STM8下推式磁悬浮实验

leixiaofeng · 发表于 2015-4-9 19:13:51

极简陋的模拟电路 (原文件名:磁悬浮(STM8 PWM).png)

源代码（STVD + Cosmic）ourdev_511866.zip(文件大小:53K) (原文件名:maglev_stm8.zip)

悬浮视频ourdev_511458.zip(文件大小:1.41M) (原文件名:maglev.zip)

电路基于ST三合一开发板的STM8S Mini Kit，ADC基准电压3.3V。
STM8使用内部16MHz RC振荡，分频比为1，核心频率16MHz。
ADC2时钟分频比为12，频率1.333MHz，工作在单次采样模式，采样时间为14 * 0.75?s + 7?s = 17.5?s，加上中断处理时间，采样率约为55KS/s。
TIM1时钟分频比为4，频率4MHz，计数器TOP值(ARR)为999，因此PWM频率为4KHz。

完成初始化后，主程序进入死循环，系统完全依赖中断服务例程运作。

设计要点详解：
1.ADC2采样完成(EOC)中断
<pre>/*
* ADC2 End Of Conversion interrupt handler
* Positions are filtered by a 7th-order moving average filter.
*/
@far @interrupt void ADC2_IRQHandler(void)
{
      static u8 xFilterPos, yFilterPos;
      static s16 xFilterBuf[8] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
      static s16 yFilterBuf[8] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};

      s16 adcValue, acc = 0;
      u8 i;

      adcValue = ADC2_GetConversionValue();
      if (currentChannel == ADC2_CHANNEL_6)
      {
            xFilterBuf[xFilterPos & 7] = adcValue;
            xFilterPos++;
            for (i = 0; i < 8; i++)
            {
                     acc += xFilterBuf;
            }
            xPos = acc >> 3;
            currentChannel = ADC2_CHANNEL_7;
      }
      else
      {
            yFilterBuf[yFilterPos & 7] = adcValue;
            yFilterPos++;
            for (i = 0; i < 8; i++)
            {
                     acc += yFilterBuf;
            }
            yPos = acc >> 3;
            currentChannel = ADC2_CHANNEL_6;
      }

      // Switch the channel and start new conversion.
      ADC2_ClearFlag();
      ADC2_ConversionConfig(ADC2_CONVERSIONMODE_SINGLE, currentChannel, ADC2_ALIGN_RIGHT);
      ADC2_StartConversion();
}</pre>

EOC中断轮流采集CH6和CH7通道的数据，并对采样值进行7阶移动平均滤波，结果存放于xPos和yPos变量。

2.TIM1更新/溢出中断
<pre>/*
* TIM1 update/overflow interrupt handler
* This IRQ is executed every 250us.
*/
@far @interrupt void TIM1_UPD_OVF_TRG_BRK_IRQHandler(void)
{
      static u8 direction;
      s16 xError, yError;
      s16 xPWM, yPWM;

      // Change X direction
      if (direction & X_DIRECTION_FLAG)
      {
            GPIO_WriteHigh(GPIOC, GPIO_PIN_3);
      }
      else
      {
            GPIO_WriteLow(GPIOC, GPIO_PIN_3);
      }

      // Change Y direction
      if (direction & Y_DIRECTION_FLAG)
      {
            GPIO_WriteHigh(GPIOC, GPIO_PIN_5);
      }
      else
      {
            GPIO_WriteLow(GPIOC, GPIO_PIN_5);
      }

      // PID calculation
      xError = xPID.targetValue - xPos;
      yError = yPID.targetValue - yPos;
      xPWM = calcPID(&xPID, xError);
      yPWM = calcPID(&yPID, yError);

      // Set the direction and OC polarity based on the PID output (takes effect on next PWM cycle)
      if (xPWM >= 0)
      {
            direction &= (u8) ~X_DIRECTION_FLAG;
            TIM1_OC1PolarityConfig(TIM1_OCPOLARITY_LOW);
      }
      else
      {
            direction |= X_DIRECTION_FLAG;
            xPWM = -xPWM;
            TIM1_OC1PolarityConfig(TIM1_OCPOLARITY_HIGH);
      }

      if (yPWM >= 0)
      {
            direction &= (u8) ~Y_DIRECTION_FLAG;
            TIM1_OC2PolarityConfig(TIM1_OCPOLARITY_LOW);
      }
      else
      {
            direction |= Y_DIRECTION_FLAG;
            yPWM = -yPWM;
            TIM1_OC2PolarityConfig(TIM1_OCPOLARITY_HIGH);
      }

      // Update the PWM (takes effect on next PWM cycle)
      TIM1_SetCompare1(xPWM);
      TIM1_SetCompare2(yPWM);

      TIM1_ClearITPendingBit(TIM1_IT_UPDATE);
}</pre>

TIM1更新/溢出中断每个PWM周期开始时(250?s)执行一次，每次执行会根据当前xPos和yPos进行PID运算和更新PWM占空比。10-bit ADC采样范围0~1023，因此PID的参考点设在中点511。
为了防止更新占空比造成当前PWM周期占空比不正常，输出比较器使用了预载功能，即更新会在下一个PWM周期才生效。
控制方向根据PID运算结果的符号来判断，保存在direction变量中，在下一个PWM周期才对应更新GPIO的输出状态，与PWM占空比更新同步。

PWM控制时序如下图（只画了X轴，Y轴同理）：

PWM时序 (原文件名:磁悬浮(PWM时序).png)
当PID输出为正数时，PC3输出低电平，PC1/TIM1_CC1输出高电平有效的PWM脉冲。
当PID输出为负数时，PC3输出高电平，PC1/TIM1_CC1输出低电平有效的PWM脉冲，图中T3为占空比20%的PWM，T4为占空比40%的反向输出PWM。
结合L293D，图中T1, T2周期输出占空比20%的正向PWM至线圈，而T3, T4周期分别输出20%和40%占空比的反向PWM至线圈，从而实现双向磁场控制。

3.PID参数
<pre>       xPID.Kp = 4;
      xPID.Ki = 0;
      xPID.Kd = 30;
      xPID.integrationError = 0;
      xPID.prevError = 0;
      xPID.targetValue = 511;</pre>

由上面的代码可见，本系统只使用了PD控制，Ki为0，积分项不参与计算。Kp, Kd的值需要根据悬浮物的质量调整，整定方法可参考有关资料，这里就不详述了。

4.霍尔采样电路
霍尔采样电路采用了2片有源线性霍尔UGN3503，后接一级运放反相放大器，放大倍数为30倍，并且由一个10K多圈电位器调整输出中点电平。
运放和霍尔使用5V单电源供电，UGN3503的输出中点电压约2.5V，运放LM324输出电压范围约50mV~3.6V，因此STM8的ADC参考电压使用3.3V，分别调整10K电位器使LM324输出1.65V，此时STM8的ADC采样结果应该接近511，误差虽然越小越好，但不需要绝对准确（霍尔、运放都有温漂，不可能绝对准确），一般调整至480~550范围内即可。

5.硬件安装

线圈及霍尔安装 (原文件名:磁悬浮(线圈及霍尔安装).png)
每组两个线圈同名端相连（即反向串接）。霍尔置于4个线圈中间的空隙，高度约在线圈中部，需注意霍尔作用面应位于线圈中轴线上，不应采用图中虚线标示的安装方式，否则会造成定位误差。
磁环置于电路板下面，需要注意的是磁环的放置会影响霍尔输出，因此运放输出中点调节最好配合磁环定位同时调节。