使用STC8H1K28控制微型磁悬浮

■ 前言


电磁铁的磁芯实验 中介绍了 Magnetic Levitation - The Easy Way | Elektor Magazine 中使用继电器线圈做磁悬浮的方式。电路非常简单,制作相对容易。

下面对该实验进行测试,并为今后使用模型建立打下基础。

 

01单片机电路模块1


1.电路模块设计

使用STC8H1K28控制微型磁悬浮_第1张图片

▲ STC8H1K28原理图

使用STC8H1K28控制微型磁悬浮_第2张图片

▲ STC8H1K28PCB图

  • 用于实验的IO端口功能定义:
序号 符号 功能
1 ADC0 模拟输入0
2 ADC1 模拟输入1
3 GND 电源地线
4 +5V 电源5V
5 PWM1 PWM1
6 PWM2 PWM2
7 PWM3 PWM3
8 PWM4 PWM4

★ 调试结论:

在使用PWM输出时,值需要引出 PWM1P

2.单片机软件2

● PWM输出

应用STC8H1K28的PWM1,2输出占空比可调波形,来控制线圈两端的电压。

功率输出部分使用了一款电机驱动MOS板来线圈。

▲ 实验电路以及电机驱动模块

输出PWM信号:

  • 频率:10kHz;
  • 幅值:12V;
  • 占空比:0~100%

使用STC8H1K28控制微型磁悬浮_第3张图片

▲ 输出PWM波形,频率为10kHz

 

02基本测试


1.测试施加电压与A1308的输出

在磁铁下面安装一个A1308线性HALL。测量在线圈施加PWM电压与A1308输出之间的关系。

设置MCU的PWM1,2 与电机驱动板连接、电机驱动板的输出与继电器线圈的连接极性,使得最终,施加的电压越大,HALL的输出越高。如果极性相反,只需要改变MCU与电机接口,或者电机接口与线圈之间的连接顺序即可。

使用STC8H1K28控制微型磁悬浮_第4张图片

▲ A1308线性HALL安装位置

设置SetPWMOut函数,输入参数从-100~100。分别表示施加在继电器两端的电压从-12V到+12V 。

void SetPWMOut(int nRatio) {
    unsigned long lnNumber;
    unsigned char ucNegFlag;
    unsigned int nNumber;
    ucNegFlag = 0;
    if(nRatio < 0) {
        ucNegFlag = 1;
        nRatio = -nRatio;
    }
    if(nRatio >= 100) nRatio = 100;
    lnNumber = PWM1_ARR_2;
    lnNumber *= nRatio;
    lnNumber /= 100;
    nNumber = (unsigned int)lnNumber;
    if(ucNegFlag == 0) nNumber += PWM1_ARR_2;
    else nNumber = PWM1_ARR_2 - nNumber;
    PWM1SetDuty(nNumber);
    PWM2SetDuty(PWM1_ARR_1 - nNumber);
}

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▲ SetPWMOut设置与线圈两端的电压之间的关系

将A1308的输出连接到STM8H1K28的ADC1(注意:不是0),读取AD1308的输出。
使用STC8H1K28控制微型磁悬浮_第6张图片

▲ PWM设置与A1308输出的ADC

 

03施加反馈控制


从单片机的CH0读入设定电压值。
然后通过比较AD1308的电压值与输入设定电压,进行负反馈控制。

nDelta = ADCConvert() - nADC;
if(nDelta > 0) SetPWMOut(-99);
else SetPWMOut(99);

▲ 施加负反馈之后的悬浮状态

▲ 不加空气阻尼是悬浮振荡

 

※ 结论


对于使用继电器线圈制作电磁悬浮的小实验进行实验,初步验证了该方式的可行性。遗留一下问题为今后实验所证实, 对该实验中的各个器件进行数学建模,寻找悬浮稳定参数建立理论分析。


  1. 单片机AD工程文件:AD\Test\2020\Experiment\MagneticLevitation\MLSTC8H1K28.PcbDoc * ↩︎

  2. 单片机控制软件工程:C51\STC\Test\2020\Experiment\MLSTC8H1K28\MLSTC8H1K28.uvproj ↩︎

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