Arduino上拉磁悬浮
本帖最后由 johnsonzzd 于 2012-12-9 16:59 编辑折腾了几天终于把这个东西搞定了。看似简单，还是有一些小技巧的。
主要材料：
[*]Arduino UNO主控
[*]SS495线性霍尔采集位置信息
[*]L298N驱动
[*]直径12.7mm强磁球
[*]电磁铁12V，线圈电阻10欧
主要参数：PID控制，采样周期1ms，PWM频率 3921Hz，悬浮距离30mm，电流300mA
筷子版的，下面是一个磁体，上面是一个小铁块，中间是一截筷子。悬浮距离比较小，但是方便进行建模和控制理论分析。
磁球版，悬浮距离很大，不容易进行理论分析。
http://v.youku.com/v_show/id_XMzk5NjMwMTI4.htmlconst int SS495_PIN = A0;// Analog input pin that the SS495 is attached to
const int PWM_PIN=3;// Pins 3 and 11 are connected to Timer 2.
const int SampleTime=600;
const int PWM_BIAS=128;
int Setpoint=850;
double Kp=1, Ki=0.001, Kd=50;
void setupCoilPWM()
{
// Setup the timer 2 as Phase Correct PWM, 3921 Hz.
pinMode(3, OUTPUT);
// Timer 2 register: WGM20 sets PWM phase correct mode, COM2x1 sets the PWM out to channels A and B.
TCCR2A = 0;
TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM20);
// Set the prescaler to 8, the PWM freq is 16MHz/255/2/<prescaler>
TCCR2B = 0;
TCCR2B = _BV(CS21);
}
void writeCoilPWM(uint8_t pin, int val)
{
OCR2B = val;
}
void PID_Compute( )
{
static int lastError=0;
static unsigned long int lastTime=0;
static double iiterm=0;
unsigned long now,timeChange;
int input,output,error,piterm,diterm;
now = micros();
timeChange = (now - lastTime);
if(timeChange>=SampleTime)
{
lastTime = now;
input=read_input();
error = -(Setpoint - input);
iiterm+= (Ki * error);
iiterm=constrain(iiterm,-255,255);
piterm=Kp * error;
diterm=Kd * (error - lastError)*1000/timeChange;
output = PWM_BIAS+(piterm + diterm);
output=constrain(output,0,255);
writeCoilPWM(PWM_PIN, output);
// print the results to the serial monitor:
//sprintf(str,"%04d,%+04d,%+04d,%+04d,%04d",error,piterm,diterm,(int)iiterm,output);
//Serial.println(str);
/*Remember some variables for next time*/
lastError = error;
}
}
int read_input()
{
static int last=0;
int r;
r=analogRead(SS495_PIN);
if(abs(r-last)<4)
r=last;
else
last=r;
return r;
}
void setup() {
setupCoilPWM();
}
void loop() {
// read the analog in value:
PID_Compute();
}
下一步准备加上串口通讯，用matlab做上位机界面。已经做好了Arduino的自平衡车和两旋翼模型，有空也放上来。
自平衡车就在这里：
http://www.geek-workshop.com/thread-2398-1-1.html
单旋翼实验装置，已经发到amobbs了，有详细资料：
http://www.amobbs.com/thread-5505843-1-1.html
非常有趣的东西 , 代码先收下了,有空慢慢看 很久以来一直在泡一个blog，跟大家分享下动力老男孩的博客 （为免广告嫌疑，请自行百度。）
他用了多个电磁线圈实现了 陀螺（自制磁铁陀螺）的悬浮自稳（当然，Arduino的PID平衡算法和霍尔元件也功不可没）
蛮有意思。
一直以来也学了不少。
第一幅图用皮筋捆着 上面亮灯的板子能透露细节吗？谢谢！ darkorigin 发表于 2012-5-21 00:56 static/image/common/back.gif
第一幅图用皮筋捆着 上面亮灯的板子能透露细节吗？谢谢！
那应该是L298N电极驱动板吧~~看楼主的电磁铁是12V的，Arduino提供不了那么大的电压。Arduino先连L298N，外部供电给L298N，再连电磁铁。Arduino通过PWM控制L298N，间接控制电磁铁。
以上纯属猜测，望指点。 调参数的话悬浮高度范围有多大？ 我刚要说，是不是仿照动力老男孩做的，就看到他的名字了……
话说他的磁悬浮鸡蛋还在我们这里 那个带个皮筋的板子是L298驱动板，在这里有点浪费，用个功率三极管或者MOS管就可以了。
这个东西的高度调整范围主要受限于霍尔元件。SS495从0到饱和，磁球的运动范围只有2、3毫米。所以有用图像识别的手段测量高度的，调整范围就很大了。
我看过动力老男孩的东西，受到启发，确实不错，但是有一个缺点是理论分析不够。磁悬浮不是什么创新的东西，国内的项目和国外的比起来还有很大差距。有兴趣的可以参考下面这个，从实践到理论非常详细。
http://www.coilgun.info/levitation/home.htm 完整版，用串口向PC机发送信息：const int SS495_PIN = A0;// Analog input pin that the SS495 is attached to
const int PWM_PIN=3;// Pins 3 and 11 are connected to Timer 2.
const double SampleTime=0.5;//ms
const int PWM_BIAS=128;
int Setpoint=850;
double Kp=1, Ki=0.01, Kd=90;
double piterm,diterm, iiterm=0;
int input,output,error;
unsigned long now,timeChange;
void setupCoilPWM()
{
// Setup the timer 2 as Phase Correct PWM, 3921 Hz.
pinMode(3, OUTPUT);
// Timer 2 register: WGM20 sets PWM phase correct mode, COM2x1 sets the PWM out to channels A and B.
TCCR2A = 0;
TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM20);
// Set the prescaler to 8, the PWM freq is 16MHz/255/2/<prescaler>
TCCR2B = 0;
TCCR2B = _BV(CS21);
}
void setupControlTimer()
{
//set timer1 in CTC mode.
//"ATmega4_88_168_328_DataSheet" , section 16.9.2 Clear Timer on Compare Match (CTC) Mode
cli(); // disable global interrupts
TCCR1A = 0; // set entire TCCR1A register to 0
TCCR1B = 0; // same for TCCR1B
// turn on CTC mode:
TCCR1B |= (1 << WGM12);
// Set CS12 bits for 256 prescaler:
TCCR1B |= (1 << CS12);
// set compare match register to desired timer count:
OCR1A = (SampleTime/1000)*(16000000/256);
// enable timer compare interrupt:
TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);
sei(); // enable global interrupts
}
void writeCoilPWM(uint8_t pin, int val)
{
OCR2B = val;
}
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
PID_Compute();
}
void PID_Compute( )
{
static int lastError=0;
static unsigned long int lastTime=0;
now = micros();
timeChange = (now - lastTime);
if(timeChange>=SampleTime)
{
lastTime = now;
input=read_input();
error = -(Setpoint - input);
iiterm+= (Ki * error);
iiterm=constrain(iiterm,-255,255);
piterm=Kp * error;
diterm=Kd * (error - lastError)/SampleTime;
output = PWM_BIAS+(piterm + diterm);
output=constrain(output,0,255);
writeCoilPWM(PWM_PIN, output);
/*Remember some variables for next time*/
lastError = error;
}
}
int read_input()
{
static int last=0;
int r;
r=analogRead(SS495_PIN);
if(abs(r-last)<4)
r=last;
else
last=r;
return r;
}
void setup() {
setupCoilPWM();
setupControlTimer();
// initialize serial communications at 9600 bps:
Serial.begin(115200);
}
void loop() {
// read the analog in value:
// User commands.
// if( Serial.available() )
// {
// processCommand( Serial.read() );
// }
// print the results to the serial monitor:
char str;
sprintf(str,"%ld, %03d, %04d, %+04d, %+04d, %+04d, %04d",now/1000, input,error,piterm,diterm,(int)iiterm,output);
Serial.println(str);
delay(20);
}
PC机监控程序。Matlab，能够自动滚屏
s1=serial('COM4','Baudrate',115200);
fopen(s1);
x=0;time=0;input=0;error=0;piterm=0;diterm=0;iiterm=0;pwm=0;
str='';
sen=0;
try % use try catch to ensure fclose
figure(1)
hErr=plot(x,error);
%title('Dados de LDR Aquisitados');
hold all
hP=plot(x,piterm);
hD=plot(x,diterm);
hPWM=plot(x,pwm);
j=1;
while(j<2000)
str=fscanf(s1);
sen=str2num(str);
if length(sen)<7
continue
end
x(j)=j
time(j)=sen(1);
input(j)=sen(2);
error(j)=sen(3);
piterm(j)=sen(4);
diterm(j)=sen(5);
iiterm(j)=sen(6);
pwm(j)=sen(7);
low=j-200;
if(low<1)
low=1;
end
up=j;
x_1=x(low:up);
error_1=error(low:up);
piterm_1=piterm(low:up);
diterm_1=diterm(low:up);
pwm_1=pwm(low:up);
set(hErr,'XData',x_1,'YData',error_1)
set(hPWM,'XData',x_1,'YData',pwm_1)
if(up<200)
up=200;
end
axis();
drawnow;
j=j+1;
end;
figure(2)
plot(time,input);
hold all
plot(time,error);
plot(time,piterm);
plot(time,diterm);
plot(time,pwm);
legend('input','error','pIterm','dIterm','pwm');
fclose(s1);
delete(s1);
clear s1;
catch exception
fclose(s1); % always, always want to close s1
throw (exception);
end 有动手能力的实践者都是牛人。。。赞
johnsonzzd 发表于 2012-5-21 23:45 static/image/common/back.gif
完整版，用串口向PC机发送信息：const int SS495_PIN = A0;// Analog input pin that the SS495 is attac ...
用matlab 来图形显示串口数据 这个满好的
楼主能不能 把这部分内容展开一下 ysit1990 发表于 2012-7-27 13:23 static/image/common/back.gif
用matlab 来图形显示串口数据 这个满好的
楼主能不能 把这部分内容展开一下
大部分是常规内容。关键的显示部分：
设置数据： set(hErr,'XData',x_1,'YData',error_1)
强制刷新： drawnow;
楼住什么时候放 Arduino的自平衡车和两旋翼模型 上来啊，好其待哦{:soso_e154:} 求详细教程~ 好想做啊~
动力老男孩博客里面怎么只要一端做线圈呢？ 详细资料已经上传到百度文库里了，正在审核中。感兴趣的朋友可以搜索：
杨麟 - 磁悬浮下位机软件毕业设计
来俊鹏-磁悬浮系统下位机硬件设计
自平衡车和两旋翼模型已经完成，但还不很完美，需要修正。正在整理中。