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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 磁懸浮地球儀
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化技術(shù)。我們知道，在自己的周圍有著許多的對(duì)磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用，最著名的當(dāng)屬磁懸浮軸承和磁懸浮列車。磁懸地球儀是在此領(lǐng)域中的一個(gè)簡單的應(yīng)用實(shí)例，通過它的設(shè)計(jì)制作，對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用有很大的幫助，同時(shí)也可以加深對(duì)相關(guān)知識(shí)領(lǐng)域的了解和應(yīng)用。
- 詳細(xì)介紹：
- 磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化技術(shù)。我們知道，在自己的周圍有著許多的對(duì)磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用，最著名的當(dāng)屬磁懸浮軸承和磁懸浮列車。磁懸地球儀是在此領(lǐng)域中的一個(gè)簡單的應(yīng)用實(shí)例，通過它的設(shè)計(jì)制作，對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用有很大的幫助，同時(shí)也可以加深對(duì)相關(guān)知識(shí)領(lǐng)域的了解和應(yīng)用。在實(shí)踐制作中，本作品采用NXP公司的ARM7系列微控制器LPC2114芯片作為核心處理控制器。在磁懸地球儀模型設(shè)計(jì)并搭建好的基礎(chǔ)之上，核心控制器通過對(duì)地球儀到磁懸電磁鐵之間距離的數(shù)據(jù)采集和處理，利用PID算法對(duì)脈寬調(diào)制（PWM）的占空比進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制流經(jīng)懸掛電磁鐵線圈的電流大小。我們知道，流經(jīng)線圈的電流大小可以改變電磁鐵的磁通量，進(jìn)而導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化；同時(shí)，地球儀的平穩(wěn)懸掛是有一個(gè)固定的位置的，在這一位置上，地球儀所受到的自身重力與電磁鐵所給予的向上的吸引力需要達(dá)到平衡。如此，便得到了一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，目標(biāo)是控制地球儀的平穩(wěn)懸掛，方法便是利用脈寬調(diào)制來控制的流經(jīng)線圈的電流。使地球儀達(dá)到平穩(wěn)懸掛狀態(tài)后，控制器還可以通過操控地球儀底座上的八只旋轉(zhuǎn)電磁鐵的通斷來實(shí)現(xiàn)在底座上方的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，安裝在地球儀下方的小磁鐵就會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而使地球儀進(jìn)行自如的旋轉(zhuǎn)，模仿地球的自傳。彩色LED燈的增加使得地球儀的周圍環(huán)境變的像宇宙星空，使作品更加富有視覺上的展示效果。通過對(duì)磁懸地球儀的設(shè)計(jì)與制作，不但可以把專業(yè)課程應(yīng)用到實(shí)踐，還可以學(xué)習(xí)、了解到一些電磁學(xué)、機(jī)械學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的知識(shí)，增加自己對(duì)閉環(huán)控制和數(shù)字式PID算法等系統(tǒng)控制方面的知識(shí)的學(xué)習(xí)和使用。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：實(shí)現(xiàn)地球儀懸浮的效果，直觀的向人們展示磁懸浮技術(shù) 基本思路：在磁懸地球儀工作時(shí)，主控制器CPU通過LPC2114自身帶有10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)安裝在磁懸電磁鐵下端的霍爾線性位置傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集后的數(shù)據(jù)通過總線輸入到CPU內(nèi)進(jìn)行分析處理，運(yùn)算后得知當(dāng)前地球儀到懸浮電磁鐵之間的相對(duì)距離（值得注意的是，因?yàn)榇盆F、電磁鐵等產(chǎn)生磁通量分布規(guī)律的不確定，以及磁力與距離的關(guān)系不確定等因素的存在，所以在這里我們不能計(jì)算出地球儀與傳感器之間的真實(shí)的距離）。把此相對(duì)距離的數(shù)值和預(yù)先設(shè)定的距離值進(jìn)行差值運(yùn)算，之后利用數(shù)字式PID算法計(jì)算出本次輸出量的量值。根據(jù)PID算法得到的輸出值，主控制器CPU則會(huì)相應(yīng)的改變LPC2114自身帶有的脈寬調(diào)制（PWM）器的占空比變量。此時(shí)，兩路PWM輸出信號(hào)則直接通過大功率全橋驅(qū)動(dòng)對(duì)懸浮電磁鐵線圈內(nèi)的電流和方向進(jìn)行控制，最終使得地球儀在豎直方向上受到的自身重力與電磁鐵給予的吸引力達(dá)到平衡，使地球儀得以平穩(wěn)的懸掛。 創(chuàng)新點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)地球儀的懸浮、旋轉(zhuǎn)、彩燈裝飾 技術(shù)關(guān)鍵：①托架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括底層盒子、最上層永久性磁鐵、傳感器等的放置、固定以及支撐裝置的設(shè)計(jì)；②電磁線圈的設(shè)計(jì),包括8個(gè)線圈及LED確切位置的確定；③核心控制器的設(shè)計(jì)，包括硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)，具體實(shí)現(xiàn)功能包括A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示等。 主要技術(shù)指標(biāo)：①PID算法控制線圈電流從而控制磁場(chǎng)；②霍爾線性位置傳感器；③PWM的控制。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品采用NXP公司的ARM7系列微控制器LPC2114芯片作為核心處理控制器。在磁懸地球儀模型設(shè)計(jì)好的基礎(chǔ)之上，核心控制器通過對(duì)地球儀到磁懸電磁鐵之間距離的數(shù)據(jù)采集和處理，利用PID算法對(duì)脈寬調(diào)制（PWM）的占空比進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制流經(jīng)懸掛電磁鐵線圈的電流大小。我們知道，流經(jīng)線圈的電流大小可以改變電磁鐵的磁通量，進(jìn)而導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化；同時(shí)，地球儀的平穩(wěn)懸掛是有一個(gè)固定的位置的，在這一位置上，地球儀所受到的自身重力和電磁鐵給予的向上的吸引力需要達(dá)到平衡。彩色LED燈的增加使得地球儀的周圍環(huán)境變的像宇宙星空，使作品更加富有展示效果。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年4月上海市第六屆“上汽教育杯”三等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 結(jié)束
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 模型
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說明：該系統(tǒng)因外界的干擾，如震動(dòng)等，需要通電后，借助人力使之平衡穩(wěn)定后懸浮，達(dá)到最好的展示效果 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：可向參觀者展示磁懸浮技術(shù)的基本原理，探索其中的奧秘和產(chǎn)生遐想。其有電路設(shè)計(jì)簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。 適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場(chǎng)分析：目前，國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)是磁懸浮軸承和磁懸浮列車，而應(yīng)用最廣泛的是磁懸浮軸承。經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：現(xiàn)有的磁懸地球儀演示模型，包括地球模型、磁懸電磁體、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體。將地球模型設(shè)置于磁懸電磁體下方，地球模型內(nèi)且近北極設(shè)置一只永久磁鐵，地球模型內(nèi)近南極設(shè)置二只永久磁鐵；磁懸電磁體通過支架懸吊于地球模型的上方。當(dāng)該演示模型被一外接的控制器控制后，磁懸電磁體便產(chǎn)生磁場(chǎng)，使地球模型在磁場(chǎng)中受到向上的磁力作用，當(dāng)該磁力與地心引力相等時(shí)，地球模型則懸浮在空中，此種作品可向參觀者展示磁懸浮技術(shù)的基本原理，探索其中的奧秘和產(chǎn)生遐想。其中，此種模型的控制器一般由放大器電路、比較器電路和霍爾傳感器構(gòu)成的模擬電路組成，其有電路設(shè)計(jì)簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。 見申報(bào)書
同類課題研究水平概述
- 磁懸浮技術(shù)的最早研究是源于德國的工程師赫爾曼?肯佩爾。早在1922年，赫爾曼?肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請(qǐng)了磁懸浮列車的專利。因?yàn)榇艖腋〖夹g(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化技術(shù)。所以，以前的人們對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)出的就是非常的困難。隨著電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理元器件、電磁理論以及新型電磁材料的發(fā)展和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的進(jìn)展，磁懸浮技術(shù)得到了長足的發(fā)展。 現(xiàn)在，美國、法國、瑞士、日本和中國都在大力積極開展磁懸浮軸承的研究工作。國際上的這些努力，推動(dòng)了磁懸浮軸承在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。 我國對(duì)磁懸浮軸承的研究工作起步較晚，尚處于實(shí)驗(yàn)室初試階段，落后于其他國家約有20年。1986年，廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對(duì)“磁力軸承的開發(fā)及其在FMS中的應(yīng)用”這一課題進(jìn)行了研究工作。此后，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、山東科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等都在進(jìn)行這方面的研究工作。 當(dāng)今，世界上的磁懸浮列車主要有兩種“懸浮”形式，一種是推斥式；另一種為吸力式。由北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司和國防科技大學(xué)合作的中低速磁懸浮列車就屬于這個(gè)類型。同時(shí)，這也是是中國唯一具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁懸浮列車。。磁懸浮地球儀運(yùn)用磁懸浮的科學(xué)原理，利用電流磁效應(yīng)使地球儀漂浮在半空中,將地球儀在無任何支撐的及觸點(diǎn)電的空中自轉(zhuǎn),展示地球的真實(shí)狀態(tài)，具有獨(dú)特的視覺效果。
