可控双层磁悬浮小车的设计

王 慧，黄浩恩，许学礼，刘露露，杨健斌

（1.广东海洋大学 电子信息工程学院，广东 湛江 524088；2.广东海洋大学 水产学院，广东 湛江 524088）

磁悬浮技术来源于1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出的电磁悬浮原理，磁悬浮技术所带来的磁悬浮列车是人类交通史上的一次伟大改革[1-2]。近年来，日本研究的超导磁浮列车，最高时速达到603 km/h，刷新了地面轨道交通工具的最高速度记录。德国研制的TR01－09系列电磁浮列车试验线，速度可达450 km/h[3]。中国磁悬浮技术也取得了飞跃式的进步和显著的成果[4]，我国对于磁悬浮技术的研究，已经逐渐由原理论证阶段发展到工程实践阶段[5]，在磁悬浮列车方面，北京首列磁浮列车已到达北京S1线石门营车辆段，即将启动列车的调试工作。同时我国新一代中低速磁浮列车也顺利在上海完成时速120公里运行试验。意味着我国已掌握新一代中低速磁浮系统集成等关键核心技术，而中国“2.0版”快速磁浮列车处在紧张的试制组装阶段，计划2018年年中下线。磁悬浮的其他方面的应用也大量发展，如磁悬浮地球仪[6]、磁悬浮空调[7]和磁悬浮电梯[8]等。

本文针对现有的轨道交通如铁路运输业运力不足、效率低等问题[9]，设计了此款双层设置、采用架空轨道安装方式的可控双层磁悬浮小车模型，该设计的优势是：小车可以安装在现有交通轨道的上空，大大减少轨道铺设的条件限制，极大地减少土地的使用量，降低建设成本。小车以同极相斥的磁力维持悬浮，通过自制直线电机[10]进行驱动，利用WiFi物联网无线技术进行无线操控。该小车既可以应用在交通运输、物流等大型应用设施中，也可以用于高端玩具、教学仪器和工艺品等生活领域。

1 系统总体设计方案

本系统的设计可分为悬浮系统设计、驱动系统设计、控制系统设计和外观设计。图1为小车的系统结构框图，图中可控双层磁悬浮小车系统采用了自行设计的DC-AC六臂全桥驱动逆变电路来驱动直线电机，从而控制小车的行进；采用ESP32芯片，并利用搭载在ESP32上的WiFi模块实现小车与智能手机、平板及PC端等上位机通信，从而通过上位机实时控制小车的状态。小车设计为双层结构，在耗能相同情况下，成倍提高了其载荷能力。轨道采用架空磁轨道的安装方式极大地减少了占地面积。

图1 系统结构框图

1.1 悬浮系统设计

可控双层磁悬浮小车的悬浮系统是利用磁极“同极相斥”的原理，在小车底部安装永磁体，并使磁铁的N极朝下，同时在轨道上也安装永磁体，使磁铁N极朝上，通过磁铁与磁铁产生的斥力与小车的重力相平衡，使小车悬浮于空中。

1.2 驱动系统设计

可控双层磁悬浮小车采用直线电机作为驱动部分，直线电机具有静推力特性平稳，运行可靠性高等特性，不需要间接的耦合介质，大大减少摩檫力与接触所带来非线性阻力影响。直线电机结构如图2所示，可以视为一台旋转电机结构按径向剖开，并展成平面。

进行电机设计时，选择输入输出线性度良好、受干扰少、体积小、重量轻和成本低[11-12]的霍尔传感器进行位置检测，作为闭环控制环节，结合ESP32控制芯片与自制六臂全桥逆变电路，将磁场空间矢量转换为霍尔开关传感器高低信号，从而反馈信号给ESP32控制芯片输出相应的动作信号，触发P-MOS与N-MOS开关器件动作，控制电流换相，产生气隙行波磁场，初级与次级之间产生电磁推力，驱动小车向前运动。

自行设计的驱动板通过选取ESP32控制芯片的3个输入IO管脚作为霍尔传感器信号的输入端，选择其他6个输出IO管脚S1-S6作为信号输出端，控制如图3所示的自制驱动电路U，V，W端口，输出三相方波交流信号。

主控芯片程序中选择Input输入变量作为switch语句的判断条件，Input输入变量里存放霍尔传感器反馈的输入信号，通过不同的输入信号来触发相应的动作，让图3中的P-MOS与N-MOS开关器件的源级和漏极导通，输出三相方波交流信号。芯片程序如下。

图2 直线电机示意

图3 六臂全桥驱动逆变电路

1.3 控制系统设计

通过HTML与JavaScript语言编写网页脚本作为人机交互界面，采用WiFi通信方式，实现用户登录人机交互界面传输指令到主控芯片ESP32。根据不同的上位机指令，触发相应的动作操控小车实现加速与减速功能。HTML与JavaScript语言编写的人机交互界面，具有易开发性与开发效率高等优点[13]，方便用户使用操作，用户可以通过互联网设备登录人机交互界面实现操作，而无需专门的控制器。

1.4 外观设计

1.4.1 小车设计

小车整体分为上、下车厢以及中间的连接处共3个部分，如图4所示的单节小车外观设计。小车造型设计作为系统设计的一部分，是实现整个系统技术整体飞跃必不可缺的条件[14]。小车设计的上、下双层车厢均通过连接柱连接，采用流线型设计，不仅降低了双层磁悬浮小车的重心，令其稳定悬浮于架空的磁轨道中，而且减小了空气阻力，使其在快速行进过程中更加稳定。上层车厢车头还设计有车灯孔、车窗、驾驶座位等，小车车厢采用上下双层的设计，内饰较好地还原现实生活中的列车设计，使其更贴近生活。同时，相比传统列车提供了多一倍的空间，大大增加了小车的载荷能力，能极大地提高运输效率。

图4 单节小车外壳设计

单节小车内部的控制设计如图5所示，小车的控制与驱动系统均安置在小车的上车厢内部，扩大了下车厢使用空间。小车上车厢底部的磁铁结构用于悬浮，小车侧边均安装绕组线圈，与轨道上NS交错排列的磁铁轨道，相对应构成直线电机。小车采用双边驱动的方式，使其驱动能力大幅增强，提升了驱动能力，提高了运行速度，增大了载荷能力。

图5 单节小车内部控制设计

1.4.2 磁轨道设计

如图6所示的磁轨道，此轨道创新地设计了一种与双层小车相匹配的悬空、中空双边磁轨道，使小车悬浮于空中快速行进。磁轨道由底板、支撑系统、行车轨道组成。磁轨道的支撑系统由固定架和支撑架组成，固定架两个为一组，对称安装在水平底板上，支撑架安装在固定架上；行车轨道由直轨道和弯轨道组成，其底面与支撑架固定保持轨道平衡，同时在行车轨道的底面紧密无间隙地排列同一极性面朝上的永磁体，形成磁轨道，与小车上的磁铁配合，组成了小车的悬浮系统，而在行车轨道侧面紧密无间隙地安装NS交错的永磁体，与小车上的线圈相对应构成驱动系统。

图6 双层小车悬浮于磁铁轨道示意

2 应用与远景

随着科技的日益发展和国家政策的不断扶持，同时市场对磁悬浮技术的需求也逐步扩大。虽然磁悬浮行业在国内的发展刚起步，但是磁悬浮技术的安全、节能、安静和稳定的优势，使之在未来会有巨大的发展前景[15]。

本文研发的可控双层磁悬浮小车可适用于以下多个应用领域。

（1）交通运输领域，双层磁悬浮小车由于采用双层结构的设计，利用架空磁轨道悬浮于空中，将其建设在城市、城间之中，可架构在现有的城市马路的上空，也可架构在城间高铁轨道或高速公路上空，充分利用现有的轨道资源，从而减少土地的大量改建。

（2）快递领域，双层磁悬浮小车由于悬浮于空中，行进中只有空气阻力，同时双层车厢的设计，极大提高其载荷能力，应用在快递领域，在城市间可以快速高效运输大量快递，解决人们等待时间。在城市可以将快递包裹在空中运输，解决目前车辆运输大量快递所造成的拥挤问题和安全问题，释放出城市空间，保护人民的安全。

（3）工业搬运生产线，双层磁悬浮小车运用了直线电机的原理，直接将电能转化为直线机械运动，无需中间转换结构，应用在工厂的搬运生产线上，解决了现有的旋转电机的安全问题，避免因工厂传送带的旋转电机传动结构将人卷入而发生的安全事故。

同时还可以作为学校的教学仪器用于增长学生的见识；作为高端玩具用于开发儿童的动手能力；作为工艺品让人体会磁悬浮的奥妙；作为旅游观光设施吸引人们观看乘坐，体会高科技带来的乐趣等方面。

3 结语

本文设计了一种采用双层结构设计的可控磁悬浮小车。该小车采用磁铁“同极相斥”原理实现小车的悬浮；利用六臂全桥驱动电路驱动自制直线电机使小车前进；采用ESP32芯片作为主控芯片，利用网页技术搭建了操作简单的人机交互界面。经测试表明，可控双层磁悬浮小车可以稳定悬浮于架空磁轨道上，且可通过上位机联网访问网页控制小车状态，小车运行稳定，而且载重运输能力强，具有较高的实用价值。可控双层磁悬浮小车可应用于工业生产、交通运输、快递领域和教学仪器等一系列方面。可以通过此磁悬浮双层小车推广磁悬浮技术，将磁悬浮技术这一技术带到人们的日常生活中，为大众服务。