gaoxianqu 发表于 2015-11-26 14:55:27

[收集]初识磁悬浮

本帖最后由 gaoxianqu 于 2015-11-26 15:03 编辑

什么是磁悬浮，以及如何DIY一个磁悬浮玩具，这些可以通过百度直接得到。

这里是想寻找一条”将感性认识上升到理性认识再放回现实“的通道，如何通过数学、物理或电子模型去分析这个问题并指导实践，但是这篇帖子仍不不是终点，只是一个跳板，为后续学习指明方向。

别人的方案
先看一下别人的一个方案（《模糊控制的磁悬浮系统的研究》孙英 杨鹏）。从图中我们可以大概抽象出一般磁悬浮系统的结构，浮体+电磁铁+位置传感器+控制部分。

浮体一般使用了永磁材料；电磁铁为增强磁力可添加磁芯；
力学模型：原文链接,P90

闭环控制：

控制策略：偏移小于1mm时用PID控制，偏移大于1mm时用模糊控制。

由此我们了解到了磁悬浮系统的组成，以及其力学模型。但是要指导我们实践还不够，这里的力学模型没有告诉我们电流/磁芯和受力/距离之间的细节。什么样的磁芯、电流、距离能实现多大的磁力及稳定性。其次位置传感器的选型，控制方式的选择也需要确定，还好这些方案比较好获取。

系统认识
这里推荐一本书《磁悬浮系统控制算法及实现》清华大学出版社 曹广忠,潘剑飞,黄苏丹,邱洪 2013-4-1。该书是我目前找到的讲解磁悬浮最全面的书籍，很有参考价值。
目录
第1章绪论
   1.1磁悬浮技术概述
   1.2磁悬浮系统控制算法
   1.3数字控制系统
   1.4MATLAB平台
   1.5dSPACE平台
第2章磁悬浮系统设计及建模
   2.1磁悬浮系统的工作原理
   2.2磁悬浮系统的总体设计方案
   2.3磁悬浮系统的机械设计
   2.4磁悬浮系统的电路设计
   2.5磁悬浮系统的电磁铁设计
   2.6磁悬浮系统的线性化数学模型
   2.7磁悬浮系统的非线性数学模型
第3章磁悬浮系统PID控制
   3.1磁悬浮系统控制规律的选择
   3.2磁悬浮系统PD控制器参数的选择
   3.3基于PID控制的磁悬浮系统
   附录
第4章磁悬浮系统模糊控制
   4.1模糊控制基本原理
   4.2基于常规模糊控制的磁悬浮系统
   4.3基于模糊PID控制的磁悬浮系统
   附录1
   附录2
第5章磁悬浮系统鲁棒控制
   5.1鲁棒控制基本原理
   5.2基于鲁棒H∞控制的磁悬浮系统
   附录
第6章磁悬浮系统神经网络控制
   6.1神经网络控制基本原理
   6.2基于BP神经网络PID控制的磁悬浮系统
   附录
第7章磁悬浮系统滑模变结构控制
   7.1滑模变结构控制基本原理
   7.2基于滑模变结构控制的磁悬浮系统
   附录
第8章磁悬浮系统线性二次型最优控制
   8.1线性二次型最优控制基本原理
   8.2基于线性二次型最优控制的磁悬浮系统
   附录
第9章磁悬浮系统自适应控制
   9.1自适应控制基本原理
   9.2基于模型参考自适应控制的磁悬浮系统
   附录
第10章基于dSPACE的磁悬浮系统
   10.1dSPACE简介
   10.2基于dSPACE的磁悬浮系统实时控制
   附录
第11章基于DSP的磁悬浮系统
   11.1DSP简介
   11.2基于DSP的磁悬浮系统结构
当当链接

书中在电磁铁设计一节，对比了圆柱型磁芯、尖端型磁芯、M字型磁芯在2A电流、10mm间隙情况下的电磁特性曲线，给出了电磁力随电流或间隙距离的变化情况。
其中用到的仿真软件为ANSYS。试读链接

光说不练假把式
有了全面认识之后，当然需要动动手，实际验证一番。国外的极客们总是乐于分享（提供下载源程序和电路图），我们来看看他们的成果。
Electromagnetic Floater 介绍（原文链接）
http://cdn.instructables.com/F5M/MGN5/F2FRVEF6/F5MMGN5F2FRVEF6.MEDIUM.jpghttp://cdn.instructables.com/F4Q/JR2J/F2FRVEFL/F4QJR2JF2FRVEFL.MEDIUM.jpg
http://cdn.instructables.com/FFW/95YJ/F2FRVEFM/FFW95YJF2FRVEFM.MEDIUM.jpg


该项目的由来，根据作者J_Hodgie同学的描述，是因为他被商店里的磁悬浮地球仪给迷住（fascinated）了，但是他又不想花钱买一个（"but I never wanted to pay their prices"，这也许就是成品略丑的原因），而且他也不喜欢买的东西只能悬浮一样东西，于是他就决定自己动手做一个可以悬浮任何东西的设备。

原文中分了6步来介绍它的实现过程：
Step 1: 准备元器件及必要材料
Step 2: 准备底座
Step 3: 安装磁铁和传感器
Step 4: 搭建控制电路
Step 5: 制作浮体
Step 6: 开始悬浮

其中他用了2个IR LED和1个IR光电二极管（Photodiode）来充当位置传感器，并且在电磁铁能承重的范围内实现了可自定义悬浮高度（可下载源码/电路图）。

linux 发表于 2015-11-26 21:09:19

好～～～～

风火石 发表于 2015-11-26 21:18:08

直接用两个永磁铁行不行呢？？可能不好控制

gaoxianqu 发表于 2015-11-30 10:09:13

风火石 发表于 2015-11-26 21:18
直接用两个永磁铁行不行呢？？可能不好控制

百度了一下“永磁悬浮”，发现有很多信息，大多是讲中国的“永磁悬浮”多么多么厉害，但是一直没有看到它的详细原理。直到在某篇文献中看到“永磁补偿式悬浮”，查找了一下，有很多文献和专利信息。
用两块永磁体实现悬浮，从技术上说是可以实现的，问题是系统的稳定性。一般这样的系统其抗干扰性能会很差，对于干扰它没有自我修正的功能。

冬青 发表于 2015-11-30 19:46:01

做个磁悬浮的娃娃吧:lol

魔幻使者Jack 发表于 2015-12-25 15:15:34

这玩意很有意思，做为玩具，工艺品什么的，觉得很有吸引力，前提价格不高...:$
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