Léviter Globe Teardown, Partie 1 - Tim Wescott

J'expulse quelques idées autour depuis longtemps pour une plate-forme simple et peu coûteuse que je pourrais utiliser pour l'expérimentation des systèmes de contrôle pour les débutants. Je veux quelque chose qui peut être facilement contrôlé de façon basique, mais qui offre une certaine profondeur: Je veux être en mesure de présenter des objectifs toujours plus difficiles à l'étudiant, qui peut être atteint par des algorithmes de contrôle colombophile tous sur le même appareil.







Je cherche actuellement à sustentation magnétique. Il est amusant, il a le potentiel d'être pas cher, il est un problème de contrôle difficile, et selon la façon dont vous l'approchez, il y a des couches et des couches d'amélioration de la performance à être, en utilisant des techniques de contrôle de plus en plus sophistiquées.

J'ai essayé de faire mon propre démonstrateur levication magnétique. Il était amusant, mais je ne pouvais léviter une cloche de Noël 14mm environ 3 mm en dessous de mon pièce polaire magnétique. Il y a des « Globe flottant » jouets de bureau de direction qui léviter un globe de diamètre 100mm plus de 15 mm en dessous de leurs pièces polaires - donc je sais que je fais quelque chose de mal.

L'un des principes d'ingénierie qu'ils ne vous apprennent pas à l'école, est que si vous ne pouvez pas comprendre comment fonctionne un produit, vous devriez aller en acheter un et arnaquer sa technologie. C'est exactement ce que je vais faire ici. Mon point de départ de c'est un jouet flottant bureau globe que j'ai acheté d'Amazon pour environ 30 $ US.

Cet article présente mes premières impressions de l'appareil, quelques hypothèses sur sa construction, et une critique du système de contrôle qu'il utilise.

Léviter Globe Teardown, Partie 1 - Tim Wescott

Ces deux images montrent le monde flottant au repos et en fonctionnement. Il y a un aimant puissant au « pôle nord » du monde flottant, et quelque chose ferreux (probablement la pièce polaire d'un électro-aimant) dans la pièce de tête du bras qui se prolonge au-dessus. Dans l'image à gauche vous voyez le monde collé à la pièce de tête. Lorsque vous allumez l'appareil sur le globe reste bloqué, mais il peut être tiré vers le bas d'environ 15 mm environ, après quoi il se bloque en plein vol.

Léviter Globe Teardown, Partie 1 - Tim Wescott

Le principal physique d'un dispositif de ce type est que l'accélération vers le bas due à la gravité est contrée par une force vers le haut en raison de l'aimant. Si le magnétisme était facile, vous pouvez arrêter là - malheureusement, les dispositifs magnétiques comme celui-ci sont intrinsèquement instables: plus que l'aimant obtient de la tête moins la force qu'il exerce, alors que plus il obtient plus de force qu'il exerce. Ainsi, lorsque le système de contrôle est sans moteur, le monde aura tendance soit à se détacher de la tête, ou au printemps vers elle et le bâton.

Les systèmes de contrôle principal de ces dispositifs est que la position du globe est détectée, et la force de l'électro-aimant dans la tête est constamment varié pour garder le monde flottant de façon stable. Ainsi, le monde se rapproche de la tête de la force électromagnétique de la tête est faite pour aider moins l'aimant permanent, ou même de s'y opposer; De même, lorsque le monde se éloigne de la tête l'électro-aimant est fait pour aider plus l'aimant permanent. Fait à droite, cette action se stabilise dans le monde et le maintient suspendu dans un seul endroit.

Il se trouve que, sans l'utilisation de matériaux exotiques tels que les matériaux supraconducteurs ou diamagnétiques, on ne peut pas faire un dispositif de lévitation magnétique stable - voir la discussion de Wikipedia du théorème de Earnshaw pour plus de détails.

Ces dispositifs de globe flottant appel à mon côté contrôle ingénieur geeky, car il est un exemple d'un système intrinsèquement instable fait stable grâce à un contrôle en boucle fermée. , Ils sont en effet un exemple simple de sustentation magnétique, qui obtient une certaine attention dans la littérature de contrôle appliquée dans les domaines du transport (trains maglev) et les machines (sous forme de paliers magnétiques actifs).







Dans l'enquête initiale sur la performance du système de contrôle, je dois dire que je suis déçu. Oui, je sais que c'est un jouet pas cher - mais encore, ils ne pouvaient pas faire mieux? Voici le comportement que je fait observer dans mon appareil globe flottant:

  • La première chose que je remarque à propos de ce dispositif est que la réponse est très sous-amorti: si vous dérangez l'altitude du globe, il rebondit depuis longtemps avant qu'il installe. J'estimer que le système en boucle fermée a un Q d'environ 10 ou plus, sur la base du fait que je peux discerner une dizaine de rebonds avant qu'il ne se dépose.
  • La deuxième chose que j'ai remarqué à propos de ce dispositif est que l'électro-aimant est mis en place pour aider toujours l'aimant dans le monde. Cela est logique de deux façons: d'abord, parce que le circuit est simplifié en étant uni-polaire, et, deuxièmement, parce que le monde se bloque plus bas. Il est décevant, en ce que lorsque l'alimentation est retirée du dispositif, le monde tombe immédiatement. Comme il n'y a pas de retenue secondaire sur le globe, cela signifie qu'il va rebondir hors de votre bureau et vous aurez besoin pour obtenir votre assistant administratif pour le récupérer.
  • La troisième chose que j'ai remarqué à propos de ce dispositif est que si le monde est amené au-dessus du point de unpowered equalibrium entre l'aimant et la gravité, il saute à la tête et des bâtons là. Ceci est en partie une conséquence de l'électro-aimant étant unipolaires, et en partie une conséquence de la force de l'aimant dans le monde.
  • La quatrième chose que j'ai remarqué à propos de ce dispositif est que sa réponse aux perturbations de grande signal est faible: si je tiens le monde juste à la limite de l'attraction pour l'aimant plus l'électro-aimant, le système de commande dépasse si mal que le globe mouches à travers le point de equalibrium et sur un maximum de la tête, où il adhère de façon permanente.

Depuis que je suis en train de comprendre comment copier cette chose, je suis ensuite allé faire quelques expériences avec des aimants puissants de mon propre et le dispositif existant.

Si vous prenez un petit aimant cubical terre rare, qui est d'environ 6 mm d'un côté, et la mettre au fond de la tête dans la bonne direction, vous pouvez vous sentir lorsque le système de commande se installe. Cela se produit lorsque l'aimant est d'environ 8 mm à partir du fond de la tête (Cela contraste avec le 15mm ou de telle sorte que le dispositif réalise). La lévitation est pas stable, cependant: l'aimant est assez proche de la tête qu'il saute immédiatement et se fixe.

Expérimenter De plus, si vous prenez ce même aimant et le coller sur un clou, vous pouvez presque faire pendre. Taping deux clous 16 penny ensemble donne assez de poids que l'ensemble semble stable dans la direction verticale - cependant, quand vous lâchez des ongles la chose saute sur le côté et des bâtons à la tête. Cela me fait croire que la pièce polaire est en forme de coupe - dans le prochain épisode, je vais prendre les choses à part et nous verrons.

Sonder autour de la surface du globe avec un aimant me dit qu'il ya une superficie d'environ 30 mm de diamètre qui est tout a la même polarité magnétique, avec (je pense) un champ plus fort au milieu. Je suis assez sûr qu'il ya un indice ici pour moi, si je sais exactement quoi faire avec elle.

Voulez-vous l'idée « grande zone magnétique », j'ai essayé de coller un aimant légèrement plus grand - un disque de 13 mm, 3 mm d'épaisseur, sur une règle en acier. Avec ce que je peux obtenir la chose à accrocher presque stable. Dans ce cas, ce qui déclenche le système en place est que la règle d'acier que j'ai choisi est « whippy » - le système de contrôle ne peut pas se stabiliser autour de la résonance de la règle, et si la chose vibre de plus en plus, puis tombe.

Je suis ingénieur, cependant, et un têtu, donc je peux résoudre ce problème: ce même aimant, et la même règle, peut être fait pour travailler si je tends une bande de ruban à travers les extrémités ouvertes de la règle. Ceci amène la fréquence de résonance de la règle beaucoup plus élevé que la bande passante du système de commande, et tue le Q de la résonance. Maintenant, j'ai un système qui est à moitié et a acheté la moitié de ma propre, qui pèse stablily. La photo montre la règle (et mon plan de travail en désordre). Si vous regardez attentivement, vous pouvez voir l'aimant au centre de la règle, la bande, et l'arc créé par la bande.

Léviter Globe Teardown, Partie 1 - Tim Wescott

Il y a d'autres jeux que vous pouvez jouer avec si vous avez des aimants: vous pouvez coller des aimants sur le monde et le faire pendre à des distances différentes de la base, ou vous pouvez léviter d'autres objets que d'une règle. Mais nous sommes dans le pays des rendements décroissants à ce stade.

Dans le prochain épisode de ce désassemblage, je vais réellement commencer à déchirer cette chose! Je suis curieux de voir comment grand l'aimant dans le monde est, quelle forme il est, et si elle a des pièces polaires. Je suis aussi curieux de voir comment l'électro-aimant dans la tête est en forme. Enfin, je pense que l'électronique qui font tout ce travail chose sont plutôt primative, mais je suis curieux de voir tout ce qu'un fabricant fait ses jouets exécutif sur, quand il coupe évidemment des coûts à chaque tour.

prochain post par Tim Wescott:
Globe léviter Teardown, Partie 2







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