CN110307789A - 一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置 - Google Patents

一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置 Download PDF

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Abstract

一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置，涉及机电一体化设备领域。本发明是为了解决目前磁悬浮浮子非接触式角位移测量方法均存在分辨率低、检测系统结构复杂的问题。本发明所述的一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置，浮子悬浮在磁悬浮底座的正上方，驱动模块为圆柱体结构、且同轴固定在浮子的上表面，驱动模块用于驱动浮子旋转，环状斜坡套固在磁悬浮底座的外圆周上，环状斜坡的上表面呈螺旋向下状，激光位移传感器固定在浮子的圆周上，激光位移传感器用于采集其距离环状斜坡上表面的距离、并将该距离发送至控制器中，控制器内部嵌有激光位移传感器所采集距离与浮子周向角位移的换算函数，控制器还用于控制驱动模块的驱动角度。

Description

一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置
技术领域
本发明属于机电一体化设备领域中的磁悬浮装置。
背景技术
现有的驱动磁悬浮球的旋转运动主要采用在球内部安装一些相关辅助装备(以永磁体或导磁材料为主)，采用开关磁阻电机的原理来实现球的旋转，但这种内部放置导磁材料的结构对球的摆放位置具有严格的规定。并且，磁悬浮球内部磁场会对外界磁悬浮设备产生一定影响。
现有的磁悬浮浮子角位移测量相关研究主要可以分为两类：接触式与非接触式。由于采用接触式的检测方法会对浮子产生摩擦阻力，对转子的动态响应和定位精度产生较大的影响，所以需要用非接触式角位移检测方法。目前现有较为可行的非接触式检测方法主要有两种，一是采用光学类传感器识别浮子上特定图形或表面微观特征，通过计算机对图形的分析来获取转子的位姿信息。二是采用在球形转子内部设置惯性导航平台的方式来获取转子的位姿信息。现今在这两种方法的研究或多或少都存在分辨率不高、检测系统设计结构复杂、制造难度大及成本较高的问题。
发明内容
本发明是为了解决目前磁悬浮浮子非接触式角位移测量方法均存在分辨率低、检测系统结构复杂的问题，现提供一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置。
一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置，包括：磁悬浮底座1、环状斜坡2、浮子3、激光位移传感器4、驱动模块5和控制器；
磁悬浮底座1和浮子3截面均为圆形，浮子3悬浮在磁悬浮底座1的正上方，
驱动模块5为圆柱体结构、且同轴固定在浮子3的上表面，驱动模块5用于驱动浮子3以其中轴为转轴旋转，
环状斜坡2套固在磁悬浮底座1的外圆周上，环状斜坡2的上表面呈螺旋向下状，
激光位移传感器4固定在浮子3的圆周上，激光位移传感器4出射的激光能够射至环状斜坡2的上表面、且所述激光与浮子3的中轴平行，激光位移传感器4用于采集其距离环状斜坡2上表面的距离、并将该距离发送至控制器中，
控制器内部嵌有激光位移传感器4所采集距离与浮子周向角位移的换算函数，控制器还用于控制驱动模块5的驱动角度。
环状斜坡2的上表面为螺旋向下的阶梯。
环状斜坡2的上表面为螺旋且平缓向下的坡面。
驱动模块5包括壳体51、电机52和均质塑料圆片53，壳体51为圆柱形空腔，控制器、电机52和均质塑料圆片53均位于壳体51内部，电机52固定在壳体51内，电机52的输出轴与均质塑料圆片53固定连接，壳体51、电机52的输出轴和均质塑料圆片53同轴，控制器用于控制电机52输出轴的旋转角度。
本发明为传统的下推式磁悬浮装置提供了浮子可绕轴向转动这一运动自由度，解决了现有技术中驱动浮子旋转时内部导磁材料的摆放有严格规定、非接触式角位移测量分辨率低同时检测系统设计结构复杂的问题。本发明构造简单，基于激光位移传感器的测角模块精度高、进而提高分辨率，旋转驱动模块不会受外界的磁场产生干扰且易于实现，大大提升了系统工作时的稳定性。
附图说明
图1为一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置的整体结构示意图；
图2为驱动模块的剖视图；
图3为一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置的电气原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置，其特征在于，包括：磁悬浮底座1、环状斜坡2、浮子3、激光位移传感器4、驱动模块5和控制器，驱动模块5包括壳体51、电机52和均质塑料圆片53；
磁悬浮底座1和浮子3截面均为圆形，浮子3悬浮在磁悬浮底座1的正上方，驱动模块5为圆柱体结构、且同轴固定在浮子3的上表面，驱动模块5用于驱动浮子3以其中轴为转轴旋转，环状斜坡2套固在磁悬浮底座1的外圆周上，环状斜坡2的上表面为螺旋向下的阶梯状，激光位移传感器4固定在浮子3的圆周上，激光位移传感器4出射的激光能够射至环状斜坡2的上表面、且所述激光与浮子3的中轴平行，激光位移传感器4用于采集其距离环状斜坡2上表面的距离、并将该距离发送至控制器中，控制器内部嵌有激光位移传感器4所采集距离与浮子周向角位移的换算函数，控制器还用于控制驱动模块5的驱动角度。
进一步的，壳体51为圆柱形空腔，控制器、电机52和均质塑料圆片53均位于壳体51内部，电机52固定在壳体51内，电机52的输出轴与均质塑料圆片53固定连接，壳体51、电机52的输出轴和均质塑料圆片53同轴，控制器用于控制电机52输出轴的旋转角度。
本实施方式中，在磁悬浮装置的基础上，另由环状斜坡2和激光位移传感器4组成测角单元，由驱动模块5和控制器组成驱动单元。
其中测角单元的原理如下：激光位移传感器4会随着浮子3旋转，由于环状斜坡2的上表面为螺旋向下的阶梯状，那么浮子在旋转过程中，激光位移传感器4测得的距离值必然就会有改变。在上述结构下，激光位移传感器4采集到的距离信号与浮子的角位移一一对应，通过函数逆变换便解算出浮子的角位移，这样便实现了浮子轴向角位移的测量。
直流电机驱动模块的工作原理如下：当电机52需要驱动浮子3正转时，便通以反向电流，均质塑料圆片53受到反向的力矩因而反转，由角动量守恒定律可知，电机52的壳体51与其固连的浮子3部分将正转。当电机52需要驱动浮子3反转时，便通以正向电流，均质塑料圆片53受到正向的力矩因而正转，由角动量守恒定律可知，电机52的壳体51与其固连的浮子3部分将反转。
本实施方式中，一种实现方式是驱动浮子的旋转角度，输入量为用户所期望的角度，通过激光位移传感器4采集其激光发射端到环状斜坡2上表面的距离，输入到控制器内部并通过所采集距离与浮子周向角位移的换算函数，换算出当前角度，两者做差得到偏差信号，对偏差信号进行PID的串联补偿后，得到的信号再进行功率放大后输送到直流驱动模块，电机运转后使得浮子3向期望角度转动，最终使得浮子3获得所希望的周向角度。
本实施方式中，另一种实现方式是测量浮子的旋转角度，由于环状斜坡2上表面为螺旋向下的形状，因此当浮子3旋转时，激光位移传感器4随之旋转也会带动其所测距离得到改变，根据采集获得的距离输入到控制器内部，通过所采集距离与浮子周向角位移的换算函数，换算出当前角度，从而测得浮子的旋转角度。
上述实施方式中，由PD数字控制器负责对测角模块采集的数据进行解算，转化成将加载到电机上的PWM脉宽信号的占空比以控制直流电机的旋转从而使浮子获得期望的周向角位移。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置得区别在于，本实施方式中，环状斜坡2的上表面为螺旋且平缓向下的坡面，相较于具体实施方式一，为坡面，而不是阶梯，因此每旋转一个微小的角度，激光传感器采集的距离都会有所改变，因此测量和控制都会更加精确。
具体实施例：首先，用户期望角位移数学上表现为角位移随时间变化的连续函数，将函数进行离散化后，形成一个二维向量的序列记录时间以及与其对应的角位移信息，并将之预先存储于MCU控制器中。
开始工作后，MCU通过测角模块反馈的电压值来解算浮子当前角位移，激光位移传感器4将其余被测物的距离数值转化为电压值，并传送为MCU。此处，被测物为环状斜坡2，测量的结果为激光位移传感器4到环状斜坡2上某一点的距离。由于环状斜坡2的高度与浮子3的转角相关，并且为数学上的线形关系，因此可以由两者的距离解算出浮子3的角位移，而两者的具体又可以通过传送到MCU的激光位移传感器4的电压信号来算出。
获得了当前的浮子3角位移后，将其与第一个二维向量中期望角位移分量做差，得到两者的偏差信号，将此偏差信号进行比例放大后，作为控制PWM信号占空比的参量传递给PWM功率放大器。PWM功率放大器将驱动电机进行相应的转动，直流电机的输入电压正比于PWM信号的占空比，同时正比于偏差信号。
电机在上述输入电压的作用下，驱动负载，即均质塑料圆片进行相应方向和大小的旋转运动。由于角动量守恒原理，均质塑料圆片的转动会近似地施加给浮子3一个与其本身运动反向的角加速度，此角加速度的方向与偏差一致，结果使得浮子3使偏差减小的方向运动，直至偏差为0，此时误差也为0，即浮子3的角位移即用户期望的角位移。
浮子3将保持在上一时刻的期望角位移位置直到时间到达下一二维向量的时间分量所标注的时间。浮子3将如上所述，再次在MCU的控制下达到本二维向量的角位移分量所标注的期望角位移。

Claims (4)

1.一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置，其特征在于，包括：磁悬浮底座(1)、环状斜坡(2)、浮子(3)、激光位移传感器(4)、驱动模块(5)和控制器；
磁悬浮底座(1)和浮子(3)截面均为圆形，浮子(3)悬浮在磁悬浮底座(1)的正上方，
驱动模块(5)为圆柱体结构、且同轴固定在浮子(3)的上表面，驱动模块(5)用于驱动浮子(3)以其中轴为转轴旋转，
环状斜坡(2)套固在磁悬浮底座(1)的外圆周上，环状斜坡(2)的上表面呈螺旋向下状，
激光位移传感器(4)固定在浮子(3)的圆周上，激光位移传感器(4)出射的激光能够射至环状斜坡(2)的上表面、且所述激光与浮子(3)的中轴平行，激光位移传感器(4)用于采集其距离环状斜坡(2)上表面的距离、并将该距离发送至控制器中，
控制器内部嵌有激光位移传感器(4)所采集距离与浮子周向角位移的换算函数，控制器还用于控制驱动模块(5)的驱动角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置，其特征在于，环状斜坡(2)的上表面为螺旋向下的阶梯。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置，其特征在于，环状斜坡(2)的上表面为螺旋且平缓向下的坡面。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于磁悬浮的浮子周向角位移可控装置，其特征在于，驱动模块(5)包括壳体(51)、电机(52)和均质塑料圆片(53)，
壳体(51)为圆柱形空腔，控制器、电机(52)和均质塑料圆片(53)均位于壳体(51)内部，电机(52)固定在壳体(51)内，电机(52)的输出轴与均质塑料圆片(53)固定连接，壳体(51)、电机(52)的输出轴和均质塑料圆片(53)同轴，控制器用于控制电机(52)输出轴的旋转角度。
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