图2。2 磁悬浮球控制结构原理图

该控制系统是基于控制理论中的闭环反馈原理进行控制的，控制器把位置信号的输出量转换为电信号，信号经过数据采集卡接收后再反馈给控制器，经过一系列计算机的计算运行，直接对电磁绕组中的电磁铁线圈中通有电流的大小进行自动调节控制，从而改变小钢球所受到的电磁力的大小，已达到控制小钢球悬浮平衡的最终目的[5]。文献综述

在对小钢球进行控制之前，会在控制器中输入一个预期的平衡位置量zd，当小钢球的实际位置低于或高于最初的预期设定值时，偏差值会呈现负或正的两种情况，随之控制器对小钢球进行的控制作用也会变为负或正。在这里我们设定控制作用的方向总是与偏差的方向相反。

2。1。2 光电传感器分析

输出量的检测装置中的传感器部件是整个磁悬浮球系统中的一个关键模块，传感器应该具有良好的感应性能，包括高精确性和高稳定性。本课题研究采用的是光电传感器，该系统光电传感器中的感光元件采用的是硅光电池。当不同强度的光照射于硅光电池时，其产生光电流和光电动势都是不同的，其光照特性曲线如图2。3所示

图2。3(a) 硅光电池照度-短路电流特性曲线

图2。3（a）是硅光电池短路电流与照度间的特性曲线图，从曲线图可以看出，当负载为零，即硅光电池短路时，短路电流与光照照度呈正比线性关系，随着光照强度从零开始不断增大，硅光电池的短路电流也以一定大小的相同倍速不断增长。因为短路电流即为硅光电池的光生电流，所以硅光电池的光生电流的大小是与光照照度大小呈正比关系的。

图2。3(b) 硅光电池照度-开路电压特性曲线

图2。3（b）是硅光电池开路电压与光照强度之间的特性曲线。从曲线图中可看出，当光照照度从零开始不断增加时，硅光电池的开路电压也随之增大，但是随着照度增加，开路电压的增长量却越来越小。负载为零时，硅光电池开路电压即为光生电压，说明光生电压的大小随着照度的增加而增加，但照度越大，增加量小。

在磁悬浮球系统中，硅光电池接收LED的光信号并将其转化为电压信号，狭缝的透光面积随着小钢球在垂直方向位置的变化而变化，从而使得硅光电池所受的照度发生改变，使其产生的光电流发生改变。

硅光电池中的能量转换是把接收的光能转化为电能，但由于LED光源的照度大小及范围是有限，所以其产生的和硅光电池能够接收的光能量都是比较少，况且到目前为止硅光电池的转化效率还不是很高。所以总的来说其能产生的电压或电流信号还比较微弱，尚不能直接采样作为控制系统系统的控制量，因此需要在外部电路中设计一个功率放大器来设置一个一级放大环节，把电压或电流信号进行放大处理。考虑到磁悬浮球系统采用的数据采集卡的最大输入电压为+/-10V，所以选择在一级放大环节中对信号放大100倍左右，之后在输出级进行适当调节分压。再者，在普通环境条件下，感光器件会受到外界光的干扰使传感器的测量精确性下降，这是不可避免的。况且电子元器件自身内在的性能发生改变等这些不可抗因素都会给传感器信号带来一定的干扰，所以很有必要加入信号调理环节。而放大与滤波环节主要构成了外部电路。为了减少器件自身性能变化而带来的干扰，系统均使用OP型高精密精密电阻、电容和运算放大器等元件。光电传感器后处理电路原理如图2。4所示[4]。

图2。4 光电传感器后处理电路

对于光电传感器中的控制电路原理，假设电路中ui式输入信号量，输出信号量为uo，则对应的传感器内部输入输出关系如下式：