CN201045606Y - 单轴磁悬浮自由转台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单轴磁悬浮自由转台，主要用于对航天器等运动体的控制系统进行全物理仿真。该单轴磁悬浮自由转台包括结构支撑单元、轴承单元、轴向磁悬浮单元、传感器单元、间隙调整与控制单元和轴面单元。其中轴面单元、上传感器、上磁体和轴承单元的转子部分作为磁浮转台的转动部分，结构支撑单元、下传感器、下磁体和轴承单元的定子部分、间隙调控单元作为磁浮转台的静止部分，轴向磁悬浮单元中相对设置的上磁体和下磁体产生磁力来平衡转动部分重力的影响，以使转动部分能绕芯轴无摩擦地旋转。作为一种自由转台，本实用新型克服了一般的半物理仿真机械转台摩擦力矩大的缺点，并且可以确保控制系统仿真对象具有自主闭环的特点。

Description

单轴磁悬浮自由转台

技术领域

本实用新型涉及一种应用磁浮原理的物理仿真实验转台，尤其涉及一种采用单轴结构的全物理仿真磁浮实验转台，属于测试设备技术领域。

背景技术

科学研究通常有三种途径：理论推导、科学实验和仿真模拟。各种仿真技术的应用在科学研究中发挥着不可或缺的作用。特别是在控制技术研究领域，采用各种仿真技术是进行理论研究与工程实践的重要手段。

目前，仿真技术主要分为两类：计算机仿真和物理仿真。计算机仿真实质上是数学仿真，它首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化为仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到仿真系统运行的目的。计算机仿真主要用于进行控制方法的研究，但其无法验证实际系统的技术可行性，更不能对一个实际系统的初样和正样进行检验和验收。因此，物理仿真也是必不可少的。物理仿真也称实体仿真，是指根据物理模型，直接制造实物来模拟原事物在某些条件下的响应。物理仿真主要用于控制系统的测试与验证。

物理仿真分为全物理仿真和半物理仿真两种。半物理仿真是指采用部分物理模型和部分数学模型的仿真，主要用于运动学模拟或部分控制部件测试验证。全物理仿真是指全部采用物理模型的仿真，它可以确保仿真对象对包括动力学、敏感器、执行机构、控制器及控制方案在内的整个闭环控制系统进行理论方法研究、系统测试与验证。

当前，随着我国航天事业的发展，对各种类型空间飞行器的研制工作正在紧锣密鼓地开展之中。在研制空间飞行器控制系统的过程中，为了在地面全物理仿真实验中模拟出空间的失重效果，国内外通常采用吊丝配重式、水浮式或气浮的方式。采用吊丝配重的方式，可以保证吊丝偏角很小且拉力与物体重力相等，以补偿飞行器本体重力负载的影响。但是在实践中，这种方式的具体实施极其困难，其难度甚至超过飞行器本身的控制。水浮实验系统所用的纯净水的养护费用极高，并且难以对实验对象本身进行防水与配重处理。因此，无论是水浮还是吊丝配重，在转轴方向都始终难以完全补偿重力的影响。而气浮台实验系统的气源装置由空气压缩机、储气、干燥和过滤设备等组成，本身结构非常复杂，一般需要专人维护，具有占用空间大、运输及维护费用高等特点，并且高压气体本身也存在振动噪声大、安全隐患大的缺点。

在公开号为CN1865897A的中国发明专利申请“高精度单轴磁悬浮转台”中，公开了一种由力矩电机、下保护轴承、下径向/轴向一体化位移传感器、下径向磁悬浮轴承、下底座、下轴向磁悬浮轴承、芯轴、上轴向磁悬浮轴承、上径向磁悬浮轴承、上径向/轴向一体化位移传感器、上底座、上保护轴承、角位置编码器和工作台组成的高精度单轴磁悬浮转台。其中，定子和转子之间通过径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承实现非机械接触的稳定悬浮。但是，该技术方案中，机械转台是由力矩电机驱动转轴运动。这就意味者对于仿真试验对象来说，控制力矩是由外部提供的、而不是由自身内部执行机构产生的，执行机构的质量惯性特性也不包含在仿真对象的动力学之中。因此严格地说，该技术方案并不能完全满足全物理仿真要求能够尽可能独立地、完整地、纯粹地对整个闭环控制系统进行模拟的要求。

发明内容

鉴于如上所述现有全物理仿真技术的不足之处，本实用新型的目的是提供一种新型的单轴磁悬浮自由转台。该磁浮转台可以为航天器等运动体控制系统的全物理仿真提供一个自主闭环的实验平台。

为实现上述的目的，本实用新型采用下述的技术方案：

一种单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述单轴磁悬浮自由转台包括结构支撑单元、轴承单元、轴向磁悬浮单元、传感器单元、间隙调整与控制单元和轴面单元；

所述传感器单元包括相对设置的上传感器和下传感器；所述轴向磁悬浮单元包括相对设置的上磁体和下磁体；所述轴承单元包括作为转子部分的上、下轴承和作为定子部分的上、下轴承盖；所述轴面单元包括仿真实验台面与芯轴，所述上轴承和下轴承环绕所述芯轴设置；

所述轴面单元、上传感器、上磁体和轴承单元的转子部分作为磁浮转台的转动部分，所述结构支撑单元、下传感器、下磁体和轴承单元的定子部分、间隙调控单元作为磁浮转台的静止部分，所述轴向磁悬浮单元中相对设置的上磁体和下磁体产生磁力来平衡所述转动部分重力的影响，以使所述转动部分能绕所述芯轴无摩擦地旋转。

其中，所述结构支撑单元包括基座、直线轴承座与垫铁；

其中的基座为圆筒状，其底端有向外扩大的环形底座，在环形底座和基座之间均匀分布有若干加强筋，所述环形底座的底端通过若干个所述垫铁与地接触以提供支撑。

所述间隙调整与控制单元中包括直线导向轴、调整法兰、间隙调节螺杆、手动调整轮和自动间隙控制器；

所述直线导向轴与所述芯轴布置在同一轴线上，所述上传感器固定在所述芯轴上，所述下传感器固定在所述直线导向轴上，所述自动间隙控制器分别与所述上、下传感器相连接，对所述直线导向轴与所述芯轴之间的间隙进行闭环控制。

所述直线导向轴与下传感器支座固定安装，安装在基座底部上面的直线轴承座的内壁采用软橡胶材质，所述直线导向轴的外径略小于直线轴承座的内径；

在所述基座底部下面安装有所述调整法兰，所述调整法兰的内壁攻有螺丝，且内壁直径略大于所述直线导向轴的外径；

所述间隙调节螺杆上部的螺纹正好与所述调整法兰内壁的丝口相匹配，所述间隙调节螺杆的下部安装在所述手动调节轮上。

所述芯轴的下侧开有传感器电缆通孔，所述自动间隙控制器通过穿过该通孔的电缆与所述上传感器和下传感器相连接；

所述自动间隙控制器安装在所述基座与环形底座相接的位置。

所述上传感器包括角位移传感器的转子部分和间隙传感器的上半部分，所述下传感器包括角位移传感器的定子部分和间隙传感器的下半部分。

所述角位移传感器的转子部分为角位移传感器中连接电缆的部分。

所述上轴承盖的上侧是轴向磁悬浮单元中的下磁体和下磁体支座，所述仿真实验台面的下侧是轴向磁悬浮单元中的上磁体支座和上磁体，所述上、下磁体支座为环状，其上有位置相对应的若干回转体，所述上、下磁体分别放置在所述回转体形成的凹槽中，通电导线沿所述回转体设置。

所述通电导线中电流方向的控制通过MOS电路来实现，所述MOS电路中，第一MOS管与第三MOS管串接，第MOS管与第四MOS管也串接，它们并联在V+与GND之间，在第一MOS管与第四MOS管之间设置有通电导线。

所述第一MOS管与第三MOS管的触发端短接在一起，所述第MOS管与第四MOS管的触发端短接在一起；且两个短接处的电平状态时时相反。

采用上述方案后，本实用新型同气浮台相比，无需气源装置，同吊丝配重和水浮实验装置相比可以在转轴方向上完全抵消重力的不利影响，确保仿真对象和磁浮转台之间在动力学上的完全分离。作为一种自由转台，本实用新型克服了一般的半物理仿真机械转台摩擦力矩大的缺点，并且可以确保控制系统仿真对象具有自主闭环的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型所提供的单轴磁悬浮自由转台的结构示意图。

图2是图1所示的单轴磁悬浮自由转台的使用状态示意图。

图3是直线导向轴的结构示意图。

图4是调整法兰的结构示意图。

图5是间隙调节螺杆的结构示意图。

图6是直线轴承座的结构示意图。

图7是手动调整轮的结构示意图。

图8是上传感器支座的结构示意图。

图9是下传感器支座的结构示意图。

图10是上磁体支座的结构示意图。

图11是下磁体支座的结构示意图。

图12是自动间隙控制原理的框图。

图13是电流方向控制电路的原理图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种用于实现航天器等运动体全物理仿真的单轴磁悬浮自由转台。如图1所示，该单轴磁悬浮自由转台主要由结构支撑单元、轴承单元、轴向磁悬浮单元、传感器单元、间隙调整与控制单元和轴面单元等6个单元组成。其中，结构支撑单元包括基座11、直线轴承座17与垫铁23；轴承单元包括上轴承盖7、上轴承8、下轴承9、下轴承盖10；轴向磁悬浮单元包括上磁体支座2、上磁体3、下磁体5和下磁体支座6；传感器单元包括传感器电缆通孔12、上传感器支座13、上传感器14、下传感器15和下传感器支座16；间隙调控单元包括直线导向轴18、调整法兰19、间隙调节螺杆20、手动调整轮21和自动间隙控制器22；轴面单元包括仿真实验台面1与芯轴4。

与背景技术中提到的中国发明专利申请“高精度单轴磁悬浮转台”不同的是，在本实用新型中不存在力矩电机驱动转轴运动，整个磁浮转台的转动部分只有轴面单元、传感器单元的上面部分、轴向磁悬浮单元的上面部分和轴承单元的转子部分；而结构支撑单元、传感器单元的下面部分、轴向磁悬浮单元的下面部分、轴承单元的定子部分、间隙调控单元的手动部分则属于整个磁浮转台的静止部分。

该单轴磁悬浮自由转台的工作原理是：利用结构支撑单元对整个磁浮转台及其载荷(仿真实验对象)进行支撑，轴面单元为仿真对象提供转轴，并提供绕转轴转动的仿真实验台面。通过轴承单元将转动部分和静止部分分离开来。利用轴向磁悬浮单元所产生的磁力来平衡载荷(仿真实验对象)重力的影响，确保磁浮转台能够绕转轴无摩擦地旋转。

参见图1和图2所示，结构支撑单元中的基座11为圆筒状，其底端有向外扩大的环形底座。该种设计方式降低了本单轴磁悬浮自由转台的重心，使磁浮转台在使用时更加稳定。为了减轻整个磁浮转台的重量，环形底座上可以开有若干个如图2所示的通孔。另外，为了加强基座11的强度，在环形底座和基座11之间均匀分布有若干个三角形的加强筋。该环形底座的底端不直接与地面接触，而是通过若干个垫铁23与地接触以提供支撑，这是为了避免地面不平给本磁浮转台的使用带来不利的影响。

基座11的上端与轴承单元中的上轴承盖7相连接。该上轴承盖7为圆形，中心处为上轴承8。上轴承8环绕轴面单元中的芯轴4设置。该芯轴4的上端是用于放置实验物品的仿真实验台面1，下端周缘为轴承单元中的下轴承9，下轴承9由下轴承盖10提供支撑。轴承单元为了将转动部分与静止部分进行分离。通过同时采用上轴承8与下轴承9来保证芯轴4始终处于同一条直线上。上轴承8与下轴承9可采用机械滚珠轴承，也可采用径向永磁轴承以消除径向摩擦。在上轴承盖7与下轴承盖10之间，通过一个圆管进行连接，在该圆管的外侧，也均匀分布有若干较小的三角形加强筋。

芯轴4的底端是间隙调控单元中的直线导向轴18。该直线导向轴的结构如图3所示，为一个中间有穿孔的圆柱体。直线导向轴18的外缘是如图4所示的调整法兰19，下端是如图5所示的间隙调节螺杆20。在调整法兰19与基座11之间安装有图6所示的直线轴承座17。该直线轴承座17为一个中间有凸起的回转体的圆环，它与下传感器支座16也固定连接。间隙调节螺杆20的外缘设置有图7所示的手动调整轮21。间隙调控单元中的自动间隙控制器22既可安装在静止部分，也可安装在转动部分，还可同时在转动部分与静止部分安装。该自动间隙控制器22可以根据动态载荷引起的间隙变化，自动改变轴向磁悬浮单元所产生的磁力，确保磁浮转台以适当的间隙范围尽可能无摩擦地旋转。在图1所示的实施例中，该自动间隙控制器22安装在结构支撑单元中的基座11与环形底座相接的位置。

芯轴4与直线导向轴18相接触的地方设置有传感器单元。在本实用新型中，传感器按功能分包括角位移传感器和间隙传感器，其中角位移传感器的转子部分和间隙传感器的上半部分安装在上方的位置，称为上传感器14；角位移传感器的定子部分和间隙传感器的下半部分安装在下方的位置，称为下传感器15。上传感器14和下传感器15相对设置，以便测量芯轴4与直线导向轴18之间间隙的精确数值。上传感器支座13和上传感器14固定在芯轴4上，下传感器15和下传感器支座16固定在直线导向轴18上。上传感器支座13参见图8所示，下传感器支座16参见图9所示，它们均为环状体。

在芯轴4的下侧开有传感器电缆通孔12，以便让上述的自动间隙控制器22通过穿过该通孔的电缆与传感器单元中的上传感器14和下传感器15相连接。上述的传感器单元一方面要对磁浮转台绕转轴旋转的姿态角位移进行高精度测量，并能够在确保转子与定子分离的前提下，通过上传感器支座将测量信号传送到仿真试验台面。另一方面要在轴向对角位移上传感器与角位移下传感器之间的轴向间隙进行测量，并将测量信号传送到自动间隙控制器，以便实现对间隙的闭环控制。对此，下文中将有详细的说明。

上轴承盖7的上侧是轴向磁悬浮单元中的下磁体5和下磁体支座6，仿真实验台面1的下侧是轴向磁悬浮单元中的上磁体支座2和上磁体3。其中上磁体3和下磁体5相对设置，用于提供抵消仿真实验台面1及放置其上的实验物品重力影响的电磁斥力。参见图10和图11所示，其中图10显示了上磁体支座的一种实施例，图11显示了与该上磁体支座结构相对应的下磁体支座的实施例。在这个实施例中，上、下磁体支座为环状，其上有位置相对应的若干用于安放通电导线的回转体，其中图上标有2A、3A的地方(即由回转体形成的凹槽)就是分别放置上、下磁体的位置。另外，通电导线既可采用内线圈的方式放置(放置位置为图中的2B、3B)，也可采用外线圈的方式放置(放置位置为图中的2C、3C)。

轴向磁悬浮单元是本磁浮转台的核心功能元件之一。该单元可以采用“永磁+电磁”的方式，根据同极性磁体相斥的原理利用电磁力对作为磁浮转台载荷的仿真实验对象的重力进行补偿。在具体的控制过程中，采用对电磁铁通电电流的大小和方向同时控制的方式，根据载荷需求变化在永磁体和电磁体之间进行合理的折中。如果让电流保持恒定的方向，那么磁体应按照补偿仿真实验对象最小载荷的要求进行设计，电磁力应按照补偿仿真实验对象最大载荷的要求进行设计。电磁力通过在电磁铁上布设通电导线来实现。磁体力的计算公式为：

$F=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{\ϵ}}{2}\▿{\left(B\right)}^2---\left(1\right)$

其中μ₀，μ_r，ε，B分别为真空中的磁导率、可磁化介质的相对磁导率、磁化率和磁场强度矢量。

磁场强度与磁体之间的间隙h(t)(和角位移传感器间的间隙差一个常数)成平方反比关系。对于电磁铁来说，磁场强度同线圈的匝数N、截面积S和电流的平方成正比，即

$F=k{\left(\frac{i\left(t\right)}{h\left(t\right)}\right)}^2,$ $k=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\mathrm{\ϵ}{N}^{2}S}{2}---\left(2\right)$

假设仿真实验对象载荷(磁浮转台的转动部分)的总重量为mg，则磁悬浮运动方程为

为了减小仿真对象的电功耗，一般采用下电磁；当然也可采用上电磁或上、下联合电磁，这并不影响仿真实验的自主闭环特点，但会增加磁浮转台上的功耗。

图12所示为自动间隙控制器实现对间隙的闭环控制的实施原理框图。为了实现对仿真对象的自主闭环控制，将角位移传感器中连接电缆的部分作为转子，安装在上传感器支座上；而另一部分则当作定子，安装在下传感器支座上。

在进行全物理仿真时，为了确保角位移传感器测量信号的品质，要求轴向间隙保持在适当的范围。为此，需要在轴向对角位移传感器转子与定子之间的间隙进行实时动态测量，并将测量信号提供给自动间隙控制器。间隙传感器可以采用电涡流位移传感器或其它微位移传感器。它对当前轴向间隙进行测量，经过模/数(A/D)变换后同期望间隙进行比较，根据其比较结果，间隙控制器可以采用不同的控制方法(如PID方法，变结构、自适应或智能控制方法等)来计算控制变量(磁悬浮力)的大小，然后经过数/模(D/A)变换、功率放大、电流方向控制，最后驱动通电导线产生适当大小的电磁力，从而按期望调整总悬浮力的大小，达到控制实际间隙大小的目的。

对于通电导线中电流方向的控制，本实用新型提供了一种简单的解决方法，就是在电源处加开关用逻辑元件来控制导通状态。这可以用如图13所示的MOS电路来实现。该电路中，MOS管Q1和Q3串接，Q2和Q4也串接，它们并联在V+与GND之间。在Q1和Q4之间设置有通电导线L。利用该电路，可以实现通电导线中的电流反向。具体实现条件如下：Q1和Q3的触发端应该短接在一起，Q2和Q4的触发端应该短接在一起；且两个短接处的电平状态应该时时相反。即：Q1、Q3高电平时，Q2、Q4应该同时为低电平；反之同理。什么时候需要改变通电导线中的电流方向，控制电平的高低即可：当送入Q1、Q3为高电平时，电流方向向下；反之向上。

在本实用新型中，通过间隙调控单元的手动部分，可以对轴向间隙进行初始调准并进行最小间隙设置，以对系统进行机械保护。这里的机械保护是这样实现的：直线导向轴18与下传感器支座16固定安装。安装在基座底部上面的直线轴承座17的内壁采用软橡胶材质，而直线导向轴18的外径略小于直线轴承座17的内径，因此可以在直线轴承座17里面带动下传感器支座16及下传感器15作上下运动。在基座11底部下面安装有调整法兰19，调整法兰19的内壁攻有螺丝，且内壁直径略大于直线导向轴18的外径。间隙调节螺杆20上部的螺纹正好与调整法兰19内壁的丝口相匹配。间隙调节螺杆的下部安装在手动调节轮21上。这样，通过旋紧手动调节轮及调节螺杆，就可以使直线导向轴上表面顶到芯轴的下表面，这时角位移传感器的轴向间隙最小；然后再旋松手动调节轮及调节螺杆，下传感器连同其支座和直线导向轴就会相应下降，根据手动调节轮旋松的圈数就可大致确定角位移传感器之间的轴向间隙，将初始间隙调试到适当的大小，使角位移测量性能最佳。另外，采用同样的方式，也可以对间隙传感器的读数进行初始校准。

以上对本实用新型所提供的单轴磁悬浮自由转台进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述单轴磁悬浮自由转台包括结构支撑单元、轴承单元、轴向磁悬浮单元、传感器单元、间隙调整与控制单元和轴面单元；

所述传感器单元包括相对设置的上传感器和下传感器；所述轴向磁悬浮单元包括相对设置的上磁体和下磁体；所述轴承单元包括作为转子部分的上、下轴承和作为定子部分的上、下轴承盖；所述轴面单元包括仿真实验台面与芯轴，所述上轴承和下轴承环绕所述芯轴设置；

所述轴面单元、上传感器、上磁体和轴承单元的转子部分作为磁浮转台的转动部分，所述结构支撑单元、下传感器、下磁体和轴承单元的定子部分、间隙调控单元作为磁浮转台的静止部分，所述轴向磁悬浮单元中相对设置的上磁体和下磁体产生磁力来平衡所述转动部分重力的影响，以使所述转动部分能绕所述芯轴无摩擦地旋转。

2.如权利要求1所述的单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述结构支撑单元包括基座、直线轴承座与垫铁；

其中的基座为圆筒状，其底端有向外扩大的环形底座，在环形底座和基座之间均匀分布有若干加强筋，所述环形底座的底端通过若干个所述垫铁与地接触以提供支撑。

3.如权利要求1所述的单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述间隙调整与控制单元中包括直线导向轴、调整法兰、间隙调节螺杆、手动调整轮和自动间隙控制器；

所述直线导向轴与所述芯轴布置在同一轴线上，所述上传感器固定在所述芯轴上，所述下传感器固定在所述直线导向轴上，所述自动间隙控制器分别与所述上、下传感器相连接，对所述直线导向轴与所述芯轴之间的间隙进行闭环控制。

4.如权利要求3所述的单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述间隙调节螺杆上部的螺纹与所述调整法兰内壁的丝口相匹配，所述间隙调节螺杆的下部安装在所述手动调节轮上。

5.如权利要求3所述的单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述芯轴的下侧开有传感器电缆通孔，所述自动间隙控制器通过穿过该通孔的电缆与所述上传感器和下传感器相连接。

6.如权利要求1所述的单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述上传感器包括角位移传感器的转子部分和间隙传感器的上半部分，所述下传感器包括角位移传感器的定子部分和间隙传感器的下半部分。

7.如权利要求6所述的单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述角位移传感器的转子部分为角位移传感器中连接电缆的部分。

8.如权利要求1所述的单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述上轴承盖的上侧是轴向磁悬浮单元中的下磁体和下磁体支座，所述仿真实验台面的下侧是轴向磁悬浮单元中的上磁体支座和上磁体，所述上、下磁体支座为环状，其上有位置相对应的若干回转体，所述上、下磁体分别放置在所述回转体形成的凹槽中，通电导线沿所述回转体设置。

9.如权利要求8所述的单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述通电导线中电流方向的控制通过MOS电路来实现，所述MOS电路中，第一MOS管与第三MOS管串接，第二MOS管与第四MOS管也串接，它们并联在V+与GND之间，在第一MOS管与第四MOS管之间设置有通电导线。

10.如权利要求9所述的单轴磁悬浮自由转台，其特征在于：

所述第一MOS管与第三MOS管的触发端短接在一起，所述第二MOS管与第四MOS管的触发端短接在一起；且两个短接处的电平状态时时相反。

Images