CN108154790A - 节能式磁悬浮地球仪 - Google Patents

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Abstract

节能式磁悬浮地球仪，其特征在于：该装置包括地球仪(1)和底座(7)，地球仪(1)对应悬浮设置在底座(7)的上方，地球仪(1)内设置一个陀螺形永磁铁(2)，底座(7)内设置有永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、印刷电路板(6)和锂电池(8)，本发明的有益效果是，使用数字式PID控制器替代传统模拟控制器，在减小功耗、离开固定电源供电的同时，简化了电路。

Description

节能式磁悬浮地球仪
技术领域
本发明涉及一种单片机控制式永磁电磁混合型磁悬浮系统，属于机电一体化技术应用领域。
背景技术
现有的磁悬浮装置一般分为上拉式和下推式两种。上拉式的单自由度的磁悬浮主要包括电磁线圈和悬浮体，利用上方的电磁线圈产生吸力来平衡位于电磁线圈下方的悬浮体的重力从而使悬浮物悬浮。下推式的磁悬浮主要有底座和悬浮物组成，利用安装在底座上的磁铁产生的磁斥力来平衡位于底座上方悬浮体，通过底座的电磁线圈控制悬浮体在水平面方向上的位移。
中国专利公告号201839242U，1838521等公开的方案中主要包括电磁线圈、霍尔传感器、运算放大器和控制电路。利用霍尔传感器检测悬浮体的位置反馈给控制电路，控制线圈电流的通断及方向来产生吸力或者斥力使悬浮体悬浮。但这些采用的都是纯模拟电路控制方式，模拟电路实现逻辑控制需要许多分立电子元件，电路复杂，灵活性和适应性太差，且存在零点漂移问题，控制精度低。其次，这些公告号中的方案并没有解决磁悬浮机芯的供电问题，采用的都是市电提供电源，市电供电会有磁悬浮机芯无法随意移动，电能浪费问题。
发明内容
发明目的：
为了克服现有磁悬浮装置的高耗能，无法随意移动，以及原有模拟电路复杂、灵活性差的不足，本发明提供一种磁悬浮地球仪的无源驱动控制系统，该方式不仅电路简单，而且能降低整个系统的功耗，从而离开原有的市电供电，可以随意摆放在任何地方。
技术方案：
节能式磁悬浮地球仪，其特征在于：该装置包括地球仪(1)和底座(7)，地球仪(1)对应悬浮设置在底座(7)的上方，地球仪(1)内设置一个陀螺形永磁铁(2)，底座(7)内设置有永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、印刷电路板(6)和锂电池(8)，电磁线圈(4)设置在永磁环(3)内部，电磁线圈(4)为四个摆成“十”字形的线圈，即线圈的中心与永磁环(3)的中心连线形成“十”字形结构；霍尔传感器组(5)放置于永磁环(3)中心处，霍尔传感器组(5)分为三个霍尔传感器，其中两个霍尔传感器分别为检测地球仪(1)浮子在x方向（即电磁线圈( “十”字的横向）磁场变化的传感器和地球仪(1)浮子在y方向（电磁线圈( “十”字的竖向）的磁场变化的传感器，第三个霍尔传感器作为判断地球仪是否存在的传感器，其安装在前面所述两个霍尔传感器的水平方向的上方；印刷电路板(6)设置在底座(7)的底部。
印刷电路板(6)包含控制器(12)、线圈驱动电路(13)、信号调理电路(11)、电源接口电路(9)和电源指示灯(10)；电源指示灯(10)连接电源接口电路(9)和控制器(12)，控制器(12)连接信号调理电路(11)和线圈驱动电路(13)，线圈驱动电路连接电磁线圈，电源接口电路(9)连接信号调理电路(11)。电源接口电路(9)连接锂电池(8)。
所述陀螺形永磁铁(2)为两个同心圆片形永磁铁叠放而成。
所述的电磁线圈(4)对角线上的两个线圈为一组，同名端相接，形成一个对角线上两个线圈磁场相反的双向磁场。
所述的控制器(12)是基于位置式PID算法的数字式控制器，所述控制器(12)根据霍尔传感器组(5)采集到地球仪(1)位置，输出PWM信号给线圈驱动电路(13)，从而控制线圈中电流的方向和电压大小。
所述的线圈驱动电路(13)是由驱动芯片配合外围电路构成。
所述的信号调理电路(11)是由运放构成的差分放大器。
优点效果：
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：整个系统主要分为底座(7)和地球仪(1)。所述地球仪(1)内部包含一个由同心圆片形永磁铁叠放而成的陀螺形永磁铁(2)，其材质为钕铁硼，S极朝下，N极朝上。底座(1)主要安装了永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、锂电池(8)和印刷电路板(6)。其中所述永磁环(3)内嵌入电磁线圈(4)，永磁环(3)材质为铁氧体，N极朝上。所述电磁线圈(4)摆成“十”字形，对角线上的两个线圈为一组，同名端相接，形成一个对角线上两个线圈磁场相反的双向磁场。所述霍尔传感器组(5)中的两个传感器安装在四个线圈的中心位置，分别检测浮子在x方向（“十”字的横向）和y方向（“十”字的竖向）的磁场变化，另一个传感器安装在前面所述两个传感器的上方（水平方向），用于判断地球仪(1)是否存在。所述的印刷电路板(6)主要包括控制器(12)、线圈驱动电路(13)、信号调理电路(11)、电源接口电路(9)、电源指示灯(10)。所述信号调理电路(11)为负反馈反向放大电路，同时对三个方向的磁场变化进行采样放大。所述线圈驱动电路(13)采用驱动芯片配合外围电路组成。所述控制器(12)为高性能的32位单片机，通过搭建外围电源、复位时钟电路进行工作。主要工作过程为：当无地球仪(1)时，水平方向的霍尔传感器把无地球仪(1)信号送至控制器(12)，控制器(12)处于无输出状态。当控制器(12)检测到有地球仪(1)时，控制器(12)接收到x和y方向的检测信号。例如当地球仪(1)偏右时，这时x方向检测到磁场的变化，然后转换成电信号，控制器(12)根据信号，通过PID算法计算后给出了一个调节量，即PWM信号给线圈驱动电路(13)，线圈驱动电路(13)将PWM信号给x方向的线圈供一定的电压值及改变流过x方向线圈的电流方向。由于x方向的两个线圈是同名端相连，当有电流流过时，x方向线圈对悬浮物的作用力就呈现为左边线圈拉，右边线圈推。同理，悬浮物偏向任何一个方向时，线圈都会把浮子推、拉到中心位置。
本发明的有益效果是，使用数字式PID控制器替代传统模拟控制器，在减小功耗、离开固定电源供电的同时，简化了电路。
附图说明
图1无源式磁悬浮地球仪示意图
图2底座结构示意图
图3陀螺形永磁铁示意图
图4底座内的印刷电路板示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：
节能式磁悬浮地球仪，该装置包括地球仪(1)和底座(7)，地球仪(1)对应悬浮设置在底座(7)的上方，地球仪(1)内设置一个陀螺形永磁铁(2)，底座(7)内设置有永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、印刷电路板(6)和锂电池(8)，电磁线圈(4)设置在永磁环(3)内部，电磁线圈(4)为四个摆成“十”字形的线圈，即线圈的中心与永磁环(3)的中心连线形成“十”字形结构；霍尔传感器组(5)放置于永磁环(3)中心处，霍尔传感器组(5)分为三个霍尔传感器，其中两个霍尔传感器分别为检测地球仪(1)浮子在x方向（即电磁线圈( “十”字的横向）磁场变化的传感器和地球仪(1)浮子在y方向（电磁线圈( “十”字的竖向）的磁场变化的传感器，第三个霍尔传感器作为判断地球仪是否存在的传感器，其安装在前面所述两个霍尔传感器的水平方向的上方；印刷电路板(6)设置在底座(7)的底部。所谓的x方向和y方向就是垂直于纸面的平面上前后方向和左右方向。
印刷电路板(6)包含控制器(12)、线圈驱动电路(13)、信号调理电路(11)、电源接口电路(9)和电源指示灯(10)；电源指示灯(10)连接电源接口电路(9)和控制器(12)，控制器(12)连接信号调理电路(11)和线圈驱动电路(13)，线圈驱动电路连接电磁线圈，电源接口电路(9)连接信号调理电路(11)。电源接口电路(9)连接锂电池(8)。
所述陀螺形永磁铁(2)为两个同心圆片形永磁铁叠放而成。
所述的电磁线圈(4)对角线上的两个线圈为一组，同名端相接，形成一个对角线上两个线圈磁场相反的双向磁场。
所述的控制器(12)是基于位置式PID算法的数字式控制器，所述控制器(12)根据霍尔传感器组(5)采集到地球仪(1)位置，输出PWM信号给线圈驱动电路(13)，从而控制线圈中电流的方向和电压大小。
所述的线圈驱动电路(13)是由驱动芯片配合外围电路构成。
所述的信号调理电路(11)是由运放构成的差分放大器。
本发明主要原理：永磁环(3)的环形表面区域附近的磁性与其环形表面以外的围绕其中心轴的环形区域的磁性是相反的。也就是说，如果水平放置的环形磁铁的上表面的极性为N极，那么该永磁环(3)围绕其中心轴的定区域内的磁性为S极，且该区域的极性的强弱会随着垂直或水平位置的变化而变化。把陀螺形永磁铁(2)以S极朝下，N极朝上的方式放置于永磁环(3)上方一定距离的水平位置。此时悬浮物就像一滴水，下方的永磁环(3)就像一只倒扣着的碗，水会随着碗的四周流走。所以陀螺形永磁铁(2)也会往四周跑，被永磁环(3)吸走。唯有在永磁环(3)的中心处造出一个碗状的磁场才能悬浮起地球仪(1)。
参见图1，节能式磁悬浮地球仪包括地球仪(1)和底座(7)。地球仪(1)内有二个同心圆圆片形永磁铁叠放而成的陀螺形永磁铁(2)，所述陀螺形永磁铁(2)为钕硼铁材料制成。根据上述原理，如果底座(7)内的永磁环(3)的上环形表面的磁性为N，那么永磁环(3)上方中心线附近区域的磁性为S。如图1所示，将地球仪(1)放在磁性为S的区域内，并将固定在地球仪(1)内的陀螺形永磁铁(2)的S极朝下，那么根据同性相斥的原理，地球仪(1)在竖直方向上的位置会自动进行调节，直到地球仪(1)的重力与磁斥力相平衡，即地球仪(1)在竖直方向上达到平衡位置。
为了使地球仪(1)在水平方向保持平衡，不被永磁环(3)吸走,底座(7)内还有电磁线圈(4)。如图2所示，电磁线圈(4)摆成“十”字形，对角线上的两个线圈为一组，反向连接，形成对角线上磁场相反的双向磁场。电磁线圈(4)通电后产生的磁力可以维持地球仪(1)在水平方向上的平衡。在底座(7)内还安装有霍尔传感器组(5)，最上方的霍尔传感器控制电磁线圈(4)的励磁电流，检测到地球仪(1)，输出电流，检测不到地球仪(1)，无输出电流。另外两个传感器用于检测地球仪(1)在x方向和y方向的磁场变化。
另外，在底座内还有控制电路板(6)，参见图4。在电源接口电路(9)接通下，电源指示灯(10)亮起。霍尔传感器组(5)的输出电压值经放大器放大后，送入控制器(12)的ADC引脚，经ADC转换得到三组数值，其数值反映了地球仪(1)在水平方向和垂直方向上的位置。当地球仪(1)偏右时，x方向的传感器会检测到磁场变化，信号调理电路(11)将此信号放大后传送给控制器(12)，而后经内部控制算法运算后得出一个调节量给线圈驱动电路(13)，驱动电路(13)根据调节量给x方向的线圈的提供相应的电压并改变线圈中的电流方向便可调节地球仪(1)在x方向上的位置。由于x方向上的两个线圈是反向相连，线圈产生的磁场是相反的，因此x方向的线圈对地球仪(1)的作用力就呈现为左边线圈拉，右边线圈推。同理，地球仪(1)偏向任何一个方向时，线圈都会立即工作把地球仪(1)推、拉到中心位置。并由此达到完全控制地球仪(1)使它悬浮的目的。由于本系统采用了基于PID算法的零功率控制策略，所以功耗得到了减小，摒弃了原有的220v供电，而采用锂电池供电。

Claims (7)

1.节能式磁悬浮地球仪，其特征在于：该装置包括地球仪(1)和底座(7)，地球仪(1)对应悬浮设置在底座(7)的上方，地球仪(1)内设置一个陀螺形永磁铁(2)，底座(7)内设置有永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、印刷电路板(6)和锂电池(8)，电磁线圈(4)设置在永磁环(3)内部，电磁线圈(4)为四个摆成“十”字形的线圈，即线圈的中心与永磁环(3)的中心连线形成“十”字形结构；霍尔传感器组(5)放置于永磁环(3)中心处，霍尔传感器组(5)分为三个霍尔传感器，其中两个霍尔传感器分别为检测地球仪(1)浮子在x方向磁场变化的传感器和地球仪(1)浮子在y方向的磁场变化的传感器，第三个霍尔传感器作为判断地球仪是否存在的传感器，其安装在前面所述两个霍尔传感器的水平方向的上方；印刷电路板(6)设置在底座(7)的底部。
2.根据权利要求1所述的节能式磁悬浮地球仪，其特征在于：印刷电路板(6)包含控制器(12)、线圈驱动电路(13)、信号调理电路(11)、电源接口电路(9)和电源指示灯(10)；电源指示灯(10)连接电源接口电路(9)和控制器(12)，控制器(12)连接信号调理电路(11)和线圈驱动电路(13)，电源接口电路(9)连接信号调理电路(11) ；
电源接口电路(9)连接锂电池(8)。
3.根据权利要求书1所述的节能式磁悬浮地球仪，其特征在于：所述陀螺形永磁铁(2)为两个同心圆片形永磁铁叠放而成。
4.根据权利要求书1所述的节能式磁悬浮地球仪，其特征在于：所述的电磁线圈(4)对角线上的两个线圈为一组，同名端相接，形成一个对角线上两个线圈磁场相反的双向磁场。
5.根据权利要求书1所述的节能式磁悬浮地球仪，其特征在于：所述的控制器(12)是基于位置式PID算法的数字式控制器，所述控制器(12)根据霍尔传感器组(5)采集到地球仪(1)位置，输出PWM信号给线圈驱动电路(13)，从而控制线圈中电流的方向和电压大小。
6.根据权利要求书1所述的节能式磁悬浮地球仪，其特征在于：所述的线圈驱动电路(13)是由驱动芯片配合外围电路构成。
7.根据权利要求书1所述的节能式磁悬浮地球仪，其特征在于：所述的信号调理电路(11)是由运放构成的差分放大器。
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