上拉式磁悬浮小球系统设计
单自由度磁悬浮小球系统使用单片机作为控制核心，辅以PID控制。系统采用了位移传感器和单片机等作为硬件电路核心，同时对单片机产生PWM波进行调节的工作原理进行了介绍。最终目的是让小球能够在电磁铁下方实现稳定悬浮。本论文对硬件和软件同时进行了设计分析，研究工作如下对磁悬浮技术的背景和发展进行了简单阐述，给出了系统的硬件电路和结构。对需要用到的硬件器件先分析其优缺点，再进行选型。在keil软件中编译适合本系统的各个模块的C语言代码，结合PID算法，在不影响系统稳定性的前提下设计和选用合适的整定方式。通过实验验证系统的有效性，将软硬件结合起来进行调试分析，观察研究成果，找出存在的不足及今后还需要努力的方向。关键词磁悬浮系统，单片机，PID控制，PWM调节。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 2
1.3 工作安排 3
2 磁悬浮小球的总体设计 3
2.1 磁悬浮小球设计思想 4
2.2 系统设计图 4
3 硬件设计 4
3.1 电磁铁模块 4
3.2 控制器模块 6
3.3 霍尔传感器模块 9
3.4 隔离模块 11
3.5 PWM调节模块 12
3.6 磁悬浮小球电路原理图 14
4 基于单片机的磁悬浮系统软件设计 15
4.1 编写语言的选择 15
4.2 PID控制 16
4.3 主程序 20
4.4 AD采样子程序 22
4.5 PID算法子程序 24
4.6 PWM波产生子程序 25
5 软硬件联调 26
5.1 调试步骤 26
5.2 PWM控制信号输出实验 27
5.3 小球悬浮实验 28
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
附录 系统程序 34
绪论
1.1 课题研究背景和意义
磁力是一种古老的力，是磁场对在磁场中放入的磁体和电流的一种 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
作用力。磁力的本质是电磁场传播，速度与光速相同，可以说从很早之前，人们就对磁力有过加以利用的想法，随着科学的进步，这种梦想菜终于有接近成真的可能。用磁力将物体悬浮，使物体在没有摩擦没有接触的状态。
1842年，来自剑桥大学的教授恩休证实，若要实现物体稳定的悬浮，不仅需要选择合适的永久磁铁结构，采用抗磁性材料，还要对应相应的磁场分布。
1937年，为了使磁力能够使物体稳定悬浮，德国有科学家提出，在物体的悬浮的时候，必须连续不停的调节磁场大小，而磁场的改变可以由电磁铁来控制完成。具体的实现方法是将电磁铁连接传感器以及放大器电路对电磁铁进行控制。
1957年在法国，有科学家提出了现代磁悬浮技术的概念，设想出一个主动式全悬浮系统，利用电感传感器和电磁铁组成，同时取得了法国的专利。经过几十年的磁悬浮技术与电子技术、电磁学等技术的共同发展，我们在越来越多的地方都能看到磁悬浮技术的身影，磁悬浮技术与应用也也有更加深远的发展。
磁悬浮技术有着很多优点，被悬浮的物体是完全悬空的，因此完全可以克服摩擦力，避免了过多的能量消耗和速度限制，与其他技术相比，甚至可以做到无噪声，同时磁悬浮定位误差小，适用于真空等多种环境，这些优点是其他力无法媲美的，这也是人们要加以利用其的目的。
磁悬浮列车是近来十分流行的一种交通方式，很多人都会想去体验一番。跟传统火车有所不同，磁悬浮列车有传统火车无法媲美的优点，磁悬浮列车也有铁轨，但是列车运行时，铁轨与车辆是不接触的，在列车行驶速度上，磁悬浮列车可以超过500千米每小时，而且列车没有噪音，没有有害气体的排放，甚至可以说是绿色交通工具。并且列车没有车轮，不会与轮轨有摩擦，因此磁悬浮轨道也不会有磨损，可以减轻后期的维护量。但有利必有弊，磁悬浮列车也有一定的缺陷，安全性不如普通火车。正是因为如此，人们目前十分重视磁悬浮技术的研究与发展，在克服那些缺点之后磁悬浮技术会有更长远的发展。
理解磁悬浮系统的工作原理，自己利用单片机设计系统的硬件以及软件，动手制做一套单自由度磁悬浮球系统用于本毕业设计课题的研究。主要对单自由度磁悬浮球系统的力学模型、工作原理、系统稳定条件和模拟控制的设计的理解。
图1.1 磁悬浮列车
1.2 研究现状和发展趋势
磁悬浮有三种主要的实现方式，首先是一种利用导磁材料与电磁铁之间吸力的方式，被称为电磁悬浮吸引控制悬浮方式，尽管从原理上来看电磁吸力并不稳定，若能够改变电磁铁中电流的值，则悬浮气隙也能保持在稳定。目前这种方式已经得到了长足的发展与应用；另一种永久磁体斥力悬浮方式，这种方式，顾名思义，利用的是永久磁体间的斥力；最后一种，由于励磁和短路线圈间存在着斥力，所以还有一种感应斥力的方式，当下在超导磁悬浮列车中有广泛使用，但是这种方式会让其在低速时悬浮力不足，这种方式在低速传动机构上很少被用到。
电磁悬浮吸引控制是最常用的一种方式，也是发展的最快的最好的，在工业中，目前的技术已相当成熟。想要将悬浮体成功悬浮，电路中的控制器芯片是最关键的一个环节，目前高性能的控制器主要有高级的单片机和单片机等，在电路中实现的具体功能也不同，除了控制器的硬件性能，输入控制器的软件代码也十足重要。总之，想要提高控制器咋电路中的作用，需要在设计电路时就做出大量的研究工作。
此外，近年来，一些先进的控制理论也在磁悬浮系统中被提及开来，例如本课题用到的PID算法等。但是磁悬浮是不稳定很难控制的系统，所以需要的控制算法也也需要很高的精度，多自由度的磁悬浮系统就需要复杂的算法相匹配。
目前，磁悬浮技术在各个高新技术领域有巨大的发展，譬如航空航天、机器人等产业，随着电子技术的迅速发展，很多国家对磁悬浮技术的研究愈加重视，早年的日本和德国就已经建成过磁悬浮列车，我国也不甘落后，积极研究磁悬浮事业，并在2006年在上海研制了一条长13km的磁悬浮列车。而磁悬浮轴承的原理是利用磁场力使转轴无接触的悬浮在空中同时旋转的新型轴承，主动磁轴承技术也有长远的发展。
1.3 工作安排
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 2
1.3 工作安排 3
2 磁悬浮小球的总体设计 3
2.1 磁悬浮小球设计思想 4
2.2 系统设计图 4
3 硬件设计 4
3.1 电磁铁模块 4
3.2 控制器模块 6
3.3 霍尔传感器模块 9
3.4 隔离模块 11
3.5 PWM调节模块 12
3.6 磁悬浮小球电路原理图 14
4 基于单片机的磁悬浮系统软件设计 15
4.1 编写语言的选择 15
4.2 PID控制 16
4.3 主程序 20
4.4 AD采样子程序 22
4.5 PID算法子程序 24
4.6 PWM波产生子程序 25
5 软硬件联调 26
5.1 调试步骤 26
5.2 PWM控制信号输出实验 27
5.3 小球悬浮实验 28
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
附录 系统程序 34
绪论
1.1 课题研究背景和意义
磁力是一种古老的力，是磁场对在磁场中放入的磁体和电流的一种 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
作用力。磁力的本质是电磁场传播，速度与光速相同，可以说从很早之前，人们就对磁力有过加以利用的想法，随着科学的进步，这种梦想菜终于有接近成真的可能。用磁力将物体悬浮，使物体在没有摩擦没有接触的状态。
1842年，来自剑桥大学的教授恩休证实，若要实现物体稳定的悬浮，不仅需要选择合适的永久磁铁结构，采用抗磁性材料，还要对应相应的磁场分布。
1937年，为了使磁力能够使物体稳定悬浮，德国有科学家提出，在物体的悬浮的时候，必须连续不停的调节磁场大小，而磁场的改变可以由电磁铁来控制完成。具体的实现方法是将电磁铁连接传感器以及放大器电路对电磁铁进行控制。
1957年在法国，有科学家提出了现代磁悬浮技术的概念，设想出一个主动式全悬浮系统，利用电感传感器和电磁铁组成，同时取得了法国的专利。经过几十年的磁悬浮技术与电子技术、电磁学等技术的共同发展，我们在越来越多的地方都能看到磁悬浮技术的身影，磁悬浮技术与应用也也有更加深远的发展。
磁悬浮技术有着很多优点，被悬浮的物体是完全悬空的，因此完全可以克服摩擦力，避免了过多的能量消耗和速度限制，与其他技术相比，甚至可以做到无噪声，同时磁悬浮定位误差小，适用于真空等多种环境，这些优点是其他力无法媲美的，这也是人们要加以利用其的目的。
磁悬浮列车是近来十分流行的一种交通方式，很多人都会想去体验一番。跟传统火车有所不同，磁悬浮列车有传统火车无法媲美的优点，磁悬浮列车也有铁轨，但是列车运行时，铁轨与车辆是不接触的，在列车行驶速度上，磁悬浮列车可以超过500千米每小时，而且列车没有噪音，没有有害气体的排放，甚至可以说是绿色交通工具。并且列车没有车轮，不会与轮轨有摩擦，因此磁悬浮轨道也不会有磨损，可以减轻后期的维护量。但有利必有弊，磁悬浮列车也有一定的缺陷，安全性不如普通火车。正是因为如此，人们目前十分重视磁悬浮技术的研究与发展，在克服那些缺点之后磁悬浮技术会有更长远的发展。
理解磁悬浮系统的工作原理，自己利用单片机设计系统的硬件以及软件，动手制做一套单自由度磁悬浮球系统用于本毕业设计课题的研究。主要对单自由度磁悬浮球系统的力学模型、工作原理、系统稳定条件和模拟控制的设计的理解。
图1.1 磁悬浮列车
1.2 研究现状和发展趋势
磁悬浮有三种主要的实现方式，首先是一种利用导磁材料与电磁铁之间吸力的方式，被称为电磁悬浮吸引控制悬浮方式，尽管从原理上来看电磁吸力并不稳定，若能够改变电磁铁中电流的值，则悬浮气隙也能保持在稳定。目前这种方式已经得到了长足的发展与应用；另一种永久磁体斥力悬浮方式，这种方式，顾名思义，利用的是永久磁体间的斥力；最后一种，由于励磁和短路线圈间存在着斥力，所以还有一种感应斥力的方式，当下在超导磁悬浮列车中有广泛使用，但是这种方式会让其在低速时悬浮力不足，这种方式在低速传动机构上很少被用到。
电磁悬浮吸引控制是最常用的一种方式，也是发展的最快的最好的，在工业中，目前的技术已相当成熟。想要将悬浮体成功悬浮，电路中的控制器芯片是最关键的一个环节，目前高性能的控制器主要有高级的单片机和单片机等，在电路中实现的具体功能也不同，除了控制器的硬件性能，输入控制器的软件代码也十足重要。总之，想要提高控制器咋电路中的作用，需要在设计电路时就做出大量的研究工作。
此外，近年来，一些先进的控制理论也在磁悬浮系统中被提及开来，例如本课题用到的PID算法等。但是磁悬浮是不稳定很难控制的系统，所以需要的控制算法也也需要很高的精度，多自由度的磁悬浮系统就需要复杂的算法相匹配。
目前，磁悬浮技术在各个高新技术领域有巨大的发展，譬如航空航天、机器人等产业，随着电子技术的迅速发展，很多国家对磁悬浮技术的研究愈加重视，早年的日本和德国就已经建成过磁悬浮列车，我国也不甘落后，积极研究磁悬浮事业，并在2006年在上海研制了一条长13km的磁悬浮列车。而磁悬浮轴承的原理是利用磁场力使转轴无接触的悬浮在空中同时旋转的新型轴承，主动磁轴承技术也有长远的发展。
1.3 工作安排
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