检测实验结果，降低了实验效果。传统磁悬浮球实验平台大多采用光电位移传感器或者霍尔传感器作为系统反馈信号测量器件。但他们具有量程短、精度低，线性度差等缺点。从而限制了磁悬浮球实验平台的控制精度。传统磁悬浮球实验平台大多采用电流型功率放大器来驱动励磁线圈，由于电流型功率放大器电路复杂，效率低，功耗高，这增加了功率放大器的开发成本，不利于平台集成化设计。
技术实现思路
为了克服上述提到的现有磁悬浮系统实验平台的传感器测量精度低，功率放大器电路复杂、效率低、不利于集成化，控制器依赖于PCI通讯接口的不足，本专利技术提供了一种基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台。该平台控制器小巧，执行器工作稳定效率高，可广泛用于高校控制理论实验教学以及控制算法验证。为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台，包含机械部分与电气部分，所述机械部分包含平台外部支架、励磁电磁铁、激光位移传感器以及小铁球；所述电气部分包含ArduinoMega2560控制板、W5200以太网扩展板、PWM开关型功率放大器以及激光传感器位置信号采集电路，控制器通过W5200以太网扩展板与Simulink仿真模块进行网络通讯进而实现人机交互；PC机中的Simulink仿真模块作为与实验平台的交互接口，利用RTW目标模型搭建控制模型，然后在模型运行时首先自动生成可通过以太网TCP/IP协议与Simulink进行数据交互的模型可执行代码，并通过W5200以太网扩展板下载到ArduinoMega2560控制器中开始运行；ArduinoMega2560控制器利用自身的ADC获取激光传感器输出的小球实时位置信号，并将计算所得控制信号以PWM波的形式输出到PWM功率放大器中，PWM放大器驱动励磁电磁铁从而实现对小球的稳定控制。进一步，所述机械本体还包含机械支架、励磁电磁铁固定螺纹杆、传感器固定支架和传感器悬梁固定螺钉，其中所述机械支架的铝合金型材支架与上下胶合板通过铝制角码固定，所述励磁电磁铁、激光位移传感器通过螺杆和螺钉动态调整位置，方便实验时进行校正。再进一步，所述激光位移传感器采用高精度COM激光位移传感器，获取小球位置信号，传感器输出电压信号经信号采集电路处理后输出入到ArduinoMega2560控制板的ADC0引脚。更进一步，实验平台通过W5200以太网扩展板实现与PC机的TCP/IP网络通讯，实验平台与PC机通过局域网络连接，实现对实验数据的实时监控，和控制算法参数的动态整定。实验所需PC机是预装有R2015b及后续版本的MATLAB和ArduinoSimulink硬件支持包的任何台式PC机、便携笔记本电脑以及工控机。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术采用支持硬件在环仿真的ArduinoMega2560作为系统的控制器，控制器通过W5200以太网扩展板实现与PC机中的Simulink实现交互，控制器参数和监测数据通过TCP/IP实现交互。该方法克服了传统实验平台对昂贵数据采集卡的依赖，又解决了采用基于代码生成模式的RTW仿真模式不能与PC机高速交互的缺点。(2)本专利技术的机械部分主要由轻质铝合金型材和高密度胶合板构成，避免了设备中的铁磁材料对磁铁磁力的影响。同时采用螺纹杆固定励磁电磁铁，方便对平台进行微调；(3)本专利技术为克服光电位移传感器量程短、精度低、线性度差的特点，基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台采用大量程、高精度，强线性度激光位移传感器作为反馈器件。激光位移传感器最大量程30mm，测量精度达0.01mm，极大的提高了实验平台的控制精度；(4)本专利技术为节约开发成本，便于后续集成化设计，实验平台采用体积小，成本低、效率高的PWM开关型功率放大器替代传统平台的体积大、开发成本高、效率低的电流型功率放大器。PWM开关型功率放大器采用集成电路芯片替代电流型功率放大器中的大量模拟器件，使得功率放大电路性能更加可靠，电路结构更加小巧；(5)本专利技术中所采用的PWM开关型功率放大器输入输出之间具有优越的线性关系。基于此，可以磁悬浮球的三阶模型转化为经典的积分串联型数学，极大的降低了系统分析的难度，便于理论教学与实验算法设计。(6)本专利技术所采用的ArduinoMega2560控制器，PWM开关型功率放大器均为低成本硬件，电气部分硬件电路小巧。基于TCP/IP的交互方式为即保证了实验数据实时监测的速度又克服了对台式PC机的依赖。因此本专利技术具有巨大的推广价值和应用前景。附图说明图1为基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台结构示意图。图2为基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台机械本体示意图。其中，1—机械支架，2—励磁电磁铁固定螺纹杆，3—励磁电磁铁，4—小铁球，5—传感器固定支架，6—激光位移传感器，7—传感器悬梁固定螺钉。图3为基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台实验流程图。具体实施方式为了使本专利技术的技术方案、设计思路能更加清晰，下面结合附图再进行详尽的描述。参照图1～图3，一种基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台，包含机械部分和电气部分。基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台机械部分的主要功能为小球位置控制与小球位置信号反馈。如图2所示，机械本体包含机械支架、励磁电磁铁固定螺纹杆、励磁电磁铁、小铁球、传感器固定支架、激光位移传感器、传感器悬梁固定螺钉。其中支架的铝合金型材支架与上下胶合板通过铝制角码固定。励磁电磁铁、激光位移传感器可通过螺杆和螺钉动态调整位置，方便实验时进行校正。电气部分包含ArduinoMega2560控制板、PWM功率放大器、传感器数据采集电路以及W5200以太网扩展板构成。电气部分的主要功能是首先利用自带ADC采集激光传感器的位置反馈信号，将该反馈信号与给定信号的偏差输入到控制器中，控制器根据一定的控制规律计算出小球的控制信号，控制板将该信号以PW本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台，其特征在于：包含机械部分与电气部分，所述机械部分包含平台外部支架、励磁电磁铁、激光位移传感器以及小铁球；所述电气部分包含Arduino Mega2560控制板、W5200以太网扩展板、PWM开关型功率放大器以及激光传感器位置信号采集电路，控制器通过W5200以太网扩展板与Simulink仿真模块进行网络通讯进而实现人机交互；PC机中的Simulink仿真模块作为与实验平台的交互接口，利用RTW目标模型搭建控制模型，然后在模型运行时首先自动生成可通过以太网TCP/IP协议与Simulink进行数据交互的模型可执行代码，并通过W5200以太网扩展板下载到Arduino Mega2560控制器中开始运行；Arduino Mega2560控制器利用自身的ADC获取激光传感器输出的小球实时位置信号，并将计算所得控制信号以PWM波的形式输出到PWM功率放大器中，PWM放大器驱动励磁电磁铁从而实现对小球的稳定控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台，其特征在于：包含机械部分与电气部分，所述机械部分包含平台外部支架、励磁电磁铁、激光位移传感器以及小铁球；所述电气部分包含ArduinoMega2560控制板、W5200以太网扩展板、PWM开关型功率放大器以及激光传感器位置信号采集电路，控制器通过W5200以太网扩展板与Simulink仿真模块进行网络通讯进而实现人机交互；PC机中的Simulink仿真模块作为与实验平台的交互接口，利用RTW目标模型搭建控制模型，然后在模型运行时首先自动生成可通过以太网TCP/IP协议与Simulink进行数据交互的模型可执行代码，并通过W5200以太网扩展板下载到ArduinoMega2560控制器中开始运行；ArduinoMega2560控制器利用自身的ADC获取激光传感器输出的小球实时位置信号，并将计算所得控制信号以PWM波的形式输出到PWM功率放大器中，PWM放大器驱动励磁电磁铁从而实现对小球的稳定控制。2.如权利要求1所述的一种基于硬件在环仿真的磁悬浮球半实物仿真实验平台，其特征在于：所述机械...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞立，宋文华，仇翔，徐振华，李同祥，张鋆豪，项秉铜，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33