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作者:奥Kravchenko

介绍

悬浮器是一种利用作用在物体上的重力和磁力的动态平衡使物体漂浮在空间中的装置。值得注意的是，只有动态磁场和电子(作为反馈)使这种控制成为可能。不幸的是，静态磁场不能用于这种系统，因为物体将处于一种不稳定的平衡状态，这将必然导致它的衰落。

本应用笔记演示了GreenPAK是如何作为反馈的线性系统调节元件使用的。

Levitator设计分析

以块电路为例，考虑系统性能(见图1)。当永磁体接近霍尔传感器(SS495型)时，其输出电压随磁场强度线性增加。在初始状态下，当没有磁场时，传感器输出电压为电源电压的一半(请参阅SS495传感器数据表)。

由永磁体产生的磁场强度的瞬时值信号进入PWM信号调节产生电路，进而控制电磁线圈。这样，反馈就出现了，电磁线圈就会产生一个磁场，使永磁体与重力保持平衡。

简化的控制过程如下:

1. 当无磁铁时，传感器发出的信号最大，控制单元设置PWM信号的最大持续时间(~ 100%)，通过电磁线圈的最大电流和电磁磁场强度最大。
2. 磁体接近传感器-永磁体的磁场强度增加，控制单元的输入信号减少。PWM信号持续时间减小，电磁线圈电流减小。因此，吸引永磁体的螺线管磁场也随之减小。
3. 当永磁对传感器的最大应用时，脉宽调制信号持续时间最小;电流几乎没有流过电磁线圈，它的磁场几乎没有-只有重力作用在永久磁铁上，它下降。

过程是重复和永久磁铁不是跌倒(也不是吸引)——它落下来,吸引每秒几千次,即有一个动态平衡重力和磁之间的附着力,永磁漂浮在空气中(参见图3)。

可以看出，这种控制方法存在缺陷;无永磁体时(即无悬浮物体时)。在这种情况下，流过电磁线圈的电流是最大的(系统试图通过增加磁场到最大可能来吸引当前不存在的永磁体)。

在这种情况下，最好的解决方案是关闭电磁线圈。这个功能由Watchdog块执行，它构建在3位LUT3、2位LUT2、2位LUT1、DLY0、DFF4和DFF5等元素上(参见附录1)。

该装置持续监控PWM发生器输出信号持续时间(DCMP0/PWM0)，如果超过规定的持续时间(DLY0)，对应的是磁铁缺失(霍尔传感器信号最大)的情况，DFF5切换到高电平，关闭整个系统。只有当一块磁铁靠近传感器时，系统才会打开。ACMP0比较器监视传感器信号电压水平和当它减少低于ACMP0 Vref阈值和不增加0.5秒(时间DLY1)(即一块磁铁附近举行传感器至少半秒),DFF5将重置并激活整个系统(见图4,)。此外,当系统上电时，首先它被阻塞0.5秒(DLY3)，以防止在开机期间的误操作。PWM发生器由经典方案组成，由ADC、DCMP0数字比较器和CNT2计数器组成。

通道1(黄线/顶线)- PIN#1 (VDD)

通道2(浅蓝色/第二行)- PIN#6 (AInp)

通道3(品红/第三线)- PIN#9 (MOSFET)

Levitator电路分析

该装置的电路介绍在附录2中。整个系统的供电电压为12伏。该系统采用78L05线性稳压器，将电压降至稳定的5伏，为霍尔传感器和GreenPAK芯片供电。电磁线圈的功率控制是通过功率n沟道MOSFET, LR120N晶体管产生的。保护二极管必须与电磁线圈并联。保护二极管通过自感保护晶体管不受过电压(当螺线管关闭时)。

C7、R3和R4元件是该电路的独特特点，使悬浮物体达到完全稳定。霍尔信号的低频分量通过R3 R4分压器，衰减到2.2倍，因此ADC输入信号可以在可接受的范围内。完整的信号成分通过C7, R3和R4滤波器几乎没有衰减。但是这个信号分量是什么?它从哪里来?信号的低频分量取决于磁体朝向传感器的位置，即它们之间的距离。

全信号分量来自于磁体在平衡点周围的波动，即由于磁体在时间(速度)中的位置变化。磁体的速度应该等于0，也就是说，它应该是固定的。

因此，控制信号由两个分量组成:一个低频分量负责磁铁的位置，一个全频分量负责磁铁的稳定性。

LED1 - LED3是报告:

• 12V电压(LED1)的存在;
• 5V电压(LED2)的存在;
• 电源晶体管控制(LED3)的当前状态。

如图所示的电磁线圈是使用铜线(0.8 mm厚度)定制的。当控制单元设定最大PWM信号持续时间(~ 100%)时，最大电流0.5A流过电磁线圈。

当提供12v时，相当于6瓦的功率。如此高的电流是由于我们悬浮的物体质量为15 - 20克，需要一个相对较大的磁场来悬浮。然而，有一个缺点-电磁线圈可能会得到热在延长的操作。换句话说，有必要做出取舍;物体越重，悬浮所需的磁场(和电流)就越大，反之亦然。

结论

GreenPAK包含大量实现各种电路解决方案的功能元素，大大减少了外部电路元素的数量。因此，它是开发不同类型的反馈控制系统的理想解决方案，如这个悬浮装置的例子所示。低功耗和小芯片尺寸是GreenPAK的其他优点。