上拉式磁悬浮小球控制系统设计
主动控制的磁悬浮系统通常由机械，信息感知及控制三大模块组成，而控制是所有机械电子产品中的核心模块。上拉式磁悬浮小球控制系统主要由PID控制器、位置传感器、悬浮体、电磁铁、A/D转换器等部分组成。位置传感器为霍尔元件，用于检测悬浮体的位置信号。电磁铁可以通过改变电流的大小产生电磁力实现小球悬浮。AD转换器是将模拟量转换成数字量的一种电路结构。控制是磁悬浮技术的核心要求。本实验主要研究PID控制，位置信号作为控制器的输入信号经控制器控制算法计算输出控制信号，经放大后转变为控制电流，对控制系统进行偏差调节，目的是为了消除或减小系统的稳态悬浮误差。以实际调试的方式，确定PID参数，需要合理的调节3个参数,这样才能使悬浮物稳定悬浮。关键词 磁悬浮系统， PID控制， 霍尔元件，PID参数目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 磁悬浮技术发展现状 1
1.3 磁悬浮技术应用 2
2 结构工作原理 3
2.1 设计内容 3
2.2 设计方案 3
2.3 设计系统框图 3
2.4 工作原理 4
3系统硬件电路的设计 5
3.1 STC12C5A60S2系列单片机 5
3.2 A/D转换器 7
3.3电源开关 9
3.4 模拟量接近开关 9
3.5 霍尔元件 10
3.6 PID控制器 11
3.7 线圈续流电路 12
3.8 复位电路 13
3.9 CH340G芯片 14
3.10 PWM输出 14
3.11 驱动L298N 15
3.12 硬件原理图及相关图片 16
4系统软件设计 17
4.1主程序 17
4.2 A/D转换 18
4.3 PID控制设计 19
4.4参数测定 21
4.5 调试 21
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
附录A PCB图 26
附录B程序 27
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
片 16
4系统软件设计 17
4.1主程序 17
4.2 A/D转换 18
4.3 PID控制设计 19
4.4参数测定 21
4.5 调试 21
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
附录A PCB图 26
附录B程序 27
1 绪论
1.1 研究背景与意义
磁悬浮的设想是来自于德国人赫尔曼肯佩尔。在1922年，赫尔曼提出了利用电磁悬浮原理将磁悬浮与驱动和直流电机相结合，制造一种特殊的电动车辆的设想，并且在1934年获得这项技术的专利。1970年之后，工业化国家的经济实力在不断的迅猛发展，因此需要快速提高交通运输能力以满足其经济快速发展的强烈需求，日本、法国、德国等许多发达国家都对磁悬浮运输进行了研究与开发。随着电力与电子技术、控制工程、信号处理器件、电磁理论以及对新型的电磁材料研究，磁悬浮技术得到了快长足的发展[4]。
21世纪的今天，机械电子技术的采用业已成为高新机电产品分类的必备高技术特征，而磁悬浮技术的发展与应用就是最为典型的范例之一。磁悬浮技术具备无机械摩擦、功耗较低、无污染等许多优点，在能源、交通、航空航天以及生命科学等许多高科技领域都有着良好的应用前景。
速度永远是人类永恒追求的目标。磁悬浮解决了传统轮轨铁路提高速度的最大难点。高速的磁浮交通系统有着很高的经济运行速度，它不但满足相距数百至一千公里的重要交通枢纽间的高快速的客运交通，而且还适用于相距数十到数百公里的城市与周围重要城市之间的大运量快速客运交通系统，因此磁悬浮将会是中国考虑选择建设大容量高速客运体系的重要方案。磁悬浮线路不但带来了科技的发展与创新，而且拉近了城市与城市，国家与国家的距离，极大的促进了信息的沟通和人才的流动。
1.2 磁悬浮技术发展现状
磁悬浮列车比目前最先进的高速火车少耗电30%。因其无轮轨接触，所以震动较小、舒适性较好，可是相对的维修费用也极高。磁悬浮列车在运行时不与轨道发生接触。磁悬浮列车在高度为5米以上的高架运行，因此需要挖渠开山，会对周遭的生态环境造成极大的破坏。由于磁悬浮列车具有造价高、高耗电、辐射大、不可靠等特点，因此前景不是很乐观。磁悬浮列车要通以电磁力才能完成悬浮和驱动，所以断电情况下的安全就是一个问题。列车需要在一定的高度进行悬浮，因此要求相应的线路要有一定的平整度。还要考虑到如何避免强磁场对人体及环境造成的恶劣影响。在经济方面，上海磁悬浮列车要价过高，无人乘坐，每年亏损几十亿。建造一条磁悬浮铁路耗费巨大，，一公里的路线至少需要8亿的投资，成本过高。经过多年的研究，国内外对磁悬浮的研究取得了进步。但是依然有很多难题摆在我们面前。磁悬浮列车的难题在于悬浮与驱动以及整套的控制系统。磁悬浮轴承的难题主要体现在控制系统和转子动力特性上。研究人员一直努力的想要将磁悬浮轴承应用在工业设备上，但是成本过高阻碍了它的发展，所以需加快其实用性的研究。
国外：目前国外对于磁悬浮方面的研究主要表现在磁悬浮列车，对于磁悬浮列车的研究进展最快，已经从实验研发阶段转向了试验运行阶段。目前只有日本和德国仍在进行着磁悬浮列车方面的研究。1991年，在德国TR系统已达到了可以进入建造实际运营线的阶段。在日本，已经建成了多条试验线路，HSST-100型低速磁悬浮列车于1991年在线上进行了2年多的系统测试和评估。1977年，法国公司研发了世界上第一台作用于机床上的磁悬浮主轴。德国工业大学机电研究所于2002年成功研制出了主动磁轴承电轴。在航空航天领域，美国、法国以及日本先后成功将磁悬浮轴承应用于在空间制导和惯性轮以及发动机等核心构建上。
国内：我国对于磁悬浮列车的研究起步较晚，以中低速型的磁悬浮技术为主要研究对象。1995年，国内第一条磁悬浮列车的建成意味着我国已成功熟练运用了磁悬浮技术。国内对磁悬浮轴承的研究进展也较为缓慢。对磁悬浮轴承的研究还处于实验及工业试验运行的阶段。
1.3 磁悬浮技术应用
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。目前的磁悬浮技术主要包括电磁悬浮、光磁悬浮、声磁悬浮、气流磁悬浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟[1]。磁悬浮列车每小时可达400至500公里。磁悬浮列车的高速度可使乘客在1000至1500公里的旅行中相比乘坐飞机更加感觉到舒适。目前应用前景最为良好的是磁悬浮轴承。优点是噪声小，高精度，无接触，引起了科学界激烈讨论。我国对磁悬浮技术的研发起步较晚，但经过中德技术合作，建成世界上第一条商用磁悬浮示范线路后，已经极大的推进了我国磁悬浮技术的研发[5]。在引进，消化和吸收他国磁悬浮技术的基础上，我国已经逐步具备了再创新的能力。目前，清华大学，西安交通大学，北京航空航天大学等多所院校都在致力于磁悬浮轴承的研究工作。世界第一条磁悬浮列车运营线于2003年元旦在我国上海成功投入运行。上海磁悬浮列车示
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 磁悬浮技术发展现状 1
1.3 磁悬浮技术应用 2
2 结构工作原理 3
2.1 设计内容 3
2.2 设计方案 3
2.3 设计系统框图 3
2.4 工作原理 4
3系统硬件电路的设计 5
3.1 STC12C5A60S2系列单片机 5
3.2 A/D转换器 7
3.3电源开关 9
3.4 模拟量接近开关 9
3.5 霍尔元件 10
3.6 PID控制器 11
3.7 线圈续流电路 12
3.8 复位电路 13
3.9 CH340G芯片 14
3.10 PWM输出 14
3.11 驱动L298N 15
3.12 硬件原理图及相关图片 16
4系统软件设计 17
4.1主程序 17
4.2 A/D转换 18
4.3 PID控制设计 19
4.4参数测定 21
4.5 调试 21
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
附录A PCB图 26
附录B程序 27
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
片 16
4系统软件设计 17
4.1主程序 17
4.2 A/D转换 18
4.3 PID控制设计 19
4.4参数测定 21
4.5 调试 21
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
附录A PCB图 26
附录B程序 27
1 绪论
1.1 研究背景与意义
磁悬浮的设想是来自于德国人赫尔曼肯佩尔。在1922年，赫尔曼提出了利用电磁悬浮原理将磁悬浮与驱动和直流电机相结合，制造一种特殊的电动车辆的设想，并且在1934年获得这项技术的专利。1970年之后，工业化国家的经济实力在不断的迅猛发展，因此需要快速提高交通运输能力以满足其经济快速发展的强烈需求，日本、法国、德国等许多发达国家都对磁悬浮运输进行了研究与开发。随着电力与电子技术、控制工程、信号处理器件、电磁理论以及对新型的电磁材料研究，磁悬浮技术得到了快长足的发展[4]。
21世纪的今天，机械电子技术的采用业已成为高新机电产品分类的必备高技术特征，而磁悬浮技术的发展与应用就是最为典型的范例之一。磁悬浮技术具备无机械摩擦、功耗较低、无污染等许多优点，在能源、交通、航空航天以及生命科学等许多高科技领域都有着良好的应用前景。
速度永远是人类永恒追求的目标。磁悬浮解决了传统轮轨铁路提高速度的最大难点。高速的磁浮交通系统有着很高的经济运行速度，它不但满足相距数百至一千公里的重要交通枢纽间的高快速的客运交通，而且还适用于相距数十到数百公里的城市与周围重要城市之间的大运量快速客运交通系统，因此磁悬浮将会是中国考虑选择建设大容量高速客运体系的重要方案。磁悬浮线路不但带来了科技的发展与创新，而且拉近了城市与城市，国家与国家的距离，极大的促进了信息的沟通和人才的流动。
1.2 磁悬浮技术发展现状
磁悬浮列车比目前最先进的高速火车少耗电30%。因其无轮轨接触，所以震动较小、舒适性较好，可是相对的维修费用也极高。磁悬浮列车在运行时不与轨道发生接触。磁悬浮列车在高度为5米以上的高架运行，因此需要挖渠开山，会对周遭的生态环境造成极大的破坏。由于磁悬浮列车具有造价高、高耗电、辐射大、不可靠等特点，因此前景不是很乐观。磁悬浮列车要通以电磁力才能完成悬浮和驱动，所以断电情况下的安全就是一个问题。列车需要在一定的高度进行悬浮，因此要求相应的线路要有一定的平整度。还要考虑到如何避免强磁场对人体及环境造成的恶劣影响。在经济方面，上海磁悬浮列车要价过高，无人乘坐，每年亏损几十亿。建造一条磁悬浮铁路耗费巨大，，一公里的路线至少需要8亿的投资，成本过高。经过多年的研究，国内外对磁悬浮的研究取得了进步。但是依然有很多难题摆在我们面前。磁悬浮列车的难题在于悬浮与驱动以及整套的控制系统。磁悬浮轴承的难题主要体现在控制系统和转子动力特性上。研究人员一直努力的想要将磁悬浮轴承应用在工业设备上，但是成本过高阻碍了它的发展，所以需加快其实用性的研究。
国外：目前国外对于磁悬浮方面的研究主要表现在磁悬浮列车，对于磁悬浮列车的研究进展最快，已经从实验研发阶段转向了试验运行阶段。目前只有日本和德国仍在进行着磁悬浮列车方面的研究。1991年，在德国TR系统已达到了可以进入建造实际运营线的阶段。在日本，已经建成了多条试验线路，HSST-100型低速磁悬浮列车于1991年在线上进行了2年多的系统测试和评估。1977年，法国公司研发了世界上第一台作用于机床上的磁悬浮主轴。德国工业大学机电研究所于2002年成功研制出了主动磁轴承电轴。在航空航天领域，美国、法国以及日本先后成功将磁悬浮轴承应用于在空间制导和惯性轮以及发动机等核心构建上。
国内：我国对于磁悬浮列车的研究起步较晚，以中低速型的磁悬浮技术为主要研究对象。1995年，国内第一条磁悬浮列车的建成意味着我国已成功熟练运用了磁悬浮技术。国内对磁悬浮轴承的研究进展也较为缓慢。对磁悬浮轴承的研究还处于实验及工业试验运行的阶段。
1.3 磁悬浮技术应用
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。目前的磁悬浮技术主要包括电磁悬浮、光磁悬浮、声磁悬浮、气流磁悬浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟[1]。磁悬浮列车每小时可达400至500公里。磁悬浮列车的高速度可使乘客在1000至1500公里的旅行中相比乘坐飞机更加感觉到舒适。目前应用前景最为良好的是磁悬浮轴承。优点是噪声小，高精度，无接触，引起了科学界激烈讨论。我国对磁悬浮技术的研发起步较晚，但经过中德技术合作，建成世界上第一条商用磁悬浮示范线路后，已经极大的推进了我国磁悬浮技术的研发[5]。在引进，消化和吸收他国磁悬浮技术的基础上，我国已经逐步具备了再创新的能力。目前，清华大学，西安交通大学，北京航空航天大学等多所院校都在致力于磁悬浮轴承的研究工作。世界第一条磁悬浮列车运营线于2003年元旦在我国上海成功投入运行。上海磁悬浮列车示
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