當(dāng)前位置:首頁 > 公眾號精選 > 小白白學(xué)電子
[導(dǎo)讀]磁懸浮有下推式和上拉式兩種基本形式。所謂下推式,就是控制部分在底座上,懸浮的磁鐵在上面,依靠底座從下往上的排斥磁力推動(dòng)磁鐵懸?。欢侠?,是控制部分在上面,懸浮的磁鐵在下面,依靠控制部分從上方的吸引力吸住磁鐵不會落下去。本文實(shí)現(xiàn)的是下推式,僅講解下推式磁懸浮的原理和實(shí)現(xiàn)方法。

今天教大家來做一個(gè)磁懸浮玩具,先上兩張成品的效果圖:


1)磁懸浮的基本原理

磁懸浮有下推式和上拉式兩種基本形式。

所謂下推式,就是控制部分在底座上,懸浮的磁鐵在上面,依靠底座從下往上的排斥磁力推動(dòng)磁鐵懸??;而上拉式,是控制部分在上面,懸浮的磁鐵在下面,依靠控制部分從上方的吸引力吸住磁鐵不會落下去。

本文實(shí)現(xiàn)的是下推式,僅講解下推式磁懸浮的原理和實(shí)現(xiàn)方法。

如下圖,是一個(gè)環(huán)形磁鐵的磁力線:

如果在它上方放置另一個(gè)小磁鐵,N極向下S極向上,那么它會受到下面的環(huán)形磁鐵的斥力。越靠近下方的環(huán)形磁鐵,斥力就越大。當(dāng)距離合適時(shí),斥力與上方磁鐵的重力相等時(shí),就能實(shí)現(xiàn)懸?。?

但是,僅僅依靠兩個(gè)磁鐵的相互作用是不能保持穩(wěn)定的,因?yàn)閮蓚€(gè)磁鐵的斥力只要與重力的方向不在同一直線上,就不能保持平衡,上方的小磁鐵就會向旁邊飛出去。

下推式磁懸浮的實(shí)現(xiàn)方法,就是在上述的系統(tǒng)里,再增加一個(gè)控制上方小磁鐵保持在中軸線位置的裝置。這樣,小磁鐵即不能往旁邊移動(dòng),垂直方向的重力又和磁鐵斥力相抵消,就 能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮了。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí),如果沒有大環(huán)形磁鐵,可以使用一圈小磁鐵代替,效果是一樣,如本文效果圖里用的4個(gè)、8個(gè)都行,但是一定要排布在對稱位置。

控制小磁鐵位置的裝置,一般由霍爾元件和電磁鐵組成。用兩個(gè)霍爾元器件來檢測磁場,兩個(gè)霍爾元件安裝在環(huán)形磁鐵的中心處,且互相垂直,檢測面都與鉛垂線平行。如果上方的小磁鐵在中軸線上,那么系統(tǒng)的磁力線也是鉛垂線方向的,兩個(gè)霍爾元件都無輸出;如果小磁鐵偏離了中軸線,那么系統(tǒng)的磁力線方向會偏離鉛垂線方向,霍爾元件就能檢測出往某個(gè)方向偏移了。此時(shí),由MCU采集霍爾元件的輸出,控制電磁鐵,產(chǎn)生一個(gè)水平方向相反的磁力,將小磁鐵拉回中軸線上就行了。

由于該系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的系統(tǒng),需要不斷地采集、判斷、調(diào)整,最好使用PID控制。

了解了原理,下面就一起實(shí)現(xiàn)吧。

2)硬件電路圖及調(diào)試

由上述的原理講解,我們的硬件只需要處理好兩件事情就行了:一是采集兩個(gè)相互垂直安裝的霍爾元件的輸出,以獲取小磁鐵的偏移位置;二是控制兩組相互垂直的電磁鐵,產(chǎn)生水平的磁力。

主要的原理圖附在下面,完整的圖紙可以關(guān)注文末的公眾.號,找到下載地址。

霍爾元件及其信號放大部分,UGN3503是霍爾元器件,電位器提供一個(gè)初始的零位電壓,霍爾的輸出信號通過反向放大后,輸出到STM32的AD口采集:

電磁鐵驅(qū)動(dòng)部分,使用L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)電磁鐵,L293D由STM32輸出的PWM波來驅(qū)動(dòng):

電源部分,驅(qū)動(dòng)電磁鐵用9~12V的電壓比較合適,霍爾供電用5V:

因?yàn)樾“装自贒IY的時(shí)候STM32是外接的最小系統(tǒng),所以原理圖里沒畫STM32,只留了幾個(gè)接點(diǎn)。

注意布局時(shí),霍爾元件和電磁鐵的放置位置,有特殊要求。最終的PCB圖如下:

U3和U4是兩個(gè)檢測磁鐵位置的霍爾元件,需要安裝在環(huán)形磁鐵中心附近,并且互相垂直;而且霍爾的平面要在相對角電磁鐵的連線上。

如下圖所示,注意兩個(gè)霍爾U3和U4的位置:(U5也是個(gè)霍爾,本來是預(yù)留來檢測是否有磁鐵放在上面的,暫時(shí)沒有用上)

LL1~LL4是四個(gè)電磁鐵,LL1和LL2一組,LL3和LL4一組,安裝時(shí),同組的需要對角放置;而且要注意安裝時(shí)同名端相連,通電后,同組的兩個(gè)電磁鐵磁力線能相互連接產(chǎn)生閉合磁力線(也就是一個(gè)上方為N極時(shí)同組另一個(gè)上方為S極)。這樣才能保證同組的電磁鐵產(chǎn)生的磁力在水平方向是相同的。

在電路圖焊接完成后,與STM32F103C8T6最小系統(tǒng)相連,霍爾的輸出AD1、AD2連接到STM32的PA0和PA1;PWM1~4依次連接到STM32的PA15、PB4、PB3、PB5。其他供電部分的連接就不說了。

安裝好環(huán)形磁鐵,上電后,在空載狀態(tài)下調(diào)整U3、U4連接的電位器,使得AD1和AD2都在1.65V左右(也即AD采集時(shí)3.3V的中間值)。

到這里,硬件的設(shè)計(jì)工作就基本完成了。

3)軟件編程實(shí)現(xiàn)

軟件的實(shí)現(xiàn)也是大致分為兩大功能:一是通過AD采集,獲取磁鐵再水平方向X、Y軸的位置;二是通過兩個(gè)方向位置偏移的大小來計(jì)算驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方向電磁鐵的PWM輸出值,這個(gè)計(jì)算過程使用了PID算法。

程序架構(gòu)是:在主循環(huán)里不斷地采集霍爾元件的電壓,也就是AD1、AD2的值;在中斷里計(jì)算PID控制算法,設(shè)置PWM的輸出。

首先在cubemx里配置ADC,打開AD0、AD1和AD4(實(shí)際只用了AD0和AD1,AD4是預(yù)留的,采集了但是沒有用于計(jì)算),分別配置到圖中的rank1、rank2、rank3下:

定時(shí)器和PWM設(shè)置:

定時(shí)器分頻設(shè)置為36,計(jì)數(shù)到1000時(shí)溢出;主頻是72M,所以定時(shí)器中斷是2KHz。

設(shè)置CH1和CH2兩個(gè)通道PWM輸出,模式1(先高電平,匹配后拉低,初始值可以設(shè)置為任意值,圖中的初始值100和300對系統(tǒng)無影響):

設(shè)置完成后,PA15和PB3自動(dòng)被占用為PWM輸出引腳。

再手動(dòng)設(shè)置PB4和PB5為輸出引腳,這里設(shè)置PB4和PB5是為了配合PWM引腳來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來使電磁鐵改變正、反向。

使能定時(shí)器TIM2中斷:

到這里,cubemx里的硬件主要配置就完成了。接下來可以生成keil工程,編寫軟件代碼。

由于整個(gè)工程源代碼比較長,這里只講解最核心的部分。完整的代碼可以關(guān)注文末的公 眾號后,找到下載地址。

在keil工程里,adc部分,使用如下函數(shù)進(jìn)行AD采集,采集了三個(gè)通道,即AD0、AD1、AD4:

然后進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波,這里最終只保留了AD0和AD1兩路,10bit的精度,存放到了xPos和yPos中,作為兩個(gè)方向的位置值。

filter_adc()函數(shù)需要放在主循環(huán)中循環(huán)調(diào)用,不斷更新位置值:

PID部分主要的實(shí)現(xiàn)代碼如下:

注意這里PID實(shí)現(xiàn)時(shí)對積分項(xiàng)的處理,當(dāng)誤差的累加值非常大時(shí)(也即積分項(xiàng)很大時(shí))不會再累加誤差項(xiàng),而是限制到一個(gè)最大值MAX_INTEGRATION_ERROR,這是一種避免積分飽和的方法。(關(guān)于PID的積分飽和,可以參見小白白以前發(fā)的文章《PID控制的深入探討(位置式PID、增量式PID、PID的積分飽和)》)

接下來,講一下如何設(shè)置PWM輸出值,以及怎么控制電磁鐵磁場的正負(fù)向。

由于我們使用了L293D芯片來驅(qū)動(dòng)電磁鐵,以LL1和LL2這一路為例,當(dāng)PWM2設(shè)置為低電平,則PWM1輸出為高時(shí)就能驅(qū)動(dòng)電磁鐵;當(dāng)PWM2設(shè)置為高電平,則PWM1輸出為低時(shí),電流與前述狀態(tài)相反,就能反向驅(qū)動(dòng)電磁鐵。如下圖所示:

同時(shí),我們只需要改變PWM1的脈寬,就能實(shí)現(xiàn)電磁鐵的磁場強(qiáng)度控制。

另一路LL3和LL4電磁鐵也是一樣的原理,可以通過PWM3控制磁場強(qiáng)度,通過PWM4來控制磁場方向。

這部分的實(shí)現(xiàn)代碼如下,其中PWM1和PWM3的輸出值(也就是代碼中的xPWM和yPWM),是先通過調(diào)用PID計(jì)算函數(shù)得出值,再依據(jù)正負(fù)向設(shè)置到定時(shí)器的PWM輸出的,整個(gè)函數(shù)放在定時(shí)器中斷中調(diào)用。

最后提醒一下,PID的參數(shù)值,是需要調(diào)整的,這些值與磁鐵大小、定時(shí)器的控制周期長短都是相關(guān)的,本文中的取值如下:

#define P_value    4

#define I_value     1

#define D_value    30

4)一些補(bǔ)充內(nèi)容

在調(diào)試時(shí),可以先拿住小磁鐵從上往下移動(dòng),當(dāng)感覺重力被磁力抵消時(shí),再向水平的X、Y方向移動(dòng),如果感覺有水平的阻力,那么就成功了一大半了,后面只需要微調(diào)參數(shù)即可。要注意保護(hù)強(qiáng)磁鐵,如果兩個(gè)磁鐵不加保護(hù)直接吸到一起很可能會被撞碎。

到這里,磁懸浮最基本的功能就做好了,但是還有很多可以優(yōu)化的地方。

比如現(xiàn)在計(jì)算周期用的是2KHz,正好在人的聽覺范圍內(nèi),這在使用時(shí),電磁鐵可能會產(chǎn)生一些噪音,可以考慮把控制周期改到20KHz以上,但是要注意PID的參數(shù)需要調(diào)整。

再比如,多利用一個(gè)霍爾元件,可以增加檢測載荷的功能,如果沒有載荷,可以關(guān)閉PWM省電。

最后來一張全系統(tǒng)的照片:

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動(dòng)力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉