单自由度磁悬浮平台设计软件子系统
近年来，磁悬浮技术发展迅速，它作为一种新兴的机电一体化技术，发展的速度非常快。磁悬浮技术的特点较多，它没有摩擦，没有磨损，没有润滑，运行的时候没有噪声，它的使用寿命也长。磁悬浮系统是一个较为复杂的非线性的自然不稳定系统，它研究的内容包括数字信号处理、控制理论、电力电子技术、电磁场理论以及计算机科学等各个领域。为让磁悬浮系统控制要求达到满足，以及让磁悬浮的控制系统的实时性有所提高，本文把单自由度磁悬浮平台系统作为研究对象，采用了PID控制算法来计算。本次毕业设计我们采用单片机为控制核心，位移信号传感器釆用霍尔传感器来检测出铁块的各种位移信号，将位移信号转换成电信号输入单片机，经过单片机处理之后将电信号转换成位移信号输出，输出信号传递给功率放大器用来改变功率，从而改变电磁铁上的电流，使其对铁块的吸力改变，使铁块位于在一个相对稳定的位置。关键词 磁悬浮，单片机，单自由度，pid算法
目 录
1 绪论 1
1.1 磁悬浮技术研究的背景 1
1.2磁悬浮技术发展的意义 1
1.3 论文内容安排 2
2 磁悬浮平台的设计 2
2.1 磁悬浮系统的分析 2
2.2 磁悬浮系统的工作原理 3
2.3 磁悬浮平台结构的选择 4
2.4 磁悬浮实验平台的参数设定 6
2.5 单自由度磁悬浮平台的约束条件 10
2.6 整体方案的选择 11
3 磁悬浮平台的硬件设计 12
3.1 设计内容 12
3.2 总体框图 13
3.3 电磁铁模块 14
3.4 单片机的选择 15
3.5 霍尔传感器电路 17
3.6 串行A/D转换芯片MAX1241 18
3.7 串行D/A转换芯片LTC1451 19
3.8 磁悬浮平台电路原理图 21
4 磁悬浮平台的软件设计 21
4.1 编写语言的选择 21
4.2 PID控制器的设计与调试 22
4.3 主程序 27
4.4 AD采样子程序 28
4.5 DA采样子程序 29
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 4.3 PID算法子程序 30
4.3 软件仿真 31
5 与硬件联调 32
结 论 36
致 谢 37
参 考 文 献 38
附录 系统程序 40
1 绪论
磁悬浮技术的原理是，它通过产生电磁力将一个物体没有受到摩擦力，然后悬浮起来，用在生产工艺和科学技术上，使之向高速化、精密化的方向发展[1]。磁悬浮是指在磁场的作用下，物体在参考框架的轴上保持静止的一种技术。因为浮子与支撑体中没有接触，所以它没有摩擦所引起的能量的消耗和速度的限制，它具有寿命长，能耗低，安全可靠等优点。目前，各个国家对磁悬浮控制系统的研究一直很活跃。随着磁悬浮控制理论的不断完善和发展，磁悬浮技术不断发展。在我国，磁悬浮水平相对落后，因为对磁悬浮的研究起步比较晚[2]。
随着电子技术和计算机的发展，磁悬浮控制系统正朝着向智能化方向飞速的发展。近几年来，磁悬浮技术广泛应用于很多领域，不止局限于军事和宇航等领域，它也逐渐向一般的工业应用方面发展。
在研究磁悬浮的现象时，要运用到各种控制算法。本次设计采用了PID的控制算法。
1.1 磁悬浮技术研究的背景
近几年来，随着科学技术的不断发展和人们生产生活的不断提高，高科技产品层出不穷，磁悬浮技术作为一种新的机电一体化技术迅速发展。与其它技术相比，磁悬浮技术有很多不一样，其特点如下:功耗低，减小了损耗，能够在小行程内输出强大的驱动力，清洁无污染等。
现在，各国都在大力发展磁悬浮技术以及其相关方面的应用，用来满足人们的生产发展方面的需求。磁悬浮列车是一种快速、高效的交通工具，它经济、环保，是21世纪交通的发展趋势，德国和日本在悬浮列车技术方面发展较快，技术逐渐趋于成熟。
磁悬浮技术不断发展，如何才能实现磁悬浮的稳定，我们现在有三种方式，包括被动式、主动式和混合式磁悬浮技术[4]。近几年，人们在悬浮轴承上研究较多，采用了一些先进的现代控制理论方法，但因为磁悬浮轴承的参数不确定性和非线性，使得一些现代的控制算法没有办法达到预期的控制精度[3]。另外，因为磁悬浮系统对于其实时性要求很高，所以一些复杂的控制算法是没有办法得以实现的。对于磁悬浮系统，传统的工业控制大多都应用成熟的 PID 控制器，因为PID 控制器的结构较为简单，调节比较方便，应用相对成熟[4]。
1.2 磁悬浮技术研究的意义
20世纪90年代以来，电子信息技术产业不断快速发展，其中信息高速公路就是一个比较重要的代表，该产业的发展，能推动世界经济的增长。我们国家的综合国力在不断增加的同时最需要关注的就是已集成电路为核心的电子制造业，它是我们现如今飞速发展的信息时代的核心[5]。但是随着我们对信号要求的愈发严格，有的虽然能够满足规定的精度要求，但是机械引起的损失和摩擦使它不能达到精确和高效的定位，严重的影响了设备生产率的提高降低了生产率。为了减小甚至是消除这种摩擦，人们发明创造了气悬浮定位平台，用气压悬浮代替接触所会产生的摩擦。事物具有两面性，气悬浮定位平台有支撑刚度小的缺点，承载能力低下，抗冲技能力也很低，使定位也并不够准确。磁悬浮轴承技术解决了之前所有技术的问题，高效、高定位和使用寿命长等的特点[6]。所以我们以此技术为平台开展了磁悬浮运动平台的研究设计，详细的去了解这门技术[4]。
1.3 论文内容安排
对本论文的内容作以下安排:
第一章绪论，本章概述了磁悬浮技术的研究背景和研究意义，以及论文的内容安排。
第二章对于磁悬浮运动平台的设计，对磁悬浮系统进行了分析，阐述了磁悬浮系统的工作原理，磁悬浮平台的结构选择,参数的设定，实验平台的约束条件以及整体方案的选择。
第三章磁悬浮系统的硬件设计，包括设计内容，总体框图，电磁铁模块，单片机的选择，位移传感器电路的选择，串行A/D转换芯片MAX1241，串行D/A转换芯片LTC1451。
目 录
1 绪论 1
1.1 磁悬浮技术研究的背景 1
1.2磁悬浮技术发展的意义 1
1.3 论文内容安排 2
2 磁悬浮平台的设计 2
2.1 磁悬浮系统的分析 2
2.2 磁悬浮系统的工作原理 3
2.3 磁悬浮平台结构的选择 4
2.4 磁悬浮实验平台的参数设定 6
2.5 单自由度磁悬浮平台的约束条件 10
2.6 整体方案的选择 11
3 磁悬浮平台的硬件设计 12
3.1 设计内容 12
3.2 总体框图 13
3.3 电磁铁模块 14
3.4 单片机的选择 15
3.5 霍尔传感器电路 17
3.6 串行A/D转换芯片MAX1241 18
3.7 串行D/A转换芯片LTC1451 19
3.8 磁悬浮平台电路原理图 21
4 磁悬浮平台的软件设计 21
4.1 编写语言的选择 21
4.2 PID控制器的设计与调试 22
4.3 主程序 27
4.4 AD采样子程序 28
4.5 DA采样子程序 29
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 4.3 PID算法子程序 30
4.3 软件仿真 31
5 与硬件联调 32
结 论 36
致 谢 37
参 考 文 献 38
附录 系统程序 40
1 绪论
磁悬浮技术的原理是，它通过产生电磁力将一个物体没有受到摩擦力，然后悬浮起来，用在生产工艺和科学技术上，使之向高速化、精密化的方向发展[1]。磁悬浮是指在磁场的作用下，物体在参考框架的轴上保持静止的一种技术。因为浮子与支撑体中没有接触，所以它没有摩擦所引起的能量的消耗和速度的限制，它具有寿命长，能耗低，安全可靠等优点。目前，各个国家对磁悬浮控制系统的研究一直很活跃。随着磁悬浮控制理论的不断完善和发展，磁悬浮技术不断发展。在我国，磁悬浮水平相对落后，因为对磁悬浮的研究起步比较晚[2]。
随着电子技术和计算机的发展，磁悬浮控制系统正朝着向智能化方向飞速的发展。近几年来，磁悬浮技术广泛应用于很多领域，不止局限于军事和宇航等领域，它也逐渐向一般的工业应用方面发展。
在研究磁悬浮的现象时，要运用到各种控制算法。本次设计采用了PID的控制算法。
1.1 磁悬浮技术研究的背景
近几年来，随着科学技术的不断发展和人们生产生活的不断提高，高科技产品层出不穷，磁悬浮技术作为一种新的机电一体化技术迅速发展。与其它技术相比，磁悬浮技术有很多不一样，其特点如下:功耗低，减小了损耗，能够在小行程内输出强大的驱动力，清洁无污染等。
现在，各国都在大力发展磁悬浮技术以及其相关方面的应用，用来满足人们的生产发展方面的需求。磁悬浮列车是一种快速、高效的交通工具，它经济、环保，是21世纪交通的发展趋势，德国和日本在悬浮列车技术方面发展较快，技术逐渐趋于成熟。
磁悬浮技术不断发展，如何才能实现磁悬浮的稳定，我们现在有三种方式，包括被动式、主动式和混合式磁悬浮技术[4]。近几年，人们在悬浮轴承上研究较多，采用了一些先进的现代控制理论方法，但因为磁悬浮轴承的参数不确定性和非线性，使得一些现代的控制算法没有办法达到预期的控制精度[3]。另外，因为磁悬浮系统对于其实时性要求很高，所以一些复杂的控制算法是没有办法得以实现的。对于磁悬浮系统，传统的工业控制大多都应用成熟的 PID 控制器，因为PID 控制器的结构较为简单，调节比较方便，应用相对成熟[4]。
1.2 磁悬浮技术研究的意义
20世纪90年代以来，电子信息技术产业不断快速发展，其中信息高速公路就是一个比较重要的代表，该产业的发展，能推动世界经济的增长。我们国家的综合国力在不断增加的同时最需要关注的就是已集成电路为核心的电子制造业，它是我们现如今飞速发展的信息时代的核心[5]。但是随着我们对信号要求的愈发严格，有的虽然能够满足规定的精度要求，但是机械引起的损失和摩擦使它不能达到精确和高效的定位，严重的影响了设备生产率的提高降低了生产率。为了减小甚至是消除这种摩擦，人们发明创造了气悬浮定位平台，用气压悬浮代替接触所会产生的摩擦。事物具有两面性，气悬浮定位平台有支撑刚度小的缺点，承载能力低下，抗冲技能力也很低，使定位也并不够准确。磁悬浮轴承技术解决了之前所有技术的问题，高效、高定位和使用寿命长等的特点[6]。所以我们以此技术为平台开展了磁悬浮运动平台的研究设计，详细的去了解这门技术[4]。
1.3 论文内容安排
对本论文的内容作以下安排:
第一章绪论，本章概述了磁悬浮技术的研究背景和研究意义，以及论文的内容安排。
第二章对于磁悬浮运动平台的设计，对磁悬浮系统进行了分析，阐述了磁悬浮系统的工作原理，磁悬浮平台的结构选择,参数的设定，实验平台的约束条件以及整体方案的选择。
第三章磁悬浮系统的硬件设计，包括设计内容，总体框图，电磁铁模块，单片机的选择，位移传感器电路的选择，串行A/D转换芯片MAX1241，串行D/A转换芯片LTC1451。
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