【开源进行中】基于STM32的磁悬浮地球仪

zhengcw

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           Hello 大家好~  我是新人，自我介绍下，我叫Gavin。

           这是第一次在这板块发帖，希望各位坛友多多包容，多多有爱哈~

          

            今天主要想跟大家分享下早先刚入门STM32的时候做的一个作品——基于STM32F103的“磁悬浮地球仪”。  

             PS:  当年水平有限，哪有另君不满意，欢迎指出， 如果你有什么建议或者意见欢迎回帖哦！ 有什么想问的，尽管问哈~

             如果你也感兴趣想亲自DIY一个~    OK，Come on！

           接下来，我将从以下这几个方面酌情介绍哦~

                  1.这是个什么样的作品

                  2.什么是磁悬浮

                  3.磁悬浮方案的选择

                  4.控制原理讲解

                  5.传感器的方案选择

                  6.功放的选择

                  7.电磁铁的磁力模型

                  8.闭环控制理论

                  9.作品的原理图（开源）

                 10.程序的流程，程序代码讲解（开源）

                先献上几张图哈~  作品的完成效果！

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一、这是个什么样的作品

                  

 首先，这个简易磁悬浮地球仪是依靠磁铁同名磁极相斥的原理悬浮起来，再通过霍尔传感器采集信号，AD输入，在MCU中进行PID等计算，输出PWM控制电磁铁来维持中点位置的平衡。

通电以后，通过手工放置悬浮物—地球仪，可以很快的进入悬浮状态，随后可以一直保持悬浮状态。接着通过轻微的拨动，让它近似的以地球仪的南北极为转轴中心旋转，用来模拟地球的自转现象。在悬浮过程中，可以倾斜整个装置，甚至拨动悬浮物—地球仪，让它稍微偏离平衡位置，它也能很快的恢复平衡。

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二、什么是磁悬浮

                     突然发现，这个不需要我介绍太多哈。。。。google和百度很多~~

                   通俗的理解也很简单~

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三、磁悬浮方案的选择

目前通过电磁铁产生磁悬浮的主要存在以下这两种方式：

① 上拉式磁悬浮

           上拉式磁悬浮是利用上方的电磁铁产生对下方悬浮物地球仪的吸引力同悬浮物自身的重力相等，来保持平衡，其闭环

      控制系统相对来说比较简单。

只需要检测下方悬浮物的磁场在竖直方向的磁场强弱变化，通过数据采集，MCU分析计算，控制电磁铁做出相应的磁

场变化。然而其功耗比较大，对悬浮物的质量有严格要求。

           下面是图示（用PPT 简单画的）

②下推式磁悬浮

下推式磁悬浮采用永磁铁和电磁铁结合的方法。利用永磁体和悬浮物同名磁极相互排斥，使得地球仪悬浮起来。再利用四个电磁铁来修正悬浮物在水平方向上的偏移。

这需要两个传感器，检测悬浮物在横轴以及纵轴方向的磁场强度的变化情况，通过数据采集，MCU分析计算，分别控制两组电磁铁产生磁场变化，实现对悬浮物在横轴以及纵轴方向的水平控制。

其优点是功耗比较低，稳定工作时，电流不到100毫安，并且可以悬浮大质量的物体。

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四、控制原理讲解 

            

       在下推式磁悬浮方式中为了让悬浮物—地球仪保持平衡位置，需要进行水平位置的修正。

这里设置了两组电磁铁，每组分别包含两个电磁铁，并且呈X型排开；每组的两个电磁铁电气特性上反向串联，并且处在同一条对角线上。（方便讲解，我还是用PPT画个草图~）

实现X轴方向的控制:

 设以B1、B2点所在的直线为X轴；以A1、A2点所在的直线为Y轴；建立交点为原点O的平面直角坐标系XOY；

          此时，给B2接通电源正极，B1接通电源负极，在X正半轴上方出现N极磁场，在X负半轴上方出现S极磁场；由于悬浮物S极朝下，由同名磁极相斥，异名磁极相吸可知，悬浮物将向X轴正方向偏移。

 底座永磁体的磁场远大于电磁铁产生的磁场，所以悬浮物做近似于水平方式的移动。同样的，通过控制电流大小，实现了对电磁场强度的控制。

          对实现X轴负方向的控制同理可得；只要接通反向电流即可。

实现Y轴控制：

   

      此时，给A2接通电源正极，A1接通电源负极，在Y正半轴上方出现N极磁场，在Y负半轴上方出现S极磁场；由于悬浮物S极朝下，由同名磁极相斥，异名磁极相吸可知，悬浮物将向Y轴正方向偏移。

底座永磁体的磁场远大于电磁铁产生的磁场，所以悬浮物做近似于水平方式的移动。同样的，通过控制电流大小，实现了对电磁场强度的控制。

        对实现Y轴负方向的控制同理可得；只要接通反向电流即可。

德州仪器

五、传感器方案选择

           

      在上推式磁悬浮地球仪中的传感器目标是检测悬浮物在水平位置的偏移情况，获得其偏离中心位置的偏差量。由于红外线可以检测到物体偏移，但是无法获得偏移后的偏差量，所以这里不考虑红外线的方案。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的，能够用来检测磁场的变化。因此能够用来检测悬浮物是否发生了偏移，并且可以获得其偏移后的偏差量。

      

          霍尔传感器分开关型霍尔传感器和线性霍尔传感器两种；

 

①      开关型霍尔传感器

开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。

②      线性霍尔传感器

线性霍尔传感器能够根据周围的磁场变化，在一定的磁场范围内连续输出呈线性变化的电压；超出范围部分呈饱和状态。它输出模拟量。

对比以上两种类型的霍尔传感器，选择线性霍尔传感器更为合适，因为通过输出的模拟量可以精确的计算出当前悬浮物的偏差量；而数字霍尔传感器只能对特定磁场强度做出响应，不符合咱们的设计要求。

 

     选择两只线性霍尔传感器，分别用于X轴方向的磁场检测和Y轴方向的磁场检测；两者垂直安放在四个电磁铁的中心位置。

          （用PPT画草图真心累~）

                      在PPT里是这样的！！！

                     为了方便讲解，我可是不辞辛苦的哈~快点给我点掌声！！

                        

                     PPT里是这样的0.0

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六：功放的选择

              

由于选择了线性霍尔传感器，需要对信号进行放大处理，否则信号直接接入MCU的ADC中很有可能会导致部分信号丢失，最终将造成平衡位置调控失败。

LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下。

（百度百科 COPY的管脚图）

chris213x

忘了说驱动芯片了。。

这里补充下：

两组电磁铁需要独立控制其电流方向和电流大小。由于功率要求较小，选择驱动芯片L293D。

L293D工作电压4.5V—36V，每个通道的电流输出达600ma，每个通道的电流输出峰值达1.2A。可行！

potatofly

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TonyYU

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