磁悬浮演示装置设计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Tiva C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：毕业设计答辩目录摘要 (I)Abstract (II)第1章概述 (1)1.1磁悬浮的研究背景 (1)1.2磁悬浮研究的现状 (1)第2章系统方案 (3)2.1 系统总体方案设计 (3)2.2 霍尔传感器 (3)2.3 信号处理方案 (4)2.4 线圈驱动器选型 (5)2.5 主控芯片选择 (5)第3章系统硬件设计 (7)3.1 主控模块设计 (7)3.2电源设计 (8)3.3 传感器电路设计 (8)3.4 控制线圈驱动模块设计 (8)3.5霍尔元件与控制线圈的安装 (9)第4章软件设计 (10)4.1 编程语言的选择 (10)4.2 主程序设计 (10)4.3 模块程序设计 (11)第5章调试与运行 (15)5.1 编程工具CCS的介绍 (15)5.2程序调试与下载 (16)5.3 PID调试与结果 (17)第6章结论与展望 (19)参考文献 (20)致谢 (21)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Maglev demonstration device designAbstract:Magnetic levitation system is a complex nonlinear nature unstable system air control performance directly affects the application of magnetic levitation. The research includes control theory, field theory, electronic related technologies. magnetic levitation system for real-time demanding, to use advanced algorithms control algorithms enable stable levitation.This paper introduces the principle of magnetic levitation system, built on the basis of a physical model using the Hall sensor magnetic levitation collect data use ARM processor to process data and control the position of the suspension. The system transfer function and the received data, and accordingly design function and regulation PID control, and ultimately suspension stability.Key words：suspension；PID control；Hall sensor；ARM processor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2.3 LM358引脚图2）求差电路求差电路是用来实现v i1、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。