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磁気浮上(吊り下げ)の実験をちょっと改良

◆まえがき
前の記事でやったArduinoを使った磁気浮遊を少し改良したので紹介します。ちなみに、もっと安定な物にしたかったのですが、これ以上改良できなかったのであきらめました。

◆浮遊体の改良
浮遊状態が安定し難い原因の一つとして、磁石の先端が横方向に振れた時に中央に戻す力、つまりセンターリング力が弱いことがあります。原因としては、磁石の先端が平坦なので磁界分布も平坦に近くなっているのが良くないのではないかと考えました。

そこで、磁石の先端に円錐形の鉄片を追加することで磁界の分布が尖るように改良してみました。

・例-1
20230818IMG_4431.jpg
右端の円錐形の鉄片を追加しました。なお、この鉄片は接着剤で固定してあります。

この鉄片は皿ビスの根元の部分を加工して作った物で、最終的な形状は、3.5インチHDDを改造して作ったグラインダーを使って削って調整しました。なお、先端を尖らすとぶつかった時にホール素子にダメージを与える可能性があるので、ゆるやかな球面にしてあります。

・例ー2
20230818IMG_4432.jpg
別の磁石に取り付けた例です。

◆浮遊状態
20230818IMG_4430.jpg
先端が左右に振れ難くなって安定度が増しました。

◆プログラムの改良
ADCのクロックを高速化してみました。クロックが32倍速くなったので振動に対するレスポンスが良くなることを期待しています。
// 磁気吸引力による浮上(吊り下げ)File:20230809_MagLevitation.ino
// ADC高速化
// 2023/08/09 ラジオペンチ http://radiopench.blog96.fc2.com/

#define  HV1 435   // コイルOFF時の閾値(磁界がこの値以上になったらコイルに通電)
#define  HV2  10   // コイルON時の閾値変化量(この値だけ減らす)

int x;
boolean m = false;           // 制御モードフラグ(false:コイルOff時, true:コイルOn時)

void setup() {
  ADCSRA = ADCSRA & 0xf8;
  ADCSRA = ADCSRA | 0x04;    // ADCクロック分周比を128→16に変更
  pinMode(2, OUTPUT);        // コイル励磁ピン
}

void loop() {
  x = analogRead(0);          // 磁界の強さを測って
  if (m == false) {           // コイルOFF時で、
    if ( x > HV1) {           // 磁界がOFF時の閾値以上だったら、(磁石が上に来ていたら)
      digitalWrite(2, HIGH);  // コイルを励磁(磁界を打ち消して押し下げる)
      m = true;               // モードフラグをコイル励磁状態にセット
    }
  } else {                    // コイルON時で、
    if ( x < HV1 - HV2) {     // 磁界がON時の閾値以下(磁石が下)だったら、
      digitalWrite(2, LOW);   // コイルOFF(磁界の打ち消しを止めて引き上げる)
      m = false;
    }
  }
  // 上記以外のケースは現状維持
}
たいした変更では無いのでリンクの形で掲載しても良かったのですが、後でここの設定を使い廻すことがありそうなので、見える形で公開します。

◆まとめ
以上のような改良で安定性が増しました。

本当はもっと改良したくて、コイルの電流をPWMで可変にし、位置誤差に対する比例制御をやってみたのですがうまく行きませんでした。PWMの励磁とADCのタイミングを同期させなかったのが敗因だと思います。このあたり、時間があれば再度調整してみたいと思います。ただ、現在のコイルはインダクタンスが大きくて高速な制御には向いていないので、大幅に改善することは難しいキモします。

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