摘 要： 在磁懸浮系統(tǒng)的功放中采用OPA544功率器件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出負(fù)載電流的放大作用，其性能將隨功放的類型而變化。針對(duì)毫米級(jí)氣隙的懸浮系統(tǒng)，設(shè)計(jì)前級(jí)PID控制調(diào)理電路，與OPA544功率放大器配合實(shí)現(xiàn)差動(dòng)式電流控制，最終在一臺(tái)主動(dòng)磁懸浮平板試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮，仿真結(jié)果與試驗(yàn)情況基本吻合。
關(guān)鍵詞： OPA544；PID控制；平衡板懸浮實(shí)驗(yàn)臺(tái)；功率放大器

　目前，以磁懸浮系統(tǒng)為主的制造業(yè)發(fā)展較為緩慢，其關(guān)鍵是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法有待提高。而作為磁懸浮基礎(chǔ)的單自由度控制策略與方法則可以視為多自由度系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，因而具有很高的研究意義[1]。
磁懸浮平衡板作為實(shí)現(xiàn)單自由度控制系統(tǒng)的典型模型，在原理性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得到應(yīng)用。由于其模型精度較低，所以可將空間的控制模型轉(zhuǎn)化為平面的單自由度研究。一般控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)均以位移傳感器、PID調(diào)節(jié)器（模擬或數(shù)字）以及功率放大器（模擬或開關(guān)）組成。其中，功率放大器提供系統(tǒng)輸出負(fù)載電流，以達(dá)到適當(dāng)改變電磁鐵（磁軸承）的電磁力，使得平衡板能夠得以穩(wěn)定懸浮。
功率器件OPA544具有響應(yīng)速度快、線性度好、失真小等特點(diǎn)。本文采用OPA544器件，通過(guò)對(duì)單自由度平衡板控制系統(tǒng)功率放大器電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)其單自由度的懸浮控制。對(duì)放大器的要求是線性度好、放大后信號(hào)的失真程度應(yīng)≤10%以及散熱條件需滿足系統(tǒng)的要求。經(jīng)過(guò)仿真模擬以及平衡板懸浮實(shí)驗(yàn)，證明器件OPA544可以實(shí)現(xiàn)單自由度的磁懸浮控制系統(tǒng)的功率放大作用。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)中的控制過(guò)程，在功放前的信號(hào)調(diào)理使用了模擬PID控制。
1 平臺(tái)懸浮系統(tǒng)模型
1.1 平衡板懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
圖1所示為本文實(shí)驗(yàn)所用的平衡板懸浮系統(tǒng)模型的外形圖。平衡板由其質(zhì)量中心支點(diǎn)支承，并達(dá)到消除整個(gè)平衡板重力在控制中的影響。在平衡板的左右兩側(cè)，對(duì)稱安置電磁鐵，其上繞組以四線平行繞制（4×120 匝/組），平衡板與電磁鐵上平面之間設(shè)有氣隙。通過(guò)對(duì)兩側(cè)電磁鐵輸出電流的控制變化，使其對(duì)平衡板施加的電磁力得到調(diào)整，實(shí)現(xiàn)平衡板在繞組中心支點(diǎn)的擺動(dòng)且達(dá)到和力矩為零，使得平衡板在兩側(cè)電磁鐵有效工作氣隙間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

平衡板實(shí)驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)參數(shù)：偏磁電流為1 A，平衡氣隙為1.17 mm，磁極的截面積為800 mm2，電磁線圈的匝數(shù)為4×120匝，求得平衡板的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.232 kg·m2，設(shè)置前級(jí)PID控制系統(tǒng)與后級(jí)功率放大器的最小截止頻率為5 kHz。電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定的靈敏度為8 000 V/m，其線性工作范圍為-2 V～-12 V。經(jīng)測(cè)量，可知平臺(tái)系統(tǒng)中的干擾力fd在系統(tǒng)中暫不考慮；對(duì)應(yīng)的位移剛度系數(shù)kx=3 615 N/m，電流剛度系數(shù)ki=4 230 A/m[2]。
1.2 控制器的設(shè)計(jì)
由上述分析獲得系統(tǒng)在微分控制與積分控制并聯(lián)，而比例增益控制串聯(lián)時(shí)的PID調(diào)節(jié)閉環(huán)控制電路框圖如圖2所示。其相關(guān)參數(shù)為：積分時(shí)間常數(shù)范圍Ti=2.5 ms~25 s，微分環(huán)節(jié)慣性常數(shù)ε=0.02，電路的最大超前角Φc=74°。由此可實(shí)現(xiàn)微分控制，使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快，微分時(shí)間常數(shù)為Td=0.544 2 ms。
2 功率放大電路仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
仿真實(shí)驗(yàn)以實(shí)際單自由度功率放大電路為模型，實(shí)驗(yàn)中使用兩個(gè)OPA544器件，通過(guò)差動(dòng)式控制方式，并采用雙極性晶體管，以確保功放及負(fù)載（支承電磁鐵線圈）中的電流無(wú)逆流現(xiàn)象[3]。閉環(huán)仿真模塊的功放部分電路如圖3所示，電阻R2接入PID控制電路的輸出，支承電磁鐵線圈中預(yù)置偏磁電流I0=1 A。設(shè)負(fù)載電阻RL=3 ?贅，經(jīng)過(guò)NI仿真后得到uco波形如圖4 所示[3]。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)基本正確，電路可滿足平衡板的實(shí)驗(yàn)要求。