线性电磁力控制系统试验和研究

【摘要】：随着自动控制技术的发展，电磁铁的运用已经相当广泛，其中线性电磁铁以其工作可靠，控制精度高等特点，近几年来成为电磁铁研究的重点。线性电磁铁分为力控制型、行程控制型、位置调节型，其不同类型的电磁铁应用于不同的场合。本文主要研究力控制型线性电磁铁。用于解决称重系统中，系统失衡问题，即当系统失衡时，及时在失衡处添加一个同等的力，使系统重新达到平衡。 本文首先介绍了电磁铁中磁场磁路的基本原理知识和定理。根据试验要求对电磁铁的结构参数进行了设计，包括电磁铁结构的选型、电磁铁尺寸的设计，电磁铁材料的选择，电磁铁线圈的绕线方式的选择，电磁铁线圈直径的选择，电磁铁线圈匝数的计算等等。并采用磁路分析的方法，拟定了试验所用的电流大小和绕磁线圈匝数的大小，对直流电磁铁的电磁力大小进行了初步的计算。 其次，采用ANSYS仿真软件，建立的E型电磁铁的有限元模型，通过向电磁铁加载线性电流的方法，得到了E型电磁铁的F-I铁性曲线，验证了E型电磁铁的F-I铁性曲线的非线性。 再次，提出了采用前馈补偿的方法来解决E型电磁铁的F-I特性曲线的非线性问题，并设计了针对E型电磁铁的F-I特性曲线非线性问题的前馈补偿算法。并通过Matlab/Simulink数学仿真软件，在采用了补偿控制和没有采用补偿控制两种情况下进行了仿真分析，并对比了仿真结果，证明了采用补偿控制后，E型电磁铁的F-I特性曲线有了改善，且呈明显的的线性关系。 然后，对线性电磁力控制系统的硬件电路进行了设计，提出了在主电路中采用H桥斩波器对E型电磁铁的电磁力进行控制，控制电路中采用TMS320F2812的EV模块来对H桥斩波器进行调节，检测电路中采用电流传感器来实时检测控制电流的大小的方法。并基于以上硬件设计对相应的软件也进行了设计，包括采用SPI口对信号的采集和采用EV模块对PWM输出信号的控制，并在DSP上实现了前馈控制的算法。 最后，搭建了线性电磁力的试验平台，包括试验台、E型电磁铁、控制电路板、电流控制器、拉压传感器、电流数码显示器、计算机等等，并通过试验验证了该线性控制系统的正确性和可行性。