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作者：稚暉

上一次做磁懸浮還是大二的時候，參加全國電子設計競賽，做控制組的題目，就是下推式的磁懸浮裝置，結果做的還不錯拿了特等獎。

最近很多網友在詢問畢業設計做什么？剛好這個項目很適合參考。

下推式的磁懸浮的運動原理：

霍爾傳感器在浮子的正下方，當檢測到浮子向左運動時，兩邊的線圈一個吸一個拉，把它推向右；反之如果浮子想右運動，那么兩個線圈的電流都反向，總共兩組共四個這樣的線圈，就可以把浮子限制在二維平面之內了。

但是，線圈產生的力是比較小的，因此只能夠推動浮子在水平面移動，要克服浮子的重力讓它懸浮起來，就要在四個線圈下面再加一個大的環形磁鐵提供斥力。

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與常見的磁懸浮裝置的差異：

如上圖（來自TB），可能有人在淘寶上見過類似的磁懸浮玩具，原理圖大同小異，比如這個藍色的里面其實就是一個大的磁鐵提供斥力，但是浮子放上去是不穩定的，所以這種玩具需要借助陀螺高速旋轉產生的陀螺儀效應維持平衡。

而我設計的裝置是不需要浮子旋轉的，放上去就能懸浮，對浮子的限制是靠線圈調節的。

接下來，分享設計中的幾個要點：

提前需要準備哪些材料？最重要的幾樣：

• Arduino主控板

• 線圈

• 大磁鐵

• 霍爾傳感器

這幾個材料中，重點介紹一下霍爾傳感器及線圈：

霍爾傳感器，是一種測量磁場強度的元件，可以把通過它垂直面的磁力線強度轉化為不同的電壓值，這樣用單片機ADC讀取之后就可以得到浮子的位置信息了。霍爾傳感器的安裝位置很有講究，前面說了它是測量通過其垂直面的磁力線，也就是浮子發出的磁力線，而我們電磁線圈在調節的同時磁力線也在變，如果這個變化被霍爾感應到了結果就很不可靠了，所以霍爾的安裝位置應該是位于四個線圈的中間高度，這里的磁力線剛好是與霍爾平行，不產生影響。用前后左右共四個線圈，兩個霍爾傳感器配合，就可以把浮子穩定的懸浮住。

霍爾元件一般需要放大電路放大，但是考慮到對一些初學者比較復雜，大家可以考慮直接到網上買那種線性霍爾元件模塊，內置放大的直接接到arduino上就能用，注意一定要線性的！還有一種是開關式的只能輸出0和1兩個值，我們需要的是輸出模擬電壓的模塊。

線圈，這個東西買不到，得自己繞制，去網上買一大卷漆包線就可以了，用支架自己繞上2,3百圈基本就夠用。這是我繞的樣子：

線圈要產生足夠的磁力需要更大一點的電壓電流，只用Arduino的5v電壓是肯定不夠的，我使用的是電腦顯示器的電源適配器，最大有12V4A，大家可以自己去網上找找相關的電源適配器，應該不難買的。?

如何增加裝置穩定性？PID算法或不可缺

為了讓懸浮更加穩定，采用了PID控制的平衡算法，對PID算法的了解有助于我們對整個實驗原理的理解。

在工程實際中，PID控制是應用最為廣泛的調節器控制機制。PID控制中的P代表比例，即proportion；I代表積分，即integral；D代表微分，即differential；因此，PID控制即比例-積分-微分控制。

當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或者得不到精確的數學模型時，其他的控制方法難以采用，那么控制器的結構和參數必須結合經驗和現場調試來決定，在這種情況下采用PID調節最為方便——

首先，比例控制是一種最簡單的控制方式，就像胡克公式中的比例系數一樣，當控制器的輸出與輸入信號成比例關系，那么就可以得到一個比例系數。

其次，積分控制是指控制器的輸出與輸入的誤差信號的積分有關。就如同電路中的電感元件，某個時刻的電壓與電流的積分有關。類似的，有時候信號的輸出必須綜合之前信號的輸入，而這種綜合往往是求和關系，因此使用積分控制簡單易行。

最后，微分控制是指控制器的輸出與輸入信號的微分有關。最簡單的微分關系就是速度是位矢的微分。

我們在控制懸浮物的平衡時，光知道懸浮物偏離平衡位置的位移從而采用比例控制是不夠的，對于同樣的偏離位移，懸浮物可能有不同的速度，那么要求我們對懸浮物有不同的處理方法，而恰恰速度是位矢的微分。

于是我們可以通過對位移輸入數據進行微分操作，來實現對懸浮物的精確實時控制?？梢?#xff0c;PID控制器是一種那個動態的控制機制。

以上就是實現下推式磁懸浮的基本原理，借助這些基本原理，結合一定的軟件算法實現，我們就可以對懸浮物進行動態控制。

看不懂的可以不管那些廢話...總之就是我們把霍爾元件度數也就是浮子的位置作為輸入變量輸入PID函數，設定一個目標值也就是浮子在中間位置時的讀數值，然后把輸出賦值給PWM驅動線圈，剩下的就是調整PID參數讓它自己控制浮子去啦。

電路難不難？其實電路并不復雜，給一個簡化的版本：

這是電源和線圈連接的方式，網上也有很多例程，霍爾用analogRead（）讀取，PID有arduino的相關庫。

當時我是采用Arduino來做的這個項目，用過Arduino的都知道，它是沒有定時器中斷的，所以在控制項目中，哪怕是很簡單的PID算法，都是無法做到精確地固定周期運行。

當然Arduino也有它的好處，就是利用各種方便的庫函數進行快速的原型驗證。整個裝置其實并不復雜，不過是需要控制幾個ADC讀取霍爾傳感器，輸出幾個PWM控制線圈，中間加點控制算法而已。

經典如PID，對于這種低階系統其實完全夠用了，所以當時經過參數的優化之后，整體的運行效果也還可以接受。

只是追求完美主義的我，在去年又再次改進了這個裝置，做了上拉式功能，主控換成了性能強很多的STM32F103C8T6，采用了更復雜的控制算法，最終的懸浮效果非常理想。如果感興趣，可以下次接著跟大家分享。

資料獲取：更新后的磁懸浮原理圖開源給大家參考，關注“大魚機器人”微信公眾號，并回復“磁懸浮”獲得。

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大家好，我是張巧龍，一名電子技術愛好者，會寫一些關于硬件與軟件結合的技術文章，若覺得文章對你有幫助，轉發分享，也是我們繼續更新的動力。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的这一套磁悬浮PID训练装置，你不能错过。的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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