磁悬浮系统

磁悬浮系统的PID控制

本科毕业设计（论文）

题目: 磁悬浮系统的PID控制

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职 称:

日 期:

华科学院

白皓：磁悬浮系统的PID控制

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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。

本设计毕业设计在分析磁悬浮系统构成及工作原理的基础上，建立其数学模型，并以此为研究对象，设计了PID控制器，确定控制方案，运用MATLAB软件进行仿真研究，得出较好的控制参数。最后，本文对以后研究工作的重点进行了思考，提出了自己的见解。

关键词：磁悬浮系统 控制器 MATLAB软件 PID控制 白皓：磁悬浮系统的PID控制

41 白皓：磁悬浮系统的PID控制

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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．

On the basis of analyzing of magnetic

suspension system’s structure and working

principle, its system mathematical model was

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基于单片机的磁悬浮系统的设计

作者：陈启新

来源：《电脑知识与技术》2017年第05期

摘要：磁悬浮系统是利用“同性相斥，异性相吸”的原理来实现的。磁悬浮系统是指使磁性物体在无任何支撑的情况下悬浮于空中。可以使物体保持静止状态或是自传的一种状态。其设计具有独特的视觉效果，集中了科技与效果为一体。基于单片机的磁悬浮系统是一种实用智能化的磁悬浮系统，它是利用单片机产生脉冲新号控制电场的变化从而产生磁场，非常容易实现。

关键词：磁悬浮；线圈；霍尔传感器；AVRmega16

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0179-01

随着社会的发展科技的进步，人们的生活水平也发生了翻天覆地的变化，人们越来越依赖于科学技术，然而人们对于科学技术的认识也是越来越少。该磁悬浮系统可以使人们更能了解到科学技术，感受科学技术的神奇。该技术简单易懂。该磁悬浮系统可悬浮一切带有磁性的物品，比如利用该系统可制作磁悬浮式台灯，也可制作成磁悬浮摆饰等。

1总体布局

磁悬浮系统是典型的机电一体化系统，运用磁场和电场的一般规律进行实现，也就是磁路定律和变化电场周围产生磁场。该系统主要有两个部分组成，分别是控制电路部分和执行电路部分。控制电路部分，是以单片机AVRmega16以及外围接口电路为核心，以霍尔传感器为信号收集器，为单片机提供磁场强度变化的数据，单片机根据接收到的数据进行对比。单片机控制LM298N进行调整磁场的变化。执行电路部分主要由四个漆包线缠绕的线圈和十六个钕磁铁构成，若是要增大该磁悬浮系统的功率，可改变钕磁铁的数量和漆包线圈的大小，一般要悬浮小型的磁性物体时，线圈缠绕30圈左右就够了。

硬件主要部分：

图1中1所指的是汝磁铁，用来增加主磁场的磁场强度，增加或减少该磁铁，会导致此系统所悬浮物体的最大质量发生变化。一般的悬浮小型磁性物体只需要十六个小型钕磁铁即可。

第１１卷第３期　

２００７年５月　电　机　与　控　制　学　报　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＭＡＣＨＩＮＥＳ　ＡＮＤ　ＣＯＮＴＲＯＬ　Ｖｏ１．１ｌ　Ｎｏ．３　

Ｍａｙ　２００７　

磁悬浮系统Ｂｏｄｅ定理的应用　

何朕　，　王毅　，　孟范伟　，　张静　

（１．哈尔滨工业大学控制科学与工程系，黑龙江哈尔滨１５０００１；２．哈尔滨理工大学控制科学与工程系，　黑龙江哈尔滨１５００８０）　

摘要：针对磁悬浮系统的控制问题，研究了控制系统设计中的限制因素，指出了磁悬浮系统的稳　

定性一般都可以用线性化方程来进行处理，因此磁悬浮系统的设计问题主要是性能问题。而系统的　

性能（灵敏度）则是受到Ｂｏｄｅ积分定理的约束；分析了球在悬浮状态下的漂浮运动对系统带宽的　

影响，利用Ｂｏｄｅ定理，给出了磁悬浮系统所能达到的灵敏度最小值，并得到了实验验证。根据所给　

出的积分约束可以在设计阶段就预见到系统所能达到的性能，对系统设计具有普遍意义。　

关键词：磁悬浮；Ｂｏｄｅ积分；性能限制；带宽　

中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—４４９Ｘ（２００７）０３—０２５３—０４　

Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｂｏｄｅ’Ｓ　ｔｈｅｏｒｅｍ　

ＨＥ　Ｚｈｅｎ　，ＷＡＮＧ　Ｙｉ　，ＭＥＮＧ　Ｆａｎ—ｗｅｉ　，ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎｇ２　

（１、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００８０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ　ｌａｂ　ｓｅｔ　ｉＳ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　

磁悬浮系统设计

作者：李欣颀 李云飞 陈子川 蔡兴宗 杨梦玉

来源：《科学导报·学术》2020年第49期

摘要：采用微元分析方法构建下推式磁悬浮系统的数学解析式模型，构建下推式磁悬浮控制系统硬件平台。由正交放置的霍尼韦尔3503传感器采集浮子磁场在其垂直分量上的磁场大小，线性转换成电信号经运算放大器放大后作为控制器STM32读取和写入控制信息，并用于数字滤波算法和运行控制算法后将计算数据作用于功率放大器件驱动螺旋线圈产生校正磁场。使浮子处于动态平衡，达到预期控制效果。

1 系统模型

设计一种多自由度，下推磁场磁悬浮系统。控制目标是让浮子不借助除磁场以外的力，稳定悬停在指定空间位置，并在此控制基础上完成悬浮磁体对随机扰动的控制。

通过下推式磁悬浮磁源概念图，环形磁铁产生较大的谷形磁场。使得浮子磁体在垂直方向上收到与重力相反的排斥力，因此物体悬浮的高度只能取决于环形磁铁的磁场的大小和浮子或浮子与浮子及其称重物质量决定。在水平面上，浮子受到随机扰动，向远离中心位置运动。受到不对称的磁场力斥力，吸引力大的一边会持续增加，吸引力小的一边会愈加减小，促进浮子磁体向远离中心位置运动;在磁场中还受到旋转力矩的作用，会使浮子发生翻转。因而为了保障水平面上浮子磁体的稳定，必需投入新的微弱的磁场克服原先的运动状态。使其在设定位置达到平衡。

Vizimag是利用有限元分析来仿真复杂磁场的软件，用Vizimag的软件来画出合成磁场分布，仿真出浮子受沿X方向的电磁力和垂直方向上的旋转力矩来。如下所示。

可见，在不平衡位置，浮子磁体会收到纵向的力使浮子加速移动产生更大的位置误差，同时会受到转矩，使浮子磁体发生翻转。

2 硬件系统设计

如图2所示，下推式磁悬浮的整个控制系统包括电源模塊、位置测量模块，功率放大模块和主控制器模块。