下推式磁悬浮系统软件设计.docx
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下推式磁悬浮系统软件设计
下推式磁悬浮系统软件设计
摘要
磁悬浮系统能够创造一个无接触、无摩擦、无润滑的特殊空间环境，磁悬浮技术可以用于实现零部件间无摩擦相对运动，不仅提高了运动速度与精度，而且还能延长零部件使用寿命。
由于磁悬浮系统的这些优点，目前它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具有十分重要的理论意义和现实意义.其中对磁悬浮系统的控制成为目前的首要问题。
随着磁悬浮技术的广泛应用，对磁悬浮系统的控制已成为首要问题。
本设计以Arduino开发板为平台，以PID控制和脉宽调制为原理，通过单片机编程设计出PID控制器对磁悬浮系统进行控制。
PID控制器自产生以来，一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器，以其结构简单、易实现、适应性强等优点，处于主导地位。
本设计将创建一个基于Arduino开发板的下推式磁悬浮系统，在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，确定控制方案，通过编写系统控制程序，不断调节PID控制参数，并通过调节PWM的占空比来实时控制电磁线圈的电流，从而使悬浮物体在设定位置得到与干扰力相平衡的电磁吸力，最终得到一个稳定的磁悬浮系统，此外系统还能够和PC机进行动态通信，由PC机实现对该磁悬浮系统的实时控制。
最后，本设计对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。
关键词：
磁悬浮系统，Arduino开发板，PID控制，脉宽调制
THESOFTWAREDESIGNOF
PUSHTYPEMAGNETICLEVITATIONSYSTEMABSTRACT
Magneticlevitationsystemcancreateanocontact,nofriction,nolubricationofthespecialspaceenvironment.Maglevtechnologycanbeusedtoimplementpartsofnofrictionbetweentherelativemotion,notonlyincreasesthemovementspeedandaccuracy,butalsocanprolongtheservicelifeofcomponents.Becauseoftheseadvantagesofmaglevsystem,itnotonlyintheelectricalindustryiswidelyused,butisalsobeginningtobeusedinhumanlife.Itfullyshowsthatmagneticsuspensiontechnologyhasaboarddevelopmentprospectonimprovingthedevelopmentofnationaleconomyandthequalityoflife.Therefore,ithasaveryimportanttheoreticalsignificanceandpracticalsignificanceondesigningorresearchingthesystem,andthecontrolofthesystemhasbecomethefirstproblem.
Withtheextensiveapplicationofmaglevtechnology,thecontrolofthemaglevsystemhasbecomeapriority.Inthispaper,fortheprincipleofPIDcontrol,Arduinodevelopmentboardasplatform,PIDcontrollerdesignedtocontrolmagneticsuspensionsystem.SincePIDcontrollershavebeentheprocessofindustrialproductionhasbeenmostwidelyandmostsophisticatedcontrollerbyitssimplestructure,easytoimplement,robust,etc.,inadominantposition.
ThisdesignwillcreateamagneticsuspensionsystembasedontheArduinodevelopmentboard.Onthebasisofanalyzingofmagneticsuspensionsystem’sstructureandworkingprinciple,wewillgetthecontrolscheme.Throughmakingtheprogramofthecontrolsystem,regulatingthePIDparametersandchangingthefrequencyofthePWM,wecancontroltheelectromagneticcoilcurrentinrealtime,andthesuspendedobjectwillobtainsanelectromagnetic
forcetobalancethegravityatthepredeterminedlocations.Thenwewillgetastablemagneticsuspensionsystem.Inaddition,thesystemcandoadynamiccommunicationwiththepersonalcomputer,andrealizethereal-timecontrolbythepersonalcomputer.Atlast,thekeyresearchworksforfurtherstudyareproposed.
KEYWORDS:
magneticsuspensionsystem,Arduinodevelopmentboard,PIDcontroller,PulseWidthModulation
前言.................................................1
第1章绪论..........................................2
§1.1设计的依据与意义.............................2
§1.2国内外同类设计的概况综述.....................3
§1.3本课题设计的主要任务.........................4
第2章磁悬浮系统的结构..............................5
§2.1磁悬浮系统的工作原理.........................5
§2.2磁悬浮系统的组成.............................6
§2.3磁悬浮系统的结构特点.........................7
§2.4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.....................9
§3.1位置检测原理.................................9
§3.2控制系统设计................................10
§3.2.1系统数学模型.............................10
§3.2.2控制器设计...............................11
§3.2.3系统仿真.................................12
§3.3小结........................................14
第4章磁悬浮软件设计...............................15
§4.1软件开发环境介绍............................15
§4.1.1Arduinonano开发板介绍....................16
§4.1.2Arduino编程环境...........................17
§4.2软件设计思想与程序流程图....................19
§4.3数据采集....................................20
§4.4PID调节控制.................................21
§4.5PWM输出.....................................24
§4.6上位机通信..................................27
§4.7按键变化功能................................27
第5章运行调试与结果分析...........................30
§5.1硬件接线....................................30
§5.2程序的编译与上传............................30
§5.3确定系统极性................................31
§5.4PID参数整定.................................32
§5.5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，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20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，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。
磁悬浮系统能够创造一个无接触、无摩擦、无润滑的特殊空间环境，磁悬浮技术可以用于实现零部件间无摩擦相对运动，不仅提高了运动速度与精度，而且还能延长零部件使用寿命。
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
S
N
底座磁体
S
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
悬浮磁体
s
霍尔磁场传感器
N
电磁线圈
底座磁体
Y
X
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，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。
悬浮磁体
SX
N
磁场
霍尔磁场传感器
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，
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