教你怎樣DIY一個(gè)磁懸浮裝置

今天教大家做一個(gè)磁懸浮玩具，

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)磁鐵懸浮；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(huì)落下去。

本文實(shí)現(xiàn)的是下推式，僅講解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(huì)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?。?br />

但是，僅僅依靠?jī)蓚€(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(huì)向旁邊飛出去。

而下推式磁懸浮的實(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(méi)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(duì)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(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)，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(cè)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(wú)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(huì)偏離鉛垂線方向，霍爾元件就能檢測(cè)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。

了解完原理，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(hào)，找到下載地址。

霍爾元件及其信號(hào)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(hào)通過(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵，L293D由STM32輸出的PWM波來(lái)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)槲以?a target="_blank">DIY的時(shí)候STM32是外接的最小系統(tǒng)，所以原理圖里沒(méi)畫(huà)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(cè)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(duì)角電磁鐵的連線上。

注意兩個(gè)霍爾U3和U4的位置：（U5也是個(gè)霍爾，本來(lái)是預(yù)留來(lái)檢測(cè)是否有磁鐵放在上面的，暫時(shí)沒(méi)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(duì)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(shuō)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(guò)AD采集，獲取磁鐵再水平方向X、Y軸的位置；二是通過(guò)兩個(gè)方向位置偏移的大小來(lái)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(guò)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(kāi)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(méi)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(duì)系統(tǒng)無(wú)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(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)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(lái)可以生成keil工程，編寫(xiě)軟件代碼。

由于整個(gè)工程源代碼比較長(zhǎng)，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(hào)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(duì)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(huì)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。

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

由于我們使用了L293D芯片來(lái)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(chǎng)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(guò)PWM3控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)PWM4來(lái)控制磁場(chǎng)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(guò)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(zhǎng)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(jué)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(jué)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(huì)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(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)，這在使用時(shí)，電磁鐵可能會(huì)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(cè)載荷的功能，如果沒(méi)有載荷，可以關(guān)閉PWM省電。

審核編輯：劉清