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智能可控的磁悬浮系统

代飞  
【摘要】:磁悬浮技术因其无接触、低损耗、长时间使用、环保等优点受到人们的青睐,现在国内外对该技术的研究也在逐渐增多。应用该技术的产品也有很多,如磁悬浮鼠标、磁悬浮滑板、磁悬浮陀螺等,因此研究磁悬浮技术具有重要意义。本文所设计的磁悬浮系统利用了电磁学理论、磁场区域产生磁力的动力学模型、控制算法、数学建模等方法对整个系统进行了描述和分析。通过理论分析并结合实际情况设计了检测单元、中央处理单元、D/A转换模块、执行单元、系统电路等模块,最后系统经过反复的调试达到了预期的效果,可以浮起不同重量的悬浮物体,并且悬浮物体能够伴随着音乐信号可进行上下小幅度的震动。物体稳定悬浮的关键就是要使由线圈产生的电磁吸引力和悬浮物的本身重力相平衡,而物体能够震动就是在悬浮的基础上进行的,首先由光电位置传感器实时检测悬浮物与电磁线圈之间距离的改变,并将这一距离变化转化成相应的电压值输出,送到中央处理单元单片机;同时,音乐采集电路也把采集到的相应的音乐信号送到中央处理单元单片机,经单片机对所采集的这两路信号进行AD转换,结合相应的算法移相使得检测信号与控制信号同步。然后将输出的数字信号送入D/A模块,再将DA模块的输出送至执行单元从而控制悬浮物体在悬浮的前提下随音乐节奏在某一平衡位置上下振动。因此该系统主要解决的是悬浮物的稳定悬浮和震动两个问题。本文所设计的磁悬浮系统的功能主要是靠电路来实现的,因此电路部分的设计就显得非常重要,主要包括信号采集电路、差分放大电路、移相网络、功率放大模块、电源和过压电路等的设计。在单片机控制各个电路模块下,系统能够始终控制电磁线圈中的电流来产生和悬浮物体重力相平衡的电磁力,从而使悬浮物体能稳定悬浮且在加入音乐时能上下震动而保持悬浮。在最后对整个系统的各个环节(平衡位置、相位、放大器)都分别做了仔细的调试,然后选择了小铁钉、半个地球仪、一整个地球仪、一整个地球仪加上小铁钉、一整个地球仪加上兵乓球、一整个地球仪加上加上四分之一地球仪这几个不同重量的悬浮物进行调试,仔细观察并记录了实验的调试结果,将实际实验的结果与设想进行比较,分析造成这种区别的原因,同时并对在实验中的不合理的地方如调节和在器材选取、电路方面提出了改进方案,然后在进行调试最后的实验结果和预想的比较接近,而且系统的稳定性明显增强。


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