揭秘磁懸浮燈泡無線電力傳輸（附完整電路圖） - 全文

　　動機：

　　我的目標是建這么一個子系統(tǒng)，它能夠使一個電燈泡磁懸浮起來，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。

　　為了使一個燈泡懸浮起來，要去探索三個主要系統(tǒng)和研究一些技術(shù)。首先，設(shè)計一個相匹配的共振變壓器，靠它把電源從驅(qū)動線圈無線發(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)計一個傳感器系統(tǒng)去清除在磁懸浮檢測中遇到的典型問題。最后，設(shè)計一個反饋控制系統(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)定地把一個磁鐵懸浮在一個固定的位置。

　　實施：

　　大概的目標裝置如右圖所示，一個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線圈，初級共振變壓器線圈，次級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)熱和功率消耗則會相對減少。接收線圈和相對應(yīng)的電子設(shè)備則接到同樣位于燈泡內(nèi)底部的對應(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線圈中引起交流電，從而在兩個線圈間傳遞能量。如果沒有一個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。

　　為了達到這個目標，如圖所示，我們做了一個共振變壓力?，F(xiàn)在我們用一個信號發(fā)生器去產(chǎn)生一個低壓的交流信號，整個矩形波我們可以用555計時芯片輕易做到。我們首先繞一個線圈，這線圈的作用相當于一個初級變壓器線圈和一個電感器。我繞的那個線圈大概有320豪亨，為了避開其他的源干擾，同時希望在大概200KHZ范圍的頻率下工作，我選擇了一個容量大概為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，因此一個精確頻率變得不需要了。接下來，利用低壓標準線、低寄生電阻電容器和更高精度的共振頻率會達到一個更高的電壓裝換率。

　　設(shè)置了第一個共振LC線圈后，我檢查它的品質(zhì)因數(shù)。提供一個10V的交流電壓信號，在無負載的情況下，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。次級線圈被設(shè)計成有一個很小的橫切面積，這就會使每次的轉(zhuǎn)換中有一個比較低的電感系數(shù)，以適合燈泡，同時還需要更多的轉(zhuǎn)換，這樣的話就會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調(diào)節(jié)小電容，共振器會差不多匹配，到最后，相互間就會產(chǎn)生一定的共鳴。

　　然后，在次級線圈上加上LED，配置和測試能夠順利工作的范圍。

　　霍爾效應(yīng)傳感

　　人們測量一個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，然后在另一邊測有多少光投射入陰影里面，有時候還有調(diào)制解調(diào)器去降低信號里面的噪音。再者，霍爾效應(yīng)傳感器有時候用去檢測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中的電磁噪音，同時還介紹其大磁場的非線性。在任何指定的位置，基于物體當時的動態(tài)和電磁體當時的牽引力，傳感器能夠感應(yīng)到永磁體疊加電磁強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)氧基樹脂以一個對稱方式放置，利用他們的差分反饋信號去感測位置。然而，任何存在于永磁體的信號，無論是穩(wěn)定的還是高頻的PWM轉(zhuǎn)換噪音，都會產(chǎn)生一定程度的抵償。在信號里面只剩下位置測量。電磁體通過的唯一信號根源于其非對稱性和傳感器的不匹配。

　　傳感器的增益必須適當?shù)販y量。我用線性霍爾效應(yīng)傳感器AD22151，一個很不錯的8腳SO封裝芯片，它用三個電阻去實現(xiàn)偏壓和電壓輸出測量；如下所示，我設(shè)置這些參數(shù)去提供一個大概一致的增益，使他們的幅度處于中間的位置。遺憾的是因為我們除去了平常模式的信息，所以我們不能像平常那樣獲得輸出；然而，我們也不能在這實現(xiàn)這樣的功能，因為每個傳感器在取消之前，感應(yīng)到相應(yīng)的電磁體信號，這個正如我們設(shè)計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只有1V變化的真實信號，我們也會在下一個步驟獲得相同的信號。

　　反饋補償系統(tǒng)：

　　反饋系統(tǒng)如上所示，首先，對反饋通路來說，這兩個霍爾傳感器是被放在一個不同的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。在一個控制系統(tǒng)里面，經(jīng)常出現(xiàn)這種情況，一個必要控制者的分析只會被校正到你當前模式的指向，通常需要微調(diào)電位計和電容調(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)果會令我們震驚，這個系統(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)，超前補償器能夠達到這種效果。這就會使它成為PD控制，這樣就會很相似。在反饋通路里面，它抗擊懸浮的快速移動，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。超前補償器添加一個大概0.1偏差的DC，這樣的話就可以緩沖另一個階段給這個階段帶來的增益，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。我們通過這個系統(tǒng)向后是最容易的。我們使用一個H橋芯片，LMD18200來供給我們的輸出信號和為低阻抗的雙向開關(guān)、高功率電磁放大信號。 LMD18200是一個非常棒的設(shè)備，尤其是因為它涵蓋了輸出電壓范圍寬（12-55V）和典型的TTL邏輯電平信號輸入。這使我們能夠從我們的5V運算放大器，或從單片機驅(qū)動系統(tǒng)。 LMD18200用DIRECTION位和 PWM位驅(qū)動。

　　由于我們沒有在每個地方用到真正的差分放大器，我們的最終輸入信號總是在0和5V之間。因此，我們使用一個微控制器去讀取輸入值，和另一個模擬值進行比較。這樣的微控制器可以輸出PWM信號和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還提供了一個很好的芯片選擇，這芯片提供更快，更便宜的，能很容易實現(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。

　　還存在一個問題。電磁體不僅直接給傳感器增加噪音，而且它也給整個電氣系統(tǒng)增加了不少噪音。這種情況的主要原因是我們正在驅(qū)動高功率器件和高頻開關(guān); 其實它也發(fā)生的原因是因為電磁鐵 （其實是任何馬達） 是一個大型的感應(yīng)器，歸根到底是一個開關(guān)。它可以是高壓的尖峰感應(yīng)。我們12V信號能夠輕易變?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，如果這尖峰電壓達到任何一個模擬參考值，我們的數(shù)值沒有任何意義。

　　為了解決這個問題，我已經(jīng)安裝了兩個控制通道光隔離器，這允許信號通過一個電氣 - 》光 - 》電階段，保持兩個電氣系統(tǒng)完全獨立。通過這種方式，可以攜帶信息，但沒有電噪聲可以從一個器件傳到另一個。我用的光隔離器是8-DIP的 NEC8601芯片。它通過一個外部電阻繼電器在兩個孤立的系統(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。這個無線電能傳輸就像磁懸浮一樣那么有前途。這個電能傳送在我期望的工作范圍里運行良好。 而且，這對信號發(fā)生器產(chǎn)生的輸出信號沒有任何的放大，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。我讓它運行了一個多小時，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：

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

　　我也期待看到把整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)為一個真正的差分系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響。通過運行如鋸齒波比較器去為LMD18200產(chǎn)生數(shù)字PWM輸入，這或許會允許輸入信號像一般的一樣更早地進入反饋電路，同時也允許一個完全沒有控制器的系統(tǒng)。更進一步，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)，這也是不真實的，就如電磁干擾仍然是一個問題一樣，同時需要增加更多的旁路電容去擺除系統(tǒng)的尖峰噪音。

　　在這個項目進行到一半的過程中，我突然有個想法。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)該會很簡單。然而，如果你做一個燈泡，很難實現(xiàn)類似光線——陰影感測的方法。這個勾起我的設(shè)想。250KHZ輸出的LED是理想的位置傳感器。不僅因為它已調(diào)制成高頻，而且當其降低時，電能傳送轉(zhuǎn)換數(shù)值衰退（在某個范圍內(nèi)線性衰退），這會降低亮度輸出。因此，這燈泡自己可以成為感測設(shè)備，哪怕他是通過這個無線系統(tǒng)供電。這將會是一個簡單的檢測方法。如果使它工作的話，會使輸出設(shè)備和輸入設(shè)備的一部分一樣運行。


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