CN109217623B - 一种磁流体驱动器及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流体驱动器及其驱动方法，包括磁场发生器以及用于盛放磁流体和磁流体周围液体介质的容器，所述磁场发生器置于容器底面上；磁场发生器包括控制器和点阵排列的多个电磁铁；其中，各电磁铁分别对应通过各电磁继电器连接到控制器的IO端口，由控制器控制各电磁铁的得电情况。在本发明中，磁流体驱动器中的控制器通过每次控制一个电磁铁得电，能够精确的控制磁流体完成特定的运动，具有结构简单以及控制效率高的优点，另外，可以根据磁流体运动控制需求灵活设置磁场发生器中点阵排列的电磁铁个数，其中电磁铁个数越多磁流体运动控制精度越高，具有可拓展性强的优点。

Description

一种磁流体驱动器及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种磁流体技术领域，特别涉及一种磁流体驱动器及其驱动方法。

背景技术

磁流体，又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，正因如此，它才在实际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。由于磁流体具有液体的流动性和固体的磁性，使得磁流体呈现出许多特殊的磁、光、电现象，如法拉第效应、双折射效应和线二向色性等。这些性质在光调制、光开关、光隔离器和传感器等领域有着重要的应用前景。磁流体在磁场的作用下形成丰富的微观结构，这些微观结构对光产生不同的影响，能在很大的程度上改变光的透射率和折射率、产生大的法拉第旋转、磁二向色散性、克尔效应等。磁流体的这种在磁场中的特性可以用在磁光开关、磁光隔离器、磁光调制器、粗波分复用器等器件上，因此如何驱动磁流体在磁场中的运动以实现在上述器件中使用显得至关重要。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、控制效率高以及可拓展性强的磁流体驱动器，该磁流体驱动器能够精确的控制磁流体完成特定的运动。

本发明的第二目的在于提供一种由第一目的磁流体驱动器实现的磁流体驱动方法，该驱动方法可以精确的控制磁流体完成特定的运动。

本发明的第三目的在于提供另一种结构简单、控制效率高以及可拓展性强的磁流体驱动器；该磁流体驱动器通过在三维空间产生的磁场实现对二维平面中的磁流体进行运动的控制，能够更加精确的控制磁流体完成特定的运动。

本发明的第四目的在于提供一种由第三目的磁流体驱动器实现的磁流体驱动方法，该驱动方法可以更加精确的控制磁流体完成特定的运动。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种磁流体驱动器，包括磁场发生器以及用于盛放磁流体以及磁流体周围液体介质的容器，所述磁场发生器置于容器底面上；

所述磁场发生器包括控制器和点阵排列的多个电磁铁；其中，各电磁铁分别对应通过各电磁继电器连接到控制器的IO端口，由控制器控制各电磁铁的得电情况。

优选的，所述容器的底面为水平面。

优选的，还包括底座，所述各电磁铁以点阵的方式排列安装在底座上；

磁场发生器中各电磁铁排列成点阵后，利用亚克力板进行中部固定，其中亚克力板上对应点阵排列的各电磁铁的位置处分别设置有供对应电磁铁穿过的通孔。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种由上述第一目的的磁流体驱动器实现的磁流体驱动方法，其特征在于，步骤如下：

首先获取磁流体的运动路径，确定运动路径从开始到结束依次经过的各电磁铁，然后由控制器控制运动路径从开始到结束所要经过的各电磁铁依次轮流得电。

本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种磁流体驱动器，包括磁场发生器以及用于盛放磁流体以及磁流体周围液体介质的容器，所述磁场发生器置于容器底面上；

所述磁场发生器包括控制器、点阵排列的多个电磁铁以及各电磁铁对应所连接的各开关电源模块；

所述各开关电源模块分别连接控制器各IO端口，通过控制器控制各开关电源模块对应输入到各电磁铁的电压大小。

优选的，所述开关电源模块包括第一电源、第二电源、反置的图腾柱驱动电路、第三开关管、第四开关管和第五开关管；第二电源输出的电压大于等于第一电源输出的电压；

所述反置的图腾柱驱动电路包括第一开关管和第二开关管，其中第一开关管的第三极和第二开关管的第二极相连后通过第一电阻R1连接控制器的IO端口，接收控制器的IO端口输出的一定占空比的PWM信号；第一开关管和第二开关管的第一极相连后通过第二电阻R2连接第一电源，且通过第三电阻R3接地；所述第一开关管的第二极连接第三开关管的第一极，所述第二开关管的第三极连接第四开关管的第一极；第三开关管的第三极连接第二电源；第三开关管的第二极连接第四开关管的第三极，第四开关管的第二级接地；第五开关管的第一极依次连接第六电阻R6和第四电阻R4后连接第三开关管的第二极，第五开关管的第一极和第二级均接地，第五开关管的第三极连接第一开关管的第一级；第六电阻R6和第四电阻R4所连接的一端作为开关电源模块的输出端连接电磁铁一个电极，为对应电磁铁提供相应大小的电压，电磁铁的另一个电极接地；

其中第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管为三极管或MOS管；

当第一开关管和第二开关管为三极管时，第一开关管为NPN三极管，第二开关管为PNP三极管，第一开关管和第二开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第一开关管和第二开关管为MOS管时，第一开关管为NMOS管，第二开关管为PMOS管，第一开关管和第二开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极；

当第三开关管、第四开关管和第五开关管为三极管时，第三开关管为PNP三极管，第四三极管为NPN三极管，第五三极管为NPN三极管；第三开关管、第四开关管和第五开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第三开关管、第四开关管和第五开关管为MOS管时，第三开关管为PMOS管，第四三极管为NMOS管，第五三极管为NMOS管；第三开关管、第四开关管和第五开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极。

优选的，还包括底座，所述各电磁铁以点阵的方式排列安装在底座上；

磁场发生器中各电磁铁排列成点阵后，利用亚克力板进行中部固定，其中亚克力板上对应点阵排列的各电磁铁的位置处分别设置有供对应电磁铁穿过的通孔；

所述容器的底面为水平面。

本发明的第四目的通过下述技术方案实现：一种由第三目的的磁流体驱动器实现的磁流体驱动方法，其特征在于，当要控制磁流体按照运动路径进行运动时，则驱动过程具体如下：

首先获取磁流体的运动路径，根据运动路径，确定磁流体在运动过程中所要经过的位置和行进的方向；

控制器输出相应占空比大小的PWM信号到对应的各开关电源模块，通过各开关电源模块输出相应大小的电压到各电磁铁，以使得各电磁铁产生相应大小的磁场强度，通过改变运动路径中所要经过位置在各时刻的磁场大小使得磁流体按照相应方向移动到相应位置。

优选的，还包括如下步骤：

当要控制磁流体从运动路径的当前位置运动到下一个位置时，则驱动过程具体如下：

首先获取磁流体在当前位置时磁场发生器中各电磁铁的电压大小；然后通过控制器调整输出到磁流体当前位置处各电磁铁所连接的各开关电源的PWM信号占空比，以逐渐减小磁流体当前位置的各电磁铁的电压，从而减弱磁流体当前位置的磁场强度；同时通过控制器调整输出到磁流体下一位置处各电磁铁所连接的各开关电源的PWM信号占空比，以逐渐增大磁流体下一位置的各电磁铁的电压，从而增大磁流体下一位置的磁场强度；使得磁流体从当前位置运动到下一位置；

当要控制磁流体处于某几个电磁铁的中间位置时，通过控制器调整输出到上述各电磁铁所连接到各开关电源的PWM信号占空比相同，以使得上述各电磁铁的电压相同，从而产生相同的磁场强度使得磁流体处于这几个电磁铁的中间位置。

优选的，还包括如下步骤：

控制器通过其串口输入的字符串驱动各IO端口对应输出到各开关电源模块的PWM信号的占空比，从而控制各开关电源模块输出相应大小的电压到各电磁铁；其中：

控制器设置其串口输入的字符串与各开关电源模块输出的电压大小对应关系，其中每几个字符对应一个开关电源模块输出的电压大小；同时控制器获取到开关电源模块输入的PWM信号的占空比与输出电压大小的对应关系；

当控制器串口输入字符串后，根据其与各开关电源模块输出的电压大小对应关系，获取到各开关电源模块需要输出的电压大小，即获取到各电磁铁需要得电的电压大小，然后控制器根据各开关电源模块输入的PWM信号的占空比与输出电压大小的对应关系，确定要输入到各开关电源模块输入的PWM信号的占空比。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明第一目的中的磁流体驱动器，包括磁场发生器以及用于盛放磁流体以及磁流体周围液体介质的容器，磁场发生器置于容器底面上；磁场发生器包括控制器和点阵排列的多个电磁铁；其中，各电磁铁分别对应通过各电磁继电器连接到控制器的IO端口，由控制器控制各电磁铁的得电情况；在本发明中，控制器通过控制各电磁铁的得电情况，从而改变磁流体周围的磁场情况，使得磁流体顺着有磁场的地方运动。在本发明中，磁流体驱动器中的控制器通过每次控制一个电磁铁得电，能够精确的控制磁流体完成特定的运动，具有结构简单以及控制效率高的优点，另外，可以根据磁流体运动控制需求灵活设置磁场发生器中点阵排列的电磁铁个数，其中电磁铁个数越多磁流体运动控制精度越高，具有可拓展性强的优点。

(2)本发明第二目的中磁流体驱动器，包括磁场发生器以及用于盛放磁流体以及磁流体周围液体介质的容器，磁场发生器置于容器底面上；在本发明中，磁场发生器包括控制器、点阵排列的多个电磁铁以及各电磁铁对应所连接的各开关电源模块；各开关电源模块分别连接控制器各IO端口，通过控制器控制各开关电源模块对应输入到各电磁铁的电压大小。本发明中，磁场发生器中的控制器输出相应占空比大小的PWM信号到对应的各开关电源模块，通过各开关电源模块输出相应大小的电压到各电磁铁，以使得各电磁铁产生相应大小的磁场强度。本发明中，通过改变磁流体运动路径中所要经过位置在各时刻的磁场大小就能够使得磁流体按照相应方向移动到相应位置。本发明中磁场发生器对磁场能够实现更精确的控制，控制器可以控制每个电磁铁在每个时刻都得电，并且可以控制各电磁铁所获的电压大小不同，由此产生的磁场大小也不相同，每个电磁铁的磁场叠加在一起才形成一个三维空间中的磁场，通过各电磁铁在三维空间产生的磁场实现对二维平面中的磁流体进行运动的控制，能够更加精确的控制磁流体完成特定的运动。另外，本发明也可以根据磁流体运动控制需求灵活设置磁场发生器中点阵排列的电磁铁个数，具有可拓展性强的优点。

(3)本发明第二目的中磁流体驱动器中，控制器可以通过其串口输入的字符串驱动各IO端口对应输出到各开关电源模块的PWM信号的占空比，从而驱动各开关电源模块输出相应大小的电压，其中控制器串口输入的字符串中每几个字符确定一个IO端口输出的PWM信号占空比，即控制器串口输入的字符串中每几个字符能够确定一个电磁铁获取到的电压大小。本发明中，通过设置控制器串口输入字符串中的字符即可控制各电磁铁获取到的电压大小，具有电磁铁电压大小控制方便以及简单的优点。

(4)本发明磁流体驱动器中，用于盛放磁流体以及磁流体周围液体介质的容器的底面为水平面，这样能够将磁流体的重力抵消，更好地进行动力学分析，以及运动的控制。

(5)本发明磁流体驱动器中，各电磁铁以点阵的方式排列安装在底座上；磁场发生器中各电磁铁排列成点阵后，利用亚克力板进行中部固定，这样可以使得磁场发生器中点阵排列的电磁铁更加稳固。

附图说明

图1是本发明磁流体驱动器结构示意图。

图2是本发明磁流体驱动器中磁场发生器部分的结构示意图。

图2a是本发明磁流体驱动器中电磁铁的点阵结构示意图。

图3是本发明实施例1的磁流体驱动器中磁场发生器的电路原理图。

图3a是本发明实例1的磁流体驱动器中控制器IO端口和各电磁铁的映射关系图。

图4是本发明磁流体驱动器中，磁感线穿过容器示意图。

图5是本发明实施例1中磁流体的运动示意图。

图6是本发明实施例1中磁流体的运动路径示意图。

图7是本发明实施例2中磁场发生器的电路框图。

图8是本发明实施例2中磁场发生器的各开关电源的电路原理图。

图9是本发明实施例2中磁流体运动后的位置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

在本实施例公开了一种磁流体驱动器，如图1所示，包括磁场发生器3以及用于盛放磁流体1以及磁流体周围液体介质的容器2，磁场发生器3置于容器2底面上；

磁场发生器3包括控制器和点阵排列的多个电磁铁；其中，各电磁铁分别对应通过各电磁继电器连接到控制器的IO端口，由控制器控制各电磁铁的得电情况。

在本实施例中，磁场发生器中电磁铁的个数为n²个，其中n为整数，n²个电磁铁排列成n×n的点阵结构，在本实施例中，n为3，即磁场发生器中电磁铁的个数为9个，如图2所示，分别编码为3-1至3-9，9个电磁铁排列成3×3的点阵结构。当然也可以是16个电磁铁排列成4×4的点阵结构，25个电磁铁排列成5×5的点阵结构或如图2a所示36个电磁铁排列成6×6的点阵结构等等。

在本实施例中，每个电磁铁包括两个电极，其中两个电极接入到对应电磁继电器的输出回路中，电磁继电器的输入回路中接入了控制器的IO端口，通过控制器IO端口输出的电平信号，能够控制电磁继电器输出回路的工作状态。具体可以为如图3所示，电磁继电器5输入回路的线圈一端连接控制器IO端口，另一端接地或电源，电磁继电器的动触点连接电源，电磁继电器的常开静触点连接电磁铁的一个电极，电磁铁另一个电极接地。在本实施例中，当磁场发生器包括9个电磁铁时，控制器通过其中的9个IO端口分别控制9个电磁铁的得电情况，如图3a所示为控制器IO端口和各电磁铁的映射关系图，其中控制器的PA0～PA7端口对应控制电磁铁3-1～3-8的得电情况，控制器的PB0端口控制电磁铁3～9的得电情况。在本实施例中，控制器可以使用STM32F103ZE单片机等。

本实施例中，如图4所示，磁场发生器位于容器下方，其所产生的磁感线4完全穿过容器。磁场发生器中的控制器通过控制各电磁铁的得电情况，从而改变磁流体周围的磁场情况，使得磁流体顺着有磁场的地方运动。例如，当控制器PA0端口输出高电平，PA1～PA7以及PB0端口均输出低电平时，电磁铁3-1得电，此时磁流体将处于电磁铁3-1的位置处，接下来，当控制器PA1输出高电平，PA0，PA2～PA7以及PB0端口均输出低电平时，电磁铁3-2得电，产生磁场，磁流体从电磁铁3-1位置运动到电磁铁3-2位置，如图5所示。因此在实施例中，磁流体驱动器中的控制器通过每次控制一个电磁铁得电，能够精确的控制磁流体完成特定的运动。

在本实施例中，用于盛放磁流体1以及磁流体周围液体介质的容器2底面设置为水平面。这样能够将磁流体的重力抵消，更好地进行动力学分析，以及运动的控制。

在本实施例中，各电磁铁以点阵的方式排列安装在底座上；磁场发生器中各电磁铁排列成点阵后，利用亚克力板进行中部固定，其中亚克力板上对应点阵排列的各电磁铁的位置处分别设置有供对应电磁铁穿过的通孔；这样可以使得磁场发生器中点阵排列的电磁铁更加稳固。

本实施例还公开了一种由上述磁流体驱动器实现的磁流体驱动方法，步骤如下：首先获取磁流体的运动路径，确定运动路径从开始到结束依次经过的各电磁铁，然后由控制器控制运动路径从开始到结束所要经过的各电磁铁依次轮流得电；其中，同一时间，磁场发生器中只有一个电磁铁处于得电状态。

当磁流体的运动路径为如图6所示时，则确定运动路径从开始到结束依次经过的各电磁铁分别为3-1，3-2，3-3，3-6，3-9，3-8，3-7，3-4，这种情况下，控制器的PA0，PA1，PA2，PA5，PB0，PA7，PA6，PA3端口依次轮流输出高电平，因此电磁铁3-1，3-2，3-3，3-6，3-9，3-8，3-7，3-4依次轮流得电，从而使得磁流体完成如图6所示的运动路径。

实施例2

本实施例公开了一种磁流体驱动器，包括磁场发生器以及用于盛放磁流体以及磁流体周围液体介质的容器，磁场发生器置于容器底面上。

磁场发生器包括控制器、点阵排列的多个电磁铁以及各电磁铁对应所连接的各开关电源模块。如图7所示，各开关电源模块分别连接控制器各IO端口，通过控制器控制各开关电源模块对应输入到各电磁铁的电压大小。

在本实施例中，磁场发生器中电磁铁的个数为n²个，其中n为整数，n²个电磁铁排列成n×n的点阵结构，在本实施例中，n为3，即磁场发生器中电磁铁的个数为9个，如图2所示，分别编码为3-1至3-9，9个电磁铁排列成3×3的点阵结构。当然也可以是16个电磁铁排列成4×4的点阵结构，25个电磁铁排列成5×5的点阵结构等等。

如图8所示，开关电源模块包括第一电源VI、第二电源Vh、反置的图腾柱驱动电路、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5；第二电源输出的电压大于等于第一电源输出的电压。

其中，反置的图腾柱驱动电路包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，其中第一开关管Q1的第三极和第二开关管Q2的第二极相连后通过第一电阻R1连接控制器的IO端口，接收控制器的IO端口输出的一定占空比的PWM信号；第一开关管Q1和第二开关管Q2的第一极相连后通过第二电阻R2连接第一电源，且通过第三电阻R3接地；所述第一开关管的第二极连接第三开关管的第一极，所述第二开关管的第三极连接第四开关管的第一极；第三开关管的第三极连接第二电源；第三开关管的第二极连接第四开关管的第三极，第四开关管的第二级接地；第五开关管的第一极依次连接第六电阻R6和第四电阻R4后连接第三开关管的第二极，第五开关管的第一极和第二级均接地，第五开关管的第三极连接第一开关管的第一级；第六电阻R6和第四电阻R4所连接的一端作为开关电源模块的输出端连接电磁铁一个电极，为对应电磁铁提供相应大小的gate电压，电磁铁的另一个电极接地。

其中第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5为三极管或MOS管。其中当采用MOS管时，由于MOS管内部有寄生电容有时候为了加速电容放电，会在限流电阻反向并联一个二极管。

当第一开关管Q1和第二开关管Q2为三极管时，第一开关管Q1为NPN三极管，第二开关管Q2为PNP三极管，第一开关管和第二开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第一开关管和第二开关管为MOS管时，第一开关管为NMOS管，第二开关管为PMOS管，第一开关管和第二开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极；当第三开关管、第四开关管和第五开关管为三极管时，第三开关管为PNP三极管，第四三极管为NPN三极管，第五三极管为NPN三极管；第三开关管、第四开关管和第五开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第三开关管、第四开关管和第五开关管为MOS管时，第三开关管为PMOS管，第四三极管为NMOS管，第五三极管为NMOS管；第三开关管、第四开关管和第五开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极。

在本实施例中，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5为三极管。

在本实施例中，上述第一开关管Q1和第二开关管Q2组成的反置的图腾柱驱动电路用来实现隔离，同时确保第三开关管Q3和第四开关管Q4不会同时导通。第二电阻R2和第三电阻R3提供了PWM电压基准，通过改变这个基准，可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置。第三开关管Q3和第四开关管Q4用来提供驱动电流，由于导通的时候，第三开关管Q3和第四开关管Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压降，这个压降通常只有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。R5和R6是反馈电阻，用于对gate电压进行采样，采样后的电压通过第五开关管Q5对第一开关管Q1和第二开关管Q2的基极产生一个强烈的负反馈，从而把gate电压限制在一个有限的数值。这个数值可以通过第五电阻R5和第六电阻R6来调节。最后，R1提供了对第三开关管Q3和第四开关管Q4的基极电流限制，第四电阻R4提供了对MOS管的gate电流限制，也就是第三开关管Q3和第四开关管Q4的Ice的限制。必要的时候可以在第四电阻R4上面并联加速电容。在一个确定的PWM信号频率下，改变PWM信号的占空比，可以改变输出端的电压，利用STM32F103ZE单片机的9路PWM通道输出9路PWM波控制9路开关电源模块的输出，从而控制电磁铁的电压大小。

各电磁铁以点阵的方式排列安装在底座上；磁场发生器中各电磁铁排列成点阵后，利用亚克力板进行中部固定，其中亚克力板上对应点阵排列的各电磁铁的位置处分别设置有供对应电磁铁穿过的通孔；这样可以使得磁场发生器中点阵排列的电磁铁更加稳固。

在本实施例中，用于盛放磁流体1以及磁流体周围液体介质的容器2底面设置为水平面。这样能够将磁流体的重力抵消，更好地进行动力学分析，以及运动的控制。

本实施例还公开了一种磁流体驱动器实现的磁流体驱动方法，当要控制磁流体按照运动路径进行运动时，则驱动过程具体如下：

首先获取磁流体的运动路径，根据运动路径，确定磁流体在运动过程中所要经过的位置和行进的方向；

控制器输出相应占空比大小的PWM信号到对应的各开关电源模块，通过各开关电源模块输出相应大小的电压到各电磁铁，以使得各电磁铁产生相应大小的磁场强度，通过改变运动路径中所要经过位置在各时刻的磁场大小使得磁流体按照相应方向移动到相应位置。

当要控制磁流体从运动路径的当前位置运动到下一个位置时，则驱动过程具体如下：

首先获取磁流体在当前位置时磁场发生器中各电磁铁的电压大小；然后通过控制器调整输出到磁流体当前位置处各电磁铁所连接的各开关电源的PWM信号占空比，以逐渐减小磁流体当前位置的各电磁铁的电压，从而减弱磁流体当前位置的磁场去强度；同时通过控制器调整输出到磁流体下一位置处各电磁铁所连接的各开关电源的PWM信号占空比，以逐渐增大磁流体下一位置的各电磁铁的电压，从而增大磁流体下一位置的磁场强度；使得磁流体从当前位置运动到下一位置；

当要控制磁流体处于某几个电磁铁的中间位置时，通过控制器调整输出到上述各电磁铁所连接到各开关电源的PWM信号占空比相同，以使得上述各电磁铁的电压相同，从而产生相同的磁场强度使得磁流体处于这几个电磁铁的中间位置。

在本实施例中，控制器通过其串口输入的字符串驱动各IO端口对应输出到各开关电源模块的PWM信号的占空比，从而控制各开关电源模块输出相应大小的电压到各电磁铁；其中：控制器设置其串口输入的字符串与各开关电源模块输出的电压大小对应关系，其中每几个字符对应一个开关电源模块输出的电压大小；同时控制器获取到开关电源模块输入的PWM信号的占空比与输出电压大小的对应关系；当控制器串口输入字符串后，根据其与各开关电源模块输出的电压大小对应关系，获取到各开关电源模块需要输出的电压大小，即获取到各电磁铁需要得电的电压大小，然后控制器根据各开关电源模块输入的PWM信号的占空比与输出电压大小的对应关系，确定要输入到各开关电源模块输入的PWM信号的占空比。

因此，在本实施例中，当要使得某个电磁铁获取的特定大小电压以产生特定大小磁场时，根据上述控制器串口输入字符串和各开关电源模块输出电压大小的关系，确定控制器串口输入的字符串。

在本实施例中，控制器串口的传输数据的协议可以根据实际需求进行选择，例如数据帧格式设置为以“+”开头，以“#”结尾，控制板接收到的字符串，根据传输数据的协议，进行字符型与整型数据的转换，这样就能够根据电磁铁所要获取的电压大小设置控制器串口对应输入的字符。在本实施例中，每个电磁铁得到的电压值的范围为00.0～24.0V，其中最小单位为0.1V，那么当有9个电磁铁排列成3×3的点阵结构时，则每一个电磁铁需要3个字符型数据来表示，分别为十位，个位，十分位，一共需要一个27个字符构成的字符串来表示。当串口接收到上述规定的格式的字符串时，对中间的27位字符做处理，利用ASCII码进行字符与整型数的转化，译码为9个数字。例如，在本实施例中，当控制器串口接收到的字符串为+124132164072152174194213123#时，利用ASCII码进行字符与整型数的转化，将每三位字符译码为1个数字，得到12.4、13.2、16.4、7.2、15.2、17.4、19.4、21.3和12.3，此时控制器能够通过各开关电源模块控制输出到电磁铁3-1～3-9的电压分别为12.4V、13.2V、16.4V、7.2V、15.2V、17.4V、19.4V、21.3V和12.3V。

在本实施例中，针对于电磁铁n×n的点阵结构，控制器可以实现n²个电磁铁同时得电，此时利用一个n阶矩阵的每个位于不同坐标(i，j)的元素可以和n阶方阵的电磁铁中每个已经编码的电磁铁形成一种映射关系，如下的两个矩阵A、B所示，此时n为3，其中矩阵A中各元素代表对应坐标位置的电磁铁的电压大小，矩阵B中的每个元素代表点阵排列的每个电磁铁的编号。矩阵A反应每个电磁铁所获得的电压值，通过改变矩阵A中的元素从而改变电磁场的磁场强度。此时若控制矩阵A中各元素的值的大小，便可以控制整个三维空间中磁场的变化。此时若要实现空间中的磁场变化，则通过矩阵A中元素的变化，实现的磁场的叠加，从而实现相对精确地控制空间中各个点的磁场；

假设磁流体正处于电磁铁3-2的正上方位置，若此时对应的矩阵A如上所示，各元素均为0，即所有电磁铁的电压均为0V。若接下来控制改变矩阵A，即通过控制器改变各电磁铁得到的电压为如下：

即矩阵B中(3,1)所对应的矩阵A中的元素(简称为(3,1)的元素，以下类似)从0变为24，此时所有的磁流体均聚集到电磁铁3-1处，当(3,1)的元素缓慢减小的同时，(3,2)的元素缓慢增加，当(3,1)的元素和(3,2)的元素相同时，磁流体将位于电磁铁3-1与3-2之间，若(3,2)的元素大于(3,1)的元素值，则磁流体会往(3,2)的方向慢慢流动，实现的运动过程也与实施例1中的图5所示，通过控制此元素的差值，可以控制其运动的方向，如下面的矩阵A的变化过程所示：

若控制矩阵A变化为：

此时磁流体将位于如图9所示的位置处。

在本实施例中，即控制了电磁铁的得电与失电，又控制了每个电磁铁的所获得的电压大小，也就是更精确地控制了空间中各个点的磁场强度的值。本实施例在由流体力学推导出需要的磁场的强度之后可以反推出所需的电压值以及运动所需的电压值变化，然后通过本实施例磁流体驱动器即可更精确地控制各点的磁场值，从而使得本实施例能够控制磁流体实现复杂的运动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁流体驱动器，其特征在于，包括磁场发生器以及用于盛放磁流体以及磁流体周围液体介质的容器，所述磁场发生器置于容器底面上；

所述磁场发生器包括控制器、点阵排列的多个电磁铁以及各电磁铁对应所连接的各开关电源模块；

所述各开关电源模块分别连接控制器各IO端口，通过控制器控制各开关电源模块对应输入到各电磁铁的电压大小；

所述开关电源模块包括第一电源、第二电源、反置的图腾柱驱动电路、第三开关管、第四开关管和第五开关管；第二电源输出的电压大于等于第一电源输出的电压；

所述反置的图腾柱驱动电路包括第一开关管和第二开关管，其中第一开关管的第三极和第二开关管的第二极相连后通过第一电阻R1连接控制器的IO端口，接收控制器的IO端口输出的一定占空比的PWM信号；第一开关管和第二开关管的第一极相连后通过第二电阻R2连接第一电源，且通过第三电阻R3接地；所述第一开关管的第二极连接第三开关管的第一极，所述第二开关管的第三极连接第四开关管的第一极；第三开关管的第三极连接第二电源；第三开关管的第二极连接第四开关管的第三极，第四开关管的第二级接地；第五开关管的第一极依次连接第六电阻R6和第四电阻R4后连接第三开关管的第二极，第五开关管的第一极和第二级均接地，第五开关管的第三极连接第一开关管的第一级；第六电阻R6和第四电阻R4所连接的一端作为开关电源模块的输出端连接电磁铁一个电极，为对应电磁铁提供相应大小的电压，电磁铁的另一个电极接地；

其中第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管为三极管或MOS管；

当第一开关管和第二开关管为三极管时，第一开关管为NPN三极管，第二开关管为PNP三极管，第一开关管和第二开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第一开关管和第二开关管为MOS管时，第一开关管为NMOS管，第二开关管为PMOS管，第一开关管和第二开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极；

当第三开关管、第四开关管和第五开关管为三极管时，第三开关管为PNP三极管，第四三极管为NPN三极管，第五三极管为NPN三极管；第三开关管、第四开关管和第五开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为基极、发射极和集电极；当第三开关管、第四开关管和第五开关管为MOS管时，第三开关管为PMOS管，第四三极管为NMOS管，第五三极管为NMOS管；第三开关管、第四开关管和第五开关管的第一级、第二级和第三极分别对应为栅极、源极和漏极；

还包括底座，所述各电磁铁以点阵的方式排列安装在底座上；

磁场发生器中各电磁铁排列成点阵后，利用亚克力板进行中部固定，其中亚克力板上对应点阵排列的各电磁铁的位置处分别设置有供对应电磁铁穿过的通孔；

所述容器的底面为水平面。

2.一种由权利要求1所述的磁流体驱动器实现的磁流体驱动方法，其特征在于，当要控制磁流体按照运动路径进行运动时，则驱动过程具体如下：

首先获取磁流体的运动路径，根据运动路径，确定磁流体在运动过程中所要经过的位置和行进的方向；

控制器输出相应占空比大小的PWM信号到对应的各开关电源模块，通过各开关电源模块输出相应大小的电压到各电磁铁，以使得各电磁铁产生相应大小的磁场强度，通过改变运动路径中所要经过位置在各时刻的磁场大小使得磁流体按照相应方向移动到相应位置。

3.根据权利要求2所述的磁流体驱动方法，其特征在于，还包括如下步骤：

当要控制磁流体从运动路径的当前位置运动到下一个位置时，则驱动过程具体如下：

首先获取磁流体在当前位置时磁场发生器中各电磁铁的电压大小；然后通过控制器调整输出到磁流体当前位置处各电磁铁所连接的各开关电源的PWM信号占空比，以逐渐减小磁流体当前位置的各电磁铁的电压，从而减弱磁流体当前位置的磁场强度；同时通过控制器调整输出到磁流体下一位置处各电磁铁所连接的各开关电源的PWM信号占空比，以逐渐增大磁流体下一位置的各电磁铁的电压，从而增大磁流体下一位置的磁场强度；使得磁流体从当前位置运动到下一位置；

当要控制磁流体处于某几个电磁铁的中间位置时，通过控制器调整输出到上述各电磁铁所连接到各开关电源的PWM信号占空比相同，以使得上述各电磁铁的电压相同，从而产生相同的磁场强度使得磁流体处于这几个电磁铁的中间位置。

4.根据权利要求2或3所述的磁流体驱动方法，其特征在于，还包括如下步骤：

控制器通过其串口输入的字符串驱动各IO端口对应输出到各开关电源模块的PWM信号的占空比，从而控制各开关电源模块输出相应大小的电压到各电磁铁；其中：

控制器设置其串口输入的字符串与各开关电源模块输出的电压大小对应关系，其中每几个字符对应一个开关电源模块输出的电压大小；同时控制器获取到开关电源模块输入的PWM信号的占空比与输出电压大小的对应关系；

当控制器串口输入字符串后，根据其与各开关电源模块输出的电压大小对应关系，获取到各开关电源模块需要输出的电压大小，即获取到各电磁铁需要得电的电压大小，然后控制器根据各开关电源模块输入的PWM信号的占空比与输出电压大小的对应关系，确定要输入到各开关电源模块输入的PWM信号的占空比。