基于單片機的氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統的設計與實現

李永杰，馬希直

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

基于單片機的氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統的設計與實現

李永杰，馬希直

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

為實現氣體擠壓膜懸浮平臺的穩定懸浮，以STC12C5412AD單片機為核心，設計并制作了單自由度氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統的硬件電路，采用C語言編寫了基于不完全微分PID控制算法的控制系統軟件。利用所設計的控制系統進行試驗，實現了氣體擠壓膜懸浮平臺的穩定懸浮，達到了預期的效果。

氣體擠壓膜平臺；控制系統；穩定懸浮

0 引言

氣體擠壓膜軸承是一種新型的支撐方式。氣體擠壓膜軸承利用壓電陶瓷作為驅動部件，壓電陶瓷在垂直工作面方向的高頻振動，使得間隙中的氣體受到不斷擠壓，被擠壓的氣體無法及時流通，壓強升高，從而產生一定的承載力[1-4]。氣體擠壓膜軸承不僅具備氣體軸承的減磨性能優良、精度高、清潔無污染等優點，且無需外部氣源，適應性好[5-7]。在納米器件的制造，高精密測量裝置，超凈環境下的集成電路硅片生產等領域，氣體擠壓膜軸承具有十分廣闊的應用前景[8]。

為了實現氣體擠壓膜軸承的穩定懸浮，設計一種適用于氣體擠壓膜軸承的驅動控制系統，是推動氣體擠壓膜軸承向生產實踐發展的重要環節。文中設計的單自由度氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統以基于STC12C5412AD單片機的數字控制器模塊為核心，由可變增益放大器模塊、信號發生器模塊、驅動電源模塊等硬件電路組成。采用不完全微分PID控制算法設計了控制系統軟件，并對氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統進行了試驗研究。

1 控制系統工作原理

氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統主要由數字控制器模塊、信號發生器模塊、可變增益放大器模塊、驅動電源模塊以及位移傳感器5部分組成。氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統原理圖，如圖1所示。

圖1 氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統原理圖

氣體擠壓膜懸浮平臺工作過程中，位移傳感器將擠壓膜平臺懸浮盤的懸浮高度信號反饋到數字控制器模塊；數字控制器根據反饋信號，經過控制算法的運算后，產生相應的控制信號；該控制信號通過控制可變增益放大器模塊的增益倍數，從而改變信號發生器模塊輸入到驅動電源模塊的正弦信號幅值，最終控制輸入氣體擠壓膜懸浮平臺壓電堆的電信號幅值，改變平臺激振盤的振幅，實現對平臺懸浮盤的懸浮高度控制要求[9-10]。

2 控制系統硬件電路設計

文中設計的控制系統硬件電路主要包括數字控制器模塊、信號發生器電路、可變增益放大電路和驅動電源模塊。

2.1 數字控制器模塊

數字控制器模塊以STC12C5412AD單片機為核心，由A/D轉換輸入信號處理電路、單片機電路和D/A轉換器電路組成，A/D轉換功能由STC12C5412AD單片機的片內A/D轉換電路實現。數字控制器模塊電路如圖2所示。

圖2 數字控制器模塊

A/D轉換輸入信號處理電路將位移傳感器反饋的懸浮盤高度信號經RC低通濾波和電平轉換后，轉變為滿足單片機輸入要求的信號，隨后輸入到單片機的A/D轉換口。數字控制器產生的數字信號通過8位D/A轉換芯片TLC7528轉換為模擬控制信號，從而控制后續模塊。

2.2 信號發生器電路

設計中采用MAX038高速函數發生芯片產生所需的正弦波信號，它的輸出波形頻率可通過一個外接電阻和片上的2.5 V基準電壓組成的電路進行控制，且輸出信號幅值均為2 V(峰-峰值)，信號發生器電路原理如圖3所示。

圖3 信號發生器電路原理

2.3 可變增益放大電路

可變增益放大電路是整個控制系統重要的執行環節，文中采用電壓控制的低噪聲增益放大器AD603實現可變增益放大功能。根據控制系統需要，設計中選用該芯片10 dB增益起點連接方式，電路原理如圖4所示。

圖4 可變增益放大電路

2.4 驅動電源模塊

要使氣體擠壓膜懸浮平臺正常工作，需要為其壓電驅動裝置(壓電堆)提供足夠功率的電信號。驅動電源模塊能夠將信號發生器產生的正弦信號進行功率放大，以滿足氣體擠壓膜懸浮平臺的需要。故選用了一種適用于驅動大容性、高頻率壓電陶瓷執行器的驅動電源模塊。

該驅動電源模塊以PA91高壓集成運算放大器為核心，采用高壓集成運放驅動多組并聯功率放大級的電路結構[11-12]，如圖5所示，其輸出電壓范圍為-200 V～+200 V，最大不失真頻率達到100 kHz。電路緊湊、可靠，穩定性和線性度良好，能夠滿足氣體擠壓懸浮平臺的工作要求。

圖5 驅動電源模塊電路結構

3 控制系統軟件設計

氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統的閉環結構如圖6所示。

圖6 氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統結構圖

根據氣體擠壓膜懸浮平臺穩定懸浮的要求，標準PID控制器不適用于氣體擠壓膜懸浮平臺。從穩定性方面出發，由于PID控制器中微分環節對高頻干擾的響應很靈敏，具有放大系統噪聲的缺點，因此在微分通道上串聯一個低通濾波器，構成不完全微分環節。為了消除低通濾波的影響，在不完全微分PID后串聯一個超前校正環節[13-15]。該控制器具有可靠性好、調試方便等優點，且易實現單片機的C語言編程。

各環節經離散化后可以得到不完全微分PID的總輸出為：

un(k)=up(k)+ui(k)+ud(k)

則串聯超前校正環節的不完全微分PID的總輸出為：

根據得到的不完全微分PID控制器差分方程對控制算法程序進行編寫。采用C語言編寫數字控制器模塊的軟件，軟件的主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

程序采用模塊化設計，其中包括系統寄存器初始化模塊、片內A/D初始化模塊、片外D/A初始化模塊、PID控制算法參數初始化以及控制算法處理模塊等。主程序通過調用子程序模塊來協調各子程序模塊的運行，從而實現氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統正常工作。由于控制系統程序采用了模塊化設計方法，各模塊結構清晰，功能明確，為后續的修改和調試提供了便利。

4 穩定懸浮試驗

氣體擠壓膜懸浮平臺穩定懸浮試驗系統的構成如圖8所示，試驗系統中除氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統的各環節外，增設了示波器與激光位移傳感器。其中示波器用以檢測信號發生器模塊輸出的信號參數；激光位移傳感器用來實時監控懸浮盤的懸浮高度，并采集相關試驗數據。

圖8 穩定懸浮試驗系統

試驗時，將數字控制器軟件中的懸浮位置參考點參數分別設置為0.007 mm與0.012 mm。所使用的懸浮盤為半徑25 mm，質量230 g的鋼盤。信號發生器模塊的輸出信號頻率設定為19.09 kHz，此頻率下氣體擠壓膜懸浮平臺的懸浮效果較好。在基于STC12C5412AD單片機的不完全微分PID控制器作用下，氣體擠壓膜懸浮平臺能夠穩定懸浮，懸浮高度曲線如圖9所示。

圖9 穩定懸浮高度曲線

5 結語

穩定懸浮試驗結果表明，所設計的氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統能夠實現平臺的穩定懸浮，達到了預期的效果，但精度方面還需要進行進一步的改進與完善，主要改進的方面有：1) 將性能更強的數據處理器應用到控制系統中，如DSP，以提高控制系統的處理能力和數據運算速度；2) 選用高轉換精度的A/D與D/A轉換器，提高信號采樣精度與輸出控制信號精度；3) 采用更加智能的控制算法，提高系統的穩定性，優化系統的運行性能。

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Design and Implementation of Control System of Gas Squeeze-filmLevitation Stage with MCU

LI Yongjie, MA Xizhi

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics andAstronautics, Nanjing 210016, China)

In order to achieve the stable suspension of gas squeeze-film levitation stage, the control system of gas squeeze-film levitation stage is designed and tested. The CPU of the hardware circuit is STC12C5412AD MCU, and the software of the control system is written in C language, based on the principle of incomplete differential PID control algorithm. An experiment is finished by the use of this control system, and the results show that the control system could meet the needs of stable suspension of gas squeeze-film levitation stage.

gas squeeze-film stage; control system; stable suspension

國家自然科學基金資助項目(50975138)

李永杰(1986-)，男，山東日照人，碩士研究生，研究方向為現代流體潤滑理論及軸承技術。

TP273

B

1671-5276(2015)05-0197-03

2014-02-25