基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计毕业论文
磁悬浮小球控制系统软件设计毕业设计(论文)
磁悬浮小球控制系统软件设计摘要磁悬浮技术具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及寿命较长等一系列优点，在能源、交通、航空航天、机械工业和生命科学等高科技领域有着广泛的应用背景。
随着磁悬浮技术的广泛应用，对磁悬浮系统的控制已成为首要问题。
本设计以PID控制为原理，设计出PID控制器对磁悬浮系统进行控制。
在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立磁悬浮控制系统的数学模型，并以此为研究对象，设计了PID控制器，确定控制方案，运用MATLAB软件进行仿真，得出较好的控制参数，并对磁悬浮控制系统进行实时控制，验证控制参数。
最后，本设计对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。
PID控制器自产生以来，一直是工业生产过程中应用最广、也是最成熟的控制器。
目前大多数工业控制器都是PID控制器或其改进型。
尽管在控制领域，各种新型控制器不断涌现，但PID控制器还是以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点，处于主导地位。
关键字：磁悬浮系统，PID控制器，MATLAB仿真ABSTRACTMagnetic suspension technology, which has a series of advantages such as contact-free, no friction, no wear, no need of lubrication and long life expectancy, is widely concerned and adopted in high-tech areas such as energy, transportation, aerospace, industrial machinery and life science．With the extensive application of maglev technology, the control of the maglev system has become a priority. In this paper, for the principle of PID control, PID controller designed to control magnetic suspension system.On the basis of analyzing of magnetic suspension system’s structure and working principle, its system mathematical model was established, this thesis describe PID controller designed and get control scheme. It gets the better control parameters by MATLAB software simulation studies, and real-time control of magnetic suspension control system to verify the control parameters. The key research works for further study are proposed at last．Since PID controllers have been the process of industrial production has been most widely and most sophisticated controller. Most industrial controllers are PID controllers or modified. While in the control area, a variety of new controllers continue to emerge, but the PID controller is its simple structure, easy to implement, robust, etc., in a dominant position.Key words: magnetic suspension system; PID controller; MATLAB simulation毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
磁悬浮球控制系统
基于单片机的磁悬浮系统的设计
基于单片机的磁悬浮系统的设计作者：陈启新来源：《电脑知识与技术》2017年第05期摘要：磁悬浮系统是利用“同性相斥，异性相吸”的原理来实现的。
磁悬浮系统是指使磁性物体在无任何支撑的情况下悬浮于空中。
可以使物体保持静止状态或是自传的一种状态。
其设计具有独特的视觉效果，集中了科技与效果为一体。
基于单片机的磁悬浮系统是一种实用智能化的磁悬浮系统，它是利用单片机产生脉冲新号控制电场的变化从而产生磁场，非常容易实现。
关键词：磁悬浮；线圈；霍尔传感器；AVRmega16中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0179-01随着社会的发展科技的进步，人们的生活水平也发生了翻天覆地的变化，人们越来越依赖于科学技术，然而人们对于科学技术的认识也是越来越少。
该磁悬浮系统可以使人们更能了解到科学技术，感受科学技术的神奇。
该技术简单易懂。
该磁悬浮系统可悬浮一切带有磁性的物品，比如利用该系统可制作磁悬浮式台灯，也可制作成磁悬浮摆饰等。
1总体布局磁悬浮系统是典型的机电一体化系统，运用磁场和电场的一般规律进行实现，也就是磁路定律和变化电场周围产生磁场。
该系统主要有两个部分组成，分别是控制电路部分和执行电路部分。
控制电路部分，是以单片机AVRmega16以及外围接口电路为核心，以霍尔传感器为信号收集器，为单片机提供磁场强度变化的数据，单片机根据接收到的数据进行对比。
单片机控制LM298N进行调整磁场的变化。
执行电路部分主要由四个漆包线缠绕的线圈和十六个钕磁铁构成，若是要增大该磁悬浮系统的功率，可改变钕磁铁的数量和漆包线圈的大小，一般要悬浮小型的磁性物体时，线圈缠绕30圈左右就够了。
硬件主要部分：图1中1所指的是汝磁铁，用来增加主磁场的磁场强度，增加或减少该磁铁，会导致此系统所悬浮物体的最大质量发生变化。
一般的悬浮小型磁性物体只需要十六个小型钕磁铁即可。
图1中2、4所指的是用漆包线绕起来的线圈，一般用1.2mm的漆包线，驱动线圈用12V 电压。
基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计毕业论文
基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计摘要随着越来越多的磁悬浮技术应用到现实生活中的各个领域，磁悬浮这个在几年前还是很陌生的一个词现在已经广为人知。
磁悬浮以悬浮力产生的原理分类可以分为超导磁悬浮和常导磁悬浮。
磁悬浮的控制系统是一个很复杂的问题。
本文研究的重点就是这两种磁悬浮的控制问题。
超导磁悬浮是利用处于超导状态下的超导体具有斥磁力的原理产生的。
超导磁悬浮的悬浮物体就是超导体本身，所以超导磁悬浮的控制重点就落在了超导体上。
本文从介绍超导磁悬浮的基本应用入手，逐步深入地介绍超导体的基本物理性质，然后介绍超导磁悬浮系统的控制方法、过程和原理。
与超导磁悬浮相比，常导磁悬浮的应用就更为广泛，因为常导磁悬浮的实现过程要简单得多。
常导磁悬浮可以分为应用电磁铁的磁悬浮和引用非电磁性磁铁（稀土永磁铁、普通磁铁等）的磁悬浮。
但是由于电磁铁便于控制和利用，所以利用电磁铁的磁悬浮义勇更为广泛。
本文在常导磁悬浮方面的研究是从一个实例入手，分析电磁铁式磁悬浮的原理，从而进一步研究电磁铁式磁悬浮的控制方法、过程和原理。
在本文的最后，我利用在大学里所学的知识，结合本文的研究重点——磁悬浮装置的控制问题，做出了一个简单的电磁悬浮装置。
这个悬浮装置的原理是利用对电磁铁电流的控制来实现一个铁球在空中的来回反复运动，达到视觉上的悬浮效果。
这虽然与实际的电磁铁悬浮控制方原理不同，但是利用这简单手段也能够达到相同的目的。
这个实例给了我们一个启示：简单的演示实验装置也能够说明磁悬浮列车等高新技术的工作原理，磁悬浮并不是遥不可及的。
关键词：常导磁悬浮，超导磁悬浮，磁悬浮的控制，演示实验装置，磁悬浮列车The design of control system of magnetic levitation ball basedon MCUABSTRACTAs more and more maglev technology is applied to each field in actual life, the word of magnetic suspension a several years ago was very strange has already widely known by the people. Magnetic suspension is classified and can be divided into superconductive magnetic suspension and electromagnetic magnetic suspension from the material which produces lift force. It is a very complicated problem to control the magnetism suspension system. The focal point that this text studies is that these two kinds of magnetic suspension demonstrate the design about question of controlling of the experimental provision.Superconductive magnetic suspension is to utilize the superconductor in superconductive state to upbraid magnetic force principles. To suspend object superconductor,so superconductive control focal point of magnetic suspension drop on the superconductor superconductive magnetic suspension. This text is from recommend that the using basically of superconductive magnetic suspension is started with, introduce the basic physical property of the superconductor , then the control method , course and principle to introduce superconductive magnetic suspension deeply progressively.Compared with superconductive magnetic suspension, the application that electromagnetic magnetic suspension is much more extensive , because the realization course that electromagnetic magnetic suspension is much simpler. Magnetic suspension that electromagnetic magnetic suspension and can be divided into the magnetic suspension which use the electro-magnet and quoted the non- electric magnetic magnet (tombarthite permanent magnet, ordinary magnet ,etc. ). But because the electro-magnet is more convenient and utilizes controlling, it is more extensive to use the magnetic suspension of the electro-magnet. The research in electromagnetic magnetic suspensionof this text is to proceed with a instance , analyse that according to the principle of electro-magnet type magnetic suspension , thus study electromagnetic type magnetic suspension control method , course and principle further.At the end of this text, I utilize knowledge studied in the university, combine the research focal point of this text - -Demonstrate the control question of the experimental provision , has made a simple electric magnetic suspension device in magnetic suspension. The principle of the device is to make use of control on electro-magnet electric current to realize moving repeatedly back and forth in the sky of an iron plate that this suspends, reach the result of suspending on the vision . This is it control square different principle to suspend with real electro-magnet, simple means this can achieve the the same goal too.This instance has given us one to enlighten: The simple demonstration experimental provision can state the operation principle of new and high technology , such as maglev train ,etc. too, magnetic suspension is not out of reach.KEY WORDS：electromagnetic magnetic suspension , superconductive magnetic suspension ,the control of magnetic suspension,demonstrate the experimental provision, the maglev train目录前言......................................................................... 错误！未定义书签。
基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计
基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计
采用霍尔元件检测小球，输位置出电信号经A/D转换反馈至单片机，运用单片机数字PID控制器来控制磁悬浮小球在磁场中的位置。
以单片机为核心，设计磁悬浮小球的控制电路设计，对控制算法进行研究，编写程序，通过传感器对小球位置的测量，利用通过单片机来实现对小球悬浮的稳定控制。
采用霍尔元件检测小球，输位置出电信号经A/D转换反馈至单片机，运用单片机数字PID控制器来控制磁悬浮小球在磁场中的位置。
给定数字量的作用是手动控制小球在磁场中的位置，根据给定量不同，小球的受力大小也随之改变。
单片机控制器主要是在接到传感器的反馈后通过把模拟信号转换成数字信号发给磁铁执行器从而控制磁场大小。
功率驱动则是改变驱动能力。
霍尔元件则是用于测量小球位置的传感器，并将其信号通过模数转换发送给单片机控制器
13电气工程及其自动化（2）班
1304102062
朱培喆。
磁悬浮球形电机控制系统的研究
２ ． １ 磁 悬浮球 形 电机 的磁 悬浮 力和 电磁转 矩模 型
图 ｌ 控 制 驱 动 系 统 结 构
单 自由度磁 悬 浮 电 机 示 意 图见 图 ３ ， 如 果 稳 定 悬 浮 的转 子在 干扰 作 用 下 沿 坐标 轴 位 移 量 为 Ｙ， 控 制 器 为了使 转子 恢 复到原 来 的 平衡 位 置 ， 将 使靠 近 间 隙减 小方（ 间隙 为 ， 一ｇ 。 一ｙ ｃ ｏ ｓ ￣ ｏ ｏ ） 定 子绕 组 的 电流 减
磁 悬浮球 体 电机Ｌ １ ． ｚ ］ 是 复 杂 的机 电一 体 化 综 合 系 统， 它集 球形 电动机 ］ 与磁 悬 浮 技术 ［ ４ 于一体， 具 有 结 构紧 凑 、 体积小、 控制 方便 等优 点 。同时 ， 它上 、 下 定 子均 只采用一套 控制绕组 ， 在对称 位置 上通过 实 时调节 上、 下两 定子绕 组 电流 的相位 和 大小 ， 达 到控 制 电机 转 矩和 悬浮力 的 目的 ， 从而实现球体 电机 的无 轴承运行 。
第 ２期 （ 总第 １ ７ ７期 ）
２ ０ １ ３年 ４ 月
机 械 工 程 与 自 动 化
基于STM32单片机的微型磁悬浮装置的设计
图 5 x 轴的双闭环串级 PID 控制框图
2.3 软件流程 本文选用 STM32F103C8T6 单片机作为主控制器，通
过 MDK ⁃Keil5 IDE 软件进行程序设计和调试见图 6 和 图 7。
图 6 主程序流程图
图 7 串口中断接收程序
图 6 和图 7 分别为主程序和串口中断接收程序两大 部分。在中断处理时，通过串口中断接收上位机发送来 的 命 令 和 数 据 ，并 缓 存 到 全 局 变 量 环 形 数 组 区 ，并 使 用 定时器中断设计 15 ms 控制周期定时。
调试完 PID 参数后，开始悬浮测试，该磁悬浮装置 的底座实物图如图 8 所示。本文使用直径 25 mm、厚度 10 ms 的圆柱体钕铁硼磁铁作为永磁体，以及直径 3 cm 厚度 5 mm 的圆柱体钕铁硼磁铁作为浮子。
第 14 期
杜明昊，等：基于 STM32 单片机的微型磁悬浮装置的设计
29
子 的 位 置 信 息 ，以 永 磁 体 的 中 心 为 原 点 ，建 立 直 角 坐 标 系 ，霍 尔 h1 测 量 x 轴 方 向 上 的 浮 子 磁 通 量 信 息 ，霍 尔 h2 测 量 y 轴 方 向 上 的 浮 子 磁 通 量 信 息 。 [7] 因 此 ，通 过 STM32 单 片 机 片 内 ADC 外 设 得 到 磁 通 量 值 ，进 行 数 学 坐标模型化后，可以得到浮子的水平位置。
2 磁悬浮装置的控制设计
2.1 浮子姿态位置 磁悬浮装置平面结构示意图如图 4 所示。磁通量
测量单元里的 2 个相互垂直的霍尔元件，可以测量出浮
图 3 磁通量测量单元
图 4 磁悬浮装置平面结构示意图
2.2 双闭环串级 PID 控制 浮子稳定悬浮时，所需的悬浮斥力主要由永磁体提
磁悬浮小球的PID控制
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
研究方法
理论分析与实验相结合
主要技术指标(或研究目标)
学会控制系统控制特性进行分析的一般方法和步骤，在此基础上选择合适的控制算法；
掌握一般控制系统PID控制算法的仿真研究和实验过程中控制器参数的调节方法。
教研室
意见
教研室主任（专业负责人）签字：年月日
说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日
导师签名：日期：年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
太原科技大学华科学院毕业设计（论文）任务书
学院（直属系）：电子信息工程系时间：2013年2月27日
学生姓名
指导教师
设计（论文）题目
磁悬浮小球系统的PID控制
主要研
究内容
掌握磁悬浮小球实验装置的软、硬件结构，能分析系统的控制特性；理解PID控制算法的理论知识和PID控制现场调试方法；能运用PID控制算法实现磁悬浮小球系统的稳定控制。