可控雙層磁懸浮小車的設(shè)計(jì)

王 慧，黃浩恩，許學(xué)禮，劉露露，楊健斌

（1.廣東海洋大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué) 水產(chǎn)學(xué)院，廣東 湛江 524088）

磁懸浮技術(shù)來(lái)源于1922年德國(guó)工程師赫爾曼·肯佩爾提出的電磁懸浮原理，磁懸浮技術(shù)所帶來(lái)的磁懸浮列車是人類交通史上的一次偉大改革[1-2]。近年來(lái)，日本研究的超導(dǎo)磁浮列車，最高時(shí)速達(dá)到603 km/h，刷新了地面軌道交通工具的最高速度記錄。德國(guó)研制的TR01－09系列電磁浮列車試驗(yàn)線，速度可達(dá)450 km/h[3]。中國(guó)磁懸浮技術(shù)也取得了飛躍式的進(jìn)步和顯著的成果[4]，我國(guó)對(duì)于磁懸浮技術(shù)的研究，已經(jīng)逐漸由原理論證階段發(fā)展到工程實(shí)踐階段[5]，在磁懸浮列車方面，北京首列磁浮列車已到達(dá)北京S1線石門營(yíng)車輛段，即將啟動(dòng)列車的調(diào)試工作。同時(shí)我國(guó)新一代中低速磁浮列車也順利在上海完成時(shí)速120公里運(yùn)行試驗(yàn)。意味著我國(guó)已掌握新一代中低速磁浮系統(tǒng)集成等關(guān)鍵核心技術(shù)，而中國(guó)“2.0版”快速磁浮列車處在緊張的試制組裝階段，計(jì)劃2018年年中下線。磁懸浮的其他方面的應(yīng)用也大量發(fā)展，如磁懸浮地球儀[6]、磁懸浮空調(diào)[7]和磁懸浮電梯[8]等。

本文針對(duì)現(xiàn)有的軌道交通如鐵路運(yùn)輸業(yè)運(yùn)力不足、效率低等問(wèn)題[9]，設(shè)計(jì)了此款雙層設(shè)置、采用架空軌道安裝方式的可控雙層磁懸浮小車模型，該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是：小車可以安裝在現(xiàn)有交通軌道的上空，大大減少軌道鋪設(shè)的條件限制，極大地減少土地的使用量，降低建設(shè)成本。小車以同極相斥的磁力維持懸浮，通過(guò)自制直線電機(jī)[10]進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用WiFi物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)進(jìn)行無(wú)線操控。該小車既可以應(yīng)用在交通運(yùn)輸、物流等大型應(yīng)用設(shè)施中，也可以用于高端玩具、教學(xué)儀器和工藝品等生活領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和外觀設(shè)計(jì)。圖1為小車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖中可控雙層磁懸浮小車系統(tǒng)采用了自行設(shè)計(jì)的DC-AC六臂全橋驅(qū)動(dòng)逆變電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)，從而控制小車的行進(jìn)；采用ESP32芯片，并利用搭載在ESP32上的WiFi模塊實(shí)現(xiàn)小車與智能手機(jī)、平板及PC端等上位機(jī)通信，從而通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)控制小車的狀態(tài)。小車設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，在耗能相同情況下，成倍提高了其載荷能力。軌道采用架空磁軌道的安裝方式極大地減少了占地面積。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可控雙層磁懸浮小車的懸浮系統(tǒng)是利用磁極“同極相斥”的原理，在小車底部安裝永磁體，并使磁鐵的N極朝下，同時(shí)在軌道上也安裝永磁體，使磁鐵N極朝上，通過(guò)磁鐵與磁鐵產(chǎn)生的斥力與小車的重力相平衡，使小車懸浮于空中。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可控雙層磁懸浮小車采用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部分，直線電機(jī)具有靜推力特性平穩(wěn)，運(yùn)行可靠性高等特性，不需要間接的耦合介質(zhì)，大大減少摩檫力與接觸所帶來(lái)非線性阻力影響。直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以視為一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)按徑向剖開(kāi)，并展成平面。

進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇輸入輸出線性度良好、受干擾少、體積小、重量輕和成本低[11-12]的霍爾傳感器進(jìn)行位置檢測(cè)，作為閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，結(jié)合ESP32控制芯片與自制六臂全橋逆變電路，將磁場(chǎng)空間矢量轉(zhuǎn)換為霍爾開(kāi)關(guān)傳感器高低信號(hào)，從而反饋信號(hào)給ESP32控制芯片輸出相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，觸發(fā)P-MOS與N-MOS開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作，控制電流換相，產(chǎn)生氣隙行波磁場(chǎng)，初級(jí)與次級(jí)之間產(chǎn)生電磁推力，驅(qū)動(dòng)小車向前運(yùn)動(dòng)。

自行設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)板通過(guò)選取ESP32控制芯片的3個(gè)輸入IO管腳作為霍爾傳感器信號(hào)的輸入端，選擇其他6個(gè)輸出IO管腳S1-S6作為信號(hào)輸出端，控制如圖3所示的自制驅(qū)動(dòng)電路U，V，W端口，輸出三相方波交流信號(hào)。

主控芯片程序中選擇Input輸入變量作為switch語(yǔ)句的判斷條件，Input輸入變量里存放霍爾傳感器反饋的輸入信號(hào)，通過(guò)不同的輸入信號(hào)來(lái)觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作，讓圖3中的P-MOS與N-MOS開(kāi)關(guān)器件的源級(jí)和漏極導(dǎo)通，輸出三相方波交流信號(hào)。芯片程序如下。

圖2 直線電機(jī)示意

圖3 六臂全橋驅(qū)動(dòng)逆變電路

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)HTML與JavaScript語(yǔ)言編寫網(wǎng)頁(yè)腳本作為人機(jī)交互界面，采用WiFi通信方式，實(shí)現(xiàn)用戶登錄人機(jī)交互界面?zhèn)鬏斨噶畹街骺匦酒珽SP32。根據(jù)不同的上位機(jī)指令，觸發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作操控小車實(shí)現(xiàn)加速與減速功能。HTML與JavaScript語(yǔ)言編寫的人機(jī)交互界面，具有易開(kāi)發(fā)性與開(kāi)發(fā)效率高等優(yōu)點(diǎn)[13]，方便用戶使用操作，用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備登錄人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)操作，而無(wú)需專門的控制器。

1.4 外觀設(shè)計(jì)

1.4.1 小車設(shè)計(jì)

小車整體分為上、下車廂以及中間的連接處共3個(gè)部分，如圖4所示的單節(jié)小車外觀設(shè)計(jì)。小車造型設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)整體飛躍必不可缺的條件[14]。小車設(shè)計(jì)的上、下雙層車廂均通過(guò)連接柱連接，采用流線型設(shè)計(jì)，不僅降低了雙層磁懸浮小車的重心，令其穩(wěn)定懸浮于架空的磁軌道中，而且減小了空氣阻力，使其在快速行進(jìn)過(guò)程中更加穩(wěn)定。上層車廂車頭還設(shè)計(jì)有車燈孔、車窗、駕駛座位等，小車車廂采用上下雙層的設(shè)計(jì)，內(nèi)飾較好地還原現(xiàn)實(shí)生活中的列車設(shè)計(jì)，使其更貼近生活。同時(shí)，相比傳統(tǒng)列車提供了多一倍的空間，大大增加了小車的載荷能力，能極大地提高運(yùn)輸效率。

圖4 單節(jié)小車外殼設(shè)計(jì)

單節(jié)小車內(nèi)部的控制設(shè)計(jì)如圖5所示，小車的控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安置在小車的上車廂內(nèi)部，擴(kuò)大了下車廂使用空間。小車上車廂底部的磁鐵結(jié)構(gòu)用于懸浮，小車側(cè)邊均安裝繞組線圈，與軌道上NS交錯(cuò)排列的磁鐵軌道，相對(duì)應(yīng)構(gòu)成直線電機(jī)。小車采用雙邊驅(qū)動(dòng)的方式，使其驅(qū)動(dòng)能力大幅增強(qiáng)，提升了驅(qū)動(dòng)能力，提高了運(yùn)行速度，增大了載荷能力。

圖5 單節(jié)小車內(nèi)部控制設(shè)計(jì)

1.4.2 磁軌道設(shè)計(jì)

如圖6所示的磁軌道，此軌道創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一種與雙層小車相匹配的懸空、中空雙邊磁軌道，使小車懸浮于空中快速行進(jìn)。磁軌道由底板、支撐系統(tǒng)、行車軌道組成。磁軌道的支撐系統(tǒng)由固定架和支撐架組成，固定架兩個(gè)為一組，對(duì)稱安裝在水平底板上，支撐架安裝在固定架上；行車軌道由直軌道和彎軌道組成，其底面與支撐架固定保持軌道平衡，同時(shí)在行車軌道的底面緊密無(wú)間隙地排列同一極性面朝上的永磁體，形成磁軌道，與小車上的磁鐵配合，組成了小車的懸浮系統(tǒng)，而在行車軌道側(cè)面緊密無(wú)間隙地安裝NS交錯(cuò)的永磁體，與小車上的線圈相對(duì)應(yīng)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖6 雙層小車懸浮于磁鐵軌道示意

2 應(yīng)用與遠(yuǎn)景

隨著科技的日益發(fā)展和國(guó)家政策的不斷扶持，同時(shí)市場(chǎng)對(duì)磁懸浮技術(shù)的需求也逐步擴(kuò)大。雖然磁懸浮行業(yè)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展剛起步，但是磁懸浮技術(shù)的安全、節(jié)能、安靜和穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，使之在未來(lái)會(huì)有巨大的發(fā)展前景[15]。

本文研發(fā)的可控雙層磁懸浮小車可適用于以下多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）交通運(yùn)輸領(lǐng)域，雙層磁懸浮小車由于采用雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用架空磁軌道懸浮于空中，將其建設(shè)在城市、城間之中，可架構(gòu)在現(xiàn)有的城市馬路的上空，也可架構(gòu)在城間高鐵軌道或高速公路上空，充分利用現(xiàn)有的軌道資源，從而減少土地的大量改建。

（2）快遞領(lǐng)域，雙層磁懸浮小車由于懸浮于空中，行進(jìn)中只有空氣阻力，同時(shí)雙層車廂的設(shè)計(jì)，極大提高其載荷能力，應(yīng)用在快遞領(lǐng)域，在城市間可以快速高效運(yùn)輸大量快遞，解決人們等待時(shí)間。在城市可以將快遞包裹在空中運(yùn)輸，解決目前車輛運(yùn)輸大量快遞所造成的擁擠問(wèn)題和安全問(wèn)題，釋放出城市空間，保護(hù)人民的安全。

（3）工業(yè)搬運(yùn)生產(chǎn)線，雙層磁懸浮小車運(yùn)用了直線電機(jī)的原理，直接將電能轉(zhuǎn)化為直線機(jī)械運(yùn)動(dòng)，無(wú)需中間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在工廠的搬運(yùn)生產(chǎn)線上，解決了現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的安全問(wèn)題，避免因工廠傳送帶的旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將人卷入而發(fā)生的安全事故。

同時(shí)還可以作為學(xué)校的教學(xué)儀器用于增長(zhǎng)學(xué)生的見(jiàn)識(shí)；作為高端玩具用于開(kāi)發(fā)兒童的動(dòng)手能力；作為工藝品讓人體會(huì)磁懸浮的奧妙；作為旅游觀光設(shè)施吸引人們觀看乘坐，體會(huì)高科技帶來(lái)的樂(lè)趣等方面。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可控磁懸浮小車。該小車采用磁鐵“同極相斥”原理實(shí)現(xiàn)小車的懸浮；利用六臂全橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)自制直線電機(jī)使小車前進(jìn)；采用ESP32芯片作為主控芯片，利用網(wǎng)頁(yè)技術(shù)搭建了操作簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面。經(jīng)測(cè)試表明，可控雙層磁懸浮小車可以穩(wěn)定懸浮于架空磁軌道上，且可通過(guò)上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)控制小車狀態(tài)，小車運(yùn)行穩(wěn)定，而且載重運(yùn)輸能力強(qiáng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。可控雙層磁懸浮小車可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、快遞領(lǐng)域和教學(xué)儀器等一系列方面。可以通過(guò)此磁懸浮雙層小車推廣磁懸浮技術(shù)，將磁懸浮技術(shù)這一技術(shù)帶到人們的日常生活中，為大眾服務(wù)。