摘 要

磁悬浮技术作为一种新兴的高新技术在众多领域有着广泛的应用，通过磁悬浮技术可以创造出一个不接触的特殊空间结构。正因为磁悬浮的这一特点，目前广泛的应用于电气设备工业生产当中。然而在当前技术发展的潮流下，磁悬浮技术也开始在人类日常生活中得到广泛的应用，磁悬浮地球仪则是其在生活教育方面的应用。磁悬浮地球仪是一种十分典型的测控一体化的系统，包含了控制对象，信号采集系统，数据处理控制系统，功率放大系统。

因此，本文主要以磁路的宏观分析，信号采集电路，信号调理电路，PID闭环控制，功率放大电路设计这几个方面进行了研究。介绍了磁路相关的原理，下推式磁悬浮系统的工作原理，以及信号放大电路，功率放大电路的设计原理。本设计将基于STM32开发板创建一个下推式的磁悬浮系统，通过分析磁悬浮系统的结构来设计悬浮方案，通过编写PID闭环控制程序来实现系统的稳定的悬浮，本文在最后还做了相关的电路实验来验证系统的可行性。

研究结果表明：下推式的磁悬浮系统在引脚逻辑正确，PID参数设置合适的条件下能够实现稳定的悬浮，但是系统的零位设置容易随着输入电压的变化而变化，且PID参数标定难度较大，稳定悬浮难度较大。

本文的特色：在相关原理的支持下设计了一个基于STM32的下推式磁悬浮系统。

关键词：下推式磁悬浮；脉宽调制；STM32；PID

Abstract

Magnetic levitation technology as a new high-tech in many areas has a wide range of applications, through the magnetic levitation technology can create a special contact with the lack of space structure. Because of the magnetic levitation of this feature which is currently widely used in electrical equipment, industrial production. However, in the current trend of technological development, magnetic levitation technology has begun to be used in the daily life of mankind. Magnetic levitation globe is its application in life education. Magnetic levitation globe is a typical system of integrated monitoring and control, including the control object, signal acquisition system, data processing and control system and power amplification system.

Therefore in this paper, the macroscopic analysis of magnetic circuit, signal acquisition circuit, signal conditioning circuit, PID closed-loop controller, power amplifier circuit design of these aspects were studied. This paper introduces the principle of magnetic circuit, the working principle of push-down magnetic levitation system, and the design principle of power supply circuit, signal amplification circuit and power amplifier circuit. This design will be based on the STM32 development board to create a push-down magnetic levitation system, by analyzing the structure of the magnetic levitation system to design the suspension scheme, through the preparation of PID closed-loop controller program to achieve the system's stable suspension. In the end of this article the circuit experiment were made to verify the feasibility of the system.

The results show that the push-type magnetic levitation system can achieve stable suspension under the condition that the pin logic is correct and the PID parameter is set properly, but the system's zero setting is easy to change with the input voltage and the PID parameter is difficult to calibrate Large, stable suspension is difficult to achieve.

The characteristics of this paper: A push-type magnetic levitation system were designed with the support of the relevant principles by STM32.

Key Words：Push-down magnetic levitation; PWM; STM32; PID control

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 3

1.3课题目标及难点 4

1.4课题内容 4

1.5本章小结 5

第2章 下推式磁悬浮工作原理及建模 6

2.1下推式磁悬浮的工作原理 6

2.2下推式磁悬浮数学模型 8

2.2.1系统的电磁力分析 8

2.2.2系统的运动数学模型 9

2.3下推式磁悬浮系统的特点 10

2.4本章小结 10

第3章 下推式磁悬浮电路设计 12

3.1电路整体设计 12

3.2传感器和单片机的选择 13

3.2.1传感器的选择 13

3.2.2 STM32单片机介绍 14

3.3放大电路设计 15

3.4电磁线圈的制作 16

3.5功率放大电路设计 17

3.6本章小结 18

第4章 下推式磁悬浮控制系统设计 19

4.1设计悬浮控制系统 19

4.1.1PID控制器 19

4.1.2悬浮系统控制器设计 19

4.1.3数字PID控制 21

4.1.4PID算法函数 21

4.2PWM输出控制 22

4.2.1PWM输出 22

4.2.2逻辑引脚输出 24

4.3本章小结 24

第5章 系统调试 25

5.1硬件连线 25

5.2电路参数整定 25

5.2.1电路平衡点参数整定 25

5.2.2PID参数整定 26

5.3实验结果分析 28

5.4本章小结 28

第6章 总结 29

参考文献 30

致 谢 43

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

随着科学技术的飞速发展，电磁技术的应用更是渗透到了我们生活的方方面面。小到我们经常使用的耳机，手机，大到发电厂和磁悬浮列车的应用都离不开电磁技术。磁悬浮技术更是电磁技术中的新兴力量，也为传统行业注入了新的生命，例如磁悬浮磨削主轴的研究^[1]，让传统的车床能够有更高的转速和稳定性以及更小的噪声。

目前磁悬浮轴承与磁悬浮列车是国内外研究较多的两类磁悬浮技术产品^[2]。对于这两个研究方面而言磁悬浮技术具有的共同的优点是速度快、噪声低、清洁去污染、节约能源，而对于磁悬浮轴承而言，磁悬浮技术更是有占地少、定位精度高、无机械磨损等优点。所以磁悬浮技术目前主要是应用在了工业领域和轨道交通领域。而对于普通百姓的生活领域，磁悬浮技术便是很少涉及，使得那些非专业人员很难接触到磁悬浮装置，故而也难以将这种最新的技术普及到更多的人知道。

磁悬浮地球仪便是一个很好的能够传播磁悬浮常识的载体，这种装置也受到越来越多研究人员的关注，目前也有了一些大型的磁悬浮地球仪^[3]装置在各地的科技馆中展出吸引了一些学生前去参观。然而，这些在科技馆中展出的磁悬浮地球仪都被围了起来，参观者不能更加具象地了解这种装置，也很难对这种技术产生更多的兴趣，不利于磁悬浮技术的传播。并且，这种装置目前都是转轴垂直的磁悬浮球体也就是说这种地球仪中的球体在人们的视线中是垂直的。这与平时我们常见的地球仪有着明显的不同因为常见的地球仪的旋转轴是与水平面是有一定的夹角的。所以转轴垂直的地球仪是不符合自然规律的，这不利于正确知识的传播，可能会给学生产生错误的指导作。因此对磁悬浮知识的推广能够让更多的人们知道这种技术，也能够推动其他的研究人员做更多的研究推动其发展。