杜明昊，郝鳳琦，趙曉杰

（齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）山東省計算中心（國家超級計算濟南中心）山東省計算機網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，山東 濟南 250014）

隨著科技的日益發(fā)展，磁懸浮技術(shù)逐漸應用于運輸、工業(yè)等領(lǐng)域，此外，微型磁懸浮由于其小巧且科技感和視覺沖擊較強，也經(jīng)常被應用于辦公室、公司前臺、高級酒店、私人家居、珠寶鑒賞店、學?？萍拣^等民生日常領(lǐng)域。1842年，英國數(shù)學家山姆·恩紹（Samuel Earnshaw）發(fā)表了著名的恩紹大定理（Earnshaw′s theorem），通過數(shù)學證明了單靠宏觀的靜態(tài)古典磁力，穩(wěn)定的磁懸浮不可能實現(xiàn)[1]。相比純模擬的元器件和單閉環(huán)的控制，本文借助單片機設(shè)計雙閉環(huán)串級PID控制器[2]，輸出數(shù)字信號通過驅(qū)動單元控制電磁線圈產(chǎn)生動態(tài)磁場與原本的靜態(tài)永磁體產(chǎn)生的磁場疊加，動態(tài)調(diào)節(jié)，能夠靈活控制浮子穩(wěn)定懸浮。

1 磁懸浮裝置的硬件設(shè)計

1.1 整體系統(tǒng)介紹

該微型磁懸浮裝置是由電源單元、主控單元、驅(qū)動單元、檢測單元、線圈以及永磁體組成，其整體框架如圖1所示。

圖1 磁懸浮裝置的整體框架

1.2 電磁線圈的驅(qū)動單元

磁懸浮裝置的單個電磁線圈的驅(qū)動單元硬件電路原理圖如圖2所示。

圖2 電磁線圈的驅(qū)動單元

電磁線圈正常工作時，所需電流可達到安培級別，單片機I/O口無法輸出大電流。本文使用N溝道場效應管和P溝道場效應管搭建H全橋驅(qū)動電路[3]。通過光耦隔離芯片[4]，一方面將控制端與大電流驅(qū)動端進行電氣隔離，保護控制器；另一方面提高了場效應管的柵極控制信號的電壓值，進而提高場效應管的開通、關(guān)斷能力。

1.3 磁通量測量單元

本文借助2個霍爾傳感器[7]測量浮子位置信息，使用基準電壓芯片為霍爾傳感器提供標準電壓，使用軌到軌運算放大器[5]芯片通過差分放大電路將霍爾傳感器的輸出值放大，再經(jīng)過硬件無源濾波電路濾除雜波，連接至單片機ADC[6]模擬信號采集引腳。磁通量測量電路原理圖如圖3所示。

圖3 磁通量測量單元

2 磁懸浮裝置的控制設(shè)計

2.1 浮子姿態(tài)位置

磁懸浮裝置平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。磁通量測量單元里的2個相互垂直的霍爾元件，可以測量出浮子的位置信息，以永磁體的中心為原點，建立直角坐標系，霍爾h1測量x軸方向上的浮子磁通量信息，霍爾h2測量y軸方向上的浮子磁通量信息[7]。因此，通過STM32單片機片內(nèi)ADC外設(shè)得到磁通量值，進行數(shù)學坐標模型化后，可以得到浮子的水平位置。

圖4 磁懸浮裝置平面結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 雙閉環(huán)串級PID控制

浮子穩(wěn)定懸浮時，所需的懸浮斥力主要由永磁體提供，x軸的2個電磁線圈以及y軸的2個電磁線圈產(chǎn)生的磁力主要用以水平內(nèi)動態(tài)調(diào)節(jié)浮子平衡，使其維持在磁場正中心。理想情況下，浮子處于磁場正中心時，電磁線圈處于關(guān)斷狀態(tài)，同一軸上的2個電磁線圈功率消耗之差為0。外環(huán)中的主控制器通過同軸電磁線圈的功耗之差進行負反饋，進而輸出糾偏量，對原來內(nèi)環(huán)初始的設(shè)定值進行修正。內(nèi)環(huán)中的副控制器通過浮子的直角坐標值進行反饋，進而輸出對應的數(shù)字占空比信號給驅(qū)動單元，控制電磁線圈動作。本文在經(jīng)典的串級控制方法上做了一小步改變，在單個控制周期中，主控制器輸出一個相對副控制器初始設(shè)定值很小的糾偏量，然后疊加副控制器最初的設(shè)定值，得到一個新的值作為新變量，所述新變量再作為副控制器的設(shè)定值，其中，糾偏量是由外環(huán)數(shù)字PID增量型輸出給定，所述新設(shè)定值是內(nèi)環(huán)數(shù)字PID位置型的設(shè)定值[8?12]。微型磁懸浮裝置x軸的雙閉環(huán)串級PID控制流程如圖5所示。

圖5 x軸的雙閉環(huán)串級PID控制框圖

2.3 軟件流程

本文選用STM32F103C8T6單片機作為主控制器，通過MDK?Keil5 IDE軟件進行程序設(shè)計和調(diào)試見圖6和圖7。

圖6 主程序流程圖

圖7串口中斷接收程序

圖6 和圖7分別為主程序和串口中斷接收程序兩大部分。在中斷處理時，通過串口中斷接收上位機發(fā)送來的命令和數(shù)據(jù)，并緩存到全局變量環(huán)形數(shù)組區(qū)，并使用定時器中斷設(shè)計15 ms控制周期定時。

3 磁懸浮裝置的實驗測試及結(jié)果分析

3.1 上位機調(diào)試助手

為方便調(diào)試，可使用上位機串口助手軟件，與STM32單片機進行串口通信，通過USB?TTL轉(zhuǎn)接設(shè)備實現(xiàn)二者的物理連接。通過調(diào)試助手可以打印顯示出當前浮子位置信息，驅(qū)動單元的輸入PWM信號數(shù)值，可以改寫STM32單片機全局變量以實時改變PID參數(shù)值。

3.2 PID參數(shù)設(shè)置

PID參數(shù)的設(shè)置是比較關(guān)鍵的一步。首先，斷開外環(huán)，保持內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)初始設(shè)定值可以粗略給定，用手將浮子置于平衡處，通過單片機ADC外設(shè)讀取得到此時的浮子位置信息量，作為內(nèi)環(huán)的初始設(shè)定值。參數(shù)積分I與微分D置為0，調(diào)整參數(shù)比例P，直至感受到電磁線圈的束縛力，停止調(diào)節(jié)參數(shù)P，開始調(diào)整微分D，消去抖動，內(nèi)環(huán)可以不使用參數(shù)積分I。調(diào)整完內(nèi)環(huán)參數(shù)后，可以實現(xiàn)懸浮。為了提高系統(tǒng)適應性，引入外環(huán)，外環(huán)期望值可以設(shè)置為0，也可以適當增大。最后根據(jù)線圈電流能耗和實際懸浮情況調(diào)試外環(huán)參數(shù)[13]。

3.3 懸浮測試

調(diào)試完P(guān)ID參數(shù)后，開始懸浮測試，該磁懸浮裝置的底座實物圖如圖8所示。本文使用直徑25 mm、厚度10 ms的圓柱體釹鐵硼磁鐵作為永磁體，以及直徑3 cm厚度5 mm的圓柱體釹鐵硼磁鐵作為浮子。

圖8 磁懸浮裝置的底座實物圖

將裝置底座置于水平面的桌子上，人工制造干擾因素：

1）外界碰撞擾動：小功率電風扇吹拂浮子進行模擬；

2）室內(nèi)溫度變化：使用空調(diào)制冷和熱風槍加熱模擬室內(nèi)溫差變化。

如圖9所示，小功率風扇是由720空心杯無刷電機和長55 mm螺旋槳組合而成。測試時，螺旋槳反向安裝使用，3.7 V額定直流電壓供電，水平移動與磁懸浮裝置的距離。測試浮子懸浮狀態(tài)如表1所示。

圖9 小功率風扇

表1 與風扇不同距離下的浮子懸浮狀態(tài) cm

測試溫度變化時，在密閉的狹小室間內(nèi)，將空調(diào)制冷至16℃，懸浮裝置運行測試3 h；使用熱風槍連續(xù)均勻吹拂加熱懸浮裝置至40℃左右，懸浮裝置運行測試3 h。在室內(nèi)溫度變化下，浮子能夠很好地保持穩(wěn)定運行。

3.4 實驗結(jié)果分析

上述模擬擾動具有一定誤差，但是通過表1的記錄可知，該微型磁懸浮裝置具有一定的抗干擾能力，在適當?shù)耐饨绺蓴_時，浮子可以快速保持平衡。在室內(nèi)溫差變化擾動下，霍爾傳感器由于溫漂導致輸出數(shù)值發(fā)生變化，故使得內(nèi)環(huán)的反饋值發(fā)生變化。磁懸浮裝置通過外環(huán)PID輸出糾偏量疊加到內(nèi)環(huán)的初始設(shè)定值，得到一個新的內(nèi)環(huán)設(shè)定值，新的內(nèi)環(huán)設(shè)定值和內(nèi)環(huán)反饋值之間的偏差值仍然相對恒定，輸出的糾偏量抵消了霍爾溫漂造成的干擾，所以系統(tǒng)能夠調(diào)控自適應，浮子可以長時間穩(wěn)定懸浮。

4 結(jié) 語

本文從軟、硬件兩方面研究設(shè)計一種以STM32單片機控制器為核心的微型磁懸浮裝置。隨著智能控制、NLP自然語言處理和3D打印技術(shù)等各學科的發(fā)展以及國民精神素養(yǎng)的顯著提升，未來，智能磁懸浮3D工藝品將會備受矚目，進入廣大居民日常生活中[14]。

注：本文通訊作者為郝鳳琦。