下推式动态磁悬浮试验论文

磁悬浮的制作

徐荣金谷巍徐瑞强

（北京邮电大学信息与通信工程学院）

摘要：介绍“下推式动态磁悬浮试验”的探索过程以及整个实验的基本原理和重要元件

的工作原理。

关键字：磁场，上拉式，动态，静态，线性霍尔元件，PID控制，平衡，算法，信号

c

Xu Rong-jin, Gu Wei, Xu Rui-qiang

School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and

Telecommunications

Abstract: Introduced "Push-pin designing Dynamic magnetic " and the entire experimental process to explore the basic principles and important elements.

Keywords: Magnetic field, pull-up, dynamic, static, linear Hall element, PID control, balance, algorithms, signal.

一：引言

随着社会的不断进步，旧的交通工具已经不能满足人们对于快捷的追求，于是新兴的交通工具变雨后春笋般地涌现了出来。其中最有代表性的就是磁悬浮列车。磁悬浮列车以它高速，低噪音，环保，经济，安全的特点受到了各个国家的青睐。目前，全世界仅有我国上海浦东机场到市区的30公里长的磁悬浮列车线路正式投入了运营。从这里足以看出磁悬浮技术的复杂与不成熟，以磁悬浮列车为启发，我们物理实验小组意图设计出自己的悬浮作品，让我们足不出户，一睹磁悬浮的真容。

二：基本原理探索

为了实现小部分的磁悬浮，我们的前期工作是相当复杂的，首先作为刚刚步入大学校园的我们，基础知识还很不完善，一些诸如物理与计算机语言的知识还等待着我们去吸收。因此整个实验进程充满了艰辛和对未知的探索。还好借助互联网和大一上学期编程的基础，以及北京邮电大学物理实验中心的老师的帮助下，经过我们三个人的不懈努力，终于做出了最终的作品。一下就我们的整个实验过程以及原理和实验仪器的结果做简单介绍。

三：物质的抗磁性

首先，为了实现磁悬浮，我们必须先了解实现磁悬浮的集中方式。众所周知，自然界的物质有抗磁性，顺磁性和铁磁性三种特性。其中抗磁性几乎是所有物质都有的性质，它的来源是楞次定律。但是一般物质的抗磁性非常微弱，大部分情况下可以忽略不记，常温下抗磁性最强的物质是金属铋；还有一部分物质具有顺磁性，这种物质的主要特征是：不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性，金银铝铂之类的金属貌似都是顺磁性；另外一种就是大家都很熟悉的铁磁性，一根铁钉在磁铁上蹭几下，它就变成一个小磁铁。具有铁磁性的元素有五种：铁，钴，镍，钆，镝。这些元素的化合物也可能具有铁磁性，咱们最常见的黑磁铁主要成分就是四氧化三铁。

四：静态磁悬浮实现问题

受到从小我们就很喜欢玩的磁铁的启发，我们最初的想法是利用磁铁“同性相斥，异性相吸”的原理来实现磁悬浮，就像示意图1展现的

一样，假设图中弓形磁铁上部分是N极，而悬浮的

环形磁铁外部也是N极，则利用同性相斥的原理，

只要使悬浮的磁铁处在适当的位置，使得各个方向

的力彼此达到平衡，应该能实现磁悬浮。对此我们

一开始也是深信不疑的。但是冷静下来一想，如果

这么简单的材料就可以实现磁悬浮的话，那么磁悬

浮现象早就应该深入到了我们生活的方方面面。于是我们开始意识到了实验方案的可行性问题。经过查阅了大量资料，我们终于找到了关键所在：早在1842年，科学家恩绍就用数学家证明了“恩绍大定理”：若单靠宏观的静态古典电磁力，稳定的磁悬浮是不可能实现的。这是因为在物件上所承受的各种合力，包括了引力、静电场及静磁场会使物件变得很不稳定。这就迫使我们必须放弃原有的思路，采用新的方法来实现磁悬浮。在多方面搜集资料的过程中，我们广泛搜集各种关于磁悬浮现象的例子，其中的一种现象吸引了我们的注意力——一

种叫 Levitron的玩具。这种玩具在玩家的精心控制下，可以实现稳定的磁悬浮。但是它的难度极大。于是我们打算以此为出发点，探寻能否做出一种更优秀更理想的磁悬浮装置。

最后，我们了解到，借助集成电路，霍尔传感器，钕铁硼强磁等现代高科技产物的帮助，我们要实现磁悬浮并不困难，可以采用的方案也并不是唯一的：既可以从上方对悬浮物施加拉力与悬浮物的重力相平衡来实现磁悬浮的上拉式和从悬浮物下方对悬浮物施加推力的下推式悬浮。最终我们选定了下推式悬浮。以下就我们实验进行简单的介绍。

五：实验仪器介绍

实验中我们用到的材料有Arduino Mega 开发板 1块，L298N驱动板 1块，洞洞板 1块，10K多圈电位器 2个，10K手拧式电位器 2个，3.9K电阻 2只，200K电阻 2只，LM358数字放大器 1个，UGN3503霍尔传感器 2个，LM7809稳压器 1个，20V直流电源 1个，巨大圆环形黑磁铁 1个，圆片钕铁硼强磁若干，绕线用铜丝半斤。实验的基本原理是：霍尔传感器在浮子的正下方，当检测到浮子向左运动时，两边的线圈一个吸一个拉，把它推向右；反之如果浮子想右运动，那么两个线圈的电流都反向，把它推向左。用前后左右共四个线圈，两个霍尔传感器配合，就可以把浮子稳定的悬浮住。实验的实际电路图比较复杂，不利于对实验具体原理的宏观把握。为了简化理解，可以参照示意图2。图中介于两个（在实际的电

路中有四个线圈）线圈之间标号为3503的是线性霍尔传感器，安装在了悬浮物的正下方。

线性霍尔元件可以检测其正上方的磁场变化，包括磁场的方向和大小。当磁场强度的大小发生变化是，便会有相应的输入信号产生，使得输入电压发生变化，为了将这种变化更加明显，我们使用了一个数字放大电路，就是图的编号“放大器LM358”，之后放大的信号由ATMag8单片机采集（图中编号Arduino Mega 168，在实际实验中，我们采用了Arduino），经过一定的算法后，输出相应的控制信号。再通过电压的变化来控制线圈磁场，从而实现对悬浮物的控制。

六：动态磁悬浮实现的基本原理

至于对悬浮物的控制，其基本原理是：霍尔传感器在浮子的正下方，当检测到浮子向左运动时，两边的线圈一个吸一个拉，把它推向右；反之如果浮子想右运动，那么两个线圈的电流都反向，把它推向左。用前后左右共四个线圈，两个霍尔传感器配合，就可以把浮子稳定的悬浮住。为了让悬浮更加稳定，我们采用了PID控制的平衡算法，对PID算法的了解有助于我们对整个实验原理的理解，因此这里就简要介绍以下PID控制的概念。在工程实际中，PID控制是应用最为广泛的调节器控制机制。PID控制中得P代表比例，即proportion；I 代表积分，即integral；D代表微分，即differential；因此，PID控制，即比例-积分-微分控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或者得不到精确的数学模型时，其他的控制方法难以采用，那么控制器的结构和参数必须结合经验和现场调试来决定，在这种情况下采用PID调节最为方便。首先，比例控制是一种最简单的控制方式，就像胡克公式中的比例系数一样，当控制器的输出与输入信号成比例关系，那么就可以得到一个比例系数。其次，积分控制是指控制器的输出与输入的误差信号的积分有关。就如同电路中的电感元件，某个时刻的电压与电流的积分有关。类似的，有时候信号的输出必须综合之前信号的输入，而这种综合往往是求和关系，因此使用积分控制简单易行。最后，微分控制是指控制器的输出与输入信号的微分有关。最简单的微分关系就是速度是位矢的微分。我们在控制悬浮物的平衡时，光知道悬浮物偏离平衡位置的位移从而采用比例控制是不够的，对于同样的偏离位移，悬浮物可能有不同的速度，那么要求我们对悬浮物有不同的处理方法，而恰恰速度是位矢的微分，于是我们可以通过对位移输入数据进行微分操作，来实现对悬浮物的精确实时控制。可见，PID控制器是一种那个动态的控制机制。

以上就是我们实现下推式磁悬浮的基本原理，借助以上的基本原理，结合一定的计算机语言知识，我们就可以实现对悬浮物的动态控制。由于我们对悬浮物平衡的控制是一种动态

的控制机制，因此在不同的环境下进行实验，由于对实验材料搬移过程中造成的误差，以及不同环境因素的影响下也会产生不同的误差，这就要求我们每次实验下都可能需要不同的参数来实现悬浮物平衡的控制。

七：关于实验的思考与讨论

在我们下推式动态磁悬浮实现的具体过程中，遇到的困难是超越了我们的想象的，首先，一个个陌生的控制电路元件就使得我们无比头疼，另外电路的连接对于我们这些动手能力相当欠缺的同学来说也是一个极大的考验。另外，为了使得整个实验仪器有一定的整体性，我们还得兼顾部分和整体的关系。另外一个重要的因素是美观，一堆堆导线和一个个电路板倒是可以实现我们的实验目的，但是这样的作品并不是合格成功的作品，因此我们将整个控制电路封装到了一个小盒子中，使得整个材料看起来协调美观。另外，在对悬浮物的选择上，我们为了增加实验的趣味，特地选择了前几年风靡一时的电影《盗梦空间》的一个重要元素——陀螺，陀螺本身就是一种很容易保持平衡的物体。它借助快速的旋转来保持自身的平衡。这样我们的悬浮物就不仅处在悬浮状态，而且还处在高速的旋转状态。两者相得益彰，使得整个实验有更高的观赏价值。当然，为了配合如此精密的实验，普通的陀螺当然是不满足要求的。一方面必须用金属材料做成，另一方面还得兼顾悬浮的要求，整个陀螺必须质地轻，有良好稳定的重心位置。于是，我们采用了中空的方案，做出陀螺的内轴后在外层裹上纱布，然后涂上石膏来使得整个成为浑然一体的物体。之后为了配合陀螺的旋转，我们还要保证表面的平整光滑程度。最后我们还在表面刮齐后涂上了一层薄薄的指甲油，这样更使得整个陀螺光滑，美观。

关于类似动态磁悬浮的应用，应当结合磁悬浮的优点来考虑。磁悬浮最大的优势在于常温无源条件下永磁体的完全无接触悬浮,不需要任何的外加辅助，因此，像一些对散热要求较高的元件，或是仪器灵敏度要求较高的元件，采用磁悬浮原理后可能会有更大的散热面积，会有更加稳定的工作环境。这一切不仅是电子工业的一场革新，它可能会深刻地影响到我们社会的各个方面。因此，其应用场景应该是无比广阔的。

参考文献：

[1]冯慈章.静态电磁场[M].西安交通大学出版社

[2]张怀武,周海涛,刘颖力.抗电磁干扰材料及元器件工艺[M].电子科技大学出版社,2001.

[3]徐俊起，基于力平衡的磁悬浮控制方法，电机与控制应用，2010,37（11）.

[4]徐渠，磁悬浮系统的控制研究，科技创新导报，2008，N36.

[5]郭连宝，刘平，邱敏，关于抗磁性磁悬浮的探讨，科技创新导报，2009，N20，10.

[6]陈武，DIY磁悬浮“盗梦陀螺”，无线电，2011，02.