单自由度磁悬浮实验平台设计硬件子系统
论文围绕基于单片机的单自由度磁悬浮平台的硬件子系统，进行了如下所述的设计工作建立一个光滑的平台。在此平台上安放一个导轨，将一块较薄的铁块卡在一小块光滑的物体之上，然后将物体置于导轨中，在导轨与光滑物体的连接面涂上润滑油，尽量降低摩擦力，使得铁片只需要小小的电磁吸力便能左右移动。本次需要的成果是使电磁铁对中间铁片产生磁力以使其稳定悬浮在中间位置。如果出现了干扰力那么将会被线性霍尔位移传感器感受到并且将信号传递给单片机，单片机将做出处理并控制电磁铁电流的大小从而使其稳定在导轨中间。对于单自由度实验平台的实现构思进行了描述，对于磁悬浮平台的基本结构进行了分析，同时对单自由度实验平台产生的成果和原理进行了总结。结合做软件设计的同学，对焊接好的硬件电路进行调试，找出了单自由度磁悬浮平台设计存在的缺陷。总结了这次单自由度磁悬浮平台的设计，对于以后我们还要完成的任务进行了简单的规划。关键词磁悬浮，单片机，线性霍尔传感器，单自由度。
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 4
2 总体功能的设计和控制方案的选择 4
2.1 磁悬浮实验平台的设计思想 4
2.2 总体功能 5
2.3 控制方案的选择 5
2.4 磁悬浮实验平台的结构选择 6
2.5 磁悬浮实验平台的参数设定 10
2.6 单自由度磁悬浮实验平台约束条件 15
3 硬件设计及简介 16
3.1 总体框图 16
3.2 单片机控制器 17
3.3 发光二极管 17
3.4 霍尔传感器电路 18
3.5 硬件驱动部分 19
3.6 串行A/D转换芯片MAX1241 20
3.7 串行D/A转换芯片LTC1451 21
3.8 电磁铁介绍 22
4 软件部分简介 24
4.1 编写语言的选择 24
4.2 PID简介 24
5 软硬件联调 25
5.1 悬浮实验 25
5.2 霍 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
尔传感器试验 27
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
附录A 电路原理图 32
附录B 电路PCB图 33
绪论
1.1 课题研究背景和意义
早在1842年，磁悬浮技术的概念是由一位英国的物理学家Earnshow提出的，他一并提出：一个铁磁物体一般情况下有六个自由度，单独依靠永磁体是不能将它们全都维持在稳定的状态的。这是世界上第一次有人提出磁悬浮的概念。而到了如今，世界上对于磁悬浮的技术的研究已经获得了非常大的进步，同时目前来说最热的焦点就是磁悬浮列车了，磁悬浮列车不仅有着高速度，同时也减少了对资源的浪费以及对材料的损耗。直到2012年，法国、美国、日本、瑞士和中国都在全力鼓励进行磁悬浮技术的科研事务。各个国家的努力开发辛勤探索，成功推动了磁悬浮技术在工业生产上的大量运用。
磁悬浮技术的优点在于它没有机械摩擦并且功率损耗低，因为不需要接触，所以不要润滑油，同时也几乎没有噪声，所以可以提高器械本身的使用寿命。在目前的情况看，可以使用磁悬浮技术把磁性平台悬浮在磁场当中，并且和直线电机进行结合，对其进行无接触操控发，同时通过控制技术的结合完成迅捷准确的定位受到了越来越多的重视。
伴随电子元器件开始集成并且转子动力学和控制理论开始迅速的发展，通过长时间的探索研究，世界上对磁悬浮系统的研究全都取得得到了不小的进展。可是不管是将磁悬浮技术理论还是在将磁悬浮技术产品化的进程中，我们都发现了很多存在的难以解决的困难，比如说磁悬浮列车的发展难题是推进与悬浮还伴随着一套并不简单的控制系统，这样我们要实现它就必须使用电力电子技术、电磁材料、步进电机、机械构造、计算机技术、系统以及材料分析等等方面的高科技成果。我们需要攻克的是如何才能组成这个系统并且将它转变成工程。本次的课题也是让我们对磁悬浮技术有一个非常基础的了解。
20世纪60年代，国际上通过研究发明了3个可以载人的气垫车实验系统，这个系统是国际上最原始的对于磁悬浮列车系统进行研究的工程。伴随着科研技术的前进，尤其是固体电子学的产生，令本来十分复杂的控制设备变的非常简单，这项技术给了我们将磁悬浮列车系统变为现实的机遇。在1969年， 一家牵引机车公司在德国开发出了一种小型磁悬浮列车系统，但是由于技术限制只能做出模型，大家将这个模型称为TR01型磁悬浮列车，这个型号的车在1km的轨道上时速可以达到165km，这是磁悬浮列车系统发展的第一个里程碑。
图1.1 磁悬浮列车
各个国家在磁悬浮制造业上都有一定突破， 德国和日本互相竞争，棋逢对手。在1994年2月24日，日本生产的一款电力驱动的悬浮式磁悬浮列车，于宫崎地方的一段74km长的实验轨道上，建立了时速高达431km的记录，这个成绩在日本的历史上是空前的。在1999年的4月日本又刷新了记录，他们开发的超导磁悬浮列车在一段试验轨道上行驶达到552 km的时速，而德国通过20年的研发，在技术上已经逐步熟练，他们已经具有自行建造列车以及运营轨道的水平。
伴随当今社会、科学技术的日渐进步，磁悬浮的驱动技术同样在朝着现代化的目标进发。出现了新型的现代直线磁悬浮驱动技术，新型的直线磁悬浮驱动技术抛开以往的电磁式的直线电机驱动方法以外，有更多的非电磁式驱动方法。这些非电磁式的新型直线磁悬浮驱动技术一般情况下是崭新的理念或想法，是创新原始性的驱动技术。这些驱动技术所展示给我们的是一块崭新的空间与区域。现代新型的直线磁悬浮驱动技术和这项技术的灵活运用将更好的大力推进人类社会的不断前进与完善。
1.2 研究现状和发展趋势
伴随着磁悬浮系统的应用范围越来越广，并且在磁悬浮技术拥有无接触、无污染的特点的情况下，这种支撑和运动的技术受到日渐增多的科学人员的注意。较为新型的建造一方面要求能有更高的精度以此不停地将制造尺寸减小，另一方面又要求有更高的加速度来适应更快速的生产节奏，这些要求对磁悬浮系统获得更快的响应速度以及更精准的悬浮精度的能力是一个很大的考验。为了满足我们新型制造的需要，世界上非常多的技术人员对于磁悬浮功率放大器、磁悬浮控制器和磁悬浮的执行器进行了宽泛和深刻的钻研。
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 4
2 总体功能的设计和控制方案的选择 4
2.1 磁悬浮实验平台的设计思想 4
2.2 总体功能 5
2.3 控制方案的选择 5
2.4 磁悬浮实验平台的结构选择 6
2.5 磁悬浮实验平台的参数设定 10
2.6 单自由度磁悬浮实验平台约束条件 15
3 硬件设计及简介 16
3.1 总体框图 16
3.2 单片机控制器 17
3.3 发光二极管 17
3.4 霍尔传感器电路 18
3.5 硬件驱动部分 19
3.6 串行A/D转换芯片MAX1241 20
3.7 串行D/A转换芯片LTC1451 21
3.8 电磁铁介绍 22
4 软件部分简介 24
4.1 编写语言的选择 24
4.2 PID简介 24
5 软硬件联调 25
5.1 悬浮实验 25
5.2 霍 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
尔传感器试验 27
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
附录A 电路原理图 32
附录B 电路PCB图 33
绪论
1.1 课题研究背景和意义
早在1842年，磁悬浮技术的概念是由一位英国的物理学家Earnshow提出的，他一并提出：一个铁磁物体一般情况下有六个自由度，单独依靠永磁体是不能将它们全都维持在稳定的状态的。这是世界上第一次有人提出磁悬浮的概念。而到了如今，世界上对于磁悬浮的技术的研究已经获得了非常大的进步，同时目前来说最热的焦点就是磁悬浮列车了，磁悬浮列车不仅有着高速度，同时也减少了对资源的浪费以及对材料的损耗。直到2012年，法国、美国、日本、瑞士和中国都在全力鼓励进行磁悬浮技术的科研事务。各个国家的努力开发辛勤探索，成功推动了磁悬浮技术在工业生产上的大量运用。
磁悬浮技术的优点在于它没有机械摩擦并且功率损耗低，因为不需要接触，所以不要润滑油，同时也几乎没有噪声，所以可以提高器械本身的使用寿命。在目前的情况看，可以使用磁悬浮技术把磁性平台悬浮在磁场当中，并且和直线电机进行结合，对其进行无接触操控发，同时通过控制技术的结合完成迅捷准确的定位受到了越来越多的重视。
伴随电子元器件开始集成并且转子动力学和控制理论开始迅速的发展，通过长时间的探索研究，世界上对磁悬浮系统的研究全都取得得到了不小的进展。可是不管是将磁悬浮技术理论还是在将磁悬浮技术产品化的进程中，我们都发现了很多存在的难以解决的困难，比如说磁悬浮列车的发展难题是推进与悬浮还伴随着一套并不简单的控制系统，这样我们要实现它就必须使用电力电子技术、电磁材料、步进电机、机械构造、计算机技术、系统以及材料分析等等方面的高科技成果。我们需要攻克的是如何才能组成这个系统并且将它转变成工程。本次的课题也是让我们对磁悬浮技术有一个非常基础的了解。
20世纪60年代，国际上通过研究发明了3个可以载人的气垫车实验系统，这个系统是国际上最原始的对于磁悬浮列车系统进行研究的工程。伴随着科研技术的前进，尤其是固体电子学的产生，令本来十分复杂的控制设备变的非常简单，这项技术给了我们将磁悬浮列车系统变为现实的机遇。在1969年， 一家牵引机车公司在德国开发出了一种小型磁悬浮列车系统，但是由于技术限制只能做出模型，大家将这个模型称为TR01型磁悬浮列车，这个型号的车在1km的轨道上时速可以达到165km，这是磁悬浮列车系统发展的第一个里程碑。
图1.1 磁悬浮列车
各个国家在磁悬浮制造业上都有一定突破， 德国和日本互相竞争，棋逢对手。在1994年2月24日，日本生产的一款电力驱动的悬浮式磁悬浮列车，于宫崎地方的一段74km长的实验轨道上，建立了时速高达431km的记录，这个成绩在日本的历史上是空前的。在1999年的4月日本又刷新了记录，他们开发的超导磁悬浮列车在一段试验轨道上行驶达到552 km的时速，而德国通过20年的研发，在技术上已经逐步熟练，他们已经具有自行建造列车以及运营轨道的水平。
伴随当今社会、科学技术的日渐进步，磁悬浮的驱动技术同样在朝着现代化的目标进发。出现了新型的现代直线磁悬浮驱动技术，新型的直线磁悬浮驱动技术抛开以往的电磁式的直线电机驱动方法以外，有更多的非电磁式驱动方法。这些非电磁式的新型直线磁悬浮驱动技术一般情况下是崭新的理念或想法，是创新原始性的驱动技术。这些驱动技术所展示给我们的是一块崭新的空间与区域。现代新型的直线磁悬浮驱动技术和这项技术的灵活运用将更好的大力推进人类社会的不断前进与完善。
1.2 研究现状和发展趋势
伴随着磁悬浮系统的应用范围越来越广，并且在磁悬浮技术拥有无接触、无污染的特点的情况下，这种支撑和运动的技术受到日渐增多的科学人员的注意。较为新型的建造一方面要求能有更高的精度以此不停地将制造尺寸减小，另一方面又要求有更高的加速度来适应更快速的生产节奏，这些要求对磁悬浮系统获得更快的响应速度以及更精准的悬浮精度的能力是一个很大的考验。为了满足我们新型制造的需要，世界上非常多的技术人员对于磁悬浮功率放大器、磁悬浮控制器和磁悬浮的执行器进行了宽泛和深刻的钻研。
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