CN102975868B - 磁悬浮万向动量球装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁悬浮万向动量球装置，所述磁悬浮万向动量球装置包括：动量球、位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统、球体状态检测系统和中央控制系统，动量球用于旋转，位置控制电磁系统用于对所述动量球产生任意方向的磁力；旋转控制电磁系统用于对所述动量球产生可朝任意方向旋转的转动力矩；球体状态检测系统用于检测所述动量球的运行状态；中央控制系统用于对电磁系统和球体状态检测系统进行控制，并接收球体状态检测系统检测到的动量球的运行状态数据。本发明采用动量球代替动量轮，可实现任意方向旋转；通过旋转磁场产生使球体旋转的转动力矩，实现无接触式、无阻力、精确转动控制；通过磁力实现球体磁悬浮，彻底消除摩擦力。

Description

磁悬浮万向动量球装置

技术领域

本发明涉及航天器或机器人姿态控制的角动量交换技术，尤其涉及一种磁悬浮万向动量球装置及其实现方法。

背景技术

航天器在飞行过程中受到各种干扰力矩作用，导致航天器姿态发生变化，必须进行姿态控制。其中常用的一类为角动量交换系统，包括“单自由度系统”和“多自由度系统”。

“单自由系统”每个自由度仅能调节一个方向的姿态，如动量轮，为保证三个自由度可调，需至少安装三个动量轮。同时考虑到系统冗余还需增加额外的飞轮，导致系统重量、体积和功耗增加。

“多自由度系统”则由单一部件进行多个方向的角动量调节，但现有的方法和装置能力存在明显不足，仅能进行小角度的偏转轴调整。如1988年美国Downer James R在专利中发明的磁悬浮动量轮，通过将驱动电机和控制电机均设计为球冠形内定子和球外形外转子结构，控制电机通过对定子上控制线圈的选择性激励，与转子上的永磁磁铁相互作用，实现对转子转向的控制，但仅能实现最大10°～20°的偏转，角动量调节、控制能力有限。而理想的“多自由度系统”可实现360°调节。

现有的“多自由度系统”大多采用主轴可偏转动量轮方法，实现一定角度范围的角动量控制。但存在如下缺点：

1、采用动量飞轮作为旋转结构，转动惯量方向单一；

2、虽然部分多自由度系统可在一定范围内偏转，但偏转角度太小，无法实现任意方向偏转；

3、采用接触式的电机动力装置，使得存在摩擦力，不仅降低效率、还增加了累积误差。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提出一种磁悬浮万向动量球装置及其实现方法，可实现任意方向旋转。

为了解决上述问题，本发明提供一种磁悬浮万向动量球装置，包括：动量球、位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统、球体状态检测系统和中央控制系统，其中，

所述动量球用于旋转，由软磁材料制成；

所述位置控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生任意方向的磁力，使其不与任何部件接触、实现稳定悬浮；

所述旋转控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生可朝任意方向旋转的转动力矩，实现对球体的非接触转动控制；

所述球体状态检测系统，用于检测所述动量球的运行状态；球体状态检测系统包含两个系统，分别是位置状态探测系统和转动状态探测系统；位置状态探测系统可采用激光位置传感器、超声波传感器或红外传感器；转动状态探测系统，可采用如下方法：采用光学传感器对球体连续拍照，通过与图形处理系统对球体特征点进行计算，获得其转向和转速；或者在球转子表面绘制黑白两色图案，由光电传感器感知，通过一定的图案设置方法和识别算法，可实现转子的转向、转速识别；

所述中央控制系统与所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统相连，用于对所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统进行控制，并接收所述球体状态检测系统检测到的动量球的运行状态数据。

优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点：

所述位置控制电磁系统包括4个以上的U型磁体，所述U型磁体由软磁材料制成，在所述U型磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，使所述动量球不与任何部件接触、实现稳定悬浮。

优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点：

所述位置控制电磁系统包括6个U型磁体，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部。

优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点：

所述位置控制电磁系统包括4个U型磁体，等间距分布于所述动量球周围。

优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点：

所述旋转控制电磁系统包括4个以上的极靴磁体，所述极靴磁体由软磁材料制成，在所述极靴磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，实现对球体的非接触转动控制。

优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点：

所述旋转控制电磁系统包括6个极靴磁体，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开。

优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点：

所述旋转控制电磁系统包括4个极靴磁体，等间距分布于所述动量球周围，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开。

优选地，上述磁悬浮万向动量球装置还具有以下特点：

所述动量球的运行状态包括所述动量球所在的空间位置和转动的方向与转速。

为了解决上述问题，本发明还提供一种磁悬浮万向动量球装置的实现方法，包括：

中央控制系统获知每一时刻动量球所需改变的角动量，根据所述动量球当前的转动状态，计算出每一时刻旋转控制电磁系统的每个极靴磁体上线圈的电流，通过控制电流对所述动量球对转速状态进行控制；

中央控制系统从球体状态检测系统获知所述动量球当前的位置信息，计算出每一时刻位置控制电磁系统的每一个U型磁体上线圈的电流，通过控制电流对所述动量球的位置状态进行控制。

通过本发明可实现零摩擦、零阻力、精确可控的万向磁悬浮动量球，本发明具有如下优点：

1、采用动量球代替动量轮，可实现任意方向旋转；

2、通过旋转磁场产生使球体旋转的磁力，实现无接触式、无阻力、精确转动控制；

3、通过磁力实现球体磁悬浮，彻底消除摩擦力。

附图说明

图1是本发明实施例的单个U型磁体示意图；

图2是本发明实施例的位置控制电磁系统的6个U型磁体分布图；

图3是本发明实施例的单个极靴磁体示意图；

图4是本发明实施例的一对极靴磁体示意图；

图5是本发明实施例的XY平面极靴磁体示意图；

图6是本发明实施例的六点驱动磁体分布示意图；

图7是本发明实施例的六点驱动的位置与转动控制电磁系统的磁体分布示意图；

图8是本发明实施例的四点驱动电磁系统磁体分布示意图；

图9是本发明实施例的四点驱动的位置与转动控制电磁系统的磁体分布示意图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明主要设计思路为：以磁性球体作为角动量的存储载体，通过控制球体的旋转速度和自旋轴指向，实现对角动量大小和方向的控制，从而只需一个球体便可代替三个动量飞轮，实现航天器三个轴的姿态控制；通过若干个绕有线圈的软磁磁体产生磁场，利用磁场与软磁球体的磁力，控制磁性球体位置、实现磁悬浮；通过若干个绕有线圈的软磁磁体、按照一定的工作方式产生旋转磁场，通过旋转磁场与磁性球体的相互作用产生旋转力矩、控制球体的转速。

本发明中将涉及到的基本技术原理包括如下几点：

1、软磁磁体(软磁合金或其他软磁材料制成)，被通电线圈磁化后将产生较强的磁场；

2、不同的软磁磁体具有不同的磁路。本发明中主要涉及以下两种软磁磁体：U型磁体具有较好的磁闭合回路、能产生较大磁吸力、用于控制动量球(软磁磁性材料制成)保持稳定悬浮；极靴磁体用于产生旋转磁场、控制动量球的转速。

3、当磁性材料被磁化后，将产生一个磁感应强度为B的磁场和大小为F的磁力，与线圈匝数N、电流大小I、间隙d、截面积A的关系可近似描述为(k₁为比例系数)：

$F=k_1{N}^{2}A\frac{I^2}{d^2}---\left(1\right)$

4、当磁性球体在旋转磁场中将受到一个转动力矩M，与磁性球体转速ω_球体、旋转磁场转速ω_磁场、磁场磁感应强度B的关系可近似描述为(k₂为比例系数)

M＝k₂B²(ω_磁场-ω_球体)   (2)

本发明提出一种磁悬浮万向动量球系统，包括：动量球、位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统、球体状态检测系统和中央控制系统，其中，

所述动量球用于旋转，由软磁材料制成，如纯铁；在制作时需保证球体具有圆度的精确性和密度的均匀性；

所述位置控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生任意方向的磁力，使其不与任何部件接触、实现稳定悬浮；

所述旋转控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生可朝任意方向旋转的转动力矩，实现对球体的非接触转动控制；

所述球体状态检测系统，用于检测所述动量球的运行状态，包括球体所在的空间位置和转动的方向与转速；

所述中央控制系统与所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统相连，用于对所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统进行控制，并接收所述球体状态检测系统检测到的动量球的运行状态数据。

其中，位置控制电磁系统包括4个以上的U型磁体，所述U型磁体由软磁材料制成，在所述U型磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，使所述动量球不与任何部件接触、实现稳定悬浮。

优选地，所述位置控制电磁系统可包括6个U型磁体，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部；也可包括4个U型磁体，等间距分布于所述动量球周围。

旋转控制电磁系统包括3个以上的极靴磁体，所述极靴磁体由软磁材料制成，在所述极靴磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，实现对球体的非接触转动控制。

优选地，所述旋转控制电磁系统可包括6个极靴磁体，构成六点驱动模式，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开；也可包括4个极靴磁体，构成四点驱动模式，等间距分布于所述动量球周围，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开。

下面对本发明进行详细说明：

单个U型磁体对磁性球体的受力如图1所示，当磁体上线圈施以电流i时，其U型磁体两个磁极对球体将分别产生磁吸力F′，若磁极与对称线的夹角为θ，则单个U型磁体对球体的磁吸力为F＝2F′cosθ。

为实现球体在三维空间中的悬浮控制，需要位置控制电磁系统能产生空间中任意方向的电磁力。为此，可以在以球心为原点的空间坐标系X、Y、Z三轴上，在每个轴两端分别对称设置2个U型磁体，如图2所示。

当需要对球体产生X轴正方向的磁力时，对位于X轴正方向的U型磁体施加电流，施加电流的大小由公式(1)确定，即当所需推力为时，电流大小为

$I_x^{+}=\sqrt{\frac{F_x^{+}{d}^2}{k_1{N}^{2}A}}---\left(3\right)$

当需要X轴负方向的磁力时，施加电流

$I_x^{-}=\sqrt{\frac{F_x^{-}{d}^2}{k_1{N}^{2}A}}---\left(4\right)$

Y、Z轴上的磁力施加方法同理。

当需要对球体施加三维空间任意矢量方向磁力时，由矢量原理，若X、Y、Z轴的单位矢量为可将F表示为其中F_x、F_y、F_z为沿X、Y、Z轴三个方向的磁力分量。并由分量磁力的方向和大小分别对电流进行控制。由此便可产生空间任意方向的磁力，从而实现对磁悬浮球体的精确磁悬浮控制。

单个极靴磁体的示意图如图3所示，极靴磁体的好处是能够产生面积更大的均匀磁场，使得球体能均匀磁化产生较大的均匀磁力矩。

当一对极靴磁体位于球体时的剖面图如图4所示。当需要产生如图垂直向下的磁场B时，分别在上下极靴磁体上施加大小相同、方向如图所示的电流，这样能使得上下极靴磁体产生的磁场方向相同、大小相等，同时方向可叠加；但产生的磁吸力却大小相等、方向相反、相互抵消，理想情况下不对位置控制电磁系统产生磁力干扰；电流大小由公式(2)确定，由于是两个磁体叠加，因此当所需产生的电磁转动力矩为M时，所需产生的磁场为

所需施加的电流I大小可由事先的实验标定值确定，且电流大小与磁场B呈近似比例关系。

将六个极靴磁体按照类似图2的方式，2个一对相互垂直的分布与球体周围。

取旋转控制系统的XY平面剖面如图5，若需产生大小为B、转速为ω_磁场的旋转磁场，则电流I_x、I_y按照正弦方式变化，且I_y滞后I_x的相位为90°：

其中，I_b为实验标定的产生大小为B的磁感应强度所需电流大小，t为时间。

同理，可推导得知产生任意空间旋转磁场(大小为B、转速为ω_磁场)时所需施加的电流I_x、I_y、I_z为

其中，角度α、β为由旋转磁场所在平面坐标系到极靴磁体所在坐标系的欧拉转换角度，此处不做仔细说明。

因此，可由三对相互垂直分布的极靴磁体构成旋转控制电磁系统，产生任意转动方向的旋转磁场，再结合球体自身的转动情况，由公式(2)可对球体施加所需的转动电磁力矩，从而实现球体的非接触、无摩擦、精确的转动控制。

关于I_b标定，对于制成的电磁系统，在使用之前进行实验标定，即测试产生磁场B所需电流I_b的一一对应关系。当设备运行时根据所需的磁场B，通过插值计算所需的电流I_b。

优选地，位置控制磁体系统和旋转控制磁体系统均采用6点驱动方式，其每个系统的磁体分布方式如图6所示。

位置控制磁体系统和旋转控制磁体系统的12个磁体安装方式如图7所示，为方便解释将磁体形状做了如图的简化。球体质心位于坐标系原点O；位置控制磁体系统的六个U型磁体分布与球体周围、位于XYZ坐标系三个轴的两端，与球体保持相等的间距；旋转控制磁体系统的六个极靴磁体分布与球体周围、位于X′Y′Z′坐标系三个轴的两端，与球体保持相等的间距；两个系统的磁体等间距隔离，由欧拉转换关系易得X′Y′Z′坐标系的X′轴由XYZ坐标系的X轴分别右旋45°、上旋45°得到，如图7。

球体状态检测系统包含两个系统，分别是位置状态探测系统和转动状态探测系统。

位置状态探测系统可采用激光位置传感器、超声波传感器、红外传感器等。

转动状态探测系统，可采用如下方法：采用光学传感器对球体连续拍照，通过与图形处理系统对球体特征点进行计算，获得其转向和转速；或者在球转子表面绘制黑白两色图案，由光电传感器感知，通过一定的图案设置方法和识别算法，可实现转子的转向、转速识别。

下面介绍一下本装置的实现过程，包括两个并列的部分：

1、旋转控制电磁系统的控制

中央控制系统获知每一时刻动量球所需改变的角动量，根据所述动量球当前的转动状态，计算出每一时刻旋转控制电磁系统的每个极靴磁体上线圈的电流，通过控制电流对所述动量球对转速状态进行控制。

具体地，包括如下步骤：

(1)航天器根据姿态调整需求，向中央处理系统发出信号，告知所需的角动量改变量：

假设航天器的角动量矢量为某一时刻所需改变的角动量为由于动量球与航天器整体在空间中满足角动量守恒原理，则动量球所需施加的控制力矩矢量为若动量球的角动量矢量为为航天器相对惯性空间的转速矢量，为动量球相对航天器的转速矢量，则有

$\stackrel{\→}{M}=-\frac{d{\stackrel{\→}{h}}^{\′}}{\mathrm{dt}}=\frac{\∂h}{\∂t}+({\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_s+{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_x)\×\stackrel{\→}{h}---\left(8\right)$

即，动量球对航天器产生的控制力矩由两部分构成，第一项由动量球角动量的大小改变产生，第二项由动量球角动量方向改变产生。

(2)中央控制系统根据每一时刻动量球所需改变的角动量以及动量球当前的转动状态，计算出旋转控制电磁系统所需产生的磁感应强度B和旋转磁场的转速ω_磁场；

为进行简要说明，此处仅以改变动量球角动量大小为例，控制力矩仅来自于动量球角动量大小的变化，即

$\stackrel{\→}{M}=\frac{\∂h}{\∂t}---\left(9\right)$

由球体状态检测系统，可获得此时刻动量球的转速ω_球体。同时，本发明采用恒转速差的动量球转速控制方法，即磁场转速随转子转速而变化，但两者之差保持不变(假设恒转速差系数为k3)，即

ω_磁场＝k₃+ω_球体   (10)

将公式(8)、(10)带入公式(2)，可得所需产生的磁感应磁场磁感应强度大小为

(3)中央控制系统进一步计算出每一时刻旋转控制电磁系统的每个极靴磁体上线圈的电流，通过控制电流对所述动量球对转速状态进行控制。

具体地，中央控制系统由事先标定的磁场-电流关系表，可查表获得产生大小为B的磁场所需的电流I_b，带入公式(7)，可得为产生旋转磁场，旋转控制电磁系统每个电磁体所需通过的电流。

2、位置控制电磁系统的控制

中央控制系统从球体状态检测系统获知所述动量球当前的位置信息，计算出每一时刻位置控制电磁系统的每一个U型磁体上线圈的电流，通过控制电流对所述动量球的位置状态进行控制。

由于转动控制过程中会产生非对称的电磁力，同时还存在各种其他摄动力，使得球体位置发生扰动而偏离中心位置。因此在进行转动控制的过程中，需同步进行位置控制，使得球体质心尽量维持在中心点处、保持与周边电磁体及传感器等非接触的磁悬浮。中央控制系统根据球体的位置信息，计算每一时刻需施加到球体上的电磁力、以保证球体在一定误差范围内保持无接触磁悬浮，进而计算出每一时刻位置控制电磁系统的每一个U型磁体上线圈的电流。

由公式(1)，若对于某个电磁体的初始稳定状态，其电流I₀、磁体与球体距离d₀满足如下稳定方程，正好使得球体在该方向上保持稳定悬浮。

$F_0=k_1{N}^{2}A\frac{{I_0}^2}{{d_0}^2}---\left(12\right)$

当有其他摄动存在时，会产生距离偏差Δd，则d＝d₀+Δd≠d₀，电磁力变为式(13)，稳定状态被打破

$F_t=k_1{N}^{2}A\frac{{I_0}^2}{{(d_0+\mathrm{\Δd})}^2}---\left(13\right)$

为使得球体恢复稳定状态，需对电流进行调整，假设施加电流由I₀变为I＝I₀+ΔI，则易得为使系统在此方向上恢复稳定时的电流约为

$I=I_0+\mathrm{\ΔI}=I_0+I_0\·\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}---\left(14\right)$

即在原电流的基础上叠加一电流ΔI，便可使动量球在此方向上重新恢复稳定。同理，对所有方向上的位置控制系统采用同样的方法，便可使动量球在每个方向上实现稳定，从而在空间中保持位置稳定，实现稳定磁悬浮。

上文中所涉及到的公式，为便于进行原理解释，可能存在误差，但足以进行定性说明。

另外，在本发明中，可将位置控制电磁系统和旋转控制电磁系统进行优化，将前述的六点驱动设计为四点驱动，从而简化电磁体执行机构、减轻质量、方便增加冗余度、降低成本等。四点驱动位置控制电磁系统的4个电磁体分布如图8所示，以球体为中心，分布与四面体的定点，四面体中心与球体质心重合、平衡状态下每个电磁体与球心的距离相等；同样，转动控制电磁系统的4个电磁体具有相同的分布结构；位置与转动控制电磁系统的中心位置均与球体的质心重合，两个系统的4个磁体分别等间距分布于球体周围，如图9所示。

本发明不仅可用于航天器的姿态控制，也可用于机器人、飞行器、小型船只等其他需要姿态稳定的设备。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种磁悬浮万向动量球装置，其特征在于，包括：动量球、位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统、球体状态检测系统和中央控制系统，其中，

所述动量球用于旋转，由软磁材料制成；

所述位置控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生任意方向的磁力，使其不与任何部件接触、实现稳定悬浮；

所述旋转控制电磁系统，位于所述动量球的外部，用于对所述动量球产生可朝任意方向旋转的转动力矩，实现对球体的非接触转动控制；

所述球体状态检测系统，用于检测所述动量球的运行状态；球体状态检测系统包含两个系统，分别是位置状态探测系统和转动状态探测系统；位置状态探测系统可采用激光位置传感器、超声波传感器或红外传感器；转动状态探测系统，可采用如下方法：采用光学传感器对球体连续拍照，通过与图形处理系统对球体特征点进行计算，获得其转向和转速；或者在球转子表面绘制黑白两色图案，由光电传感器感知，通过一定的图案设置方法和识别算法，可实现转子的转向、转速识别；

所述中央控制系统与所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统相连，用于对所述位置控制电磁系统、旋转控制电磁系统和球体状态检测系统进行控制，并接收所述球体状态检测系统检测到的动量球的运行状态数据；

所述位置控制电磁系统包括6个U型磁体，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部，所述U型磁体由软磁材料制成，在所述U型磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，使所述动量球不与任何部件接触、实现稳定悬浮；

所述旋转控制电磁系统包括6个极靴磁体，每2个组成一对、3对相互垂直排列于动量球外部，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开，所述极靴磁体由软磁材料制成，在所述极靴磁体上设置有绕制的线圈，通过控制所述线圈通过的电流，实现对球体的非接触转动控制。

2.如权利要求1所述的磁悬浮万向动量球装置，其特征在于，

所述旋转控制电磁系统包括4个极靴磁体，等间距分布于所述动量球周围，并与所述位置控制电磁系统的U型磁体均匀隔开。

3.如权利要求1所述的磁悬浮万向动量球装置，其特征在于，

所述动量球的运行状态包括所述动量球所在的空间位置和转动的方向与转速。