CN111030509B

CN111030509B - 一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的装置和方法

Info

Publication number: CN111030509B
Application number: CN201911177728.0A
Authority: CN
Inventors: 谭杰; 汤宝平; 韩延
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: CN111030509A

Abstract

本发明公开了一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动方法与装置，涉及磁悬浮技术领域，该方法在外磁场驱动基础上，通过位置传感器检测浮子二维平面位置信号确定浮子位置；电流传感器反馈电磁驱动器励磁绕组电流信息，结合PID控制算法自动调节电磁驱动器电流大小，改变外磁场强度，实现浮子稳定悬浮；微控单元结合PID控制算法根据设定的目标位置自动调节励磁绕组中的电流值，通过插补运算使浮子达到新平衡位置，实现二维平面可控区域内任意位置的悬浮运动。本发明同时公开了一套装置，支撑脚、底座、中间板、浮子、电磁驱动器、位置传感器、安装板、连接板、电流传感器、功率放大器、微控单元，用于实现悬浮对象的二维平面运动控制。

Description

一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的装置和方法

技术领域

本发明涉及悬浮对象的二维平面运动控制技术领域，具体为一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的装置和方法。

背景技术

磁场驱动技术是一门综合机械工程、控制工程、电气工程等众多学科为一体的高新技术。具体而言，磁场驱动技术是指物体利用磁场产生的电磁力抵消重力作用无支撑地悬浮于空中并驱动其运动。在磁悬浮系统中，物体克服重力无支撑地悬浮在空中，电磁装置和被悬浮物体之间没有机械接触，所以磁悬浮系统中不存在摩擦力和机械磨损。因此磁悬浮技术具有高精度、低能耗、无噪声、无污染、不受速度限制、寿命长、安全可靠等优点。随着电子技术与控制技术的发展，磁悬浮技术在工业技术等各个领域等得到了广泛的应用，基于磁场驱动技术的永磁微型机械以其优良的驱动方式和运动方式成为了目前研究的热点。

目前，基于磁场驱动技术的永磁微型机械驱动有多种方式，多采用外部均匀旋转磁场、亥姆霍兹线圈交变磁场、梯度场与多种电磁场相结合的方式。而微型机械运动方式主要依靠这些外部场驱动产生的摆动泳动和旋转泳动的方式来驱动装置运动，只能应用于有粘度的液体中，无法满足气体介质或混合介质场景的检测与输送清淤工作，适用的应用场景较少，范围较窄。因此，需要更加安全的装置驱动方法和驱动装置来满足各领域的实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的装置和方法，实现一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的装置，包括支撑组件、水平固定在支撑组件上的两个X轴电磁驱动器、竖直固定在支撑组件上的两个Z轴电磁驱动器、以及浮子，两个所述X轴电磁驱动器与两个所述Z轴电磁驱动器呈环形分布，在四个电磁驱动器所围成的中间位置形成浮子的悬浮区域；

在每个电磁驱动器的内端端面上均固定有一个用于检测浮子的位置信号的位置传感器，每个所述位置传感器的输出端均与微控单元的输入端电连接；

每个所述电磁驱动器的输出端均串联一个用于检测流过该电磁驱动器励磁绕组电流值的电流传感器，每个所述电流传感器的输出端均与微控单元的输入端电连接；

在每个电磁驱动器的输入端均串联一个用于提供该电磁驱动器励磁绕组可控电流的功率放大器，每个所述功率放大器的输入端均与微控单元的输出端电连接，每个电磁驱动器输入端的功率放大器的正极与该电磁驱动器输出端的电流传感器的负极电连接。

优选的，所述支撑组件包括底座、设置于底座下方的支撑脚、固定在底座上表面的中间板、以及用于固定四个电磁驱动器的组装框架，所述组装框架固定在中间板的上表面。

优选的，所述组装框架包括四个安装板和四个连接板，四个安装板呈环形分布且最下端的安装板与中间板平行，四个连接板分别将相邻的安装板进行连接固定，Z轴方向垂直于支撑脚接触面，X轴方向平行于支撑脚接触面，四个电磁驱动器相对于安装板和连接板的组装结构对称安装，并且相对的两个电磁驱动器的轴线重合，垂直于各自安装板的支撑面。

优选的，所述四个安装板和四个连接板之间为通过螺栓固定的可拆卸式固定连接。

优选的，所述位置传感器选用线性霍尔传感器。

优选的，所述浮子由钕铁硼磁性材料制成。

一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的方法，包括以下步骤：

A：微控单元、位置传感器与电流传感器上电，电磁驱动器连接电源，将浮子放入四个电磁驱动器中间停留片刻作为浮子悬浮的初始位置；

B：四个电磁驱动器上的位置传感器检测浮子到四个电磁驱动器端面的位置信号，并将采集到的位置信号传输给微控单元，通过功率放大器自动对四个电磁驱动器上励磁绕组的电流大小和方向进行调节，改变浮子周围的磁场强度，浮子因受到电磁吸引力抵消自身重力处于力失衡状态，从而使浮子悬浮在此初始位置；

C：未施加反馈控制的磁悬浮系统为开环系统，系统提供给浮子的机械位移刚度为负值，系统不稳定，当浮子的悬浮位置受到外界的扰动时由于受到的电磁力改变而使浮子无法保持稳定的悬浮状态；为保证浮子稳定悬浮，通过Z轴电流传感器采集励磁绕组上的电流信息并对微控单元进行反馈，结合PID控制算法自动调节Z轴电磁驱动器励磁绕组上的电流；电流的比例控制部分实际所提供的电磁力用于抵消原位移负刚度导致的负恢复力，并将磁悬浮系统调节为具有一定的正刚度，电流的积分控制使电流输出量与系统的积分成正比，从而消除控制系统的稳态误差，电流的微分控制部分相当于使系统具有足够的正阻尼，使系统具有足够的稳定性，从而使电流产生足够的恢复力，使浮子稳定悬浮在二维平面上的目标位置，实现可控区域内的稳定悬浮；

D：根据二维平面上运动的控制需求设定，微控单元通过插补运算对PID反馈调节进行优化控制，插补运算应用在包括Z轴方向和X轴方向的二维平面内，插补程序以一定的脉冲增量在Z轴和X轴上运行，其基本思想是用折线来逼近曲线(包括直线)；在控制过程中，插补运算能逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控制进给向给定轮运动轨迹轮廓靠拢，缩小偏差，使插补运动轮廓逼近给定运动轨迹轮廓；

E：微控单元结合PID控制反馈调节通过插补运算自动调节四个功率放大器的电流输出，从而以插补的形式改变Z轴和X轴电磁驱动器上励磁绕组的电流大小，改变浮子周围的磁场强度，进而改变电磁驱动器对浮子的吸力大小，Z轴方向上，浮子逐步在预定目标位置的Z坐标处平衡，X轴方向上，由于浮子重力不变，使得浮子在预定目标位置的X坐标处平衡，实现浮子在可控区域内任意位置的二维平面运动。

优选的，Z轴方向和X轴方向的单步进给量在浮子不掉落的允许范围内，Z轴插补运动在抵消重力的前提下进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明实现的实际效果是通过四个电磁驱动器对浮子的电磁吸引作用，使得浮子实现适合空间介质内的定点稳定悬浮，并通过插补运算实现可控区域内任意位置的二维平面悬浮运动，本发明在外磁场驱动基础上，通过位置传感器检测浮子二维平面位置信号确定浮子位置；电流传感器反馈电磁驱动器励磁绕组电流信息，结合PID控制算法自动调节电磁驱动器电流大小，改变外磁场强度，实现浮子稳定悬浮；微控单元结合PID控制算法根据设定的目标位置自动调节励磁绕组中的电流值，通过插补运算使浮子达到新平衡位置，实现二维平面可控区域内任意位置的悬浮运动。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是本发明插补逐点比较法运动原理图；

图4是本发明插补法的工作过程图；

图中：101、102—支撑脚；103—底座；104—中间板；105—浮子；106、107、108、109—电磁驱动器；110、111、112、113—位置传感器；114、115、116、117—安装板；118、119、120、121—连接板；122、123、124、125—电流传感器；126、127、128、129—功率放大器；130—微控单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的装置，包括支撑组件、水平固定在支撑组件上的两个X轴电磁驱动器107、109、竖直固定在支撑组件上的两个Z轴电磁驱动器106、108、以及浮子105，其特征在于：两个所述X轴电磁驱动器107、109与两个所述Z轴电磁驱动器106、108呈环形分布，在四个电磁驱动器106、107、108、109所围成的中间位置形成浮子105的悬浮区域；

在每个电磁驱动器106、107、108、109的内端端面上均固定有一个用于检测浮子105的位置信号的位置传感器110、111、112、113，每个所述位置传感器110、111、112、113的输出端均与微控单元130的输入端电连接；

每个所述电磁驱动器106、107、108、109的输出端均串联一个用于检测流过该电磁驱动器106、107、108、109励磁绕组电流值的电流传感器122、123、124、125，每个所述电流传感器122、123、124、125的输出端均与微控单元130的输入端电连接；

在每个电磁驱动器106、107、108、109的输入端均串联一个用于提供该电磁驱动器106、107、108、109励磁绕组可控电流的功率放大器126、127、128、129，每个所述功率放大器126、127、128、129的输入端均与微控单元130的输出端电连接，每个电磁驱动器106、107、108、109输入端的功率放大器126、127、128、129的正极与该电磁驱动器106、107、108、109输出端的电流传感器122、123、124、125的负极电连接。

具体来说，所述支撑组件包括底座103、设置于底座103下方的支撑脚101、102、固定在底座103上表面的中间板104、以及用于固定四个电磁驱动器106、107、108、109的组装框架，所述组装框架固定在中间板104的上表面。

具体来说，所述组装框架包括四个安装板114、115、116、117和四个连接板118、119、120、121，四个安装板114、115、116、117呈环形分布且最下端的安装板114与中间板104平行，四个连接板118、119、120、121分别将相邻的安装板114、115、116、117进行连接固定，Z轴方向垂直于支撑脚101、102接触面，X轴方向平行于支撑脚101、102接触面，四个电磁驱动器106、107、108、109相对于安装板114、115、116、117和连接板118、119、120、121的组装结构对称安装，并且相对的两个电磁驱动器106、107、108、109的轴线重合，垂直于各自安装板114、115、116、117的支撑面。

具体来说，所述四个安装板114、115、116、117和四个连接板118、119、120、121之间为通过螺栓固定的可拆卸式固定连接，采用安装板114、115、116、117和连接板118、119、120、121的组装结构是当浮子105在无法放入电磁驱动器106、107、108、109的中间的悬浮区域悬浮时，可拆卸电磁驱动器106、107、108、109以便于将浮子105置于四个电磁驱动器106、107、108、109的中间，使浮子105在该装置中悬浮；将安装板114、115、116、117和连接板118、119、120、121的组装结构安装在中间板104上，再将中间板104安装到底座103上，底座103由两个支撑脚101、102进行支撑，为电磁驱动器106、107、108、109的装夹与定位预留合理的空间。

具体来说，所述位置传感器110、111、112、113选用线性霍尔传感器，用于检测浮子105的位置信号，并将信号传送给微控单元130。

具体来说，所述浮子105由钕铁硼磁性材料制成，浮子105可以是具有检测、运输、清理等功能的装置。

A：微控单元130、位置传感器110、111、112、113与电流传感器122、123、124、125上电，电磁驱动器106、107、108、109连接电源，将浮子105放入四个电磁驱动器106、107、108、109中间停留片刻作为浮子105悬浮的初始位置；

B：四个电磁驱动器106、107、108、109上的位置传感器110、111、112、113检测浮子105到四个电磁驱动器106、107、108、109端面的位置信号，并将采集到的位置信号传输给微控单元130，通过功率放大器126、127、128、129自动对四个电磁驱动器106、107、108、109上励磁绕组的电流大小和方向进行调节，改变浮子105周围的磁场强度，浮子105因受到电磁吸引力抵消自身重力处于力失衡状态，从而使浮子105悬浮在此初始位置；

C：未施加反馈控制的磁悬浮系统为开环系统，系统提供给浮子105的机械位移刚度为负值，系统不稳定，当浮子105的悬浮位置受到外界的扰动时由于受到的电磁力改变而使浮子105无法保持稳定的悬浮状态；为保证浮子105稳定悬浮，通过Z轴电流传感器122、124采集励磁绕组上的电流信息并对微控单元130进行反馈，结合PID控制算法自动调节Z轴电磁驱动器106、108励磁绕组上的电流；电流的比例控制部分实际所提供的电磁力用于抵消原位移负刚度导致的负恢复力，并将磁悬浮系统调节为具有一定的正刚度，电流的积分控制使电流输出量与系统的积分成正比，从而消除控制系统的稳态误差，电流的微分控制部分相当于使系统具有足够的正阻尼，使系统具有足够的稳定性，从而使电流产生足够的恢复力，使浮子105稳定悬浮在二维平面上的目标位置，实现可控区域内的稳定悬浮；

D：根据二维平面上运动的控制需求设定，微控单元130通过插补运算对PID反馈调节进行优化控制，插补运算应用在包括Z轴方向和X轴方向的二维平面内，插补程序以一定的脉冲增量在Z轴和X轴上运行，其基本思想是用折线来逼近曲线(包括直线)；在控制过程中，插补运算能逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控制进给向给定轮运动轨迹轮廓靠拢，缩小偏差，使插补运动轮廓逼近给定运动轨迹轮廓；

E：微控单元130结合PID控制反馈调节通过插补运算自动调节四个功率放大器126、127、128、129的电流输出，从而以插补的形式改变Z轴和X轴电磁驱动器106、107、108、109上励磁绕组的电流大小，改变浮子105周围的磁场强度，进而改变电磁驱动器106、107、108、109对浮子105的吸力大小，Z轴方向上，浮子105逐步在预定目标位置的Z坐标处平衡，X轴方向上，由于浮子105重力不变，使得浮子105在预定目标位置的X坐标处平衡，实现浮子105在可控区域内任意位置的二维平面运动。

具体来说，Z轴方向和X轴方向的单步进给量在浮子105不掉落的允许范围内，Z轴插补运动在抵消重力的前提下进行。

工作原理：本发明的核心是采用力失衡驱动方式，依靠PID控制算法配合插补运算对浮子105进行二维平面上稳定悬浮和悬浮运动控制，悬浮装置所在的空间介质可为气态、液态和可穿刺的柔软固态，通过Z轴两个励磁绕组电磁驱动器106、108产生磁场对浮子105产生吸引力的作用，通过抵消浮子105的重力来使浮子悬浮在适用的介质中，通过插补运算自动调节四个功率放大器126、127、128、129的电流输出，从而以插补的形式改变Z轴和X轴电磁驱动器106、107、108、109上励磁绕组的电流大小，改变浮子105周围的磁场强度，进而改变电磁驱动器106、107、108、109对浮子105的吸力大小,使浮子105在新的位置平衡，实现浮子105在可控区域内任意位置的二维平面悬浮运动。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的装置，包括支撑组件、水平固定在支撑组件上的两个X轴电磁驱动器(107、109)、竖直固定在支撑组件上的两个Z轴电磁驱动器(106、108)、以及浮子(105)，其特征在于：两个所述X轴电磁驱动器(107、109)与两个所述Z轴电磁驱动器(106、108)呈环形分布，在四个电磁驱动器(106、107、108、109)所围成的中间位置形成浮子(105)的悬浮区域；

在每个电磁驱动器(106、107、108、109)的内端端面上均固定有一个用于检测浮子(105)的位置信号的位置传感器(110、111、112、113)，每个所述位置传感器(110、111、112、113)的输出端均与微控单元(130)的输入端电连接；

每个所述电磁驱动器(106、107、108、109)的输出端均串联一个用于检测流过该电磁驱动器(106、107、108、109)励磁绕组电流值的电流传感器(122、123、124、125)，每个所述电流传感器(122、123、124、125)的输出端均与微控单元(130)的输入端电连接；

在每个电磁驱动器(106、107、108、109)的输入端均串联一个用于提供该电磁驱动器(106、107、108、109)励磁绕组可控电流的功率放大器(126、127、128、129)，每个所述功率放大器(126、127、128、129)的输入端均与微控单元(130)的输出端电连接，每个电磁驱动器(106、107、108、109)输入端的功率放大器(126、127、128、129)的正极与该电磁驱动器(106、107、108、109)输出端的电流传感器(122、123、124、125)的负极电连接；

所述支撑组件包括底座(103)、设置于底座(103)下方的支撑脚(101、102)、固定在底座(103)上表面的中间板(104)、以及用于固定四个电磁驱动器(106、107、108、109)的组装框架，所述组装框架固定在中间板(104)的上表面；

所述组装框架包括四个安装板(114、115、116、117)和四个连接板(118、119、120、121)，四个安装板(114、115、116、117)呈环形分布且最下端的安装板(114)与中间板(104)平行，四个连接板(118、119、120、121)分别将相邻的安装板(114、115、116、117)进行连接固定，Z轴方向垂直于支撑脚(101、102)接触面，X轴方向平行于支撑脚(101、102)接触面，四个电磁驱动器(106、107、108、109)相对于安装板(114、115、116、117)和连接板(118、119、120、121)的组装结构对称安装，并且相对的两个电磁驱动器(106、107、108、109)的轴线重合，垂直于各自安装板(114、115、116、117)的支撑面；

所述四个安装板(114、115、116、117)和四个连接板(118、119、120、121)之间为通过螺栓固定的可拆卸式固定连接；

所述位置传感器(110、111、112、113)为线性霍尔传感器；

所述浮子(105)由钕铁硼磁性材料制成。

2.一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的方法，根据权利要求1所述的基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的装置，其特征在于，包括以下步骤：

A：微控单元(130)、位置传感器(110、111、112、113)与电流传感器(122、123、124、125)上电，电磁驱动器(106、107、108、109)连接电源，将浮子(105)放入四个电磁驱动器(106、107、108、109)中间停留片刻作为浮子(105)悬浮的初始位置；

B：四个电磁驱动器(106、107、108、109)上的位置传感器(110、111、112、113)检测浮子(105)到四个电磁驱动器(106、107、108、109)端面的位置信号，并将采集到的位置信号传输给微控单元(130)，通过功率放大器(126、127、128、129)自动对四个电磁驱动器(106、107、108、109)上励磁绕组的电流大小和方向进行调节，改变浮子(105)周围的磁场强度，浮子(105)因受到电磁吸引力抵消自身重力处于力失衡状态，从而使浮子(105)悬浮在此初始位置；

C：未施加反馈控制的磁悬浮系统为开环系统，系统提供给浮子(105)的机械位移刚度为负值，系统不稳定，当浮子(105)的悬浮位置受到外界的扰动时由于受到的电磁力改变而使浮子(105)无法保持稳定的悬浮状态；为保证浮子(105)稳定悬浮，通过Z轴电流传感器(122、124)采集励磁绕组上的电流信息并对微控单元(130)进行反馈，结合PID控制算法自动调节Z轴电磁驱动器(106、108)励磁绕组上的电流；电流的比例控制部分实际所提供的电磁力用于抵消原位移负刚度导致的负恢复力，并将磁悬浮系统调节为具有一定的正刚度，电流的积分控制使电流输出量与系统的积分成正比，从而消除控制系统的稳态误差，电流的微分控制部分相当于使系统具有足够的正阻尼，使系统具有足够的稳定性，从而使电流产生足够的恢复力，使浮子(105)稳定悬浮在二维平面上的目标位置，实现可控区域内的稳定悬浮；

D：根据二维平面上运动的控制需求设定，微控单元(130)通过插补运算对PID反馈调节进行优化控制，插补运算应用在包括Z轴方向和X轴方向的二维平面内，插补程序以一定的脉冲增量在Z轴和X轴上运行，其基本思想是用折线来逼近曲线；在控制过程中，插补运算能逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差，并根据偏差控制进给向给定轮运动轨迹轮廓靠拢，缩小偏差，使插补运动轮廓逼近给定运动轨迹轮廓；

E：微控单元(130)结合PID控制反馈调节通过插补运算自动调节四个功率放大器(126、127、128、129)的电流输出，从而以插补的形式改变Z轴和X轴电磁驱动器(106、107、108、109)上励磁绕组的电流大小，改变浮子(105)周围的磁场强度，进而改变电磁驱动器(106、107、108、109)对浮子(105)的吸力大小，Z轴方向上，浮子(105)逐步在预定目标位置的Z坐标处平衡，X轴方向上，由于浮子(105)重力不变，使得浮子(105)在预定目标位置的X坐标处平衡，实现浮子(105)在可控区域内任意位置的二维平面运动。

3.根据权利要求2所述的一种基于力失衡驱动的二维平面悬浮运动的方法，其特征在于：Z轴方向和X轴方向的单步进给量在浮子(105)不掉落的允许范围内，Z轴插补运动在抵消重力的前提下进行。