【已更新教程】【简易磁悬浮】装置

刚做好的一个下推式磁悬浮装置~需要的外围东西很少，用arduino uno控制，l298n驱动四个线圈电磁铁，配合霍尔传感器就能悬浮了，演示效果看视频。源代码先传上，等过几天有空了来更新详细教程，包括原理介绍，线圈绕制，电路连接等都会发上来。

2014-6-12 13:00 上传
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2014-6-12 13:00 上传
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来补坑写教程了。。。。



首先介绍一下原理，其实很简单，磁力对悬浮物的控制，其基本原理是：霍尔传感器在浮子的正下方，当检测到浮子向左运动时，两边的线圈一个吸一个拉，把它推向右；反之如果浮子想右运动，那么两个线圈的电流都反向，总共两组共四个这样的线圈，就可以把浮子限制在二维平面之内了。但是线圈产生的力是比较小的，因此只能够推动浮子在水平面移动，要克服浮子的重力让它悬浮起来，就要在四个线圈下面再加一个大的环形磁铁提供斥力。

大家应该玩过这中磁悬浮玩具

2014-6-15 23:58 上传
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原理差不多，它下面其实就是一个大的磁铁提供斥力，但是浮子放上去是不稳定的，所以这种玩具需要借助陀螺高速旋转产生的陀螺仪效应维持平衡。而我们这个装置不需要浮子旋转，放上去就能悬浮，对浮子的限制是靠线圈调节的。



我们这个装置主要用到的东西有

1.arduino主控板

2.线圈

3.大磁铁

4.霍尔传感器



顺便解释一下霍尔传感器。。。这是一种测量磁场强度的元件，可以把通过它垂直面的磁力线强度转化为不同的电压值，这样我们用单片机ADC读取之后就可以得到浮子的位置信息了。霍尔传感器的安装位置很有讲究，前面说了它是测量通过其垂直面的磁力线，也就是浮子发出的磁力线，而我们电磁线圈在调节的同时磁力线也在变，如果这个变化被霍尔感应到了结果就很不可靠了，所以霍尔的安装位置应该是位于四个线圈的中间高度，这里的磁力线刚好是与霍尔平行，不产生影响。

2014-6-16 00:05 上传
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2014-6-16 00:05 上传
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用前后左右共四个线圈，两个霍尔传感器配合，就可以把浮子稳定的悬浮住。



为了让悬浮更加稳定，我们采用了PID控制的平衡算法，对PID算法的了解有助于我们对整个实验原理的理解，借用网上对PID的一段介绍：在工程实际中，PID控制是应用最为广泛的调节器控制机制。PID控制中得P代表比例，即proportion；I代表积分，即integral；D代表微分，即differential；因此，PID控制，即比例-积分-微分控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或者得不到精确的数学模型时，其他的控制方法难以采用，那么控制器的结构和参数必须结合经验和现场调试来决定，在这种情况下采用PID调节最为方便。首先，比例控制是一种最简单的控制方式，就像胡克公式中的比例系数一样，当控制器的输出与输入信号成比例关系，那么就可以得到一个比例系数。其次，积分控制是指控制器的输出与输入的误差信号的积分有关。就如同电路中的电感元件，某个时刻的电压与电流的积分有关。类似的，有时候信号的输出必须综合之前信号的输入，而这种综合往往是求和关系，因此使用积分控制简单易行。最后，微分控制是指控制器的输出与输入信号的微分有关。最简单的微分关系就是速度是位矢的微分。我们在控制悬浮物的平衡时，光知道悬浮物偏离平衡位置的位移从而采用比例控制是不够的，对于同样的偏离位移，悬浮物可能有不同的速度，那么要求我们对悬浮物有不同的处理方法，而恰恰速度是位矢的微分，于是我们可以通过对位移输入数据进行微分操作，来实现对悬浮物的精确实时控制。可见，PID控制器是一种那个动态的控制机制。 以上就是实现下推式磁悬浮的基本原理，借助以上的基本原理，结合一定的软件算法实现，我们就可以对悬浮物进行动态控制。



看不懂的可以不管那些废话...总之就是我们把霍尔元件度数也就是浮子的位置作为输入变量输入PID函数，设定一个目标值也就是浮子在中间位置时的读数值，然后把输出赋值给PWM驱动线圈，剩下的就是调整PID参数让它自己控制浮子去啦。



接下来是电路

这个其实电路并不复杂，回复中有人给了电路图了，这里再发一个简化一点的

2014-6-16 00:13 上传
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这是L298N和线圈连接的方式，arduino和l298n的连接大家应该比较熟悉了，网上也有很多例程，大家把我代码里的相关引脚改成你连接的脚就行了，霍尔用analogRead（）读取，PID有arduino的相关库。



霍尔元件一般需要放大电路放大，但是考虑到对一些初学者比较复杂，大家可以考虑直接到网上买那种线性霍尔元件模块，内置放大的直接接到arduino上就能用，注意一定要线性的！还有一种是开关式的只能输出0和1两个值，我们需要的是输出模拟电压的模块。



接下来是线圈，这个东西买不到，得自己绕制，去网上买一大卷漆包线就可以了，用支架自己绕上2,3百圈基本就够用。。。

这是我绕的样子

2014-6-16 00:19 上传
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2014-6-16 00:19 上传
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这里有三个霍尔，额外的一个用于检测是否放置了浮子的。



这是加上大磁铁之后的样子

2014-6-16 00:20 上传
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三层板。。。

2014-6-16 00:21 上传
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供电电源大家自己想办法，只用arduino的5v电压是肯定不够的，线圈要产生足够的磁力需要更大一点的电压电流，我使用的是电脑显示器的电源适配器，最大有12v4A，大家可以自己去网上找找相关的电源适配器，应该不难买的。



暂时就想到这么多，大家还有什么不懂的再问吧。



程序源代码
via - 极客工坊