CN221352252U - 一种吸引式磁悬浮教学平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种吸引式磁悬浮教学平台，涉及教学领域，该吸引式磁悬浮教学平台包括：PID控制模块，用于接收光电检测模块的反馈信息，来控制电流驱动模块的输出电压、电流大小；光电检测模块，用于通过红外发射管和红外接收管检测悬浮铁球的位置，根据悬浮铁球在不同的位置，红外接收管接收红外发射管的光信号不同，转化为电信号反馈给PID控制模块；红外发射管和红外接收管分别为两个；与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过单个控制环路，简化了装置的复杂度；采用模拟信号的PID控制，方便教学和观测信号；结构使用可采购的常规物料，降低了成本，方便在常规实验中开展。

Description

一种吸引式磁悬浮教学平台

技术领域

本实用新型涉及教学领域，具体是一种吸引式磁悬浮教学平台。

背景技术

磁悬浮大致分为无源式和有源式两种。无源式靠永磁体互斥实现，悬浮体大多有一个小触点接触支撑架来保持稳定。或者用旋转的惯性保持暂时稳定。有源式有电路控制，可以长时间实现无接触悬浮。有源式分为吸引式和排斥式两种。应用在工业和交通领域，民用的多为装饰摆件。

在教学领域，用无源式磁悬浮来进行物理规律演示的居多，应用在高中物理课。有源式的磁悬浮在大学生教学中用于科技小组这种拔高教学，没有推广在常规实验教学中。

究其原因，采用排斥式的有源磁悬浮，由于要控制水平面和垂直方向的稳定，需要3个控制环路，大大增加了装置的复杂程度。在常规教学中难以开展。

采用吸引式的有源磁悬浮，由于采用了开关量PWM信号来进行控制调节，不便于学生观察控制过程。

并且它的设计是用霍尔检测永磁浮子的位置，当浮子下落远离时，会增大线圈电流来吸引。这样就带来一个缺点，当未放置浮子时，装置会认为浮子在最下方，使用最大电流来吸引。几分钟未放置好浮子，装置就会有过热损坏风险。

基于以上原因，需要对现有的磁悬浮教学平台进行改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种吸引式磁悬浮教学平台，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种吸引式磁悬浮教学平台，包括：

PID控制模块，用于接收光电检测模块的反馈信息，来控制电流驱动模块的输出电压、电流大小；

光电检测模块，用于通过红外发射管和红外接收管检测悬浮铁球的位置，根据悬浮铁球在不同的位置，红外接收管接收红外发射管的光信号不同，转化为电信号反馈给PID控制模块；红外发射管和红外接收管分别为两个；

电流驱动模块，用于接收PID控制模块的控制，输出电压、电流来改变电磁铁上的磁性强弱，进而改变悬浮铁球的位置；

PID控制模块连接电流驱动模块，光电检测模块连接PID控制模块。

作为本实用新型再进一步的方案：所述悬浮铁球设置于亚克力框架内部，亚克力框架一侧边框设置于固定孔，电磁铁固定于固定孔上。

作为本实用新型再进一步的方案：红外发射管和红外接收管分别设置于亚克力框架未设置固定孔且相对应的两侧边框。

作为本实用新型再进一步的方案：光电检测模块包括发光管LED1、发光管LED2、接收管D1、接收管D2，发光管LED1的正极连接发光管LED2的正极、电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接5V电压，发光管LED1的负极接地，发光管LED2的负极接地，接收管D1的正极接地，接收管D2的正极接地，接收管D1的负极连接电阻R2的一端、电阻R6的一端，接收管D2的负极连接电阻R3的一端、电阻R5的一端，电阻R2的另一端连接电阻R3的另一端、5V电压，电阻R5的另一端连接放大器U1的反相端、电阻R4的一端，电阻R6的另一端连接电阻R7的一端、放大器U1的同相端，电阻R7的另一端接地，放大器U1的输出端连接电阻R4的另一端、PID控制模块。

作为本实用新型再进一步的方案：电流驱动模块包括放大器U2、三极管T2、三极管T1，放大器U2的同相端连接PID控制模块，放大器U2的反相端连接三极管T1的发射极、电阻R11的一端，电阻R11的另一端接地，放大器U2的输出端连接三极管T2的基极，三极管T2的集电极连接5V电压，三极管T2的发射极连接三极管T1的基极，三极管T1的集电极连接电磁铁的一端、电容C1的一端，电容C1的另一端接地，电磁铁的另一端连接功率电源。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过单个控制环路，简化了装置的复杂度；采用模拟信号的PID控制，方便教学和观测信号；结构使用可采购的常规物料，降低了成本，方便在常规实验中开展；铁球不在位时，驱动停止工作，避免了过热。

附图说明

图1为一种吸引式磁悬浮教学平台的原理图。

图2为光电检测模块的电路图。

图3为电流驱动模块的电路图。

图中：1-PID控制模块、2-电流驱动模块、3-光电检测模块、4-铁球、5-电磁铁、6-亚克力框架、7-固定孔、8-红外发射管、9-红外接收管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，一种吸引式磁悬浮教学平台，包括：

PID控制模块1，用于接收光电检测模块3的反馈信息，来控制电流驱动模块2的输出电压、电流大小；

光电检测模块3，用于通过红外发射管8和红外接收管9检测悬浮铁球4的位置，根据悬浮铁球4在不同的位置，红外接收管9接收红外发射管8的光信号不同，转化为电信号反馈给PID控制模块1；红外发射管8和红外接收管9分别为两个；

电流驱动模块2，用于接收PID控制模块1的控制，输出电压、电流来改变电磁铁5上的磁性强弱，进而改变悬浮铁球4的位置；

PID控制模块1连接电流驱动模块2，光电检测模块3连接PID控制模块1。

在具体实施例中：请参阅图1，当铁球4下落时，光电检测模块3输出电压降低，PID控制模块1输出电压升高，电流驱动模块2输出电流随即增大，电磁铁5磁力增大，增加吸附铁球4的磁性，负反馈建立。铁球4保持动态平衡。

整个过程是模拟信号，所以是模拟信号PID控制。结果PID控制后，减小了铁球4的抖动和偏移，优化了磁悬浮效果。PID控制模块1(基于反馈电信号来调节输出信号的大小，为常规设置，不涉及创新)不在本专利中说明，只作为控制环路的一个组成部分。由于采用了模拟信号的PID控制，所以教师可以按照教课书的经典控制理论来讲解，并且示波器可以观测各单元的输出，观测铁球4的阶跃响应。

在本实施例中：请参阅图1，所述悬浮铁球4设置于亚克力框架6内部，亚克力框架6一侧边框设置于固定孔7，电磁铁5固定于固定孔7上。

磁悬浮结构使用亚克力框架6，电磁铁5安装在固定孔7，固定孔7有螺纹，电磁铁5可以调节上下位置，从而可以达到合适的吸引铁球4的效果。

在本实施例中：请参阅图1，红外发射管8和红外接收管9分别设置于亚克力框架6未设置固定孔7且相对应的两侧边框。

红外发射管8，通过孔安装在亚克力框架6上，间距跟铁球4直径配合，平衡时遮挡一半的光线。

红外接收管9，通过孔安装在亚克力框架6上，跟红外发射对齐，可以感应被遮挡的光线。

在本实施例中：请参阅图2，光电检测模块3包括发光管LED1、发光管LED2、接收管D1、接收管D2，发光管LED1的正极连接发光管LED2的正极、电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接5V电压，发光管LED1的负极接地，发光管LED2的负极接地，接收管D1的正极接地，接收管D2的正极接地，接收管D1的负极连接电阻R2的一端、电阻R6的一端，接收管D2的负极连接电阻R3的一端、电阻R5的一端，电阻R2的另一端连接电阻R3的另一端、5V电压，电阻R5的另一端连接放大器U1的反相端、电阻R4的一端，电阻R6的另一端连接电阻R7的一端、放大器U1的同相端，电阻R7的另一端接地，放大器U1的输出端连接电阻R4的另一端、PID控制模块1。

发光管LED1、发光管LED2对应两个红外发射管8，接收管D1、接收管D2对应两个红外接收管9。发光管LED1、发光管LED2发射的光部分被铁球4遮挡，接收管D1、接收管D2分别接收对应发光管发射的光，铁球4标准位置放置时，接收管D1、接收管D2接收的发光管LED1、发光管LED2发射的光在放大器U1的同相端、反相端电压相同，放大器不输出电压；当铁球4位置移动时，遮挡区域也发生了，接收管D1、接收管D2被光照射的区域发生改变，使得放大器U1的同相端、反相端电压不同，放大器U1输出反馈电压(5V或-5V)给PID控制模块1。

放大器U1的输出范围是-5V到5V。铁球上移时输出0V-5V。铁球下移时输出0V到-5V。并且上移越大电压越高，下移越多电压越低。也就是移动距离跟电压成正比变化。从而将距离转化为电压。

在本实施例中：请参阅图3，电流驱动模块2包括放大器U2、三极管T2、三极管T1，放大器U2的同相端连接PID控制模块1，放大器U2的反相端连接三极管T1的发射极、电阻R11的一端，电阻R11的另一端接地，放大器U2的输出端连接三极管T2的基极，三极管T2的集电极连接5V电压，三极管T2的发射极连接三极管T1的基极，三极管T1的集电极连接电磁铁5的一端、电容C1的一端，电容C1的另一端接地，电磁铁5的另一端连接功率电源。

PID控制模块1接收反馈信号后，输出至放大器U2的同相端电压改变，进而改变放大器U2的输出端电压状况，最终改变电磁铁5的工作状态，进而影响电磁铁5的磁性强弱，改变铁球4的位置。

平衡后Vinput＝I*R1。这个等式是靠放大器U2的负反馈来实现的，U2正常工作时，它的2管脚和3管脚电压在负反馈作用下近似相等，所以可以维持这个等式动态平衡。

本实用新型的工作原理是：PID控制模块1用于接收光电检测模块3的反馈信息，来控制电流驱动模块2的输出电压、电流大小；光电检测模块3用于通过红外发射管8和红外接收管9检测悬浮铁球4的位置，根据悬浮铁球4在不同的位置，红外接收管9接收红外发射管8的光信号不同，转化为电信号反馈给PID控制模块1；红外发射管8和红外接收管9分别为两个；电流驱动模块2用于接收PID控制模块1的控制，输出电压、电流来改变电磁铁5上的磁性强弱，进而改变悬浮铁球4的位置。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种吸引式磁悬浮教学平台，其特征在于：

该吸引式磁悬浮教学平台包括：

PID控制模块，用于接收光电检测模块的反馈信息，来控制电流驱动模块的输出电压、电流大小；

光电检测模块，用于通过红外发射管和红外接收管检测悬浮铁球的位置，根据悬浮铁球在不同的位置，红外接收管接收红外发射管的光信号不同，转化为电信号反馈给PID控制模块；红外发射管和红外接收管分别为两个；

电流驱动模块，用于接收PID控制模块的控制，输出电压、电流来改变电磁铁上的磁性强弱，进而改变悬浮铁球的位置；

PID控制模块连接电流驱动模块，光电检测模块连接PID控制模块。

2.根据权利要求1所述的吸引式磁悬浮教学平台，其特征在于，所述悬浮铁球设置于亚克力框架内部，亚克力框架一侧边框设置于固定孔，电磁铁固定于固定孔上。

3.根据权利要求2所述的吸引式磁悬浮教学平台，其特征在于，红外发射管和红外接收管分别设置于亚克力框架未设置固定孔且相对应的两侧边框。

4.根据权利要求1所述的吸引式磁悬浮教学平台，其特征在于，光电检测模块包括发光管LED1、发光管LED2、接收管D1、接收管D2，发光管LED1的正极连接发光管LED2的正极、电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接5V电压，发光管LED1的负极接地，发光管LED2的负极接地，接收管D1的正极接地，接收管D2的正极接地，接收管D1的负极连接电阻R2的一端、电阻R6的一端，接收管D2的负极连接电阻R3的一端、电阻R5的一端，电阻R2的另一端连接电阻R3的另一端、5V电压，电阻R5的另一端连接放大器U1的反相端、电阻R4的一端，电阻R6的另一端连接电阻R7的一端、放大器U1的同相端，电阻R7的另一端接地，放大器U1的输出端连接电阻R4的另一端、PID控制模块。

5.根据权利要求1或4所述的吸引式磁悬浮教学平台，其特征在于，电流驱动模块包括放大器U2、三极管T2、三极管T1，放大器U2的同相端连接PID控制模块，放大器U2的反相端连接三极管T1的发射极、电阻R11的一端，电阻R11的另一端接地，放大器U2的输出端连接三极管T2的基极，三极管T2的集电极连接5V电压，三极管T2的发射极连接三极管T1的基极，三极管T1的集电极连接电磁铁的一端、电容C1的一端，电容C1的另一端接地，电磁铁的另一端连接功率电源。