单片机的磁悬浮小球控制系统设计硬件部分
目 录
1 绪论01
1.1 课题研究的背景01
1.2 磁悬浮技术优点03
1.3 磁悬浮系统及控制方式分类04
1.4 磁悬浮控制方法的研究现状05
1.5 磁悬浮技术应用及发展前景06
2 系统的总体设计与工作原理08
2.1 设计内容与设计方法08
2.2 磁悬浮原理09
3 磁悬浮系统的建模11
3.1 控制对象的运动方程11
3.2 系统的电磁模型11
3.3 电磁系统数学模型12
3.4 磁悬浮系统数学模型13
4 系统硬件电路设计14
4.1 元件及电路介绍14
4.2 硬件总电路图21
5 系统机械部分设计及实物展示22
5.1 机械部分设计22
5.2 实物展示26
结论28
致谢29
参考文献30
1 绪论
磁悬浮技术是自动控制技术的一种，是伴随着控制技术的发展而逐步建立起来的高新技术。
磁悬浮技术拥有很多的优点。其中使用年限长；不存在噪声；对能量的消耗少；安全可靠等是最为突出的几个优点。该技术可以使悬浮体与支撑物之间没有任何直接的接触，所以能够有效地克服由摩擦所带来的能量消耗和速度限制等的一系列问题。因此，目前世界各国已广泛地开展了许多有关磁悬浮控制系统理论与实践的研究，并取得了巨大的进展。
因为控制理论的不断发展与完善，涌现出了非常多的具有先进性的控制方法并且都得到了非常广泛的应用。这些先进的算法都能够有效地提高磁 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
悬浮系统的鲁棒性。同时伴随着电子信息技术的快速崛起，使得磁悬浮控制系统在智能化领域取得了巨大的发展。
德国工程师赫尔曼早在二十世纪二十年代就已经提出了磁悬浮的原理。因此，德国是世界上最早研究磁悬浮技术的国家。在二十世纪的七十年代以后，伴随着世界上各个工业化国家经济实力的不断增强，各国交通运输的能力已难以适应各自经济高速发展的需要，因此德国、日本、加拿大、美国、英国和法国等诸多先进的发达国家都相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的研发工作，这在很大程度上促进了磁悬浮技术的发展。
自古以来，无论是国内还是国外，知识分子还是普通工人都憧憬着能够实现使物体悬浮的梦，但一直都没有太多的进展。因为这恰好需要应用到磁悬浮技术，而磁悬浮是在机电一体化中集众多学科为一体的非常具有典型性的高新技术。但是，随着电磁学理论 、电子信息类技术与控制工程等诸多学科的快速发展，磁悬浮技术也取其得了深远的发展。
使物体悬浮已经不再是一个遥不可及的梦想，通过磁悬浮技术设计的产品已经实际地应用于我们生活的各个方面。
1.1 课题研究的背景
百年之前，操纵磁场力使物体与支撑物之间不发生接触即可悬浮的设想就已经被人们所提出了，但是当时的知识水平和技术条件都不高，很难维持人们深入的研究，所以磁悬浮技术一直都没有任何起色。
在上个世纪初，悬浮理论的创始人已经在实验室实现物体的自由空间悬浮，但直到近几十年，才把这一技术真正地加以应用于生活方面和工业领域。
当今，磁悬浮技术应用的领域呈现出显著的扩大化，得益于其迈越式的成长。可以说，在生活和生产的各个方面都可以看到磁悬浮技术的身影。尤其是一九八零年之后，超导现象被人们所熟知并被最先应用于这方面，使得其又有了长足地进步。超导技术与磁悬浮技术相结合；新的材料，新的工艺和新的器件等的出现；以及现代控制技术的高速发展；更加使得磁悬浮技术趋于成熟，并早已使其由理论研究进入了实际应用的新阶段。
在磁悬浮技术众多的应用领域中，大气隙风洞磁悬浮模型（如图1）、高速磁悬浮轴承以及高速磁悬浮列车等都是一些非常重要的应用领域。同时伴随着高新技术的迅速崛起，世界各国越加认识到其发展的潜力，已经投入了大量的资源，包括对磁悬浮技术的研究和开发的人力和财力。
图1 大气隙风洞磁悬浮模型
磁悬浮技术充分发挥了磁铁同极间相互排斥和异极间相互吸引的特点，使磁铁具备了平衡重力的能力，我们称之为磁悬浮。
因为处于磁铁内部的原子具有极其特别的构造，因此它分别拥有“同性相斥”和“异性相吸”的两种表现形式，因此在磁悬浮技术的应用方面也分别存在着两种运行系统与之相对应。
磁悬浮系统可以分为被动磁悬浮和主动磁悬浮。
“被动磁悬浮”也称被为“无源磁悬浮”。它的基本原理是利用超导体或者永久磁铁来使物体达到悬浮状态。
“主动磁悬浮”也被称为“有源磁悬浮”。它的原理主要是运用电动或电磁的方式来使物体悬浮。
在悬浮支撑研究的起始阶段，研究内容大都侧重于“被动磁悬浮”，但是伴随着现代高新技术的迅速崛起，磁悬浮技术的研究已经逐步开始转入“主动磁悬浮”的研究阶段。
现在，世界上的大多数国家都在进行的工作是将磁悬浮技术的研究与其它应用技术的研究相结合。这种方法的优点是能够将多种技术与磁悬浮技术进行有效的整合，充分的发挥各个技术的优势，用其它技术的优点弥补磁悬浮技术的不足，并能够不断地激发人们的创造性。
1.2 磁悬浮技术优点
磁悬浮技术拥有很多技术无法媲美的优点，因此，得到了世界各国的重视。其主要有以下几个优点。
（a）无接触。
被悬浮的物体不会与支撑物发生任何的接触，所以没有摩擦，无机械磨损。同时能耗低，噪音低，维护成本低。
(b)不需要支撑介质。
真空中也可以工作，并可长时间的处于工作状态，无需润滑与维护。
（c）可以实现主动控制。
它可以广泛地使用在各种震动大的系统中，有效地减少震动。可以利用计算机对其进行控制，进而达到运动，监测、自动检测和诊断的目的。
（d）受力分布十分均匀。
其支持物所产生的应力能够平均的散布于磁极的表面上，使系统的制造成本大大降低，还提高了其使用年限。
磁悬浮技术的各个优点在磁悬浮列车中显现地最为明显。
这种列车运行于铁轨的正上方，铁轨不与车辆接触，跑得非常快，有的时候可以达到每小时500 千米；没有噪音，不会排出有害的废气，有利于对环境的保护；建设经费和耗能相对于其他交通系统来说是很低的；同时运营和维护起来也很方便。因为这些原因磁悬浮列车被认为是当今最快的列车，因此世界各国都十分重视磁悬浮列车的发展。
近年来，伴随着各种高新技术的不断出现，数字控制方式显示出了众多独有的优点，越来越多的应用于各个领域。
本设计中，霍尔传感器会不间断地检测悬浮球的状态，并通过其电压大小来反应。
霍尔传感器的电压与参考电压比较之后输出给单片机，从而实现对线圈电流大小的控制。
电磁力的大小会随着电磁铁与小球距离的增大而减小或者是随着距离的减小而增大。因此，简单的磁悬浮系统很难稳定。一旦其稍微地受到干扰(例如：电磁铁线圈两端的电压产生脉动或周围的环境发生变化等)，将会直接致使小球被电磁铁吸住或者掉下来，脱离平衡状态，所以整个系统需要进行闭环控制。
1 绪论01
1.1 课题研究的背景01
1.2 磁悬浮技术优点03
1.3 磁悬浮系统及控制方式分类04
1.4 磁悬浮控制方法的研究现状05
1.5 磁悬浮技术应用及发展前景06
2 系统的总体设计与工作原理08
2.1 设计内容与设计方法08
2.2 磁悬浮原理09
3 磁悬浮系统的建模11
3.1 控制对象的运动方程11
3.2 系统的电磁模型11
3.3 电磁系统数学模型12
3.4 磁悬浮系统数学模型13
4 系统硬件电路设计14
4.1 元件及电路介绍14
4.2 硬件总电路图21
5 系统机械部分设计及实物展示22
5.1 机械部分设计22
5.2 实物展示26
结论28
致谢29
参考文献30
1 绪论
磁悬浮技术是自动控制技术的一种，是伴随着控制技术的发展而逐步建立起来的高新技术。
磁悬浮技术拥有很多的优点。其中使用年限长；不存在噪声；对能量的消耗少；安全可靠等是最为突出的几个优点。该技术可以使悬浮体与支撑物之间没有任何直接的接触，所以能够有效地克服由摩擦所带来的能量消耗和速度限制等的一系列问题。因此，目前世界各国已广泛地开展了许多有关磁悬浮控制系统理论与实践的研究，并取得了巨大的进展。
因为控制理论的不断发展与完善，涌现出了非常多的具有先进性的控制方法并且都得到了非常广泛的应用。这些先进的算法都能够有效地提高磁 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
悬浮系统的鲁棒性。同时伴随着电子信息技术的快速崛起，使得磁悬浮控制系统在智能化领域取得了巨大的发展。
德国工程师赫尔曼早在二十世纪二十年代就已经提出了磁悬浮的原理。因此，德国是世界上最早研究磁悬浮技术的国家。在二十世纪的七十年代以后，伴随着世界上各个工业化国家经济实力的不断增强，各国交通运输的能力已难以适应各自经济高速发展的需要，因此德国、日本、加拿大、美国、英国和法国等诸多先进的发达国家都相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的研发工作，这在很大程度上促进了磁悬浮技术的发展。
自古以来，无论是国内还是国外，知识分子还是普通工人都憧憬着能够实现使物体悬浮的梦，但一直都没有太多的进展。因为这恰好需要应用到磁悬浮技术，而磁悬浮是在机电一体化
使物体悬浮已经不再是一个遥不可及的梦想，通过磁悬浮技术设计的产品已经实际地应用于我们生活的各个方面。
1.1 课题研究的背景
百年之前，操纵磁场力使物体与支撑物之间不发生接触即可悬浮的设想就已经被人们所提出了，但是当时的知识水平和技术条件都不高，很难维持人们深入的研究，所以磁悬浮技术一直都没有任何起色。
在上个世纪初，悬浮理论的创始人已经在实验室实现物体的自由空间悬浮，但直到近几十年，才把这一技术真正地加以应用于生活方面和工业领域。
当今，磁悬浮技术应用的领域呈现出显著的扩大化，得益于其迈越式的成长。可以说，在生活和生产的各个方面都可以看到磁悬浮技术的身影。尤其是一九八零年之后，超导现象被人们所熟知并被最先应用于这方面，使得其又有了长足地进步。超导技术与磁悬浮技术相结合；新的材料，新的工艺和新的器件等的出现；以及现代控制技术的高速发展；更加使得磁悬浮技术趋于成熟，并早已使其由理论研究进入了实际应用的新阶段。
在磁悬浮技术众多的应用领域中，大气隙风洞磁悬浮模型（如图1）、高速磁悬浮轴承以及高速磁悬浮列车等都是一些非常重要的应用领域。同时伴随着高新技术的迅速崛起，世界各国越加认识到其发展的潜力，已经投入了大量的资源，包括对磁悬浮技术的研究和开发的人力和财力。
图1 大气隙风洞磁悬浮模型
磁悬浮技术充分发挥了磁铁同极间相互排斥和异极间相互吸引的特点，使磁铁具备了平衡重力的能力，我们称之为磁悬浮。
因为处于磁铁内部的原子具有极其特别的构造，因此它分别拥有“同性相斥”和“异性相吸”的两种表现形式，因此在磁悬浮技术的应用方面也分别存在着两种运行系统与之相对应。
磁悬浮系统可以分为被动磁悬浮和主动磁悬浮。
“被动磁悬浮”也称被为“无源磁悬浮”。它的基本原理是利用超导体或者永久磁铁来使物体达到悬浮状态。
“主动磁悬浮”也被称为“有源磁悬浮”。它的原理主要是运用电动或电磁的方式来使物体悬浮。
在悬浮支撑研究的起始阶段，研究内容大都侧重于“被动磁悬浮”，但是伴随着现代高新技术的迅速崛起，磁悬浮技术的研究已经逐步开始转入“主动磁悬浮”的研究阶段。
现在，世界上的大多数国家都在进行的工作是将磁悬浮技术的研究与其它应用技术的研究相结合。这种方法的优点是能够将多种技术与磁悬浮技术进行有效的整合，充分的发挥各个技术的优势，用其它技术的优点弥补磁悬浮技术的不足，并能够不断地激发人们的创造性。
1.2 磁悬浮技术优点
磁悬浮技术拥有很多技术无法媲美的优点，因此，得到了世界各国的重视。其主要有以下几个优点。
（a）无接触。
被悬浮的物体不会与支撑物发生任何的接触，所以没有摩擦，无机械磨损。同时能耗低，噪音低，维护成本低。
(b)不需要支撑介质。
真空中也可以工作，并可长时间的处于工作状态，无需润滑与维护。
（c）可以实现主动控制。
它可以广泛地使用在各种震动大的系统中，有效地减少震动。可以利用计算机对其进行控制，进而达到运动，监测、自动检测和诊断的目的。
（d）受力分布十分均匀。
其支持物所产生的应力能够平均的散布于磁极的表面上，使系统的制造成本大大降低，还提高了其使用年限。
磁悬浮技术的各个优点在磁悬浮列车中显现地最为明显。
这种列车运行于铁轨的正上方，铁轨不与车辆接触，跑得非常快，有的时候可以达到每小时500 千米；没有噪音，不会排出有害的废气，有利于对环境的保护；建设经费和耗能相对于其他交通系统来说是很低的；同时运营和维护起来也很方便。因为这些原因磁悬浮列车被认为是当今最快的列车，因此世界各国都十分重视磁悬浮列车的发展。
近年来，伴随着各种高新技术的不断出现，数字控制方式显示出了众多独有的优点，越来越多的应用于各个领域。
本设计中，霍尔传感器会不间断地检测悬浮球的状态，并通过其电压大小来反应。
霍尔传感器的电压与参考电压比较之后输出给单片机，从而实现对线圈电流大小的控制。
电磁力的大小会随着电磁铁与小球距离的增大而减小或者是随着距离的减小而增大。因此，简单的磁悬浮系统很难稳定。一旦其稍微地受到干扰(例如：电磁铁线圈两端的电压产生脉动或周围的环境发生变化等)，将会直接致使小球被电磁铁吸住或者掉下来，脱离平衡状态，所以整个系统需要进行闭环控制。
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