毕业设计导轨磁平衡及平移控制电路设计Word文档格式.docx
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测距传感器模块由霍尔传感器、恒流源、放大器等电路组成，可以高灵敏测量导轨的微弱偏移：
当导轨偏移1毫米时，产生约1伏的输出电压；
信号放大与处理模块实现信号放大、单极信号到双极信号的转换、偏置调整、极性转换等功能；
大功率驱动模块，由恒流源、大功率输出电路、保护电路等部分组成。
系统控制电路由单片机AT89C51和1602液晶显示组成，实现导轨平移速度和方向的控制。
关键词：
磁悬浮、霍尔传感器；
反馈控制
Maglevcontrolcircuitdesign
LiyouDirector：
ZHANGSheng
（Dept.ofElecticity&
InformationgEngineering，ZhejiangNormalUniversity）
Abstract：
Thethesisintroducesthebasicprincipleofmaglevsystem.Besides,Onthebasisofapplication,wemadetwowork:
Thefirstone,designandmakeaSuspensionguiderailautomaticbalancesystemwhichalwayskeeptheguiderallinthecentreoftheholderautomatically,byadjustingthecurrentofwindingwireautomatically,whentheguideralloutofcentreofholder.Thesecondone,designandmakeaguideralltranslationalmotioncontrolcircuitwhichcancontrolguiderallmotionandthespeedofmotion.Guidemagneticbalancesystemmainlyhasthefollowingmodules:
guidemigrationdistancemeasurementsensormodule,amplificationandprocessingcircuitmodule,high-powerdrivermodulesandsingle-chipmicrocomputercontrolmodule,displaymodulecomponents.Range-findingsensorsmodulewhichismadeofhallelement,constantcurrentsource,amplifiercircuits,canmeasuredsmall-signalhigh–sensitivity.Itcangeneratingabout1voltsoutputvoltagewhenguideoffset1millimeter;
Amplificationandprocessingmoduleimplementsamplification,unipolarsignalstobipolarsignalconversion,biasadjustment,polarityconversionfunctions;
High-powerdrivermodulesismadeofconstantcurrentsource,high-poweroutputcircuit,protectcircuitcomponents.SystemcontrolcircuitwhichismadeofmicrocomputerAT89C51and1602LCDcompositioncontrolthespeedofhorizontalscroll.
KeyWords：
Hallsensors;
Feedbackcontrol;
Coil;
Magneticfield
1概述
随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展，经过多年的研究工作，国内外对磁悬浮技术的研究都取得了很大的进展。
但是不论是在理论还是在产品化的过程中，该项技术都存在很多的难题，其中磁悬浮列车的技术难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统，它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果。
需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。
1.1课题研究背景
速度是人类永恒追求的目标。
21世纪，随着经济的持续快速发展和社会飞速进步、已经并将继续产生极大的高速客运交通需求。
高速磁浮交通系统由于有着较高的经济运行速度，不仅适合于相距数百公里至一千多公里的交通枢纽之间的大运量快速客运交通，而且还适合于相距数十公里至数百公里的中心城市与附近重要城市之间的现代大容量高速客运交通系统，将是中国选择建设大容量客运体系时考虑的重要方案之一。
由于磁浮列车和地面无接触摩擦而实现高速运行，实际上是一个受电磁铁和导轨间作用力控制的，所控制模块很重要。
但是，对磁浮列车控制的最基本要求就是要保证磁浮列车在各种内外扰动作用下仍然能够保持平衡稳定的悬浮，这使得悬浮控制模块非常重要，可以说是磁浮列车的核心和关键技术之一。
过去80余年以来，不少科学家对这种不依赖轮轨接触、无直接摩擦力的运输技术应用于交通工程的可能性进行了研究，并在中国上海实现了商业运行。
我国人口众多，磁悬浮这种新技术的采用需求不仅出现在城市间的长距离运输，也出现在城市交通领域，其技术主要是中低速技术和轻型车辆。
不过，在“是否可以继续推广磁悬浮技术”以及“如何在我国推广磁悬浮技术”这两个问题上，专家和官员两个层面上均还存在一些不同看法。
争论主要集中在三方面：
首先是工程技术风险，即磁悬浮技术是否具备推广到运输生产领域的工程成熟度；
其次是技术推广的经济风险，即磁悬浮技术在项目建设和运营维护过程中的经济性是否可接受；
三是输送（生产）能力风险，即磁悬浮技术能够达到的最大生产能力究竟在何等水平。
磁悬浮列车是面向未来的交通工具，其最基本的设计指标包括乘坐舒适性、运行效率、可靠性、运输能力以及与周围环境的兼容性等。
要实现这些指标首先必须要有一个高质量的悬浮控制系统。
悬浮控制系统包括传感器、控制器和功率放大单元等部分，控制器接收装在导轨上面的传感器的间隙、加速度以及电流等信号，根据控制算法生成控制信号，功率放大器将控制信号传到控制电路上转化为电磁铁电流，最终使电磁铁和轨道之间保持稳定的间隙。
1.2系统功能和指标
本设计主要的功能是模拟磁悬浮系统，自动调节导轨位置，使导轨始终处于轨道中心位置。
同时利用单片机控制轨道两侧线圈通断，实现导轨在轨道中的水平运动。
1.2.1系统要求
l、研究与磁悬浮技术相关的基础理论；
2、深入研究电磁控制及传感器的理论及其设计方法；
3、设计并制作导轨，轨道及线圈整体装置；
4、结合理论联系实际制作出要求的带磁悬浮导轨系统。
5.用单片机控制信号，实现导轨的平移功能
6.通过按键控制导轨的前进与后退，并实现在1602上达到同步显示的效果
1.2.2系统指标
（1）准确度：
调节后导轨离轨道中心位置不超过0.02mm
（2）驱动线圈电流：
0-10A
（3）调节时吸引力：
0.19Kg-20kg
（4）导轨尺寸：
长38.5cm宽1.4cm高3.3cm
（5）线圈尺寸：
直径3.3cm高2.6cm
（6）间隙距离：
1.6cm
（7）线圈参数：
匝数40、线径1mm
2设计任务与方案论证
2.1设计任务
电路模块包含电源部分，传感器信号采集，信号处理，大功率驱动，MCU部分以及显示等模块。
表2-1磁悬浮控制系统设计任务
设计任务
功能及要求
电源部分
对220V交流电变压整流稳压后获得+5v+12v-12v三种电压输出。
信号采集
采用传感器将轨道内部导轨距离传感器的位置信号转化为电压信号。
要求能在1mm内区分轨道位置的微小变化。
信号处理
通过信号处理电路处理采集到的电压信号，将电压信号转化为控制信号达到控制线圈的作用。
功率驱动
控制信号通过驱动电路使线圈产生大电流，实现线圈对导轨的吸引。
MCU部分
实现几组线圈的轮流通断，导轨的水平移动。
同时实现液晶的显示。
显示电路
实时显示系统运行过程的相关数据和信息。
2.2系统总体方案
磁悬浮控制系统整体框图如下图所示：
图2-1磁悬浮控制系统总体框图
2.3电源部分方案
电源模块是整个设计的关键部分，任何电路都需要有合适的电源模块作为供电模块。
由于本系统需要将220交变电流转化为直流信号。
可参考以下几种方案。
方案一：
整个系统电源都使用变压器电源。
首先将220V交流电通过变压器，然后经过整流、滤波稳压得到+5V，+12V和-12V的直流电源，+5V电源用于单片机和其他控制部分供电，+12V提供线圈供电,-12V提供其他模拟芯片电源。
此种方案由于采用了变压器使得电气上与市电实现隔离，整个系统的安全系数较高，但是由于此方案成本偏高，系统体积相对较大。
方案二：
整个系统采取阻容降压电源。
采用阻容降压得到+5V电源供给单片机和其他外设，这样可以缩小系统体积，减少系统成本。
但是由于采用阻容压降方式电器隔离相对较差，安全系数较低，同时电源供电电流不宜过大。
方案三：
整个系统采用开关电源。
产生各种需要的+5VV,-12V，+12V电压。
虽然开关电源电路相对比较复杂。
但是其性能相对齐全，具有短路保护，输出功率较大，能够提高较大的工作电流，安全系数高等优点。
为了最大程度的满足本设计的供电要求，我们采用方案三。
2.4模拟信号采集方案
为了能够检测出导轨和轨道之间的相对偏移位置，我们需要用传感器电路将位置信号转化为电压信号，以供后续电路进行处理。
对于金属测距，常用的传感器有超声波传感器，红外对管传感器，霍尔传感器。
由于在本磁悬浮系统中中心轨道和导轨的距离较近不能采用超声波传感器。
理论上红外传感器和霍尔传感器都是可行的，在设计中我们也设计了具体电路进行了测试。
测试霍尔传感器与挡板间的距离与电压关系表和红外传感器与挡板间的距离与电压的关系表如下表2-2和表2-3所示。
挡板距离
第一次
3mm
4mm（中间位置）
5mm
-0.155v
-0.177v
-0.206
第二次
2mm
3mm（中间位置）
4mm
-0.265v
-0.194v
-0.176v
第三次
0.5mm
1.25mm（中间位置）
2.5mm
-0.39v
-0.31v
-0.23v
表2-2霍尔传感器与挡板间的距离与电压关系表
红外到板的距离
0.2cm
0.4cm
0.6cm
0.8cm
1.0cm
1.2cm
1.4cm
电压
1.3v
470mv
245mv
218mv
227mv
258mv
270mv
288mv
表2-3红外传感器与挡板间的距离与电压的关系表
测试结果分析：
采用红外对管作为信号采集传感器。
红外发射管发送红外线遇到导轨后反射回接收管，导轨与接收管的距离不一样接收到的反射光强度就不一样从而检测出导轨与轨道之间的距离。
由上表数据可以显示，电压与距离在一定范围内呈现一定的线性性，红外对管外围电路简单，灵敏度较高，但是受光线影响较大系统相对不稳定。
采用霍尔传感器检测导轨和轨道之间的相对偏移位置。
由于导轨为导电金属，霍尔传感器能够准确测量出其与导轨之间的距离。
根据测量数据可以显示，距离和检测电压有较好的线性关系。
霍尔传感器需要稳流源输入，外围电路相对复杂，但是霍尔传感器受其他因素影响较少，相对比较稳定。
综合考虑系统的准确度和稳定性因素，我们采用方案二霍尔传感器作为模拟信号采集的传感器。
2.5信号处理方案
在将距离偏移信号转化为电压信号后，我们需要对该电压信号进行相应处理转化为驱动电路的控制信号。
理论上可以采用两种不同的处理方式。
数字信号处理。
运用该方法，我们需要运用专用AD转换芯片将模拟信号转化为数字信号，利用单片机对数字信号进行软件上的处理。
数字信号处理具有处理效率高，抗干扰能力强，处理灵活等优点，但是数字信号处理需要用专用AD芯片一定程度上增加了电路复杂程度。
同时数字信号处理会增大软件开发难度。
模拟信号处理。
该方法是直接将采集后的模拟信号输入到控制电路中。
运用模拟电路放大，反向，反馈等功能实现控制功能。
模拟信号控制电路需要多次调零和测试，一定程度上增加了电路的调试难度。
同时系统的稳定性相对较差。
但是考虑模拟信号无需AD转换可以降低电路复杂程度。
综合考虑系统需求，我们采用方案二。
内部调节功能主要由NE5532运算放大器构成。
2.6功率放大驱动电路[3]
控制电路的输出信号一般都比较小，不足以带动负载工作，因此往往需经过多级放大才能满足要求。
通常其前置级是电压放大级，最后一级是功率放大级，把前置级送来的低频信号经功率放大，以获得足够大的功率输出，去推动负载工作。
为了达到增大驱动能力我们通常需要在电路输出端连接专用的驱动芯片。
现在常用的驱动芯片有很多如LM298，MC33886，IRF540，IRF9540等集成驱动电路。
为了产生足够大的吸引磁场，线圈中要产生10A以上电流。
为了达到以上要求，我们采用IRFP460A型号的功率放大元件，它的参数如下：
穿透电压为500V：
阻值为O．27Q；
最大耐流为20A；
最大热阻率为O．45C／W
驱动芯片在工作过程中发热，为了驱动芯片正常工作我们需要给每一块驱动芯片做好散热工作。
我们可以采用专用散热片或排风三进行散热。
2.7线圈的绕制
为了在相同功耗情况下产生较强的磁场强度，我们需要对线圈进行更科学的绕制。
首先我们在线圈中心加一个导电体能够在很大程度上增大线圈的磁场强度。
其次在绕制线圈过程中，我们对选用漆包线的粗细程度，绕制的形状都很有讲究。
经过不断的尝试和实验，我们选用直径0.5mm粗细的漆包线作为线圈材料。
同时将漆包线绕制在方形铁芯上，为了达到更好的效果，我们用绝缘胶带包裹住铁芯表面用。
将线圈绕成方形而不是传统的圆形。
这样可以更大程度地增加线圈和中心导轨上金属面的吻合程度，来增大磁场强度。
2.8MCU部分方案
采用传统的C8051f020单片机作为整个系统的控制核心，该单片机采用51内核，内部硬件资源丰富而且处理速度相对较快。
但是引脚过多增加了电路复杂程度。
同时本系统处理任务较少对单片机要求较低，过多的内部资源反而增大了程序开发难度，并且会增加系统成本。
采用AT89C51单片机。
此系列单片机有指令和引脚与8051单片机完全兼容，电源、I/O接口、时钟均有抗干扰措施，宽电压范围、宽温度范围，超低功耗等特性。
根据对比决定本设计采用方案二，采用AT89C51单片机作为本系统的控制核心。
2.9按键输入电路
采用矩阵式键盘。
在键盘个数比较多的情况下，矩阵式键盘可以较少IO口的占用数量。
同时多个键盘有助于系统的控制能够实现更多的功能。
但是矩阵式键盘会增大单片机的软件开发难度，占用较多的系统时间。
独立式键盘。
在功能相对简单，键盘个数相对较少的情况下（尤其在键盘个数小于等于四个的时候），独立式键盘比较有优势。
不但电路简单，而且软件开发难度也相对较简单，不会占用系统太多的资源。
考虑到以上优缺点，本系统需要按键输入的功能相对比较简单四个按键已可以满足要求。
所以本系统采用方案二独立式键盘。
2.10显示电路
方案一：
采用8段数码管作为显示电路。
采用数码管显示电路，软件编程相对简单，但是数码管占用单片机IO口较多，系统功耗比较大，同时显示信息相对较少，只能显示数字相关的信息。
采用LCD液晶作为显示电路。
虽然液晶读写时序相对复杂，但是液晶电路内置驱动电路无需外部驱动电路降低了外部电路的复杂程度。
液晶能够显示英文字母或中文，显示信息比较全面。
同时LCD液晶显示器具有低功耗的特点。
综合考虑系统要求我们采用LCD液晶显示器作为显示设备。
2.11方案确定
经过不断分析、验证已经查找资料，最终确定了用户模块的设计方案。
如下表。
表2-2各功能部分主要元器件
功能部分
主要器件
传感器部分
霍尔传感器
AT89C51S单片机
控制电路
5532模拟信号控制电路
驱动部分
显示部分
IRFP460LC大功率管
1602液晶显示模块
3单元电路设计
3.1霍尔传感器电路
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。
霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
霍尔效应传感器用于检测磁场。
这种传感器是一片矩形的P型半导体（称为霍尔原件），它通常是由锑化铟（1nsb）或砷化镓（GaAs）制成的。
霍尔效应传感器是个4端设备。
其中的两端连接到电源。
两边的接线端则是输出头。
当电源供给传感器持续电流时，若是没有磁场的影响，则正电荷载流子可以平稳地流过传感器。
在这种情况下，输出端的电压为0。
图3-1说明了将半导体放置到由电磁铁或是永磁铁产生的与半导体垂直的磁场中时，会出现什么样的情况。
此时，电荷载流子会由于洛伦兹力的影响而偏向一边。
结果是输出端产生一个EMF（称为霍尔电压）。
电荷载流子所偏向的那边相对于另一边来说变为正电荷。
如果电源或是磁场的方向相反，那么霍尔电压的极性就会改变。
图3-1霍尔器件工作原理图
霍尔原件产生的霍尔电压大小主要由以下三个方面的因素决定：
1．电源提供的电流大小。
2．半导体材料的物理尺寸。
电压是和原件厚度以及磁力线垂直穿过的横截面积成正比的。
3．霍尔原件所处磁场的场强。
由于电流是保持恒定的，而且物理尺寸也不会变化，因此，磁场强度决定了电压的大小。
当磁体接近时，磁力线密度增加，霍尔电压与之成比例地增加。
这种现象被称作霍尔效应，是由EdwardH．Hall于1897年发现的。
另一个影响场强的因素是磁力线通过霍尔原件的角度。
当磁力线垂直于传感器时，输出的电压最大。
输出和角度之间是余弦函数关系。
霍尔原件产生的输出电压还不足以驱动其所连接的负载。
这里有两种方法可以解决这个问题。
第一种方法，可以利用一些铁片或者其他的含铁材料，将其放置在霍尔片的两边。
这些铁片称作集中器，可以改变磁通量分布，让更多的磁力线通过传感器。
集中器越大，霍尔原件感应磁力线而产生的输出信号也更强。
另一种增加输出的方法是利用放大器。
用到的放大器有两种，一种产生线性的输出，另一种产生数字开关信号。
3.1.1霍尔效应传感器分类
霍尔效应设备可分为两类：
线性式和数字式。
一、线性霍尔效应传感器是由一个霍尔原件、一个线性放大器和一个射极输出的三极管组成。
这三个部分都被集成在一块集成芯片中，它输出模拟量。
线性霍尔效应传感器可以用来检测磁化设备的运动、位置或者是场强的变化。
它可用于以下场合：
计算转动着的齿轮齿数、测量电机线圈或电磁铁的场强，或是来检测物位、压强和厚度。
二、数字式霍尔效应传感器
数字式霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出的数字量与其他数字芯片兼容。
数字式霍尔传感器主要通过施密特触发器实现，当霍尔传感器信号大于一定值时输出1信号，小于一定值时输出0信号。
不管是数字式霍尔传感器还是线性霍尔传感器都需要有恒流源驱动才能正常工作。
具有良好电压调节功能的电源可以提供一个稳定的电流。
当磁力线穿过半导体材料时，就会产生一个与磁场强度成正比的模拟电压。
采用一个差分运算放大器来提升霍尔原件电压，使其超过毫伏级。
放大器的输出送入三极管的基极。
注意射极输出放大器是没有电压增益的。
利用它们来产生电流增益，以驱动一个输出指示装置。
3.1.2霍尔效应传感器的特点
霍尔效应传感器适用于环境比较恶劣的情况。
由于灰尘对这种传感器没有影响，因此它比电容式开关，光电传感器和机电限位开关更加有效。
由于洛伦兹力的作用要比振荡器动作来得快，因此这种传感器的开关频率比电感式和电容式探测器都要大。
霍尔效应传感器经常用于产生表示转轴速度、位移或位置的数字信号，其中霍尔电流传感器顾名思义就是利用霍尔原理制成的检测电流装置。
它突出的特点是
能测量各波形的电流，而且是电隔离的。
输出为电压信号或电流信号，精度普遍较高，虽说要辅助电源，但功耗很小、重量轻。
因此，使用极为方便可靠。
其中霍尔电流传感器顾名思义就是利用霍尔原理制成的检测电流装置。
它突出的特点是能测量各波形的电流，而且是电隔离的。
3.1.3磁悬浮系统霍尔传感器的选用
综合考虑本控制系统的要求，同时研究了众多传感器，决定在本设计中选用s1119线性传感器霍尔效应传感器，它是采用半导体材料砷化镓单晶，用离子注入工艺制作的磁电转换元件，将磁场强度信号转换成电压信号输出。
具体硬件电路图如图3-2所示。
图3-2
图中NE5532芯片和外围电阻构成产生驱动霍尔传感器的恒流源电压。
霍尔传感器另外两个端口连接控制电路的输入端口，后续电路采用差分输入信号。
3.2模拟控制电路
3.2.1控制电路的组成[1][2]
控制电路按照处理电信号的连续性可分为模拟电路和数字电路。
一般地，模拟电路所用元件多数都是通用件，如电阻、电容、运算放大器以及晶体管等。
尤其对于中小型电路具有价格低廉、可靠性高等优点。
数字电路所用元件如模数／数模转换器、单片机或微机、以及其它逻辑器件，数字电路要求有很高的运算速度。
对本系统由于结构比较简单、要求不是太高，二者都能够达到系统稳定的目的。
按照一般电路设计先模拟后数字的原则，选用模拟电路作为基础实验电路。
磁悬浮控制系统之所以能够稳定的工
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