基于嵌入式磁浮台控制系统及方法与流程

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1.本发明涉及磁浮台控制系统的技术领域，具体地，涉及基于嵌入式磁浮台控制系统及方法。

背景技术：

2.磁浮台控制系统的关键技术是设备的独立运行、数据自主上报、对平台姿态自主进行采集并通过增量pid算法方式进行姿态调节控制。pid控制器以各种形式使用超过了1世纪，广泛应用在机械设备、气动设备和电子设备在工业应用中pid及其衍生算法最广泛的算法之一，可称之为万能算法。
3.增量式pid：
4.δu(k)＝u(k)-u(k-1)
5.＝k
p
[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
[0006]
比例p：e(k)-e(k-1)这次误差-上次误差；
[0007]
积分i：e(i)误差；
[0008]
微分d：e(k)-2e(k-1)+e(k-2)这次误差-2*上次误差+上上次误差；
[0009]
增量式pid根据公式可以很好地看出，一旦确定了kp、ti、td，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由公式求出控制增量；而得出的控制量
▲
u(k)对应的是近几次位置误差的增量，而不是对应与实际位置的偏差，没有误差累加；控制增量δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果，并且在系统发生问题时，增量式不会严重影响系统的工作。
[0010]
由于嵌入式技术目前已经很成熟，利用低功率嵌入式mcu芯片作为主控芯片，通过板载总线方式进行功能扩展，提高了设备的集成度和自动化程度，同时提高了磁浮台控制系统的实时性、高效性，由于程序c代码语言的稳定，其可按照设定好的条件进行自主识别，主要优点在于可靠性强、自动化程度高和人员操作介入因素低等。pid控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过嵌入式芯片对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向，电流、电压、温度、压力、流量、流速和电机都是常用的主要被控参数。
[0011]
单板级嵌入式磁浮台控制系统在各个领域尤其是航空航天、船舶运输和航空运输等领域中有着及其广泛的应用，面对日益发展的商业卫星行业，可应用于卫星的转场和运输等，对舰载和机载仪器等也有着广泛的应用领域。采用单片机来对磁浮台姿态进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控系统的实时性，从而能够大大增加产品的应用场景。传统地面磁浮台控制系统采用程控电源及标准仪器plc等进行设备设计集成，具有整体体积庞大，价格昂贵，设备安装不方便等问题。
[0012]
在公开号为cn106644535a的专利文献中公开了一种全姿态控制系统物理仿真用三自由度浮台、负载平台、轴承组、轴承组、轴承系统的各种能力平台。提供三个独立的监控能力，由本磁控平台支持自由运行，在本机运行情况下提供灵活的监控功能。负载率平台，
可以在真空、高低温环境下进行姿态系统全物理仿真，使姿态系统全物理仿真更近距离地控制太空环境。
[0013]
因此，需要提出一种新的技术方案。

技术实现要素：

[0014]
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于嵌入式磁浮台控制系统及方法。
[0015]
根据本发明提供的一种基于嵌入式磁浮台控制系统，包括：传感器、线性电机、主控板、磁浮台底座基板、磁浮台顶板和激光测距反光片；
[0016]
所述传感器安装于磁浮台底座基板，所述传感器通过安装于磁浮台顶板的激光测距反光片组成测距系统；
[0017]
所述线性电机安装于磁浮台底座基板，通过安装于磁浮台顶板的线性电机运动机构组成执行结构。
[0018]
优选地，所述传感器为激光测距传感器，所述线性电机为线性电机驱动部分。
[0019]
优选地，所述主控板主控模块、系统状态指示模块、线性电机驱动模块、射随电路及滤波模块、线性电机驱动接口接插件、dac基准电源及隔离电源模块、激光测距传感器接口接插件、激光测距传感器信号调理模块、激光测距传感器信号采集模块、线性电机使能模块、数据存储及rtc模块和数据上报模块；
[0020]
所述线性电机驱动模块、激光测距传感器信号采集模块、线性电机使能模块、数据存储及rtc模块和数据上报模块通过板载总线spi与主控模块进行连接，主控板内部pcb走线进行信号分类调理之后，送各个功能模块进行处理。
[0021]
优选地，所述系统状态指示模块对系统的整体运行状态进行指示，其分为电源指示、系统状态指示、数据存储指示和数据上报指示。
[0022]
优选地，所述传感器通过转接接插件与主控板中激光测距传感器信号调理模块和激光测距传感器信号采集模块连接。
[0023]
优选地，所述线性电机通过转接接插件与主控板中射随电路及滤波模块和线性电机驱动模块连接。
[0024]
本发明还提供一种基于嵌入式磁浮台控制方法，所述方法应用上述中的基于嵌入式磁浮台控制系统，所述方法包括如下步骤：
[0025]
步骤s1：主控模块通过spi通信驱动激光测距传感器信号采集模块采集激光测距传感器数据，并对数据进行处理；
[0026]
步骤s2：根据处理结果与策略文件中设置的平衡状态参数进行比较计算；
[0027]
步骤s3：主控模块获取磁浮台顶板的姿态，判断当前姿态磁浮台是否处于稳态；
[0028]
步骤s4：主控模块获取磁浮台顶板的姿态，同时通过数据存储及rtc模块获得时间参数，将时间标识打印到磁浮台顶板的姿态数据中并通过数据存储及rtc模块记录保存历史数据同时通过数据上报模块进行数据上传。
[0029]
优选地，所述步骤s1中的内部进行i-v曲线转换后按照传感器采集量程与输出信号量程进行线性转化，得出距离信息，从而得出磁浮台顶板的姿态，并对采集到的姿态数据通过数据存储及rtc模块进行存储同时通过数据上报模块进行数据上传。
[0030]
优选地，所述步骤s2中如判断得出磁浮台顶板姿态不稳不符合要求，则自主进行x/y/z三轴的闭环控制，直至平台悬浮稳定。
[0031]
优选地，所述步骤s3如处于非稳态，主控模块采用增量式pid计算方法得出增量值，通过线性电机使能模块使能线性电机驱动模块，之后根据增量值通过高精度dac输出调节线性电机驱动模块从而间接控制对应轴位的线性电机状态，当磁浮台达到设定实物稳态范围，停止调节并使其稳定在该姿态。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0033]
1、本发明通过采用嵌入式架构的设计方式，解决了传统磁浮台控制系统过大的问题，减少了设计成本，大大增加了试验的可靠性和安全性；
[0034]
2、本发明通过采用自主三轴闭环控的方式进行姿态数据采集并通过增量pid算法方式进行快速姿态控制，解决了磁浮台在精密仪器通过船舶、车辆和飞机等条件下的运输震动的问题；
[0035]
3、本发明通过采用sip总线通信的方式完成了板载芯片之间的通信与驱动，减少了线缆连接免去了人员线缆节点的排查及接插件连接工作，大大增加了设备的可靠性及安全性，为后续试验人员对设备进行维护提供了便利；
[0036]
4、本发明通过采用板载数据同时存储记录和上报互为备份的方式，解决了设备在运输使用过程数据丢失和失真等问题，为后续试验人员进行历史数据查看和故障分析提供了数据源；
[0037]
5、本发明通过采用嵌入式单板设计的方式，达到了可拓展性强的效果，针对不同的被测系统可快速扩展适应，同时板载扩展接口可进行功能模块的叠加。
附图说明
[0038]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0039]
图1为磁浮台控制系统平台整体结构及传感器安装位置示意图；
[0040]
图2为磁浮台控制系统主控板功能模块图；
[0041]
图3为磁浮台控制系统主控板信号流；
[0042]
图4为磁浮台控制系统主控板功能布局图。
[0043]
其中：
[0044]
磁浮台底座基板1
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激光测距传感器信号采集模块209
[0045]
主控板2
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线性电机使能模块210
[0046]
主控模块201
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数据存储及rtc模块211
[0047]
系统状态指示模块202
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数据上报模块212
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线性电机驱动模块203
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线性电机3
[0049]
射随电路及滤波模块204
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激光测距传感器4
[0050]
线性电机驱动接口接插件205
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磁浮台顶板5
[0051]
dac基准电源及隔离电源模块206
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激光测距反光片6
[0052]
激光测距传感器接口接插件207
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线性电机运动机构7
[0053]
激光测距传感器信号调理模块208
具体实施方式
[0054]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0055]
本发明提供一种基于嵌入式磁浮台控制系统及方法，磁浮台控制系统主要应用平台试验及精密仪器的运输，传统试验室磁浮台采用工控机及控制卡的方式进行控制，本系统采用嵌入式闭环控系统进行设计，实现了磁浮台的便携及可移动需求，该平台可应用于船舶、车辆和飞机等条件下的高精密仪器产品的运输，系统通过高精度激光测距传感器4进行采集，并通过增量pid算法方式进行闭环控制，使其稳定在悬浮范围内，实现x/y/z轴的三维稳定。
[0056]
磁浮台控制系统包括传感器、线性电机3和主控板2；传感器为激光测距传感器4，安装于磁浮台底座基板1，通过安装于磁浮台顶板5的激光测距反光片6组成测距系统，之后通过转接接插件与主控板2中激光测距传感器信号调理模块208和激光测距传感器信号采集模块209连接。线性电机3为线性电机3驱动部分，安装于磁浮台底座基板1，通过安装于磁浮台顶板5的线性电机3运动机构7组成执行结构，之后通过转接接插件与主控板2中射随电路及滤波模块204和线性电机驱动模块203连接。
[0057]
主控板2包含主控模块201、系统状态指示模块202、线性电机驱动模块203、射随电路及滤波模块204、线性电机驱动接口接插件205、dac基准电源及隔离电源模块206、激光测距传感器接口接插件207、激光测距传感器信号调理模块208、激光测距传感器信号采集模块209、线性电机使能模块210、数据存储及rtc模块211和数据上报模块212；线性电机驱动模块203、激光测距传感器信号采集模块209、线性电机使能模块210、数据存储及rtc模块211和数据上报模块212通过板载总线spi与主控模块201进行连接，板内部pcb走线进行信号分类调理之后，送各个功能模块进行处理。系统状态指示模块202对系统的整体运行状态进行指示，其分为电源指示、系统状态指示、数据存储指示和数据上报指示。
[0058]
主控模块201通过spi通信驱动激光测距传感器信号采集模块209采集激光测距传感器4数据，内部进行i-v曲线转换后按照传感器采集量程与输出信号量程进行线性转化，得出距离信息，从而得出磁浮台顶板5的姿态，并对采集到的姿态数据通过数据存储及rtc模块211进行存储同时通过数据上报模块212进行数据上传。根据处理结果与策略文件中设置的平衡状态参数进行比较计算，如判断得出磁浮台顶板5姿态不稳不符合要求，则自主进行x/y/z三轴的闭环控制，直至平台悬浮稳定。
[0059]
主控模块201获取磁浮台顶板5的姿态，判断当前姿态磁浮台是否处于稳态，如处于非稳态，主控模块201采用增量式pid计算方法得出增量值，通过线性电机使能模块210使能线性电机驱动模块203，之后根据增量值通过高精度dac输出调节线性电机驱动模块203从而间接控制对应轴位的线性电机3状态，进而达到调节磁浮台顶板5的姿态的目的，当磁浮台达到设定实物稳态范围，停止调节并使其稳定在该姿态。
[0060]
主控模块201获取磁浮台顶板5的姿态，同时通过数据存储及rtc模块211获得时间参数，将时间标识打印到磁浮台顶板5的姿态数据中并通过数据存储及rtc模块211记录保存历史数据同时通过数据上报模块212进行数据上传。
[0061]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0062]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：

1.一种基于嵌入式磁浮台控制系统，其特征在于，包括：传感器、线性电机(3)、主控板(2)、磁浮台底座基板(1)、磁浮台顶板(5)和激光测距反光片(6)；所述传感器安装于磁浮台底座基板(1)，所述传感器通过安装于磁浮台顶板(5)的激光测距反光片(6)组成测距系统；所述线性电机(3)安装于磁浮台底座基板(1)，通过安装于磁浮台顶板(5)的线性电机运动机构(7)组成执行结构。2.根据权利要求1所述的基于嵌入式磁浮台控制系统，其特征在于，所述传感器为激光测距传感器(4)，所述线性电机(3)为线性电机(3)驱动部分。3.根据权利要求1所述的基于嵌入式磁浮台控制系统，其特征在于，所述主控板(2)主控模块(201)、系统状态指示模块(202)、线性电机驱动模块(203)、射随电路及滤波模块(204)、线性电机驱动接口接插件(205)、dac基准电源及隔离电源模块(206)、激光测距传感器接口接插件(207)、激光测距传感器信号调理模块(208)、激光测距传感器信号采集模块(209)、线性电机使能模块(210)、数据存储及rtc模块(211)和数据上报模块(212)；所述线性电机驱动模块(203)、激光测距传感器信号采集模块(209)、线性电机使能模块(210)、数据存储及rtc模块(211)和数据上报模块(212)通过板载总线spi与主控模块(201)进行连接，主控板(2)内部pcb走线进行信号分类调理之后，送各个功能模块进行处理。4.根据权利要求3所述的基于嵌入式磁浮台控制系统，其特征在于，所述系统状态指示模块(202)对系统的整体运行状态进行指示，其分为电源指示、系统状态指示、数据存储指示和数据上报指示。5.根据权利要求1所述的基于嵌入式磁浮台控制系统，其特征在于，所述传感器通过转接接插件与主控板(2)中激光测距传感器信号调理模块(208)和激光测距传感器信号采集模块(209)连接。6.根据权利要求1所述的基于嵌入式磁浮台控制系统，其特征在于，所述线性电机(3)通过转接接插件与主控板(2)中射随电路及滤波模块(204)和线性电机驱动模块(203)连接。7.一种基于嵌入式磁浮台控制方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1-6任一项所述的基于嵌入式磁浮台控制系统，所述方法包括如下步骤：步骤s1：主控模块(201)通过spi通信驱动激光测距传感器信号采集模块(209)采集激光测距传感器(4)数据，并对数据进行处理；步骤s2：根据处理结果与策略文件中设置的平衡状态参数进行比较计算；步骤s3：主控模块(201)获取磁浮台顶板(5)的姿态，判断当前姿态磁浮台是否处于稳态；步骤s4：主控模块(201)获取磁浮台顶板(5)的姿态，同时通过数据存储及rtc模块(211)获得时间参数，将时间标识打印到磁浮台顶板(5)的姿态数据中并通过数据存储及rtc模块(211)记录保存历史数据同时通过数据上报模块(212)进行数据上传。8.根据权利要求7所述的基于嵌入式磁浮台控制方法，其特征在于，所述步骤s1中的内部进行i-v曲线转换后按照传感器采集量程与输出信号量程进行线性转化，得出距离信息，从而得出磁浮台顶板(5)的姿态，并对采集到的姿态数据通过数据存储及rtc模块(211)进
行存储同时通过数据上报模块(212)进行数据上传。9.根据权利要求7所述的基于嵌入式磁浮台控制方法，其特征在于，所述步骤s2中如判断得出磁浮台顶板(5)姿态不稳不符合要求，则自主进行x/y/z三轴的闭环控制，直至平台悬浮稳定。10.根据权利要求7所述的基于嵌入式磁浮台控制方法，其特征在于，所述步骤s3如处于非稳态，主控模块(201)采用增量式pid计算方法得出增量值，通过线性电机使能模块(210)使能线性电机驱动模块(203)，之后根据增量值通过高精度dac输出调节线性电机驱动模块(203)从而间接控制对应轴位的线性电机(3)状态，当磁浮台达到设定实物稳态范围，停止调节并使其稳定在该姿态。

技术总结

本发明提供了一种基于嵌入式磁浮台控制系统及方法，包括：传感器、线性电机、主控板、磁浮台底座基板、磁浮台顶板和激光测距反光片；传感器安装于磁浮台底座基板，传感器通过安装于磁浮台顶板的激光测距反光片组成测距系统；线性电机安装于磁浮台底座基板，通过安装于磁浮台顶板的线性电机运动机构组成执行结构。本发明通过采用嵌入式架构的设计方式，解决了传统磁浮台控制系统过大的问题，减少了设计成本，大大增加了试验的可靠性和安全性；本发明通过采用自主三轴闭环控的方式进行姿态数据采集并通过增量PID算法方式进行快速姿态控制，解决了磁浮台在精密仪器通过船舶、车辆和飞机等条件下的运输震动的问题。飞机等条件下的运输震动的问题。飞机等条件下的运输震动的问题。