CN112991890B - 平移式磁悬浮系统及其浮子平移控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平移式磁悬浮系统及其浮子平移控制方法。所述平移式磁悬浮系统包括定子、浮子和控制系统；所述定子包括底板以及设置于其上的电磁单元；所述电磁单元包括三维磁性传感器和励磁线圈；在所述定子中设有电磁托盘和调磁单元；所述电磁托盘是合围成一个正多边形环圈或一个圆形环圈中的若干电磁单元的组合，组成电磁托盘的电磁单元在通入励磁电流后即产生对浮子起支撑作用的托举磁场；所述调磁单元是指分布在电磁托盘紧邻的内层环圈上的若干电磁单元，在通入调制的励磁电流后即能对浮子进行相对于电磁托盘中心的定中或调偏。本发明能使浮子保持稳定悬浮，并能够在定子上方的一个平面内进行自由平移。

Description

平移式磁悬浮系统及其浮子平移控制方法

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮系统，具体地说是一种平移式磁悬浮系统及其浮子平移控制方法。

背景技术

现有的磁悬浮教学和演示系统总体上可分为托举和牵拉两大类型。无论是那种类型，均为定点的。定子部分总是由一个固定的托举或牵拉磁场、一个或数个调磁线圈以及一组三维磁性传感器构成，形成一个固定的浮子定位中心。所有通过调磁线圈而使浮子产生的微小平移，均是围绕着其定点平衡的目的来进行，无法产生明显和可控的平移效果。悬浮的浮子或是处于静止平衡状态，或是处于围绕磁场中心进行单一的轴向旋转，而且这种旋转往往是不可控的。

对于提高其展示或观赏效果而言，需要磁悬浮系统的浮子具有尽可能的悬浮高度，以及在一定范围内具有适当的、完全可控的运动功能。

目前，能够在技术上以磁悬浮的方式在二维空间实现平移的装置，就是磁悬浮平面电机。该类电机主要由定子和浮子两部分构成，其浮子又分为动圈式和动铁式两种结构。无论哪种结构，均是由多个线圈组成的电磁驱动阵列和多个磁钢体组成的Halbach磁钢阵列构成。其浮子可在较低的悬浮高度（毫米级甚至更低）范围内提供非常准确的移位功能。因其磁钢的形状、磁路的建立和装配方式等诸多的相关因素非常复杂，导致整个磁悬浮系统的造价非常昂贵。所以，现有的磁悬浮平面电机大多局限应用于精密的机械加工和光刻机等工业领域。

CN107482955B描述了最为常见的一种由电磁驱动阵列作为定子、Halbach磁钢阵列作为浮子的平面电机结构，并在传统方式基础上，对其定子线圈阵列的具体连接方法进行了较大的改进，但其包括浮子在内的整体结构仍然非常复杂。特别是与其定子线圈阵列相比，浮子面积过大而相对移动范围较小，且悬浮高度有限。因此，此类相关技术暂时难以移植到磁悬浮教学和演示系统中来。

因此，现有的平面电机等相关技术虽各有特点，但并不适合磁悬浮演示的领域的具体要求，需要进行新型磁悬浮系统结构的开发和控制方式的完善。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种平移式磁悬浮系统，以解决现有磁悬浮演示系统中的浮子无法产生远距离平移运动的问题。

本发明的目的之二就是提供一种平移式磁悬浮系统中的浮子平移控制方法，以实现浮子以相对较高的高度在磁悬浮系统中完成远距离的稳定平移。

本发明的目的之一是这样实现的：一种平移式磁悬浮系统，包括定子、浮子和控制系统；所述定子包括底板以及设置于其上并密集排布成几何形的若干电磁单元；所述电磁单元包括三维磁性传感器和励磁线圈；在所述定子中设有电磁托盘和调磁单元；所述电磁托盘是合围成一个正多边形环圈或一个类圆形环圈中的若干电磁单元的动态组合，位于电磁托盘中心位置处的电磁单元用作为检测和标识浮子位置的浮子定位传感器，组成电磁托盘的电磁单元在通入励磁电流后即产生对浮子起支撑作用的托举磁场；所述调磁单元是指分布在电磁托盘紧邻的内层环圈上的若干电磁单元，其中的每个电磁单元均以电磁托盘的中心点为对称中心，与另一个电磁单元呈中心对称分布；调磁单元中的电磁单元在通入调制的励磁电流后即能对浮子进行相对于电磁托盘中心的定中或调偏。

本发明中的所述浮子为单体磁钢结构，通过所述电磁托盘支撑在电磁托盘所在的电磁单元阵列的上方。

在本发明中，定子上的所述电磁单元按蜂窝状或矩阵式排布，所述定子可分解为若干形状相同的阵列子集，在每个阵列子集中，设有各自的电磁托盘和调磁单元。将电磁单元阵列分解为若干阵列子集，可对其进行分布式控制，以降低对于电磁单元阵列的实时控制的复杂度，并且还可通过多电磁托盘的设置，而形成一个定子上的多浮子的悬浮和平移。

本发明中的所述控制系统包括总控单元和若干控制单元，每个控制单元分别与所述定子中的一个电磁单元电连接。

所述总控单元通过网络通讯模块与各控制单元相接，用于向控制单元发送电磁托盘在定子中的设定位置及其位置变换、调磁单元在定子中的设定位置及其位置变换等各种总控指令。

所述控制单元包括：

网络通讯模块，分别与单片机和总控单元相接，用于构建控制单元相互之间以及控制单元与总控单元之间的网络通讯的信息通道；

单片机，分别与所述网络通讯模块、驱动电路和电磁单元中的三维磁性传感器相接，用于根据所接收的浮子精确位置的三维数据信息，通过驱动电路调整励磁线圈中励磁电流的通断、大小和方向，以对浮子进行定中调整，并根据总控单元发出的控制指令，对浮子进行调偏和以励磁电流通断的方式决定所连接的电磁单元是否形成电磁托盘的组成部分或调磁单元的组成部分；以及

驱动电路，分别与单片机和电磁单元中的励磁线圈相接，用于根据单片机的指令调整励磁电流在励磁线圈中的通断、大小和方向。

现有的磁悬浮演示系统均以浮子能够稳定地居中悬浮为目标，而本发明则提出了一种基于全电式定子结构的、浮子可以在水平平面上进行二维平移运动的系统，并提供了相应的物理结构和控制技术。

本发明中的定子是由电磁单元集合而成的平面阵列，电磁单元包括了励磁线圈和三维磁性传感器，因而这个定子既形成了励磁线圈的分布阵列，又形成了传感器的分布阵列。

本发明使用动态的电磁托盘方式构建了浮子托举磁场，对浮子进行相应的磁性引导和定位，可根据传感器阵列所指示的浮子位置和定位要求，引导浮子运行到新的电磁托盘所在的指定位置。而这种连续的引导和浮子的准确跟随，就形成了浮子在定子上的受控平移运动。

如果将定子规模拓展到一定的程度，则可参考雷达领域中“相控阵”的控制方式，同时悬浮两个以上的浮子，甚至还可以作为电磁式多自由度虚拟漫游行进平台中的悬浮支撑环节的实现方式之一。传统的磁悬浮产品，其浮子仅在磁场中心点稳定悬浮或旋转，而本发明磁悬浮系统的特点，一是浮子能够在一个水平面较大的范围内自由运动，二是在同一个定子平面上可以同时悬浮多个浮子。

本发明的目的之二是这样实现的：一种平移式磁悬浮系统中的浮子平移控制方法，采用本发明所述的平移式磁悬浮系统，利用总控单元向控制单元中的单片机发送指令，以控制定子中对应的电磁单元分别组成电磁托盘和调磁单元；所述电磁托盘用以对其上方的浮子起到基本支撑的作用和对托举磁场起到径向拓展的作用；所述调磁单元用以控制浮子在电磁托盘上处于居中悬浮或定点悬浮的平衡位置；通过控制电磁托盘和调磁单元在定子中的位置变换，即可带动浮子在定子上方实现平移。

在本发明控制方法中，悬浮在电磁托盘上的浮子，其所在的三维位置信息被其下方的浮子定位传感器所感知，该位置信息传输到与其电连接的控制单元中的单片机，该单片机对浮子位置进行分析，并给出调磁单元的控制信号，送入与调磁单元相接的各驱动电路；该控制信号经由驱动电路完成功率放大后，分别驱动调磁单元中相应电磁单元上的励磁线圈，以产生相应的定位磁场，使浮子在电磁托盘上保持定中或在被控范围内定位。

当传感器两两相距较近时，各自的检测区域就会存在一定的重叠，构成了相邻的不同传感器之间作用范围的交集。这个交集就是两个传感器的共同作用区。在此区间内，以两个传感器为中心的两个电磁托盘均可对浮子实施控制，因此可称为“控制共享区”。

只要通过对电磁托盘励磁电流的精细调控，便可将其磁场中心有意偏离该电磁托盘的几何中心，即通过“调偏”使得浮子磁场中心在一定程度上偏离位于电磁托盘中间位置的传感器中心。进而，可将浮子中心部位吸引至行进方向一侧的控制共享区内，将控制共享区中的另一个传感器作为中心，再形成一个新的电磁托盘，以接管由原电磁托盘控制悬浮的浮子，使浮子的位置可以沿着新的行进方向得到调整。

在本发明控制方法中，通过控制单元中的单片机调控励磁线圈的励磁电流，使相邻电磁单元中产生的磁场一部分作为控制共享区的交集，并将电磁托盘的磁场中心在不脱离浮子稳定范围的前提下，偏离浮子定位传感器所标识的电磁托盘的几何中心，将浮子中心部位吸引至行进方向一侧的控制共享区内，由控制共享区中的下一个浮子定位传感器为中心，构建形成一个新的电磁托盘，以接管由原电磁托盘控制悬浮的浮子，使浮子的位置沿行进方向得到调整。

在本发明控制方法中，组成调磁单元的各电磁单元，以位置对称的两个电磁单元组成一个调整组，每组中的两个电磁单元中的励磁线圈中的励磁电流方向相反，以在二者表面产生极性相反的磁场，对浮子进行定位调整。

本发明中控制浮子悬浮的定子磁场是由电磁托盘产生的，而电磁托盘是由若干电磁单元动态组合而成。整个电磁托盘的组合方式可以由软件定义成为一个模块，实现的方法十分灵活，便于重构。因此，对于浮子而言的所谓“平移运动”，实际上就是将一个电磁托盘在计算机控制下，不断地以相邻的浮子定位传感器为中心所进行的动态重组后，所表现出来的“步进”过程。所以，浮子的连续运动就是不断地进行着“定中—调偏—再定中—再调偏”的重复工作。

这种在共享区中的浮子交接，并不改变浮子的任何位置和状态，只是由共享区另外一侧的电子托盘瞬间予以“同位”接管。重复上述过程，就可实现通过连续的“电磁托盘转移”和“浮子定中”来完成对浮子的接力传递工作。并且，只要参数选择得当，就能使浮子在整个定子的电磁单元阵列的上方沿着设定路线连续稳定地运行。经样机试用验证，本发明平移式磁悬浮系统中的浮子可在定子上方数厘米高度的平面内移动，从而使得浮子的悬浮高度达到了厘米级。

如果在一个定子上方需要悬浮两个或更多的浮子，只需扩大定子电磁单元阵列的规模以及增加系统的驱动与计算能力即可，不同浮子的调控策略并无太大差异。对于多浮子情况下所必然产生的位置和运动冲突等问题，只要再通过软件方法增加相互规避的原则和机制即可，并且不会产生超出本发明技术范畴的逻辑缺失或物理障碍。

附图说明

图1是实施例1的定子结构示意图。

图2是实施例1的单浮子悬浮的平移式磁悬浮系统的结构示意图。

图3是电磁单元的结构示意图。

图4是阵列子集的一种分割示意图。

图5是电磁托盘的布局示意图。

图6是电磁托盘右移的结构示意图。

图7是电磁托盘左下移的结构示意图。

图8是电磁托盘右下移的结构示意图。

图9是传感器阵列中磁场和感应重叠区域的示意图。

图10是本发明的系统构成图。

图11是实施例2中的调磁单元的布局示意图。

图12是实施例3中的定子排列方式的结构示意图。

图中：1、底板，2、电磁单元阵列，3、浮子，4、电磁单元，41、三维磁性传感器，42、励磁线圈，5、电磁托盘，6、调磁单元，7、浮子定位传感器，8、电磁托盘平移参照点，9、控制共享区。

具体实施方式

实施例1：

本发明平移式磁悬浮系统包括定子、浮子和控制系统等部分。

如图1和图2所示，定子包括底板1以及设置于底板1上的并按照蜂窝形式密集排布的电磁单元阵列2。为提高定子磁场的磁通密度，电磁单元应该尽可能紧密排列。电磁单元阵列2可以是将电磁单元按照蜂窝状集合排布而成的一个正六边形或其他规则形状的阵列。

图2中，浮子3为扁平状、轴向充磁的圆形或矩形单体磁钢结构，通过磁斥力的支撑而悬浮在电磁单元阵列2中的电磁托盘的上方。

如图3所示，设置在定子上的每个电磁单元4均包括有三维磁性传感器41以及环绕三维磁性传感器的励磁线圈42，但这仅是位置上的重合，以节约空间，使定子阵列更加紧凑，且其以互斥方式工作。即，如果作为传感器工作时，励磁线圈并不工作。而励磁线圈工作时，传感器则不工作。其中，三维磁性传感器41的实际工作位置应是励磁线圈42轴心的中部，图3是为方便表示，而将三维磁性传感器41画成与励磁线圈42等高的形式。每个电磁单元4中的励磁线圈均连接一个驱动电路，以为其提供励磁电流。作为浮子定位传感器的该电磁单元标识出该阵列子集的几何中心位置，其励磁线圈并不通电，而传感器则提供浮子偏离该中心的三维数据。

图5中，电磁托盘5的构成形式是，由四个电磁单元排成一边所组成的一个正六边的电磁单元环圈中，除去六边形各顶角位置处的电磁单元后，其余的十二个电磁单元的组合（图5中成环圈环绕的12个绿色电磁单元），即组成一个类圆形的环圈，这个环圈中的电磁单元组合，可代替一个传统的独立环形永磁体或一组小型磁体的环形组合。在向这个电磁单元组合中的各个电磁单元同步通入励磁电流之后，即可在电磁单元阵列2上形成一个环形的波状磁场发生器，进而，在该环圈内形成对浮子起支撑作用的电磁托盘，并以磁斥方式对其上方的浮子3起到基本的支撑作用（图2）。电磁托盘5的组合是一种动态组合，即电磁托盘5可以根据总控指令，在电磁单元阵列2中顺序移位，从而控制在其上悬浮的浮子进行平移。

图5中，调磁单元6的构成形式是，在电磁托盘5所围绕的内六边形各顶角处的电磁单元所形成的组合（图5中的6个蓝色电磁单元）。这六个电磁单元可以按照对角方式构成为3个“线圈对”。这些线圈对的通电规律与传统磁悬浮调磁线圈的通电规律完全一致，即每对所属的两个线圈同时通电，但二者的电流方向相反，所以在二者表面产生的磁极方向也相反。与浮子磁场结合后，便在两个线圈连线方向形成一个“前拉后推”的平移磁力，以在该方向移动浮子。

于是，由这六个蓝色电磁单元组成的调磁单元6在通入经过控制系统调制的励磁电流后，就可以对浮子3在电磁托盘5中的位置进行细微调节，以控制浮子3在电磁托盘中的悬浮位置。调磁单元6是跟随电磁托盘5同步设定的电磁单元组合，因而也是一种动态组合。

定子阵列中的电磁托盘在物理结构和电气功能上等效于一个常规的磁悬浮定子。在此基础上，常规的磁悬浮系统的控制与调整方法依旧适用。此外，这种以电磁方式形成的定子磁场还具备了一个常规磁悬浮定子所难以企及的优势，即电磁托盘在作为一个整体对待时，还可以进行径向的拓展或收缩，以便通过适度增减通电励磁的电磁单元来改变整个托举磁场的强度，进而调整浮子的悬浮高度，甚至改变磁场的形状，进而调整浮子的悬浮倾角。

定子上的整个电磁单元阵列2所包括的范围均是电磁托盘5所运行的区域。根据浮子直径的不同，形成电磁托盘的组合方式必然有所差别，但基本的架构不会有本质性的变化。定子的边缘决定了电磁托盘的构成区间，而当电磁托盘处于定子阵列的边缘时，其中心即为浮子在边缘所能够达到的最终位置。将浮子所能达到的各边缘的最终位置连接起来，就形成了浮子最大的运动区域。

为减少计算机的计算量以及便于运行控制，还可将定子上的电磁单元阵列2分解为若干几何形状相同的阵列子集。对于电磁单元阵列的总面积较小的定子，可分解为图4所示的三个菱形的阵列子集；或者是在整个电磁单元阵列2的内部，分解出图5所示的多个正六边形或其他接近于圆形的阵列子集。图5所示的阵列子集再以大蜂窝形式排列组合，即组成一个完整的电磁单元阵列2。当浮子3进入该阵列子集后，浮子定位传感器7通过精确测定浮子磁场，实时提供浮子位置的三维数据。在本阵列子集中心位置处的电磁单元（灰色）是作为电磁托盘平移参照点8，其目的仅在于方便进行该阵列子集内部的电磁托盘后续的平移位置对比（图5—图8，图11），能够方便地对相邻的电磁托盘进行位置观察、对比和定位。

每个阵列子集均可在控制系统的控制下，由不同位置上的电磁单元构成类似于常规磁悬浮演示系统的定子结构，即在阵列子集中通过选定部分电磁单元并予以通电励磁的方式，设定成为电磁托盘5（绿色组合）和调磁单元6（蓝色组合）这样两种虚拟的托举装置。

如图10所示，本发明平移式磁悬浮系统中的控制系统包括总控单元和若干控制单元，每个控制单元分别与电磁单元阵列2中的一个电磁单元4电连接。总控单元通过网络通讯模块与各控制单元相接，用于向控制单元发送电磁托盘在定子中的设定位置及其位置变换、调磁单元在定子中的设定位置及其位置变换等各种总控指令。

控制单元包括网络通讯模块、单片机和驱动电路。其中，网络通讯模块分别与单片机和总控单元相接，用于构建控制单元相互之间以及控制单元与总控单元之间的网络通讯的信息通道。单片机分别与网络通讯模块、驱动电路和电磁单元中的三维磁性传感器相接，用于根据所接收的浮子精确位置的三维数据信息，通过驱动电路调整励磁线圈中励磁电流的通断、大小和方向，以对浮子进行定中调整，并根据总控单元发出的控制指令，对浮子进行调偏和以励磁电流通断的方式决定所连接的电磁单元是否形成电磁托盘的组成部分，或是形成调磁单元的组成部分。驱动电路分别与单片机和电磁单元中的励磁线圈相接，用于根据单片机的指令调整励磁电流在励磁线圈中的通断、大小和方向。

实施例2：

本实施例与实施例1的平移式磁悬浮系统的系统构成基本相同，只是调磁单元6的设定结构有所改变。如图11所示，本实施例中调磁单元6是以电磁托盘的几何中心位的电磁单元为对称中心点，选择电磁托盘内环圈中的上、下对称和左、右对称的四个电磁单元作为调磁单元6，其工作方式与实施例1的磁悬浮系统相似，以实现对浮子3的相对电磁托盘的定中调整。

实施例3：

本实施例与实施例1中的平移式磁悬浮系统的系统构成基本相同，只是定子上的电磁单元阵列2的排布方式以及电磁单元的组成形式有所改变。

如图12所示，本实施例中的电磁单元是将电磁线圈42与三维磁性传感器41相分离，分别按照横成排、竖成列的直角坐标方式进行排布，且每个三维磁性传感器41位于矩阵排布的四个相邻电磁线圈42的中心空当位，由此在定子上即形成了励磁线圈阵列和传感器阵列。

在本实施例中，电磁托盘5的构成形式是，由五个电磁线圈22排成一边所组成的一个正四边形的环圈中，除去四个顶角位置处的电磁线圈之后，其余的十六个电磁线圈42的组合即组成一个电磁托盘5（图12中成环圈环绕的16个标成绿色的电磁线圈）。组成电磁托盘的这十六个电磁线圈，在同步通入励磁电流之后，即可形成对浮子起支撑作用的托举磁场，以磁斥方式对其上方的浮子3起到基本的支撑作用（图2）。在这种情况下，可以认为传统的磁悬浮模式就是本发明的一个阵列子集。

在本实施例中，调磁单元6的构成形式是，在电磁托盘5所围绕的内四边形各顶角处的电磁线圈的组合（图12中的4个标成蓝色的电磁线圈）。调磁单元6的这四个电磁线圈在通入调制的励磁电流后，就可以对浮子3在电磁托盘5中的位置进行细微调节，以对浮子3相对于电磁托盘进行定中调整；也可根据电磁托盘5在电磁单元阵列2中的步进式的位置变换，而随之形成步进式的平面移动。

实施例4：浮子平移的控制方法。

结合实施例1的平移式磁悬浮系统，本发明浮子平移的控制方法是：采用上述的平移式磁悬浮系统，利用总控单元和网络通讯模块，向控制单元中的单片机发送指令，由控制单元中的单片机控制驱动电路，以通电励磁的方式，控制定子中对应的电磁单元分别组成电磁托盘和调磁单元。电磁托盘用以对其上方的浮子起到基本支撑的作用和对托举磁场起到径向变更的作用。调磁单元用以控制浮子在电磁托盘上稳定悬浮的平衡位置；通过控制电磁托盘和调磁单元在定子中的位置变换，即可带动浮子在定子的电磁单元阵列上方实现平移。

从图2中不难看出，浮子磁场可能涵盖了数个电磁单元，亦即同时作用于数个传感器。因此，尽管浮子定位传感器已经可以标定浮子磁场中心的位置，但若结合周边其他被涵盖的传感器的数据共同计算，则会更为准确，抗扰能力更强，甚至可以在个别传感器失效的情况下容错运行。浮子的磁场范围在这些传感器中均解耦为该传感器X、Y方向的分量，所有分量综合后则可以更为精准地反映浮子中心的具体坐标值。

浮子悬浮于电磁托盘之上，浮子所在的三维位置信息被其下方的浮子定位传感器所感知，该位置信息传输到对应的控制单元中的单片机，该单片机对浮子位置进行分析，并给出调磁单元的控制信号，送入与调磁单元相接的各驱动电路；控制信号经由驱动电路完成功率放大后，分别驱动调磁单元中相应电子单元上的励磁线圈，以便产生相应的定位磁场，使浮子在电磁托盘上能够处于指定的悬浮位置。

在本发明控制方法中，整个电磁单元阵列可分解成若干个电磁单元的阵列子集，每个阵列子集均在计算机控制下，完成一个电磁托盘的设置。即，由不同位置上的电磁单元构成一个类似于常规磁悬浮演示系统的定子结构。从理论上来说，具有多少个阵列子集，就能形成多少个电磁托盘，就能托举起多少个浮子。但在实际实施时，还需受到电磁托盘和浮子的规模、尺寸、场强、磁路和悬浮高度等一系列因素的制约。

为了准确地形成电磁托盘，并使其能够移动到电磁单元阵列中任何一个指定位置，所有电磁单元4在底板1上固定后，必须对其设定唯一的编码，以此明确其相对于定子中心的具体位置。进而在浮子移动过程中，能够准确地进行浮子的实时定位，以及明确其目的坐标。在本发明的定子电磁单元阵列2的排布形式下，无论是对于浮子平移的描述，还是调磁线圈的控制，使用极坐标系是非常方便的。

每个三维磁性传感器所能够感受磁场的有效区间是有限的，往往局限于以该传感器为中心、一定半径所标识的一个圆形范围之内，如图9所示的传感器外围的圆圈所示。与两个相邻线圈的磁场可以重叠的情况类似，当传感器阵列中的传感器两两相距较近时，也存在着一些相互重叠的区域。这些区域就构成了相邻的不同传感器之间感应范围的交集。

如前所述，这个交集的作用区可称为“控制共享区”。控制共享区9的建立及其参数的确定，对于浮子的平移控制十分重要。只要通过对励磁电流的精细调控，便可将电磁托盘的磁场中心在不脱离浮子稳定范围的前提下，有意偏离该电磁托盘的几何中心，即偏离了中间位置的传感器中心。进而，可将浮子中心部位吸引至某一侧的控制共享区域内。此时，便可由该控制共享区中的下一个传感器为中心，构建形成一个新的电磁托盘，以“接管”由原电磁托盘控制悬浮的浮子，使浮子的位置重新得到调整。

在浮子的磁场中心进入控制共享区后，基于电磁托盘连续的“动态重构”方式所“接力”完成的浮子控制权转移和相应的浮子平移运动的方法，可以称之为浮子的“同位交接技术”。

图6所示的电磁托盘是在图5的基础上向右侧行进了一个电磁单元。当然，此时的励磁和调磁单元以及浮子定位传感器等于全部都在计算机的控制之下向右平移一个电磁单元。浮子在新的电磁托盘中找到新的平衡点，稳定悬浮。同样，电磁托盘也可以按照图7所示的方式，向其左下侧再平移一步；也可按照图8的方式，向其右下侧再平移一步。浮子也对应地向图示的左下侧或右下侧平移一步。

以此类推，相对于阵列子集中心的灰色电磁单元8，可以很容易看出，如果这些步骤按照相邻传感器的排列顺序依次进行，就可使浮子4在整个二维的定子阵列所限定的范围内，准确地进行平移运动。

因此，对于每一个电磁单元中的励磁线圈来说，在系统的工作过程中都有三种状态，即通电下的励磁状态或调磁状态，以及断电下的空白状态。这是由计算机根据某一时刻位于电磁托盘中心的传感器所得到的浮子当前位置信息以及系统程序所设定的目标位置信息所共同确定的。甚至电磁托盘中处于空白状态的电磁单元，依旧可以按照控制的需要，赋予其相应的励磁或调磁功能。

浮子的悬浮状态的保持是一个实时和动态的位置校正过程。控制系统通过定子上的传感器阵列获取浮子在阵列上的偏移位置信号，并通过传统的PWM技术，控制相关电磁单元的通电模式，使得浮子始终能够在相应磁场的牵拉和推送过程中，准确行进在系统所设定的运行路线上，或稳定保持其悬浮状态。

单片机发出的控制信息经由驱动电路中的功率放大环节进行功放后，直接驱动电磁托盘产生相应的磁场。该磁场由两个主要部分组成：一是由励磁环节产生的托举磁场，使浮子能够在定子磁场中得到稳定的托举力量；二是由调磁单元产生的定位磁场，以动态调控浮子定位精度，或是在可调范围中确定其具体位置。因此，浮子既可处于稳定的静止状态，又能跟随电磁托盘的换位，以同位交接的方式精准地完成平移。

由于每个电磁单元都具有实施浮子托举或定位的功能，必须得到独立驱动，所以电磁单元与驱动电路是一一对应的关系。此外，每个驱动电路也必须得到独立控制，再结合传感器等大量数据的实时采集、处理等特点，使得自身功能简单、接口有限的单个单片机适用于工作在一个控制单元中。

有鉴于此，本发明的整个控制系统是使用多机方式构成，形成了一个分布式单片机阵列（图10），以适应系统所具有的测点多、实时要求高和电磁干扰大等特点。其中，单片机之间以及与总控单元之间，全部使用CAN总线或类似的底层设备网络进行横向连接。其检测到的磁体位置信号和总控环节的控制指令均经由底层设备网络传输。只有在此基础上，每个电磁单元之间、不同的定子区域之间的协调，以及控制策略的实施、顶层功能的分解和各个检测参数的解耦等内容，才可方便地完整实现。鉴于此类网络技术和单元集成技术目前已经非常成熟，在本发明中则不再赘述。

所以，“定中”实际上就是由不同的组合所构成的调磁环节，从不同的方向对于浮子的位置进行调整，最终达到一个动态的平衡。此时，其直观显现的效果就是浮子能够稳定悬浮于电磁托盘的几何中心。而“调偏”的过程则恰恰相反，是将浮子从托盘中点的位置送入一个偏离点，即将浮子的平衡点定义在原先的偏离点之上。在电磁托盘的作用领域内，将浮子调整到离开电磁托盘中心、并能够稳定在这个新的平衡点。这也正是定中的逆过程。

总之，本发明通过传感器阵列实时获得浮子在整个定子平面中的位置和状态信息，再由总控单元经网络通信模块控制电磁平面阵列中相应的电磁单元，在浮子的磁力中心进入控制共享区后，将其磁性支撑和调整环境通过同位交接方式完整地予以平移，使得浮子能从一个固定的浮子平衡点平稳转移到下一个平衡点。即，在程序控制下，不断以相邻的三维磁性传感器为中心、以完整的模块方式所进行的电磁托盘动态重组，均能使电磁托盘出现相应的“移位”。再配合上述浮子动态定位和转移的技术后，其效果则为浮子在整个定子上的电磁单元阵列的范围内能够完成一系列连续的机械运动。从而，可使磁悬浮的演示效果得到从静态到动态的显著改善。

Claims (6)

1.一种平移式磁悬浮系统，其特征是，包括定子、浮子和控制系统；所述定子包括底板以及设置于其上并密集排布成几何形的若干电磁单元；所述电磁单元包括三维磁性传感器和励磁线圈；在所述定子中设有电磁托盘和调磁单元；定子上的所述电磁单元按蜂窝状或矩阵式排布，所述定子能够分解为若干形状相同的阵列子集，在每个所述阵列子集中，设有各自的电磁托盘和调磁单元；

所述电磁托盘是合围成一个正多边形环圈或一个类圆形环圈中的若干电磁单元的动态组合，位于电磁托盘中心位置处的电磁单元用作为检测和标识浮子位置的浮子定位传感器，组成电磁托盘的电磁单元在通入励磁电流后即产生对浮子起支撑作用的托举磁场；

所述调磁单元是指分布在电磁托盘紧邻的内层环圈上的若干电磁单元，其中的每个电磁单元均以电磁托盘的中心点为对称中心，与另一个电磁单元呈中心对称分布；调磁单元中的电磁单元在通入调制的励磁电流后即能对浮子进行相对于电磁托盘中心的定中或调偏；

所述控制系统包括总控单元和若干控制单元，每个控制单元分别与所述定子中的一个电磁单元电连接；

所述总控单元通过网络通讯模块与各控制单元相接，用于向控制单元发送包括电磁托盘在定子中的设定位置及其位置变换以及调磁单元在定子中的设定位置及其位置变换在内的总控指令；

所述控制单元包括：

网络通讯模块，分别与单片机和总控单元相接，用于构建控制单元相互之间以及控制单元与总控单元之间的网络通讯的信息通道；

单片机，分别与所述网络通讯模块、驱动电路和电磁单元中的三维磁性传感器相接，用于根据所接收的浮子精确位置的三维数据信息，通过驱动电路调整励磁线圈中励磁电流的通断、大小和方向，以对浮子进行定中调整，并根据总控单元发出的控制指令，对浮子进行调偏和决定所连接的电磁单元是否形成电磁托盘的组成部分或调磁单元的组成部分；所述电磁托盘用以对其上方的浮子起到支撑作用，并对托举磁场起到径向拓展的作用；所述调磁单元用以控制浮子在电磁托盘上处于居中悬浮或定点悬浮的平衡位置；通过控制电磁托盘和调磁单元在定子中的位置变换，即可带动浮子在定子上方实现平移；以及

驱动电路，分别与单片机和电磁单元中的励磁线圈相接，用于根据单片机的指令调整励磁电流在励磁线圈中的通断、大小和方向。

2.根据权利要求1所述的平移式磁悬浮系统，其特征是，所述浮子为单体磁钢结构，通过所述电磁托盘的托举，悬浮在电磁托盘的上方。

3.一种平移式磁悬浮系统中的浮子平移控制方法，其特征是，采用权利要求1—2任一权利要求所述的平移式磁悬浮系统，利用总控单元向控制单元中的单片机发送指令，以控制定子中对应的电磁单元分别组成电磁托盘和调磁单元；所述电磁托盘用以对其上方的浮子起到支撑作用，并对托举磁场起到径向拓展的作用；所述调磁单元用以控制浮子在电磁托盘上处于居中悬浮或定点悬浮的平衡位置；通过控制电磁托盘和调磁单元在定子中的位置变换，即可带动浮子在定子上方实现平移。

4.根据权利要求3所述的浮子平移控制方法，其特征是，悬浮在电磁托盘上的浮子，其所在的三维位置信息被其下方的浮子定位传感器所感知，该位置信息传输到与其电连接的控制单元中的单片机，该单片机对浮子位置进行分析，并给出调磁单元的控制信号，送入与调磁单元相接的各驱动电路；该控制信号经由驱动电路完成功率放大后，分别驱动调磁单元中相应电磁单元上的励磁线圈，以产生相应的定位磁场，使浮子在电磁托盘上保持定中或在被控范围内定位。

5.根据权利要求3所述的浮子平移控制方法，其特征是，通过控制单元中的单片机调控励磁线圈的励磁电流，使相邻电磁单元中产生的磁场一部分作为控制共享区的交集，并将电磁托盘的磁场中心在不脱离浮子稳定范围的前提下，偏离浮子定位传感器所标识的电磁托盘的几何中心，将浮子中心部位吸引至行进方向一侧的控制共享区内，由控制共享区中的下一个浮子定位传感器为中心，构建形成一个新的电磁托盘，以接管由原电磁托盘控制悬浮的浮子，使浮子的位置沿行进方向得到调整。

6.根据权利要求3所述的浮子平移控制方法，其特征是，组成调磁单元的各电磁单元，以位置对称的两个电磁单元组成一个调整组，每组中的两个电磁单元中的励磁线圈中的励磁电流方向相反，以在二者表面产生极性相反的磁场，对浮子进行定位调整。

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