[0001] 本发明涉及，具体是一种基于pid算法的磁悬浮球灯控制方法及控制系统。

[0002] 随着电力的不断发展，灯已经成为了生活必需品，出现在每个家庭的日常生活中。伴随着市场需求的日益增加，各种不同类型的灯开始出现在市场上，人们对于灯的鉴赏水准也在

[0003] 伴随科技水平的进步，各式各样的灯开始出现在市场。人们对于灯的鉴赏水准也在逐步提高，不仅对于灯的功能有了新的需求，对于灯的外观和娱乐性也有了进一步的需求。因此就需要这样的一款设计，在满足基本照明的要求上，还能满足人们对科技的幻想，既做到实用，又能满足人们对于外观的需求。

[0004] 目前市面上的磁悬浮球灯分为两种。第一种磁悬浮球灯体积较大，对环境要求高，不适用于一些较小的场景。另一种磁悬浮球灯采用放大电路形成闭环控制，没有工程控制算法的引入，对初始位置敏感，不好放置，悬浮不稳。

[0032] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0033] 如图1所示，基于pid算法的磁悬浮球灯控制方法，包括如下步骤：

[0034] 步骤一：通过霍尔传感器检测电磁线圈上方是否有悬浮体以及悬浮体的磁极是否正确，若电磁线圈上方检测到悬浮体且悬浮体的磁极对应正确，则给电磁线圈供电，单片机初始化ADC的I/O口并采集悬浮体左右方向和前后方向的位置数据；

[0035] 步骤二：将ADC的I/O口的数据进行模数转换，并传输到MCU进行进一步处理；

[0036] 步骤三：将采集到的悬浮体左右方向和前后方向的位置数据与目标值进行比较，判断出悬浮体需偏转的方向；

[0037] 步骤四：根据悬浮体需偏转方向，通过PID算法控制pwm波的输出，控制悬浮体的偏转，使悬浮体回到设定的位置。

[0038] 所述的步骤一中的悬浮体左右方向和前后方向为以环形磁铁所在水平面，以环形磁铁几何中心为原点的相互垂直的x轴和y轴，其中一个轴为左右方向，则另一个轴为前后方向。

[0039] 所述的步骤三中的将采集到的悬浮体左右方向和前后方向的位置数据与目标值进行比较，判断出悬浮体需偏转的方向，包括如下过程：

[0040] 所述的目标值为球灯在环形磁铁集合中心上方设定距离时，x轴霍尔传感器、y轴霍尔传感器所对应的磁通量信息，分别为x轴目标值和y轴目标值；当悬浮球灯偏离中心时，x轴y轴霍尔传感器所采集到的磁通量信息为距离值，分别x轴距离值和y轴距离值；

[0041] 根据x轴距离值与x轴目标值的差值，差值若为负则为偏左，若为正则为偏右；根据y轴距离值与y轴目标值的差值，差值若为负则为偏后，若为正则为偏前。

[0042] 所述的通过PID算法控制pwm波的输出，控制悬浮体的偏转，使悬浮体回到设定的位置，包括如下过程：

[0043] 在时刻t时，输入量为rin(t)，输出量为rout(t)，偏差就可计算为err(t)＝rint(t)‑rout(t),所以PID控制采用的公式为：

[0044]

[0045] 其中Kp为比例项，Tt为积分时间，TD为微分时间。

[0046] 还包括断电故障处理，所述的断电故障处理包括如下过程：

[0047] 在悬浮台上设置保护装置，在磁悬浮球灯正常工作时，通过电磁铁将保护装置锁在悬浮台上，保护装置下方通过弹簧与悬浮台连接，此时弹簧处于压缩状态；

[0048] 当意外断电时，电磁铁断开并释放保护装置，弹簧释放并带动保护装置托接住悬浮体，使悬浮体不会发生移动，保护悬浮体。

[0049] 一种基于pid算法的磁悬浮球灯控制系统，包括主控模块、开关控制模块、驱动模块、电源模块、霍尔传感器模块、电磁线圈模块、LED模块、通信模块；所述的通信模块、驱动模块、电源模块、霍尔传感器模块分别与所述的主控模块连接；所述的开关控制模块设置在电源模块与所述的主控模块之间；所述的LED模块与所述的通信模块与所述的LED模块通信连接；所述的电磁线圈模块与所述的驱动模块连接。

[0050] 其中，所述的保护装置为形状和大小与悬浮体相同的凹槽，能够容纳悬浮体，凹槽下方通过弹簧与悬浮台连接，电磁铁设置在凹槽下方，通电时，电磁铁与凹槽电磁连接。

[0051] 具体的，磁悬浮球灯控制系统由STM32F103C8T6单片机，环形磁铁，霍尔传感器，L298N驱动模块，电磁线圈和球灯组成。在最下方放置4个电磁线圈，用以控制球灯的移动方向，之后在四个电磁线圈之间放置X轴霍尔传感器和Y轴霍尔传感器，用以检测球灯的位置。外面再放一个环形磁铁，用以推动球灯上浮。最后将STM32和驱动模块连接，用以输出电流，从而控制球灯移动的方向。

[0052] 第二部分为霍尔传感器检测灯球位置。如图3所示，本发明需要通过x轴霍尔传感器和y轴霍尔传感器共同测定悬浮球的位置。线性霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，输出的数据为模拟量。线性霍尔的输出电压与传过其本身的磁场强度成正比，根据磁场特性和强度其输出电压上升或下降，输出电压与感应到的磁场极性和强度的关系固定。静态输出电压为电源电压的一半，也就是中点电压，当S磁极对准霍尔电路印章面，磁场增强时，输出电压高于中点电压，逐渐变大，当N磁极对准霍尔电路印章面，磁场增强时，输出电压低于中点电压。当霍尔元件通以恒定的电流时，霍尔电压VH仅与元件所在位置的磁感应强度B有关，而梯度磁场在一定范围内沿垂直的x方向上磁感应强度B的梯度dB/dx为一常数，因此当霍尔元件上下移动时霍尔电压随之的变化量为

[0053]

[0054] 式中，K为常数，是霍尔式位移传感器的灵敏度Sn，将上式积分得

[0055] VH＝Kx

[0056] 即在一定范围内霍尔电压与位移量x成线性关系。本发明便是利用这一特性，通过在磁场内放置x轴和y轴的霍尔传感器，检测电磁场内悬浮球灯的位置变化，输出模拟量给主控模块，再通过数模转换，在串口输出数字量，如图6、7所示。

[0057] 第三部分为PID算法控制输出pwm波。PID算法的整体结构如图8所示，在时刻t时，输入量为rin(t)，输出量为rout(t)，于是偏差就可计算为err(t)＝rint(t)‑rout(t),所以PID的基本控制规律为：

[0058]

[0059] 其中Kp为比例项，TI为积分时间，TD为微分时间，比例环节就是将输出值与目标值进行比较，如果偏差大就增大pwm波的输出，如果偏差小的话就减小pwm波的输出。微分环节就是

[0060] 对每次偏差求微分，能够反映出偏差信号的变化趋势，在偏差信号值变得太大或太小时，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快速度，减小调节的时间。积分环节就是为了在微分环节和比例环节都不在其作用时，还能继续作用，只要系统存在偏差，积分环节就会控制输出pwm波。

[0061] 第四部分为STM32控制球灯移动的方向。如图9所示，首先初始化ADC的GPIO口的配置，然后通过霍尔传感器获取悬浮球体的x、y轴的偏移数据，再通过PID算法比较当前输出值与目标值的差值，控制输出pwm波，悬浮球体下方的电磁铁，通过STM32输出的pwm波的正向和反向来控制磁场内的力的方向，从而控制悬浮球移动的位置。

[0062] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。