朱佳涛 赵鸿霍 敖鑫 常庆 宋浩琪

摘要：磁悬浮展示台顾名思义就是指人类可以利用物体天然存在磁力或人工克服周围物体重力作用等作用使该物体本身形成自然悬浮物形态的一种特殊技术。特定形态的展示台可以加以利用，本项目的设想是制作一个磁悬浮展示台。它利用圆形磁铁和电弧圈生成一个稳定磁场，可以使手机、汽车模型等在展示台上悬浮起来，而且可以旋转;再在展示台上添加照明装置，从而在夜间也可以使人们看清展示台上的展品。它的制作主要是由圆形磁铁和电弧圈组成，拟定解决的问题有组装圆形磁铁和电弧圈的组成，如何控制物体悬浮到指定高度不动，如何美化底座使展品更加美观等问题。

关键词：磁悬浮;展台;PID控制

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）21-0091-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 概述

1.1 磁悬浮技术相关研究现状

利用机械磁力可使磁性物体完全处于一种无机械接触和悬浮的状态的实验设想早已在公元一个半世纪以前就早已悄然产生。结合目前磁悬浮轴承设计和磁性无磁传感器的检测两大研究重点领域内的大量最新理论研究成果，诞生出了这一个全新领域的新研究开发方向无传感器设计的新型磁悬浮轴承。这是将传统磁悬浮轴承的转子系统的轴向尺寸进一步变小，系统转子的静动态性能将得到大幅度提高;进一步地提高改善了磁悬浮轴承结构的可靠性能，更便于设計使用磁悬浮轴承结构的控制器系统，因此价格还会出现显著地下降。国内从20世纪80年代初开始研究磁浮轴承技术。十几家国企事业单位虽然已承认从事开展过有关这几个专业方面领域内的试验方法研究，但它们也还大都自认为目前尚处于实验阶段，落后时间在国外估计已累计约达20年。

1.2 磁悬浮技术发展动态

磁悬浮工作台控制系统技术也是今后我国新一代磁悬浮技术领域最广泛主要研究的重点应用发展对象项目之一。随着未来社会各行各业对精密材料表面加工检测能力技术和对高精度的测量方法及检测装备精度要求的需求在不断的得到发展提高，有关超长工作行程、超精密运动控制理论问题的相关理论基础研究正越来越引起当前人们对技术需求的新兴趣。已有研究成果已经清楚表明，影响长行程、超精密设备的精密运动稳定性和动态控制系统精度稳定性问题的一种最重要最直接的力学因素之一是摩擦力非线性。而磁悬浮技术正是提供一种可以实现高精度和长的脉冲行程、超精密的运动及状态稳定控制的功能的一个目前较为普遍成熟而又可靠运行的方式[1]。

1.3 磁悬浮展台项目实施的目的

本项目能更好地让人们更好地去了解磁悬浮技术，更加近距离地去了解科学，也可以通过这次的实验去锻炼人们的动手能力，同时，让人们更好地去了解这个专业，了解磁悬浮技术，也是了解当今快速发展的世界。

1.4 磁悬浮展台项目实施的意义

电磁悬浮技术（electromagnetic levitation）简称为EML技术。它在使用中的一个较为主要的应用原理经研究是通过利用高频感应电磁场效应和流体在与金属表面产生摩擦所产生的金属涡流现象等来模拟实现金属离子对金属球体进行的悬浮、达到展示物品的作用。将其中任何一个金属样品分别放置于在任意带有某一特定高频电流磁场的金属环形线圈内壁上进行加热冷却时，高频产生的高频电磁场将必然就会同时作用于在这个金属材料表面上从而同时产生一个另一特定高频涡流，这其实就是另一特定高频电磁涡流场将与金属线圈的外高频电流磁场会产生的相互的作用，使此金属样品也会同时受到来自另外的一个洛伦兹反力子磁场的作用。在一个较接近合适功率范围的低频空间功率源配置的情况条件下，可使洛伦兹力原产生功率的地球电磁方向也刚好是与地球重力方向几乎完全垂直相反，通过适当方法改变高频源所产生功率的低频空间功率范围以尽可能使其地球电磁力度几乎与其地球重力加速度大致相等，即可成功初步地实现磁悬浮展台[2]。

2 磁悬浮展台项目的总体设计

本项目需要制作一个磁悬浮展台，利用磁悬浮技术实现展台具有的所有功能，该展台外观时尚，制作优良，克服了磁悬浮展示只能静止悬浮、不能既悬浮又旋转以及不能发光发声的缺陷，既能悬浮又能旋转，而且能发光、发声，富有动感、灵气与情趣，招人喜爱，从而满足企业及单位的相关需求。

2.1本展台完成的主要设计

本展台完成的主要设计有：

（1）磁悬浮外观设计：简约性，更好地展示物品;

（2）灯光、控制和电路集成系统设计：完整的系统设计可以避免产品零件过多，不便于运输，携带;

（3）电源技术和蓝牙技术在该系统上的实现;

（4）Wi-Fi远程操控的可行性;

（5）操作难度和上手性的便捷化：科技产品的简化最终是要让其进入千家万户，降低操作难度提高上手性可以让产品进入更多人的视线。

2.2本展台解决的关键问题

本展台解决的关键问题有：

（1）磁悬浮外观设计的简约性：外观华丽的物件屡见不鲜，多余的修饰反而会喧宾夺主，简约的设计最大程度上保证所展览物品可以吸引眼球。

（2）控制、灯光集成系统设计的时尚性：就现今市场来说，用户不会追求原理，更重视产品最直接带来的效益，提高时尚性可以有效提高产品竞争力。

（3）电源及充电技术实现，怎样隐藏电源线：为外观的美观打下基础。

（4）系统便携性和安全性设计。

3 磁悬浮展台项目的具体设计

3.1 硬件模块设计

本论文设计的磁悬浮展台为了更好地实现设计指标，需要完成以下几个设计步骤：

第一步、焊接元件

焊接元件需要注意的事项为：

（1）二极管，电容白色部分（有个-）对应板白色端，不要焊接反了。

（2）其他有方向的元件焊接的时候注意方向。

（3）需要准备的其他工具有烙铁，螺丝刀，指甲剪，锡线，2A机械电流表，12V 2A的直流电源，万用表。

第二步、焊接排针

焊接元件需要注意的事项为：

LED两边都可以焊接，注意方向，长脚是正极短脚的是负。

第三步、焊接线圈板

在焊接线圈板时，传感器高度和方向是重点。90度那两个安装高度是线圈高度的一半，字在上那个可以稍微高一点。

（1）传感器方向安装：H1，H2这两个字在一边，H3字向上;

（2）线圈焊接，内圈线头焊接在孔里外圈线头连在一起，用小螺丝固定好线圈;

（3）焊接排针，磁铁安装，浮子辨别好上下面，四组小磁铁是相吸的（中间排斥，旁边相吸）把下面四组磁铁改大以后可以增加悬浮重量。如何辨别浮子的上下面呢？可以根据浮子方向判断：霍尔丝印朝上的是检测浮子控制电源的。通电不接电流表不安装小磁铁，如果插电灯就亮，放浮子时一面灯亮一面灯灭，灯亮时代表浮子的方向正确。通电时灯灭，放浮子时一面灯亮 一面灯灭 灯亮时代表浮子方向正确。浮子和下面4组小磁铁的磁场关系是中间排斥，靠近小磁铁是相吸。浮子必须符合这些条件。

第四步、组装

把控制板和线圈板严密地插在一起

第五步、调试

把直流电流表接在DL1 和DL2 端口，是和线圈串联的。

图1为磁悬浮展台位号图。

调试的具体过程为：

（1）接直流电源12V 2A 有两个地方可以供电，一个是插头，一个是排针（如右图标有12V + -） 如果用排针供电请注意电源正负极，也可以扩展用，接无线供电。通上电LED不亮属于正常。

（2）通电灯亮，不接电流表调电压。短接丝印 3503上方2个焊接点，让检测浮子控制电源的霍尔信号端接地，LED亮时不能接电流表插短路帽。测量LM324 12 脚 13脚，对地电压大 概一样，6V左右。如果不一样就调节对应的电位器，左右2个LM324都要调节。

（3）检测电源通断如下属正常：拿着浮子放上去LED亮，电流表有电流，拿开浮子LED灭 注意：检测电源通断浮子受力关系 浮子放到中间是排斥力靠近4个小磁铁是相吸的力 如果插上电就亮很有可能是下面4组小磁铁安装反了，反过来就行了。

红色 ：浮子 另外四个：线圈

（4）手轻轻拿着浮子放到线圈上面感受下磁力如图所示，浮子放上去 LED亮，上下左右晃动浮子，感受下有没有一股磁力阻碍浮的移动，就是这股磁力将其锁定。如果没有检查线圈，排针，传感器有没有焊接好。

（5）锁定浮子的力：这里可以先画下了这一组作为背景进行介绍，另有一组也是一样的道理。当其中一个弹簧浮子在线圈左右和两侧上下移动时就可被线圈最下面位置的某一个弹簧霍尔传感器所直接感应或探测得到，信号马上就可以传到控制板芯片中从而做出反向磁场的反应，使另外一个弹簧线圈分别产生另外两个正向磁场一个弹簧线圈吸向另一个弹簧线圈时产生磁场排斥反应以达到阻止其中一个弹簧浮子磁场产生的一个反向的偏移，（浮子偏向那边的线圈就排斥，另一边就吸）这过程就好比右边所画好的图中两个弹簧线圈的最中间位置固定弹簧起作用了当同一个机械部件，部件向一个左右的方向移动或者旋转时，总会出现有一个正负方向两个固定弹簧力，一个向上反拉而另一个向前上下推，迫使这个固定部件停留在两个弹簧力中的相对平衡的位置上（锁定力）上，这一点其实是和磁悬浮技术是一样很重要的。有这个力磁悬浮已经成功80%了。

（6）如果浮子的锁定力平衡点不在中间怎么办？A顺时针调节浮子向红颜色箭头方向跑  B顺时针调节浮子向蓝颜色箭头方向跑。

轻轻拿着浮子，不要太用力，微调电位器注意观察浮子的移动（手也能感觉得到）找到规律，把浮子调节到线圈的中心位置轻轻松下手，把持住浮子不要掉下来，看看能不能浮，如果能浮，看看电流表数值把电流调到0，如果不能很好地漂浮起来，观察浮子向哪边偏就调节对应的电位器。当浮起来就断电通电多调试，把电流调到最小0，直到每次通电放上浮子电流表都是指示0，然后就把电流表拔出来，插上短路冒。这个时候就成功了。

3.2 软件模块设计：模拟电路

可以直接通过根据PID的公式来计算来直接进行实现。先可以直接使用电压比较电路来计算来得到error，即在你的想要的磁铁上的停留的位置po的霍尔器件所返回输出的电流实际输出的电压值和实际的霍尔器件所要返回实际输出值的实际电压与真实的输出电流值之间产生的实际电压差。后面的三路电压并联，分别输入都会是一个PID，最后再分别通过电压相加计算器来计算会得到电压Vout。Vout固定电压后再把和输入另外任何一个固定的电压的两个输入端电压容差相加，（这个固定电压相当于让电磁铁磁力在po位置对磁铁的吸力和磁铁重力相等的值，這样才符合PID的原理），就是最终的能稳定给电磁铁供电的固定电压[3]。

3.3 软件原理简图

整理完的图能够很清晰地看到PID的I和D部分。U1是反相放大器，输出经3.3k和510+10uF组成的微分电路进入U3。U2和U3是全差分放大电路，反相输入，同相端接2个220uF和300k组成的积分电路。U1，U2，U3合起来是一个大的正向放大电路，所以电磁铁驱动球的运动应该是一个负反馈过程。由于整个电路正向放大倍数达到17000，所以球下插入铝板（铝板的屏蔽作用把负反馈削弱了）会自激是很正常的。 没球时，U1断开，U2和U3同相端接2个5.1k组成的虚地（这回才是真的虚地），反相端通过300k接同相端，此时线圈电流为0省电。430k 起到增大 U2 输入阻抗，降低 U2 的转换速度，以达到补偿减轻自激振荡的程度[4]。

4 实现下推式磁悬浮中遇到的问题

问题：线圈发热，影响使用体验。

做出假设：电路可能存在交越失真。

解决它的两个办法：消除失真最简单的一个方法：设置出一个比较合适的静态工作点。克服交越失真最大的几个主要技术方法其中之一就是要设法给T1、T2的发射结加上一定的幅度的直流偏置，使它的静态工作端一直处在这样一个微导通的状态。消除交越失真的互补输出级z对交直流偏置电路的基本技术要求：有某一合适的输出动态电流Q值点，且允许其输入动态电阻值尽可能地小，即要求能够让其输出的动态信号中的输入功率损失值尽可能地小。z如果只有当输出信号为零时两只管子之间会处于一个无信号临界导通态的或微导通状态的交错状态，那么就只有在当两只有信号管子同时有输入信息时在这两只信号管子之间中也会同时至少会有其中任何一只信号管导通，因而这才就消除掉了这种交错越的失真。Z形二极管的微导通电阻工作正常时，对交直流电源信号输入阻抗的电压作用既可直接被近似等效的为一个0.6伏的交流电池或一个0.8V左右的直流电池，对交流系统输出端信号电压输出电阻的动态阻抗电压作用又也可直接近似等效地近似为一个相对的数值为的很微小的动态电阻[5]。

5 结论

在磁悬浮展台系统的设计阶段，团队通过真诚合作，共同努力，虽然历时漫长，与预期效果略有不同，不过在紧张的设计过程中，也同时学到了很多专业性的知识。在磁悬浮展台的最终设计过程中，由于知识上的不足和实际操作经验的不成熟，仍然存在有许多不尽如人意的地方，例如模拟电路软件设计有待进一步完善。还有很大的改进空间。通过磁悬浮展台的设计，可以深刻认识到理论与实际操作相结合在学习过程中的重要性，很多书本上的知识，如果只是记住而无法实际运用，它的价值就大打折扣。通过实际应用，可以更好地理解和掌握它。只有这样，才能提高个人能力，为从事研发工作打下良好的基礎。

参考文献：

[1] 严沈，顾洲，杨帆.磁悬浮轴承在《现代控制理论》课程设计中的应用[J].科技风，2021（31）：157-159.

[2] 徐荣金，徐瑞强，谷巍等.下推式动态磁悬浮装置[J].科技创新导报，2012，（19）：38-40.

[3] 房建成，任元.磁悬浮控制力矩陀螺技术[M].北京：国防工业出版社，2014.

[4] 肖志坚，韩震宇，李绍卓.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应用，2007，（12）：114-116.

[5] 蒋俊华，侯卫周.互补输出级交越失真消除方法的仿真测试研究[J].实验技术与管理，2016，（6）：121-125.

【通联编辑：梁书】