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磁懸浮技術(shù)采用磁力使部件獲得懸浮，可以避免機(jī)械接觸造成的摩擦，因此在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工程領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際的使用過(guò)程，為了使磁懸浮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮，并具有可控的位置精度，對(duì)其系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制顯得十分重要，因此對(duì)磁懸浮控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本文以斥力型磁懸浮系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)浮子的位移，并采用PID控制器作為系統(tǒng)的控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)浮子的穩(wěn)定懸浮控制。

磁懸浮浮子控制電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的斥力式磁懸浮系統(tǒng)主要由一塊環(huán)狀永磁體、四個(gè)電磁線圈、三個(gè)霍爾傳感器、磁懸浮浮子組成，如圖1所示。環(huán)狀永磁鐵提供磁懸浮浮子懸浮的主磁場(chǎng)；四個(gè)電磁線圈通過(guò)調(diào)節(jié)線圈電流大小和方向來(lái)調(diào)整懸浮磁場(chǎng)大小；X、Y、Z三個(gè)方向的霍爾傳感器的作用是檢測(cè)磁懸浮浮子的位置偏移。系統(tǒng)工作原理：當(dāng)磁懸浮浮子偏離中點(diǎn)位置時(shí)，通過(guò)X、Y方向霍爾傳感器檢測(cè)到的磁密信號(hào)與中點(diǎn)值進(jìn)行比較，并經(jīng)過(guò)PID控制之后作為PWM輸出占空比的依據(jù)，并通過(guò)PWM輸出控制四個(gè)電磁線圈的電流來(lái)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，以此使得磁懸浮浮子穩(wěn)定懸浮。本系統(tǒng)控制主要組成包括：串口模塊、電磁線圈、霍爾傳感器模塊、電源電路，系統(tǒng)控制原理如圖2所示。串口模塊將單片機(jī)采集到的信號(hào)進(jìn)行發(fā)送，能更好地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)；電磁感應(yīng)線圈經(jīng)過(guò)單片機(jī)的控制之后完成對(duì)磁懸浮浮子的位移控制；STM32單片機(jī)為控制系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)分析與對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。電源電路由L7815和1117提供直流電壓。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要包括以下硬件電路組成部分：（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)由供電模塊、晶振電路和復(fù)位電路組成。（2）電磁線圈驅(qū)動(dòng)電路針對(duì)電磁線圈的驅(qū)動(dòng)，采用H橋的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)正反向驅(qū)動(dòng)。論文采用L298N芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，它包含2個(gè)H橋，其中每個(gè)H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓可達(dá)48V，邏輯電路接受5VTTL電平。如圖4所示。（3）運(yùn)算放大電路霍爾傳感器輸出的電壓信號(hào)與離浮子之間的距離位移相關(guān)，當(dāng)離的遠(yuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，輸出電壓較小，需對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，獲得磁懸浮浮子的位移信息，電路如圖5所示。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)控制流程電磁線圈通電之后產(chǎn)生電磁力，產(chǎn)生推力作用與磁懸浮浮子，當(dāng)磁懸浮浮子產(chǎn)生偏移，霍爾傳感器能感應(yīng)并產(chǎn)生電壓信號(hào)，單片機(jī)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分析后做出相應(yīng)指令控制通過(guò)電磁線圈的電流大小，以此來(lái)達(dá)成閉環(huán)反饋。系統(tǒng)控制思路如圖6所示.（2）PID控制算法的應(yīng)用PID控制器調(diào)參方便，應(yīng)用廣泛，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，其表達(dá)式為：Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)；u(k)為輸出值；e(k)為控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。控制系統(tǒng)主程序主程序流程如圖7所示，系統(tǒng)初始化完成之后，X、Y方向霍爾傳感器信號(hào)采集，經(jīng)過(guò)PWM的計(jì)算之后，通過(guò)STM單片機(jī)的TIM1高級(jí)定時(shí)器的PWM輸出口輸出PWM波，L298N芯片根據(jù)PWM波控制通過(guò)電磁線圈的電流，之后程序進(jìn)入循環(huán)。系統(tǒng)初始化主要完成對(duì)各輸入輸出端口、定時(shí)寄存器的初始化操作；霍爾傳感器采集主要通過(guò)單片機(jī)的A/D接口對(duì)X、Y兩個(gè)方向的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

系統(tǒng)采用PID控制器對(duì)浮子X(jué)、Y方向?qū)崿F(xiàn)控制，X軸方向的控制系數(shù)為：Kpx=0.65、Kix=0.001、Kdx=1.5，Y軸反向的控制系數(shù)為：Kpy=0.75、Kiy=0.001、Kdy=1.6系統(tǒng)的實(shí)物如圖8所示，磁懸浮浮子成功浮在四個(gè)電磁線圈中央并處于穩(wěn)定狀態(tài)。使用雙通道示波器采集霍爾傳感器輸出的電壓波形，X軸與Z軸方向的波形如圖9所示，藍(lán)線代表X軸方向電壓輸出，電壓波動(dòng)幅值為0.3~1.2V，紅線代表Z軸方向電壓，輸出幅值15V，說(shuō)明浮子在X軸方向波動(dòng)較大。Y軸方向與Z軸方向波形與X軸與Z軸波形相似，藍(lán)線代表YT軸方向電壓輸出，電壓波動(dòng)幅值為0.2~1.5V，紅線代表Z軸方向電壓，輸出幅值15V，但是其波動(dòng)頻率比圖9偏大，說(shuō)明其在Z軸方向抖動(dòng)要多，如圖10所示。由上述兩圖可看出，磁懸浮浮子在控制狀態(tài)下X、Y軸方向基本能穩(wěn)定在一定數(shù)值內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明其能使浮子處于比較穩(wěn)定懸浮的狀態(tài)。

結(jié)語(yǔ)

文章主要針對(duì)斥力型磁懸浮系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)能有效地實(shí)現(xiàn)浮子懸浮的功能。

作者：陳泳龍 凌虎 毛麗萍 單位：南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院