CN107947451B - 旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置及控制方法。装置包括：旋转载荷磁悬浮支撑系统及旋转驱动系统；旋转载荷磁悬浮支撑系统，包括：转子子系统，包括转子支撑架及设置在转子支撑架外围的轴向支撑磁力组件；定子子系统，包括定子支撑架、位于定子支撑架外围的轴向支撑磁力组件；其中，轴向支撑磁力组件，用于与径向磁力组件相互作用，能够提供使得转子子系统与定子子系统分离的悬浮力；旋转驱动系统，包括：用于驱动转子子系统相对于定子子系统旋转的旋转电机；旋转电机，包括：旋转驱动线圈，位于定子支撑架外围，驱动电机转子，设置在转子支撑架上，能够相对于旋转驱动线圈。

Description

旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置及控制方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置及控制方法。

背景技术

具有旋转载荷的卫星与载荷之间通过轴承等机构支撑，并与旋转驱动一体化装置连接。当卫星运输和发射过程中承受横向及纵向的动载荷，难免对卫星与旋转载荷连接处造成影响，加上旋转载荷质心位置微小变化等原因都会对旋转载荷质心与转心不在同一条直线上。当旋转载荷在太空中旋转时，其偏心导致的干扰对星本体造成干扰，从而对旋转载荷正常工作也产生影响。传统轴承内径与外径之间相互摩擦较大，在太空环境中使用寿命很难保证，加上摩擦带来的微弱振动都会给旋转载荷带来影响。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置及控制方法，至少部分解决上述问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例第一方面提供了一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置，其特征在于，包括：旋转载荷磁悬浮支撑系统及旋转驱动系统；

所述旋转载荷磁悬浮支撑系统，包括：

转子子系统，包括转子支撑架及设置在转子支撑架外围的轴向支撑磁力组件；

定子子系统，包括定子支撑架、位于所述定子支撑架外围的轴向支撑磁力组件；其中，所述轴向支撑磁力组件，用于与所述径向磁力组件相互作用，能够提供使得所述转子子系统与所述定子子系统分离的悬浮力；

所述旋转驱动系统，包括：用于驱动所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转的旋转电机；

所述旋转电机，包括：

旋转驱动线圈，位于所述定子支撑架外围；

驱动电机转子，设置在所述转子支撑架上，能够相对于所述旋转驱动线圈。

本发明实施例第二方面提供一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置的控制方法，包括：

向转子子系统的轴向支撑磁力组件供电；

向定子子系统的轴向支撑磁力组件供电，以通过所述定子子系统和转子子系统给的轴向支撑磁力组件之间的相互作用，使得所述转子子系统和所述定子子系统在轴向分离；

向所述旋转驱动线圈供电，用于驱动所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转。

本发明实施例提供的旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置及控制方法，直接在定子子系统和转子子系统上设置有磁力组件，磁力组件之间的相互作用，使得定子子系统相对于转子子系统达到悬浮状态，再通过至少部分与所述转子子系统一体设置的旋转电机驱动所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转。这样的话，一方面由于转子子系统相对于定子子系统旋转时是保持悬浮状态的，故定子子系统和转子子系统之间相互无摩擦力，一方面避免了定子子系统和转子子系统之间的机械摩擦，另一方面，故省却了机械转轴机构中轴承等减少摩擦力的部件，从而减少了缩小了装置的体积并降低了装置的质量。再一方面，由于旋转电机直接设置在所述转子子系统上等地方，而非与分离设置的，从而相对分离设置可以进一步缩小所述装置的体积，实现该装置的小型化，方便装置的搬运。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种转子子系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种定子子系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置的控制方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的第一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述。

如图1至图3所示，本实施例提供一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置，包括：旋转载荷磁悬浮支撑系统及旋转驱动系统；

所述旋转载荷磁悬浮支撑系统，包括：

转子子系统，包括转子支撑架110及设置在转子支撑架110外围的轴向支撑磁力组件111；

定子子系统，包括定子支撑架120、位于所述定子支撑架120外围的轴向支撑磁力组件121；其中，所述轴向支撑磁力组件121，用于与所述轴向支撑磁力组件111相互作用，能够提供使得所述转子子系统与所述定子子系统分离的悬浮力；

所述旋转驱动系统，包括：用于驱动所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转的旋转电机；

所述旋转电机，包括：

旋转驱动线圈131，位于所述定子支撑架120外围；

驱动电机转子132，设置在所述转子支撑架上，能够相对于所述旋转驱动线圈131。

在本实施例中所述轴向支撑磁力组件111和所述轴向支撑磁力组件121均可为永磁体等磁力组件，还可以是线圈，可以通过通电产生磁力的组件。

在本实施例中，所述旋转电机的旋转驱动线圈131直接设置在所述转子支撑架110外围，例如，缠绕在所述转子支撑架110外围，实现与转子子系统的紧密设置，以实现装置的小型化。

在一些实施例中，所述转子支撑架110为十字型支撑架，在所述十字型支撑架的一组相对端上设置有所述轴向支撑磁力组件111，在另一组相对端上设置有径向支撑磁力组件。此外，在定子子系统的两端上设置有所述旋转驱动线圈131和/或旋转电机的电机转子等结构，这样的话，一方面实现了旋转电机与旋转载荷磁悬浮支撑系统的一体化设置，而且充分利用了转子子系统的支撑架的结构特点，尽可能的实现了装置的小型话。

可选地，所述转子支撑架110包括：轴向设置的磁力轴心，所述磁力轴心与所述轴向支撑磁力组件111的磁性相同，与所述轴向支撑磁力组件121的磁性相反。

在本实施例中，所述转子支撑架110内设置有磁力轴心，该磁力轴心可为永磁铁等，也可以是缠绕有线圈的绝缘杆，所述磁力轴心和所述轴向支撑磁力组件111的磁性相同，与定子子系统的轴向支撑磁力组件121的磁性相反，这样的话，可以提供足大的磁力，使得所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转。

在一些实施例中，所述转子支撑架110上还设置有径向支撑磁力组件112，可用于通过支撑磁力组件之间的磁力，实现所述转子子系统的径向支撑。所述定子支撑架120上还设置有径向支撑磁力组件122，用于与所述转子支撑架110上的径向支撑磁力组件122相互作用，提供所述转子子系统径向的支撑力。

在一些实施例中，所述定子子系统包括：第一定子子系统和第二定子子系统；所述第一定子子系统和第二定子子系统的结构相同；所述转子子系统位于所述第一定子子系统和所述第二定子子系统之间。

即在本实施例中，所述定子子系统分为两个，分别位于所述转子子系统的两端，两个定子子系统和转子子系统呈工字型布局。

在本实施例中，所述第一定子子系统和第二定子子系统的结构相同。这样的话，转子子系统相对于两个定子子系统旋转时，均可以达到悬浮状态，从而实现无摩擦旋转。

可选地，所述定子子系统和所述转子子系统的向对面上设置有传感器及控制器；

所述传感器，用于检测所述转子子系统相对于所述定子子系统的旋转状况信息，并将所述旋转状况信息反馈给所述控制器；

所述控制器，与所述旋转驱动系统连接，用于根据反馈信息生成驱动信号；

所述旋转驱动系统，用于根据所述驱动信号驱动所述转子子系统。

在本发明实施例中，所述轴向为转子子系统的旋转时，所围绕的旋转轴心所在的方向。所述径向为垂直于所述轴向的方向。

在本实施例中，所述旋转状况信息可包括：所述转子子系统的旋转速度、旋转方向、轴向上分别与定子子系统之间的距离，在径向上相对于所述定子子系统的位置。

所述传感器可以分布在所述转子子系统朝向所述定子子系统的一面，也可以是设置在所述定子子系统朝向所述转子子系统的一面上。

所述传感器可为图像采集器，可以通过图像采集，定位出所述转子子系统相对于定子子系统的相对位置，并将将检测的相对位置信息发送给所述控制器，所述控制器可以根据位置信息，调整所述转子子系统与所述定子子系统的相对位置。转子子系统的理想旋转状态可为：所述定子子系统与所述定子子系统保持分离状态，与此同时所述转子子系统的旋转轴心线与所述定子子系统的中心线重叠，这样就不会产生偏心转或与两个子系统之间的相互摩擦。

在一些实施例中，所述旋转电机可以根据控制信号，通过控制旋转驱动线圈131的通电大小和/或电极转子的转速，可以控制转子子系统的旋转速度和/或定子子系统的运动速度等。

在另一些实施例中，所述控制器，用于根据所述反馈信息控制所述轴向支撑磁力组件111和/或轴向支撑磁力组件121，以校正所述转子子系统和所述定子子系统之间的相对位置。例如，通过调整输入到所述轴向支撑磁力组件111和/或轴向支撑磁力组件121的电流大小，从而使得转子子系统上在不同方向上收到的磁力不同，从而利用磁力作为驱动力调整所述转子子系统相对于定子子系统的相对位置。

可选地，所述传感器为多个，均匀分布在所述定子子系统朝向所述转子子系统的一面的周向。

所述传感器可以等角度分布在所述定子子系统朝向转子子系统的轴向。所述传感器等角度分布，这样可以确保检测到所述转子子系统相对于定子子系统的各处的位置。在本实施例中所述轴向，可为设置在周面上。

可选地，所述传感器包括：检测所述转子子系统的轴向位置的第一传感器141；

和/或，检测所述转子子系统的径向位置的第二传感器142。

所述第一传感器141，可以检测转子子系统相对于定子子系统的轴向上的位置关系，第二传感器142可以检测转子子系统相对于定子子系统在径向上的位置关系，从而方便所述控制器可以从轴向上和径向上分别调整所述转子子系统相对于定子子系统的位置。

例如，在本发明实施例中所述传感器可包括：检测信号的发射模块和检测信号的接收模块。发射模块位于转子子系统上，则接收模块位于定子子系统，若发射模块位于定子子系统上，则接收模块位于转子子系统上。所述发射模块可以一直发送检测信号，而接收模块一直维持检测信号的接收，若未接收到检测信号或接收到检测信号的断断虚线，则可认为转子系统相对于定子子系统脱离的预定位置。所述检测信号可为任意一种无线信号，例如，可见光信号或非可见光信号，还可以是光信号以外的其他电磁波信号。

又例如，在所述转子子系统上设置有定位标志，所述传感器可为图像采集器，若采集到对应的定位标志，或采集的定位标志位的成像位于图像的特定区域内，则可认为当前转子子系统相对于定子子系统处于预定位置，否则可认为当前脱离预定位置，并根据传感器检测的信息确定出偏移预定位置的偏离状况，故所述控制器可以根据偏离状况，调整向各个磁力组件的通电参数等，从而达到校准所述转子系统的位置的目的，以维持所述定子子系统相对于所述定子子系统位于预定位置上。

可选地，所述轴向支撑磁力组件111包括：通电产生磁力的径向支撑线圈；所述轴向支撑磁力组件121包括：通电产生磁力的轴向支撑线圈。

在一些实施例中，所述转子子系统上还设置有固定所述轴向磁力组件111的磁力组件压环152，及固定驱动电机转子132的电机转子压环151。

在另一些实施例中，所述定子子系统上还设置有定位销153，该定位销可以用于固定第一定子子系统和第二定子子系统，可相当于转子子系统的锁紧机构。

本实施例提供一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置的控制方法。本实施例提供的方法可以应用于前述的装置中。如图4所示，所述方法可包括：

步骤S110：向转子子系统的轴向支撑磁力组件供电；

步骤S120：向定子子系统的轴向支撑磁力组件供电，以通过所述轴向支撑磁力组件和所述轴向支撑磁力组件的相互作用，使得所述转子子系统和所述定子子系统在轴向分离；

步骤S130：向所述旋转驱动线圈供电，用于驱动所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转。

在本实施例中，所述径向磁力组件和轴向支撑磁力组件均为电磁力组件，可以通过通电和断电，使得磁力组件的产生磁性和磁性小时，并且可以通过控制通电的电流大小控制磁性强度，从而控制转子子系统和定子子系统之间的磁力大小，从而控制转子子系统相对于定子子系统的悬浮高度等。

在本实施例中先对径向磁力组件供电，使得转子子系统和转子子系统具有磁力，使得转子子系统和定子子系统分离，转子子系统进入悬浮状态之后，在通过向旋转驱动线圈供电，使得旋转电机可以提供驱动转子子系统旋转的驱动力，避免了先给旋转驱动线圈供电使得定子子系统和转子子系统之间产生机械摩擦导致的磨损问题。

可选地，所述方法还包括：

断开所述旋转驱动线圈的供电；

在所述转子子系统停止旋转后，逐步减小向所述定子子系统及所述定子子系统的供电。

在本实施例中若需要转子子系统停止旋转时，先断开旋转驱动线圈的供电，以使得转子子系统失去旋转驱动力，停止旋转之后，再逐步断开定子子系统及所述定子子系统的供电，从而使得转子子系统逐步靠近定子子系统，避免突然断开轴向支撑磁力组件111和/或轴支撑磁力组件的供电，使得定子子系统和转子子系统相互碰撞导致破损的问题。

在本实施例中所述逐步减小向所述定子子系统及所述定子子系统的供电，可包括：

按照第一预设步长逐步减小向所述定子子系统及所述定子子系统的供电的电流大小；

按照第二预设步长逐步减小向所述定子子系统及所述定子子系统的供电的电压，从而使得电流也逐步减小；

按照平滑曲线，逐步减小向所述定子子系统及所述定子子系统的供电的电流大小。

可选地，所述方法还包括：

检测所述转子子系统相对于所述定子子系统的旋转状况信息；

根据所述旋转状况信息控制所述旋转驱动线圈的供电，以校正所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转。

在本实施例中，所述旋转状况信息，可包括：转向速度、是否出现偏心转等，可以通过供电的控制，校正转子子系统相对于定子子系统的旋转。

以下结合上述任意实施例提供两个具体示例：

示例1：

本示例提供一种磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置，弥补机械轴承带来的扰动大、随着工作时间的增加无法保证精度等缺点，该装置由于支撑系统与旋转驱动系统一体化设计，使整个装置结构尺寸大大减小。

旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置由工作模块可分为旋转载荷磁悬浮支撑系统及旋转驱动系统。所述旋转驱动系统与旋转载荷磁悬浮支撑系统一体设计，例如，所述旋转驱动系统的驱动线圈及驱动转子等分布在所述旋转载荷磁悬浮支撑系统上，实现两个系统之间的强耦合，以减少装置的体积。

以结构形式可分为转子子系统、下部定子子系统、上部定子子系统组成。

所述下部定子子系统与卫星平台连接；

所述下部定子子系统与上部定子子系统结构形式完全一样，并且还能相互配合，通过定位销及法兰面相互配合完全确定；

所述上(下)部定子子系统由定子支撑架、径向支撑线圈、周向均布位置传感器及轴向均布位置传感器组成。

所述转子子系统由转子支撑架、径向支撑线圈、轴向支撑磁铁及转子旋转驱动线圈组成。

所述转子子系统与旋转载荷或载荷安装面连接。

示例2：

本示例提供了一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转一体化装置的控制方法。

该装置的启动方法，可如图5所示，包括：

步骤1：锁紧机构收到指令解除锁紧，这里的锁紧机构为用来固定定子子系统和转子子系统的结构，通过接触锁紧，可以使得转子子系统相对于定子子系统运动；

步骤2：转子子系统的轴向支撑线圈及径向支撑线圈通电；

步骤3：定子子系统的轴径向支撑线圈和轴向支撑线圈通电；

步骤4：转子子系统在磁力的作用下进入悬浮状态；

步骤5：转子子系统的旋转驱动线圈和定子子系统的驱动线圈通电，从而分别向转子子系统提供旋转的驱动力，并提供定子子系统的移动的驱动力；

步骤6：转子子系统携带载荷悬浮在空中稳定旋转。

这样的话，步骤2、步骤3给线圈通电过程中缓慢增大电流，对转子及载荷的冲击最小。靠线圈之间或线圈和永磁铁之间的电磁力实现无摩擦稳定旋转。该装置停止工作过程恰好与开始工作过程相反，先停止旋转驱动系统中电流，待转子及载荷角速度完全降到零，再把支撑系统线圈中的电流逐渐降到零，便能实现无冲击停止。

该装置径向支撑及轴向支撑线圈中的电流大小由载荷质量、质量分布状况、转子子系统的转速等有密切关系。旋转驱动电机中的电流与转子(或载荷)转速大小相关。工作时：轴向均布的上下十六枚传感器反馈转子轴向位置，在理想情况下转子完全对称地悬浮在上下部定子系统连接处；径向均布的上下十六枚传感器反馈转子上下轴心相对定子中心的位置，在理想情况下转子旋转轴与定子中心线完全重合；光电码盘把转子(或载荷)的转速反馈给电机，实现闭环控制。以上三个平衡状态都出于动态平衡状态，即使受到微小扰动，也能长时间保持在平衡状态。另外，为了节省旋转体及载荷能量，转子轴向支撑系统采用永磁铁代替电磁铁。故在一些实施例中，所述控制器可以根据载荷质量、质量分布状况、转子子系统的转速的至少之一，生成驱动信号，控制所述旋转驱动电机的工作。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置，所述旋转载荷用于在太空中旋转并与卫星连接，其特征在于，包括：旋转载荷磁悬浮支撑系统及旋转驱动系统；

所述旋转载荷磁悬浮支撑系统，包括：

转子子系统，包括转子支撑架及设置在转子支撑架外围的轴向支撑磁力组件；

定子子系统，包括定子支撑架、位于所述定子支撑架外围的轴向支撑磁力组件；其中，所述定子子系统的轴向支撑磁力组件，用于与所述转子子系统的轴向支撑磁力组件相互作用，能够提供使得所述转子子系统与所述定子子系统分离的悬浮力；

所述旋转驱动系统，包括：用于驱动所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转的旋转电机；

所述旋转电机，包括：

旋转驱动线圈，位于所述定子支撑架外围；

驱动电机转子，设置在所述转子支撑架上，能够相对于所述旋转驱动线圈转动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述转子支撑架上还设置有径向支撑磁力组件；

所述定子支撑架上还设置有径向支撑磁力组件，用于与所述转子支撑架上的径向支撑磁力组件相互作用，提供所述转子子系统径向的支撑力。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述定子子系统包括：第一定子子系统和第二定子子系统；所述第一定子子系统和第二定子子系统的结构相同；

所述转子子系统位于所述第一定子子系统和所述第二定子子系统之间。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述定子子系统和所述转子子系统的相对面上设置有传感器及控制器；

所述传感器，用于检测所述转子子系统相对于所述定子子系统的旋转状况信息，并将所述旋转状况信息反馈给所述控制器；

所述控制器，与所述旋转驱动系统连接，用于根据反馈信息生成控制信号；所述旋转驱动系统，用于根据所述控制信号驱动所述转子子系统；和/或，所述控制器，用于根据所述反馈信息控制所述径向支撑磁力组件和/或轴向支撑磁力组件，以校正所述转子子系统和所述定子子系统之间的相对位置。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述传感器为多个，均匀分布在所述定子子系统朝向所述转子子系统的一面的周向。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述传感器包括：

检测所述转子子系统的轴向位置的第一传感器；

和/或，

检测所述转子子系统的径向位置的第二传感器。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述径向支撑磁力组件包括：通电产生磁力的径向支撑线圈；

所述轴向支撑磁力组件包括：通电产生磁力的轴向支撑线圈。

8.一种旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置的控制方法，所述旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置为如权利要求1-7任一项所述的旋转载荷磁悬浮支撑与旋转驱动一体化装置，其特征在于，包括：

向转子子系统的轴向支撑磁力组件供电；

向定子子系统的轴向支撑磁力组件供电，以通过所述定子子系统和转子子系统给的轴向支撑磁力组件之间的相互作用，使得所述转子子系统和所述定子子系统在轴向分离；

向所述旋转驱动线圈供电，用于驱动所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

断开所述旋转驱动线圈的供电；

在所述转子子系统停止旋转后，逐步减小向所述定子子系统的供电。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

检测所述转子子系统相对于所述定子子系统的旋转状况信息；

根据所述旋转状况信息控制所述旋转驱动线圈的供电，以校正所述转子子系统相对于所述定子子系统旋转。

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