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大家可能都玩过这种磁悬浮玩具它们的工作原理与此类似。 首先让我们了解一下这个原理其实非常简单。它主要依赖于磁力对悬浮物体的控制。基本原理如下在浮子的正下方放置一个霍尔传感器。当传感器检测到浮子向左移动时两边的线圈会分别产生吸引和排斥的力从而将浮子推向右侧。相反如果浮子向右移动两个线圈的电流方向会同时反转这样总共两组共四个线圈就能够将浮子限制在二维平面内。然而线圈产生的力相对较小因此只能推动浮子在水平面上移动。为了克服浮子的重力使其悬浮起来需要在四个线圈下方增加一个大型环形磁铁来提供斥力。
为了实现浮子的稳定悬浮我们使用了前后左右共四个线圈和两个霍尔传感器。 为了使悬浮更加稳定我们采用了PID控制的平衡算法。了解PID算法有助于我们理解整个实验原理。以下是关于PID的一段介绍
在工程实际中PID控制是最广泛应用的调节器控制机制。PID控制中的P代表比例ProportionI代表积分IntegralD代表微分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完全已知或者无法获得精确的数学模型时其他控制方法难以采用。此时控制器的结构和参数需要结合经验和现场调试来确定采用PID调节最为方便。
首先比例控制是最简单的控制方式类似于胡克定律中的比例系数。当控制器的输出与输入信号成比例关系时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。就像电路中的电感元件某个时刻的电压与电流的积分有关。有时信号的输出需要综合考虑之前的输入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。最简单的微分关系是速度是位矢的微分。在控制悬浮物的平衡时仅知道悬浮物偏离平衡位置的位移并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因此我们需要对悬浮物采取不同的处理方法。而速度恰好是位矢的微分所以我们可以通过对位移输入数据进行微分操作实现对悬浮物的精确实时控制。
可见PID控制器是一种动态的控制机制。以上是实现下推式磁悬浮的基本原理。借助这些基本原理和一定的软件算法实现我们可以对悬浮物进行动态控制。
如果你对这些理论不太理解也没关系。简单来说我们将霍尔元件的读数即浮子的位置作为输入变量输入到PID函数中设定一个目标值即浮子在中间位置时的读数值然后将输出赋值给PWM驱动线圈。剩下的工作就是调整PID参数让它自动控制浮子。
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 最后的效果: 详细的文档和代码资源下载:
精品基于Arduino的简易磁悬浮装置磁力对悬浮物的控制 原理图和源代码
