CN200969563Y - 一种磁悬浮旋转装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁悬浮旋转装置，所述磁悬浮旋转装置的旋转驱动装置采用盘式永磁无刷电机驱动，悬浮控制电路采用比例微分控制器，功率放大电路采用由集成电路组成的H桥开关功放，悬浮控制采用差动控制方式。本磁悬浮旋转装置悬浮更加稳定，控制电路简单，功耗小，旋转驱动可以自由变化方向和转速。本磁悬浮旋转装置的设计可以更好地满足教育科研单位作为教学，科研和演示的需要，激发相关专业的学生的学习兴趣，也可以作为磁悬浮科技的展览以及产品广告宣传的需要。

Description

一种磁悬浮旋转装置

技术领域

本实用新型属于磁悬浮技术领域，特别是涉及磁悬浮旋转装置。

背景技术

随着磁悬浮列车的问世，近年来磁悬浮相关技术的研究开发方兴未艾，其中出现了各种磁悬浮旋转装置，比如磁悬浮地球仪，磁悬浮礼品等等，用于科技馆展览，教育科研单位作为科研教学仪器或者产品广告展示，及具有科教、娱乐和商业价值。

例如，2002年8月20日公开的发明专利(公开号CN1437312)“大型磁悬浮装置的控制系统”，该装置的悬浮控制系统采用光电控制系统，即采用光电传感器作为检测悬浮物位移的传感器；旋转驱动装置为磁吸转盘式系统，即在浮体下部偏离中心的某一圆周上布设有两个以上的永磁体，在浮体下方的桌面相应的圆周上也布设多个极性相反的永磁体，桌面绕浮体重心轴线旋转时，借助磁力带动上方浮体旋转。上述专利所使用的光电传感器容易受外界可见光的干扰，对磁悬浮装置的工作条件有特殊要求，所以对系统的稳定悬浮是很大的不利因素；而且由于光电传感器包括光源和接收器两个部分，所以它的安放需要占用较大的空间；该专利的旋转驱动仅仅采用单个电磁线圈推动的方式，无法实现悬浮物旋转方向的自由变化。

2006年7月12日授权公告的实用新型专利(专利号ZL 200420061347.9)“磁悬浮展示装置”，该实用新型采用的是霍尔传感器，控制电路采用的是脉宽调制电路，功率放大电路由一只场效应管实现。该专利虽然使用了霍尔传感器和脉宽调制方式实现悬浮控制，比上述专利有了很大进步。但是由于没有采取任何控制策略，所以系统的稳定性也不会很好，难以克服系统的非线性。同时，本领域的技术人员众所周知的是，由于只有一个场效应管作开关器件，在开关器件关断的时候，线圈电流只能通过电阻和续流二极管消耗释放能量，所以功放电路的功耗仍然很大。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种悬浮更加稳定，悬浮控制电路简单，功耗小，旋转速度和方向可以自由变换的磁悬浮旋转装置，可以更好地满足自动控制、电气以及电力电子专业的学生进行教学、实验以及科研的需要。

为了解决上述问题，本磁悬浮旋转装置的悬浮控制电路采用比例微分控制器，更好地克服电磁力的非线性；本实用新型的功率放大电路采用H桥开关功放，H桥开关功放受控于脉宽调制电路，该开关功放由一个集成电路及其外围电路实现，简化了电路，而且功耗大大降低。本实用新型的旋转驱动装置由一个盘式永磁无刷电机实现，本领域的技术人员众所周知的是，永磁无刷电机调速性能好，结构灵活，功率消耗小，在电机控制器的作用下灵活地完成换向，调速。

本磁悬浮旋转装置如果需要较高的转速，就在支架的上隔板和下隔板的中心位置分别对称地布置一对电磁铁，在悬浮物的上下端分别对称地固定一对永久磁铁，在悬浮控制电路里面具有两个电路组成完全相同的第一开关功放和第二开关功放，两个开关功放受控于脉宽调制波，但是控制第二开关功放的脉宽波和控制第一开关功放的的脉宽波反相。当转轴向上运动的时候，上电磁铁的电流减小，下电磁铁的电流增大，意味着上电磁力减小，下电磁力增大，转轴被重新拉回平衡位置。反之，当转轴向下运动的时候，电磁力的作用正好相反，即下电磁铁磁力减小，上电磁铁磁力增大。上述这种差动控制的方式增大了悬浮物在垂直方向的刚度，使得悬浮更加稳定；而且由于上下永久磁铁和电磁铁之间的吸引力在水平方向的分力，给悬浮物在水平方向的运动加以约束，减少了悬浮物在转速较高的情况下在水平方向的摆动，使得悬浮物的悬浮旋转更加稳定。

如果在转速较低的情况下，只在上隔板布置一个上电磁铁，只在转轴的上端固定上永久磁铁，悬浮控制电路里面只有第一开关功放。

本实用新型和背景技术相比，由于加入了比例微分控制器和采用差动控制方式，使得悬浮更加稳定，开关功放采用H桥开关功放，并由一个集成电路及其外围电路实现，不但电路简单，而且功耗很低。旋转驱动装置由盘式永磁无刷电机实现，对电气自动化和电力电子专业的学生来说可以研究永磁无刷电机的控制技术，比如调速，换向和能量的双向变换等。总之，本实用新型的设计不但悬浮旋转性能有所提高，而且更好地适用于大专院校的教学，实验和演示的需要，激发学生的学习兴趣。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型磁悬浮旋转装置的第一种实施例的装置原理图。

图2为本实用新型磁悬浮旋转装置的第二种实施例的装置原理图。

图3为本实用新型的第一种实施例的磁悬浮控制电路图。

图4为本实用新型的第二种实施例的磁悬浮控制电路图。

图5为本实用新型的盘式永磁无刷电机的定子俯视图。

图6为本实用新型的盘式永磁无刷电机的转子俯视图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示的实施例由支架以及固定于所述支架上的电磁铁，悬浮物，旋转驱动装置和悬浮控制系统组成。

所述支架由四根立柱4，上隔板1，中隔板6和下隔板11组成，所述上隔板1、中隔板6和下隔板11分别由螺母2固定于立柱4上，立柱4为带螺纹的螺杆，这样便于根据需要调整隔板在垂直方向的位置。上隔板1的中心固定有上电磁铁L1，下隔板11的中心固定有下电磁铁L2，上电磁铁L1的下面固定有霍尔传感器J。

所述悬浮物包括转轴5以及分别固定于转轴两端的上永久磁铁3和下永久磁铁10，还包括套接于转轴中部的转盘9。

所述旋转驱动装置包括盘式永磁无刷电机和电机驱动电路，所述盘式永磁无刷电机包括固定于中隔板6下面的定子线圈7以及固定于转盘9上面的转子磁极8，所述定子线圈(7)与电机驱动电路相连，所述电机驱动电路为本领域的技术人员所熟知的永磁无刷电机的驱动电路；图5为盘式永磁无刷电机的定子部分，其中六个定子线圈8绕圆周以均匀间距分别粘贴在中隔板6上，三个位置传感器12分别布置于相邻的三个线圈的中央；图6为盘式永磁无刷电机的转子部分，其中四个转子磁极8也是绕圆周以均匀间距固定在转盘9上。

所述悬浮控制系统包括：霍尔传感器J，比例微分控制器，脉宽调制器，反相器NOT，第一开关功放和第二开关功放以及上电磁铁L1和下电磁铁L2，所述比例微分控制器包括比例电路、微分电路和加法器。

图3为本磁悬浮旋转装置的第一种实施例的悬浮控制系统的电路图。

如图3所示，所述比例电路由放大器A1，可调电阻R1和R2，电阻R3组成；微分电路由放大器A3，可调电阻R4和R5，电解电容C1，电阻R6组成；加法器由放大器A2，电阻R7、R8、R9和R10组成；所述脉宽调制器由集成块SG3503，电阻R11、R12、R13和电容C2组成；所述第一开关功放由集成块LMD18201，电解电容C3，电容C4，发光二极管LED和电阻R14组成；所述第二开关功放的电路组成和第一开关功放相同。

霍尔传感器的第3脚输出的电压信号一路经可调电阻R2接放大器A1的反相端，另一路分别经可调电阻R4接放大器A3的反相端，电解电容C1的正极和负极分别接霍尔传感器J的第3脚和放大器A3的反相端，可调电阻R1的两端分别接放大器A1的反相端和输出端，可调电阻R5的两端分别接放大器A3的反相端和输出端，放大器A1的同相端经电阻R3接地，放大器A3的同相端经电阻R6接地，可调电阻R1，R2，R4和R5的阻值变化用以改变比例微分电路的参数。放大器A1输出的比例信号和放大器A3输出的微分信号分别经电阻R7和R9接放大器A2的反相端，电阻R8跨接在放大器A2的输出端和反相端之间，放大器A2的同相端经电阻R10接地。

放大器A2输出的比例微分控制信号和集成块SG3503的第2脚相连，集成块SG3503的第1脚和第9脚、第3脚和第4脚分别短接，第15脚接+15V电源并分别经电阻R12和R13接第13脚和第12脚，6脚和7脚分别经电阻R11和电容C2接地，电阻R11和电容C2组成振荡电路，第16脚输出一个+5V的标准电压，该+5V电压同时给霍尔传感器的第1脚提供电源，集成块SG3503的第11脚输出脉宽调制波，该脉宽调制波受控于第2脚输入的比例微分控制信号。

第一开关功放的集成块LMD18201的第5脚接集成块SG3503的第11脚输出的脉宽调制波，第3脚接集成块SG3503的16脚提供的+5V高电平，保证开关功放的电流方向保持不变，使开关功放工作在单极性模式；4脚、7脚和8脚均接地，6脚接+30V电源并且经电解电容C3和电容C4接地，其中电解电容C3的正极接第6脚，集成块LMD18201的9脚接发光二极管LED的负极，电阻R14的两端分别接发光二极管LED的正极和集成块SG3503的16脚，电阻R14和发光二极管LED组成开关功放的超温警告电路，当集成块LMD18201的温度超过一定限度的时候，发光二极管LED就会发亮，警告芯片超温。集成块LMD18201的2脚和10脚给电磁铁L1提供电流，该电流的大小随着第5脚输入的脉宽调制波的占空比的变化而变化。

同时，集成块SG3503的第11脚输出的脉宽调制波经一个反相器NOT接第二开关功放的集成块LMD18201的第5脚，第二开关功放给电磁铁L2提供电流，其余和第一开关功放的电路组成完全相同。由于反相器NOT的作用，第二开关功放接收的脉宽调制波的占空比的变化趋势和第一开关功放接收的脉宽调制波的占空比的变化趋势正好相反，最终的结果是：如果电磁铁L1的电流增大，电磁铁L2的电流就减小，反之，如果电磁铁L1的电流减小，电磁铁L2的电流增大。

假设悬浮物受到扰动向上运动，霍尔传感器感受到磁通密度的变化就会输出一个电压信号给比例微分控制器，比例微分控制器输出的控制信号就会使得脉宽调制器输出的脉宽调制波的占空比减小，从而使得第一功放输出的电流减小。但是，由于经过反相器NOT的作用，第二功放接收的脉宽调制波的占空比增大，第二功放输出的电流增大，也就是说，上电磁铁L1的电流减小，下电磁铁L2的电流增大，最终的结果是悬浮物上端受到的电磁力减小，下端受到的电磁力增大，悬浮物被重新拉回平衡位置。如果悬浮物受到扰动向下运动，控制过程和上述情况正好相反。这种差动控制的方式，使得悬浮物失去平衡之后的电磁恢复力的刚度增大，响应速度加快，有利于悬浮的稳定性。

实施例二

图2为本实用新型的第二种实施例的装置原理图，和第一种实施例不同的是，第二种实施例的支架由四根立柱4，上隔板1和中隔板6组成。

所述悬浮物包括转轴5以及固定于转轴上端的上永久磁铁3，还包括套接于转轴下端的转盘9。

所述悬浮控制系统包括：霍尔传感器(J)，比例微分控制器，脉宽调制器，第一开关功放以及上电磁铁(L1)。

该实施例只有上电磁铁L1提供电磁悬浮力。

Claims (2)

1.一种磁悬浮旋转装置，包括支架以及固定于所述支架上的电磁铁，悬浮物，旋转驱动装置和悬浮控制系统，其特征在于：

所述支架由四根立柱(4)，上隔板(1)，中隔板(6)和下隔板(11)组成，所述立柱(4)为螺杆，所述上隔板(1)，中隔板(6)和下隔板(11)分别由螺母(2)固定于立柱(4)上，上隔板(1)的中心固定有上电磁铁(L1)，下隔板(11)的中心固定有下电磁铁(L2)，上电磁铁(L1)的下面固定有霍尔传感器(J)；

所述悬浮物包括转轴(5)以及分别固定于转轴(5)两端的上永久磁铁(3)和下永久磁铁(10)，还包括套接于转轴中部的转盘(9)；

所述旋转驱动装置包括盘式永磁无刷电机和电机驱动电路，所述盘式永磁无刷电机包括固定于中隔板(6)下面的六个定子线圈(7)以及固定于转盘(9)上面的四个转子磁极(8)，还包括三个位置传感器12；所述六个定子线圈(7)绕圆周以均匀间距分别粘贴在中隔板(6)的中央，四个转子磁极(8)也是绕相同大小的圆周以均匀间距固定在转盘(9)的中央，所述三个位置传感器(12)分别布置于相邻的三个线圈的中央，所述定子线圈(7)与电机驱动电路相连；

所述悬浮控制系统包括：霍尔传感器(J)，比例微分控制器，脉宽调制器，反相器(NOT)，第一开关功放和第二开关功放以及上电磁铁(L1)和下电磁铁(L2)，所述比例微分控制器包括比例电路、微分电路和加法器；

所述比例电路由放大器(A1)，可调电阻(R1，R2)，电阻(R3)组成；微分电路由放大器(A3)，可调电阻(R4，R5)，电解电容(C1)，电阻(R6)组成；加法器由放大器(A2)，电阻(R7，R8，R9，R10)组成；所述脉宽调制器由集成块SG3503，电阻(R11，R12，R13)和电容(C2)组成；所述第一开关功放由集成块LMD18201，电解电容(C3)，电容(C4)，发光二极管(LED)和电阻(R14)组成；所述第二开关功放的电路组成和第一开关功放相同；

所述悬浮控制系统的电路连接关系为：

霍尔传感器(J)的第3脚一路经可调电阻(R2)接放大器(A1)的反相端，另一路分别经可调电阻(R4)接放大器(A3)的反相端，电解电容(C1)的正极和负极分别接霍尔传感器(J)的第3脚和放大器(A3)的反相端，可调电阻(R1)的两端分别接放大器(A1)的反相端和输出端，可调电阻(R5)的两端分别接放大器(A3)的反相端和输出端，放大器(A1)的同相端经电阻(R3)接地，放大器(A3)的同相端经电阻(R6)接地，放大器(A1)的输出端和放大器(A3)的输出端分别经电阻(R7)和电阻(R9)接放大器(A2)的反相端，电阻(R8)跨接在放大器(A2)的输出端和反相端之间，放大器(A2)的同相端经电阻(R10)接地；

放大器(A2)的输出端和集成块SG3503的第2脚相连，集成块SG3503的第1脚和第9脚、第3脚和第4脚分别短接，第15脚接+15V电源并分别经电阻(R12)和电阻(R13)接第13脚和第12脚，第6脚和第7脚分别经电阻(R11)和电容(C2)接地，第16脚接霍尔传感器(J)的第1脚；

第一开关功放的集成块LMD18201的第5脚接集成块SG3503的第11脚，第3脚接集成块SG3503的第16脚；第4脚、第7脚和第8脚均接地，第6脚接+30V电源并且经电解电容(C3)和电容(C4)接地，其中电解电容(C3)的正极接第6脚，集成块LMD18201的第9脚接发光二极管(LED)的负极，电阻(R14)的两端分别接发光二极管(LED)的正极和集成块SG3503的第16脚，集成块LMD18201的第2脚和第10脚分别接电磁铁(L1)的两端；

第二开关功放的第2脚和第10脚分别接电磁铁L2的两端，反相器(NOT)的输入端接集成块SG3503的第11脚，反相器(NOT)的输出端接第二开关功放的集成块LMD18201的第5脚。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮旋转装置，其特征在于：

所述支架由四根立柱(4)，上隔板(1)和中隔板(6)组成；

所述悬浮物包括转轴(5)以及固定于转轴上端的上永久磁铁(3)，还包括套接于转轴下端的转盘(9)；

所述悬浮控制系统包括：霍尔传感器(J)，比例微分控制器，脉宽调制器，第一开关功放以及上电磁铁(L1)。

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