基于微分电路的上拉式磁悬浮

这是一个基于微分电路的上拉式磁悬浮。它不使用单片机,仅靠电路实现上拉式磁悬浮的平衡。而且作者把它做成了“便携式”,用一个透明文具盒+电池就装下了。可以随身携带,随时演示,简直就是工科宅男的泡妞利器!

原文的图片链接都已经失效了,还好我这里曾经下载保存过

废话不多说了,以下是原文攻略部分。

$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$华丽丽的昏鸽线$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

未组装阶段的通电悬浮图:

再来一张:

第三张

开始组装

它的心脏:比例微分控制电路

电路是由如下元件组成,一般家电维修处都能买到,其中运放,我用的是LM324 是因为我手头现有这个,其实用2 运放就行,线圈是自己饶的,漆包线挺贵的。

最终组装完成的视频:
http://www.56.com/u45/v_Mjk3NjY0NzQ.html

自制要点:被悬浮的必须是磁力强体积小的磁铁,推荐使用球形钕铁硼磁铁,非球形也行。漆包线很贵,线圈不必绕那么多圈,绕到我这个的一半就可以达到和我这个一样的磁场了,但是绕得越多,越省电. 两个可变电阻的阻值必须调试到合适才能悬浮且稳定. 霍尔元件的位置应该处于线圈中心。

霍尔元件在很多家电上都有用到,去家电维修部买就可以了,可以买3503,也可以买别的型号,但是要注意买输出线形量的,不是开关量的。

那么我就整体原理解释一下,如果你水平高,你可以做一个,如果水平不行,我解释了你起码能知道是怎么回事: 小球在空中受重力,当小球处于某个高度时,电路使重力和磁力平衡;当小球高于这个高度时,电路使线圈磁力小于重力,从而使小球有下落趋势;反之,低于这个高度,电路使线圈磁力增大,小球就有上升趋势.从而小球能在一定的扰动范围内保持平衡。

其实学过控制的人可以看出电路中还有微分控制,就是那个电容.其实这个电路没有微分控制也能工作,小球稳定性会稍差些.如果不懂控制,完全可以按你理解的不加电容来做.另外线圈挡板的铝板也起到类似于微分控制的作用,抑制震荡.

(本段系另一人回复,在帖中23楼,非作者叙述)
我说说我的理解:小球的轻微扰动会导致空间磁场变化,霍尔元件把这个变化感应成线性电位信号反馈。 两个500K 电阻的分压可以让运放输出有一个直流偏压, 防止三极管工作在截至区(调节静态工作点)。 200K 电位器的作用是调节霍尔元件信号的平衡位置, 500K 电位器的作用是调节控制电路的灵敏度(或者是调节前级放大倍数防止后面的放大电路饱和), 两级运放间RC滤波器是滤除纹波
让线圈的磁场更平稳。霍尔元件的反馈信号被两级运放和三极管放大了很多倍, 只要磁场一有扰动,就会驱动线圈电流变化让磁场趋于恒定。

23楼完全正解.
不过电容不是为了滤除波纹,而是微分控制,也就是根据小球的速度来改变线圈电流的大小. 如果不加电容,就只根据小球位置来改变了. 这种球形磁铁可以在淘宝上买到,搜“球形钕铁硼”即可,目前全国只此一家,所以是2元/个的“垄断价格”,不用球形的话,很多城市的卖电机的地方都有卖钕铁硼。

我又在土豆上传了一次视频:
http://www.tudou.com/programs/view/KT7KLCwYl2g/

(86 楼作者的总结)
“磁悬浮”现在已经变成家喻户晓的名词。但现在大家熟悉的磁悬浮都是利用磁场的斥力把铁磁体向上方托起,磁悬浮列车就属于这一种。可是你见过凌空悬着的“磁悬挂”吗?我设计制作了一个不算复杂的电子装置,就能演示这种不寻常的科学现象。

材 料
R1——R6均为1/4W碳膜电阻,R7、R8为1/4W微调电位器。
C1:1uF无极性电解电容。
IC1:四运算放大器集成块LM324。
VT1:9013。
霍尔元件:3503。霍尔元件被广泛用在家电上,电子市场或家电维修部都能买到,可以买3503,也可以用别的型号,但购买时须说明是线性输出的,错买了开关型的不能用。在电路图中没画出霍尔元件的接法,应该把有字的一端朝向自己,三个管脚从左到右依次接电源正极、接地、 接电路中的信号输入端。
悬浮小磁球为高强磁性的钕铁硼磁钢小球,普通磁铁的磁性不够,不能用。钕铁硼磁钢小球可以在淘宝网上购买(搜索“球形钕铁硼”),非球形的钕铁硼小磁钢也能用,就是演示的视觉效果差点。

制 作
1. 电路部分的元件不多,我自制时采取“空间连接”,各接点用电烙铁焊牢。如果不习惯,则把元器件焊在附上的印刷电路板上。
2. 制作电磁线圈。找一根内径8 毫米的塑料圆珠笔管,切割1.5 厘米长一段做为线圈芯管,用薄铝片(绝对不能用铁片)剪两块外径2 厘米的挡板,分别在中心部位钻一个与笔管内径一样大的孔,用AB 胶把两个档板粘牢在芯管两端。把长度为15 — 20 米、线径为0.2 毫米的漆包线密绕在这个骨架上。圈数绕得更多些就更省电,但是电磁力不会明显提高。
线圈做好后试验一下:接上大约5 伏直流电,在小磁球上方1 厘米之外应该能把它吸上来。最后在线圈芯管中心处插入一个霍尔元件,使霍尔元件上的平面与线圈挡板平行。在线圈端面前加一块铝片,铝片内形成的涡流能够使小磁球悬浮更加平稳,其作用类似于电容的微分控制。
3. 将包括5号电池夹(4节)和开关在内的各部分组装在一个长条形的半敞开盒子里,今后调节电位器就比较方便。

调试和演示
把磁钢小球放在线圈下5 毫米处。先把R8 调到最大,从正到负调节R7,直至小磁球离地为止。如果它一直不能离地,则应把线圈反接。
调小R8,使磁钢小球稳定;然后边观察边微调R7、R8,最终使小球能稳定悬空漂浮在线圈下1 厘米处。
在演示时,可以轻轻晃动装置,用纸、塑料瓶等从小球与线圈之间穿过,甚至用手指轻轻触碰小球,它都能保持悬浮状态。

(82 楼问) 不知道用这个线圈行不行.700 欧左右
作者:82 楼那位loonglog ,你的线圈太细了,圈数太多了。

(83 楼问) 晕.我的做好了就是在电磁铁下面乱跳.磁铁必须是球形的吗?
作者:83 楼的,不必,近似即可,例如圆柱也可。



对 “基于微分电路的上拉式磁悬浮” 的 17 条 评论

  1. 老顽童 说:

    哈哈, 对! 就应该是这样的风格,才对咱的口味!
    如嫌不足,也是可以优化的. 但基调己是简洁了.

    你看看咱今天22点13分的帖子,只打算用2只集成霍尔去搞定2路输出.
    希望还是很大的,灵敏度如果不够,可以磁路导向适当增强.

  2. 海天老林 说:

    学习了,感觉这个好象比较容易DIY,转载到我博客上了,看下能不能也自己做个出来.

  3. 海天老林 说:

    嗯,可是不知道有没有学生喜欢,自己先学一学.有机会收几个学生来学也行.让孩子们有些动手的机会.现在的孩子,特别是男孩子感觉在这方面的机会太少.

  4. 海天老林 说:

    我这边小县城,家长周末都是送孩子去练字,呵呵。

  5. 老薛 说:

    老兄这个做得很漂亮!

    我对磁悬浮和它的物理机制很感兴趣,对电子,对Arduino也非常感兴趣,自己也常做一点东西。所以你的网站我非常喜欢。你的两个磁悬浮的作品我也要做一下。

    你的这个作品是在你的盗梦磁悬浮陀螺之前啊,2008年就做了。原来发在什么论坛上的呢?

    你在以前的博文中曾经提到过恩绍定理,稳定平衡对于静磁场是不可能实现的。所以在你解释这个小磁球悬浮的时候,还可以说一下水平方向的平衡机制。这样大家就理解的更深一点。

    不知道老兄知不知道有一种悬浮陀螺,完全没有电路和反馈,只要旋转陀螺就可以悬浮的(淘宝上有卖的)。那个小东西非常有意思,它的悬浮完全是物理规律决定的。那个小东西我百玩不厌。

    不过那种悬浮陀螺基本上只有科研的价值,没有什么实用价值,因为平衡条件太苛刻了。还是你的有反馈电路的系统实用。

    老兄在你的盗梦陀螺基础上,我还梦想着做一小段模拟的磁悬浮铁路。不过那得等到我把你已有的盗梦陀螺复制出来之后了,估计得需要些年月。

    • 那个东西我也买过,你可以看我的另一篇文章里面有提到:
      http://www.diy-robots.com/?p=673

      水平方向的悬浮机制在那一系列文章里也提到了,你可以找找看

      在家玩磁悬浮铁路可是烧钱的爱好啊,呵呵,我看过一个低温超导的模型视频,特好玩。
      一个小火车载着一些液氮,喷着白气在磁铁铺的铁轨上飞奔

      • 老薛 说:

        恩,我看到了那篇文章。多谢!原来老兄早就玩这个了。

        但是老兄的解释不完全正确。那种陀螺的水平悬浮机制比较复杂。当时它的发明人自己也没有正确理解为什么旋转的陀螺能够稳定悬浮。很多人都认为是旋转保证了它的稳定,但其实旋转只能保证陀螺不倒,却不能直接保证水平方向的稳定。

        直到近十年后,伟大的英国物理学家Michael Berry才发表了完整的理论。指出陀螺的旋转方向始终会和当地的磁场方向平行,这是水平稳定平衡的关键。而且并不违背恩绍定律。

        老兄做的上拉磁悬浮就更加不违背恩绍定律了,因为加入了反馈机制。如果没有反馈机制的话,在竖直方向是不稳定平衡,因为磁球稍微向上偏离平衡点,就会被上面的大磁铁吸过去;稍微向下偏离平衡点,就会掉到地上。

        但是水平方向的稳定平衡是容易的。没有反馈机制也是稳定的。因为把小磁球向左或向右偏离中心轴,磁力总是会把它拉回中心轴。

        所以反馈机制导致了竖直轴上的平衡,水平方向的平衡一开始就是满足的。

        关于磁悬浮铁路我也就是瞎想,还得先把老兄的悬浮陀螺做出来才行。我觉得不会花太多钱,因为只要能让陀螺在控制下能够稍微平移一下我就满足了。

        我也看过一个液氮超导的悬浮小火车,中国在这个方面还是比较领先的。似乎是西南交通大学在做这个方面。如果能有室温超导体,那这个东西就好用了。

        • Michael Berry就是那个获诺贝尔奖的同学吧
          多谢老薛的介绍
          最高兴的事情就是博客有高手来访,哈哈

          • 老薛 说:

            多谢博主回复。(和别人一样称你为动力哥不介意吧?:))

            Berry教授估计只差真正的诺贝尔奖没得过,其他该得的都得了。包括以色列的沃尔夫奖,就是陈省身教授得过的那个奖。2000年的时候他和Geim获过搞笑诺贝尔奖,在你的文章中提到过的。Geim做实验,他做理论。

            我估计他应该能在近几年获得诺贝尔奖。他被提名多次了。

            Berry教授参与浮青蛙和研究Levitron的原理这个事情曾让我很受感动。一个真正的大师从不会在意一个研究的问题是否可以拿到经费,是否可以申请专利。只要好玩就行。

  6. 老薛 说:

    动力哥,我也做了这个磁悬浮,还有悬浮石墨的实验。图片放在了新浪博客。多谢你的博客提供了这些好玩的project。

    • 去看了,那个石墨的真是太好了。
      我之前没有成功,一直怀疑网上是不是瞎忽悠,看来真的能实现
      可能是我的磁铁不够多,不够大,有空了淘宝买一些再试试 :D
      石墨片不好找,有人说国内的铅笔芯浮不起来,粘土含量太高

  7. 老薛 说:

    :) 要买一些<5mm的方形钕铁硼(请参考我的博客回复)。

    自动铅笔芯如果不好用的话,可以试一试那种画画用的碳笔,或者6B的铅笔芯。我没试过,只不过想当然地认为它们含碳量高。

    另外,多谢动力哥的点名表扬。:)

  8. dongfang 说:

    不错!

    给点材料上的建议:
    1.线圈不用自己绕,用夏天的10W小吊扇里的线圈好了。
    2.那个球形磁铁,淘宝上的搜“磁力珠”就能搜出一大把了。

  9. 功耗 说:

    我做了一个,好像产生自激振荡了,输出端是一直发出锯齿波,没办法悬浮。

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