陳家棟　李向春　馬海琴　王原　劉顏明

摘 要：針對(duì)當(dāng)前市面上微型磁懸浮裝置調(diào)節(jié)不夠快速靈敏，導(dǎo)致調(diào)節(jié)功耗大的問(wèn)題，提出一種基于PID算法的低功耗微型磁懸浮控制系統(tǒng)。首先，詳細(xì)介紹了微型磁懸浮控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，包括磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、磁懸浮控制方案以及懸浮體失衡控制原理；然后，從關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)方面介紹了基于PID算法的磁懸浮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的磁懸浮控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，并與市面上購(gòu)買(mǎi)的磁懸浮裝置進(jìn)行了功耗測(cè)試對(duì)比。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了磁懸浮的低功耗調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：磁懸??；PID算法；低功耗；自動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）13-0035-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.009

0? ? 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，磁懸浮已經(jīng)逐漸走進(jìn)了人們的生活，如出現(xiàn)了磁懸浮列車(chē)、磁懸浮地球儀、磁懸浮音箱、磁懸浮展示臺(tái)等[1-2]，磁懸浮技術(shù)給人們帶來(lái)了新的生活體驗(yàn)，提高了人們的生活水平。常見(jiàn)的磁懸浮展示裝置有上拉式磁懸浮裝置和下推式磁懸浮裝置。上拉式磁懸浮裝置電磁線(xiàn)圈在被懸浮體上面，依靠磁場(chǎng)間異性相吸的特性產(chǎn)生吸引力平衡重力使懸浮體懸浮[2]。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的性能參數(shù)可以在線(xiàn)調(diào)節(jié)，但視覺(jué)效果不明顯[3]。下推式磁懸浮裝置通過(guò)永磁體間的斥力來(lái)支撐懸浮體，相對(duì)于上拉式磁懸浮裝置，具有更強(qiáng)的抗干擾能力，更具有視覺(jué)效果，可更好地展示磁懸浮技術(shù)的吸引力。

鑒于當(dāng)前市面上的磁懸浮裝置多數(shù)都是采用硬件電路調(diào)控懸浮體，調(diào)節(jié)不夠精準(zhǔn)、不夠靈敏，導(dǎo)致調(diào)節(jié)功耗大等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PID算法的低功耗微型磁懸浮控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)懸浮裝置快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)，降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功耗。

1? ? 微型磁懸浮控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1? ? 微型磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用下推式磁懸浮系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由底座永磁體和懸浮磁體組成。

在垂直方向上，懸浮磁體與底座磁體之間存在排斥力，該排斥力克服了懸浮磁體的重力作用，使懸浮體懸浮于空中某一垂直高度。在水平方向某一位置上（理想情況下為中心位置），懸浮磁體受到底座磁體的左右斥力是平衡相等的，無(wú)須控制也可保持平衡穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。但由于變化的外界環(huán)境因素影響，懸浮磁體容易因失去平衡狀態(tài)而掉落。因此，為維持懸浮磁體長(zhǎng)期處于平衡懸浮狀態(tài)，必須引入自動(dòng)控制系統(tǒng)。加入自動(dòng)控制系統(tǒng)的磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由底座永磁體、懸浮磁體、電磁線(xiàn)圈、三軸霍爾傳感器及單片機(jī)檢測(cè)控制電路組成。自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)懸浮磁體的位置，再利用單片機(jī)控制電磁線(xiàn)圈將失去平衡狀態(tài)的懸浮磁體調(diào)整至平衡狀態(tài)。

1.2? ? 磁懸浮自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

1.2.1? ? 磁懸浮自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

磁懸浮自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖3所示。

1）霍爾傳感器：把懸浮體處于不同位置的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

2）信號(hào)放大電路：放大霍爾傳感器輸出的電壓信號(hào)，并將其輸出到STM32單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

3）STM32單片機(jī)：采集放大電路輸出的電壓信號(hào)，通過(guò)PID位置式算法計(jì)算出懸浮體的位置信息，并產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)電磁線(xiàn)圈改變空間磁場(chǎng)，從而調(diào)整懸浮體的位置。

4）H橋驅(qū)動(dòng)電路：將單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)電磁線(xiàn)圈。

5）電磁線(xiàn)圈：通過(guò)周期變化的電流信號(hào)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)懸浮體的位置。

1.2.2? ? 磁懸浮系統(tǒng)失衡控制原理

為檢測(cè)懸浮體的位置，在懸浮體下方的中心點(diǎn)位置安裝一個(gè)垂直于水平面的線(xiàn)性霍爾傳感器。線(xiàn)性霍爾傳感器的輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的特性曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可知，霍爾傳感器可輸出與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào)，根據(jù)該電壓的大小可判定出懸浮體的位置。

磁懸浮系統(tǒng)失衡控制原理如圖5所示。為控制懸浮磁體的位置，在水平面X、Y軸方向上分別放置兩個(gè)電磁線(xiàn)圈。同一坐標(biāo)軸上的兩個(gè)電磁線(xiàn)圈為串聯(lián)關(guān)系，但其電磁線(xiàn)圈的導(dǎo)線(xiàn)繞向相反。

以X軸方向?yàn)槔?，如?dāng)懸浮磁體受到干擾打破平衡偏離中心點(diǎn)向左時(shí)，霍爾傳感器檢測(cè)到穿過(guò)自身的磁感線(xiàn)密度變化，輸出相應(yīng)的變化電壓給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)線(xiàn)性霍爾傳感器輸出的反饋信號(hào)，給電磁線(xiàn)圈輸入相應(yīng)方向的電流，左線(xiàn)圈對(duì)懸浮磁體產(chǎn)生斥力F1，右線(xiàn)圈因?yàn)槔@向相反而產(chǎn)生吸引力F2，F(xiàn)1與F2合成向右的作用力F，從而將懸浮體拉回至平衡點(diǎn)。Y軸方向控制原理與X軸相同。

2? ? 基于PID算法的磁懸浮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1? ? 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.1.1? ? 霍爾傳感電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用超高靈敏度霍爾傳感器，型號(hào)為HW101A-G，電路如圖6所示。X為X軸方向霍爾傳感器的輸出，Y軸和Z軸方向的傳感電路與此相同。

2.1.2? ? 放大電路設(shè)計(jì)

鑒于選用的霍爾傳感器內(nèi)部無(wú)放大電路，為了提高檢測(cè)速度和靈敏度，需加入電壓放大電路，放大霍爾輸出電壓的變化量。放大電路如圖7所示。

放大電路輸出VADC與霍爾傳感器輸出電壓Vx的關(guān)系如式（1）所示：

系統(tǒng)采用單電源供電，RP3為基準(zhǔn)電壓VREF調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)使得VREF≈=0.6 V，作用是調(diào)節(jié)放大器輸出的電壓偏移量，將信號(hào)電壓調(diào)節(jié)至適合STM32單片機(jī)內(nèi)部ADC采集的范圍。同時(shí)放大電路將霍爾輸出變化電壓放大約20倍，以提高檢測(cè)靈敏度。

2.1.3? ? H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選取TI公司的DRV8870獨(dú)立H橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片由4個(gè)N溝道半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成H橋，能夠雙向控制負(fù)載，峰值電流最高可達(dá)3.6 A。驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

線(xiàn)圈最大電流Imax可由式（2）估算，通過(guò)PR1調(diào)節(jié)4引腳電壓VREF。利用R23和R24并聯(lián)分流，減少單個(gè)電阻的發(fā)熱量，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2? ? 關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)

2.2.1? ? 懸浮體檢測(cè)控制程序設(shè)計(jì)

懸浮體檢測(cè)控制程序如圖9所示，檢測(cè)控制程序設(shè)在定時(shí)器中斷服務(wù)程序里進(jìn)行。

數(shù)據(jù)采集：利用STM32片內(nèi)的12位ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，為了減輕處理器負(fù)擔(dān)以提高處理效率，開(kāi)啟DMA傳輸。DMA傳輸可將數(shù)據(jù)搬運(yùn)至指定地址的內(nèi)存，并不需要占用CPU。

數(shù)據(jù)處理：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，去除最大、最小值，取剩余數(shù)據(jù)的均值。

懸浮體檢測(cè)控制：首先通過(guò)采集Z軸的霍爾電壓來(lái)檢測(cè)是否存在懸浮體；然后調(diào)用PID函數(shù)計(jì)算，檢測(cè)出懸浮體的水平方向位置，并控制輸出PWM信號(hào)改變X、Y軸的電磁線(xiàn)圈電流，從而調(diào)整懸浮體至平衡位置。

2.2.2? ? 位置式PID算法程序設(shè)計(jì)

PID控制算法是由比例、積分和微分三項(xiàng)結(jié)合的控制算法。比例調(diào)節(jié)作用：控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例項(xiàng)會(huì)立即參與調(diào)節(jié)，減小偏差[4]。比例調(diào)節(jié)的作用越大，調(diào)節(jié)速度越快，但是過(guò)大的比例調(diào)節(jié)，超出原有誤差，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：消除穩(wěn)態(tài)誤差，使其絕對(duì)差值接近于0。微分調(diào)節(jié)作用：微分項(xiàng)可以反映偏差信號(hào)的變化率。由于其計(jì)算方式特殊，對(duì)誤差有預(yù)見(jiàn)性，能對(duì)偏差變化的趨勢(shì)做出判斷，即能產(chǎn)生提前的控制作用。添加微分項(xiàng)參與調(diào)節(jié)，能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

本文采用位置式PID算法，程序流程如圖10所示。首先，計(jì)算ADC采集的電壓與系統(tǒng)設(shè)定的中心位置數(shù)值之差，得出比例項(xiàng)。其次，每次計(jì)算均對(duì)誤差進(jìn)行累加，累加數(shù)值即為積分項(xiàng)，需將積分項(xiàng)限制在適宜的范圍內(nèi)。然后，微分項(xiàng)為當(dāng)前誤差值與上一次誤差的差值。最后，將PID的各項(xiàng)數(shù)值分別與相應(yīng)的系數(shù)相乘之后求和得PID輸出，限制輸出誤差于適宜范圍，并更新存儲(chǔ)誤差。

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)測(cè)試，磁懸浮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定平衡的效果。圖11為懸浮系統(tǒng)測(cè)試效果圖。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)為低功耗系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功耗測(cè)試，圖12為功耗測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)無(wú)懸浮體時(shí)，系統(tǒng)功耗僅為551.5 mW；當(dāng)有懸浮體時(shí)，系統(tǒng)功耗僅為635.5 mW。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證效果，與市面上購(gòu)買(mǎi)的裝置進(jìn)行了同等條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，如表1所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的磁懸浮控制系統(tǒng)具有明顯的功耗優(yōu)勢(shì)。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的微型磁懸浮控制系統(tǒng)包含了單片機(jī)控制器、霍爾傳感器采集電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路等?；赑ID控制算法和脈寬調(diào)制原理，通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)懸浮磁體的位置，再利用單片機(jī)控制電磁線(xiàn)圈將失去平衡狀態(tài)的懸浮磁體調(diào)整至平衡狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)懸浮體，使其處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，具有調(diào)節(jié)功耗低的優(yōu)勢(shì)，對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的進(jìn)一步研究具有一定的參考意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 朱佳濤，趙鴻霍，敖鑫，等.一個(gè)磁懸浮展示臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2022，18（21）：91-93.

[2] 胡帥，陳曉岑，張麗，等.下推式混合磁懸浮裝置的設(shè)計(jì)與仿真研究[J].數(shù)字制造科學(xué)，2019，17（1）：45-48.

[3] 張維煜，朱熀秋，鞠金濤，等.磁懸浮軸承研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].軸承，2016（12）：56-63.

[4] 王長(zhǎng)正.板球系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)智能優(yōu)化研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2019.

收稿日期：2023-04-17

作者簡(jiǎn)介：陳家棟（1986—），男，廣西合浦人，講師，研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。

通信作者：劉顏明（1990—），男，遼寧沈陽(yáng)人，專(zhuān)任教師，研究方向：工業(yè)先進(jìn)過(guò)程控制。