下推式动态磁悬浮装置

下推式动态磁悬浮装置
摘要:改进了一种下推式动态磁悬浮装置。

该装置以Arduino开发板为控制元件,直流电机驱动板驱动两组线圈完成控制,首次将电位器加入装置中,从而使悬浮浮子的稳定性有非常大的提高,抗外界干扰能力也大大增强,适合实验表演和物理玩具,也期待应用。

关键词:磁悬浮下推式PID控制
1 引言
如今,磁悬浮技术以其独特的优越性在世界范围内快速发展,运用于经济建设的各个领域。

进行磁悬浮技术的研究可以实现物理学、自动控制等多个学科领域的交叉渗透,现实意义非常重要。

磁悬浮系统实质上来说,是一个不稳定的、非线性系统,因此该装置的稳定控制,一直都受到广泛的关注和研究。

为实现稳定的磁悬浮,使用控制的方法有很多,但大多比较复杂,且成本较高,难以用于实际应用。

目前,已经有了一定应用的磁悬浮装置多采用上拉式的设计,即用通电线圈提供向上的磁力,霍尔元件作为传感器,用于控制线圈磁力,使浮子受到磁力与重力平衡,达到悬浮的目的。

但是上拉式的控制方式中,浮子的浮力完全由线圈提供,系统的功耗相对较大,装置的体积也较大。

而且这样的系统控制方式比较简单,但是由于只提供了一个方向的约束,又是开环控制,稳定范围较窄,这些都限制了其应用的范围。

针对以上问题,本文设计的下推式动态磁悬浮装置采用改进型PID控制,算法简易高效,能够有效改善系统的动态品质,整个装置立体性强,集成度高,体积较小便于携带,更重要的是稳定性非常好。

2 原理
2.1 装置原理
根据悬浮的实现形式,磁悬浮现象可以分为静态磁悬浮与动态磁悬浮。

1842年,数学家山姆·恩绍(Samuel Earnshaw)用数学方法证明,单靠宏观的静态古典电磁力,磁悬浮是不可能实现的,即恩绍大定理。

在该定理的条件下,物件处于不平衡稳定,引力、静电场及静磁场等会使物件变得很不稳定。

但是,如果利用物质的抗磁性,则能够实现永磁悬浮系统中浮子的稳定悬浮。

目前,该静态磁悬浮现象的研究与应用主要集中在超导体与磁材的磁悬浮上。

但由于受超导体块材制作程序和使用环境的制约,这项技术与实际应用还具有一定距离。

而有源的动态的磁悬浮装置,通过传感器检测浮子位置变化,当浮子偏离定中心位置出现位移时,由伺服装置敏感并发生相应控制信号,通过控制元件向控制器加入反馈控制电流,产生对浮子与位移大小相关、方向相反的电磁吸引力,将浮子拉回中心达到定中目的。

2.2 控制方式
磁悬浮系统是一个不稳定的系统,稍有扰动浮子就会偏离平衡位置。

在磁悬浮的许多实际应用中,悬浮气隙有较大的工作范围。

但由于磁悬浮浮力-电流-气隙之间的非线性特性,系统模型开环不稳定,浮子稳定范围较窄,较小的外部扰动就能使浮子离开平衡区间,影响使用的方便性。

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。

反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。

测量关心的变量,与期望值相比较,用这个误差纠正调节控制系统的响应。

因此,至少需要输出反馈进行闭环控制,才能够实现稳定的悬浮。

直观上,假设浮子离开平衡位置后为静止状态,则回复力应与其偏离平衡位置的距离成正比。

但实际情况是,浮子偏离后,具有一定的速度,偏离速度越大,回复力也应相应增加。

而PD控制的原理,正是符合了以上的简要分析。

PD控制是PID控制(比例-积分-微分控制)中的一部分,由于其原理简单,实现比较方便,常应用于电机控制领域。

如图1所示,传感器的反馈量与系统计算得出的预期值之差为系统控制误差,反应了浮子偏离平衡位置的距离,作为比例环节,参数p作用于该误差,可以加快系统反应速度。

误差量对时间的微分,反应浮子偏离平衡位置的素的,作为微分环节,通过参数d作用,可以调节系统阻尼特性,改善系统的动态品质。

通过比较传感器获得的状态信息与系统计算所得的预期值进行比较,获得误差、误差的微分,并通过适合的参数作用,获得消除误差的控制量。

为了实现闭环PID控制,本装置采用线性霍尔元件作为传感器,测量浮子下方的磁场强度,把获得的浮子的状态信息作为反馈。

PD参数主要依靠实验确定。

而Arduino开发板本身具有USB通信功能,可以收集装置运行过程中产生的传感器、控制器读数,以及程序计算的中间值。

根据装置运行的表现与数值分析,可以得出控制反馈对浮子的控制是否能使其稳定在一定的平面区域,以完成对参数的调试。

2.3 装置结构
本装置采用下推式控制方式,装置图如图2所示,对应的实物图如
图3。

在装置底部安装环形普通磁铁,从底部为浮子提供向上的推力,以实现与重力的平衡。

浮子内为圆片钕铁硼强磁,其磁能极高,用较轻的重量即可获得较强的磁场,各规格组合叠放,可以调整悬浮的高度,以适应控制的需要。

在对浮子的平稳控制和浮子的平衡方面,我们主要改进了两点,一是考虑到增加约束的数量可以增加系统的稳定性,使其可以在外力干扰时仍能维持稳定的悬浮,因此本装置使用了两组共4个线圈,能提供水平面上两个垂直方向的控制力,这样就大大提高了对浮子的控制效率。

二是外界环境有可能改变,比如安装平面的水平情况或者使用时外部影响导致的振动等等,都有可能会影响到浮子的平衡。

为此,我们在装置中安装了两个电位器。

通过调节它们,可以从控制程序外部引入补偿,进而分别调节两组线圈控制力的大小,改变浮子预期的平衡位置。

这一设计,使得浮子的稳定性大大提高,不但实现了浮子的稳定平衡,而且实现了浮子的小范围移动,拓宽了装置的应用范围。

如图4便是悬浮下自制的浮子,非常稳定。

而图5显示悬浮的浮子可在稳定的状态下作定轴旋转。

这足以说明我们的改进是非常有效的。

3 结语
本文改进了下推式动态磁悬浮装置,原理简单,设备要求较低,结构模块化, PID控制算法运用广泛,控制效率高,突出特点就是稳定性好,而且可根据环境的不同进行实时调整,具有较强的抗干扰能力。

动态磁悬浮是磁悬浮技术领域的基础部分,对具体产品的开发具有技术
基础作用,在理论教学、技术开发领域有较大的研究价值。

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