下推式磁悬浮装置设计

前言

一直以来，心中有一个想法，就是利用自身所学做一些好玩的，神
奇的东西，偶然的一个机会看到网上有人发磁悬浮装置的设计方法，就突然有了要自己亲自做一个的念头。想起来，当年在大二的时候，一个好朋友找我商量要做一个磁悬浮的装置，还记得当年参考的网上的设计资料是一个利用模拟电路设计的，由于当年在学校的时候对于软硬件设计理解之浅，无法真正的理解这其中的原理，经历了几次失败后放弃。
设计思路
要想浮子能够悬浮，首先需要通过磁铁建立一个稳定的强磁场，用来拖住浮子（要悬浮的磁铁），这个是磁悬浮的一个主要的力的来源，当然单靠这个力，浮子是无法平衡的，需要一个微调的力，这就需要用电磁铁制造一个可变的磁场。磁场该怎么变化才能使浮子浮起来呢，这就需要用到霍尔传感器了，霍尔传感器通过检测通过该元器件的磁场强度，判断浮子的位置，运用算法调节PWM占空比，调节浮子的受力方向，从而使浮子达到平衡状态，动态调节过程图如下：

硬件设计

硬件设计分为两部分，两部分通过排针上下组合。上部分用来放电磁铁、永磁铁及霍尔传感器。下部分用来放控制、显示、操作按键等。原理图如下

软件设计

软件设计上最重要的就是运用了位置式PID算法，PID调节函数如下：

int posPIDcalc(PIDtypedef *PIDx, u16 PV)
{
float Ek=0,Er=0,Ea=0;
static Ei = 0;
Ea=PIDx->SV;
Ek = PV - Ea; //当前误差
Ei += Ek;
Er = (PIDx->Kp)*Ek + (PIDx->Ki)*Ei + (PIDx->Kd)*(Ek - PIDx->Ek1);PIDx->Ek1=Ek;//把当前的误差值存到上次
return(Er);
}

实物展示

上推式磁悬浮装置效果图

总结

磁悬浮能够悬浮的好的关键点：
1.找合适的平衡点
因为实际调节过程中电磁铁只是起到微调的作用，所以要把平衡点设定到电磁铁能调节的高度以内，这个平衡点由钕磁铁决定，如果钕磁铁的磁性很强，或者时磁铁设置的过高，则平衡点远超过电磁铁的调节范围，这时候肯定无法平衡浮子，即使能调节，也不稳定，电流很大，就目前这套装置，正常工作电流100mA左右，几乎不怎么发热。
2.PID参数
PID的调节涉及到两个轴，两个轴要分别调节平衡，平衡的标志就是用手限制浮子一个轴的运动，浮子在另一个轴可以平衡。
PID调节过程：
由于使用位置式PID，和增量式PID有很大不同，位置式PID调节过程：
首先将积分Ki、微分Kd置0，逐渐增大Kp，知道浮子出现震动；
开始增加Kd，微分环节是用来抑制震荡的，在调节微分环节的同时，可以适当的降低Kp，直至浮子稳定悬浮；
对于这套装置来说，积分环节不用也可以实现平衡。