王 慧，黃浩恩，許學禮，劉露露，楊健斌

（1.廣東海洋大學 電子信息工程學院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學 水產學院，廣東 湛江 524088）

磁懸浮技術來源于1922年德國工程師赫爾曼·肯佩爾提出的電磁懸浮原理，磁懸浮技術所帶來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，日本研究的超導磁浮列車，最高時速達到603 km/h，刷新了地面軌道交通工具的最高速度記錄。德國研制的TR01－09系列電磁浮列車試驗線，速度可達450 km/h[3]。中國磁懸浮技術也取得了飛躍式的進步和顯著的成果[4]，我國對于磁懸浮技術的研究，已經逐漸由原理論證階段發(fā)展到工程實踐階段[5]，在磁懸浮列車方面，北京首列磁浮列車已到達北京S1線石門營車輛段，即將啟動列車的調試工作。同時我國新一代中低速磁浮列車也順利在上海完成時速120公里運行試驗。意味著我國已掌握新一代中低速磁浮系統(tǒng)集成等關鍵核心技術，而中國“2.0版”快速磁浮列車處在緊張的試制組裝階段，計劃2018年年中下線。磁懸浮的其他方面的應用也大量發(fā)展，如磁懸浮地球儀[6]、磁懸浮空調[7]和磁懸浮電梯[8]等。

本文針對現有的軌道交通如鐵路運輸業(yè)運力不足、效率低等問題[9]，設計了此款雙層設置、采用架空軌道安裝方式的可控雙層磁懸浮小車模型，該設計的優(yōu)勢是：小車可以安裝在現有交通軌道的上空，大大減少軌道鋪設的條件限制，極大地減少土地的使用量，降低建設成本。小車以同極相斥的磁力維持懸浮，通過自制直線電機[10]進行驅動，利用WiFi物聯網無線技術進行無線操控。該小車既可以應用在交通運輸、物流等大型應用設施中，也可以用于高端玩具、教學儀器和工藝品等生活領域。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)的設計可分為懸浮系統(tǒng)設計、驅動系統(tǒng)設計、控制系統(tǒng)設計和外觀設計。圖1為小車的系統(tǒng)結構框圖，圖中可控雙層磁懸浮小車系統(tǒng)采用了自行設計的DC-AC六臂全橋驅動逆變電路來驅動直線電機，從而控制小車的行進；采用ESP32芯片，并利用搭載在ESP32上的WiFi模塊實現小車與智能手機、平板及PC端等上位機通信，從而通過上位機實時控制小車的狀態(tài)。小車設計為雙層結構，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)結構框圖

1.1 懸浮系統(tǒng)設計

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，同時在軌道上也安裝永磁體，使磁鐵N極朝上，通過磁鐵與磁鐵產生的斥力與小車的重力相平衡，使小車懸浮于空中。

1.2 驅動系統(tǒng)設計

可控雙層磁懸浮小車采用直線電機作為驅動部分，直線電機具有靜推力特性平穩(wěn)，運行可靠性高等特性，不需要間接的耦合介質，大大減少摩檫力與接觸所帶來非線性阻力影響。直線電機結構如圖2所示，可以視為一臺旋轉電機結構按徑向剖開，并展成平面。

進行電機設計時，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]的霍爾傳感器進行位置檢測，作為閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，結合ESP32控制芯片與自制六臂全橋逆變電路，將磁場空間矢量轉換為霍爾開關傳感器高低信號，從而反饋信號給ESP32控制芯片輸出相應的動作信號，觸發(fā)P-MOS與N-MOS開關器件動作，控制電流換相，產生氣隙行波磁場，初級與次級之間產生電磁推力，驅動小車向前運動。

自行設計的驅動板通過選取ESP32控制芯片的3個輸入IO管腳作為霍爾傳感器信號的輸入端，選擇其他6個輸出IO管腳S1-S6作為信號輸出端，控制如圖3所示的自制驅動電路U，V，W端口，輸出三相方波交流信號。

主控芯片程序中選擇Input輸入變量作為switch語句的判斷條件，Input輸入變量里存放霍爾傳感器反饋的輸入信號，通過不同的輸入信號來觸發(fā)相應的動作，讓圖3中的P-MOS與N-MOS開關器件的源級和漏極導通，輸出三相方波交流信號。芯片程序如下。

圖2 直線電機示意

圖3 六臂全橋驅動逆變電路

1.3 控制系統(tǒng)設計

通過HTML與JavaScript語言編寫網頁腳本作為人機交互界面，采用WiFi通信方式，實現用戶登錄人機交互界面?zhèn)鬏斨噶畹街骺匦酒珽SP32。根據不同的上位機指令，觸發(fā)相應的動作操控小車實現加速與減速功能。HTML與JavaScript語言編寫的人機交互界面，具有易開發(fā)性與開發(fā)效率高等優(yōu)點[13]，方便用戶使用操作，用戶可以通過互聯網設備登錄人機交互界面實現操作，而無需專門的控制器。

1.4 外觀設計

1.4.1 小車設計

小車整體分為上、下車廂以及中間的連接處共3個部分，如圖4所示的單節(jié)小車外觀設計。小車造型設計作為系統(tǒng)設計的一部分，是實現整個系統(tǒng)技術整體飛躍必不可缺的條件[14]。小車設計的上、下雙層車廂均通過連接柱連接，采用流線型設計，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，使其在快速行進過程中更加穩(wěn)定。上層車廂車頭還設計有車燈孔、車窗、駕駛座位等，小車車廂采用上下雙層的設計，內飾較好地還原現實生活中的列車設計，使其更貼近生活。同時，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，能極大地提高運輸效率。

圖4 單節(jié)小車外殼設計

單節(jié)小車內部的控制設計如圖5所示，小車的控制與驅動系統(tǒng)均安置在小車的上車廂內部，擴大了下車廂使用空間。小車上車廂底部的磁鐵結構用于懸浮，小車側邊均安裝繞組線圈，與軌道上NS交錯排列的磁鐵軌道，相對應構成直線電機。小車采用雙邊驅動的方式，使其驅動能力大幅增強，提升了驅動能力，提高了運行速度，增大了載荷能力。

圖5 單節(jié)小車內部控制設計

1.4.2 磁軌道設計

如圖6所示的磁軌道，此軌道創(chuàng)新地設計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。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，固定架兩個為一組，對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，同時在行車軌道的底面緊密無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)，而在行車軌道側面緊密無間隙地安裝NS交錯的永磁體，與小車上的線圈相對應構成驅動系統(tǒng)。

圖6 雙層小車懸浮于磁鐵軌道示意

2 應用與遠景

隨著科技的日益發(fā)展和國家政策的不斷扶持，同時市場對磁懸浮技術的需求也逐步擴大。雖然磁懸浮行業(yè)在國內的發(fā)展剛起步，但是磁懸浮技術的安全、節(jié)能、安靜和穩(wěn)定的優(yōu)勢，使之在未來會有巨大的發(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應用領域。

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

（2）快遞領域，雙層磁懸浮小車由于懸浮于空中，行進中只有空氣阻力，同時雙層車廂的設計，極大提高其載荷能力，應用在快遞領域，在城市間可以快速高效運輸大量快遞，解決人們等待時間。在城市可以將快遞包裹在空中運輸，解決目前車輛運輸大量快遞所造成的擁擠問題和安全問題，釋放出城市空間，保護人民的安全。

（3）工業(yè)搬運生產線，雙層磁懸浮小車運用了直線電機的原理，直接將電能轉化為直線機械運動，無需中間轉換結構，應用在工廠的搬運生產線上，解決了現有的旋轉電機的安全問題，避免因工廠傳送帶的旋轉電機傳動結構將人卷入而發(fā)生的安全事故。

同時還可以作為學校的教學儀器用于增長學生的見識；作為高端玩具用于開發(fā)兒童的動手能力；作為工藝品讓人體會磁懸浮的奧妙；作為旅游觀光設施吸引人們觀看乘坐，體會高科技帶來的樂趣等方面。

3 結語

本文設計了一種采用雙層結構設計的可控磁懸浮小車。該小車采用磁鐵“同極相斥”原理實現小車的懸浮；利用六臂全橋驅動電路驅動自制直線電機使小車前進；采用ESP32芯片作為主控芯片，利用網頁技術搭建了操作簡單的人機交互界面。經測試表明，可控雙層磁懸浮小車可以穩(wěn)定懸浮于架空磁軌道上，且可通過上位機聯網訪問網頁控制小車狀態(tài)，小車運行穩(wěn)定，而且載重運輸能力強，具有較高的實用價值?？煽仉p層磁懸浮小車可應用于工業(yè)生產、交通運輸、快遞領域和教學儀器等一系列方面?？梢酝ㄟ^此磁懸浮雙層小車推廣磁懸浮技術，將磁懸浮技術這一技術帶到人們的日常生活中，為大眾服務。