磁悬浮系统下位机硬件设计

KEY WORDS: magnetic suspension system, PID controller, Arduino development board, Holzer sensor
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河南科技大学毕业（设计）论文
目 录
第一章 前 言 ...................................................................... 1
第三章 磁悬浮系统数学模型 ............................................ 14
§3.1 系统结构 ........................................ 14 §3.2 控制系统原理 .................................... 15
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致 谢 .................................................................................. 26 附 录 .................................................................................. 27
第二章 磁悬浮系统的结构 ................................................. 6
§2.1 系统组成原理 ..................................... 6 §2.2 磁悬浮实验本体 ................................... 7 §2.3 磁悬浮实验电控箱 ................................. 8 §2.3.1 电源电路模块 ................................. 9 §2.3.2 输出电路模块 ................................ 10 §2.4 磁悬浮实验平台 .................................. 10 §2.5 传感器和线圈 .................................... 12
§1.1 磁悬浮技术综述 ................................... 1 §1.1.1 磁悬浮方式分类 ............................... 1 §1.1.2 控制方式分类 ................................. 2 §1.2 磁悬浮技术的应用及展望 ........................... 2 §1.2.1 磁悬浮列车 ................................... 2 §1.2.2 磁悬浮轴承 ................................... 3
1g/cm 2 ，所以被称为永久磁体斥力悬浮方式。当然，根据所用的 磁材料的不同，其产生的斥力相应变化。但是，由于横向位移的不稳定因素， 需要从力学角度来安排磁铁的位置。近年来出现了一些该方式的产品，例如 日本 1994 年 4 月公布的专利中，就有关于该方式配置方案的内容。随着稀土 材料的普及，该方式将会被更多的应用到各个领域。 (3) 感应斥力方式：此种控制方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间 的斥力，简称感应斥力方式。为了得到斥力，励磁线圈和短路线圈之间必须 有相对的运动。这种方式主要应用于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。但是， 在低速时由于得不到足够的悬浮力， 在低速或停止时需要有车轮来支撑车身。 从原理上而言，该方式很少被应用于低速传动机构。
第四章 磁悬浮系统工作原理 ............................................ 17
§4.1 传感器模块 ...................................... 17 §4.2 控制模块 ........................................ 18 §4.3 功率放大模块 .................................... 20 §4.4 电源供电模块 .................................... 20
§1.1.1 磁悬浮方式分类
一般而言，磁悬浮可分为以下 3 种主要的应用方式： (1) 电磁吸引控制悬浮方式：此种控制方式利用了导磁材料与电磁铁之间 的吸力，几乎绝大部分磁悬浮技术采用该技术。虽然原理上这种吸引力是一 种不稳定的力，但通过控制电磁铁电流的大小，可以将悬浮气隙保持在一定 数值上。随着现代控制理论的发展和驱动元器件高性能、低价格化，该方式 得到了广泛应用。在此基础上也有研究人员提出了把需要大电流励磁的电磁 铁部分替换成可控型永久磁铁的方案，并深入的进行了研究和开发工作。该 方案可以大幅度的降低励磁损耗，甚至在额定悬浮高度时不需要能量，是一 种非常值得注目的新技术。 (2) 永久磁铁斥力悬浮方式：此控制方式利用永久磁体间的斥力，一般产
§1.1.2 控制方式分类
目前，磁悬浮控制应用技术分为数字控制方式和模拟控制方式。随着近 年来现代控制理论的日趋成熟，同时随着计算机计算速度的飞跃提高，数字 式控制方式得到越来越多的应用。与数字式控制相比，由于模拟式的控制部 分为硬件构成，容易被技术人员理解、掌握和调试，并且相对价格比较低。 容易实现产品化、系列化，从而在产业界得到了广泛的应用。目前的磁悬浮 轴承产品大多数为模拟式控制。但是，模拟运算电路一旦制板，则无法再做 根本性修正，缺乏软件的灵活性，同时也无法发挥多种现代控制理论的强大 威力。
结 论 .................................................................................. 22 总 结 .................................................................................. 23 参考文献 ............................................................................ 25
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磁悬浮系统下位机硬件设计 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 Arduino 开发板为平台，以 PID 控制为原理，设计出 PID 控制器对磁 悬浮系统进行控制。 Arduino 是一款便捷的开源电子原型平台，包含硬件和软件。能通过各 种传感器来感知环境， 控制灯光、 马达等。 板子上的微控制器可以通过 Arduino 的编程语言来编写程序。 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，以其结构简单、易实现、鲁棒性强等优点，处于主导地位。 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，在 Arduino 开发板的平台上，设计了 PID 控制 器，确定控制方案。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。
关键字：磁悬浮系统， PID 控制器，Arduino 开发板，霍尔传感器；
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LOWER COMPUTER HARDWARE DESIGH OF THE MAGNETIC SUSPENSION SYSTEM ABSTRACT
Magnetic 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, Arduino development board as platform, PID controller designed to control magnetic suspension system. Arduino is a convenient electronic prototype of the open source platform, including hardware and software. Through various of sensors, it can perceive the environment, to control lighting, motor, etc. The micro controller on thr board can be programmed through the Arduino programming language to edit the program. Since PID controllers have been the process of industrial production has been most widely and most sophisticated controller by its simple structure, easy to implement, robust, etc., in a dominant position. 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 on the platform of Arduino development board and get control scheme. The key research works for further study are proposed at last.