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基本信息

项目名称:
磁悬浮地球仪
小类:
机械与控制
简介:
磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术。我们知道,在自己的周围有着许多的对磁悬浮技术的应用,最著名的当属磁悬浮轴承和磁悬浮列车。磁悬地球仪是在此领域中的一个简单的应用实例,通过它的设计制作,对嵌入式计算机相关知识的学习和实践应用有很大的帮助,同时也可以加深对相关知识领域的了解和应用。
详细介绍:
磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术。我们知道,在自己的周围有着许多的对磁悬浮技术的应用,最著名的当属磁悬浮轴承和磁悬浮列车。磁悬地球仪是在此领域中的一个简单的应用实例,通过它的设计制作,对嵌入式计算机相关知识的学习和实践应用有很大的帮助,同时也可以加深对相关知识领域的了解和应用。在实践制作中,本作品采用NXP公司的ARM7系列微控制器LPC2114芯片作为核心处理控制器。在磁悬地球仪模型设计并搭建好的基础之上,核心控制器通过对地球仪到磁悬电磁铁之间距离的数据采集和处理,利用PID算法对脉宽调制(PWM)的占空比进行控制,从而达到控制流经悬挂电磁铁线圈的电流大小。我们知道,流经线圈的电流大小可以改变电磁铁的磁通量,进而导致磁场强度的变化;同时,地球仪的平稳悬挂是有一个固定的位置的,在这一位置上,地球仪所受到的自身重力与电磁铁所给予的向上的吸引力需要达到平衡。如此,便得到了一个闭环的控制系统,目标是控制地球仪的平稳悬挂,方法便是利用脉宽调制来控制的流经线圈的电流。使地球仪达到平稳悬挂状态后,控制器还可以通过操控地球仪底座上的八只旋转电磁铁的通断来实现在底座上方的旋转磁场,安装在地球仪下方的小磁铁就会随着旋转磁场而使地球仪进行自如的旋转,模仿地球的自传。彩色LED灯的增加使得地球仪的周围环境变的像宇宙星空,使作品更加富有视觉上的展示效果。通过对磁悬地球仪的设计与制作,不但可以把专业课程应用到实践,还可以学习、了解到一些电磁学、机械学和动力学方面的知识,增加自己对闭环控制和数字式PID算法等系统控制方面的知识的学习和使用。

作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

目的:实现地球仪悬浮的效果,直观的向人们展示磁悬浮技术 基本思路:在磁悬地球仪工作时,主控制器CPU通过LPC2114自身带有10位精度的A/D转换器对安装在磁悬电磁铁下端的霍尔线性位置传感器进行数据采集。采集后的数据通过总线输入到CPU内进行分析处理,运算后得知当前地球仪到悬浮电磁铁之间的相对距离(值得注意的是,因为磁铁、电磁铁等产生磁通量分布规律的不确定,以及磁力与距离的关系不确定等因素的存在,所以在这里我们不能计算出地球仪与传感器之间的真实的距离)。把此相对距离的数值和预先设定的距离值进行差值运算,之后利用数字式PID算法计算出本次输出量的量值。根据PID算法得到的输出值,主控制器CPU则会相应的改变LPC2114自身带有的脉宽调制(PWM)器的占空比变量。此时,两路PWM输出信号则直接通过大功率全桥驱动对悬浮电磁铁线圈内的电流和方向进行控制,最终使得地球仪在竖直方向上受到的自身重力与电磁铁给予的吸引力达到平衡,使地球仪得以平稳的悬挂。 创新点:实现地球仪的悬浮、旋转、彩灯装饰 技术关键:①托架系统的设计,包括底层盒子、最上层永久性磁铁、传感器等的放置、固定以及支撑装置的设计;②电磁线圈的设计,包括8个线圈及LED确切位置的确定;③核心控制器的设计,包括硬件电路和软件的设计,具体实现功能包括A/D转换、LCD显示等。 主要技术指标:①PID算法控制线圈电流从而控制磁场;②霍尔线性位置传感器;③PWM的控制。

科学性、先进性

本作品采用NXP公司的ARM7系列微控制器LPC2114芯片作为核心处理控制器。在磁悬地球仪模型设计好的基础之上,核心控制器通过对地球仪到磁悬电磁铁之间距离的数据采集和处理,利用PID算法对脉宽调制(PWM)的占空比进行控制,从而达到控制流经悬挂电磁铁线圈的电流大小。我们知道,流经线圈的电流大小可以改变电磁铁的磁通量,进而导致磁场强度的变化;同时,地球仪的平稳悬挂是有一个固定的位置的,在这一位置上,地球仪所受到的自身重力和电磁铁给予的向上的吸引力需要达到平衡。彩色LED灯的增加使得地球仪的周围环境变的像宇宙星空,使作品更加富有展示效果。

获奖情况及鉴定结果

2011年4月上海市第六届“上汽教育杯”三等奖

作品所处阶段

结束

技术转让方式

作品可展示的形式

模型

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

使用说明:该系统因外界的干扰,如震动等,需要通电后,借助人力使之平衡稳定后悬浮,达到最好的展示效果 技术特点和优势:可向参观者展示磁悬浮技术的基本原理,探索其中的奥秘和产生遐想。其有电路设计简单,成本低等优点。 适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析:目前,国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车,而应用最广泛的是磁悬浮轴承。经济效益预测:现有的磁悬地球仪演示模型,包括地球模型、磁悬电磁体、旋转驱动电磁体。将地球模型设置于磁悬电磁体下方,地球模型内且近北极设置一只永久磁铁,地球模型内近南极设置二只永久磁铁;磁悬电磁体通过支架悬吊于地球模型的上方。当该演示模型被一外接的控制器控制后,磁悬电磁体便产生磁场,使地球模型在磁场中受到向上的磁力作用,当该磁力与地心引力相等时,地球模型则悬浮在空中,此种作品可向参观者展示磁悬浮技术的基本原理,探索其中的奥秘和产生遐想。其中,此种模型的控制器一般由放大器电路、比较器电路和霍尔传感器构成的模拟电路组成,其有电路设计简单,成本低等优点。 见申报书

同类课题研究水平概述

磁悬浮技术的最早研究是源于德国的工程师赫尔曼•肯佩尔。早在1922年,赫尔曼•肯佩尔就提出了电磁悬浮原理,并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。因为磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术。所以,以前的人们对于这项技术的实现体现出的就是非常的困难。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论以及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展,磁悬浮技术得到了长足的发展。 现在,美国、法国、瑞士、日本和中国都在大力积极开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力,推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。 我国对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚,尚处于实验室初试阶段,落后于其他国家约有20年。1986年,广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究工作。此后,清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学等都在进行这方面的研究工作。 当今,世界上的磁悬浮列车主要有两种“悬浮”形式,一种是推斥式;另一种为吸力式。由北京控股磁悬浮技术发展有限公司和国防科技大学合作的中低速磁悬浮列车就属于这个类型。同时,这也是是中国唯一具有完全自主知识产权的磁悬浮列车。。磁悬浮地球仪运用磁悬浮的科学原理,利用电流磁效应使地球仪漂浮在半空中,将地球仪在无任何支撑的及触点电的空中自转,展示地球的真实状态,具有独特的视觉效果。  
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