下推式磁悬浮小球系统设计
磁悬浮系统可以产生非接触，无摩擦，平滑的非凡的空间环境，其中磁悬浮可用于在部件之间完成无摩擦的相对运动，不仅提高运动的速度和精度，而且增加组件的使用寿命。 磁悬浮技术在电气工程、机械制造以及交通运输等方面都已得到十分广泛的应用，在一定程度上提高了人民的生活水平。磁悬浮技术在各领域的广泛运用表明其将有非常重要的理论与实际意义。虽然磁悬浮系统有如此广阔的发展前景，但是如何控制还需要进一步的研究。 随着磁悬浮技术的普遍运用，磁悬浮系统的控制已经被列为目前要攻克的首个难关。 Arduino开发板的设计作为PID控制和脉宽调制的平台，通过微控制器PID控制器编程控制磁悬浮系统的原理。 PID控制器自生产以来就被普遍运用于工业生产当中，同样是最成熟的控制器，因为PID控制器所拥有的结构简单，容易实现，适应性强等特点，所以一直处于主导地位。该设计在基于Arduino开发环境下创建的下推磁悬浮小球系统。 根据磁悬浮系统的组成和工作原理的分析，确定了控制方案。 通过将系统控制程序PWM占空比写入实时控制电磁线圈电流，连续调节PID控制参数，使悬架球在设定位置得到与电磁力的干涉力的平衡， 最终就可以获到一个相对稳定的磁悬浮小球系统。关键词 磁悬浮，Arduino 开发板，PID 控制，传感器
目 录
1 绪论 1
1.1 设计的依据与意义 1
1.2 国内外同类设计的概况综述 2
1.3 本设计的主要任务 4
2 磁悬浮系统的结构 4
2.1 磁悬浮系统的工作原理 4
2.2 磁悬浮系统的组成 5
2.3 磁悬浮系统的结构特点 6
2.4 磁悬浮系统的主要参数 6
3 下推式磁悬浮小球的控制系统设计 7
3.1 位置检测原理 7
3.2 控制系统设计 8
3.3 小结 12
4 关于磁悬浮软件设计 13
4.1 软件开发环境的介绍 13
4.2 软件设计思想与程序流程图 16
4.3 数据采集 17
4.4 PID调节控制 18
4.5 PWM输出 20
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
6 按键变化功能 23
5 运行调试与结果分析 25
5.1 单片机磁悬浮接线图 25
5.2 磁悬浮驱动电路图 26
5.3 程序的编译与上传 26
5.4 确定系统极性 27
5.5 PID 参数整定 28
5.6 结果 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
附录 34 1 绪论
1.1 设计的依据与意义
磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术[1]。所谓的磁悬浮就是通过使用磁场力让物体在设定好的位置达到悬浮的效果。因为悬浮体与支架之间没有接触，所以就没有摩擦力消耗能量以及限制速度，且无噪音，无污染，寿命长，安全可靠，磁悬浮系统被广泛使用，因为这些系统具有精度和无摩擦等优点。 由于磁场，磁悬浮系统是非线性系统。 由于空气阻力，热损失和其他杂质，磁悬浮系统完全不准确，存在变化和波动，因此需要强大的控制设计[1]。所以，对磁悬浮系统的研究具有很重要的现实意义和理论价值。
因磁悬浮技术的大力发展，所以在很多领域都得到了应用，如交通运输、机械加工、工业运输、航天技术、冶金以及医疗等领域都得到了广泛的应用[2]。
常规机车和高速公路系统造成的交通拥堵对大都市地区的烟雾和污染做出了重大贡献。 磁悬浮基础设施以更快地移动列车，不产生来自车辆本身的污染，以及需要容易和最小的保养来实施，因为在标准中没有运动部件和无摩擦操作。磁悬浮列车是一种可持续的、高效的大众运输形式，为人们、商业运输和军事所用[3]。
目前，磁悬浮技术的国际研究开发处于快速发展的状态，磁悬浮技术原则上难以理解，但实际行业近几年才开始。 其中磁悬浮有两种主要的磁悬浮和磁浮列车。 中国虽然从20世纪80年代才开始研究磁轴承技术，但是到今天现在已经取得了傲人的成绩[4]。
因为现在的大学生中存在眼高手低的现象，且不能灵活的将自己大学几年所学的知识运用到实践中，做不到社会所要求的知行合一，所以学校在毕业之前，让我们这些毕业生做一份毕业设计，不仅是为了锻炼我们的实践动手能力，还提高了我们的自学能力。为我们以后的工作打下一定的基础。
因为所学的专业原因，以前从没接触过这方面的课题设计，所以在设计过程中遇到了很多的问题，在此要感谢我的指导老师给我提供的辅导与帮助，让我一点点的从起步到入门了解我所做的设计，并且对所学知识在实践中能够得到进一步的理解与总结。
简单的磁悬浮系统是由永磁体，传感器，控制器和执行器等组成的，其中的执行器是由电磁铁和功率放大器两个共同组成的。 只要永磁体受到扰动而偏离中心平衡位置，那么传感器就会根据永磁体的偏移距离这一参考信息反馈出相应的电压信号，并送给控制器。微处理器作为控制器根据传感器反馈回来的电压信号做出相应的控制信号，并将其送往执行器。然后执行器中的功率放大器就会将控制器传输过来的控制信号转换为控制电流，而且这个控制电流会在位于执行器中的电磁体中产生磁力，新产生的磁力能够将永磁体重新拉回到原来的中心平衡位置[5]。 最终永磁体始终处于稳定的平衡状态，无论永磁体在水平方向上哪个方向被扰乱。
人类从很久之前就有通过磁力使物体处于悬浮状, 但是要将这种想法转化为现实并不是一个简单的转化过程，通过磁体的悬浮情况调节磁力的大小来保证永磁体的稳定悬浮。如今磁悬浮列车和磁悬浮轴承开发的主流方式就是上文所述的方法，现今研究者们的重点研究对象是使物体能够在克服外界的一切干扰保持精确的移动或者转动工作的同时使永磁体保持相对稳定的悬浮[6]。
作为支承技术的一种，磁悬浮技术由于不存在直接的机械接触，与其他技术相比具有无摩擦、无需润滑、功耗低、清洁无污染等优点。历经这么多年的发展，磁悬浮技术已经渐渐成熟，而且在很多领域都得到了充分的利用，尤其是在交通、工业和航天等领域都有着广泛的应用前景[7]。举例说明：利用磁悬浮技术研制出来的磁悬浮工作台和磁悬浮轴承在工业上的应用，极大的提高了工作的生产效率；在生活中，磁悬浮列车的泛起给交通到来了一定的便捷，同时也在一定程度上减少了环境污染的压力。磁悬浮列车减少污染，且相比其他交通工具有较高的速度和效率[7]。 它是一种成熟的技术，并且变得更可行技术和财务。 磁悬浮技术的最新创新，如电感系统，承诺可“防故障”操作。 由于磁悬浮列车不产生任何污染物、可以减少交通走廊和城市的污染，所以目前是较好交通工具的替代品，另外，还有如可自己动手制作的DIY磁悬浮盆景等具有赏玩性的产品走入人们的生活中。结合上面所说的，磁悬浮技术无论是在电气等工业领域，还在人类生活中都得到了普遍的运用，充分的展示了磁悬浮技术不仅在国民经济发展，还是在提高人们生活质量等方面都具有十分远大的发展前景，所以对它进行研究或者设计都是具有非常重要的理论意义和实际意义。
目 录
1 绪论 1
1.1 设计的依据与意义 1
1.2 国内外同类设计的概况综述 2
1.3 本设计的主要任务 4
2 磁悬浮系统的结构 4
2.1 磁悬浮系统的工作原理 4
2.2 磁悬浮系统的组成 5
2.3 磁悬浮系统的结构特点 6
2.4 磁悬浮系统的主要参数 6
3 下推式磁悬浮小球的控制系统设计 7
3.1 位置检测原理 7
3.2 控制系统设计 8
3.3 小结 12
4 关于磁悬浮软件设计 13
4.1 软件开发环境的介绍 13
4.2 软件设计思想与程序流程图 16
4.3 数据采集 17
4.4 PID调节控制 18
4.5 PWM输出 20
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
6 按键变化功能 23
5 运行调试与结果分析 25
5.1 单片机磁悬浮接线图 25
5.2 磁悬浮驱动电路图 26
5.3 程序的编译与上传 26
5.4 确定系统极性 27
5.5 PID 参数整定 28
5.6 结果 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
附录 34 1 绪论
1.1 设计的依据与意义
磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术[1]。所谓的磁悬浮就是通过使用磁场力让物体在设定好的位置达到悬浮的效果。因为悬浮体与支架之间没有接触，所以就没有摩擦力消耗能量以及限制速度，且无噪音，无污染，寿命长，安全可靠，磁悬浮系统被广泛使用，因为这些系统具有精度和无摩擦等优点。 由于磁场，磁悬浮系统是非线性系统。 由于空气阻力，热损失和其他杂质，磁悬浮系统完全不准确，存在变化和波动，因此需要强大的控制设计[1]。所以，对磁悬浮系统的研究具有很重要的现实意义和理论价值。
因磁悬浮技术的大力发展，所以在很多领域都得到了应用，如交通运输、机械加工、工业运输、航天技术、冶金以及医疗等领域都得到了广泛的应用[2]。
常规机车和高速公路系统造成的交通拥堵对大都市地区的烟雾和污染做出了重大贡献。 磁悬浮基础设施以更快地移动列车，不产生来自车辆本身的污染，以及需要容易和最小的保养来实施，因为在标准中没有运动部件和无摩擦操作。磁悬浮列车是一种可持续的、高效的大众运输形式，为人们、商业运输和军事所用[3]。
目前，磁悬浮技术的国际研究开发处于快速发展的状态，磁悬浮技术原则上难以理解，但实际行业近几年才开始。 其中磁悬浮有两种主要的磁悬浮和磁浮列车。 中国虽然从20世纪80年代才开始研究磁轴承技术，但是到今天现在已经取得了傲人的成绩[4]。
因为现在的大学生中存在眼高手低的现象，且不能灵活的将自己大学几年所学的知识运用到实践中，做不到社会所要求的知行合一，所以学校在毕业之前，让我们这些毕业生做一份毕业设计，不仅是为了锻炼我们的实践动手能力，还提高了我们的自学能力。为我们以后的工作打下一定的基础。
因为所学的专业原因，以前从没接触过这方面的课题设计，所以在设计过程中遇到了很多的问题，在此要感谢我的指导老师给我提供的辅导与帮助，让我一点点的从起步到入门了解我所做的设计，并且对所学知识在实践中能够得到进一步的理解与总结。
简单的磁悬浮系统是由永磁体，传感器，控制器和执行器等组成的，其中的执行器是由电磁铁和功率放大器两个共同组成的。 只要永磁体受到扰动而偏离中心平衡位置，那么传感器就会根据永磁体的偏移距离这一参考信息反馈出相应的电压信号，并送给控制器。微处理器作为控制器根据传感器反馈回来的电压信号做出相应的控制信号，并将其送往执行器。然后执行器中的功率放大器就会将控制器传输过来的控制信号转换为控制电流，而且这个控制电流会在位于执行器中的电磁体中产生磁力，新产生的磁力能够将永磁体重新拉回到原来的中心平衡位置[5]。 最终永磁体始终处于稳定的平衡状态，无论永磁体在水平方向上哪个方向被扰乱。
人类从很久之前就有通过磁力使物体处于悬浮状, 但是要将这种想法转化为现实并不是一个简单的转化过程，通过磁体的悬浮情况调节磁力的大小来保证永磁体的稳定悬浮。如今磁悬浮列车和磁悬浮轴承开发的主流方式就是上文所述的方法，现今研究者们的重点研究对象是使物体能够在克服外界的一切干扰保持精确的移动或者转动工作的同时使永磁体保持相对稳定的悬浮[6]。
作为支承技术的一种，磁悬浮技术由于不存在直接的机械接触，与其他技术相比具有无摩擦、无需润滑、功耗低、清洁无污染等优点。历经这么多年的发展，磁悬浮技术已经渐渐成熟，而且在很多领域都得到了充分的利用，尤其是在交通、工业和航天等领域都有着广泛的应用前景[7]。举例说明：利用磁悬浮技术研制出来的磁悬浮工作台和磁悬浮轴承在工业上的应用，极大的提高了工作的生产效率；在生活中，磁悬浮列车的泛起给交通到来了一定的便捷，同时也在一定程度上减少了环境污染的压力。磁悬浮列车减少污染，且相比其他交通工具有较高的速度和效率[7]。 它是一种成熟的技术，并且变得更可行技术和财务。 磁悬浮技术的最新创新，如电感系统，承诺可“防故障”操作。 由于磁悬浮列车不产生任何污染物、可以减少交通走廊和城市的污染，所以目前是较好交通工具的替代品，另外，还有如可自己动手制作的DIY磁悬浮盆景等具有赏玩性的产品走入人们的生活中。结合上面所说的，磁悬浮技术无论是在电气等工业领域，还在人类生活中都得到了普遍的运用，充分的展示了磁悬浮技术不仅在国民经济发展，还是在提高人们生活质量等方面都具有十分远大的发展前景，所以对它进行研究或者设计都是具有非常重要的理论意义和实际意义。
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