揭秘磁悬浮灯泡无线电力传输(附完整电路图)

日期:2020-01-20编辑作者:使用说明

  我的目标是建这么一个子系统,它能够使一个电灯泡磁悬浮起来,而这灯泡通常是利用相匹配的无线共振变压器供电。这个系统融合了两种我最感兴趣的科学现象:不稳定系统的反馈稳定化和无线电力传输。我相信这两者在这系统里面能够结合得非常好。

  为了使一个灯泡悬浮起来,要去探索三个主要系统和研究一些技术。首先,设计一个相匹配的共振变压器,靠它把电源从驱动线圈无线发送到接收线圈,在无电源功率放大的情况下,大概可以在6英寸内传输。第二,设计一个传感器系统去清除在磁悬浮检测中遇到的典型问题。最后,设计一个反馈控制系统,这样的话我就可以利用第二部分设置的传感反馈去稳定地把一个磁铁悬浮在一个固定的位置。

  大概的目标装置如右图所示,一个带着铁磁芯的电磁体就放在装置的顶部,这样的话就可以使它的使用范围扩展到更往下的位置。在电磁体底部大概一英寸的位置,在那白炽灯泡里面安装一小堆不可见的直径0.5毫米的铷磁体。在电磁体的两端分别装有霍尔效应传感器,用来感应灯泡的位置。

  在电磁体周围绕着另一个线圈,初级共振变压器线圈,次级线圈位于灯泡里面的铷磁体附近。我们用电源功率5瓦磨砂LED灯泡去代替50瓦德白炽灯以获得同样的光的亮度和感觉,而发热和功率消耗则会相对减少。接收线圈和相对应的电子设备则接到同样位于灯泡内底部的对应的LED输出。

  这个方案的第一部分包含了利用无线传输把电源从底部传到漂浮物。变压器通常是利用铁磁芯通过在次级线圈中引起交流电,从而在两个线圈间传递能量。如果没有一个铁磁芯去控制磁通量,普通的变压器不能再任何范围内传递能量。在这个应用里面,我们要求在三英寸左右距离能够从底部向灯泡轻易的传送能量。

  为了达到这个目标,如图所示,我们做了一个共振变压力。现在我们用一个信号发生器去产生一个低压的交流信号,整个矩形波我们可以用555计时芯片轻易做到。我们首先绕一个线圈,这线圈的作用相当于一个初级变压器线圈和一个电感器。我绕的那个线豪亨,为了避开其他的源干扰,同时希望在大概200KHZ范围的频率下工作,我选择了一个容量大概为1NF的电缆耦合电容器。之后,我扫频频率发生器直到254KHZ的共振频率。所有线圈内的寄生电阻减少品质因数Q,因此一个精确频率变得不需要了。接下来,利用低压标准线、低寄生电阻电容器和更高精度的共振频率会达到一个更高的电压装换率。

  设置了第一个共振LC线圈后,我检查它的品质因数。提供一个10V的交流电压信号,在无负载的情况下,我可以在接收线V的电压。这给了我们从相匹配的共振中获利的希望。次级线圈被设计成有一个很小的横切面积,这就会使每次的转换中有一个比较低的电感系数,以适合灯泡,同时还需要更多的转换,这样的话就会使电压得到更大的提高,以提高变压器的转换比率。通过使用相同的电感和手动调节小电容,共振器会差不多匹配,到最后,相互间就会产生一定的共鸣。

  人们测量一个有磁力的悬浮物体的位置的方法一般有两种。第一种是从物体的一边射一束光线,然后在另一边测有多少光投射入阴影里面,有时候还有调制解调器去降低信号里面的噪音。再者,霍尔效应传感器有时候用去检测附近的永磁体的位置。

  然而,由于我们用电磁体去升起物体,我们不但自觉的介绍我们信号中的电磁噪音,同时还介绍其大磁场的非线性。在任何指定的位置,基于物体当时的动态和电磁体当时的牵引力,传感器能够感应到永磁体叠加电磁强度的位置的全部磁场。

  一半的方案已经在上面展示出来,我决定在电磁体的上下两端放置霍尔效应传感器,变压器对人体有辐射吗环氧基树脂以一个对称方式放置,利用他们的差分反馈信号去感测位置。然而,任何存在于永磁体的信号,无论是稳定的还是高频的PWM转换噪音,都会产生一定程度的抵偿。在信号里面只剩下位置测量。电磁体通过的唯一信号根源于其非对称性和传感器的不匹配。

  传感器的增益必须适当地测量。我用线脚SO封装芯片,它用三个电阻去实现偏压和电压输出测量;如下所示,我设置这些参数去提供一个大概一致的增益,使他们的幅度处于中间的位置。遗憾的是因为我们除去了平常模式的信息,所以我们不能像平常那样获得输出;然而,我们也不能在这实现这样的功能,因为每个传感器在取消之前,感应到相应的电磁体信号,这个正如我们设计的那样能覆盖所有传感器的范围。因此,最后我们得到的是一个只有1V变化的真实信号,我们也会在下一个步骤获得相同的信号。

  反馈系统如上所示,首先,对反馈通路来说,这两个霍尔传感器是被放在一个不同的OP放大器里面,有着相同的输入阻抗,最后得到1到2的误差。在一个控制系统里面,经常出现这种情况,一个必要控制者的分析只会被校正到你当前模式的指向,通常需要微调电位计和电容调整去最优化反馈系统,这是毫无疑义的。

  在经过差分放大之后,我们把输出经过无源滤波器,也就是俗称的超前补偿器。像这样的系统是不稳定的,在全部的精度和反馈增益比例方面的结果会令我们震惊,这个系统能够保持稳定么?所以我么需要增加非比例反馈去使它稳定。在有限范围内,超前补偿器能够达到这种效果。这就会使它成为PD控制,这样就会很相似。在反馈通路里面,它抗击悬浮的快速移动,这样有助于振幅经常失去控制的抑制系统保持稳定。超前补偿器添加一个大概0.1偏差的DC,这样的话就可以缓冲另一个阶段给这个阶段带来的增益,在这种情况下12倍的增益,可以获得接近于DC单元的增益。

  上面显示的是输出阶段。我们通过这个系统向后是最容易的。我们使用一个H桥芯片,LMD18200来供给我们的输出信号和为低阻抗的双向开关、高功率电磁放大信号。 LMD18200是一个非常棒的设备,尤其是因为它涵盖了输出电压范围宽(12-55V)和典型的TTL逻辑电平信号输入。这使我们能够从我们的5V运算放大器,或从单片机驱动系统。 LMD18200用DIRECTION位和 PWM位驱动。

  由于我们没有在每个地方用到真正的差分放大器,我们的最终输入信号总是在0和5V之间。因此,我们使用一个微控制器去读取输入值,和另一个模拟值进行比较。这样的微控制器可以输出PWM信号和LMD18200需要的方向位。我们使用的微控制器是ATMEL的ATtiny26芯片。除去其他功能,ATMEL还提供了一个很好的芯片选择,这芯片提供更快,变压器对人体有辐射吗更便宜的,能很容易实现模数转换的芯片。在这种情况下,我们使用双通道10位AD转换器来作最后的比较。

  还存在一个问题。电磁体不仅直接给传感器增加噪音,而且它也给整个电气系统增加了不少噪音。这种情况的主要原因是我们正在驱动高功率器件和高频开关; 其实它也发生的原因是因为电磁铁 (其实是任何马达) 是一个大型的感应器,归根到底是一个开关。它可以是高压的尖峰感应。我们12V信号能够轻易变为5V的尖峰电压。如果尖峰电压持续上升,接地能够关掉我们的控制硬件,如果这尖峰电压达到任何一个模拟参考值,我们的数值没有任何意义。

  为了解决这个问题,我已经安装了两个控制通道光隔离器,这允许信号通过一个电气 - 》光 - 》电阶段,保持两个电气系统完全独立。通过这种方式,可以携带信息,但没有电噪声可以从一个器件传到另一个。我用的光隔离器是8-DIP的 NEC8601芯片。它通过一个外部电阻继电器在两个孤立的系统之间转播数字信息。

  如上图所示,板载电路已全面执行。这个无线电能传输就像磁悬浮一样那么有前途。这个电能传送在我期望的工作范围里运行良好。 而且,变压器对人体有辐射吗这对信号发生器产生的输出信号没有任何的放大,这使我确信电源传输效率是非常高的。虽然有一些振荡,但磁铁悬浮表现得很稳定。我让它运行了一个多小时,不过并无产生任何干扰和演变成不稳定状态。然而,有一些噪声出现在系统中。

  对于这个电能传输系统来说,我希望可以看到粗的线圈和输出信号的放大对传输能力有什么影响。低的电阻线应该会提高我们系统的Q因数,同时也允许S系统间产生一个尖峰信号。当然这需要一个更好的频率调整。利用低寄生电阻的电容器对提高Q因数或许会有帮助。

  我也期待看到把整个系统转为一个真正的差分系统所产生的影响。通过运行如锯齿波比较器去为LMD18200产生数字PWM输入,这或许会允许输入信号像一般的一样更早地进入反馈电路,同时也允许一个完全没有控制器的系统。更进一步,尽管上面规定的光绝缘体去掉有任何电磁体电源问题的系统,这也是不真实的,就如电磁干扰仍然是一个问题一样,同时需要增加更多的旁路电容去摆除系统的尖峰噪音。

  在这个项目进行到一半的过程中,我突然有个想法。一条基于反馈系统的光线去除了在电磁体和位置感应的氧化物磁体之间的相互问题。这应该会很简单。然而,如果你做一个灯泡,很难实现类似光线阴影感测的方法。这个勾起我的设想。250KHZ输出的LED是理想的位置传感器。不仅因为它已调制成高频,而且当其降低时,电能传送转换数值衰退(在某个范围内线性衰退),这会降低亮度输出。因此,这灯泡自己可以成为感测设备,哪怕他是通过这个无线系统供电。这将会是一个简单的检测方法。如果使它工作的话,会使输出设备和输入设备的一部分一样运行。

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