1、 magnetic suspension system, Arduino development board, PID controller, Pulse Width Modulation前 言 . 1第 1 章 绪论 . 21.1 设计的依据与意义 . 21.2 国内外同类设计的概况综述 . 31.3 本课题设计的主要任务 . 4第 2 章 磁悬浮系统的结构 . 52.1 磁悬浮系统的工作原理 . 52.2 磁悬浮系统的组成 . 62.3 磁悬浮系统的结构特点 . 72.4 磁悬浮系统的主要参数 . 7第 3 章 下推式磁悬浮控制系统设计 . 93.1 位置检测原理 . 93.2 控制系统设
2、计 . 103.2.1 系统数学模型 . 103.2.2 控制器设计 . 113.2.3 系统仿真 . 123.3 小结 . 14第 4 章 磁悬浮软件设计 . 154.1 软件开发环境介绍 . 154.1.1 Arduino nano 开发板介绍 . 164.1.2 Arduino 编程环境 . 174.2 软件设计思想与程序流程图 . 194.3 数据采集 . 204.4 PID 调节控制. 214.5 PWM 输出. 244.6 上位机通信 . 274.7 按键变化功能 . 27第 5 章 运行调试与结果分析 . 305.1 硬件接线 . 305.2 程序的编译与上传 . 305.3 确
3、定系统极性 . 315.4 PID 参数整定. 325.5 结果 . 34 结 论 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38前 言磁悬浮技术属于自动控制技术，它是随着控制技术的发展而建立起来 的。磁悬浮的作用是利用磁场力使某一物体沿着或绕着某一基准框架的一轴 或几轴保持固定位置。由于悬浮体和支撑之间没有任何接触，克服了由摩擦 带来的能量消耗和速度限制，具有寿命长、能耗低、无污染、无噪声、不受 任何速度限制、安全可靠等优点，因此目前世界各国已广泛开展磁悬浮控制 系统的研究。随着控制理论的不断完善和发展，采用先进的控制方法对磁悬 浮系统进行的控制和设计，使系统具有更好的适应性。随电子技术发展
4、，特 别是电子计算机的发展，带来了磁悬浮控制系统向智能化方向的快速发展。随着航天事业的发展，模拟微重力环境下的空间悬浮技术已成为进行相 关高科技研究的重要手段。目前的悬浮技术主要包括磁悬浮、光悬浮、声悬 浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，其中磁悬浮技术比较成熟。由于 悬浮体与支撑之间没有任何接触，克服了摩擦带来的能量消耗和速度限制， 具有寿命长、无污染、无噪声、能耗低、安全可靠等优点。当今，关于磁悬浮技术的研究与开发在国内外都处于快速发展之中，磁 悬浮技术从原理上来说不难以理解，但是真正将其产业化却是近几年才开始 的。其中研究较多的磁悬浮技术主要有两类：磁悬浮轴承和磁悬浮列车；我 国从 2
5、0 世纪 80 年代开始研究磁悬浮轴承技术，现已取得了一定的研究成果。为了让我们对大学四年学习的知识进行融会贯通和综合升华，提升我们使用和学习知识的能力，避免眼高手低，知行不一的毛病，为未来的工作打 下基础，在学校的最后一年，毕业之际进行了此次设计，以此作为大学生涯 的圆满结束。由于本人所学知识有限，设计经验不足，对该方面的了解还很肤浅，在 此次设计中不免会遇到许多问题，感谢指导老师能给予悉心的辅导和耐心帮 助，使我对所做的设计一点一滴从起步到入门，对所学专业在实践中进一步 理解和总结。第 1 章 绪论1.1 设计的依据与意义磁悬浮技术的系统，是由永磁体、传感器、控制器和执行器 4 部分组成，
6、 其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，永磁体受 到一个向左的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出永磁体偏离参 考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功 率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁 力，从而驱动永磁体返回到原来平衡位置。最终，不论永磁体受到水平哪个 方向的扰动，永磁体始终能处于稳定的平衡状态。利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想由来已久, 但实现起来并 不容易，要使永磁体实现稳定的磁悬浮, 必须根据物体的悬浮状态不断的调 节磁场力的大小,这种思想也即是目前磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导 思想，其中在具
7、有各种外界干扰的环境下，如何使物体在进行高速精确移动 或转动工作的同时，还能够处于稳定的悬浮状态成为了研究者们重点研究的 目标。由于磁悬浮系统的这些优点，目前它被 广泛用于工业生产中，例如：在工业上，磁悬浮工作台、磁悬浮轴承等都运 用磁悬浮技术，在工作中极大的提高了生产效率；在人们的生活中，磁悬浮 列车的出现带给人们交通旅行上的极大便利，此外，还有诸如磁悬浮地球仪 等极具观赏性的产品陆续进入到人们的生活中。综上所述，磁悬浮技术不仅 在电气等工业领域得到广泛应用，而且在人类生活中也开始得到应用，充分 显示了磁悬浮技术在国民经济发展和人们生活质量提高方面具有广阔的发 展前景，因此对它进行设计或研究
8、具有十分重要的理论意义和现实意义。1.2 国内外同类设计的概况综述国内外磁悬浮系统大都是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实 现对金属球的悬浮，将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上方或下 方，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场 相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可 使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力 相等，即可实现磁悬浮。对于国内外复杂度更高的磁悬浮系统，则可利用磁 场力实现金属沿着两个或两个以上方向进行位置悬浮。目前世界上有三种类型的磁悬浮。一是以德国为代表的常导电式磁悬 浮，二是以日本为代表的超
9、导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产 生磁悬浮动力。而第三种，就是中国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料， 不需要任何其他动力支持。其中国内外对磁悬浮技术研究的热点应用是磁悬 浮轴承和磁悬浮列车。对于磁悬浮列车，中国、德国和日本均制造出基于各 自磁悬浮技术的磁悬浮列车；对于磁悬浮轴承，中国、美国、法国、瑞士和 日本都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作，然而由于国内对磁悬浮轴承 的研究工作起步较晚，目前尚处于实验室阶段。随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展，经过多年的 研究工作，国内外对该项技术的研究都取得了很大的进展。但是不论是在理 论还是在产品化的过程中，该项技术都存在很多
10、的难题，其中磁悬浮列车的 技术难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统，它的实现需要运用电子技 术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的 高技术成果。需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。磁悬浮轴承面向电力工程的应用也具有广阔的前景，根据磁悬浮轴承的 原理，研制大功率的磁悬浮轴承和飞轮储能系统以减少调峰时机组启停次 数；进行以磁悬浮轴承系统为基础的振动控制理论的研究，将其应用于汽轮 机转子的振动和故障分析中；通过调整磁悬浮轴承的刚度来改变汽轮机转子 结构设计的思想，从而改善转子运行的动态特性，避免共振，提高机组运行 的可靠性等，这些都将为解决电力工程中的技术难题提供崭
11、新的思路。本课题提出的下推式磁悬浮系统是永磁悬浮的一种简单结构。1.3 本课题设计的主要任务下推式磁悬浮实验系统主要由永磁体、霍尔传感器、控制器、执行机构 组成，目前国内对下推式磁悬浮系统的研究也有了不错的成果，主要表现在 生活产品中，如：磁悬浮地球仪等。对于下推式磁悬浮系统的设计，应考虑其结构设计、硬件设计、软件功 能设计和后期试验调试等方面。本课题主要研究的是磁悬浮系统的下位机软 件，所以本课题的主要任务是完成系统的结构设计和下位机软件设计。对于设计的磁悬浮系统，应该实现如下功能：1.悬浮体在空间设定位置实现稳定悬浮；2.悬浮体在稳定悬浮基础上，可进行水平悬浮移动。3.磁悬浮系统的主要状态
12、数据，可通过与上位机通信，在上位机做出相 应数据显示。对于磁悬浮系统的设计目标，应达到：系统应用中工作稳定可靠，且悬 浮体悬浮位置准确，误差10%。第 2 章 磁悬浮系统的结构2.1 磁悬浮系统的工作原理本项目将设计一种下推式磁悬浮实验系统，目的是让永磁体不借助外力 悬浮于空中，并在此基础上进行其他运动。下推式磁悬浮系统结构原理如图 2-1 所示。在垂直方向上，悬浮磁体与 底座磁体相斥，悬浮在空中的垂直高度由磁场强度和悬浮磁体重量共同决 定，不需控制就能保持稳定。在水平方向上，水平位置在没有外界控制的情 况下是一种不稳定状态。假设悬浮磁体稍稍偏离了中心平衡点，一边的斥力 会减小，另一侧的的斥力
13、会增加，促使悬浮磁体加速偏离中点，导致悬浮磁体迅速掉落。因此为了保证水平方向稳定，必须增加自动控制环节。悬浮磁体SN底座 磁体图 2-1 下推式磁悬浮磁场原理图反馈环节采用线性霍尔传感器实时获取永磁体位置信息，产生电压信 号，控制器对电压信号进行处理产生相应控制信号（以 PWM 波形式），功 率放大器根据控制信号产生所需电流并送往电磁铁，电磁铁产生相应磁力与干扰或外磁力平衡使得永磁体稳定在设定点附近。当永磁体受到干扰水平运 动时，永磁体与设定位置的距离变化，霍尔传感器所获得的位置信号亦随之 变化，其输出电压改变，经过功率放大器处理后，使得电磁铁控制绕组的控 制电流变化，改变电磁吸、拉力，永磁体
14、被调回平衡位置。该悬浮系统是利用电磁力来控制永磁体悬浮的空间位置。给定值+-控制 偏差 信号PID控制器测 量 值执行器控制量被控对象（过程）被控参数传感器图 2-2 下推式磁悬浮系统框图2.2 磁悬浮系统的组成s霍尔磁场 传感器电磁线圈底座磁体YX图 2-3 下推式磁悬浮系统结构原理图下推式磁悬浮系统主要由悬浮磁体、底座磁体、线性霍尔传感器、控制 器、电磁线圈组成，电磁线圈位于悬浮磁体下方。下推式磁悬浮系统在控制 器的控制下，电磁线圈产生合适的电磁力与永磁体相互吸引，使永磁体悬浮 在设定位置上。霍尔传感器能够检测永磁体的位置。控制器不断检测悬浮磁 体的位置，与设定位置做比较，产生一定的线圈电
15、流，继而产生磁场力，使 磁体能够动态稳定在设定位置上。悬浮物体使用了永磁体，自身就有很强的 吸力，可以减少电磁线圈消耗的电流。2.3 磁悬浮系统的结构特点本课题主要研究磁悬浮实验系统的软件，软件设计要与系统的结构相匹 配。设计的下推式磁悬浮系统总体结构安排有以下特点：1.永磁体浮子自身带有很强的磁性，提供了一部分斥力与底板永磁铁平 衡，故线圈中电流大小不需太大。此外，浮子的磁场强度可供传感器检测位 置使用。2.作为反馈环节的传感器，要检测到悬浮体的位置，本课题设计使用两 个传感器.对于这种位置安排，当浮子远离中心时，传感器检测信号变强，这时需 要电磁线圈中通过更大的电流，提供更大的吸力和拉力，
16、将浮子水平吸引； 而当浮子靠近中心时，即水平运动靠近线圈，这时需要线圈中电流减小，吸 力和拉力减小。上述便是本课题软件设计的总体思想。本次软件设计将以单片机作为控制芯片，编程创建 PID 控制系统，对 于线圈电流的控制，采用控制 PWM 信号占空比的方法控制其大小。2.4 磁悬浮系统的主要参数磁悬浮系统对实时性要求很高，而且控制的快速性、准确性和稳定性是 系统能否稳定的关键。这就需要合理的选用元件、设计结构位置的安排。传感器选用线性霍尔传感器，型号为 3503，它能够检测磁场强度，返 回电压信号。永磁体越靠近传感器，返回电压信号越强。返回值实测范围：1694-2403。 电磁线圈是提供悬浮体平
17、衡力力的器件，有足够的磁场力力才能保证系统的顺利运行，设计中将给电磁线圈中通直流电。设计最大线圈电流为：0.3A 。经实验确定电流足够。控制器使用 Arduino 开发板，通过软件编程构建位置式 PID 控制器，经 分析本系统综合使用 PID 环节可达到不错的效果。霍尔传感器 3503 到电磁铁端面距离设计为 50mm，并设定 3503 参考值 为 2000，经调试该环境下会使永磁体悬浮于距离传感器 25mm 的位置附近。第 3 章 下推式磁悬浮控制系统设计3.1 位置检测原理为了检测悬浮磁体的水平位置，在磁体下方，X 轴中点位置放置了一个 线性霍尔传感器。该传感器能够产生一个带方向并与磁场成正比的电压信号。图 3-1 霍尼韦尔 3503 线性霍尔传感器当磁体处于中点时，没有磁力线穿越霍尔传感器，因此输出为 0；当磁 体位于负位置时，磁力线沿负方向穿越霍尔传感器，输出为负值，偏离越远， 输出越大；正方向同理可知。S X磁场图 3-2 线性霍尔传感器位置检测原理为了控制悬浮的水平位置，在 X 正、负方向放置两个电磁线圈，
