CN111146975B - 一种实现浮子悬浮动态平衡的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型磁悬浮装置及实现浮子悬浮动态平衡的方法，装置包括浮子和环形底座；环形底座包括一个环形永磁铁以及控制模块，控制模块包括一个三轴地磁传感器、一个中央控制单元、一个线圈驱动模块和若干个电磁线圈。本发明根据三轴地磁传感器的磁场强度检测底座上方是否有浮子悬浮，并估算浮子与基准点在X和Y方向上偏移量，从而调节相应的电磁线圈中的励磁电流，产生相应的纠偏电磁力，浮子回到基准位置。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮领域，更具体地涉及一种新型磁悬浮装置及实现浮子悬浮动态平衡的方法。
背景技术
现有的基于霍尔传感器的磁悬浮装置，检测浮子存在及其是否有偏移需要三个霍尔传感器和三个独立的控制电路，不仅所需元件数量多，而且对传感器的安装也非常严格，需要两两正交。再者，霍尔传感器的输出为模拟量，需要人工设置传感器的偏置点；因为工艺及电路的差异，偏置点需要三个电位器分别手工设置，并小心地与软件匹配。若采用开关型霍尔传感器，又很难准确确定临界值。
发明内容
为了解决上述传统磁悬浮装置中霍尔传感器的不足，本发明公开了一种基于三轴地磁传感器的磁悬浮装置。三轴地磁传感器是一种MEMs器件，可以同时测量X、Y、Z三维空间的地磁场，X、Y维磁场已事先调整为两两正交的关系，因此也可以合成出任意方向的磁场变化。工作中，浮子位于距离环形底座中心上方不同位置时，传感器测量的磁场相当于地磁场矢量上叠加了一个扰动。扰动的不同矢量值与传感器和浮子位置呈非线性关系，但有一一对应的关系，因此，根据检测到磁场的变化，电路可以感知到底座上方是否有浮子悬浮，并感知浮子的偏移，及时调整相应的线圈电流，产生相应的纠偏电磁力，消除X、Y轴上的偏移。
地磁传感器基于磁阻效应原理，具有价格低廉、结构简单、精度高、体积小、数字量输出、稳定性好等优点，而且，整个磁悬浮装置只需要一个三轴地磁传感器即可，替代了传统磁悬浮装置的三个霍尔传感器及调理电路，简化了电路，提高了电路稳定性。
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型磁悬浮装置及实现浮子悬浮动态平衡的方法，具体的技术方案如下：
一种新型磁悬浮装置，包括浮子和环形底座；所述环形底座包括一个环形永磁铁以及控制模块，所述控制模块包括一个三轴地磁传感器、一个中央控制单元、一个线圈驱动模块和若干个电磁线圈；所述三轴地磁传感器位于环形底座的正中央，电磁线圈沿着环形永磁铁的内表面均匀分布，用于采集其所在位置X、Y、Z三个方向的磁场强度；所述三轴地磁传感器、线圈驱动模块和电磁线圈分别与中央控制单元电连接；所述中央控制单元接收三轴地磁传感器采集的磁场强度信号，根据神经网络算法检测环形底座上方是否有浮子悬浮，并计算电磁线圈的纠偏方向和纠偏时间；线圈驱动模块分别与若干个电磁线圈电相联，中央控制单元根据计算结果，通过线圈驱动模块决定电磁线圈的通断情况。
上述电磁线圈有四个，四个电磁线圈沿着环形永磁铁的内表面均匀分布，并且两两分别串联成互相独立的两组线圈，沿着平面上的X、Y方向垂直排列。
优选地，浮子为含有永磁铁的悬浮物，底座和浮子之间产生的磁斥力与浮子的重力平衡，浮子悬浮在环形底座的正上方，高度由浮子的重量和磁场的磁力决定。
上述环形永磁铁是一个环形磁铁或者是由均匀排列成环形的多个永磁铁组成。
上述三轴地磁传感器的型号为HMC5983或QMC5883L或MAC3110。
上述线圈驱动模块由两对功率三极管或者集成的H桥电路构成。
上述中央控制单元为基于ARM架构的32位微控制器，型号为STM32F103。
一种实现浮子悬浮动态平衡的方法，利用上述的磁悬浮装置，包括如下步骤：
(1)、建立神经网络模型；
(2)、检测环形底座上方是否有浮子悬浮；有，则进入步骤(3)，无，则在步骤(2)等待；
(3)、不断调整电磁线圈电流，产生不同的纠偏电磁力；
(4)、浮子在环形底座正上方悬浮动态平衡。
上述步骤(1)的神经网络模型的建立步骤如下：
(1.1)四个线圈不通电，并且当浮子位于底座中心点(x0，y0)正上空时，采集三轴地磁传感器X和Y方向的磁场强度MX0和MY0，其中，x0和y0分别是浮子在位于底座中心点正上空时的X和Y轴的坐标；
(1.2)将浮子偏移底座中心点(x0，y0)正上空，在位于不同位置时，分别采集三轴地磁传感器X和Y方向的磁场强度MX和MY数据，及其浮子在各个对应位置的坐标x和y值；
(1.3)分别根据公式(1)和(2)计算浮子在很多不同位置时三轴地磁传感器的磁场强度变化量△MX和△MY；
△MX＝MX-MX0 (1)
△MY＝MY-MY0 (2)
(1.4)以浮子在很多不同位置时的△MX和△MY为神经网络的输入，以浮子在对应X轴上的偏移△x和在Y轴上的偏移△y为神经网络的输出，训练并建立神经网络，其中，△x＝x-x0，△y＝y-y0，x和y分别是浮子在不同位置时的当前坐标。
上述步骤(3)中调整电磁线圈电流，产生纠偏电磁力，包括以下步骤：
(3.1)采集三轴地磁传感器X和Y方向的磁场强度，并输入已建好神经网络中；
(3.2)神经网络输出浮子在X轴上的偏移△x和在Y轴上的偏移△y；
(3.3)计算使△x→0和△y→0时，X、Y方向排列的两组线圈所需通电时间tx和ty以及各自的通电方向；
(3.4)控制器驱动线圈驱动模块，使两组线圈分别按步骤(3.3)的tx和ty以及各自的通电方向通电，时间先到达的线圈先断电，时间后到达的线圈后断电；
(3.5)判断两组线圈都断电后，跳到步骤(3.2)，重复进行。
上述步骤(3.3)中，计算使△x→0和△y→0时，X、Y方向排列的两组线圈所需通电时间tx和ty以及各自的通电方向，包括以下步骤：
(3.3.1)设置一个短时间的定时器t1，t1和浮子的质量有关，浮子的质量越大，t1越大；
(3.3.2)分别根据△x和△y的绝对值|△x|和|△y|决定tx和ty，tx＝|△x|*t1，ty＝|△y|*t1；
(3.3.3)分别根据△x和△y的符号决定X和Y方向排列的两组电磁线圈的通电方向；若△x>0，则X方向排列的两个电磁线圈通正向电流，若△x<0，则通反向电流；若△y>0，则Y方向排列的两个线圈通正向电流，若△y<0，则通反向电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明公开的基于三轴地磁传感器的磁悬浮装置，用一个三轴地磁传感器替代了现有文献的三个霍尔传感器和三个独立的控制电路，不仅减少了所需元件数量，而且因传感器X、Y、Z三个方向的磁场两两正交，其安装也非常方便，只要装在底座的正中心即可。
本发明由于使用一个体积小、价格低廉的三轴地磁传感器替代三个霍尔传感器和三个独立的控制电路，因此，降低了整个装置的价格，缩小了装置体积，提高了系统的稳定性。
本发明中使用的三轴地磁传感器具有超低磁滞磁束偏折特性，因此本磁悬浮装置具有强磁冲击后免校正的优点。本装置中使用的三轴地磁传感器具有双向磁性重置功能，可提供精准的3D磁向量变化信息，因此和现有文献相比，本装置具有高空间分辨率、高精度的优点。
由于本发明是通过检测地球磁场的变化来实现对浮子的控制功能的，所以本装置不受气候的影响。再者，由于三轴地磁传感器直接输出数字量，因此整个系统不需要A/D转换模块。
由于磁悬浮装置是一个强非线性、不确定的系统，非线性系统要比线性系统复杂得多，因为其不具有线性和叠加性，本申请应用神经网络，根据浮子在不同位置时的△MX和△MY，测算出浮子在对应X、Y轴上的偏移△x、△y，因此本申请能够充分逼近磁悬浮装置复杂的非线性映射，具有学习与适应不确定系统的动态特性和较强的鲁棒性及容错性的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的控制模块的结构图；
图3是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，一种新型磁悬浮装置，包括浮子1和环形底座；所述环形底座包括一个环形永磁铁2以及控制模块，所述控制模块包括一个三轴地磁传感器4、一个中央控制单元、一个线圈驱动模块和四个电磁线圈3；所述三轴地磁传感器4位于环形底座的正中央，用于采集其所在位置X、Y、Z三个方向的磁场强度；四个电磁线圈3沿着环形永磁铁2的内表面均匀分布，并且两两分别串联成互相独立的两组线圈，沿着平面上的X、Y方向垂直排列；所述三轴地磁传感器4、线圈驱动模块和四个电磁线圈3分别与中央控制单元电连接；所述中央控制单元接收三轴地磁传感器4采集的磁场强度信号，根据神经网络算法检测环形底座上方是否有浮子1悬浮，并计算电磁线圈3的纠偏方向和纠偏时间；线圈驱动模块分别与若干个电磁线圈3电相联，中央控制单元根据计算结果，通过线圈驱动模块决定电磁线圈3的通断情况，两组电磁线圈3中的励磁电流的大小和方向可产生相应的纠偏电磁力，使浮子1沿X、Y方向移动，克服浮子1在X和Y方向上的偏移，使浮子1回到基准位置，进而实现浮子1相对于环形底座正上方的动态悬浮。
优选地，上述环形永磁铁2由均匀排列成环形的多个永磁铁组成。
优选地，浮子1为含有永磁铁的悬浮物，底座和浮子之间产生的磁斥力与浮子的重力平衡，浮子1悬浮在环形底座的正上方，高度由浮子1的重量和磁场的磁力决定。
优选地，三轴地磁传感器2的型号为HMC5983、QMC5883L、MAC3110。
优选地，线圈驱动模块由两对功率三极管或者集成的H桥电路构成。该线圈驱动模块在现有的模块中是已经集成了，型号可以是L293d或A4950等。
优选地，单片机型号为为基于ARM架构的32位微控制器，型号为STM32F103。
如图3所示，一种实现浮子悬浮动态平衡的方法，利用上述的磁悬浮装置，包括如下步骤：
(1)、建立神经网络模型；
(2)、检测环形底座上方是否有浮子悬浮；有，则进入步骤(3)，无，则在步骤(2)等待；
(3)、不断调整电磁线圈电流，产生不同的纠偏电磁力；
(4)、浮子在环形底座正上方悬浮动态平衡。
上述步骤(1)的神经网络模型的建立步骤如下：
(1.1)四个线圈不通电，并且当浮子位于底座中心点(x0，y0)正上空时，采集三轴地磁传感器X和Y方向的磁场强度MX0和MY0，其中，x0和y0分别是浮子在位于底座中心点正上空时的X和Y轴的坐标；
(1.2)将浮子偏移底座中心点(x0，y0)正上空，在位于不同位置时，分别采集三轴地磁传感器X和Y方向的磁场强度MX和MY数据，及其浮子在各个对应位置的坐标x和y值；
(1.3)分别根据公式(1)和(2)计算浮子在很多不同位置时三轴地磁传感器的磁场强度变化量△MX和△MY；
△MX＝MX-MX0 (1)
△MY＝MY-MY0 (2)
(1.4)以浮子在很多不同位置时的△MX和△MY为神经网络的输入，以浮子在对应X轴上的偏移△x和在Y轴上的偏移△y为神经网络的输出，训练并建立神经网络，其中，△x＝x-x0，△y＝y-y0，x和y分别是浮子在不同位置时的当前坐标。
上述步骤(3)中调整电磁线圈电流，产生纠偏电磁力，包括以下步骤：
(3.1)采集三轴地磁传感器X和Y方向的磁场强度，并输入已建好神经网络中；
(3.2)神经网络输出浮子在X轴上的偏移△x和在Y轴上的偏移△y；
(3.3)计算使△x→0和△y→0时，X、Y方向排列的两组线圈所需通电时间tx和ty以及各自的通电方向；
(3.4)控制器驱动线圈驱动模块，使两组线圈分别按步骤(3.3)的tx和ty以及各自的通电方向通电，时间先到达的线圈先断电，时间后到达的线圈后断电；
(3.5)判断两组线圈都断电后，跳到步骤(3.2)，重复进行。
上述步骤(3.3)中，计算使△x→0和△y→0时，X、Y方向排列的两组线圈所需通电时间tx和ty以及各自的通电方向，包括以下步骤：
(3.3.1)设置一个短时间的定时器t1，t1和浮子的质量有关，浮子的质量越大，t1越大；
(3.3.2)分别根据△x和△y的绝对值|△x|和|△y|决定tx和ty，tx＝|△x|*t1，ty＝|△y|*t1；
(3.3.3)分别根据△x和△y的符号决定X和Y方向排列的两组电磁线圈的通电方向；若△x>0，则X方向排列的两个电磁线圈通正向电流，若△x<0，则通反向电流；若△y>0，则Y方向排列的两个线圈通正向电流，若△y<0，则通反向电流。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种实现浮子悬浮动态平衡的方法，利用一种磁悬浮装置，所述磁悬浮装置，包括浮子和环形底座；所述环形底座包括一个环形永磁铁以及控制模块，所述控制模块包括一个三轴地磁传感器、一个中央控制单元、一个线圈驱动模块和若干个电磁线圈；所述三轴地磁传感器位于环形底座的正中央，电磁线圈沿着环形永磁铁的内表面均匀分布，用于采集其所在位置X、Y、Z三个方向的磁场强度；所述三轴地磁传感器、线圈驱动模块和电磁线圈分别与中央控制单元电连接；所述中央控制单元接收三轴地磁传感器采集的磁场强度信号,根据神经网络算法检测环形底座上方是否有浮子悬浮，并计算电磁线圈的纠偏方向和纠偏时间；线圈驱动模块分别与若干个电磁线圈电相联，中央控制单元根据计算结果，通过线圈驱动模块决定电磁线圈的通断情况；所述电磁线圈有四个，四个电磁线圈沿着环形永磁铁的内表面均匀分布，并且两两分别串联成互相独立的两组线圈，沿着平面上的X、Y方向垂直排列；
其特征在于包括如下步骤：
（1）、建立神经网络模型；
(1.1）四个线圈不通电,并且当浮子位于底座中心点(x0,y0)正上空时,采集三轴地磁传感器X和Y方向的磁场强度MX0和MY0,其中,x0和y0分别是浮子在位于底座中心点正上空时的X和Y轴的坐标；
(1.2）将浮子偏移底座中心点(x0,y0)正上空,在位于不同位置时,分别采集三轴地磁传感器X和Y方向的磁场强度MX和MY数据,及其浮子在各个对应位置的坐标x和y值；
(1.3）分别根据公式(1)和(2)计算浮子在很多不同位置时三轴地磁传感器的磁场强度变化量△MX和△MY；
△MX=MX-MX0 (1)
△MY=MY-MY0 (2)
(1.4）以浮子在很多不同位置时的△MX和△MY为神经网络的输入,以浮子在对应X轴上的偏移△x和在Y轴上的偏移△y为神经网络的输出,训练并建立神经网络，其中,△x=x-x0,△y=y-y0,x和y分别是浮子在不同位置时的当前坐标；
（2）、检测环形底座上方是否有浮子悬浮；有,则进入步骤（3），无,则在步骤（2）等待；
（3）、不断调整电磁线圈电流,产生不同的纠偏电磁力；
包括以下步骤:
（3.1）采集三轴地磁传感器X和Y方向的磁场强度,并输入已建好神经网络中；
（3.2）神经网络输出浮子在X轴上的偏移△x和在Y轴上的偏移△y；
（3.3）计算使△x→0和△y→0时,X、Y方向排列的两组线圈所需通电时间tx和ty以及各自的通电方向；
（3.4）控制器驱动线圈驱动模块,使两组线圈分别按步骤(3.3)的tx和ty以及各自的通电方向通电,时间先到达的线圈先断电,时间后到达的线圈后断电；
（3.5）判断两组线圈都断电后,跳到步骤（3.2）,重复进行；
（4）、浮子在环形底座正上方悬浮动态平衡。
2.根据权利要求1所述的一种实现浮子悬浮动态平衡的方法，其特征在于所述步骤(3.3)中,计算使△x→0和△y→0时,X、Y方向排列的两组线圈所需通电时间tx和ty以及各自的通电方向,包括以下步骤：
(3.3.1)设置一个短时间的定时器t1，t1和浮子的质量有关, 浮子的质量越大, t1越大；
(3.3.2)分别根据△x和△y的绝对值|△x|和|△y|决定tx和ty,tx=|△x|*t1,ty=|△y|*t1；
(3.3.3)分别根据△x和△y的符号决定X和Y方向排列的两组电磁线圈的通电方向；若△x>0,则X方向排列的两个电磁线圈通正向电流,若△x<0,则通反向电流;若△y>0,则Y方向排列的两个线圈通正向电流,若△y<0,则通反向电流。
3.根据权利要求1所述的一种实现浮子悬浮动态平衡的方法，其特征在于：所述环形永磁铁是一个环形磁铁或者是由均匀排列成环形的多个永磁铁组成。
4.根据权利要求1所述的一种实现浮子悬浮动态平衡的方法，其特征在于：所述三轴地磁传感器的型号为HMC5983或QMC5883L或MAC3110。
5.根据权利要求1所述的一种实现浮子悬浮动态平衡的方法，其特征在于：所述线圈驱动模块由两对功率三极管或者集成的H桥电路构成。
6.根据权利要求1所述的一种实现浮子悬浮动态平衡的方法，其特征在于：所述中央控制单元为基于ARM架构的32位微控制器，型号为STM32F103。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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