動(dòng)機(jī)：

　　我的目標(biāo)是建這么一個(gè)子系統(tǒng)，它能夠使一個(gè)電燈泡磁懸浮起來，而這燈泡通常是利用相匹配的無線共振變壓器供電。這個(gè)系統(tǒng)融合了兩種我最感興趣的科學(xué)現(xiàn)象：不穩(wěn)定系統(tǒng)的反饋穩(wěn)定化和無線電力傳輸。我相信這兩者在這系統(tǒng)里面能夠結(jié)合得非常好。

　　為了使一個(gè)燈泡懸浮起來，要去探索三個(gè)主要系統(tǒng)和研究一些技術(shù)。首先，設(shè)計(jì)一個(gè)相匹配的共振變壓器，靠它把電源從驅(qū)動(dòng)線圈無線發(fā)送到接收線圈，在無電源功率放大的情況下，大概可以在6英寸內(nèi)傳輸。第二，設(shè)計(jì)一個(gè)傳感器系統(tǒng)去清除在磁懸浮檢測(cè)中遇到的典型問題。最后，設(shè)計(jì)一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，這樣的話我就可以利用第二部分設(shè)置的傳感反饋去穩(wěn)定地把一個(gè)磁鐵懸浮在一個(gè)固定的位置。

　　實(shí)施：

　　大概的目標(biāo)裝置如右圖所示，一個(gè)帶著鐵磁芯的電磁體就放在裝置的頂部，這樣的話就可以使它的使用范圍擴(kuò)展到更往下的位置。在電磁體底部大概一英寸的位置，在那白熾燈泡里面安裝一小堆不可見的直徑0.5毫米的銣磁體。在電磁體的兩端分別裝有霍爾效應(yīng)傳感器，用來感應(yīng)燈泡的位置。

　　在電磁體周圍繞著另一個(gè)線圈，初級(jí)共振變壓器線圈，次級(jí)線圈位于燈泡里面的銣磁體附近。我們用電源功率5瓦磨砂LED燈泡去代替50瓦德白熾燈以獲得同樣的光的亮度和感覺，而發(fā)熱和功率消耗則會(huì)相對(duì)減少。接收線圈和相對(duì)應(yīng)的電子設(shè)備則接到同樣位于燈泡內(nèi)底部的對(duì)應(yīng)的LED輸出。

　　系統(tǒng)元器件的具體信息在下面介紹

　　帶有可調(diào)共振變壓器的無線電源傳輸設(shè)備：

　　這個(gè)方案的第一部分包含了利用無線傳輸把電源從底部傳到漂浮物。變壓器通常是利用鐵磁芯通過在次級(jí)線圈中引起交流電，從而在兩個(gè)線圈間傳遞能量。如果沒有一個(gè)鐵磁芯去控制磁通量，普通的變壓器不能再任何范圍內(nèi)傳遞能量。在這個(gè)應(yīng)用里面，我們要求在三英寸左右距離能夠從底部向燈泡輕易的傳送能量。

　　為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，如圖所示，我們做了一個(gè)共振變壓力。現(xiàn)在我們用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器去產(chǎn)生一個(gè)低壓的交流信號(hào)，整個(gè)矩形波我們可以用555計(jì)時(shí)芯片輕易做到。我們首先繞一個(gè)線圈，這線圈的作用相當(dāng)于一個(gè)初級(jí)變壓器線圈和一個(gè)電感器。我繞的那個(gè)線圈大概有320豪亨，為了避開其他的源干擾，同時(shí)希望在大概200KHZ范圍的頻率下工作，我選擇了一個(gè)容量大概為1NF的電纜耦合電容器。之后，我掃頻頻率發(fā)生器直到254KHZ的共振頻率。所有線圈內(nèi)的寄生電阻減少品質(zhì)因數(shù)Q，因此一個(gè)精確頻率變得不需要了。接下來，利用低壓標(biāo)準(zhǔn)線、低寄生電阻電容器和更高精度的共振頻率會(huì)達(dá)到一個(gè)更高的電壓裝換率。

　　設(shè)置了第一個(gè)共振LC線圈后，我檢查它的品質(zhì)因數(shù)。提供一個(gè)10V的交流電壓信號(hào)，在無負(fù)載的情況下，我可以在接收線圈得到30到40V的電壓。這給了我們從相匹配的共振中獲利的希望。次級(jí)線圈被設(shè)計(jì)成有一個(gè)很小的橫切面積，這就會(huì)使每次的轉(zhuǎn)換中有一個(gè)比較低的電感系數(shù)，以適合燈泡，同時(shí)還需要更多的轉(zhuǎn)換，這樣的話就會(huì)使電壓得到更大的提高，以提高變壓器的轉(zhuǎn)換比率。通過使用相同的電感和手動(dòng)調(diào)節(jié)小電容，共振器會(huì)差不多匹配，到最后，相互間就會(huì)產(chǎn)生一定的共鳴。

　　然后，在次級(jí)線圈上加上LED，配置和測(cè)試能夠順利工作的范圍。

　　霍爾效應(yīng)傳感

　　人們測(cè)量一個(gè)有磁力的懸浮物體的位置的方法一般有兩種。第一種是從物體的一邊射一束光線，然后在另一邊測(cè)有多少光投射入陰影里面，有時(shí)候還有調(diào)制解調(diào)器去降低信號(hào)里面的噪音。再者，霍爾效應(yīng)傳感器有時(shí)候用去檢測(cè)附近的永磁體的位置。

　　然而，由于我們用電磁體去升起物體，我們不但自覺的介紹我們信號(hào)中的電磁噪音，同時(shí)還介紹其大磁場的非線性。在任何指定的位置，基于物體當(dāng)時(shí)的動(dòng)態(tài)和電磁體當(dāng)時(shí)的牽引力，傳感器能夠感應(yīng)到永磁體疊加電磁強(qiáng)度的位置的全部磁場。

　　一半的方案已經(jīng)在上面展示出來，我決定在電磁體的上下兩端放置霍爾效應(yīng)傳感器，環(huán)氧基樹脂以一個(gè)對(duì)稱方式放置，利用他們的差分反饋信號(hào)去感測(cè)位置。然而，任何存在于永磁體的信號(hào)，無論是穩(wěn)定的還是高頻的PWM轉(zhuǎn)換噪音，都會(huì)產(chǎn)生一定程度的抵償。在信號(hào)里面只剩下位置測(cè)量。電磁體通過的唯一信號(hào)根源于其非對(duì)稱性和傳感器的不匹配。

　　傳感器的增益必須適當(dāng)?shù)販y(cè)量。我用線性霍爾效應(yīng)傳感器AD22151，一個(gè)很不錯(cuò)的8腳SO封裝芯片，它用三個(gè)電阻去實(shí)現(xiàn)偏壓和電壓輸出測(cè)量；如下所示，我設(shè)置這些參數(shù)去提供一個(gè)大概一致的增益，使他們的幅度處于中間的位置。遺憾的是因?yàn)槲覀兂チ似匠ＤＪ降男畔ⅲ晕覀儾荒芟衿匠Ｄ菢荧@得輸出；然而，我們也不能在這實(shí)現(xiàn)這樣的功能，因?yàn)槊總€(gè)傳感器在取消之前，感應(yīng)到相應(yīng)的電磁體信號(hào)，這個(gè)正如我們?cè)O(shè)計(jì)的那樣能覆蓋所有傳感器的范圍。因此，最后我們得到的是一個(gè)只有1V變化的真實(shí)信號(hào)，我們也會(huì)在下一個(gè)步驟獲得相同的信號(hào)。

　　反饋補(bǔ)償系統(tǒng)：

　　反饋系統(tǒng)如上所示，首先，對(duì)反饋通路來說，這兩個(gè)霍爾傳感器是被放在一個(gè)不同的OP放大器里面，有著相同的輸入阻抗，最后得到1到2的誤差。在一個(gè)控制系統(tǒng)里面，經(jīng)常出現(xiàn)這種情況，一個(gè)必要控制者的分析只會(huì)被校正到你當(dāng)前模式的指向，通常需要微調(diào)電位計(jì)和電容調(diào)整去最優(yōu)化反饋系統(tǒng)，這是毫無疑義的。

　　在經(jīng)過差分放大之后，我們把輸出經(jīng)過無源濾波器，也就是俗稱的超前補(bǔ)償器。像這樣的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，在全部的精度和反饋增益比例方面的結(jié)果會(huì)令我們震驚，這個(gè)系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定么？所以我么需要增加非比例反饋去使它穩(wěn)定。在有限范圍內(nèi)，超前補(bǔ)償器能夠達(dá)到這種效果。這就會(huì)使它成為PD控制，這樣就會(huì)很相似。在反饋通路里面，它抗擊懸浮的快速移動(dòng)，這樣有助于振幅經(jīng)常失去控制的抑制系統(tǒng)保持穩(wěn)定。超前補(bǔ)償器添加一個(gè)大概0.1偏差的DC，這樣的話就可以緩沖另一個(gè)階段給這個(gè)階段帶來的增益，在這種情況下12倍的增益，可以獲得接近于DC單元的增益。

　　分離和輸出階段：

　　上面顯示的是輸出階段。我們通過這個(gè)系統(tǒng)向后是最容易的。我們使用一個(gè)H橋芯片，LMD18200來供給我們的輸出信號(hào)和為低阻抗的雙向開關(guān)、高功率電磁放大信號(hào)。 LMD18200是一個(gè)非常棒的設(shè)備，尤其是因?yàn)樗w了輸出電壓范圍寬（12-55V）和典型的TTL邏輯電平信號(hào)輸入。這使我們能夠從我們的5V運(yùn)算放大器，或從單片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 LMD18200用DIRECTION位和 PWM位驅(qū)動(dòng)。

　　由于我們沒有在每個(gè)地方用到真正的差分放大器，我們的最終輸入信號(hào)總是在0和5V之間。因此，我們使用一個(gè)微控制器去讀取輸入值，和另一個(gè)模擬值進(jìn)行比較。這樣的微控制器可以輸出PWM信號(hào)和LMD18200需要的方向位。我們使用的微控制器是ATMEL的ATtiny26芯片。除去其他功能，ATMEL還提供了一個(gè)很好的芯片選擇，這芯片提供更快，更便宜的，能很容易實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片。在這種情況下，我們使用雙通道10位AD轉(zhuǎn)換器來作最后的比較。

　　還存在一個(gè)問題。電磁體不僅直接給傳感器增加噪音，而且它也給整個(gè)電氣系統(tǒng)增加了不少噪音。這種情況的主要原因是我們正在驅(qū)動(dòng)高功率器件和高頻開關(guān); 其實(shí)它也發(fā)生的原因是因?yàn)?a href="http://www.asorrir.com/book/779/" target="_blank">電磁鐵 （其實(shí)是任何馬達(dá)） 是一個(gè)大型的感應(yīng)器，歸根到底是一個(gè)開關(guān)。它可以是高壓的尖峰感應(yīng)。我們12V信號(hào)能夠輕易變?yōu)?V的尖峰電壓。如果尖峰電壓持續(xù)上升，接地能夠關(guān)掉我們的控制硬件，如果這尖峰電壓達(dá)到任何一個(gè)模擬參考值，我們的數(shù)值沒有任何意義。

　　為了解決這個(gè)問題，我已經(jīng)安裝了兩個(gè)控制通道光隔離器，這允許信號(hào)通過一個(gè)電氣 - 》光 - 》電階段，保持兩個(gè)電氣系統(tǒng)完全獨(dú)立。通過這種方式，可以攜帶信息，但沒有電噪聲可以從一個(gè)器件傳到另一個(gè)。我用的光隔離器是8-DIP的 NEC8601芯片。它通過一個(gè)外部電阻繼電器在兩個(gè)孤立的系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)播數(shù)字信息。

　　演示：

　　如上圖所示，板載電路已全面執(zhí)行。這個(gè)無線電能傳輸就像磁懸浮一樣那么有前途。這個(gè)電能傳送在我期望的工作范圍里運(yùn)行良好。 而且，這對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的輸出信號(hào)沒有任何的放大，這使我確信電源傳輸效率是非常高的。雖然有一些振蕩，但磁鐵懸浮表現(xiàn)得很穩(wěn)定。我讓它運(yùn)行了一個(gè)多小時(shí)，不過并無產(chǎn)生任何干擾和演變成不穩(wěn)定狀態(tài)。然而，有一些噪聲出現(xiàn)在系統(tǒng)中。

　　結(jié)論和未來的工作：

　　對(duì)于這個(gè)電能傳輸系統(tǒng)來說，我希望可以看到粗的線圈和輸出信號(hào)的放大對(duì)傳輸能力有什么影響。低的電阻線應(yīng)該會(huì)提高我們系統(tǒng)的Q因數(shù)，同時(shí)也允許S系統(tǒng)間產(chǎn)生一個(gè)尖峰信號(hào)。當(dāng)然這需要一個(gè)更好的頻率調(diào)整。利用低寄生電阻的電容器對(duì)提高Q因數(shù)或許會(huì)有幫助。

　　我也期待看到把整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為一個(gè)真正的差分系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響。通過運(yùn)行如鋸齒波比較器去為LMD18200產(chǎn)生數(shù)字PWM輸入，這或許會(huì)允許輸入信號(hào)像一般的一樣更早地進(jìn)入反饋電路，同時(shí)也允許一個(gè)完全沒有控制器的系統(tǒng)。更進(jìn)一步，盡管上面規(guī)定的光絕緣體去掉有任何電磁體電源問題的系統(tǒng)，這也是不真實(shí)的，就如電磁干擾仍然是一個(gè)問題一樣，同時(shí)需要增加更多的旁路電容去擺除系統(tǒng)的尖峰噪音。

　　在這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行到一半的過程中，我突然有個(gè)想法。一條基于反饋系統(tǒng)的光線去除了在電磁體和位置感應(yīng)的氧化物磁體之間的相互問題。這應(yīng)該會(huì)很簡單。然而，如果你做一個(gè)燈泡，很難實(shí)現(xiàn)類似光線——陰影感測(cè)的方法。這個(gè)勾起我的設(shè)想。250KHZ輸出的LED是理想的位置傳感器。不僅因?yàn)樗颜{(diào)制成高頻，而且當(dāng)其降低時(shí)，電能傳送轉(zhuǎn)換數(shù)值衰退（在某個(gè)范圍內(nèi)線性衰退），這會(huì)降低亮度輸出。因此，這燈泡自己可以成為感測(cè)設(shè)備，哪怕他是通過這個(gè)無線系統(tǒng)供電。這將會(huì)是一個(gè)簡單的檢測(cè)方法。如果使它工作的話，會(huì)使輸出設(shè)備和輸入設(shè)備的一部分一樣運(yùn)行。


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