李永杰，馬希直

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于單片機(jī)的氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李永杰，馬希直

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

為實(shí)現(xiàn)氣體擠壓膜懸浮平臺的穩(wěn)定懸浮，以STC12C5412AD單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)并制作了單自由度氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)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(tǒng)軟件。利用所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了氣體擠壓膜懸浮平臺的穩(wěn)定懸浮，達(dá)到了預(yù)期的效果。

氣體擠壓膜平臺；控制系統(tǒng)；穩(wěn)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(qū)動(dòng)部件，壓電陶瓷在垂直工作面方向的高頻振動(dòng)，使得間隙中的氣體受到不斷擠壓，被擠壓的氣體無法及時(shí)流通，壓強(qiáng)升高，從而產(chǎn)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(yōu)良、精度高、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，且無需外部氣源，適應(yīng)性好[5-7]。在納米器件的制造，高精密測量裝置，超凈環(huán)境下的集成電路硅片生產(chǎn)等領(lǐng)域，氣體擠壓膜軸承具有十分廣闊的應(yīng)用前景[8]。

為了實(shí)現(xiàn)氣體擠壓膜軸承的穩(wěn)定懸浮，設(shè)計(jì)一種適用于氣體擠壓膜軸承的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，是推動(dòng)氣體擠壓膜軸承向生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。文中設(shè)計(jì)的單自由度氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)以基于STC12C5412AD單片機(jī)的數(shù)字控制器模塊為核心，由可變增益放大器模塊、信號發(fā)生器模塊、驅(qū)動(dòng)電源模塊等硬件電路組成。采用不完全微分PID控制算法設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)軟件，并對氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 控制系統(tǒng)工作原理

氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)主要由數(shù)字控制器模塊、信號發(fā)生器模塊、可變增益放大器模塊、驅(qū)動(dòng)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(tǒng)原理圖，如圖1所示。

圖1 氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)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(shù)字控制器模塊；數(shù)字控制器根據(jù)反饋信號，經(jīng)過控制算法的運(yùn)算后，產(chǎn)生相應(yīng)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(shù)，從而改變信號發(fā)生器模塊輸入到驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對平臺懸浮盤的懸浮高度控制要求[9-10]。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件電路主要包括數(shù)字控制器模塊、信號發(fā)生器電路、可變增益放大電路和驅(qū)動(dòng)電源模塊。

2.1 數(shù)字控制器模塊

數(shù)字控制器模塊以STC12C5412AD單片機(jī)為核心，由A/D轉(zhuǎn)換輸入信號處理電路、單片機(jī)電路和D/A轉(zhuǎn)換器電路組成，A/D轉(zhuǎn)換功能由STC12C5412AD單片機(jī)的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)。數(shù)字控制器模塊電路如圖2所示。

圖2 數(shù)字控制器模塊

A/D轉(zhuǎn)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(jīng)RC低通濾波和電平轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足單片機(jī)輸入要求的信號，隨后輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口。數(shù)字控制器產(chǎn)生的數(shù)字信號通過8位D/A轉(zhuǎn)換芯片TLC7528轉(zhuǎn)換為模擬控制信號，從而控制后續(xù)模塊。

2.2 信號發(fā)生器電路

設(shè)計(jì)中采用MAX038高速函數(shù)發(fā)生芯片產(chǎn)生所需的正弦波信號，它的輸出波形頻率可通過一個(gè)外接電阻和片上的2.5 V基準(zhǔn)電壓組成的電路進(jìn)行控制，且輸出信號幅值均為2 V(峰-峰值)，信號發(fā)生器電路原理如圖3所示。

圖3 信號發(fā)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(gè)控制系統(tǒng)重要的執(zhí)行環(huán)節(jié)，文中采用電壓控制的低噪聲增益放大器AD603實(shí)現(xiàn)可變增益放大功能。根據(jù)控制系統(tǒng)需要，設(shè)計(jì)中選用該芯片10 dB增益起點(diǎn)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)裝置(壓電堆)提供足夠功率的電信號。驅(qū)動(dòng)電源模塊能夠?qū)⑿盘柊l(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號進(jìn)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(qū)動(dòng)大容性、高頻率壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電源模塊。

該驅(qū)動(dòng)電源模塊以PA91高壓集成運(yùn)算放大器為核心，采用高壓集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)多組并聯(lián)功率放大級的電路結(jié)構(gòu)[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(dá)到100 kHz。電路緊湊、可靠，穩(wěn)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(qū)動(dòng)電源模塊電路結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)氣體擠壓膜懸浮平臺穩(wěn)定懸浮的要求，標(biāo)準(zhǔn)PID控制器不適用于氣體擠壓膜懸浮平臺。從穩(wěn)定性方面出發(fā)，由于PID控制器中微分環(huán)節(jié)對高頻干擾的響應(yīng)很靈敏，具有放大系統(tǒng)噪聲的缺點(diǎn)，因此在微分通道上串聯(lián)一個(gè)低通濾波器，構(gòu)成不完全微分環(huán)節(jié)。為了消除低通濾波的影響，在不完全微分PID后串聯(lián)一個(gè)超前校正環(huán)節(jié)[13-15]。該控制器具有可靠性好、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，且易實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的C語言編程。

各環(huán)節(jié)經(jīng)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(lián)超前校正環(huán)節(jié)的不完全微分PID的總輸出為：

根據(jù)得到的不完全微分PID控制器差分方程對控制算法程序進(jìn)行編寫。采用C語言編寫數(shù)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(shè)計(jì)，其中包括系統(tǒng)寄存器初始化模塊、片內(nèi)A/D初始化模塊、片外D/A初始化模塊、PID控制算法參數(shù)初始化以及控制算法處理模塊等。主程序通過調(diào)用子程序模塊來協(xié)調(diào)各子程序模塊的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)正常工作。由于控制系統(tǒng)程序采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，各模塊結(jié)構(gòu)清晰，功能明確，為后續(xù)的修改和調(diào)試提供了便利。

4 穩(wěn)定懸浮試驗(yàn)

氣體擠壓膜懸浮平臺穩(wěn)定懸浮試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖8所示，試驗(yàn)系統(tǒng)中除氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)外，增設(shè)了示波器與激光位移傳感器。其中示波器用以檢測信號發(fā)生器模塊輸出的信號參數(shù)；激光位移傳感器用來實(shí)時(shí)監(jiān)控懸浮盤的懸浮高度，并采集相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 穩(wěn)定懸浮試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)，將數(shù)字控制器軟件中的懸浮位置參考點(diǎn)參數(shù)分別設(shè)置為0.007 mm與0.012 mm。所使用的懸浮盤為半徑25 mm，質(zhì)量230 g的鋼盤。信號發(fā)生器模塊的輸出信號頻率設(shè)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(jī)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(wěn)定懸浮，懸浮高度曲線如圖9所示。

圖9 穩(wěn)定懸浮高度曲線

5 結(jié)語

穩(wěn)定懸浮試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的氣體擠壓膜懸浮平臺控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)平臺的穩(wěn)定懸浮，達(dá)到了預(yù)期的效果，但精度方面還需要進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)與完善，主要改進(jìn)的方面有：1) 將性能更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理器應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，如DSP，以提高控制系統(tǒng)的處理能力和數(shù)據(jù)運(yùn)算速度；2) 選用高轉(zhuǎn)換精度的A/D與D/A轉(zhuǎn)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(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

[1] E.O.J. Salbu. Compressible squeeze films and squeeze bearings [J]. ASME J of Basic Eng, 1964, 86(3): 355-366.

[2] Yoshiki Hashimoto. Near field acoustic levitation of planar specimens using flexural vibration[J]. Acoust. Soc, 1996, 100(4): 2057-2061.

[3] A. Minikes,I. Bucher. Coupled dynamics of a squeeze-.lm levitated mass and a vibrating piezoelectric disc: numerical analysis and experimental study[J]. Journal of Sound and Vibration, 2003, 263: 241-268.

[4] Yoshiki Hashimoto. Near field acoustic levitation of planar specimens using flexural vibration[J]. Acoust. Soc, 1996, 100(4): 2057-2061.

[5] 張直明. 滑動(dòng)軸承的流體動(dòng)力潤滑理論[M]. 北京:高等教育出版社,1986.

[6] 黨根茂. 氣體潤滑技術(shù)[M]. 南京:東南大學(xué)出版社,1990.

[7] 姚紹明. 氣體復(fù)合潤滑技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[8] Su Zhao, Sebastian Mojrzish, Joerg Wallaschek. An ultrasonic levitation journal bearing able to control spindle center position [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2013, 1(36): 168-181.

[9] 馬希直,王勝光,王挺. 近場超聲懸浮承載能力及影響因素的理論及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國機(jī)械工程,2013,20(24):2785-2790.

[10] 王勝光,馬希直. 氣體擠壓膜承載能力的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化,2013,41(1):44-47.

[11] 楊雪峰. 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2008,(11)：109-112.

[12] 丁文明. 一種壓電陶瓷執(zhí)行器動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電源[J]. 壓電與聲光,2008,(11):109-112.

[13] 胡壽松. 自動(dòng)控制原理(第四版)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2001.

[14] 王積偉,吳振順. 控制工程基礎(chǔ)[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[15] 陶永華. 新型PID控制及其應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

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(xué)基金資助項(xiàng)目(50975138)

李永杰(1986-)，男，山東日照人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代流體潤滑理論及軸承技術(shù)。

TP273

B

1671-5276(2015)05-0197-03

2014-02-25