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。

磁懸浮平衡板作為實現(xiàn)單自由度控制系統(tǒng)的典型模型，在原理性的實驗平臺得到應(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。本文采用OPA544器件，通過對單自由度平衡板控制系統(tǒng)功率放大器電路進(jìn)行實驗測試，實現(xiàn)其單自由度的懸浮控制。對放大器的要求是線性度好、放大后信號的失真程度應(yīng)≤10%以及散熱條件需滿足系統(tǒng)的要求。經(jīng)過仿真模擬以及平衡板懸浮實驗，證明器件OPA544可以實現(xiàn)單自由度的磁懸浮控制系統(tǒng)的功率放大作用。為簡化實驗中的控制過程，在功放前的信號調(diào)理使用了模擬PID控制。

1 平臺懸浮系統(tǒng)模型

1.1 平衡板懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

圖1所示為本文實驗所用的平衡板懸浮系統(tǒng)模型的外形圖。平衡板由其質(zhì)量中心支點支承，并達(dá)到消除整個平衡板重力在控制中的影響。在平衡板的左右兩側(cè)，對稱安置電磁鐵，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。通過對兩側(cè)電磁鐵輸出電流的控制變化，使其對平衡板施加的電磁力得到調(diào)整，實現(xiàn)平衡板在繞組中心支點的擺動且達(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現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

平衡板實驗臺的相關(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)動慣量為0.232 kg·m2，設(shè)置前級PID控制系統(tǒng)與后級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)測量，可知平臺系統(tǒng)中的干擾力fd在系統(tǒng)中暫不考慮；對應(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

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°。由此可實現(xiàn)微分控制，使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快，微分時間常數(shù)為Td=0.544 2 ms。

2 功率放大電路仿真與實驗結(jié)果

仿真實驗以實際單自由度功率放大電路為模型，實驗中使用兩個OPA544器件，通過差動式控制方式，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)計基本正確，電路可滿足平衡板的實驗要求。