CN110677075A - 一种二自由度磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种二自由度磁悬浮装置涉及一种磁悬浮装置，是为了克服现有的下推式磁悬浮装置浮子难放置、稳定性不好且无法移动的问题，本装置包括浮子和磁性底座，浮子位于磁性底座上方的悬浮平面上；4个带磁芯励磁线圈和永磁体阵列均固定在底盘的上表面，永磁体阵列围绕4个带磁芯励磁线圈外侧分布；且4个带磁芯励磁线圈和永磁体阵列均以底盘上表面圆心为中心对称；浮子位置监测单元设于4个带磁芯励磁线圈的中心处；浮子平移控制单元，用于得到期望位置值；PD控制器，用于将期望位置值与当前位置值对比，生成位置偏差信号；将位置偏差信号输入至带磁芯励磁线圈改变带磁芯励磁线圈作用在浮子上的电磁合力。

Description

一种二自由度磁悬浮装置

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮装置，具体涉及一种可以在悬浮平面进行二自由度移动的悬浮装置。

背景技术

现有的下推式磁悬浮装置基本原理为浮子位于上方中心处，下方安装有励磁线圈和环形磁铁，环形磁铁产生斥力与浮子的重力平衡，励磁线圈产生的电磁合力可以控制悬浮子的稳定，以此可以使浮子稳定的悬浮在环形磁铁的中心位置，且具有一定的高度。

但是上述的下推式磁悬浮装置，虽然可以实现悬浮效果，但在放置浮子时，完全依靠个人感觉去放置，这样导致大部分人都很难放置成功。即使有一些磁悬浮装置在底板的四个方向安装有四个LED，当浮子位置放置不准确时会出现相对应方向的LED熄灭或发光现象，但这无法从根本上解决浮子难放置的问题。

并且上述的下推式磁悬浮装置的浮子只能置于平衡点，无法做二维平面运动，甚至在较大扰动的情况下就会掉落，导致悬浮失败，浮子与底部发生撞击，损坏装置。这样不仅视觉效果受到局限，缺乏与人的互动，同时也大大降低了下推式磁悬浮装置的稳定性和安全性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的下推式磁悬浮装置浮子难放置、稳定性不好且无法移动的问题，提供了一种二自由度磁悬浮装置。

本发明的一种二自由度磁悬浮装置，包括浮子，浮子为圆片状永磁体，磁悬浮装置还包括磁性底座，浮子位于磁性底座上方的悬浮平面上，浮子与磁性底座磁力互斥，使得浮子自身重力与所受斥力平衡；

磁性底座包括底盘、4个带磁芯励磁线圈、永磁体阵列、浮子位置监测单元、浮子平移控制单元和PD控制器；

4个带磁芯励磁线圈和永磁体阵列均固定在底盘的上表面，永磁体阵列围绕4个带磁芯励磁线圈外侧分布；且4个带磁芯励磁线圈和永磁体阵列均以底盘上表面圆心为中心对称；

浮子位置监测单元设于4个带磁芯励磁线圈的中心处，用于实时检测浮子在悬浮平面上的当前位置，并得到当前位置值；

浮子平移控制单元，用于得到期望位置值；

PD控制器，用于将期望位置值与当前位置值对比，生成位置偏差信号；

将位置偏差信号输入至带磁芯励磁线圈，用于改变带磁芯励磁线圈内电流大小和方向，进而改变带磁芯励磁线圈作用在浮子上的电磁合力；

电磁合力向是位于悬浮平面的电磁力，使得浮子能够在悬浮平面上做二自由度运动。

本发明的有益效果是：

1、本发明的磁悬浮装置在于采用了基于实践经验得出的更加合理的磁悬浮永磁阵列的布置方式，搭配PD控制器可以实现十分稳定的磁悬浮系统，同时兼具一定的鲁棒性；且悬浮中心点范围大，令浮子的放置更加容易；

2、本发明的磁悬浮装置设有浮子平移控制单元，作用是使得上方圆形永磁体浮子打破了传统磁悬浮装置只能在中心点悬浮的局限，可以在一定范围内实现二自由度平面运动。

附图说明

图1为本发明的一种二自由度磁悬浮装置的结构示意图；

图2为本发明的一种二自由度磁悬浮装置的部分结构示意图；不包括浮子和第三霍尔传感器；

图3为本发明的一种二自由度磁悬浮装置的电路结构图；

图4为本发明的一种二自由度磁悬浮装置的工作原理模块图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种磁悬浮装置还包括磁性底座，浮子1位于磁性底座上方的悬浮平面上，浮子1与磁性底座磁力互斥，使得浮子1自身重力与所受斥力平衡；

磁性底座包括底盘2、4个带磁芯励磁线圈3、永磁体阵列、浮子位置监测单元4、浮子平移控制单元5和PD控制器6；

4个带磁芯励磁线圈3和永磁体阵列均固定在底盘2的上表面，永磁体阵列围绕4个带磁芯励磁线圈3外侧分布；且4个带磁芯励磁线圈3和永磁体阵列均以底盘2上表面圆心为中心对称；

浮子位置监测单元4设于4个带磁芯励磁线圈3的中心处，用于实时检测浮子1在悬浮平面上的当前位置，并得到当前位置值；

浮子平移控制单元5，用于得到期望位置值；

PD控制器6，用于将期望位置值与当前位置值对比，生成位置偏差信号；

将位置偏差信号输入至带磁芯励磁线圈3，用于改变带磁芯励磁线圈3内电流大小和方向，进而改变带磁芯励磁线圈3作用在浮子1上的电磁合力；

电磁合力向是位于悬浮平面的电磁力，使得浮子1能够在悬浮平面上做二自由度运动。

具体地，本实施例中的二自由度磁悬浮装置外接12V直流电源供电，并配置有温度开关，能够在装置温度过高时自动断电，目的在于提高装置的安全性。

如图1所示，浮子1为圆形永磁体，位于磁性底座上方。磁性底座中的底盘2上表面的外圈设置有永磁阵列，内圈对应设置4个4个带磁芯励磁线圈3。底盘2上表面正中心精确放置浮子位置监测单元4，底盘2的下方设有电路板，电路板包括浮子平移控制单元5和PD控制器6。

如图4所示，浮子位置监测单元4用于检测浮子1在悬浮平面上的X轴，Y轴方向上的相对位置。

浮子平移控制单元5的作用中包括输入可调控的位置参考输入信号，进而得到期望位置值。浮子平移控制单元5，打破了现有的磁悬浮装置中的浮子1只能在中心点悬浮的局限，可以在一定范围内实现二自由度平面运动。

本实施例中的二自由度磁悬浮装置具体工作原理为：下方的永磁阵列对上方的浮子1有着向上的作用力，使得浮子1与重力相平衡，并且平衡点在高于底盘2的5cm处。在带磁芯励磁线圈3未通电时，浮子1理论上只有在悬浮平面的中心点且未有扰动才可实现悬浮，但是这一条件在实际生活中是不可能满足的。

一次引入了4个带磁芯励磁线圈3，每对带磁芯励磁线圈3(每对带磁芯励磁线圈3为过圆心底盘2位于一条直线上的两个带磁芯励磁线圈3)可以提供位于悬浮平面且方向指向X轴或者Y轴的电磁作用力。电磁作用力通过给磁芯励磁线圈3施加电流来实现，通电电流的大小和方向依据浮子1的位置和中心点的偏差来确定。浮子1的具体位置由浮子位置监测单元4来获得。

通过PD控制器6将偏差信号进行信号处理和功率放大后便可以施加于带磁芯励磁线圈3，带磁芯励磁线圈3对浮子1的作用力将使其向中心点移动，并最终稳定悬浮。而通过浮子平移控制单元5控制带磁芯励磁线圈3改变电流的方向和大小，改变作用在浮子1上的位于悬浮平面的电磁作用力(电磁合力)，进而令浮子1发生移动。具体原理详见下方的实施例。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，永磁体阵列包括12个永磁体柱7；

8个永磁体柱7两两一组，固定于每个带磁芯励磁线圈3的外圈侧且与该带磁芯励磁线圈3相切，且8个永磁体柱7以底盘2上表面圆心为中心对称；

另外的4个永磁体柱7分别位于相邻的两个带磁芯励磁线圈3和相邻的两个永磁体柱7所围成的空隙内，且4个永磁体柱7以底盘2上表面的圆心为中心对称。

具体地，如图1和图2所示，12组永磁体柱7中的8组分别与4个带磁芯励磁线圈3相切，另外4组永磁体柱7放置在相邻带磁芯励磁线圈3间隙处。

当浮子1偏离悬浮平面的中点时，便会受到向四周拖拽的力场而其失去平衡。这种力场的性质对装置的稳定性能举足轻重。上述提供的永磁阵列的结构可使这用力场的作用减小，而且随着空间的变化更加缓和，使得系统的稳定性和鲁棒性同时得到显著的提升。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，浮子位置监测单元4包括传感器支架4-1、第一霍尔传感器4-2和第二霍尔传感器4-3，且浮子位置监测单元4的高度低于带磁芯励磁线圈3的高度；

传感器支架4-1包括两个侧板，且两个侧板垂直固定，传感器支架4-1固定于4个带磁芯励磁线圈3的中心处；

第一霍尔传感器4-2固定于一个侧板的侧壁，用于实时检测浮子1在悬浮平面上X方向的相对位置；

第二霍尔传感器4-3固定于令一个侧板的侧壁，用于实时检测浮子1在悬浮平面上Y方向的相对位置。

具体地，如图1所示还包括第三霍尔传感器4-4，用于作为电路的开关，3个霍尔传感器放置在4个带磁芯励磁线圈3的中心处的传感器支架4-1上，传感器支架4-1横截面呈十字或其他只要满足横截面有相互垂直结构的形状，且不高于线圈高度，传感器支架4-1顶部的第三霍尔传感器4-4起到电路总开关的作用。

如图1和图2所示，传感器支架4-1侧面(侧板)的第一霍尔传感器4-2和第二霍尔传感器4-3分别检测浮子1在X轴、Y轴方向上的相对位置。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，浮子平移控制单元5包括方向按键5-1、微处理器5-2和数字电位器5-3；

方向按键5-1，用于输出浮子1的运动方向信号；

微处理器5-2，用于将运动方向信号转换为浮子1的期望位置值、以及期望位置值对应的电位器控制信号；

数字电位器5-3，用于根据电位器控制信号改变电阻值，进而输出期望位置值对应的电压，数字电位器5-3的中值电压对应为悬浮平面的几何中心。

具体地，如图3和图4所示，方向按键5-1，微处理器5-2及其外围电路，数字电位器5-3及其接口电路和PD控制器6组成本实施例的二自由度磁悬浮装置的电路部分。

本实施例的二自由度磁悬浮装置可以实现浮子1在悬浮平面的二自由度运动，并且运动可以通过方向按键5-1来控制，用户可以按下方向按键5-1上代表不同方位的按键，使浮子1向相应的方向移动单位距离(单位距离由装置中预先设定)，最终稳定悬浮于期望位置，实现浮子1的二自由度平面运动。

方向按键5-1由9个轻触开关构成，轻触开关的摆放呈3×3的矩形阵列，代表八个不同的移动方位(中间的轻触开关可以作为电源开关或其他相关开关)，用于实现系统期望位置信号的输入。

期望位置对应的电压信号由微处理器5-2和数字电位器5-3共同产生。

两个分别代表X轴、Y轴方向的第一霍尔传感器4-2和第二霍尔传感器4-3和数字电位器5-3的输出电压构成位置偏差信号，经过信号处理后驱动带磁芯励磁线圈3工作来实现浮子1的二自由度平面运动。

具体控制浮子1移动的原理为：首先，浮子1的期望位置的信号(Xr,Yr)由方向按键5-1、微处理器5-2和数字电位器5-3产生。如图3所示，使用人员控制方向按键5-1，该方向按键5-1与微处理器5-2的数字输入端口相连。一对数字电位器5-3(分别对应X轴、Y轴)作为微处理器5-2的输出和其数字输出端口相连。当使用人员按下方向按键5-1的任意按键，微处理器5-2检测数字输入的电平的高低来辨别将要实现的平面二自由度运动的方向，在浮子1的当前位置叠加上单位位移，便能计算下一时刻期望位置的横纵坐标的参考值，进而计算数字电位器5-3的电阻值，通过数字传输协议，微处理器5-2和数字电位器5-3控制管脚相连的数字输出端口输出相应的电平信号，改变数字电位器5-3的电阻值，从而能使数字电位器5-3的抽头输出期望位置值对应的电压信号(Xr,Yr)。

每个开关一端接微处理器5-2高电平电压输出，另一端接于PIN1-9的数字输入管脚上。每一个轻触开关代表向其示意方向的单位移动，按下按键便会更新微处理器5-2上的存放参考位置的变量。数字电位器5-3的阻值由此变量来唯一确定。数字电位器5-3阻值的更新由SPI或I2C协议来实现。其中期望位置值(0,0)代表着悬浮平面的几何中心，对应数字电位器5-3的中值电压，此中值电压的数值上与浮子1处于中心时第一霍尔传感器4-2和第二霍尔传感器4-3的输出电压相当，此时误差信号为0，带磁芯励磁线圈3无作用力产生，浮子1仍然保持在其中心位置。这样便建立起了受方向按键5-1控制的微处理器5-2的参考电压变量与系统的位置参考信号(Xr,Yr)的一一对应关系。

再通过PD控制器6的闭环控制回路，浮子1的最终位置将稳定地移动至期望位置，从而实现浮子1的二自由度平面移动。

一对数字电位器5-3的抽头电压对应着浮子1期望位置(Xr,Yr)的参考值，第一霍尔传感器4-2和第二霍尔传感器4-3将周围变化的磁通信号转化为电压信号，这便实现了对浮子1位置的跟踪，通过霍尔效应反馈浮子1的当前位置值(X,Y)，将二者通过PD控制器6中的差分电路做差，则得到位置偏差信号(EX,EY),将位置偏差信号通过PD控制器6，再将得到的信号进行功率放大，最终加载到带磁芯励磁线圈3上。带磁芯励磁线圈3产生的磁场则使浮子向减小位置偏差信号的方向移动，最终稳定在偏差为0的位置，即期望位置(Xr,Yr)。

误差信号E(s)由PD控制器6中的差分运算电路实现。然后误差信号送入PD控制器6，将其输出在经过功率放大便可直接加载于带磁芯励磁线圈3两端，从而实现PD控制。根据现有的PD控制算法的原理，在浮子1未达到期望位置(Xr,Yr)之前，带磁芯励磁线圈3产生的合力将使得浮子1向期望位置(Xr,Yr)运动。直到浮子1位移至期望位置(Xr,Yr)，这时PD控制器6的功率输出为0，磁芯励磁线圈3对浮子1无作用力，实现浮子1在期望位置(Xr,Yr)的稳定悬浮。

如图3和图4所示，PD控制器6由常规运算放大器和功率运算放大器组成。前级的信号处理(比例和微分)由常规运算放大器实现，其中微分部分采用改良型的微分运算电路来抑制噪声的影响，后级由功率运算放大器实现比例和微分信号的相加，同时减小输出阻抗从而驱动励磁线圈工作。

PD控制器6由前后两级信号处理单元级联而成。前级由同向比例放大电路和改良的纯微分电路并联而成，这一级由常规运算放大器实现。后级的两组功率运算放大器分别实现同向比例放大和反相比例放大。前级PD输入信号经过这一级差模放大，不仅扩大电压的上下限，而且起到了功率放大的作用。

最佳实施例，本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，永磁体柱包括多片永磁铁，多片永磁铁同极朝向一致，且多片永磁铁沿高度方向叠加并固定。

具体地，永磁体柱由圆形钕铁硼磁铁堆叠而成，每个永磁体柱由不锈钢螺栓固定安装在磁性底座内圆形电路板上。

Claims (5)

1.一种二自由度磁悬浮装置，包括浮子(1)，所述浮子(1)为圆片状永磁体，其特征在于，

磁悬浮装置还包括磁性底座，所述浮子(1)位于所述磁性底座上方的悬浮平面上，所述浮子(1)与所述磁性底座磁力互斥，使得所述浮子(1)自身重力与所受斥力平衡；

所述磁性底座包括底盘(2)、4个带磁芯励磁线圈(3)、永磁体阵列、浮子位置监测单元(4)、浮子平移控制单元(5)和PD控制器(6)；

所述4个带磁芯励磁线圈(3)和永磁体阵列均固定在所述底盘(2)的上表面，所述永磁体阵列围绕所述4个带磁芯励磁线圈(3)外侧分布；且所述4个带磁芯励磁线圈(3)和所述永磁体阵列均以底盘(2)上表面圆心为中心对称；

所述浮子位置监测单元(4)设于4个带磁芯励磁线圈(3)的中心处，用于实时检测浮子(1)在悬浮平面上的当前位置，并得到当前位置值；

所述浮子平移控制单元(5)，用于得到期望位置值；

所述PD控制器(6)，用于将所述期望位置值与所述当前位置值对比，生成位置偏差信号；

将所述位置偏差信号输入至所述带磁芯励磁线圈(3)，用于改变所述带磁芯励磁线圈(3)内电流大小和方向，进而改变所述带磁芯励磁线圈(3)作用在浮子(1)上的电磁合力；

所述电磁合力向是位于悬浮平面的电磁力，使得所述浮子(1)能够在悬浮平面上做二自由度运动。

2.根据权利要求1所述的一种二自由度磁悬浮装置，其特征在于，永磁体阵列包括12个永磁体柱(7)；

12个永磁体柱(7)中的8个永磁体柱(7)两两一组，每一组对应一个带磁芯励磁线圈(3)，一组的两个永磁体柱(7)固定于对应带磁芯励磁线圈(3)的外圈侧且与该带磁芯励磁线圈(3)相切，且所述8个永磁体柱(7)以底盘(2)上表面圆心为中心对称；

相邻的两个带磁芯励磁线圈(3)和相邻的两个永磁体柱(7)包围形成4个空隙，另外的4个永磁体柱(7)分别位于所述4个空隙内，且所述4个永磁体柱(7)以底盘(2)上表面的圆心为中心对称。

3.根据权利要求1或2所述的一种二自由度磁悬浮装置，其特征在于，浮子位置监测单元(4)包括传感器支架(4-1)、第一霍尔传感器(4-2)和第二霍尔传感器(4-3)，且浮子位置监测单元(4)的高度低于带磁芯励磁线圈(3)的高度；

所述传感器支架(4-1)包括两个侧板，且所述两个侧板垂直固定，所述传感器支架(4-1)固定于4个带磁芯励磁线圈(3)的中心处；

所述第一霍尔传感器(4-2)固定于一个侧板的侧壁，用于实时检测浮子(1)在悬浮平面上X方向的相对位置；

所述第二霍尔传感器(4-3)固定于另一个侧板的侧壁，用于实时检测浮子(1)在悬浮平面上Y方向的相对位置。

4.根据权利要求3所述的一种二自由度磁悬浮装置，其特征在于，浮子平移控制单元(5)包括方向按键(5-1)、微处理器(5-2)和数字电位器(5-3)；

所述方向按键(5-1)，用于输入浮子(1)的运动方向信号；

所述微处理器(5-2)，用于将所述运动方向信号转换为浮子(1)的期望位置值、以及所述期望位置值对应的电位器控制信号；

所述数字电位器(5-3)，用于根据所述电位器控制信号改变电阻值，进而输出期望位置值对应的电压，所述数字电位器(5-3)的中值电压对应为悬浮平面的几何中心。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种二自由度磁悬浮装置，其特征在于，永磁体柱包括多片永磁铁，所述多片永磁铁同极朝向一致，且所述多片永磁铁沿高度方向叠加并固定。

Images