用單片機和霍爾傳感技術(shù)設(shè)計小型磁懸浮列車

許釋文 李德安 徐怡冰 盧漢輝 于智杰 黃秋怡

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

近年來，我國科技發(fā)展迅速，磁懸浮列車技術(shù)也得到相應地發(fā)展．雖然磁懸浮列車的研究和制造涉及的學科眾多、技術(shù)難度大、工藝復雜，但它具有速度快、污染小的優(yōu)點，優(yōu)于所有目前城市交通工具．

根據(jù)現(xiàn)實生活中的磁懸浮列車運行原理，并通過查閱和學習相關(guān)知識，下文給出了一個創(chuàng)新性的小型磁懸浮列車設(shè)計方案．

1 小型磁懸浮列車設(shè)計總體方案

總設(shè)計方案應包括軌道和小型磁懸浮列車．軌道可采用“工”字型軌道，其橫截面是“工”字型．而小型磁懸浮列車由3部分組成，分別為懸浮系統(tǒng)、導向系統(tǒng)及推進和制動系統(tǒng)．各系統(tǒng)的具體設(shè)計將在后文詳細討論．整體的橫截面圖設(shè)計如圖1所示.

圖1 小車和軌道橫截面圖

2 懸浮系統(tǒng)的設(shè)計

目前磁懸浮列車實現(xiàn)懸浮主要有兩種方式：一種是利用常導電磁鐵吸引力，另一種是利用超導電磁鐵在行走中產(chǎn)生的相斥力．對比兩種方法，后者所需的超導材料價格較為昂貴，所需低溫條件也較難實現(xiàn)．

因此，可嘗試采取前一種方式，在軌道上鋪設(shè)鐵皮，在小車上安置電磁鐵，通過超聲模塊測距、單片機控制電磁鐵電流來實現(xiàn)小車與軌道的距離控制．但市面上的電磁鐵大多都是吸盤式的，其在36 V電壓以下所產(chǎn)生的吸引力隨距離的增加而呈指數(shù)式衰減，故只有在距離相當近(1～2 mm)的時候有明顯吸力，超聲模塊的精度無法到達相應的要求．

故采用永磁體同性相斥來實現(xiàn)小車懸浮，在小車下部以及軌道上部均鋪設(shè)磁鐵．對比用引力實現(xiàn)懸浮，斥力懸浮系統(tǒng)是自穩(wěn)定系統(tǒng)，所以無需考慮懸浮高度的調(diào)節(jié)．此外，采用永磁體技術(shù)替代電流控制的懸浮系統(tǒng)，降低了電路控制難度及減輕了電源的壓力．

3 導向系統(tǒng)的設(shè)計

生活中的磁懸浮列車的穩(wěn)定性由導向系統(tǒng)來控制．但在實際制作過程中，不建議采用電磁力控制的方案來制作小型磁懸浮列車．原因如下：

一是用電磁力來實現(xiàn)導向的難度很大．用吸力方案來導向，會發(fā)現(xiàn)電磁鐵對磁鐵或者硅鋼片的吸力會隨著電磁鐵到硅鋼片的距離的增加呈指數(shù)衰減，因此用吸力方案遠達不到實現(xiàn)導向的要求．采用斥力方案，小車容易往兩邊傾斜，不能保證其穩(wěn)定性，實現(xiàn)導向的操作難度大．

二是用來導向的電磁鐵或者磁鐵的磁性會干擾懸浮系統(tǒng)．導向電磁鐵產(chǎn)生的磁場以及導向磁鐵的磁場，會和懸浮系統(tǒng)的磁鐵產(chǎn)生的磁場相互耦合，不利于懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定．

因此，推薦采用一種“獨辟蹊徑”的方式實現(xiàn)導向，即用4個輪子“抱”住軌道．當小車運動時，導向系統(tǒng)的輪子就如正在行駛的車一樣，位于自制軌道的側(cè)邊運動，既可以讓運動著的小車穩(wěn)定，也可以幫助小車加速運動．除此之外，還有一個好處，如果給小車加重量，用來導向的輪子所受到的軌道給它的摩擦力是不會增加的．

因此，采用4個定滑輪在側(cè)邊“抱”住軌道，既解決了和懸浮系統(tǒng)相互耦合的問題，也減輕了復雜的制作要求．達到既簡單又可靠，且性能穩(wěn)定的效果．

4 推進和制動系統(tǒng)的設(shè)計

實際生活中的磁懸浮列車的高速前進是利用電磁體間的磁力完成的．簡單的講就是，在位于軌道兩側(cè)的線圈里流動的交流電，能將線圈變?yōu)殡姶盆F．由于它與列車上的電磁體的相互作用，就使列車開動起來．列車前進是因為列車頭部的電磁體(N極)被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體(S極)所吸引，并且同時又被安裝在軌道上稍后一點的電磁體(N極)所排斥．

當列車前進時，在線圈里流動的電流流向就反轉(zhuǎn)過來了．其結(jié)果就是原來那個S極線圈，現(xiàn)在變?yōu)镹極線圈了，反之亦然．這樣，列車由于電磁極性的轉(zhuǎn)換而得以持續(xù)向前奔馳．根據(jù)此工作原理并結(jié)合單片機編程和手機藍牙技術(shù)，可得如下推進和制動系統(tǒng)的方案.

4.1 推進和制動系統(tǒng)的原理

線圈通電產(chǎn)生磁場(右手定則)；磁鐵同性相斥、異性相吸原理；霍爾傳感器感受磁場強度并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?/p>

4.2 推進和制動系統(tǒng)的設(shè)計方案

如圖2所示，軌道上表面由永磁鐵按照以上布局排列而成；車身底部由3組線圈和一個霍爾傳感器構(gòu)成，線圈包括線圈A1和A2；線圈B1和B2；線圈C1和C2，且線圈的排列需要滿足圖2所示的布局．其中線圈A1與A2串聯(lián)，線圈B1與B2串聯(lián)，線圈C1與C2串聯(lián)．

圖2 推進和制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

線圈A1和A2；線圈B1和B2；線圈C1和C2的通電是由單片機控制的，手機通過藍牙發(fā)送信號給單片機，單片機開始運作，霍爾元件接收到信號，將信號傳遞給控制線圈通電的單片機，導通線圈A1(如圖3所示)，線圈A1和A2產(chǎn)生如圖所示S極磁場，與軌道上的磁場同性相斥、異性相吸，推動小車向前行駛．

圖3 推進和制動系統(tǒng)的運行原理圖

當線圈B1和B2到達原先A1和A2所在的位置，此時，霍爾傳感器接收到相應的信號，并將信號傳遞給控制線圈通電的單片機，斷開線圈A1和A2上的電流，并接通線圈B1上的電流．

此時，線圈B1和B2在同樣的位置產(chǎn)生同樣的磁場(在剛開始時線圈A1和A2的位置，產(chǎn)生相同的S極磁場)，再次重復開始時線圈A1和A2的過程，小車前進．

線圈C1和C2亦是同理．

當線圈A1和A2；線圈B1和B2；線圈C1和C2依次通完電后，線圈A1和A2來到了下一個軌道上的N和S極區(qū)間(一個N和S極為一個區(qū)間，小車軌道由許多個這樣的區(qū)間構(gòu)成)，且此時線圈A1和A2相對于軌道上距離最近的N極的位置和剛開始時的相同，霍爾傳感器接收到相應的信號，再次接通線圈A1和A2，重復上述過程，不斷拉動小車向前行駛，小車便動了起來．(霍爾元件反應時間很快，表現(xiàn)出來小車一直向前行駛)

制動系統(tǒng)：手機通過藍牙發(fā)送“暫停”的指示給單片機，第一組線圈導通，其他線圈截止，小車受磁場作用，慢慢停下來．

4.3 電路圖和輸入波形

(1)電路圖參考如下.

圖4 電路圖

(2)L1，L2，L3這3組線圈輸入波形參考如下.

線圈L1，L2，L3分別對應小車底部的A1串聯(lián)A2，B1串聯(lián)B2，C1串聯(lián)C2.

圖5 輸入波形圖

5 結(jié)束語

本文根據(jù)現(xiàn)實生活中的磁懸浮列車原理，詳細給出磁懸浮小車各系統(tǒng)的設(shè)計方案．各系統(tǒng)設(shè)計工藝及原理符合大學生的能力及知識應用水平，本方案具有較高的可行性．

此外，本方案設(shè)計的小車在運動過程中所受摩擦力小、可控、低功耗，具有廣闊的應用前景．其側(cè)輪與軌道的摩擦力不受小車重量影響，且輪子與軌道是滾動摩擦，由此而產(chǎn)生的摩擦力幾乎可忽略．因此，只需要給小車提供很小的牽引力就能啟動，并能快速前進．值得一提的是，本方案能進行推廣應用，可通過簡單改造應用于磁懸浮列車技術(shù)的研究，亦可在物理教學中起到較好的演示作用．

創(chuàng)造能力是衡量人才質(zhì)量高低的標準，未來社會的發(fā)展與競爭歸根到底是創(chuàng)造能力的競爭．目前，我國的高等教育提倡提高大學生的創(chuàng)新能力、思考能力、動手動腦能力和實踐能力．小型磁懸浮列車的制作，不僅提升了大學生的動手能力、思考能力和實踐能力，還能使大學生熟悉各系統(tǒng)的運用原理及如何設(shè)計和改進作品、了解磁懸浮列車的發(fā)展前沿．還能引導大學生關(guān)注社會發(fā)展、科技發(fā)展，從中發(fā)現(xiàn)問題并能為以后的科技發(fā)展提供新思路和新方法，為社會發(fā)展貢獻自己的力量．