一個(gè)磁懸浮展示臺的設(shè)計(jì)

朱佳濤 趙鴻霍 敖鑫 常慶 宋浩琪

摘要：磁懸浮展示臺顧名思義就是指人類可以利用物體天然存在磁力或人工克服周圍物體重力作用等作用使該物體本身形成自然懸浮物形態(tài)的一種特殊技術(shù)。特定形態(tài)的展示臺可以加以利用，本項(xiàng)目的設(shè)想是制作一個(gè)磁懸浮展示臺。它利用圓形磁鐵和電弧圈生成一個(gè)穩(wěn)定磁場，可以使手機(jī)、汽車模型等在展示臺上懸浮起來，而且可以旋轉(zhuǎn);再在展示臺上添加照明裝置，從而在夜間也可以使人們看清展示臺上的展品。它的制作主要是由圓形磁鐵和電弧圈組成，擬定解決的問題有組裝圓形磁鐵和電弧圈的組成，如何控制物體懸浮到指定高度不動，如何美化底座使展品更加美觀等問題。

關(guān)鍵詞：磁懸浮;展臺;PID控制

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0091-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 概述

1.1 磁懸浮技術(shù)相關(guān)研究現(xiàn)狀

利用機(jī)械磁力可使磁性物體完全處于一種無機(jī)械接觸和懸浮的狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)設(shè)想早已在公元一個(gè)半世紀(jì)以前就早已悄然產(chǎn)生。結(jié)合目前磁懸浮軸承設(shè)計(jì)和磁性無磁傳感器的檢測兩大研究重點(diǎn)領(lǐng)域內(nèi)的大量最新理論研究成果，誕生出了這一個(gè)全新領(lǐng)域的新研究開發(fā)方向無傳感器設(shè)計(jì)的新型磁懸浮軸承。這是將傳統(tǒng)磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向尺寸進(jìn)一步變小，系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的靜動態(tài)性能將得到大幅度提高;進(jìn)一步地提高改善了磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的可靠性能，更便于設(shè)計(jì)使用磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)的控制器系統(tǒng)，因此價(jià)格還會出現(xiàn)顯著地下降。國內(nèi)從20世紀(jì)80年代初開始研究磁浮軸承技術(shù)。十幾家國企事業(yè)單位雖然已承認(rèn)從事開展過有關(guān)這幾個(gè)專業(yè)方面領(lǐng)域內(nèi)的試驗(yàn)方法研究，但它們也還大都自認(rèn)為目前尚處于實(shí)驗(yàn)階段，落后時(shí)間在國外估計(jì)已累計(jì)約達(dá)20年。

1.2 磁懸浮技術(shù)發(fā)展動態(tài)

磁懸浮工作臺控制系統(tǒng)技術(shù)也是今后我國新一代磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域最廣泛主要研究的重點(diǎn)應(yīng)用發(fā)展對象項(xiàng)目之一。隨著未來社會各行各業(yè)對精密材料表面加工檢測能力技術(shù)和對高精度的測量方法及檢測裝備精度要求的需求在不斷的得到發(fā)展提高，有關(guān)超長工作行程、超精密運(yùn)動控制理論問題的相關(guān)理論基礎(chǔ)研究正越來越引起當(dāng)前人們對技術(shù)需求的新興趣。已有研究成果已經(jīng)清楚表明，影響長行程、超精密設(shè)備的精密運(yùn)動穩(wěn)定性和動態(tài)控制系統(tǒng)精度穩(wěn)定性問題的一種最重要最直接的力學(xué)因素之一是摩擦力非線性。而磁懸浮技術(shù)正是提供一種可以實(shí)現(xiàn)高精度和長的脈沖行程、超精密的運(yùn)動及狀態(tài)穩(wěn)定控制的功能的一個(gè)目前較為普遍成熟而又可靠運(yùn)行的方式[1]。

1.3 磁懸浮展臺項(xiàng)目實(shí)施的目的

本項(xiàng)目能更好地讓人們更好地去了解磁懸浮技術(shù)，更加近距離地去了解科學(xué)，也可以通過這次的實(shí)驗(yàn)去鍛煉人們的動手能力，同時(shí)，讓人們更好地去了解這個(gè)專業(yè)，了解磁懸浮技術(shù)，也是了解當(dāng)今快速發(fā)展的世界。

1.4 磁懸浮展臺項(xiàng)目實(shí)施的意義

電磁懸浮技術(shù)（electromagnetic levitation）簡稱為EML技術(shù)。它在使用中的一個(gè)較為主要的應(yīng)用原理經(jīng)研究是通過利用高頻感應(yīng)電磁場效應(yīng)和流體在與金屬表面產(chǎn)生摩擦所產(chǎn)生的金屬渦流現(xiàn)象等來模擬實(shí)現(xiàn)金屬離子對金屬球體進(jìn)行的懸浮、達(dá)到展示物品的作用。將其中任何一個(gè)金屬樣品分別放置于在任意帶有某一特定高頻電流磁場的金屬環(huán)形線圈內(nèi)壁上進(jìn)行加熱冷卻時(shí)，高頻產(chǎn)生的高頻電磁場將必然就會同時(shí)作用于在這個(gè)金屬材料表面上從而同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)另一特定高頻渦流，這其實(shí)就是另一特定高頻電磁渦流場將與金屬線圈的外高頻電流磁場會產(chǎn)生的相互的作用，使此金屬樣品也會同時(shí)受到來自另外的一個(gè)洛倫茲反力子磁場的作用。在一個(gè)較接近合適功率范圍的低頻空間功率源配置的情況條件下，可使洛倫茲力原產(chǎn)生功率的地球電磁方向也剛好是與地球重力方向幾乎完全垂直相反，通過適當(dāng)方法改變高頻源所產(chǎn)生功率的低頻空間功率范圍以盡可能使其地球電磁力度幾乎與其地球重力加速度大致相等，即可成功初步地實(shí)現(xiàn)磁懸浮展臺[2]。

2 磁懸浮展臺項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目需要制作一個(gè)磁懸浮展臺，利用磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)展臺具有的所有功能，該展臺外觀時(shí)尚，制作優(yōu)良，克服了磁懸浮展示只能靜止懸浮、不能既懸浮又旋轉(zhuǎn)以及不能發(fā)光發(fā)聲的缺陷，既能懸浮又能旋轉(zhuǎn)，而且能發(fā)光、發(fā)聲，富有動感、靈氣與情趣，招人喜愛，從而滿足企業(yè)及單位的相關(guān)需求。

2.1本展臺完成的主要設(shè)計(jì)

本展臺完成的主要設(shè)計(jì)有：

（1）磁懸浮外觀設(shè)計(jì)：簡約性，更好地展示物品;

（2）燈光、控制和電路集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)：完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以避免產(chǎn)品零件過多，不便于運(yùn)輸，攜帶;

（3）電源技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)在該系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn);

（4）Wi-Fi遠(yuǎn)程操控的可行性;

（5）操作難度和上手性的便捷化：科技產(chǎn)品的簡化最終是要讓其進(jìn)入千家萬戶，降低操作難度提高上手性可以讓產(chǎn)品進(jìn)入更多人的視線。

2.2本展臺解決的關(guān)鍵問題

本展臺解決的關(guān)鍵問題有：

（1）磁懸浮外觀設(shè)計(jì)的簡約性：外觀華麗的物件屢見不鮮，多余的修飾反而會喧賓奪主，簡約的設(shè)計(jì)最大程度上保證所展覽物品可以吸引眼球。

（2）控制、燈光集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)尚性：就現(xiàn)今市場來說，用戶不會追求原理，更重視產(chǎn)品最直接帶來的效益，提高時(shí)尚性可以有效提高產(chǎn)品競爭力。

（3）電源及充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)，怎樣隱藏電源線：為外觀的美觀打下基礎(chǔ)。

（4）系統(tǒng)便攜性和安全性設(shè)計(jì)。

3 磁懸浮展臺項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)

3.1 硬件模塊設(shè)計(jì)

本論文設(shè)計(jì)的磁懸浮展臺為了更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要完成以下幾個(gè)設(shè)計(jì)步驟：

第一步、焊接元件

焊接元件需要注意的事項(xiàng)為：

（1）二極管，電容白色部分（有個(gè)-）對應(yīng)板白色端，不要焊接反了。

（2）其他有方向的元件焊接的時(shí)候注意方向。

（3）需要準(zhǔn)備的其他工具有烙鐵，螺絲刀，指甲剪，錫線，2A機(jī)械電流表，12V 2A的直流電源，萬用表。

第二步、焊接排針

焊接元件需要注意的事項(xiàng)為：

LED兩邊都可以焊接，注意方向，長腳是正極短腳的是負(fù)。

第三步、焊接線圈板

在焊接線圈板時(shí)，傳感器高度和方向是重點(diǎn)。90度那兩個(gè)安裝高度是線圈高度的一半，字在上那個(gè)可以稍微高一點(diǎn)。

（1）傳感器方向安裝：H1，H2這兩個(gè)字在一邊，H3字向上;

（2）線圈焊接，內(nèi)圈線頭焊接在孔里外圈線頭連在一起，用小螺絲固定好線圈;

（3）焊接排針，磁鐵安裝，浮子辨別好上下面，四組小磁鐵是相吸的（中間排斥，旁邊相吸）把下面四組磁鐵改大以后可以增加懸浮重量。如何辨別浮子的上下面呢？可以根據(jù)浮子方向判斷：霍爾絲印朝上的是檢測浮子控制電源的。通電不接電流表不安裝小磁鐵，如果插電燈就亮，放浮子時(shí)一面燈亮一面燈滅，燈亮?xí)r代表浮子的方向正確。通電時(shí)燈滅，放浮子時(shí)一面燈亮 一面燈滅 燈亮?xí)r代表浮子方向正確。浮子和下面4組小磁鐵的磁場關(guān)系是中間排斥，靠近小磁鐵是相吸。浮子必須符合這些條件。

第四步、組裝

把控制板和線圈板嚴(yán)密地插在一起

第五步、調(diào)試

把直流電流表接在DL1 和DL2 端口，是和線圈串聯(lián)的。

圖1為磁懸浮展臺位號圖。

調(diào)試的具體過程為：

（1）接直流電源12V 2A 有兩個(gè)地方可以供電，一個(gè)是插頭，一個(gè)是排針（如右圖標(biāo)有12V + -） 如果用排針供電請注意電源正負(fù)極，也可以擴(kuò)展用，接無線供電。通上電LED不亮屬于正常。

（2）通電燈亮，不接電流表調(diào)電壓。短接絲印 3503上方2個(gè)焊接點(diǎn)，讓檢測浮子控制電源的霍爾信號端接地，LED亮?xí)r不能接電流表插短路帽。測量LM324 12 腳 13腳，對地電壓大 概一樣，6V左右。如果不一樣就調(diào)節(jié)對應(yīng)的電位器，左右2個(gè)LM324都要調(diào)節(jié)。

（3）檢測電源通斷如下屬正常：拿著浮子放上去LED亮，電流表有電流，拿開浮子LED滅 注意：檢測電源通斷浮子受力關(guān)系 浮子放到中間是排斥力靠近4個(gè)小磁鐵是相吸的力 如果插上電就亮很有可能是下面4組小磁鐵安裝反了，反過來就行了。

紅色 ：浮子 另外四個(gè)：線圈

（4）手輕輕拿著浮子放到線圈上面感受下磁力如圖所示，浮子放上去 LED亮，上下左右晃動浮子，感受下有沒有一股磁力阻礙浮的移動，就是這股磁力將其鎖定。如果沒有檢查線圈，排針，傳感器有沒有焊接好。

（5）鎖定浮子的力：這里可以先畫下了這一組作為背景進(jìn)行介紹，另有一組也是一樣的道理。當(dāng)其中一個(gè)彈簧浮子在線圈左右和兩側(cè)上下移動時(shí)就可被線圈最下面位置的某一個(gè)彈簧霍爾傳感器所直接感應(yīng)或探測得到，信號馬上就可以傳到控制板芯片中從而做出反向磁場的反應(yīng)，使另外一個(gè)彈簧線圈分別產(chǎn)生另外兩個(gè)正向磁場一個(gè)彈簧線圈吸向另一個(gè)彈簧線圈時(shí)產(chǎn)生磁場排斥反應(yīng)以達(dá)到阻止其中一個(gè)彈簧浮子磁場產(chǎn)生的一個(gè)反向的偏移，（浮子偏向那邊的線圈就排斥，另一邊就吸）這過程就好比右邊所畫好的圖中兩個(gè)彈簧線圈的最中間位置固定彈簧起作用了當(dāng)同一個(gè)機(jī)械部件，部件向一個(gè)左右的方向移動或者旋轉(zhuǎn)時(shí)，總會出現(xiàn)有一個(gè)正負(fù)方向兩個(gè)固定彈簧力，一個(gè)向上反拉而另一個(gè)向前上下推，迫使這個(gè)固定部件停留在兩個(gè)彈簧力中的相對平衡的位置上（鎖定力）上，這一點(diǎn)其實(shí)是和磁懸浮技術(shù)是一樣很重要的。有這個(gè)力磁懸浮已經(jīng)成功80%了。

（6）如果浮子的鎖定力平衡點(diǎn)不在中間怎么辦？A順時(shí)針調(diào)節(jié)浮子向紅顏色箭頭方向跑? B順時(shí)針調(diào)節(jié)浮子向藍(lán)顏色箭頭方向跑。

輕輕拿著浮子，不要太用力，微調(diào)電位器注意觀察浮子的移動（手也能感覺得到）找到規(guī)律，把浮子調(diào)節(jié)到線圈的中心位置輕輕松下手，把持住浮子不要掉下來，看看能不能浮，如果能浮，看看電流表數(shù)值把電流調(diào)到0，如果不能很好地漂浮起來，觀察浮子向哪邊偏就調(diào)節(jié)對應(yīng)的電位器。當(dāng)浮起來就斷電通電多調(diào)試，把電流調(diào)到最小0，直到每次通電放上浮子電流表都是指示0，然后就把電流表拔出來，插上短路冒。這個(gè)時(shí)候就成功了。

3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)：模擬電路

可以直接通過根據(jù)PID的公式來計(jì)算來直接進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。先可以直接使用電壓比較電路來計(jì)算來得到error，即在你的想要的磁鐵上的停留的位置po的霍爾器件所返回輸出的電流實(shí)際輸出的電壓值和實(shí)際的霍爾器件所要返回實(shí)際輸出值的實(shí)際電壓與真實(shí)的輸出電流值之間產(chǎn)生的實(shí)際電壓差。后面的三路電壓并聯(lián)，分別輸入都會是一個(gè)PID，最后再分別通過電壓相加計(jì)算器來計(jì)算會得到電壓Vout。Vout固定電壓后再把和輸入另外任何一個(gè)固定的電壓的兩個(gè)輸入端電壓容差相加，（這個(gè)固定電壓相當(dāng)于讓電磁鐵磁力在po位置對磁鐵的吸力和磁鐵重力相等的值，這樣才符合PID的原理），就是最終的能穩(wěn)定給電磁鐵供電的固定電壓[3]。

3.3 軟件原理簡圖

整理完的圖能夠很清晰地看到PID的I和D部分。U1是反相放大器，輸出經(jīng)3.3k和510+10uF組成的微分電路進(jìn)入U(xiǎn)3。U2和U3是全差分放大電路，反相輸入，同相端接2個(gè)220uF和300k組成的積分電路。U1，U2，U3合起來是一個(gè)大的正向放大電路，所以電磁鐵驅(qū)動球的運(yùn)動應(yīng)該是一個(gè)負(fù)反饋過程。由于整個(gè)電路正向放大倍數(shù)達(dá)到17000，所以球下插入鋁板（鋁板的屏蔽作用把負(fù)反饋削弱了）會自激是很正常的。 沒球時(shí)，U1斷開，U2和U3同相端接2個(gè)5.1k組成的虛地（這回才是真的虛地），反相端通過300k接同相端，此時(shí)線圈電流為0省電。430k 起到增大 U2 輸入阻抗，降低 U2 的轉(zhuǎn)換速度，以達(dá)到補(bǔ)償減輕自激振蕩的程度[4]。

4 實(shí)現(xiàn)下推式磁懸浮中遇到的問題

問題：線圈發(fā)熱，影響使用體驗(yàn)。

做出假設(shè)：電路可能存在交越失真。

解決它的兩個(gè)辦法：消除失真最簡單的一個(gè)方法：設(shè)置出一個(gè)比較合適的靜態(tài)工作點(diǎn)?？朔辉绞д孀畲蟮膸讉€(gè)主要技術(shù)方法其中之一就是要設(shè)法給T1、T2的發(fā)射結(jié)加上一定的幅度的直流偏置，使它的靜態(tài)工作端一直處在這樣一個(gè)微導(dǎo)通的狀態(tài)。消除交越失真的互補(bǔ)輸出級z對交直流偏置電路的基本技術(shù)要求：有某一合適的輸出動態(tài)電流Q值點(diǎn)，且允許其輸入動態(tài)電阻值盡可能地小，即要求能夠讓其輸出的動態(tài)信號中的輸入功率損失值盡可能地小。z如果只有當(dāng)輸出信號為零時(shí)兩只管子之間會處于一個(gè)無信號臨界導(dǎo)通態(tài)的或微導(dǎo)通狀態(tài)的交錯(cuò)狀態(tài)，那么就只有在當(dāng)兩只有信號管子同時(shí)有輸入信息時(shí)在這兩只信號管子之間中也會同時(shí)至少會有其中任何一只信號管導(dǎo)通，因而這才就消除掉了這種交錯(cuò)越的失真。Z形二極管的微導(dǎo)通電阻工作正常時(shí)，對交直流電源信號輸入阻抗的電壓作用既可直接被近似等效的為一個(gè)0.6伏的交流電池或一個(gè)0.8V左右的直流電池，對交流系統(tǒng)輸出端信號電壓輸出電阻的動態(tài)阻抗電壓作用又也可直接近似等效地近似為一個(gè)相對的數(shù)值為的很微小的動態(tài)電阻[5]。

5 結(jié)論

在磁懸浮展臺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，團(tuán)隊(duì)通過真誠合作，共同努力，雖然歷時(shí)漫長，與預(yù)期效果略有不同，不過在緊張的設(shè)計(jì)過程中，也同時(shí)學(xué)到了很多專業(yè)性的知識。在磁懸浮展臺的最終設(shè)計(jì)過程中，由于知識上的不足和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的不成熟，仍然存在有許多不盡如人意的地方，例如模擬電路軟件設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步完善。還有很大的改進(jìn)空間。通過磁懸浮展臺的設(shè)計(jì)，可以深刻認(rèn)識到理論與實(shí)際操作相結(jié)合在學(xué)習(xí)過程中的重要性，很多書本上的知識，如果只是記住而無法實(shí)際運(yùn)用，它的價(jià)值就大打折扣。通過實(shí)際應(yīng)用，可以更好地理解和掌握它。只有這樣，才能提高個(gè)人能力，為從事研發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 肖志堅(jiān)，韓震宇，李紹卓.關(guān)于便攜式電子設(shè)備新型無線充電系統(tǒng)的研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007，（12）：114-116.

[5] 蔣俊華，侯衛(wèi)周.互補(bǔ)輸出級交越失真消除方法的仿真測試研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，（6）：121-125.

【通聯(lián)編輯：梁書】