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作者：稚晖

上一次做磁悬浮还是大二的时候，参加全国电子设计竞赛，做控制组的题目，就是下推式的磁悬浮装置，结果做的还不错拿了特等奖。

最近很多网友在询问毕业设计做什么？刚好这个项目很适合参考。

下推式的磁悬浮的运动原理：

霍尔传感器在浮子的正下方，当检测到浮子向左运动时，两边的线圈一个吸一个拉，把它推向右；反之如果浮子想右运动，那么两个线圈的电流都反向，总共两组共四个这样的线圈，就可以把浮子限制在二维平面之内了。

但是，线圈产生的力是比较小的，因此只能够推动浮子在水平面移动，要克服浮子的重力让它悬浮起来，就要在四个线圈下面再加一个大的环形磁铁提供斥力。

与常见的磁悬浮装置的差异：

如上图（来自TB），可能有人在淘宝上见过类似的磁悬浮玩具，原理图大同小异，比如这个蓝色的里面其实就是一个大的磁铁提供斥力，但是浮子放上去是不稳定的，所以这种玩具需要借助陀螺高速旋转产生的陀螺仪效应维持平衡。

而我设计的装置是不需要浮子旋转的，放上去就能悬浮，对浮子的限制是靠线圈调节的。

接下来，分享设计中的几个要点：

提前需要准备哪些材料？最重要的几样：

• Arduino主控板

• 线圈

• 大磁铁

• 霍尔传感器

这几个材料中，重点介绍一下霍尔传感器及线圈：

霍尔传感器，是一种测量磁场强度的元件，可以把通过它垂直面的磁力线强度转化为不同的电压值，这样用单片机ADC读取之后就可以得到浮子的位置信息了。霍尔传感器的安装位置很有讲究，前面说了它是测量通过其垂直面的磁力线，也就是浮子发出的磁力线，而我们电磁线圈在调节的同时磁力线也在变，如果这个变化被霍尔感应到了结果就很不可靠了，所以霍尔的安装位置应该是位于四个线圈的中间高度，这里的磁力线刚好是与霍尔平行，不产生影响。用前后左右共四个线圈，两个霍尔传感器配合，就可以把浮子稳定的悬浮住。

霍尔元件一般需要放大电路放大，但是考虑到对一些初学者比较复杂，大家可以考虑直接到网上买那种线性霍尔元件模块，内置放大的直接接到arduino上就能用，注意一定要线性的！还有一种是开关式的只能输出0和1两个值，我们需要的是输出模拟电压的模块。

线圈，这个东西买不到，得自己绕制，去网上买一大卷漆包线就可以了，用支架自己绕上2,3百圈基本就够用。这是我绕的样子：

线圈要产生足够的磁力需要更大一点的电压电流，只用Arduino的5v电压是肯定不够的，我使用的是电脑显示器的电源适配器，最大有12V4A，大家可以自己去网上找找相关的电源适配器，应该不难买的。

如何增加装置稳定性？PID算法或不可缺

为了让悬浮更加稳定，采用了PID控制的平衡算法，对PID算法的了解有助于我们对整个实验原理的理解。

在工程实际中，PID控制是应用最为广泛的调节器控制机制。PID控制中的P代表比例，即proportion；I代表积分，即integral；D代表微分，即differential；因此，PID控制即比例-积分-微分控制。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或者得不到精确的数学模型时，其他的控制方法难以采用，那么控制器的结构和参数必须结合经验和现场调试来决定，在这种情况下采用PID调节最为方便——

首先，比例控制是一种最简单的控制方式，就像胡克公式中的比例系数一样，当控制器的输出与输入信号成比例关系，那么就可以得到一个比例系数。

其次，积分控制是指控制器的输出与输入的误差信号的积分有关。就如同电路中的电感元件，某个时刻的电压与电流的积分有关。类似的，有时候信号的输出必须综合之前信号的输入，而这种综合往往是求和关系，因此使用积分控制简单易行。

最后，微分控制是指控制器的输出与输入信号的微分有关。最简单的微分关系就是速度是位矢的微分。

我们在控制悬浮物的平衡时，光知道悬浮物偏离平衡位置的位移从而采用比例控制是不够的，对于同样的偏离位移，悬浮物可能有不同的速度，那么要求我们对悬浮物有不同的处理方法，而恰恰速度是位矢的微分。

于是我们可以通过对位移输入数据进行微分操作，来实现对悬浮物的精确实时控制。可见，PID控制器是一种那个动态的控制机制。

以上就是实现下推式磁悬浮的基本原理，借助这些基本原理，结合一定的软件算法实现，我们就可以对悬浮物进行动态控制。

看不懂的可以不管那些废话...总之就是我们把霍尔元件度数也就是浮子的位置作为输入变量输入PID函数，设定一个目标值也就是浮子在中间位置时的读数值，然后把输出赋值给PWM驱动线圈，剩下的就是调整PID参数让它自己控制浮子去啦。

电路难不难？其实电路并不复杂，给一个简化的版本：

这是电源和线圈连接的方式，网上也有很多例程，霍尔用analogRead（）读取，PID有arduino的相关库。

当时我是采用Arduino来做的这个项目，用过Arduino的都知道，它是没有定时器中断的，所以在控制项目中，哪怕是很简单的PID算法，都是无法做到精确地固定周期运行。

当然Arduino也有它的好处，就是利用各种方便的库函数进行快速的原型验证。整个装置其实并不复杂，不过是需要控制几个ADC读取霍尔传感器，输出几个PWM控制线圈，中间加点控制算法而已。

经典如PID，对于这种低阶系统其实完全够用了，所以当时经过参数的优化之后，整体的运行效果也还可以接受。

只是追求完美主义的我，在去年又再次改进了这个装置，做了上拉式功能，主控换成了性能强很多的STM32F103C8T6，采用了更复杂的控制算法，最终的悬浮效果非常理想。如果感兴趣，可以下次接着跟大家分享。

资料获取：更新后的磁悬浮原理图开源给大家参考，关注“大鱼机器人”微信公众号，并回复“磁悬浮”获得。

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