Магнитная левитация с помощью катушки соленоида

Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаВ статье «Левитирующий в магнитном поле глобус» рассказывалось о интересном опыте по левитации предмета в магнитном поле. Статья вызвала определенный интерес и дисскусию, которая затем переместилась в статью самодельщика ino53 «По мотивам публикации «Левитирующий в магнитном поле глобус»».
В продолжении темы о магнитной левитации мы сегодня рассмотрим статью мастера-самодельщика Tuenhidiy. В статье он представляет свое устройство для левитации мелких предметов.Для наглядности он использует в качестве «левитируещего» предмета, детскую игрушку — светящийся шарик.
Давайте посмотрим небольшое демонстрационное видео.

Конечно, это устройство не такое зрелищное,как глобус, но и в изготовлении оно попроще.
Инструменты и материалы:-Катушка индуктивности;-Arduino Nano;-KY-024 линейный магнитный датчик Холла;
-Транзистор NPN TO-220 или TIP122;
-Резистор 10К;-Диод N4007;-Печатная плата 5Х7 см;-Винтовой разъем — 2 шт;-Штекер питания постоянного тока + разъем — 2 шт;-Источник питания постоянного тока 5 В и 12 В; -Ленточный кабель 8 и 16 проводов;-Кабель питания;-Неодимовые магниты;
-Угловая труба из ПВХ Ø 42 мм — 2 шт;
-Труба ПВХ Ø42 мм — 1 метр;
-Тройник из ПВХ Ø 42 мм;
-Заглушка из ПВХ трубы Ø 42 мм — 2 шт;
-Переходной тройник с Ø60мм на Ø42мм — 2 шт;
-Заглушка ПВХ трубы Ø 60 мм — 4 шт;
-Сверлильный станок;-Ножовка;-Паяльные принадлежности;Шаг первый: схема
Схема проекта представлена на эскизе.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаШаг второй: выбор модуля Холла
На рынке продается много модулей магнитных датчиков, и, согласно описанию, они могут выводить как цифровые, так и аналоговые сигналы, но это не так. Мастер приобрел несколько модулей, и они имеют только цифровой сигнал. В конце концов, он выбрал модуль KY-024.
Линейный магнитный датчик Холла KY-024 реагирует на присутствие магнитного поля. Он имеет потенциометр для регулировки чувствительности датчика и обеспечивает как аналоговые, так и цифровые выходы. Этот модуль состоит из линейного датчика Холла 49E, двойного дифференциального компаратора LM393, потенциометра, светодиодов и резисторов.
49E — это линейный датчик на эффекте Холла. Он может измерять как северную, так и южную полярность магнитного поля, и относительную силу поля. Это работает следующим образом:
Если магнитное поле отсутствует, 49E будет выдавать напряжение около половины напряжения источника, около 2,5 В.
Если южный полюс магнита расположен рядом с маркированной стороной 49E, то выходное напряжение будет линейно возрастать по направлению к напряжению источника (примерно до 4,2 В).
Если северный полюс магнита расположен рядом с маркированной стороной 49E, то выходное напряжение будет линейно падать относительно силы магнитного поля (упадет примерно до 0,86 В).
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаШаг третий: магнитная катушка
Данная магнитная катушка снята с магнитного замка. Мастер снял металлический корпус и сердечник, оставив только катушку. Ее рабочее напряжение составляет 24 В постоянного тока.
С помощью мультиметра он измерил сопротивление катушки, оно составляет 15,0 Ом. В этом проекте мастер использует 12 В постоянного тока для питания этой катушки.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаШаг четвертый: подготовка деталей
Сначала нужно подготовить модуля Холла. Демонтируем с платы элемент Холла 49E. На место элемента припаивает провода.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаТеперь нужно смонтировать плату.
Согласно схемы он спаял все соединения и компоненты на прототипе печатной платы размером 50×70 мм.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаШаг четвертый: определение полярности магнитной катушки и неодимовых магнитов
Перед сборкой необходимо определить полярность магнитной катушки и неодимовых магнитов.
Мастер использовал простую программу для считывания аналогового значения с модуля датчика Холла.

Как улучшить зрение за короткий срок
8 часов назад
Съемная тонировка нового поколения - Каркасные шторки TROKOT
9 часов назад

int HallValue = 0;
void setup() 
  {
    Serial.begin(9600);
  }
void loop() 
  {
    HallValue = analogRead(A1);
    Serial.println(HallValue);
  }

Или можно использовать мультиметр для измерения выходного напряжения датчика.
Затем он подключил магнитную катушку к источнику питания 12 В постоянного тока и модуль Холла к Arduino Nano. Помещает поочередно два конца катушки рядом с датчиком Холла 49E и считывает значения Холла на последовательном мониторе Arduino IDE.
Если магнитного поле нет, значение составляет около 512.
Если значение чтения увеличивается с 512, это южный полюс.
Если значение чтения падает до 512, это северный полюс.
Так же он определил полярность магнитов и пометил их.
Шаг пятый: сборка
Теперь нужно собрать стойку и устройство.
Сначала собирает верхнюю часть устройства.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаВ заглушке сверлит отверстие и вкручивает фитинг.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаВ фитинг вкручивает шпильку и обрезал до нужной длины.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаУстанавливает катушку. Полярность нужно определить, как на фото.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаЗатем он приклеил одну гайку M10 поверх магнитной катушки. Таким образом можно отрегулировать длину подвесного болта, которая находится в магнитной катушке.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаДатчик Холла также был приклеен снизу катушки надписью вниз. Как можно видеть на картинке, стальной сердечник был отрегулирован с зазором с датчиком Холла, около 5 мм.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитную катушку нужно установить в отрезок от ПВХ-трубы и закрыть крышкой. Он прорезал в трубе окно, чтобы магнитная катушка могла рассеивать тепло.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаДва переходных тройника от Ø60мм до Ø42мм использовались в качестве основания левитатора. Также они содержат плату управления и модуль KY-024. Все кабели были пропущены внутри рамы трубы.
Он установил две вилки питания (12 и 5 В постоянного тока) на торцевые заглушки из ПВХ диаметром 60 мм и просверлил одно отверстие для кабеля программирования Arduino. Все они расположены на задней панели левитатора. На передней стороне устанавливает потенциометр.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаШаг шестой: программирование
Код Ардуино можно скачать ниже.

#define outMin              0     // Low limit for P.I.D output
#define outMax              255   // High limit for P.I.D output
#define Hall_Input_Pin      A1    // Arduino Pin A1 - Read analog value from Hall Module.
#define Coil_Output_Pin     5     // Arduino Pin D5 - Control magnetic coil.
#define DEBUG               1     // Turn ON/ OFF debugging

// PID parameteres

int Hall_Input = 0;
int Coil_Output = 0;

double Setpoint = 330.0;
double Input = 0.0;
double Previous_Input = 0.0;
double Output = 0.0;
double Integral = 0.0;
double Derivative = 0.0;
double Error = 0.0;
double dInput = 0.0;

double timeChange = 0.1;
double KP = 0.6;
double KI = 0.4;
double KD = 0.01;

unsigned long millisecond = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  pinMode(Coil_Output_Pin, OUTPUT);
}

void loop()
{
  // Read Input - Hall Sensor
  Hall_Input = analogRead(Hall_Input_Pin);
  Input = Hall_Input;

  // Calculate the Error
  Error = Setpoint - Input;
  dInput = (Input - Previous_Input);
  
  // PID Algorithm
  Integral +=  Error * timeChange;
  Derivative = dInput / timeChange;  
  Output += - KP*Error - KI*Integral + KD*Derivative;  
  
  // Write to Ouput
  if(Output > outMax) Output = outMax;
  if(Output < outMin) Output = outMin;  
  Coil_Output = Output;
  analogWrite(Coil_Output_Pin, Coil_Output);  

  // Remember the previous Input
  Previous_Input = Input;
     
  // Show debugging values
  if (DEBUG)
  {
    if((millis()- millisecond) > 500)
    {
      // Show the Setpoint
      Serial.print(Setpoint);
      Serial.print("/");
   
      // Show the Input
      Serial.print(Input); 
      Serial.print("/");
      
      // Show the Error
      Serial.print(Error); 
      Serial.print("/");
      
      // Show the Output;
      Serial.print(Output);
      Serial.println(";");
      millisecond = millis();
    }
  }
}

Шаг седьмой: калибровка
Процесс ПИД делится на две группы: прямого и обратного действия. Магнитная левитация — это ПИД-регулятор обратного действия. Это означает, что его выходной сигнал имеет тенденцию уменьшаться по мере увеличения измеряемого сигнала (входа).
В формуле PID вместо добавления ( Kd * производная от ошибки ) мы вычитаем ( Kd * производная от входных данных ), потому что установка (уставка) левитации (в данном случае) постоянна (330).

Output += - KP*Error - KI*Integral + KD*Derivative;

«Производная» часть рассчитывается следующим образом:

Лазерный проектор рождество купить по выгодной цене...
8 часов назад
Революционное средство для удаления царапин на машине...
9 часов назад

dInput = (Input - Previous_Input);
Derivative = dInput / timeChange;

Мастер откалибровал левитатор вручную, и окончательные параметры ПИД-регулятора следующие:

double timeChange = 0.1;
double KP = 0.6;
double KI = 0.4;
double KD = 0.01;

Чтобы точно настроить и посмотреть, как работает левитатор, нужно включить режим отладки и прочитать данные в последовательном порту IDE.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаВ приведенной ниже диаграмме показана работа PID обратного действия. Мастер использовал функцию Pivot в Excel для создания графика из последовательных данных IDE.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаАннотация диаграммы:
Красная линия — Уставка (в данном случае 330).
Зеленая кривая — Вход (обратная связь от датчика Холла).
Синяя кривая — Выход (сигнал ШИМ на магнитную катушку).
Для правильной работы устройства необходимо сделать следующие настройки и соблюдать следующие условия:
Нужно отрегулировать потенциометр на модуле KY-24 на чувствительность.
Необходимо отрегулировать длину шпильки, которая находится внутри магнитной катушки.
Калибровка уставки и коэффициентов ПИД.
Выбор правильных плавающих нагрузок плюс вес магнита. Если он слишком легкий или слишком тяжелый, левитатор не сработает. И последнее, груз должен быть симметричной формы.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаВ качестве ливитирующего предмета мастер использовал шарик со светодиодом внутри.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаМагнитная левитация с помощью катушки соленоидаОн также тестировал другие нагрузки, например, болты. Если болт тяжелее шарика со светодиодами, нужно уменьшить уставку с 330 до 320.
Магнитная левитация с помощью катушки соленоида

Умные часы Smart Watch V8 + Power Bank и наушники в подарок
10 часов назад
Революционное средство для удаления царапин на машине...
10 часов назад

Читайте также