Schwebende Globe Teardown, Teil 1 - Tim Wescott
Ich habe ein paar Ideen herum zu treten für eine lange Zeit für eine einfache und kostengünstige Plattform ich für den Anfänger für Steuerungssysteme Experimentieren nutzen könnte. Ich möchte etwas, das leicht in einer grundlegenden Art und Weise gesteuert werden kann, noch dass liefert eine gewisse Tiefe: Ich will immer mehr herausfordernde Ziele für unsere Studenten in der Lage sein zu präsentieren, die von ausgefallener Steuerungsalgorithmen alle auf dem gleichen Gerät erreicht werden kann.
Ich bin gerade im Magnetschwebebahn. Es macht Spaß, es ist das Potenzial billig sein muss, ist es eine große Herausforderung Steuerungsproblem, und je nachdem, wie man sich ihr nähert, gibt es Schichten und Schichten von Leistungsverbesserungen werden mussten, immer anspruchsvollere Steuerungstechniken.
Ich habe versucht, mein eigenes magnetisches levication Demonstrator zu machen. Es hat Spaß gemacht, aber ich konnte nur eine 14mm Weihnachtsglocke etwa 3 mm unter meinem Magnetpolstück schweben lassen. Es gibt „floating globe“ Executive Schreibtisch Spielzeug, das einen Durchmesser von 100 mm Globus mehr als 15 mm unter den Polstücken schweben - damit ich weiß, dass ich etwas falsch mache.
Eines der Prinzipien der Technik, die sie nicht Sie in der Schule lehren, ist, dass, wenn Sie nicht herausfinden können, wie ein Produkt funktioniert, sollten Sie eine gehen und Abzocke seine Technologie kaufen. Das ist genau das, was ich hier zu tun. Mein Ausgangspunkt hierfür ist ein schwebendes Globus Schreibtisch Spielzeug, das ich von Amazon $ 30 für rund US gekauft.
Dieser Artikel stellt meine ersten Eindrücke von dem Gerät, einige Vermutungen über seine Konstruktion, und eine Kritik des Steuersystems, die es verwendet.
Diese beiden Bilder zeigen die schwebende Kugel in Ruhe und in Betrieb. Es gibt einen starken Magneten an dem ‚Nordpol‘ der schwimmenden Kugel und etwas Eisen (vermutlich der Polschuh eines Elektromagneten) in dem Kopfstück des Armes, die Overhead erstreckt. Im Bild auf der linken Seite sehen Sie die Kugel mit dem Kopfstück stecken. Wenn Sie das Gerät auf der ganzen Welt bleibt stecken drehen, aber es kann ungefähr 15 mm oder so nach unten gezogen werden, woraufhin sie mitten in der Luft hängen.
Die physikalische Haupt einer Vorrichtung wie diese ist, dass die nach unten gerichtete Erdbeschleunigung durch eine nach oben gerichteten Kraft entgegengewirkt wird durch die Magneten. Wenn Magnetismus leicht waren Sie dort aufhalten konnte - leider magnetische Geräte wie diese sind von Natur aus instabil: Je weiter, dass der Magnet aus dem Kopf bekommt, desto weniger Kraft übt, während je näher desto mehr Kraft wird es ausübt. Also, wenn das Steuersystem unpowered ist, wird der Globus neigt dazu, entweder vom Kopf weg zu fallen, oder auf sie zu und Stock zu springen.
Die Steuerungssysteme Haupt dieser Geräte besteht darin, dass die Position der Kugel erfasst wird, und die Kraft des Elektromagneten in dem Kopf ist ständig variiert, um die Kugel in einer stabilen Art und Weise schwimmend zu halten. Somit ist, wie die Kugel des Kopf der elektromagnetische Kraft des Kopfes erreicht wird, die weniger die Permanentmagneten zu unterstützen, oder es sogar zu widersetzen; In ähnlicher Weise, wenn die Kugel vom Kopf weg bewegt, wird der Elektromagnet wird gemacht um die Permanentmagneten zu unterstützen. Richtig gemacht, stabilisiert diese Aktion den Globus und hält es an einer Stelle hängen.
Es stellt sich heraus, dass ohne exotische Materialien wie Supraleitern oder diamagnetischen Materialien, man kann nicht eine stabile magnetische Schwebegerät machen - Wikipedias Diskussion von Earnshaw Theorem für mehr Details sehen.
Diese schwimmenden Globus Geräte appelliere an meine geeky Steuer-Ingenieur Seite, weil es ein Beispiel für ein von Natur aus instabilen System stabil gemacht durch Regelung ist. Tatsächlich sind sie ein einfaches Beispiel für die Magnetschwebebahn, die in den Bereichen Transport (Magnetschwebebahnen) und Maschinen (in Form von aktiven Magnetlagern) einige Aufmerksamkeit in der angewandten Steuer Literatur bekommt.
In der ersten Untersuchung der Leistung des Steuersystems, muss ich sagen, dass ich enttäuscht bin. Ja, ich weiß, das ist ein billiges Spielzeug - aber immer noch, konnten sie nicht besser machen können? Hier ist das Verhalten, das ich in meinem schwebenden Globus Gerät beobachtet:
- Das erste, was ich über dieses Gerät aufgefallen ist, dass die Antwort sehr wenig gedämpfte ist: Wenn Sie die Höhe der Welt zu stören, es für eine lange Zeit springt, bevor er absetzt. I schätzen, dass das System mit geschlossener Schleife ein Q von etwa 10 hat, oder so, basiert auf der Tatsache, dass ich etwa zehn bounces erkennen, bevor es sich absetzt.
- Die zweite Sache, die ich über dieses Gerät aufgefallen ist, dass der Elektromagnet aufgebaut ist immer in der ganzen Welt um die Magneten zu unterstützen. Dies macht Sinn, in zweierlei Hinsicht: Erstens, weil die Schaltung, indem sie unipolare vereinfacht ist, und zweitens, weil die Kugel untere hängt. Es ist dagegen nicht, dass, wenn Energie von der Vorrichtung entfernt wird, fällt die Kugel sofort. Da es auf der ganzen Welt keine Sekundärzurückhaltung ist, bedeutet das, dass es von Ihrem Schreibtisch prallen werden und Sie werden Ihre Verwaltungsmitarbeiter erhalten müssen, um es abzurufen.
- Die dritte Sache, die ich über dieses Gerät bemerkt, dass, wenn die Kugel über dem unpowered Punkt equalibrium zwischen Magnet und Schwerkraft gebracht wird, springt es auf den Kopf und Stöcke. Dies ist teilweise eine Folge des Elektromagneten unipolar sein und teilweise eine Folge der Stärke des Magneten in der ganzen Welt.
- Die vierte Sache, die ich über dieses Gerät bemerkt, ist, dass seine Reaktion auf Großsignalstörungen schlecht ist: wenn ich die Kugel gerade an der Grenze der Anziehungskraft für den Magneten und den Elektromagneten halten, schießt über das Steuersystem so schlecht, dass die Kugel fliegt durch den equalibrium Punkt und bis zum Kopf, wo es dauerhaft klebt.
Da ich herauszufinden versuche, wie man dieses Ding zu kopieren, dann ging ich auf einige Experimente mit einigen starken Magneten meines eigenen und dem vorhandenen Gerät zu tun.
Wenn Sie ein kleine kubisch Seltenerdmagnets nehmen, eine, die auf einer Seite etwa 6 mm ist, und bringen sie in der richtigen Richtung auf den Boden des Kopfes nach oben, können Sie das Gefühl, wenn das Steuersystem halten nimmt. Dies geschieht, wenn der Magneten etwa 8 mm von der Unterseite des Kopfes (Kontrast dies mit dem 15 mm oder so, dass das Gerät erreicht). Das Schweben ist nicht stabil, aber: der Magnet nahe genug an den Kopf, dass sie sofort springt auf und heftet sich.
Experimentiere weiter, wenn Sie den gleichen Magneten nehmen und kleben Sie es an einem Nagel, können Sie fast machen es hängen. Taping zwei 16-Cent Nägel zusammen gibt genug Gewicht, dass die Montage in vertikaler Richtung stabil zu sein scheint - aber wenn Sie loslassen der Nägel die ganze Sache seitwärts und hält sich an den Kopf springt. Das macht ich glaube, dass das Polstück ist schalenförmig - in der nächsten Folge ich die Dinge auseinander nehmen werde und wir werden sehen.
um die Oberfläche des Globus Sondieren mit einem Magneten sagt mir, dass ein Bereich, etwa 30 mm Durchmesser gibt es, die alle die gleiche magnetische Polarität bekamen sind, mit (glaube ich) ein stärkeres Feld in der Mitte. Ich bin mir ziemlich sicher, dass es ein Anhaltspunkt hier für mich, wenn ich weiß, was mit ihm zu tun.
Gehen auf der „großen magnetischen Bereich“ Idee, habe ich versucht, einen etwas größeren Magneten kleben - eine 13 mm Scheibe, 3 mm dick, auf ein Stahllineal. Damit kann ich das Ding fast stabil zu hängen. In diesem Fall, was das System up stellt ist, dass das Stahllineal, das ich wählte sehr „whippy“ ist - das Steuersystem nicht um die Resonanz des Herrschers stabilisieren kann und so das Ding vibriert mehr und mehr, dann fällt.
Ich bin Ingenieur, aber, und eine hartnäckige ein, so kann ich dieses Problem beheben: dass gleiche Magnet und dem gleichen Herrscher, kann gemacht werden, um zu arbeiten, wenn ich einen Streifen Klebeband über die offenen Enden des Lineals strecken. Damit erhöht sich die Resonanzfrequenz des Herrschers weit höher als die Bandbreite des Steuersystems, und tötet die Q der Resonanz. Jetzt habe ich ein System, das die Hälfte gekauft und die Hälfte meiner eigenen, das hängt STABLILY. Das Bild zeigt den Herrscher (und meine unordentliche Werkbank). Wenn Sie genau hinsehen können Sie die Magneten in der Mitte des Herrschers sehen, die das Band und den Bogen vom Band erstellt.
Es gibt andere Spiele, die Sie mit diesem spielen können, wenn Sie einige Magnete haben: Sie Magneten auf der ganzen Welt halten kann und es in unterschiedlichen Abständen von der Basis hängen, oder Sie können andere Objekte schweben lassen als ein Lineal. Aber wir sind in das Land zurückkehrt an dieser Stelle zu verringern.
In der nächsten Tranche dieser Teardown, werde ich beginnen, tatsächlich nach unten, dieses Ding zu reißen! Ich bin gespannt zu sehen, wie groß der Magnet in der ganzen Welt ist, welche Form es ist, und ob es irgendwelche Polstücke. Ich bin auch gespannt, wie der Elektromagnet im Kopf geformt ist. Schließlich nehme ich an, dass die Elektronik, die diese ganze Sache Arbeit macht, ist eher primitive, aber ich bin neugierig zu sehen, was ein Hersteller seine Führungs Spielzeug macht aus, wenn er offensichtlich Kosten bei jeder Gelegenheit zu schneiden.
Der nächste Eintrag von Tim Wescott:
Levitating Globe Teardown, Teil 2