磁悬浮演示装置设计毕业设计报告.docx
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磁悬浮演示装置设计毕业设计报告
毕业设计
题目：
磁悬浮演示装置设计
院：
电气信息学院
专业：
电子信息工程班级：
1101学号：
25
学生姓名：
余东升
导师姓名：
李延平
完成日期：
2015年6月10日
诚信声明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名：
日期：
年月日
毕业设计（论文）任务书
题目：
磁悬浮演示装置设计
姓名余东升学院电气信息学院专业电子信息工程班级1101学号201101030125
指导老师李延平职称讲师教研室主任刘望军
一、基本任务及要求：
课题内容是以TI公司的TivaC平台为基础实现一个磁悬浮实验演示装置，具体要求如下：
1、搭建实验装置的实物平台；
2、实现对磁铁的悬浮控制；
3、磁平衡的控制参数可调；
4、完成实物制作
二、进度安排及完成时间：
1、第一周至第二周：
查阅资料、撰写文献综述和开题报告；
2、第三周至第四周：
毕业实习；
3、第五周至第六周：
各参数测试算法研究；
4、第七周至第八周：
完成硬件的设计及模型组装；
5、第九周至第十一周：
完成系统硬件电路的设计及调试；
6、第十二周至第十三周：
完成单片机程序的编写及调试；
7、第十四周至第十五周：
撰写设计说明书；
8、第十六周：
毕业设计答辩
附录程序22
磁悬浮演示装置设计
摘要:
磁悬浮系统是一种非线性，复杂、自然不稳定系统，其空控制性能的好坏直接影响磁悬浮的应用。
其研究包括控制原理，磁场理论、电子相关技术。
磁悬浮系统对实时性的要求很高，要使用先进算法控制算法使磁悬浮稳定。
本文首先介绍了磁悬浮系统的工作原理，在此基础上搭建物理模型，利用霍尔元件搜集磁悬浮的数据利用ARM处理器处理数据和控制悬浮体的位置。
根据系统传递函数和接受到的数据，并据此函数进行PID控制的设计和调节，最终是悬浮体稳定。
关键词：
悬浮体，PID算法，霍尔效应，ARM处理器
Maglevdemonstrationdevicedesign
Abstract:
Magneticlevitationsystemisacomplexnonlinearnatureunstablesystemaircontrolperformancedirectlyaffectstheapplicationofmagneticlevitation.Theresearchincludescontroltheory,fieldtheory,electronicrelatedtechnologies.magneticlevitationsystemforreal-timedemanding,touseadvancedalgorithmscontrolalgorithmsenablestablelevitation.
Thispaperintroducestheprincipleofmagneticlevitationsystem,builtonthebasisofaphysicalmodelusingtheHallsensormagneticlevitationcollectdatauseARMprocessortoprocessdataandcontrolthepositionofthesuspension.Thesystemtransferfunctionandthereceiveddata,andaccordinglydesignfunctionandregulationPIDcontrol,andultimatelysuspensionstability.
Keywords：
suspension；PIDcontrol；Hallsensor；ARMprocessor
第1章概述
1.1磁悬浮的研究背景
磁悬浮技术是将力学、机械学、电磁学、自动控制技术、传感器技术等高新技术有机就额和在一起，成为典型的机电一体化的技术。
磁悬浮技术是利用磁场将意味体沿着某一基准的轴或者几轴保持固定，并且与周围支撑没有任何接触的技术，克服了由摩擦带来的能量损耗和速度上的限制，具有能耗低、寿命长、安全可靠等优点。
目前，各国已在广泛的对磁悬浮进行研究，随着控制理论的不断的发展和完善，选用先进的控制方法对系统畸形的控制和设计，是系统具有更好的鲁棒性。
在我国，磁悬浮技术技术研究起步较晚，水平相对落后。
随着电子技术的发展，特别是计算机技术的的迅速发展，促进了磁悬浮控制系统智能化的方向快速发展。
磁悬浮技术开始由宇宙、军事等领域向一般工业方面发展。
在很多领域有广泛应用，如：
磁悬浮列车、磁悬浮承轴等。
磁悬浮块是一种单一方向控制的悬浮系统，只需要控制准确一个方向就可以完成块的准确悬浮。
磁悬浮块实验数据分析容易,组成简单，在研究磁悬浮系统，对于多种控制算法方面的验证和实施具有重要的作用。
1.2磁悬浮研究的现状
在多年研究工作下和转子动力学和控制理论的研究和随着电子元件的高度集成化，国内外在此技术上获得了巨大的进展。
然而在还是在实现产品化和研究理论的过程中，此磁悬浮技术有还是遗留很多难题，众所周知的磁悬浮列车悬浮与推进的技术难题以及复杂的控制系统实现都不是很成熟，需要完成的研究是实现工程化和组成系统的技术提升，还需要运用电磁技术、电子技术、直线电机、机械技术、计算机技术、新型材料和系统分析等方面的技术研究成果。
磁悬浮在另一个运用范畴是电力工程，在磁悬浮轴承的基本原理上研究，制作出大功率的磁悬浮轴承能够很大程度减少调峰时机组启停次数。
进行磁悬浮轴承系统的振动控制理论的研究，将其应用于汽轮机转子的振动和故障分析中，通过调整磁悬浮轴承的刚度来改变汽轮机转子结构设计的思想，从而改善转子运行的动态特性，提高机组运行的可靠性，避去可能出现的共振情况等，提供全新的电力技术难题解决方案。
现已广泛应用于工业基本都是传统的磁轴承（需要位置传感器磁轴承），轴承需要5个或10个接触式位置传感器来检测转子的排量。
由于传感器的，使轴向磁轴承系统大小的增加，从而降低了系统的动态性能，以及成本高和可靠性低。
由于结构上的限制，传感器不能被安装在磁性轴承的中间，方程式彼此耦合的系统中，控制器的设计更加复杂。
此外，由于传感器的价格较高，导致在一个非常高的价格的磁悬浮轴承，这大大限制了其在工业中的应用。
如何降低磁悬浮轴承的价格，它是国际上研究的热点话题。
近年来，结合最新的研究成果和无传感器检测磁轴承两个研究领域，一个新的研究方向的诞生——无传感器磁轴承。
即，没有必要根据获得的电磁线圈的电流和电压信号设计转子的特殊位移传感器，位移。
在显著的改进和增强在以下方面获得这样的磁性轴承：
转子的轴向尺寸的减小，系统的动态性能提高;进一步提高磁悬浮轴承的可靠性;改进磁轴承控制器的设计；价格将会显著降低。
1.3课题要求
1、搭建实验装置的实物平台；
2、实现对磁铁的悬浮控制；
3、磁平衡的控制参数可调；
4、完成实物制作。
第2章系统方案
2.1系统总体方案设计
本系统包括：
永磁、控制线圈、霍尔元件、放大模块等。
可以实现浮子在没有支撑的情况下悬浮在空中
系统框图如图2.1所示：
图2.1系统框图
具体施行方案如下：
使用一块永磁提供悬浮物所需要的上推的力，通过两个互相垂直的霍尔元件检测悬浮物由于不稳定所造成的位置偏移。
使用LM358求差电路将获得的偏移电压放大从而获得霍尔元件得到的悬浮物的较小偏移量，并将电压控制在0-3.3处为ADC所能检测到的电压。
处理器获得放大后的电压后使用PID算法进行计算输出适当的PWM波到L298N电机驱动上使控制线圈获得x，y，轴上对悬浮物的拉力使其稳定在所需要的位置。
整个系统是个闭环的系统。
2.2霍尔传感器
霍尔传感器是对霍尔效应的应用。
霍尔效应是电磁现象的一种，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。
在之后的研究表明导电流体和半导体等也有这种现象，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传感器，应用广泛于工业自动化、电子检测及信息处理等技术方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的一种可行方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够分辨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。
霍尔元件硬件图：
图2.2霍尔元件
霍尔元件获取的数据是根据随磁场的强度变化而变化，磁场增大，电压增大，磁场减小，电压电压，霍尔效应得到的值很小，需要经集成运算放大器处理，就能得到足以输出较强的信号。
若使霍尔集成电路起传感作用，需要方法来改变磁场强度。
霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外部电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。
2.3信号处理方案
LM358是双运算放大器。
内部包括有高增益、独立的、内部频率补偿的双运算放大器，电源电压范围很宽的单电源电源可使用，也可适用于双电源工作模式，在正常工作条件下，电源电流与电源电压无相关。
它的范畴包括直流增益模块、传感放大器和其他可用单电源供电的运算放大器的情况。
LM358引脚图：
图2.3LM358引脚图
2）求差电路
求差电路是用来实现vi1、vi2两个电压相减的电路，又称差分放大电路。
在电路上来分析，可以看出该电路同向输入和反向输入一同工作的放大电路。
此项设计需要对接收到霍尔元件的偏移电压进行放大并且调节范围在0-3.3V，以便ARM处理器ADC检测和处理。
求差电路电路图：
图2.4求差电路电路图
求差电路公式：
V0=（1+R4/R1）（（R3/R2）/（1+R3/R2））Vi2-（R4/R1）Vi1（2.1）
2.4线圈驱动器选型
意法半导体生产的L298N是提供高电流和高电压一款驱动。
其主要特点是：
高电压，46V的最大工作电压;输出最大电流3A，2A的一般工作电流;功率为25W。
H桥高电压和高电流全桥驱动器可以用来驱动直流电动机等电感性负载线圈;使用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制终端，不管输入信号的影响许可证的情况下或禁用设备具有逻辑电源输入，在低电压下工作的内部的逻辑电路的一部分;可以是一个外部检测电阻变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动两相步进电机或四相步进电机，可以驱动两个直流电动机。
图2.5为L298N芯片
图2.5电机驱动
L298N可以控制电机的转速和正反转正好符合控制电磁铁所需要的电流方向和大小。
通过处理器对偏移电压数据的处理，PWM输出到L298N就可以实现悬浮物的控制。
2.5主控芯片选择
ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的一款RISC微处理器。
更早称作AcornRISCMachine。
ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。
一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。
ARM处理器的三大特点是：
耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多，ARM微处理器可以为我们提供许多高性价的应用场合，可灵活的应用于各种领域。
如下图为LaunchPad。
图2.6TIVAC实物图
TIVAC系列TM4C123G的LaunchPad评估板（EK-TM4C123GXL）是一种低成本评估平台基于ARM®Cortex™-M4F微控制器。
该TIVAC系列LaunchPad的设计突出了TM4C123GH6PMI微控制器的USB2.0设备接口，休眠模块和运动控制脉宽调制器（MCPWM）模块。
该TIVAC系列的LaunchPad还采用可编程用户按钮和三原色LED自定义应用程序。
TIVAC系列TM4C123G的LaunchPadBoosterPackXL界面证明它是多么容易扩大。
在TIVAC系列的LaunchPad功能接口与其他外设上许多现有的时候BoosterPack插件板以及未来的产品。
第3章系统硬件设计
3.1主控模块设计
ARM最小系统主要由晶振电路，复位电路，下载接口等构成。
其中晶振电路是处理器的心脏，有着固定的频率。
这里用到的晶振为16M，它能位处理器提供稳定的时序。
TivaC系列评估板使用的是内部集成的调试接口，这个调试接口能用于TM4C123GHP6M芯片的调试和程序下载，程序下载可用LMFlashProgrammer和任何支持的工具链。
最小系统原理图如图3.1所示。
图3.1主控芯片电路图
3.2电源设计
电源选用固纬电源18v输出，18v对L298N提供输入电压以供其输出，使控制线圈能工作。
利用7805稳压芯片将其转换为5v提供供霍尔元件和处理器的工作电压。
电压的稳定性决定悬浮物的稳定性。
图3.2电源电路
3.3传感器电路设计
图3.3传感器电路
电路采用求差电路将霍尔元件接收到的电压进行放大，这里经过测量须放大30倍左右，如图根据公式（2.1）可得出上图将霍尔元件的电压放大了21倍。
3.4控制线圈驱动模块设计
控制线圈模块采用了可调节，可反向的L298N电机驱动每组，两个线圈同名端相连（即反向串接）。
霍尔置于4个线圈中间的空隙，高度约在线圈中部，需注意霍尔作用面应位于线圈中轴线上，不应采用图中虚线标示的安装方式，否则会造成定位误差。
磁环置于电路板下面，需要注意的是磁环的放置会影响霍尔输出，因此运放输出中点调节最好配合磁环定位同时调节。
线圈供电模块电路图：
图3.4线圈供电模块电路图
3.5霍尔元件与控制线圈的安装
图中垂直部分为互相垂直的霍尔元件用于接收悬浮物的位置变化。
霍尔元件必须位于线圈圆心的链接线上，四个圆圈表示控制线圈，长方形表示垂直的霍尔元件。
由于控制线圈互相垂直，霍尔元件也是垂直可以保证控制线圈的磁场在中间互相抵消，不会影响霍尔元件的数值，能正确的接受到磁悬浮物发生偏移时磁场的变化。
控制线圈摆于永磁上方正中心磁力线垂直向上霍尔元件检测不到，也保证了对霍尔元件的数值没有影响。
图3.5霍尔元件安装图
安装使用万用板上的白线为衡量，先把霍尔元件安装上，根据垂直白线摆正霍尔元件然后焊接上，霍尔元件的方向可以最好把地或者电源接在一起便于焊接。
然后四个线圈安装上，中间留有一定大的空隙，不能太大，也不能太小，由于线圈磁力方向要相反，所以线圈两端要等待测试磁力方向后再做连接，做好必要的标识，完成如下图所示。
图3.6线圈霍尔元件安装实物图
第4章软件设计
4.1编程语言的选择
对于ARM单片机有几种语言。
常用的编程语言有汇编语言和C语言两种，每种语言都有各自的优缺点。
汇编语言是用文字助记符来作为机器指令的底层符号语言，是最接近机器代码的一种变成语言。
汇编语言可以直接有效地控制计算机各种操作，产生的执行文件运行速度和执行效率都比高级语言好，程序体积比高级语言小巧。
C语言是一种高级程序设计语言，包含了很多高级语言的优点。
其本身不依赖于机器硬件设备，可将程序在不同处理器间执行，有时需要修改移植。
同时C语言标准库提供了多种常用数学函数，也支持浮点运算，开发效率较高，开发时间短，程序可读性高，可维护性强。
使用C语言来编写目标程序，开发周期缩短，程序可读性增强，易于改进和扩充，为规模更大和性能更完备的系统提供基础。
因此，用C语言进行单片机程序设计单片机有一定的优势，也是以后市场的趋势。
对于使用汇编语言只要能够读懂程序，只要在时间需要较精确的方面中进行程序的优化。
对于使用的汇编语言程序，只要理解它们，只要以优化程序所需要的时间更精确的方面。
不要对C语言结构的单片机和硬件接口有更深的了解，编译器可以自动完成分配变量存储单元，程序员可以专注于应用软件的设计和加快软件开发的速度。
用C语言可以很容易地编程的微控制器移植。
根据产品的特点C语言的模块化结构，它可以使程序模块共享，不断丰富。
根据C语言特性的可读性，从而便于对前辈的发展经验，以提高软件的设计水平。
用C语言，微控制器芯片的制备通用驱动程序的功能，可以用于相应的功能的功能模块，算法的制备通用接口。
这些功能都可以通过整理专家库，为广大的单片机爱好者完美的形成，这将大大增加国内供应链管理软件的设计水平。
4.2主程序设计
系统中为了使得各硬件之间能够正确运行，有效地完成检测、传输等基本功能，除了要有合理的硬件设计外，高质量的软件支持也是必不可少的。
处理器的执行效率，工作稳定性与其软件的设计密切相关，软件设计的好与坏直接影响系统的整体运行效果。
本设计的程序由两大部分组成，一是检测部分程序，二是PID计算部分。
检测部分的程序主要功能是霍尔元件接收到的悬浮体的位置偏移。
当悬浮物发生偏移ADC电压会发生变化。
第二部分是PID算法部分。
本设计中，各种功能都是通过调用子程序来实现。
各个中断服务程序都非常短小，功能不同是通过一些标志位供主程序进行判断，跳转。
这样的设计是因为在使用中断的程序中，中断服务程序如果过长，执行时间太久，会影响到其他中断服务的运行，造成系统反应迟钝等不良现象，所以我们在设计程序时尽量避免CPU长时间停留在中断服务程序的运算中。
使用中断也可以有效的提高系统的工作效率。
图4.1总程序框图
4.3模块程序设计
1）ADC模块
主函数初始化ADC模块进入while循环，由于磁悬浮在空中，数据变化快，所以经过快速的定时器中断，得到大量数据后经过滤波后，能得到准确的实时便宜位置，便于后期的控制。
图4.2ADC程序框图
用于接收经过运放电路放大的偏移电压。
2）PWM模块
装置使用了四个线圈，由于要使用到L298N的电流正反控制，所以用到了4路PWM波能很好的控制线圈的正反电流和大小控制。
程序框图如下所示。
图4.3PWM程序框图
根据x位置和y位置的判断所需要的电流方向，使用定时器中断能是调节时间和ADC采样同步以免出现不必要的误差。
3）PID算法
它由于使用灵活和用途广泛等优点，已有系列化产品，只有三个需要设定的参数（Kp，Ki和Kd）即可。
在很多情况下，三个参数不一定都要涉及，只需要其中的一到两个参数即可，其中比例控制参数是必要的。
在调节的最后我们发现，只用到了比例参数和微分参数。
闭环控制是指控制对象输出（控制量）会影响输入控制器改为返回以形成一个或多个闭合回路。
闭环控制系统具有正反馈和负反馈，若负反馈信号和系统是指给定值相反的信号，如果相同的极性，则称为正反馈，闭环控制系统通常负反馈。
有实际上的闭环控制的例子很多。
举例来说，一个人是有一个负反馈回路控制系统，眼睛是传感器作为反馈，不断修正身体各个系统终于可以做出正确的举动。
如果没有眼睛，没有反馈环，它将成为一个开环控制系统。
在过程控制中，根据偏差的比例（Kp），积分（Ki），和微分（Kd）控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最广泛的一种自动控制器。
它是原理浅显，简单，用途广泛，参数独立的参数选择和比较简单的控制方式。
PID系统框图
图4.4PID框图
其传递函数为
公式
u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt] （4.1）
根据上述的公式用C语言实现函数如下。
intPIDCalc（PID*pid,interror）
{
if（pid->Ki!
=0）
{
pid->integrationError+=error;
//Limitthemaximumintegrationerror
if（pid->integrationError>MAX_INTEGRATION_ERROR）
{pid->integrationError=MAX_INTEGRATION_ERROR;}
elseif（pid->integrationError<-MAX_INTEGRATION_ERROR）
{pid->integrationError=-MAX_INTEGRATION_ERROR;}
}
output=pid->Kp*error+pid->Ki*pid->integrationError+pid->Kd*（error-pid->prevError）;
//Limitthemaximumoutput
if（output>MAX_PID_OUTPUT）
{output=MAX_PID_OUTPUT;}
elseif（output<-MAX_PID_OUTPUT）
{output=-MAX_PID_OUTPUT;}
pid->prevError=error;
returnoutput;
}
根据C语言实现PID算法得出的output值用于PWM控制L298N输出。
第5章调试与运行
5.1编程工具CCS的介绍
CCS包含一整套用于开发和调试嵌入式应用软件的工具。
它包含适用德州仪器（TI）器件系列的编译器，源代码编辑器，项目构建环境，调试器，分析器，在模拟器和许多其他功能的信息。
在CCSIDE提供了一个单一的用户界面，以帮助您完成应用开发流程的每个步骤。
由于采用了先进的生产工具，使用快速熟悉的工具和用户界面开始，您可以将功能添加到应用程序。
CCS基于著名源码软件框架Eclipse。
Eclipse软件框架可用于多种不同的领域，但是它最初被开发为开放框架以用于创建开发工具。
我们之所以选择让CCS基于Eclipse，是因为它为构建软件开发环境提供了出色的软件框架，并且正成为众多嵌入式软件供应商采用的标准框架。
CCS将Eclipse软件框架的优点和德州仪器（TI）先进的嵌入式调试功能相结合，为嵌入式开发人员提供了一个引人注目、功能丰富的开发环境。
CCS基于Eclipse的著名开源软件框架。
Eclipse软件框架可以在许多不同的领域中使用，它最初是作为一个开放的框架，用于创建开发工具。
之所以选择Eclipse软件开发环境，因为它建立并提供优秀的软件框架，由众多嵌入式软件厂商的标准框架组成。
Eclipse作为CCS的优势和德州仪器（TI）的软件架构，调试功能是有吸引力的，先进的内置功能，提供了嵌入式开发人员提供了功能丰富的开发环境。
CCS的集成调试器具有特定于DSP的功能和高级断点，可简化开发。
条件或硬件断点基于完整的C表达式、本地变量或寄存器。
高级存储器窗口使您能够检查各个级别的存储器，以便能够调试复杂的高速缓存一致性问题。
CCS支持具有多个处理器或内核的复杂系统的开发。
全局断点和同步操作可以控制多个处理器和内核。
TI最大限度地利用和专门开发的ARMC/C++编译器的性能。
TI编译器使用各种经典，面向ARM，成熟的特定设备的优化和架构的DSP进行了调整。
一些优化包括：
通用子表达式消除，软件流水，强度降低，自动增量寻址基于成本的寄存器分配，指令推断，硬件循环，内联函数，矢量。
TI编译器还有应用级优化执
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